地面效应试验

地面效应试验（精选6篇）

地面效应试验 篇1

0 引言

风洞地面效应试验研究的目的在于弄清飞行器的近地气动特性。使用活动地板固定模型的方法进行试验可有效扣除地面附面层产生的误差, 对进行飞行器地面效应研究有很高的使用价值, 有利于型号试验和开展高升力机种的研究。这为研制和开发我国自己的高升力飞行器、近地飞行的飞行器如巡航导弹、短距垂直起降飞机打下了扎实的基础。

进行本次地面效应试验的风洞试验段截面为切角矩形, 尺寸为宽4.5 m, 高3.5 m, 试验段长8 m, 针对如此大截面积的地板, 增压时的气动载荷又很大, 如何保证地板的平稳升降、如何保证地板运行至切角时两侧的平稳伸缩是本项目的难点所在。本套地面效应试验装置采用上吊地板方式, 通过在驻室试验段风洞上壁板设计加工一套地板支撑机构来实现。

1 控制系统的总体结构

地面控制系统由主控计算机、现场总线通讯卡、伦茨交流伺服电机及其电机控制器、安全监控保护电路等组成。使用现场总线卡作为输入和输出设备, 通过CAN总线通讯控制各个伦茨交流伺服电机运行, 最终完成对地板的位置控制[1]。

系统的总体硬件结构如图1所示。

(1) 伦茨交流伺服电机。伦茨9400是用于驱动电机的伺服驱动控制器, 主要使用调频调压以及调整相位的方法, 通过速度反馈和位置反馈监控, 控制电机的高精度运行。此外, 指令的给定方式, 除了使用内置于9400的I/O点和CANopen总线接口之外, 还可以使用扩展的通信接口兼容Profibus、Ethernet TCP/IP、Ethernet Powerlink等总线系统进行通信。 (2) CAN总线。CAN总线是基于串行通信的网络系统, 它是一种标准的、开放型、高性能、高可靠性和低成本的现场总线。由于CAN总线采用了许多新技术和独特的设计, 因此与一般的通信总线相比, 它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性的优点。

2 控制系统的设计实现

2.1 控制原理

地面效应试验控制系统软件的主要工作任务是控制地板的升降及两侧侧板的伸缩运行, 本系统共使用了12个伦茨电机, 其中上吊地板有4个电机, 两侧各4个电机控制4个侧板, 每个电机内部装有绝对值编码器, 用以记录电机当前位置并实时返回给相应的伺服控制器。进行地效试验时, 控制系统工控机接受主控室计算机指令先控制地板升降机构精确的运行至目标位置, 再运行两侧共8个侧板分别运行至指定位置。该系统控制地板升降的4个电机需要位置同步, 又要保证负载均衡匹配, 由于其实时性要求较高, 伺服控制器内部采用以太网Powerlink进行通讯。试验中对模型角度和地板高度分别控制, 即当模型迎角增大时, 可以先降地板高度然后再走模型的迎角, 反之则先走模型迎角再升地板高度。

其中地板升降的极限位置距试验段中心分别为200 mm、1 200 mm, 地板厚度96 mm, 地板宽度4 080 mm, 地板左右单侧伸缩机构可伸缩至距风洞侧壁10 mm的位置, 当左右均伸至极限位置时, 地板宽度为4 480 mm。

2.2 硬件设计

在硬件上, 使用一体机作为主控制器以及人机交互的接口, 为了主控制器与各个9400控制器进行高速可靠的数据通讯, 采用了高性能的总线通讯模块[2]。考虑到控制地板升降的4个伺服电机既要保证位置同步, 又要保证负载均衡匹配, 其要求传递和检测的数据具有高实时性, 所以, 伺服系统控制总线采用以太网Powerlink进行通讯。而连接主控制器与局域网 (CAN) 的总线通讯卡选择研华PCI-1680U, 该通讯卡由于带有内置的CAN控制器, 因此能够提供总线仲裁及差错功能, 可以在检查到错误时自动重发数据, 这样就极大地降低了数据丢失的几率, 有效确保了系统的可靠性。

2.3 软件设计

风洞地面效应试验控制系统软件主要由上位机控制软件和控制器内部功能块设计2部分组成。实际做试验时, 上位机控制软件通过CAN通讯为控制器发送位置和速度信息以及起停信号, 同时控制器实时传送其当前的位置信息及状态。

控制软件的应用程序层由控制模块、显示模块和硬件设置模块3部分组成。控制模块在自动运行下接收主控室计算机命令, 执行同步定位操作;在手动运行模式下可完成同步定位操作以及单轴独立定位操作。通讯采用连续周期模式 (PDO) , 对每个控制器设置PDO, PDO信息包括:控制字、位置、速度等。显示模块接收控制器通过PDO传送的位置信息以及到达目标位置信息、报警信息等。配置PDO信息包括位置、实际速度、状态字等。硬件设置模块功能是通过SDO修改伦茨控制器内部参数, 如软件限位、定零点位置等[3,4]。总线通讯流程图如图2所示。

2.4 系统的安全保护

为保护地面控制系统的安全性, 系统在上位机控制软件添加软件限位防止误操作, 在伦茨控制器内部也设置软件限位, 该限位值可通过上位机软件动态修改。系统另外在外部添加两级硬件限位保证系统安全。一级限位连接控制器本身的硬件限位, 碰到限位开关电机停止运行并提供上位机报警信号。地板如果碰到二级限位则整个控制柜断电。

除使用上述保护措施外, 为保证地板和模型机构发生碰撞, 采用欧姆龙的OS32C激光安全扫描器产品, 通过设置相应的安全扫描范围和响应时间后, 一旦试验模型任何部位闯入扫描器扫描范围, 扫描器将立即发出I/O信号, 该信号与系统的急停信号接口连接, 保证设备安全停车。

2.5 控制精度分析

地面控制系统伺服电机全部配有绝对编码器作为位置反馈系统, 电机编码器除具有位置记忆功能外, 其分辨率为4 096, 计算精度为65 536个单位, 理论上换算到电机轴头运转的控制分辨率为0.000 33°。地板升降电动缸行程1 000 mm, 丝杠导程为10 mm, 电机减速器速比60, 因此地板控制分辨精度为:10/ (65 536×60) =2.54×10-6mm, 远远小于地板升降控制的位置精度0.5 mm要求, 因此控制余量非常大, 满足地板控制及高度的要求。同理对于地板侧板, 其行程300 mm, 丝杠导程5 mm, 电机减速器速比64, 控制分辨精度为:5/ (65 536×64) =1.19×10-6mm, 对于距风洞壁0.5 mm的位置要求能够远远满足, 因此整个地面系统的总的位置误差主要取决于传动机构的间隙误差和地板的结构控制变形带来的偏差。

3 结语

本文通过对风洞地面效应试验控制系统的测控系统进行了详细的分析, 成功地设计了一套基于CAN总线的地面控制系统, 该控制系统共使用了12套控制器和电机, 各个控制器与工控机采用CAN总线形式相互访问通讯, 其中控制地板升降的4个控制采用主从方式, 内部通讯使用Powerlink方式, 因此该系统具有实时性强、可靠性高、结构简单、可操作性强等优点, 具有可扩展性, 对于其他的多电机控制具有借鉴意义。

参考文献

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近地面线缆电磁脉冲效应分析 篇2

关键词：近地面,线缆,电磁脉冲,效应

0 引言

核武器或非核电磁脉冲武器, 能通过其产生的高能电磁脉冲对敌方设备造成性能降级或损伤程度以上的杀伤效果来发挥战斗功效[1]。电磁脉冲对电子系统的作用方式可分为辐射耦合和传导耦合2类。辐射耦合是指, 通过空间传播的强电磁波以辐射传播的形式, 穿透设备装载车厢和设备机箱等金属壳体和金属壳体上的孔、缝进入系统;传导耦合是指, 外接长线缆、天线等成为电磁波的传导耦合途径, 以电耦合、磁耦合和电磁耦合的形式将电磁脉冲能量耦合进系统。对电子系统而言, 电磁脉冲无论是以哪种途径进入, 其最终都将作用到搭载的内部电子设备上, 这是电磁脉冲对系统进行伤害的最终目标。

在现代信息化战争中, 应用广泛的线缆承载着连接电子设备、传递信号及传输电力等重要任务, 不加电磁防护的线缆会成为电磁脉冲的收集器, 感应出具有破坏效应的耦合电流作用到系统终端设备中, 使设备出现故障甚至毁坏。因此, 研究近地面线缆电磁脉冲效应规律, 是进行线缆电磁防护的必要步骤。目前, 电磁脉冲和设备、线缆的电磁防护是相关领域的研究热点[2,3,4,5,6]。各种计算方法中, 传输线方程是求解线缆电磁脉冲效应的常用方法[7,8,9], 该方法将电磁脉冲效应问题等效为传输线问题, 是一种解析方法, 能够得到理想问题的精确解, 计算效率高。然而, 实际情况中, 电磁环境可能是复杂的, 为描述处于有损地面附近线缆的电磁脉冲效应, 本文基于适合瞬态分析的数值计算方法———时域有限差分方法 (FDTD) [10,11]来建立计算模型。

1 HEMP 表述和线缆的 FDTD 方法

HEMP在地面附近可作平面波处理, 描述HEMP较有影响的有1976年出版物标准、Bell试验室标准和IEC制定标准等。HEMP表达式以双指数函数来描述[12]:

式中, E0为峰值场强;k为修正系数; α为表征脉冲前沿的参数; β为表征脉冲后沿的参数。电场强度E (t) 和磁场强度H (t) 之间的换算关系按平面波有:

式中, η =377Ω。3种主要波形标准的表达式参数如表1所示。

为使用时域有限差分方法计算近地面线缆的HEMP电流响应, 负载使用集总元件的FDTD方程, 由于设备线缆的半径一般都比较小, 为节省运算资源和提高效率, 使用Noda等人[13,14]提出的基于等效介质参数法的细线模型。Noda方法的场更新方程与一般三维FDTD方程相同, 不同的是细导线邻近的电场、磁场计算要使用修正后的介电常数ε' 、磁导率μ' 、电导率σε'和磁阻率σm':

ε' = mε , μ' = μ/m,

FDTD的电流采样方法如图1所示。

如果在结点 (is, js, ks) 和 (ie, je, ke) 之间采样电流I , 可以使用积分形式的安培定律, 即

选择采样区域中垂直电流方向的某个横截面, 使磁场分量环绕该面, 则积分符号转变为求和符号为:

需要注意的是, 式中符号符合右手螺旋方向。并且由于电流采样使用磁场计算, 电压采样使用电场计算, 所以电流和电压的采样相差半个时间步。

2 近地面线缆电磁脉冲效应计算分析

2. 1 接地线缆 HEMP 耦合模型

近地面线缆HEMP耦合计算模型如图2所示。

接地线缆的半径为2.5 mm, 长度10 m, 两端不接负载或通过负载接地, 并与埋入地下的接地体相连接。HEMP平面波采用IEC标准, 地表电导率为σε= 0. 01 S /m, 相对介电常数εr= 10。

2. 2 与自由空间中线缆响应电流的比较

为与自由空间情形相比较, 假设线缆A、B两端开路。位于地面附近时, 线缆架高0.5 m。HEMP平面波的电场E沿y方向, 水平极化, 参数为θ =180°, φ = 0°, α = 90°。自由空间和地面附近2种情况下线缆中点的响应电流如图3所示。

由图3可见, 由于受到地面反射场的影响, 地面附近的总场激励小于自由空间, 所以地面附近线缆响应电流的幅值相对较小。同时可以看到, 在自由空间中的线缆其响应电流信号以固定频率振荡, 而地面附近的线缆其响应电流的振荡频率在逐渐减小, 这是因为大地的存在使线缆单位长度的电容增大, 从而降低了线缆上的波速, 并且因为地面的损耗和色散, 线缆上感应电磁波中不同频率分量对应的波速不同, 导致振荡频率的改变。

2种情形中线缆不同位置上响应电流的分布情况如图4所示。

由图4可以看出, 在自由空间和地面附近线缆不同位置上的响应电流皆以相应的振荡频率变化, 并以线缆中点为轴左右对称。其中, 以线缆中点的响应电流峰值最大, 越靠近线缆边缘其响应电流越小, 端点处电流趋近于零。这是因为不仅线缆开路端点的传导电流为零, 而且HEMP的低频分量较丰富, 开路时线缆端点和大地之间的分布电容产生的阻抗较大, 因此线缆端点引起的位移电流也较小。

2. 3 带负载线缆响应电流与负载阻抗的关系

设地表电气参数不变。线缆A、B端分别通过负载Z1、Z2接地, Z1= 100Ω, 架高为h = 0. 5 m。HEMP平面波垂直线缆AB段入射, 电场E沿y方向, 水平极化, 参数为θ =180°, φ =0°, α =90°。当Z2分别为电阻负载、容性负载和感性负载时, 计算B端负载响应电流, 如图5所示。

由图5 (a) 和图5 (b) 可以看出, 对于电阻负载, 负载响应电流峰值随负载阻值的增大而减小, 当负载接近开路 (Z2= 1 MΩ) 时, 负载端几乎没有电流通过。对于容性负载, 负载响应电流峰值随负载电容值的增大而增大。由图5 (c) 可以看出, 对于感性负载, 随负载电感值的增大, 负载响应电流峰值整体上减小, 振荡周期变长, 尤其是对一定范围 (1μH ~1 mH) 内的负载电感值的变化敏感, 此范围之外变化不大, 可认为是2个极限值。由图5 (d) 可以看出, 对于感性负载, 减小负载电阻的阻值, 将会在保持原来整体响应电流变化趋势的同时, 略微增大负载的响应电流。

3 结束语

地面效应试验 篇3

近年来, 我国民用航空事业取得了长足的发展, 但由于我国空中交通管理发展起步较晚, 同时我国机场基础设施建设不够完善, 使我国交通流量管理领域存在的许多问题暴露出来, 航班延误问题即为其中重要的一项。解决此问题的有效手段是运用地面等待策略将计划航班进行重排, 减少航班延误, 将空中等待用地面等待的方式吸收, 同时以损失最小为目标合理安排等待时间以提高航空公司的运行效率并降低运行成本。因此, 合理地建立地面等待策略模型, 并通过有效的求解方法对其求解将为我国的空中交通管理事业提供技术基础。

我国国内许多专家均对多机场地面等待策略方面进行研究, 国际上很多空中交通流量管理领域的专家也做了大量的工作, 并以地面等待策略为空中交通管理提供了重要的理论和功能支持。美国联邦航空局空中交通控制系统指令中心 (ATCSCC) 已经采用了地面等待策略为空中交通管制服务提供支持。[1]作为空中交通管理的短期管理方法, 地面等待策略具有成本较低, 生效时间快等特点, 对控制机场拥塞、减少航班延误有很好的效果。

多机等待模型一般有三种基本模型[2]:VBO模型、AT模型以及BS模型。其主要思想均为对多个机场的容量限制进行考虑, 将地面等待问题延伸至多机场进行分析, 其中只有BS模型是假定起飞机场与降落机场容量不足均会引起航班拥挤。以上模型将单机场地面等待模型拓展到了多机场地面等待模型的情况, 对策略的拓展过程中, 最主要的部分是对多机场航班之间的网络效应进行分析。本文通过对多机场地面等待问题中的网络效应进行研究, 结合我国空域的具体情况, 在已有研究的基础上, 将我国空域航班之间的网络效应作为约束条件对模型优化, 并设计了基于计划航班重排的启发式算法, 最后应用实际航班数据对模型和算法进行仿真验证。

1问题提出

多机场地面等待模型中空中交通网络中各个节点的相互作用, 如机场的起飞降落流量之间的关系、各个航路点之间的相互制约和影响[3], 是多机场地面等待策略中的一项重要研究内容。在通常航班安排中, 为节约成本, 飞机航班一般是连续地经过几个机场, 而同一航班在其中一个机场的延误, 极有可能导致后续航班的延迟, 这种情况在繁忙机场尤其严重。因为繁忙机场不但起飞容量有限制, 降落容量也不能假设为无限, 一个航班的延迟很可能导致几个航班的推迟。因此, 考虑网络效应对多机场地面等待模型的影响, 合理安排地面等待时间, 将大大提高飞行效率。

航班延迟在连续航班之间的延续可以化为一项对多机场地面等待模型目标函数的约束 (coupling constraints) [4,5]。此约束式的建立取决于飞机连续航班的延迟时间、服务时间以及闲时间之间的关系。除延迟时间以外, 服务时间 (servicetime) 是指飞行航班在降落机场后为续航班飞行做准备工作所需时间, 该时间段长短在大型机场一般可以视为定值;闲时间 (slacktime) 指的是从飞机做好起飞准备至下一航班起飞的时间长短, 该时间根据航班的安排而变化, 此时间可以缓冲连续航班延迟的传递。

根据各时间之间的关系以及其对系统的作用, 在模型当中, 对以下二个问题进行分析和研究。首先, 是各时间对系统中延迟传递的影响。如图1中延迟时间A所示, 连续航班中上次航班飞行延迟大于两次航班间的闲时间, 则上次航班的延迟时间将被闲时间全部吸收后;而当图1中发生延迟时间B所示情况时, 当延迟时间大于闲时间, 延迟时间被闲时间部分吸收;当服务时间和闲时间相加小于延迟时间时, 其延迟将被部分传递至下一次航班;其次, 是各时间对系统的影响, 闲时间的长短取决于机场状况以及起降飞机的机型, 在一定机场和一定航班中可以认为其为常值;但延迟时间的最大长度则应有一定的限制, 否则, 部分航班的延迟时间过长将会造成难以预计的损失。基于以上两方面的考虑, 通过对相关时间变量加入约束条件进行表达, 即在多机场地面等待模型中加入网络效应的约束条件, 以优化模型, 使模型建立更切合实际。

2多机场地面等待模型

2.1模型假设

多机场地面等待模型建立在对多个机场容量限制条件基础之上, 假设起降机场均符合相同的容量限制规则, 并选取双跑道运行情况下目视飞行规则 (VFR指天气较好条件下的飞行规则) 作为容量限制规则[6]。由于在航班的排班基础上已经产生航班延迟时模型的研究才有意义, 因此, 只有当预订航班在某一机场的起降数量超过容量限制时模型才成立。在此条件上, 针对固定的一组机场序列Z, 在一段时间T内, 对飞机集合F的起飞降落情况进行分析。假设F中的所有飞机均在机场Z集合内进行起飞和降落, 对于任一架次的飞机f, 令其预定起飞机场以及预定降落机场已知。在模型中定义损失系数:空中等待成本和地面等待成本两项, 而每一个机场一定时刻内的起飞容量和到达容量已知。

在多机场地面等待模型中考虑延迟在整个网络中的传递, 假设对于航班集合F的后续航班集合为F′, 即对于航班f, f′为航班f的后续航班。延迟传递发生在这两个航班的运行过程当中。

下面对模型中的一些主要参数及符号进行说明:

Z${}_f^d$:飞机f的预定起飞机场;

Z${}_f^a$:飞机f的预定降落机场;

F、F′:飞机航班集合及连续航班的后续航班集合;

F′⊆F, Fz代表在机场Z降落的航班;

T:航班时间序列, 根据要处理的航班时段, 将其按一定时间长度分为等长的时间序列, t∈T;

c${}_f^a$:飞机f的空中等待成本;

c${}_f^g$:飞机f的地面等待成本;

df:航班f计划起飞时间;

rf:航班f计划着陆时间;

D${}_k^t$:机场k在时间序列t内的起飞容量;

A${}_k^t$::机场k在时间序列t内的降落容量;

ef′, f:航班f与f′之间的服务时间;

sf′, f:航班f与f′之间的闲时段;

u${}_f^t$、v${}_f^t$:航班起飞及降落的决策变量, 只能取0或1。当u${}_f^t$=1时表示f在时刻t起飞, v${}_f^t$=1时表示f在时刻t降落。

由上述假设与分析可知:

$g{}_f={\displaystyle \sum _{t\in {\rm T}}t}\times u{}_f^t-d{}_f$ (1)

$a{}_f={\displaystyle \sum _{t\in {\rm T}}t}\times v{}_f^t-r{}_f-g{}_f$ (2)

2.2目标函数

本文以最低成本为分析对象, 考虑飞机的地面等待成本和空中等待成本, 令空中等待时间为af, 地面等待时间为gf, 可得到其目标函数为:

$\min ={\displaystyle \sum _{f\in F}(}c{}_f^{a}a{}_f+c{}_f^{g}g{}_f)$ (3)

即要求每个航班的空中等待成本及地面等待成本和最小。

2.3约束条件

2.3.1 唯一性约束

${\displaystyle \sum _{t\in {\rm T}}u}{}_f^t=1‚\forall f\in F$ (4)

${\displaystyle \sum _{t\in {\rm T}}v}{}_f^t=1‚\forall f\in F$ (5)

表示对于任意一个航班, 只能有一个确定的起飞和降落时间。

2.3.2 机场容量约束

${\displaystyle \sum _{f\in F{}_z,t\in {\rm T}}u}{}_f^t=1\le D{}_z^t‚\forall t\in {\rm T}$ (6)

${\displaystyle \sum _{f\in F{}_z,t\in {\rm T}}v}{}_f^t=1\le A{}_z^t‚\forall t\in {\rm T}$ (7)

式 (6) 及式 (7) 表示, 在每一个时刻下, 对机场集合的每一个机场起飞容量和降落容量将限制在该机场的起飞和降落飞机数。对于其中任意一个起飞或着陆机场来说, 均有起飞着陆向量, 该向量代表某一次航班是否在该机场起飞或着陆, 当某一次航班在k机场着陆时, 此向量的此列取值为1, 否则为0。

2.3.3 航班延误约束

gf≥0, ∀f∈F (8)

af≥0, ∀f∈F (9)

式 (8) 、式 (9) 的两个约束为模型具有实际意义的基本条件, 即当航班无等待或等待时间为负时, 则模型失去意义。将式 (8) 、式 (9) 转化为以决策变量为变量的约束式, 从而将模型的求解转换为整数规划问题进行分析。

图2简要地说明了, 多机场地面等待模型中各参变量的关系。其中空中等待由实际降落时间和计划降落时间之差产生;地面等待由实际起飞时间和计划起飞时间之差产生;航班与其后续航班之间产生航班延迟传递。

3模型优化及求解

3.1模型优化

针于上述多机杨地面等待策略, 进一步考虑网络效应对多机场航班安排产生的影响, 使模型更符合航班的实际情况。多机场网络效应主要体现在两个方面, 首先是连续航班的约束, 对于每一个航班, 文章将不考虑机场的备用飞机, 即每一个航班如果发生延迟, 将会对下一个航班产生影响。飞机在一个机场降落之后, 无法立即从机场起飞, 要做基本的准备工作, 因此, 在没有备用飞机的情况之后, 会对航班连续性产生影响。其约束可用式 (10) 来表示[7]。

gf′+af′+ef′, f≤gf+sf′, f (f, f′∈F) (10)

其次是航班的延迟约束, 即对于属于航班集合内的任意一项航班, 其延迟均不能超过某时间常量, 其约束可用式 (11) 表示。

af+gf≤L (f∈F) (11)

3.2模型求解

本文中讨论的问题为0—1整数规划问题。整数线性规划问题可用遍历的方法将所有可能情况代入模型, 在得出的组合中选择满足约束条件又合目标函数最小的值, 但是一般多机场地面等待策略问题规模庞大, 几乎不可能遍历所有情况。针对整数规划算法, 一般采取下述方法。首先对整数规划约束条件进行线性松驰, 其后对取得的最优解进行整数化处理。然而大多数整数规划问题在线性松驰后不能得到最优解, 因此当此类问题无法求解时, 更好的方法是启发式算法[8]。根据本模型的特点, 本文中建立了一种基于计划航班的排班算法对模型进行求解, 下面过程为算法的具体步骤:

1) 初始化全部航班, 按航班的相关属性对其进行分类。每一个航班具有以下主要属性:计划起飞时间、计划降落时间、机型、起飞机场以及降落机场。分类后, 得出时间序列, 机场序列对应的航班流量。

2) 对所有航班进行分时段分起降机场进行优先级排序。排序规则按照三个方面进行考虑:首先, 计划排班时刻在前的取得高优先级;其次, 在同机场起飞的航班优先级低于降落航班;再次, 机型较大的飞机取得高优先级。

3) 对全部航班排序后的航班进行局部排序。对排序后的航班, 取出所有航班中的连续航班, 令其取得较高优先级。并随机选取航班进行优先互换。

4) 对排序后的航班进行加入容量约束, 将计划起降数超过容量约束的航班按航班优先级进行推迟, 优先级最小的首先推迟。

5) 将推迟后的航班进行时间段、机场分类, 计算所有时间段、所有机场的起降数是否超过容量限制, 超过则转至4) , 不超过则转至6) 。

6) 计算所有航班空中等待时间段和地面行进行时间段, 得出总成本。记录等待时间段数和总成本, 加入延迟长度限制, 如超出限制, 直接转至3) , 如未超出限制, 则迭代次数加1, 然后转至3) 。当迭代次数超出1 000次, 则输出总成本最小的航班序列。

4仿真过程及结果分析

一般情况下, 多机场地面等待策略主要针对位于同一个空域内不同机场间的航班安排, 然而我国的航班流量分布极不均衡, 其主要流量集中在北京、上海、广州三个繁忙机场, 本文采用此三个机场一定时段中的航班数据进行模拟仿真, 航班数据选取某天12:00—14:00两个小时内, 三个机场航班的118次航班[9], 按照模型假设, 飞行等待的成本可划分为空中成本和地面成本, 每部分成本又包括大型飞机、中型飞机和小型飞机三个部分[10], 取空地成本比为3∶ 1, 取大中小型飞机单位地面等待成本为1.3、1.5以及1.2, 单位时间段长度取20 min, 并取最长延迟时间段数为40 min, 运用.NET对算法进行编程实现, 经算法验证, 运行时间在30 s左右, 达到了航班排序时效性要求。通过与先来先服务 (First Come First Serve, FCFS) 算法比较可以发现, 文中提出的模型及算法具有有效性。

通过仿真运算, 可求出等待的总成本为133.7, 降低了航班运行的总成本, 同时通过将空中等待时间转化为地面等待时间, 提高了航班的运行效率。

5结论

本文提出的优化模型可解决拥有连续航班的多机场地面等待问题, 减少航班的延迟, 节约航班成本, 提高系统运行效率。同时, 还可以为空中交通流量管理系统提供决策支持。但是在多机场地面等待问题中各种影响因素繁多, 在实际应用过程当中仍需进一步地改进和完善。

参考文献

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[9]徐晓敏.多机场流量管理研究及其软件实现.西安:西北工业大学, 2003

地面效应试验 篇4

建筑物的保温性能直接关系到室内环境的热稳定性和舒适性,对降低建筑能耗起着至关重要的作用。室内的热量可通过墙体、门窗散失,但是楼地面保温措施也不容忽视,尤其是在冬季,仍会有相当多的热量,通过地板传出。目前,我国大部分采暖居住建筑的层间散热量相当大,既没有采取有力措施,也没有引起足够的重视;又因为各种高效保温材料价格不菲,其生产加工过程也会大量消耗各种能源[1]。据此,研发经济有效的楼地面保温材料十分必要。

另一方面,因邻居活动产生的振动(如物体掉落到地面、小孩跑动、鞋跟撞击等)干扰人们正常休息而投诉甚至报警的事件常见于媒体,其中,由于楼地面振动超过正常范围,特别由于建筑隔声设计不合理,使楼板隔声效果极差所至[2,3,4,5]。因此,研制和使用具有保温、隔声材料来控制楼地面振动噪声污染,提高室内环境的热稳定性已经刻不容缓。可以预见,建筑吸声、保温隔声材料将具有良好的市场前景。

1 保温隔声水泥砂浆的试验研究

本文研究以一定强度水泥砂浆的理论配合比为基础[6],选择橡胶粉掺量、漂珠掺量、粉煤灰取代量和减水剂掺量4个主要因素,以水泥砂浆的抗压强度、导热系数和隔声性能为最终考核目标进行正交试验设计,以寻求最佳试验方案,缩短试验时间,为保温隔声水泥砂浆性能的进一步改善提供参考数据。

2 保温隔声水泥砂浆的正交试验设计

2.1 原材料组成及特性

水泥:32.5级普通硅酸盐水泥;

细砂:堆积密度为1079 kg/m3;

橡胶粉:由废旧轮胎经过加工处理形成橡胶制品粉末,在自然条件下难以降解的高分子弹性材料,憎水,不易腐烂,有良好的隔声效果[7]。试验使用精细废旧轮胎橡胶粉,黑色,粒径200目,体积密度470 kg/m3;

漂珠:电厂燃烧煤以后的产物,外表光滑的珠形颗粒,颜色呈灰白色,体积密度为440 kg/m3,抗压强度在3~5 MPa,导热系数为0.011~0.063 W/(m·K),粒径为40~80目。漂珠中空结构特点决定了它具有良好的吸音隔声性能,所以在保温隔声方面可以有很大的应用;

粉煤灰:堆积密度为0.81 g/cm3;

减水剂:采用BC-2型高效减水剂,产品属于阴离子型表面活性剂,对水泥具有湿润,扩散作用,从而可大幅度降低砂浆的用水量,提高强度改善砂浆的和易性,节约水泥。

2.2 砂浆试块性能测试

水泥砂浆试块的抗压强度采用NYL-300型压力试验机测试。

导热系数用JTKD-I型快速导热仪测试,采用瞬态热带法,测试时将一条很薄的金属带放于待测试材料中,接着以恒定的电流加热金属带,并测量与记录表面的温度影响曲线,由此可以测出材料的导热系数。与传统的导热仪不同,本仪器的测试与材料的热特征有关,测试时只作用于材料的表面。

本试验通过测试水泥砂浆试块的隔振性能而间接地从另一个方面反映水泥砂浆试块的隔声性能。试验利用VC2002函数信号发生器连续输出的正弦波信号,连接到GF75功率放大器进行放大,使用JZ-5激振器作为振源产生振动,再用荷兰Profound VIBRA+振动监测系统进行检测,该振动监测系统可通过USB接口连接到Windows系统电脑,读出测试数据。

2.3 正交试验

选择橡胶粉掺量、漂珠掺量、粉煤灰取代量和减水剂掺量作为因素考虑,与水泥∶砂=1.0∶5.1(质量比)的水泥砂浆进行正交试验。试验因素及水平见表1,选取正交试验表L9(34),试验配比及结果见表2。

3 试验结果分析

根据试验测试结果,运用极差法分析得到各因素的影响程度见表3。

由表3分析可知,对抗压强度的影响顺序为:A→B→D→C,即橡胶粉的掺量影响最大,漂珠掺量影响次之,减水剂掺量影响较小,粉煤灰取代量影响最小。对导热系数的影响顺序为:D→A→C→B,即减水剂掺量影响最大,橡胶粉掺量影响次之,粉煤灰取代量影响较小,漂珠掺量影响最小。对隔声性能的影响顺序为:B→A→D→C,即漂珠取代量影响最大,橡胶粉取代量影响次之,减水剂掺量影响较小,粉煤灰取代量影响最小。根据试验所得数据分别绘制砂浆导热系数、隔声性能与试样抗压强度的关系曲线分别见图1、图2。

由图1可以看出,砂浆导热系数λ与其抗压强度σ的关系可用指数函数加以描述,λ=0.078σ2-0.202σ+0.377,随抗压强度的提高,砂浆导热系数先减小后增大。

由图2可以看出,砂浆隔声性能v与抗压强度σ的关系可用指数函数加以描述,v=4.704σ2-11.686σ+10.227,随抗压强度的提高,砂浆隔声性能先减小后增大。

4 结语

通过橡胶粉、漂珠混掺水泥砂浆的正交试验,分析了相关因素对砂浆的导热系数、隔声性能和抗压强度的影响规律。试验结果表明:橡胶粉掺量对砂浆抗压强度和导热系数影响最大,漂珠掺量对砂浆的隔声性能影响最大;砂浆导热系数与其抗压强度关系以及砂浆隔声性能与抗压强度关系都可用指数函数加以描述,试验结果为保温隔声水泥砂浆性能的进一步改善提供了参考数据,可以促进高性能保温隔声水泥砂浆的研制开发与应用,满足对建筑节能减排,改善居住环境的要求。

参考文献

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[3]檀春丽,曹崟,李硕.建筑隔声砂浆的性能研究[J].绿色建筑,2010(2):51-53.

[4]史巍,张雄,陆沈磊.橡胶粉水泥砂浆隔声功能研究[J].建筑材料学报,2005(5):553-556.

[5]陈凡,谭大璐.节能建筑外墙最佳保温层厚度探讨及效益评估[J].新型建筑材料,2007(2):48-50.

[6]Unal O,Uygunoglu T,Yildiz A.Investigation of properties of low-strength lightweight concrete for thermal insulation[J].Buildingand Environment,2007,42(2):584-590.

脉冲等离子体推力器地面试验电源 篇5

脉冲等离子体推力器(PPT)属于电推进中电磁推进的一种重要类型,它是最先成功应用于航天器控制的电火箭发动机[1]。已经成功应用于航天器控制的PPT,都是以固体聚四氟乙烯(太氟隆,Teflon)塑料做推进剂的[2,3],所以常被称为烧蚀型PPT或TPPT,它有同轴型和平行轨道型两种结构,每种结构又有单喷口和双喷口两种形式。TPPT以脉冲方式工作,利用高电压放电产生的高温电弧烧蚀推进剂,产生等离子体,经电磁加速形成高速喷射流,产生反作用推力。这种PPT具有小功率下的高比冲性能,而且结构简单,控制灵活方便和运行可靠等优点,特别适用于微、小卫星的阻力补偿、位置保持、姿态控制、编队飞行,和高精度控制[4]。

作为电火箭发动机之一的PPT,电源是其重要组成部分。一台能很好地担负航天器推进或控制任务的PPT,需要在地面进行广泛、深入和较长时间的元部件和整机的性能研究、寿命试验和各种环境考核试验。为此,适用的地面试验电源是十分必要的。

通常,PPT地面试验采用的电源有两大类型:一是以工频交流电作输入的“线性电源”。它是先将50Hz220V交流电通过工频变压器变换电压幅值,然后经过整流、滤波获得所需的直流电压。这类电源的优点是稳定性高,可靠,价格便宜,使用灵活、方便,维护简单。缺点是效率低(35%左右)、体积大、较为笨重。另一类是“开关电源”[5],它是用现代电力电子技术,以直流电作输入,通过开关管的导通与关断,把直流电变成高频交流电(100kHz),再升压、整流,得到所需的直流电。这种电源的优点是效率高(可以达到80%～95%)、体积小、重量轻;缺点是成本较高,使用不够灵活方便。

在MDT—2A飞行样机研制[6]和其它能量级别的PPT研究中,我们采用过上述两种地面试验电源。多年实践表明,对于上天应用的PPT样机,电源参数已经确定,不需改变;只要求体积小、重量轻和高效率,应选择“开关电源”。而对于PPT的各种地面实验,选用皮实、便宜和灵活方便的线性电源更好。为此,本文简要介绍根据当前PPT研究及推广应用的需要,在原有地面试验电源(MDT—Ⅰ型,MDT三个字母是脉冲等离子体推力器汉语拼音的缩写)的基础上,利用现有的电子技术和元器件,研制出的“MDT—Ⅱ型”地面试验电源。

2 PPT对地面试验电源的要求

根据PPT的工作原理,如图1所示,其地面试验电源的基本功能有三:

(1)给主放电储能电容器提供充电的髙压直流电;

(2)给点火电路储能电容器提供充电的直流电;

(3)对火花塞提供点火频率控制。

如前所述,地面电源的作用,主要用于进行广泛、深入和较长时间的元部件和整机的性能研究、寿命试验和各种环境考核试验。例如:进行不同能量级别PPT的创新性研究;根据给定任务(总冲、推力…)要求,利用前人研究成果(各种经验公式),设计推力器本体(放电能量、推进剂截面…)后,通过试验确定或证实其具体的放电室尺寸、工作参数(电容器的容量、工作电压和放电频率);为飞行样机电源调节器及点火电路选定设计参数;对元、部件(储能电容器、火花塞)进行性能、寿命和筛选试验等。

最近,由于PPT研究试验和应用任务的要求,需要一些地面试验电源。原有的MDT—Ⅰ型地面试验电源(20世纪70年代研制的),虽然曾为我国第一台空间电火箭实验样机(MDT—2A)及其后的PPT研究做出了重要贡献,而且至今仍可以应用,但它已显落后、破旧和笨重,不能满足要求,需要研制新的电源。为此,我们在MDT—Ⅰ型电源的基础上,主要针对小能量(能量<10焦耳,以4焦耳为设计点)PPT试验运行的需要,同时顾及到开展其它能量(20—100)焦耳等级PPT研究的可能,对研制的电源设定以下基本性能:

(1)给主放电储能电容器(2μf)充电的高压电源输出直流电压,在(0-2.0)kV范围内可手动连续调节,最大输出不超过2.5kV;并用表头显示电压值;

(2)高压电源输出要具有短路保护和报警功能;

(3)给点火电容器(1μf)充电的点火电源输出约为500伏直流电压(固定值),用表头显示;

(4)点火方式有手动和自动两种。在自动点火方式中,点火频率可调,分0.5次/s;1次/s;2次/s和4次/s四挡;

(5)处于大气环境下工作,可长期、连续可靠运行。

3 MDT—Ⅱ型地面试验电源的设计

为了满足不同任务要求,研制的MDT—Ⅱ型地面试验电源,有A、B、C三种结构形式:A型:为通用型结构,内部不包括点火电路,主要用于双喷口PPT,也可用于单喷口PPT;B型:针对双喷口PPT,内含点火电路;C型:针对单喷口PPT,内含点火电路。三种结构的设计思想、基本性能和主要组成部分都是相同的,只有局部电路不同,所以,这里仅以A型结构进行介绍。

图2给出了MDT—ⅡA型地面试验电源的组成框图。它主要包括高压电源,点火电源及点火控制电路两大部分,如图2中虚线框图所示。

3.1 高压电源部分

高压电源的功能是将交流220V输入,转变为输出(0—2.0)KV可调直流电压,给PPT的主放电储能电容器充电,并备有输出电压显示,短路保护和报警功能。

高压电源电路比较简单,主要采用将220伏交流电经过可手动调节的自耦变压器,再接一个交流升压变压器,最后经过全波整流、电容滤波,获得高压直流输出。对于地面试验电源,具有短路保护功能是很重要的。因为,在PPT的地面试验中,因储能电容器损坏造成的短路或因推力器喷口侧壁污染引起的短路时有发生,如果没有保护就会烧毁电源。保护电路沿用了MDT—Ⅰ型所用的继电器保护、及报警电路原理,因为它实用可靠且与主电路隔离,但所用元器件更为小巧、先进。当推力器运行中出现短路时,保护电路会发出叫声,同时断开交流输入电源,等待实验人员进行维修处理。输出直流电压的显示也与旧电源一样是通过检测旁路分压电路中的电流,用量程为100μA的微安表实现。这种特殊显示电路,可使微安表的指针不会因推力器持续不断的脉冲放电,产生大的摆动,以保证微安表长期使用的寿命。

高压电源设计中另一个要考虑的重要参数是电容器的充电时间,它决定了电源允许的最高放电频率。该时间由充电回路中的电阻、充电电压和被充电电容器的容量决定,可通过下述公式计算。

式中V1为电容器最终可充到的电压值,Vt为t时刻电容器上的电压值,而电容器充电电压V1以及电容器的容量大小由推力器放电的能量E决定。

3.2 点火电源及点火控制部分

点火电源的作用是为点火电路中的储能电容器提供充电的直流电。通常,对于小能量的PPT,点火塞的点火大多是采用图3所示的脉冲升压变压器点火电路原理来实现的。电路中的可控硅开关管接收来自点火控制电路的点火触发脉冲信号,把电容C1上的低压直流电变换成高压脉冲,使火花塞点火引发主放电。点火电源就是为电容器C1提供500V的充电电压(为点火塞的点火提供能量)。方法是采用简单的交流变压器升压再经整流后获得。500V电压的显示电路与高压电源输出显示电路原理一样,只是元件参数不同,表头用的是50μA量程的微安表。

点火控制电路的任务是输出脉冲信号(峰值≥3V)去控制点火电路(双路)中可控硅开关管的通与断。点火控制方式分手动和自动两种。自动点火又分0、0.5、1、2、4次/s五档。为了提高点火频率的精度且实现两路交替点火控制,采用MCU为核心的嵌入式电路代替原来用分离元件构成的电路。MCU采用SCT89C 54RD+单片机,该单片机性能优异且价格低廉,内嵌复位电路,内部有三个16位定时器,当我们采用12MHz的晶振时,可精确定时至1μm。控制电路构成框图如图4所示。

MCU中的P1口外接六路选择开关,用于检测自动挡的档位设置,外部中断口INT1用于检测手动点火按钮,内中的定时器2用于计时,P2.5和P2.7口用于输出脉冲触发信号,经过一个非门74HC 14和三极管放大电流后,用小变压器隔离输出≥3V的触发信号,控制点火电路中的可控硅,使点火电路产生脉冲高压输出,导致火花塞击穿点火。

由于采用了MCU控制,需要对MCU进行嵌入式编程。我们在Keil51平台下用C 51语言进行编程[7]。编程要点如下:

(1)在主程序实现P1对六路开关的检测以及外部中断、定时中断的控制;

(2)外部中断1的中断服务程序,在程序中实现手动点火控制;

(3)定时器2的定时中断服务程序,在程序中实现自动点火频率控制。

其主程序流程图见图5。

4 电源系统性能测试及分析

为了保证该电源的功能正确、运行稳定可靠,我们将加工焊接完毕的电路板空载运行,对其进行性能测试、然后集成在一起,接入放置于真空系统中的PPT,进行带负载测试和长时间运行联试,考核其性能。

4.1 高压电源性能测试

4.1.1 电源输出性能测试

测试表明,高压电源最大输出的直流电压可达2.5kV,但一般希望工作电压不超过2kV。输出2kV时,微安表指示为80μA左右。

4.1.2 储能电容器的充电速率测试

在PPT试验中,必须保证高压电源在每次点火放电之前能够对电容器(2μf)充满电,因为,推力器产生的推力(或元冲量)与电容器上的电压密切相关。因此,需要对高压电源的充电情况进行测试。在不同放电频率下,各档位实测得的2kV充电波形如图6所示,从图6中可以看出,对2μf电容器充电到2kV的时间大约为250ms,说明电源可以满足4次/s放电频率的要求。当然,如果储能电容器的容量增大,像中、大能量[放电能量在(20-100)J]PPT的运行,充电时间会大大增加,工作频率需降低(可能数秒一次)或充电电压要减小,才能保证电容器充满电。不过,由于采用了MCU这种可编程智能控制器件,可以通过在线重新编程,改变各挡的频率,以保证电容器充满电而无需对电路作任何修改。

4.1.3 短路保护及报警测试

经反复进行短路测试,结果表明,当储能电容器上的工作电压>1 300V(PPT的工作电压大多在1 300V至2kV之间)时,出现短路后可以迅速报警并在50ms后切断输入电源。

4.2 点火电源及点火控制电路性能测试

4.2.1 点火电源输出

点火电源输出为500V固定值,对应的微安表示值约为42μA。

4.2.2 点火电容器充电测试

我们分别将开关调至自动档的“0.5”、“1”、“2”、“4”挡位,测量点火电容器(1μf电容)两端的电压,检查是否在点火之前能够充满500V。结果表明,对于每个点火频率档位,点火电源均能在点火前对点火电容器充满电。

4.2.3 点火控制脉冲检测

用示波器测得点火控制电路输出的控制脉冲近似方波,峰值电压为4V,脉冲持续时间750μs左右,此脉冲完全能可靠地触发可控硅,使其导通。

4.2.4 点火控制频率测试

我们分别将开关拨到自动档的“0.5”、“1”、“2”、“4”时,用示波器检测点火信号出现的频率,如图7所示,由图可见,点火频率与自动挡的档位完全吻合。

4.3 系统集成

测试表明,电源各部分的性能完全满足PPT推广应用和研究试验的要求。之后,把各部分集成在一铝合金机箱内,机箱的前后面板使用CAD软件设计,最后加工组装成一体,如图8所示。

5 结论

无论是PPT的研究还是应用,适用的地面试验电源是十分重要的设备。根据近来PPT地面试验和推广应用的要求,研制了新的MDT—Ⅱ型地面试验电源(有三种结构形式)。经测试和与推力器的联试表明,不但性能满足要求,而且比原有电源性能更好,结构紧凑、轻巧和美观,操作使用灵活方便。

参考文献

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[6] Shiming A S,Wu Hanji.MDT—2A teflon pulsed plasma thruster.Journal of Spacecraft and Rockets,1982;19(5):385—386

地面效应试验 篇6

我国硬石膏矿产资源丰富,储量居世界首位[2]。目前,大多数硬石膏矿床未开发,仅有少数硬石膏矿床如南京、邵东、 太原、兴宁、重庆等矿床被开采[3]。硬石膏水化速度较慢、凝结时间较长、胶凝性能较差是限制其开发利用的重要原因[4]。本实验以硬石膏为主要原料,通过添加激发剂、减水剂、胶粉、保水剂、骨料等,开发一种自流平地面材料,拓宽了硬石膏应用领域,大幅提高其附加值。

1实验

1.1原材料

硬石膏:取自安徽某化工厂。采用球磨机粉磨,以优化颗粒级配,增大比表面积,有效改善硬石膏表面活性,使水和外加剂更好地与物料作用,从而大幅度提高硬石膏水化、硬化速度,缩短凝结时间[5]。经粉磨后硬石膏密度为2.92 g/cm3, 细度约200目,比表面积3100 cm2/g,白度约68,初凝时间约15 h,终凝时间约77 h,p H值为7.9。参照GB 5484—85《石膏和硬石膏化学分析方法》测试硬石膏的化学成分,结果见表1。

%

对硬石膏进行X射线粉末衍射分析,结果见图1。

由图1可以看出,图谱中Ca SO4衍射峰强度高且尖锐,说明硬石膏的主要物相组成为Ca SO4;除此之外,还可观察到微弱Ca Mg(CO3)2、Ca CO3特征峰。结合化学分析结果可知,微量Mg O是白云石矿物组分特征。

KAl(SO4)2·12H2O、Fe SO4·7H2O、Na2C2O4、Na HSO4、K2SO4、 (NH4)2SO4和Na2SO4:分析纯,国药集团化学试剂有限公司。

水泥:钻牌32.5级早强复合硅酸盐水泥;亚奥牌52.5级铝酸盐水泥;企鹅牌42.5级早强快硬硫铝酸盐水泥。

减水剂:1#密胺树脂类减水剂MELMENT F10,白色可自由流动粉末,堆积密度500~800 kg/m3,p H值9.0~11.4;2#聚羧酸类减水剂Melflux 2651,橘色-褐色粉末,堆积密度300~600 kg/m3,p H值6.5~8.5;3#聚羧酸类减水剂Liquiment 5581F,黄色-淡黄色粉末,堆积密度400 kg/m3,p H值7.5。3种减水剂均来自巴斯夫(BASF)(中国)股份有限公司。

胶粉:5044N,白色粉末,固含量99%,灰分13%,表观密度450 g/L;5011L,白色粉末,固含量99%,灰分11%,表观密度550 g/L。2种胶粉均来自瓦克(Wacker)化学(中国)股份有限公司。

保水剂:Starvis 3003F,淡黄色粉末,堆积密度250~400 kg/m3,p H值7~9,巴斯夫(BASF)(中国)股份有限公司。

粉煤灰:Ⅱ级,白山市热电厂,化学成分见表2。

%

1.2实验仪器

马弗炉:SX2-5-12A,天津中环实验电炉有限公司;流动度测试筒:Φ5 cm×h5.1 cm;维卡仪:无锡建仪仪器机械有限公司;电热恒温鼓风干燥箱:DHG-9245A,上海一恒科技有限公司;布氏漏斗:Φ10 cm;真空泵:SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵, 郑州长城科工贸有限公司;立式砂浆收缩膨胀仪:SP-175,天津市京润建筑仪器厂;10 mm×40 mm×160 mm收缩试模。

1.3实验方法

流动度:参照日本住宅公团标准进行测试。在流动度测试筒内装100 cm3料浆,表面用抹刀轻轻刮平,垂直向上提起圆筒,浆体自由流动形成圆盘状,待浆体流动停止后,量取相互垂直方向的4个直径,取平均值即为流动度。

凝结时间:参照JC/T 1023—2007《石膏基自流平砂浆》进行测试。

抗折、抗压强度:将料浆倒入模具,终凝1 h内脱模制成试件,置于(40±2)℃电热恒温鼓风干燥箱烘干至恒重,按GB/T 17669.3—1999《建筑石膏力学性能的测定》测试试件绝干状态的抗折、抗压强度。

拉伸粘结强度:参照JC/T 985—2005《地面用水泥基自流平砂浆》和JC/T 1023—2007进行测试。选用混凝土[200 mm× 400 mm×(40~50)mm]作基底材料。

保水率:参照JC/T 517—2004《粉刷石膏》进行测试。将料浆置于称量后的布氏漏斗,料浆厚度保持在(10±0.5)mm内; 将布氏漏斗放到抽滤瓶上,开动真空泵,在30 s内将负压调至(53.33±0.67)k Pa;抽滤20 min,取下布氏漏斗称重。

收缩率:参照JC/T 1023—2007进行测试。称取适量料浆, 倒入收缩试模内,无需振动,用金属刮刀清除多余料浆,使料浆完全充满模具,并使表面平整。试件在标准实验条件下放至(24±0.5)h拆模,编号,标明测试方向。脱模后30 min内按标明方向测试试件的初始长度。然后将试件放入(40±2)℃电热鼓风干燥箱中干燥至恒重,在试验室条件下冷却至室温,按标明方向测试试件的长度。

2结果与讨论

2.1激发剂对硬石膏自流平地面材料性能的影响

添加激发剂可以改变硬石膏溶解度或溶解速度,提高硬石膏水化硬化能力、缩短凝结时间。目前,常用的石膏激发剂主要有硫酸盐、碱性材料以及其它盐类激发剂[6]。图2为分别添加KAl(SO4)2·12H2O、KAl(SO4)2[KAl(SO4)2·12H2O经450 ℃煅烧1 h制得]、Na2SO4、Na HSO4、(NH4)2SO4、Na2C2O4、K2SO4、 Fe SO4·7H2O激发剂(硬石膏与激发剂摩尔比为100∶1)的硬石膏在不同龄期的水化率。

从图2可以看出,不同激发剂对硬石膏水化能力的影响不同,但其水化速率均加快。KAl(SO4)2·12H2O和KAl(SO4)2的激发效果最好,3 d水化率都达到60%以上;其次是Na2SO4; 而K2SO4、Na HSO4、Fe SO4·7H2O、Na2C2O4和(NH4)2SO4的效果基本一致,但仍可大幅提高硬石膏的水化率。若以KAl(SO4)2· 12H2O为激发剂,成型过程中会产生大量气泡,这是因为硬石膏中含有少量碳酸盐矿物,KAl(SO4)2·12H2O水解后生成H＋将与CO2－3作用产生CO2气体;煅烧明矾KAl(SO4)2中含有活性Al2O3和K2SO4,均对硬石膏有激发作用。对硬石膏来说,选择KAl(SO4)2、Na2SO4和K2SO4作激发剂较合适。

硬石膏与激发剂摩尔比为100∶1时,激发剂对硬石膏自流平地面材料抗折、强压强度和凝结时间的影响见表3。

由表3可见,适量复合激发剂改善了硬石膏自流平地面材料的物理性能,Na2SO4和K2SO4按1∶1摩尔比复合使用,硬石膏自流平地面材料的综合物理性能较好。

根据前述实验结果,在添加适量硫酸盐激发剂后,在硬石膏中分别添加硅酸盐、铝酸盐和早强快硬硫铝酸盐水泥,水泥掺量对硬石膏基自流平地面材料抗压强度的影响见图3。

由图3可以看出,随水泥掺量增加,硬石膏-水泥体系抗压强度逐渐提高;在相同掺量下,硬石膏-硅酸盐水泥体系和硬石膏-铝酸盐水泥体系的抗压强度基本一致,而硬石膏-硫铝酸盐水泥体系的抗压强度明显提高;对于硬石膏-硫铝酸盐水泥体系,当水泥掺量低于40%时,抗压强度随水泥掺量增大而大幅提高,当水泥掺量为40%时,其绝干抗压强度为27.2 MPa,之后继续增加水泥掺量,抗压强度基本稳定不变。

2.2减水剂对硬石膏自流平地面材料性能的影响

对于硬石膏,聚羧酸类减水剂在掺量较低的情况下具有较好的流动度[7],密胺树脂类减水剂即使增大掺量,分散效果也差于聚羧酸类减水剂。在上述实验基础上对硬石膏添加适量复合激发剂后,研究减水剂对硬石膏自流平地面材料流动度的影响(水膏比为0.21),结果见图4。

由图4可知,对于1#减水剂,当掺量为0.35%才达到其饱和掺量,流动度仅为110 mm;对于2#减水剂,当掺量为0.25%达到其饱和掺量,流动度为250 mm;对于3#减水剂,当掺量为0.225%达到其饱和掺量,流动度为280 mm。显然,对硬石膏而言,3#减水剂减水效果优于1#和2#减水剂。聚羧酸类减水剂之所以拥有良好的分散性和高效减水效果,是因为其分子结构设计是在分子主链或侧链上引入强极性基团,使分子具有梳形结构,这样就可以通过调节聚合物的分子质量来提高减水性,通过调节侧链分子质量增加立体位阻作用而提高分散性[8]。在本实验中,添加了适量Liquiment 5581F减水剂的硬石膏具有良好的流动性。

2.3胶粉对硬石膏自流平地面材料性能的影响

胶粉能够改善自流平地面材料的一系列性能,如和易性、 流平性、耐磨性、柔韧性和与基底的粘结性能等。在上述实验基础上对硬石膏添加适量复合激发剂、减水剂后,研究胶粉对硬石膏自流平地面材料性能的影响,结果见表4。

由表4可以发现,随胶粉掺量增加,硬石膏自流平地面材料的绝干抗折强度和拉伸粘结强度逐渐提高。对5044N胶粉,随其掺量增加绝干抗压强度和试块绝干质量逐渐降低;对5011L胶粉,随其掺量增加绝干抗压强度基本稳定不变,绝干抗折强度和绝干质量逐渐增大。通过绝干质量可知,5011L胶粉降低了硬石膏自流平地面材料的含气量,使空隙率下降,导致抗压强度提高,因此,随其掺量增加绝干抗压强度并没有降低。当胶粉掺量超过2%时,反而会对地面材料基本性能产生不利影响,因此适宜添加量应控制在2%左右。在本实验中, 添加了适量5011L胶粉,改善了砂浆的力学性能。

2.4保水剂对硬石膏自流平地面材料性能的影响

保水剂能够有效解决自流平材料因失水过快而导致材料水化不充分、强度降低、表面脱粉、干裂等问题[9]。由于保水剂本身具有增稠增黏作用[10],对于自流平地面流动度会产生不利影响,因此,应严格控制保水剂种类和添加量。在上述实验基础上对硬石膏添加适量复合激发剂、减水剂和胶粉后,研究保水剂对硬石膏自流平地面材料保水率的影响,结果见表5。

从表5可以看出,当未掺保水剂时,料浆保水率较低,仅为78.4%;当保水剂掺量为0.05%时,料浆保水率为90.0%,此时浆体均匀性、自愈合性能良好,并且没出现离析沉降;当掺量为0.10%时,料浆保水率为92.1%。综合考虑,对硬石膏自流平地面材料保水剂Starvis 3003F适宜掺量为0.05%。

2.5细骨料对硬石膏性能的影响

粉煤灰作为细骨料会影响硬石膏基地面材料基本性能, 在上述实验基础上对硬石膏添加适量复合激发剂、减水剂、胶粉和保水剂后,研究粉煤灰对硬石膏自流平地面材料性能的影响,结果见表6。

由表6可知,粉煤灰掺量为3%时比不掺加粉煤灰的料浆流动度增大了7 mm。

3硬石膏地面材料性能测试

综合考虑,配方设计为:硬石膏60%~90%,复合激发剂(早强快硬硫铝酸盐水泥和适量硫酸盐激发剂)10%~40%,聚羧酸类减水剂0.25%~1.00%,胶粉0~3%,保水剂0.05%~0.10%, 粉煤灰0~5%。

经过一系列探索试验,对硬石膏配方设计进行优化,制得的硬石膏自流平地面材料性能均符合日本住宅公团标准要求,其性能测试结果见表7。

4结论

(1)以硬石膏为主要材料,通过添加各种外加剂和细骨料可制成硬石膏基自流平地面材料。配方设计为:硬石膏60%~ 90%,复合激发剂(早强快硬硫铝酸盐水泥和适量硫酸盐激发剂)10%~40%,聚羧酸类减水剂0.25%~1.00%,胶粉0~3%,保水剂0.05%~0.10%,粉煤灰0~5%。

(2)通过配方优化后,制成的硬石膏基自流平地面材料流动度达220 mm,绝干抗折强度为7.3 MPa,绝干抗压强度为16.7 MPa,拉伸粘结强度为0.57 MPa,收缩率为0.045%,基本性能符合日本住宅公团标准要求,具有广阔的推广和应用前景。

摘要：以硬石膏为主要材料,添加不同外加剂、骨料等对其进行改性处理,制得硬石膏自流平地面材料。配方设计为:硬石膏60%~90%,激发剂10%~40%,减水剂0.25%~1.00%,胶粉0~3%,保水剂0.05%~0.10%,粉煤灰0~5%。经测试,硬石膏自流平地面材料的流动度达220 mm,抗折强度为7.3 MPa,抗压强度为16.7 MPa,拉伸粘结强度为0.57 MPa,收缩率为0.045%,性能符合日本住宅公团标准要求。