动态特性模拟（精选7篇）
动态特性模拟 篇1
0 引 言
橡胶密炼机及其上下辅机是现代橡胶工业的主要炼胶设备,至今已有近百年的发展历史。当前绝大多数的橡胶都是由橡胶密炼机炼制的。橡胶是各行各业发展不可或缺的产品,不同行业对橡胶的性能、形状、纹理、色泽和寿命等有着不同的需求。因此混炼生产线应具有高度的适应性以满足多元化的市场需求。橡胶混炼技术正发生着日新月异的变化。运用超声波技术对橡胶混炼全过程进行实时监控是当前较新的、可灵活有效地控制橡胶混炼速率和质量的方式之一[1]。通过建立相应的热力学和流变方程,可对橡胶密炼机混炼过程的各个方面进行较为准确的描述,从而为合理设置混炼过程的各项参数提供理论依据[2]。我国的橡胶密炼机生产厂家在对国际橡胶密炼机技术进行引进和吸收的基础上,对自己的橡胶密炼机产品进行了大量的技术改进和创新,如采用了各种构型的转子(销钉转子、同步转子、可调距转子)、液压上顶栓、液压式转子端面密封、PID温度自动控制系统、计算机全自动监控等。目前我国生产大型橡胶密炼机的公司主要有大连冰山橡塑机械公司和益阳橡胶塑料机械公司等,其产品已经实现系列化。
电液比例压力流量复合控制阀又称PQ阀,它将压力控制和流量控制有机地结合在同一阀块内,最大限度地简化了阀块结构和体积。PQ阀既可实现对输出流量进行比例控制,又能实现系统压力的比例调节,被广泛地应用于塑料机械、冶金、炼胶等行业,可满足特殊工艺要求,实施效果明显[3,4]。
新型的集压力、流量比例调节于一体的PQ阀具有复合度高、性能稳定、能耗低等特点。在液压系统中采用PQ阀可以大大降低系统成本,同时便于安装和调试。PQ阀不仅在性能上可与由若干传统液压元件(如溢流阀、减压阀、节流阀等)构成的复杂系统相媲美,而且价格也可以被国内市场接受。PQ阀用来对橡胶密炼机上顶栓输出压力和移动速度进行比例控制。采用PQ阀控液压系统,生产者可对混炼室内部压强进行灵活设定,进而确保了炼胶质量,满足了产品多元化的需求。
现有市场上的PQ阀普遍存在动态响应稳定性不足的缺点。即在混炼过程中当对PQ阀进行比例流量调节或比例压力调节时,由于液压系统内部固有的液容性元件和液感性元件的作用,系统不能迅速达到调定状态,或者输出量经过剧烈震荡后才稳定在调定值上。当采用PQ阀时,液压系统的控制性能对PQ阀的动态响应稳定性的要求较为严格。
本研究将针对橡胶密炼机中用于控制上顶栓的PQ阀控液压系统进行研究,探讨该阀的控制原理,利用仿真软件MATLAB中的Simulink模块对其分别进行流量调节和压力调节动态模拟,为合理设置控制系统的相关参数,提高橡胶密炼机液压系统的控制能力提供参考依据。
1 PQ阀在橡胶密炼机系统中的应用
PQ阀既可对输出流量进行比例调节,又可对系统压力进行比例控制。虽然不同的PQ阀在大小、外观、性能指标等方面不尽相同,但是基本工作原理是相同的(如图1所示)。
由于PQ阀同时具有压力阀及流量阀的功能,因此在应用中具有如下特点:
(1) 进行压力调节时,溢流量太少会导致系统压力不稳定。溢流阀工作时要保证适当大的溢流量。当节流阀的通流截面积很小时,在保持所有因素都不变的情况下,通过节流口的流量会出现周期性脉动,甚至造成断流,这就是节流阻塞现象。节流口的阻塞会使液压系统中执行元件的速度不均匀。因此每个节流阀都有一个能正常工作的最小流量限制,称为节流阀的最小稳定流量[5]。
(2) PQ阀的回油T口必须直接与油箱相连,当负载无压力或PQ阀不工作时,油液由T口直接流回油箱,泵处在卸荷状态,起到节能作用。
(3) 在工程实际应用中,阀中一般都配置有安全阀。当系统压力达到限压压力时,安全阀RK就与溢流阀M构成先导溢流阀,限制系统的最高压力,起到保护系统的作用。此功能使PQ阀控液压系统无需单独设置大规格的系统溢流阀[6]。
本研究对象是某公司生产的PQ阀,其采用电和位置对流量复合反馈的新型原理,最高使用压力35 MPa,最大流量650 L/min,压力控制滞环小于±1.5%,重复精度小于1%,流量控制滞环小于±1%,重复精度小于1%,具有工作范围广、控制精度高等优点。另外,该阀还可以与计算机相连,构成机、电、液一体化的高性能系统。
2 PQ阀控液压系统数学模型的建立
2.1 功率键合图
功率键合图是一种功率流图,其优点一方面在于它对功率流描述上的模块化结构与本身各部分物理结构以及各种动态影响因素之间有直观的一一对应的关系,另一方面在于它与系统的动态响应数学模型(状态方程)之间存在着严格的逻辑上的一致性,即根据功率键合图,并依照一定的规则,可推导出系统的数学模型[7]。因此,在为橡胶密炼机PQ阀控液压系统建立相关的数学模型、进行动态特性分析之前,首先应当建立与该系统相对应的功率键合图(如图2所示)。
2.2 状态方程的建立
在建立状态方程之前应首先明确系统中的状态变量。系统的状态方程是一阶微分方程组,且由功率键合图可知,只有储能元件(容性元件C和感性元件I)中两个变量间才有导数或者积分关系,故应从C元和I元各自的变量间取一个变量作为状态变量。系统中C元和I元的数量之和为6,因此有6个状态变量,且须针对这6个状态变量列出6个微分方程来描述系统的动态响应特性。
根据以上关于状态变量、系统微分方程和未知参数的讨论可最终确定描述PQ阀控液压系统动态响应特性的状态方程为:
3 PQ阀控液压系统的动态特性模拟
液压系统和元件的仿真算法可归结为以下3种基本形式:信号流法、基于方程法和能量端口法。Matlab/Simulink是控制理论与控制工程及计算机仿真的强有力的工具,在系统仿真、分析与设计方面得到了广泛应用[8,9,10],是利用信号流法对系统进行仿真的软件。
3.1 仿真程序图
采用Simulink默认的ode45解法器,适用于大多数连续或离散系统。根据PQ阀控液压系统状态方程及其相关参数绘制的Simulink仿真程序图如图3所示。其中,x21和x31为系统输入信号,状态输出窗口Q和P分别代表PQ阀控液压系统的输出流量和输出压力。通过观察P和Q在不同输入信号下的响应曲线,可以对该系统的稳定性进行研究。其他状态变量的响应曲线可通过点击相应的状态变量显示窗口来获得。
3.2 流量调节的动态特性模拟及分析
进行流量调节动态模拟时,首先向比例溢流阀RY输入一个恒定的电信号,使阀芯位置固定,然后向比例减压阀E的主阀芯输入阶跃电信号。
在PQ阀控液压系统流量调节过程中,在由静止状态过渡到某指定工作状态时振荡剧烈,稳定性较差,最大百分比超调量为107.43%;当由某一工作状态过渡到另一工作状态时稳定性良好,最大百分比超调量为0.77%。同时,两个不同工作状态下系统的稳态输出值,表明:PQ阀控液压系统的流量调节功能,即在将比例溢流阀RY的阀芯位置固定时,若增大比例减压阀E的阀口开度,则作用于溢流阀F并使其开口大小改变的油液压力增大,节流阀F的液阻随之减小,系统输出流量增加。
3.3 压力调节的动态特性模拟及分析
进行压力调节时,首先向比例减压阀E主阀芯输入一个恒定的电信号,使阀芯位置固定,然后向比例溢流阀RY的阀芯输入阶跃电信号,则阀芯位置随之产生瞬时变化。
在PQ阀控液压系统压力调节过程中,在由静止状态过渡到某指定工作状态时振荡剧烈,稳定性较差,最大百分比超调量为60.64%;当由某一工作状态过渡到另一工作状态时稳定性良好,最大百分比超调量为0.07%。两个不同工作状态下系统的稳态输出值,表明:PQ阀控液压系统的压力调节功能,即在将比例减压阀E的主阀芯位置固定时,若减小比例溢流阀RY的阀口开度,则溢流损失减少,系统输出压力增大。
4 结束语
对PQ阀控液压系统进行动态特模拟,旨在探索该系统的动态特性,了解影响系统动态响应特性的参数,为提高其控制性能提供理论依据。在系统参数优化过程中,本研究采用了Matlab/Simulink模拟软件,通过反复模拟,找出影响系统动态响应稳定性的参数,并进行合理调整。系统在接收外部信号、从静止状态过渡到某一工作状态过程中会产生较强的振荡。其根本原因是PQ阀控液压系统内部存在储能元件(如弹簧),可以储存和释放能量。因此系统总是要经过一定的响应时间后才能达到平衡状态。经过优化的PQ阀控液压系统对橡胶密炼机上顶栓的控制能力大大提升,可使其更快、更稳定地响应外部输入电信号,实现了提高炼胶质量、提升产品竞争力的目的。不仅如此,橡胶工业是工业领域的重要组成部分之一,制胶能力的提升必将带动其他相关产业(如汽车工业)的发展,进而对整个国民经济产生积极影响。
参考文献
[1]CHENG Chin-Chi.Real-time diagnosis of melting and mix-ing processes in internal mixer by ultrasound[J].Journalof Materials Processing Technology,2010(210):675-683.
[2]CAMPANELLI J R,GURER C,ROSE T L,et al.Disper-sion,temperature and torque models for an internal mixer[J].Polymer Engineering and Science,2004,44(7):1247-1257.
[3]陈家素,张治宇.数字式比例压力流量复合阀及其应用[J].液压与气动,1997(2):21-22.
[4]刘安治.PQ阀在冶金液压系统中的应用[J].江苏冶金,2003,31(5):14-16.
[5]章宏甲,黄谊.液压传动[M].北京:机械工业出版社,2000.
[6]吴根茂.新编实用电液比例技术[M].杭州:浙江大学出版,2006.
[7]刘能宏,田树军.液压系统动态特性数字仿真[M].大连:大连理工大学出版社,1993.
[8]王正林,王胜开,陈国顺,等.Matlab/Simulink与控制系统仿真[M].2版.北京:电子工业出版社,2008.
[9]杨坤全,陈淑梅,陈小梅.基于电流变效应的汽车ABS的MATLAB/Simulink仿真[J].机电工程技术,2009,38(2):13-15.
[10]杨甫,许伯强,杨桂兰.变频器供电下异步电动机转子断条故障仿真研究[J].机电工程技术,2009,38(1):67-69.
动态特性模拟 篇2
通风在农业建筑物的气候环境调控中起到非常重要的作用。在温室生产中通风的作用除了要交换热量、降低湿度,还要为温室提供空气以防止二氧化碳的缺失。目前,通风被分成3种基本的方式:自然通风、机械通风和混合通风。机械通风通风率的可控性好、降温效果明显、可靠性高,但运行过程中电能能耗高。所以,研究机械通风的优化控制、降低能源消耗具有特别重要的意义。
温室温度场的分布是动态复杂的分布特征,是一个典型的分布参数系统。即温室内各点的参数是不一样的,即各点的参数不仅与时间有关系,而且与空间位置有关系;与外扰的强度有关系,而且与外扰的位置有关系。因此,为了实现优化控制,必须充分了解降温过程的动态响应特性。
国内外不少学者采用CFD技术来预测温室在机械通风条件下室内温度和气流的动态变化,分析室内微气候环境的变化特点[1,2,3];也有应用计算流体力学软件Fluent对空调房间温度场开展动态特性研究的报道[4]。本文介绍了应用Fluent对机械通风温室内部温度场的稳态和非稳态过程进行模拟,通过所计算得到的不同位置的温度动态响应来分析特征点的动态特征。
1温室温度场CFD模拟
1.1数值模型
1)三维模型。以某3连栋温室作为研究对象,温室的几何特征:温室的脊向为南北向,跨度7.5m,天沟高3.5m,脊高5m。温室安装6个直径1.5m、中心离地面0.8m的风机,与风机相对的山墙上安装湿帘。湿帘高1m,距地面0.8m。
使用Fluent Inc.自行开发的网络创建软件Gambit建立温室的几何模型和进行划分网格,并对湿帘和风机处进行了网格加密。网格质量按照EquiAngle Skew标准进行控制,如图1所示。
2)湍流模型。标准k-ε模型是半经验的公式,主要是基于湍流动能和扩散率。k方程是精确的方程,ε方程是由经验公式导出的方程。k-ε模型假定流体流场完全是湍流,此模型在温室环境模拟中获得了较高精度。本模拟假设温室内的空气为连续、稳定、不可压缩牛顿流体,采用标准k-ε模型来描述温室内气体的湍流输送过程。
3)辐射模型。太阳辐射是影响温室内环境的一个重要因素,在综合考虑光学深度、散射和发射、气体和颗粒间的辐射换热,以及需对材质作半透明介质或不透明处理,决定采用离散坐标(discrete ordinates,DO)辐射模型。
1.2 边界条件
网格划分完成后,在Gambit中设置计算域的边界类型,入口(inletl)采用压力边界条件、出口(outlet)采用速度边界条件、顶棚(inlet2)采用辐射边界条件、壁面(wall)和地面(ground)采用固体壁面边界条件,并将整个计算域定义为流体域类型。假设近壁处的气流流动符合单层壁面函数法的对数分布规律,由于温室的保温功能,故给定墙体和地面的对外传热条件为绝热。太阳辐射在数值模拟中,通过在能量方程中加入太阳辐射的能量源项进行处理。模型的主要的边界条件及初始参数:
入口的平均温度/℃:20
风机出口平均风速/m·s-1:3
室外温度/℃:25
室内土壤的温度/℃:24
流场的初始温度/℃:32
总太阳的辐射强度/W·m-2:800
对流换热系数/W·(m2·K)-1:8
1.3 稳态计算
在用Fluent模拟求解时,对能量和动量方程的求解采用二阶迎风格式进行离散化处理,使用的是SIMPLE算法,应用分离式求解器对各守恒方程进行3D稳态数值求解。
从模拟得到的温室内部温度场的分布情况(如图2和图3所示)可知,从湿帘到风机的水平方向和竖直方向存在温度梯度:在水平方向湿帘入口的温度较低,在气流到达风机出口的过程中,水平方向的气温逐渐上升,但上升平缓且均匀;在竖直方向,温室下部温度较低,随着高度的增加,温度上升较为平缓和均匀,温室内部风机和湿帘上部空间空气温度较相同高度的其他位置要高;并且温室中部位置温度相对较低,周围的温度相对较高。
2 温室温度场动态特性分析
对于实际使用的温室来讲,空间内部的温度参数不仅与空间位置有关,而且与时间有关系,不仅与外部环境的扰动有关(如辐射的变化),而且与扰动的位置有关(如辐射的角度)。因此,其是典型的分布参数系统。
表1中给出了瞬态模拟计算的4种工况。C1～C4分别模拟晴天正午、阴天正午、晴天上午和提高通风率的情况。图4～图6分别为100s内A,B,C等3点的Fluent瞬态模拟计算的结果。从图4～图6中可以看出,在风机开始通风降温的过程中,靠近湿帘处的温度响应较其它两个位置要快,在4种条件下,都在大约前10s内快速下降了40%左右,然后趋于平缓下降。
观察B,C两点的情况,可以看到在风机启动后,温度首先是一个上升的过程,越靠近风机所在的排风口,温度上升的幅度越大,在上升到顶点后,才转入降温过程。这就是说离进风口越远,温度下降的过程响应越滞后。但在3个位置的变化都显示,在C4的情况下,也就是提高通风风速后,降温过程滞后的程度会得到改善。
综合观察3个位置的情况,可以看到:在相同的通风率下,辐射强度越高,动态过程趋于稳定的温度越高;提高通风率,可以进一步降低室内温度的稳定值;在相同的辐射强度,但比较正午时的直照和上午的斜照,在温室的3个位置,直照总是对温室有较多的热贡献,从而使温度下降的更慢。
3 结论
本文应用CFD软件Fluent对装备有湿帘—风机的连栋塑料温室温度场进行了初步的数值模拟,结果显示在机械通风下温室内部的温度场在水平方向和垂直方向都有温度梯度。
应用Fluent的非稳态计算,可以获得温度场任意点的温度变化曲线。从所计算的3个特征点的温度对机械通风的阶跃响应,可以比较清楚地观察到温室内部温度场分布的动态特征。因此,对于温室的设计和自动控制具有一定的指导意义。
本研究未能在数值模型中考虑植物、湿帘结构等因素对温度场的影响,得到结果的精确度有一定的局限性,这些将在以后的工作中进一步完善。
参考文献
[1]童莉,张政,陈忠购,等.机械通风条件下连栋温室速度场和温度场的CFD数值模拟[J].中国农业大学学报,2003,8(6):33-37.
[2]吴飞青,张立彬,胥芳,等.机械通风条件下玻璃温室热环境数值模拟[J].农业机械学报,2010,41(1):153-158.
[3]Harral B B,Boon C R.Comparison of predicted and meas-ure-ed air flow patterns in a mechanically ventilated live-stock building without animals[J].Agricultural Engng.Res,1997(66):221-228.
[4]张欢,宋国军,王志刚,等.空调房间开机状态温度场动态特性CFD模拟及实验研究[J].制冷学报,2005,26(3):16-21.
动态特性模拟 篇3
关键词：爆破管,电容式测压,ANSYS,MATLAB
爆破管膛内动态压力是进行管内爆破试验设计和研发的重要参数, 对于得到管壁允许强度、膜片破膜压力峰值和爆破药性能都十分重要[1]。目前主要使用的是放入式测压器和电子压电测压器两种方法, 但都无法解决其结构与安装空间小的矛盾[2,3]。因此, 本文就适用于中小管径爆破管膛压测试的电容式壳体测压器的结构强度进行了验证, 并对其动态特性进行模拟分析, 通过实验对模拟曲线进行了校准, 分析了可行性。
1 测压器的结构及基本原理
电容式测压器是筒状结构, 由一厚壁的外筒, 端盖和内部电路筒以及加在内外筒之间的聚四氟乙烯环构成。外筒取良好的弹性元件, 则可以利用内外筒构成一个以空气为介质的电容器。外筒直接曝露于燃爆场内, 测得数据更准确, 故其材料应选择超高强度的18Ni ( 300) 马氏体时效钢, 其弹性模量为186 Gpa, 屈服极限达到2 000 MPa[4]。设外筒半径为R, 内筒内半径分别为r, 筒高为L, 筒间距为d, 空气介质系数为 ε0, 聚四氟乙烯的截至系数为 εJ。
该测压器的工作原理为: 外筒在收到外部压力载荷产生变形时, 内外筒之间的距离d发生变化, 因此使得壳体电容值C发生变化, 进而改变内外筒之间电压。用测量电路采集壳体电容电压与参考电容电压的差分响应, 从而实现存储测试。其电容的计算公式如下[5]:
2 静力作用下壳体测压器的计算与分析
2. 1 静力分析与计算
采用有限元分析软件ANSYS进行静压响应分析。在Define Loads中将载荷从0 线性加载至600 MPa, 分度值是150 MPa。通过软件自带后处理器General Postproc, 获取测外筒内壁与内筒对应X坐标方向、Y坐标方向的位移形变量。在Options Outp中把每次提取参数样本容量值设置为15。提取测压器筒内壁沿设定路径的各点径向位移响应如图1 所示。
由以上分析可知, 测压器壳体沿高度变形量与其对应高度之间是非线性关系。
将采集到的15 个数据与对应载荷录入到Ansys中, 通过拟合可以计算出不同载荷作用下测压器外筒内壁半径R0与高度h的函数关系。
因内外筒间有空气和聚四氟乙烯两种介质, 壳体电容量对筒式电容器单位长度电容量公式沿高度方向分段积分就是筒底、环形平板电容器的电容量之和, 如公式 ( 2) 所示:
式中, ε0、εJ、εK分别为真空介电常数、聚四氟乙烯及空气相对介电常数。通过用MATLAB软件可以解得测压器在静力作用下的电容响应结果如表1 所示。
2. 2 分辨率
分辨率是静力响应的重要参考量。为此我们假设壳体初始电容为匹配标准电容; 通过MATLAB得到的拟合值等于其实际静态响应值。
通过对表1 的数据进行处理, 利用MATLAB的曲线拟合功能可以得到电容与压力的曲线如图2 所示, 可以得出, 测压器的电容与压力的关系变化规律是非线性的。
通过再次利用MATLAB二次拟合得到曲线的方程为:
分辨率是指传感器的电容值实际值最小变化的能力。工程实践中, 常用相对误差的概念表示“线性度”的大小, 也即传感器的实际特性曲线与拟合直线的绝对误差的绝对值与输出真值比值, 如公式 ( 3) 所示[5]:
由表2 的数据可知最大拟合误差为: ΔYLmax= 0. 636, 根据式 ( 3) 可求出分辨率:
3 壳体测压器动态冲击响应
为了尽量模拟实际环境情况, 对测压器进行了瞬间600 MPa的高压模拟仿真, 以便于得出其动态特性。
3. 1 载荷的施加
在ANSYS软件的Preprocessor > Define Loads中对有限元模型施加如图3 所示的压力载荷, 选用不同载荷方式的载荷步加载, 在仿真过程中, 将该压力载荷施加到壳体的外侧面, 如图3。
3. 2 动态仿真结果及分析
对测压器模型进行载荷设定条件后, 在Solution中求解, 如图4 膛压简化曲线所示, 由通用后处理器General postpoc查看结果。当t = 5 ms时, 压力载荷达到峰值600 MPa, 壳体内壁各节点应力达到最大值。图5 为壳体在压力达到峰值时的应力云图。
由图上可以看出, 当膛压达到最大值600 MPa时, 测压器并没有出现塑性变形, 所有节点的应力均小于材料设置的屈服应力极限, 仍然属于弹性变形范围内, 即壳体压力响应良好, 作为承压结构合理。
3. 3 在模拟膛压发生器上进行动态校准
模拟膛压发生器作用是模拟爆破管膛内压力作用。配置不同剂量的发射药可以获得不同的爆破压力, 不同厚度的爆破片可以控制实现不同的峰值压力[6,7]。爆破产生的流场压强作用在电容测压器上, 通过测量电容电压的变化, 得到膛内的P-t曲线。
在校准过程中, 可以认为是一个密闭的空间, 腔内压力场平稳, 符合校准的条件, 破膜以后也即下降沿时间, 腔内压力迅速流失, 大量燃爆气体喷出, 各个基准测压点混乱, 传感器的非线性显著。如图6 所示的实际校准数据也说明这一点。
从图6 可以得出, 上升沿与标准传感器基本吻合, 这是因为在上升沿时刻模拟膛压发生器膜片尚未破损, 而下降沿与标准传感器出现了一定的误差, 没有马上归零, 这可能是因为受弹性滞后和弹性后效的影响。
4 结论
本文利用Ansys仿真分析软件对一种应用于爆破管的壳体电容式测压器进行了设计与分析, 研究了其静态特征和高冲击下动态冲击仿真。利用测量电容的变化范围得到冲击响应的变化, 通过MATLAB的数值拟合分析得到测压器的分辨率, 以及在模拟膛压发生器中对测压器进行动态校准, 并通过对实测数据的分析阐明了电容式测压器设计的合理性。
参考文献
[1]陈聪.压力容器用爆破片应用技术的研究[D].西安:西北大学, 2012.
[2]李新娥, 祖静, 马铁华, 等.用于火炮膛压力测试的电容式传感器的设计[J].仪器仪表学报, 2011, 32 (3) :640-645.
[3]王海明, 裴东兴, 张瑜.微小型放入式电子测压器的研究[J].电子设计工程, 2009, 17 (12) :28-31.
[4]陈建刚, 张建福, 卢凤双, 等.18Ni马氏体时效钢强化方法概述[J].金属功能材料, 2009, 16 (4) :46-49.
[5]孟立凡, 蓝金辉.传感器原理与应用[M].北京:电子工业出版社, 2008:6-12.
[6]刘飞, 徐鹏, 张红艳.电容式测压器的壳体设计与仿真[J].弹箭与制导学报, 2011, 31 (6) :193-196.
高压电器设备动态特性解析 篇4
一、电力系统高压电器设备选择标准
根据高压电器设备元件分析图进行多次试验，筛选出以下几点对高压电器设备影响较大的选择条件，虽然不同高压电气设备性能也不尽相同，这为高压电器设备选择条件带来一定难度。
二、高压电器设备常见故障原因分析
1. 高压电器设备常见故障起因
高压电器设备一旦出现了故障，就会为要求日益严格甚至苛求的电力工程带来使用方面的重要影响，为此我们需要对引起高压电器故障的原因进行分析。经过大量资料查证与实验，我们发现高压电气设备高压故障起因很多，不仅仅有常见的电流电压负载、高压电器设备电缆绝缘性能减弱、发生电流电压的超载产生击穿导致设备线路短路;还会发生高压电器控制管理的电源电压异常减弱、设备内部元件的不正常运作;甚至也可能由于高压电器设备控制回路电器老化损坏、性能下降、保护失准、误动作;控制分路受潮、破损、老化击穿短路等。
2. 高压电器设备故障应急处理措施
当高压电器设备出现故障时，高压电器设备内置的控制回路可以让设备中安置的断路器进行快速、准确的跳闸操作，从而缩小故障范围将电源进行切断操作;当发现了电力系统现场设备检修专员当发现高压电器设备自动跳闸后需要及时制定出科学合理的设备修护方案。首先我们要分析高压电器设备跳闸原因是故障引起的还是误动作引起的，之后马上打开隔离开关检测高压电器设备受损情况，其间需要注意检测以下几点内容。包括设备电缆电线的绝缘值、设备断路器开关触头的电阻数值，还要用电阻表进行设备开关的检测，注意查看设备断路器、设备内置回路元件运动正常与否，从而判断高压电器设备故障类别以及故障造成的损害程度，最后及时记录并将高压电器设备故障进行通报，然后由专员进行相应类别故障修复。如果必要也可以更换设备处理以解除故障。
三、高压电气设备动态特性分析
为了更好地保障高压电力设备被电力系统利用，我们在高压电器设备故障起因与常见故障解决分析基础上进行设备的动态分析，通过分析我们依据高压电气设备结构特点以及要求，根据以下原则构建高压电器设备力学模型(如下图2、图3、图4所示)：(1)通过查找资料对典型高压电器设备模型进行简化，我们需要进行利用悬臂多质点甚至质量——弹簧体系为构建基础的单柱式、多柱式乃至带拉线式;同时利用多质点弹簧作为主要元件进行高压电气设备管型母线甚至高压电器设备大电流结构封闭的母线等形式的长跨结构的高压电气;简化变压器瓷套管结构的悬臂多质点高压电器。(2)考虑高压电器设备法兰连接元件的物理弯曲刚度性质。(3)在高压电器设备动态监控系统计算中计入元件与线路的减震阻尼剪切物理刚度性质参数、材料弯曲刚度以及设备阻尼比进行故障情况计算。(4)通过实验我们对高压电器设备动态分析，结合可以弥补高压电器设备元件共振弊端的避雷器装置和一定高度重量限值的绝缘性能的支柱缘子，甚至一定标准的设备内置断路器进行动态计算分析。
除此之外，在实验过程中我们还总结以下两点试验要点。(1)切合实际选择柔性节点进行高压电器设备计算模型，同时一定注意计入设备瓷套管相互间物理转动刚度，乃至高压电器设备与设备支架间进行连接构筑的物理转动刚度。(2)选择一到十赫兹的高压电气固有频率，同时注意由于设备元件抗震效果不佳，当发生地震时会因为自身设备元件频率越接近地震波卓越频率就越容易发生类共振，所以我们对高压电器设备进行隔震、减震、抗震的加固处理是十分必要的。
四、结论
本文从高压电器设备故障原因以及类型进行入手分析，并以此为契机进行高压电器设备动态分析，希望本文的简要论述可以为广大读者在高压电器设备动态研究方面带来一定借鉴价值。
摘要：飞速前行的经济,使得电力系统中高压电器设备的使用越来越频繁,为了更好地避免高压电器设备出现故障带给电力设备一定安全隐患问题,我们有必要仔细分析高压电器设备故障原因以及类型,并有针对性地进行深度的高压电器设备动态特性解析。
关键词：高压电气设备,动态特性,解析
参考文献
[1]孙宝钦.电力设备状态检修策略及其实际应用[J].吉林化工学院学报,2007(01).
[2]蒋策.电力设备传统检修的弊端与状态检修方式应用[J].中国高新技术企业,2007(10).
N2流注放电过程动态特性 篇5
研究在大气压下的N2流注放电过程对于研究相关技术具有非常重要的意义,例如绝缘、等离子体化学和提纯等技术。虽然流体动力学模型在气体流注放电的研究中得到广泛应用[1,2,3],但是,采用流体动力学模型进行求解非常耗时。为了提高求解PDE方程的收敛速度,采用有限元方法(FEM)对其进行求解是一种解决问题的有效途径。同时,通过建立N2短间隙流注放电模型,应用有限元方法对N2正向流注的动力学特性进行分析研究,求出其放电过程正向流注等离子体空间粒子产生、倍增、消失和分布等表征参数,为优化电极设计、控制利用放电现象提供理论依据和分析方法。
1 模型与数值方法
计算模型采用平行板电极结构(如图1所示),极间距5 mm,极-板间充满氮气。其中负极板接地,正极板接25 kV。柱坐标系(r,z)的起点位于阴极。轴线z指向阳极。
anode- 阳极;photon-光子;electron-电子; positive-正离子;ion-离子;cathode-阴极
N2气体间隙流注放电包括含有分子电离、粒子的漂移和扩散以及光致电离等过程的连续方程和泊松方程[4,5],具体表述如下:
undefined, (1)
undefined, (2)
ᐁ2φ=-qe(ni-ne)/ε0 (3)
式中,
undefined
式中,电子电流密度表示{jer,jez}和正离子电流密度表示{jir,jiz},undefined表示电场强度,φ表示电位。ne、undefinede、De、ni、undefinedi和Di分别表示电子和正离子的密度、漂移速度和扩散速度。ve为undefinede的模值,α表示汤逊电离系数,qe表示电子电荷,ε0表示真空介电常数。S表示的是粒子产生和消失机理,例如光致电离过程以及复合过程等。在电负性气体中,应考虑负离子连续方程。
在二维仿真模型中,方程(1)、(2)、(3)描述正向流注的发展过程。其中,漂移速度和汤逊电离系数都是E/p的函数,具体参数如下[6]:
undefined
式中,μe表示电子迁移率,μi表示正离子迁移率,DL和DT分别表示横向和纵向扩散速度。由于电子扩散速度远大于正离子扩散速度,因此正离子扩散速度忽略不计。
主要目的是研究正向流注粒子密度分布与流注发展之间的相互关系,以及空间电场分布和电子漂移速度等动力学特性。因此,在计算中,不考虑方程(1)、(2)中的光致电离S项,使用初始预电离代替光致电离对流注发展的影响,初始预电离密度为106cm-3,这有利于直接研究流注空间粒子分布、空间场强分布与流注发展之间的相互关系。
应用有限元方法对电子和正离子连续方程以及泊松方程进行耦合迭代求解[7]。
为了使流注能够快速形成,在阴极附近放置半球状等离子体,其峰值为5×1012 cm-3,且初始半球状等离子体服从高斯分布。具体方程如下[8]:
undefined
式中,z0=5 mm,δr=0.21 mm 和δz=0.27 mm。
连续方程边界条件如下:
undefined
泊松方程边界条件如下:
undefined
其中,R表示求解域的半径。
2 仿真结果及分析
在仿真中,初始电荷服从高斯分布,峰值为5×1012 cm-3,轴向半径和径向半径分别为0.27 mm 和0.21 mm。间隙中初始预电离密度为106 cm-3,压强为0.1 MPa,间隙间距为5 mm,间隙电压为25 kV, 场强为50 kV/cm。电极结构以及正向流注的发展过程如图1所示。仿真流注发展各时刻电子密度和正离子密度分布,如图2、图3所示。表示轴向电荷密度分布见图4,从中可见电子的漂移速度大于正离子的漂移速度,正向流注头部电子密度大于正离子密度。表示轴向电子漂移速度见图5,从中可见电极间隙各点的轴向电场强度在不同时刻的分布。电场强度最大值总是出现在流注头部。随着流注的发展,其头部电场强度不断增强,约从58 kV/cm增加到110 kV/cm,而流注通道中电场趋近于10~20 kV/cm。表示空间场强分布见图6,从中可见在外加电压为25 kV,峰值粒子密度为5×1012 cm-3,预电离密度为106 cm-3情况下,电子轴向漂移速度范围约为(0.2~4.2)×105 m/s,且在不同时刻不同位置的电子漂移速度也不相同。
仿真结果可见,在阴极附近放置初始等离子体时, 电子在电场力作用下向阳极漂移运动,由于电子的漂移速度大于正离子的漂移速度,滞留空间电荷畸变空间电场,使流注的头和尾部区域电离剧烈,导致更多的电子和正离子产生;这些空间电荷继续畸变空间电场,使流注等离子体通道向前发展,直至流注贯通整个电极间隙。
3 结论a. 所采用的流注流体模型及求解方法能够完整地仿真流注发展的微观过程,得到N2放电过程的流注形状、空间粒子分布、空间电场分布和电子漂移速度等微观参量。
b. 仿真结果表明,随着N2流注放电过程的发展,其头部电子密度、电场强度、电子漂移速度显著增加,而滞留在通道的空间电荷大大畸变空间电场,进一步促进了流注的发展,直至整个电极间隙形成等离子体通道。
参考文献
[1]Georghiou G E,MorrowR,Metaxas AC.Two-dimensional sim-ulation of streamers using the FE-FCTalgorithm[J].Journal ofPhysics D:Applied Physics,2000,33(3):L27-L32.
[2]Georghiou G E,Morrow R,Metaxas A C.The theory of short-gap breakdown of needle point-plane gaps in air using finite-difference and finite-elelment methods[J].Journal of PhysicsD:Applied Physics,1999,32(12):1370-1385.
[3]Morrow R.Theory of positive corona in SF6 due to a voltage im-pulse[J].IEEE Trans on plasma Science,1991,19(2):86-94.
[4]Vitello P A,Penetrante B M,Bardsley J N.Simulation of nega-tive streamer dynamics in nitrogen[J].Journal of Physics ReviewA,1994,49(6):5547-5598.
[5]Kulikovsky A A.Two-dimensional simulation of the positivestreamer in between parallel-plate electrodes[J].Journal ofPhysics D,1995,28:2483-2493.
[6]Dhali S K,Williams P F.Two-dimensional studies of streamerin gases[J].Journal of Applied Physics,1987,62(12):4696-4706.
[7]胡建林,洪川,杜林,等.有限元弱解式的棒-板长空气间隙先导放电空间电场仿真研究[J].中国电机工程学报,2008,28(10):148-154.
基于结合面的机床动态特性研究 篇6
机床的机械结构中,除了有床身、立柱、滑座、工作台、主轴箱和主轴等结构本体之外,还有螺栓联结、导轨联结、丝杠联结、轴承联结等结合面。结合面的刚度常常是机械结构整体刚度的重要组成部分,有时甚至成为整体刚度的薄弱环节[1]。许多研究表明:机床的静刚度中30%～50%决定于结合面的刚度特性;机床上出现的振动问题有60%以上源自结合面[2];机床的阻尼90%以上来源于结合面[3]。因此,在研究和解决机床结合面的动态特性尤为重要。
1 结合面的处理
1.1 固定结合面的处理
在机床结构中,固定结合面以螺栓联接结合面最为典型,于是,针对螺栓联接固定结合面提出结合面力学模型,如图1所示。由于结合面具有刚度和阻尼特性,因此,结合面可以用弹簧和阻尼器元件来模拟。在解析时,结合点选取的数目要根据结合面的状态及具体结构而定。选择多个结合点时,实际上是把结合面分割成多个子结合部,而每个子结合部仍用一个等效结合点来代替。所以一般用一个结合部为一个等效结合点(弹簧与阻尼器的组合)的情况来进行分析。
对于结合面单元而言,由于结合部两接触面上微凸体的质量是可以忽略的,在建立其动力学模型时,只考虑结合部的刚度和阻尼特性,其振动方程式为[4]:
(K+iωC)X=F (1)
式中:K——结合部刚度矩阵;
C——结合部阻尼矩阵;
X——结合部相对位移列阵;
F——结合部力列阵;
ω——系统的谐振频率。
因此确定结合部特性参数,就是要求出矩阵K和C[1]。
1.2 导轨与滑块结合面处理
机床导轨滑块结合面可以简化成一个单自由度系统,在竖直方向和水平方向均简化为一个弹簧-阻尼系统。根据模态理论识别出竖直方向和水平方向的刚度、阻尼系数。设一个单自由度系统对应的固有频率为f,滑块质量为M,接触面的刚度为K,根据机械振动理论有:
K=4M π2f2 (2)
对得到的传递函数采取分量分析法求接触面的刚度和阻尼。在固有频率附近,频响函数通过自己的极值,此时实部为零,而虚部幅值最大,出现极值的那个频率是系统固有频率ω,相应的阻尼比ζr采用半功率点法得到[5]。设ω1和ω2分别为半功率点对应的两个频率(ω1<ω<ω2),H(jω)为频响函数的虚部,C为阻尼,则:
有:
2 实例分析
2.1 建模
高速五轴龙门加工中心是一个复杂的机械结构,在建模过程中,根据其结构特点,可以将整机分为立柱组件、滑座、传动系统组件、滑台、横梁、箱体、电主轴架、电主轴、电主轴套等,其整机的有限元模型如图2所示。
2.2 结合面的处理
对于立柱与地面、立柱与滑座、x轴直线导轨与滑台、y轴直线导轨与横梁、z轴直线导轨与箱体的接触面均采用螺栓固接,每个螺栓连接处用三个梁单元模拟;对于x,y,z方向上的导轨滑块结合面参数采用锤击激振实验法得到,导轨滑台之间用哑物体进行连接[6],实验结果如表1所示。
2.3 整机动态分析
对整机进行模态分析,图3为在1000N简谐力激励下机床刀具的振动响应曲线图,其中,虚线代表不考虑结合面的影响,结合面之间采用刚性联接;实线代表考虑结合面的影响,在结合面之间加入等效的动力学参数。从图3中可以看出,结合面对整机的影响表现在模态频率的降低和模态振型的衰减。模态振型的衰减是有利的,但模态频率的降低是不利的,会导致共振现象的发生,因此,在整机设计时,必须考虑结合面的影响。
3 结论
机床是一种复杂机械,除了结构本体之外,还包含有各种各样许许多多的结合面。结合面的动态特性是机床动态特性的重要组成部分。本文用实验测定和计算机模拟方法,对机床结合面的动态特性进行研究。这为机床整机结合部的非线性特性的合理处理提供了一种方法,从而为机床设计阶段的整机性能预测开辟了道路。
摘要：运用三维建模软件Pro/E和有限元分析软件ANSYS,建立了虚拟样机模型。考虑结合面的影响,对机床进行了动态分析,研究结合面对于机械结构动态特性的影响,实现无物理样机环境下机床整体动力学性能预测和综合评价的目的。
关键词：机床,结合面,动态特性
参考文献
[1]赵宏林,丁庆新,曾鸣,等.机床结合部特性的理论解析及应用[J].机械工程学报,2008,(12):208-214.
[2]张学良,徐格宁,温淑花.机械结合面静动态特性研究回顾及展望[J].太原科技大学学报,2002,23(3):277-278.
[3]Huang Yumei,Fu Weiping,Tong Junxian.AMethod of AcquiringApplied Tangential Damping Parameters of Joint Surfaces[J].Journal of Xi’an University,1996,12(1):1-5.
[4]秦宝荣.机床结合面动态特性研究[J].制造技术与机床,1996(8):35-37.
[5]许丹,刘强.基于结合面建模的数控机床动力学联合仿真研究[J].机械设计与制造,2008(3):9-11.
谈直流锅炉特点及动态特性浅析 篇7
1 直流锅炉的特点
直流锅炉的汽水通道的给水从受热面一端进入, 在给水泵压头的作用下, 从另一端排出。在流动过程中吸收热量, 给水变成饱和蒸汽, 再变成过热蒸汽。在这一过程中, 加热、蒸发、过热三个热交换过程顺序发生, 被加热的工质一次通过受热面, 全部蒸发完毕。它具有如下特点:
1.1加热区、蒸发区和过热区之间没有固定的分界线, 任何一种扰动都会使假想的分界线前移或后移, 导致主要被调参数变化。例如:当燃料量增加时, 蒸发区和过热区界线向前移动, 而当给水流量增加时, 蒸发区和过热区的界线向后移动。这些变化都会使分离器出口的蒸汽焓值、蒸汽量、汽压、汽温变化。
1.2直流锅炉没有汽包, 锅炉水容积小, 蓄热能力低, 在受到外界扰动时, 自行保持负荷及参数的能力差, 对扰动敏感。
1.3直流锅炉在运行中, 稳态时燃烧率和给水量必须保持一定比例, 瞬态时也必须限制在一定范围内。在稳态时, 燃烧率和给水量比值的任何偏离都会使汽温发生变化。一般对于高压直流锅炉来讲, 燃烧率和给水量比例变化1%, 将使过热汽温变化10℃。因此, 直流锅炉调节汽温的主要手段是保持燃烧率和给水量之比恒定。
2 直流锅炉的动态特性
直流锅炉是一个多输入多输出的复杂控制对象, 锅炉的燃烧率、给水流量、汽轮机调节汽门开度的变化都会直接影响主汽压力和主汽温度的稳定。下面给出这几个扰动下直流锅炉的动态特性。
2.1 燃烧率扰动
正常运行时, 进入炉膛的燃料量与风量必须成适当的比例, 该比例称为锅炉的燃烧率。由于燃料是由一次风吹进炉膛的, 所以燃烧率可用燃料量口代替。燃烧率扰动时, 主蒸汽压力P、主蒸汽流量D和过热汽温θ的过渡过程可用曲线表示。
其它条件保持不变, 仅燃料量B阶跃增加时, 蒸发量在短暂延迟后先上升后下降, 最后稳定与给水量保持平衡。因为在扰动开始时炉内热负荷变化, 加热段逐步缩短, 蒸发段蒸发出更多的饱和蒸汽, 使蒸汽流量D增大。当蒸发段和加热段变化到与燃料量相适应时, 过热蒸汽流量D重新与给水量相等, 蒸汽流量D趋于稳定。
燃料量增加, 加热段和蒸发段缩短, 过热段加长, 必然引起过热汽温升高。但在过渡过程的初始阶段, 由于燃料量传输和燃烧延迟, 以及过热器管壁金属储热所起的延缓作用, 过热汽温经过一段时间延迟后才逐渐上升。当燃料燃烧的发热量与蒸汽带走的热量平衡时.过热汽温最终趋于稳定。
主蒸汽压力在短暂延迟后逐渐上升, 最后稳定在较高水平。最初的上升是由于蒸发量的增大, 后来压力上升是因汽温升高、蒸汽容积增大而汽轮机调节阀门开度不变所致。
2.2 给水流量扰动
给水流量形扰动时, 各参数过渡过程可用曲线表示。其它条件保持不变, 给水流量W阶跃增加时, 由于受热面热负荷未变化, 故开始时锅炉的加热段和蒸发段都要伸长, 从而推出部分蒸汽, 使蒸汽流量增加, 最终等于给水流量。主蒸汽压力开始时由于给水压力的提高和蒸汽流量增加而提高, 但后来由于过热汽温和容积流量的下降而有所下降。实际蒸汽的容积流量比扰动前增加不多, 所以主汽压力保持在比初始值稍高的水平。随着蒸汽流量的逐渐增大和过热段的减小, 过热汽温逐渐降低。但在汽温降低时金属放出蓄热, 对气温变化速度有一定的减缓作用。
当给水流量扰动时, 蒸发量、汽温和汽压的变化都存在延迟。这是因为自扰动开始, 给水从入口流动到加热段末段需要一定的时间, 因而蒸发量产生迟延, 蒸发量迟延又引起汽压和汽温的迟延。
2.3 负荷扰动
外界负荷需求变化一般是通过汽轮机调节汽门开度的变化来反映的, 在调节汽门开度的扰动下, 主蒸汽压力、主蒸汽流量、过热汽温的过渡过程曲线可用图表示。
保持其它条件不变, 当汽轮机调节汽门阶跃开大时, 蒸汽流量立即增加, 过热器出口压力P开始有较大的下降趋势, 随着汽压下降、饱和温度下降, 金属释放蓄热, 产生附加蒸发量, 抑制汽压下降。随后, 蒸汽流量因汽压降低而逐渐减少, 最终与给水量相等, 保持平衡, 同时汽压降低速度也趋缓, 最后达到稳定值。
调节汽门开大减小了汽轮机侧的流动阻力, 主蒸汽压力稳定在较扰动前低的水平上。若燃料量和给水流量未变, 过热蒸汽的焓值未变, 过热汽温随压力下降会略有下降。
从上述的分析可以看出: (1) 单独改变燃烧率或给水流量, 动态过程中汽温、汽压、蒸汽流量都有显著变化, 尤其是汽温的变化更加突出。因此, 变负荷过程中, 给水量必须与燃料量保持适当比例协调动作。 (2) 负荷扰动时, 汽压的变化没有迟延, 且变化幅度较大, 这是因为直流锅炉没有汽包, 蓄热能力小的缘故。 (3) 过热汽温对燃料量和给水量扰动都有很大迟延, 为了稳定汽温, 必须有提前反应燃料量和给水量扰动的汽温信号。一般选择汽水分离器出口蒸汽温度作为中间点温度, 以此作为燃水比校正依据。燃水比例变化后, 中间点汽温变化的迟延比过热蒸汽温度变化的迟延要小很多, 这对于稳定过热汽温, 提高锅炉调节过程品质非常重要。
摘要：本文分别介绍了直流锅炉的特点, 以及直流锅炉的动态特性, 为直流锅炉的进一步研究工作奠定基础。
【动态特性模拟】推荐阅读：
动态特性08-28
动态力学特性05-20
动态运行特性08-07
动态损伤特性12-24
静动态特性02-18
MATLAB动态特性01-13
非线性动态特性06-13
飞机环控系统引气分系统动态特性试验研究11-07
负载特性模拟08-10
LED特性模拟01-15