试验站设计

试验站设计（共12篇）

试验站设计 篇1

摘要：高速动平衡试验是提高转子性能的有效方法,国内大型汽轮机厂均建有高速动平衡试验站或正在规划建设。论文简要介绍了高速动平衡试验站系统组成,同时结合笔者的设计经验,重点介绍大型高速动平衡试验站的设计流程和设计思路,以期为其他相关试验站设计提供参考。

关键词：高速动平衡试验站,高速动平衡机,驱动电机,功率,中间轴装置,真空舱

1 引言

转子不平衡是引起高速回转机械振动的主要原因，因此必须对转子进行动平衡试验，保证转子的平衡精度成为大型高速回转机械制造厂确保机组质量的重要环节[1]。以往在汽轮机、发电机、透平机械等大型回转机械制造行业中，对转子仅作低速动平衡。随着工业迅速发展，单机容量不断增大，转子趋于细长，其工作转速常超越二阶，甚至三阶临界转速。如对该类转子只作低速平衡，则随着转速上升，离心力迅速增大，使转子产生巨大挠度，并附加了新的不平衡量，造成机组过大振动。故对这种转子必须进行高速动平衡，即在高转速下转子呈现动挠度后进行的平衡，使转子不仅在工作转速，且在较广泛的转速范围内甚至跨越临界转速时，使机组具有较小的振动，以延长机组的使用寿命，提高产品性能。

目前国内大型回转机械制造厂均建有高速动平衡试验站或正在规划建设，上海汽轮机有限公司建有一个200t高速动平衡试验站；上海电气临港重型机械装备有限公司新建一个350t高速动平衡试验站，为目前最大规格的高速动平衡试验站；哈尔滨汽轮机有限公司建有一个320t高速动平衡试验站；东方汽轮机有限公司分别建有一个200t和一个12t高速动平衡试验站，另外，正在筹划建设一个350t高速动平衡试验站，用于大型核电机组转子的动平衡试验；南京汽轮机有限责任公司分别建有一个25t和一个100t高速动平衡试验站；济南发电设备厂新建一个80t高速动平衡试验站；杭州汽轮动力集团有限公司分别建有一个8t和一个32t高速动平衡试验站；沈阳鼓风机有限公司分别建有一个3t和一个32t高速动平衡试验站；等等。高速动平衡试验站可进行汽轮机、发电机转子及其它旋转机械转子的高速动平衡试验和超速试验。大型高速动平衡试验站的建设，为企业提高产品质量、延长产品使用寿命、提高产品核心竞争力发挥着巨大作用。

2 设计流程

高速动平衡试验站建筑物主要由驱动平台、真空舱、润滑油站坑、真空泵房、控制室、配电室、应急电源室、驱动电源室等组成。

试验站主要设备按系统可分为试验拖动系统、高速动平衡机、真空润滑油系统、大气润滑油系统、过滤沉淀供油系统、抽真空系统、真空舱钢结构系统、测量控制系统、辅机供配电系统、起重运输设备、真空舱通风系统和冷却水系统。

高速动平衡试验站的设计是一个多系统匹配、多专业集成的系统工程[2]，既包括多种复杂的非标设备和大型非标钢结构设计，又包括工艺设备布置等工程设计。下面仅介绍高速动平衡试验站的主要工艺设计流程。

1）根据工厂产品的规格要求，确定试验转子的对象参数，主要包括试验转子质量范围、最大直径、最大长度、设计转速等，进而确定高速动平衡机和真空舱钢结构系统的规格。高速动平衡机由动平衡摆架、振动及动平衡计算机测试系统和变刚度油站组成；真空舱钢结构系统由真空舱后墙板钢结构、真空舱筒体钢结构、真空舱大门钢结构、L型槽铁、真空舱内油管、翻转桥和大门、翻转桥液压装置等设备组成。高速动平衡机是真空舱内支承转子进行高速平衡试验的关键设备，动平衡摆架是高速动平衡机的本体，主要由轴承座、弹性支承杆和机座组成，动平衡摆架径向支承刚度各向同性。该系统一般需成套采购，目前国外主要有德国申克公司成套供应；国内有上海辛克试验机公司成套供应。例如，最大试验对象为300MW机组的发电汽轮机转子，频率60Hz（对应转子额定转速3 600r/min，超速试验转速为额定转速的1.2倍），其低压转子质量约60t，转子最大直径约φ3 800mm，长度约8200mm；根据试验转子参数，选配平衡摆架规格，可选择试验转子质量范围4t～80t，试验转子最大直径φ4000mm，最高试验转速为4 500r/min的摆架系统。

根据试验转子的最大外形尺寸要求，确定真空舱钢结构系统的内径、长度等。真空舱钢结构系统的刚度和强度需满足高速动平衡机的刚度和耐压容器强度要求。另外，真空舱钢结构外需浇一定厚度的钢筋混凝土防护层，防止事故时试验转子破坏，碎裂件飞出。

2）根据试验转子及拖动系统的最大转动惯量和试验转速要求，合理选配试验拖动系统。试验拖动系统由驱动电机、增速齿轮箱、中间轴装置、万向联轴节组成，拖动系统布置在拖动平台上。

首先，确定拖动电机的形式。早期的试验站采用汽轮机作为动力源，上海汽轮机厂的200t高速动平衡试验站采用汽轮机拖动。后续国内建设的大型高速动平衡试验站采用直流电机拖动，例如哈尔滨汽轮机厂的320t高速动平衡试验站采用两台4 000kW的直流电机，东方汽轮机厂的200t高速动平衡试验站采用两台4000kW的直流电机，直流电机由可控硅整流电源供电。随着变频技术的发展，现在越来越多的高速动平衡试验站采用变频电源+交流电机驱动方式，变频电源有两种：变频机组和变频器。上海电气临港重型机械装备有限公司的350t高速动平衡试验站采用变频机组供电方式；随着变频器技术的不断发展，近年来越来越多的高速动平衡试验站采用变频器供电，如济南发电设备厂新建80t高速动平衡试验站、杭州汽轮动力集团有限公司32t高速动平衡试验站等，变频器供电方式因操作灵活、布置方便等有利条件必将得到越来越广泛的应用。

根据转子转动惯量大小，结合转子的升速时间要求，计算确定电机的额定功率。电机功率用于克服叶轮的摩擦损失、鼓风损失和轴承损失以及加速到试验转速所需的升速功率，升速功率的大小影响从零转速到试验转速的时间。高速动平衡试验站要求驱动系统在低转速下有较大的恒定扭矩（从0到接近转子的一阶临界转速，转子的升速率达到100r/min2），在通过转子临界转速时具有高扭矩功能，能使转子快速经过其临界转速。

驱动电机与增速齿轮箱联接，将电机转速升速到转子试验要求转速。选定拖动电机的额定转速，结合试验转子的转速要求，确定增速齿轮箱的增速比。

增速齿轮箱输出端与中间轴联接。中间轴装置作为大气环境与真空环境的过渡装置，将扭矩传递给试验转子，并带动转子高速旋转，起到轴向连接的作用；同时具有调节轴向位移的功能（可轴向±40mm移动），便于与试验转子的联接，起到调节作用；配有盘车电机，具有盘车功能；配有轴向止推轴承，可承受试验转子的轴向推力；设有动密封装置，减少由大气侧泄露到真空舱内的空气量等。根据电机功率、最大传递扭矩、最高转速等要求选配中间轴装置，中间轴装置为非标准设备，一般需进行非标设计，或由非标成套供应商成套供应。

3）高速动平衡试验站润滑油系统包括大气润滑油系统和真空润滑油系统。大气润滑油系统包括大气油箱、大气润滑油站和供油管道，供给在大气状态下运行的电机、增速齿轮箱、中间轴装置的润滑用油，根据电机技术要求确定是否需要选配大气顶轴油站。根据电机、增速齿轮箱和中间轴装置的润滑油用量和供油压力，合理配置真空润滑油系统，确定系统内各设备型号。真空润滑油系统包括真空油箱、真空润滑油站、真空顶轴油站和供油管道，供给真空舱内试验转子润滑用油。真空顶轴油站用于试验转子启动和停机时供给试验转子高压油，将转子顶起，减小轴瓦与转子的摩擦。润滑油中常含有4%～5%左右的气体和水分，在真空中将逸出从而影响油膜的形成并在系统中产生气蚀，破坏润滑油系统的正常循环。为此，在真空油箱上设置脱气塔和油气分离器等脱气装置，在工作前先将润滑油进行脱气。脱气装置设置在真空油箱上部，内部充以填料，润滑油从顶部喷淋而下，流经填料逐步流回油箱。工作时油箱和脱气塔同时抽成真空使油在真空下逐步将溶解气体分离出来。脱气装置自成独立系统，脱气时润滑油经油泵打入脱气塔内完成循环。

4）抽真空系统包括真空舱主抽真空泵组、油脱气真空泵组和动密封真空泵组。主抽真空泵组用于试验时对真空舱装置抽真空，确保真空舱系统在短时间内达到试验要求的真空度，从而降低试验转子的驱动功率，一般要求30min左右将真空舱内压力降至133Pa（绝对压力）；油脱气真空泵组用于在试验前将真空润滑油系统内的气体和水分抽除；动密封真空泵组用于抽除从大气漏到中间轴装置动密封部件中的空气，减少从中间轴装置到真空舱的漏气量。根据容积大小、抽真空时间和要求达到的真空度来计算真空泵组的抽气量。目前真空泵组一般选用罗茨泵，并配置前级泵。

5）测量控制系统包括计算机辅机测控系统、工业电视系统、摄像监控系统、振动及动平衡计算机测试系统和计算机试验拖动控制系统共同完成动平衡试验站的控制、联锁、保护及试验数据测量和计算。

辅机测量监控系统主要对真空润滑油系统、大气润滑油系统、抽真空系统各物理参数（压力、液位、真空度、温度、轴位移、振幅或振速、转速等）和真空舱内运行状况进行监控记录。实时检测电机、中间轴、摆架等旋转机械的轴承进油压力、轴承温度、回油温度，以及试验转子转速、试验转子轴向位移、轴系振动等重要参数。同时实现辅机系统各设备的连锁控制和操作，以及实现整个动平衡系统的联锁保护。

6）辅机供配电系统主要为真空油泵、大气油泵、顶轴油泵、变刚度油泵、主真空泵组、油脱气真空泵组、动密封真空泵组、盘车电机、测控系统、真空舱内照明等配电，并实现这些设备的联锁控制。与试验安全相关的真空油泵、大气油泵、顶轴油泵、变刚度油泵、动密封真空泵组、测控系统由应急电源系统提供备用电源。

7）应急电源系统主要为当电源设备发生故障不能正常供电时，由应急电源系统给相关真空油泵、大气油泵、顶轴油泵、变刚度油泵、动密封真空泵、测控系统紧急供电，保证试验转子安全停机。目前高速动平衡试验站主要采用两种应急电源系统：一是采用UPS应急电源系统，当正常电源发生故障时，UPS提供后备电源，给真空油泵、大气油泵、顶轴油泵、变刚度油泵、动密封真空泵组供电，保证润滑油的供给和动密封的有效运转，也可以提供有关照明、控制用电，保证试验设备安全停机；二是比较传统且应用广泛的高位油箱+柴油发电机组方式，当正常电源发生故障，供电中断时，大气高位油箱和真空高位油箱可分别对大气润滑油和真空润滑油系统供油，油箱容积一般按3min最大供油量设计。柴油发电机可在0.5min内自动启动，并供给真空油泵、大气油泵、顶轴油泵、变刚度油泵、动密封真空泵组提供备用电源，保证润滑油的供给，也可以提供应急照明、控制用电，保证试验设备安全停机。

3 设计中需特别注意的问题

1）真空舱筒体钢结构基础须与拖动平台基础建成整体基础，以防不均匀沉降使试验转子中心与驱动系统中心产品偏差，影响试验精度。

2）系统运行时，真空润滑油系统运行在绝对压力为133Pa的真空环境，真空油站与真空油箱的安装高差应满足油泵允许汽蚀余量的要求[3]；高位油箱的安装高度应能满足设备的供油压力不小于0.05MPa。

3）真空舱筒体钢结构外需根据试验转子发生破坏的最不利条件产生的冲击力来计算需要的钢筋混凝土防护结构的厚度，并与基础浇筑成一体。

4 结语

高速动平衡试验站的建造是一项投资大、建造周期长、多专业集成的系统工程，设计和建造难度较大，要求高，目前国内的中国联合工程公司（机械工业第二设计研究院）具有整个系统的设计配套能力。

本文对高速动平衡试验站各个主要系统进行简要说明，对试验站的设计流程和设计思路进行介绍，以期对相关设计有所帮助。

参考文献

[1]邓旺群,高德平,廖学军,等.汽轮机转子高速动平衡技术要求[J].汽轮机技术,2004,1(46):49-51.

[2]陈波,周丹诚.国内大型高速动平衡试验装置概述[J].燃气轮机技术,2010,3(24):15-17.

[3]陈波,方正,张明锋.谈大型高速动平衡试验室工艺设计[J].工程建设与设计,2010(7):44-47.

试验站设计 篇2

一、【学习任务】：

（1）理解技术试验在技术活动中的重要性。知道什么是技术试验，学会简单的技术试验方法。能够设计完成简单的技术试验。

（2）学会简单的技术试验方法，形成初步的技术试验能力，会写简单的技术试验报告。

（3）通过技术试验的教学，培养学生实事求是、严谨负责的科学态度。让学生知道在技术设计中要注重实事求是的精神，从而形成富有责任感的技术设计观。

二、【挑战自我】：

理解什么是技术试验，技术试验的几种常用方法。

三、【教学模式】：导学式小组合作学习

四、【自学过程】：

1、什么是技术试验？ 【录像引入】：飞船安全逃逸系统预演试验 【过渡】：录像中进行的是飞船安全逃逸系统技术试验，大到宇宙飞船小到日常生活用品无不进行技术试验。这节课我们学习技术试验及其方法。【合作学习任务1】：请同学们看课本P36~P37，弄清以下问题：（5分钟）

①、什么是技术试验？你能举出几个例子吗？ ②、进行技术试验有何目的？

③、阿什塔比拉河桥垮塌给了我们什么启示？ 【学生展示】：学生把分组讨论得出的结论用展示台讲解清楚，并接受其他学生质疑，教师在此期间调控，帮助解疑。{设计意图：培养学生的自信心、竞争意识，语言驾驭能力以及对课堂知识的理解与应用。} 【教师解疑】：同学们刚才的分析很全面，概念理解比较透彻。

①、对概念要注重理解，这种有目的的尝试、检验及优化活动就叫技术试验，例如…。技术试验并不神秘，在日常生活中它无处不在，象购买商品时要择优挑选更好的、最后要检验它的性能是否符合要求，象买圆珠笔时划一下，这些过程都是技术试验；

②、刚才同学们对该案例进行了分析，阿什塔比拉河桥未经技术试验验证新材料的性能，我国的綦江虹桥未经技术试验验证设计是否合理，结果造成了大桥垮塌，事故惨痛，教训深刻，也给了我们很多启示…； ③、神舟系列飞船正是因进行了严格的技术试验确保了每次安全飞行。到现在我国共发射了几次神舟飞船？第一次实现中国人飞天梦想的是那一次？没经前面的四次试验，能否直接把杨利伟送上蓝天？为什么？这正是进行技术试验的目的所在。进行技术试验的目的是… 【过渡】：通过刚才的学习，认识到技术试验在技术活动中极其重要。在技术发展的漫长过程中，人们总结了很多技术试验方法，下面我们学习几种常用的方法。

2、技术试验的方法？ 【合作学习任务2】：请同学们看课本P39~P40，弄清以下问题：（20分钟）

①、技术试验有哪些试验方法？ ②、如何理解这些试验方法? ③、你能举出各试验方法有哪些例子吗？ 【学生展示】：学生把分组讨论得出的结论用展示台讲解清楚，并接受其他学生质疑。【教师解疑】：同学们刚才的分析思路非常清楚，对知识的理解很透彻，语言驾驭能力比较强。【课堂练习】：将下列技术试验与相应的试验方法正确连线：

①橘子从长江以南移栽到长江以北

②对比不同水稻品种，选取高产稻 强化试验法 ③判断一座桥梁能承受的最大压力 模拟试验法

④在很多结构形状中找出承重最好的结构 虚拟试验法 ⑤用计算机模拟飞机在风洞中的飞行及受力情况 优选试验法 ⑥用弹簧秤测定要把橡皮筋拉断需要用多大的力 移植试验法 ⑦水库大坝制成等比例的缩小模型，进行水利试验 【案例分析】：判断下面案例属于什么技术试验方法？

教师通过大屏幕展示有关不同种类的技术试验实例（文字、图片、录像），让学生判断分别属于什么技术试验方法？ {设计意图：同过媒体资料的感性认识，进一步加深对几种常见的技术试验方法的理解 } 【录像展示】：飞船安全逃逸系统预演试验 【文字展示】：用动物试验疫苗 【图片展示】：汽车在不同条件下的强化试验 【图片展示】：将大坝制成等比例的缩小模型，进行水利试验 【录像展示】：袁隆平优选试验法培育杂交水稻新品种 【录像展示】：汽车碰撞试验 【录像展示】：用计算机模拟“勇气”号火星探测器登陆火星表面的场景效果 【过渡】：下面让我们亲自设计一座大桥。

3、试验探究 【图片展示】：青岛胶州湾跨海大桥 【合作学习任务3】：（15分钟）

①、假如让你设计该桥你会注意什么？

②、如果让你设计该桥的桥墩，从承重能力方面考虑你选择圆形还是三角形？ ③、你需要用到哪些试验方法？ 【过渡】：在科学技术上，不能凭空猜测，下面我们具体做试验来验证一下。【马上行动】：

选择合适的纸，制作正三角形、圆形两种结构纸张模型（如右图），通过试验找出承重能力最强的模型。【试验器材】：

砝码（1盒）、纸（3张）、硬纸板（1块）【试验步骤】：

①取一张硬纸板放在各种模型上;②将砝码分别放于其上;③观察相同纸张的不同模型所承受的不同压力;④得出试验结论。【小组展示】：学生回报分组试验得出的结论，并接受其他学生质疑。（教师提供给学生三种纸张类型，让学生自己判断选择合适的纸张类型，让学生认识到不同条件得出不同的结论，不同材料和结构对性能的影响。）

四、【课堂小结】：（5分钟）

请同学们思考，通过本节课的学习，你有什么收获?对你今后有何帮助？

五、【实际应用】：

1、参照物理实验的实验报告书写方法，设计一般技术试验的试验报告书写方法，并把本节课所做的“优选承重能力最强的结构模型”试验填写在你设计的报告上。

航空电子产品振动试验夹具设计 篇3

摘 要：振动试验夹具用于连接振动台和试验产品，并能尽可能不失真的将振动台输出的能量传递给试验产品，在振动试验中发挥着非常重要的作用，试验的成功与否，试验结果的可信程度，与试验夹具的设计、制作及安装使用水平息息相关。不合理的夹具将导致“过振动”或“欠振动”，使振动条件失真，无法达到预期效果，严重的会对试验样件造成破坏。本文首先阐述了振动夹具的设计要点，然后以LRM模块为例设计其振动夹具，并使用ANSYS有限元仿真分析软件进行模态仿真，根据仿真结果对夹具进行优化处理，最后设计出优质的振动夹具。

关键词：振动；夹具；ANSYS

中图分类号： E926.391 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）25-240-2

1 振动夹具的设计要点

1.1 振动夹具的基本设计要求

根据多年的工作实践经验，同时翻阅了的大量的文献资料，我们认为合理可靠的振动夹具首先要保证在试验频率范围内不会与受试产品发生共振耦合，导致振动失真，其次应尽可能地减少夹具的重量，增大其刚度和阻尼。一个优质的振动夹具主要应满足以下几项要求：

①最佳的夹具应使其最低的固有频率比所需的最高施振频率高50%左右，以免试验时产生谐振，大多数航空电子产品的随即振动试验频率范围为10～2000Hz，因此夹具的理想一阶固有频率应在3000Hz左右；

②夹具的第一阶固有频率应高于受试产品第一阶固有频率的3～5倍， 以避免发生夹具与受试产品的共振耦合，导致过振动；

③夹具应做得尽可能的小而简单，由于振动台的推力有限，为保证有足够的推力富余量，在不降低刚度的情况下，夹具重量要尽量的轻；

④夹具应采用对称设计，重心位置应当靠近振动台的几何中心，以减小振动偏载力矩，高度方向上重心要低，以减小横振力矩。

1.2 振动夹具材料的选择

制作夹具首先要选择材料，材料性能方面应具有较小的密度、较大的刚度和较高的阻尼，且应当易于加工，同时要兼顾加工成本。直接影响夹具固有频率与性能的因素是材料的弹性模量E与材料密度ρ之比，比值E/ρ非常重要，E决定材料的刚度，ρ决定材料的重量，其值越大越好。一般选择的材料为铝硅合金、铝镁合金或者ZL101，而不推荐使用钢材。

1.3 振动夹具加工方式的选择

夹具制造加工方法性能上的优先级是：首先选择铸造成型，其次用整块材料机械加工，其次选择焊接，最后选择螺接连接。整体机加夹具是最快最省的方法，且性能良好，大量应用于结构简单、尺寸较小的产品中；此法不可行时应优先考虑铸造夹具，铸造夹具最显著的优点是铸造合金的阻尼相当高，但由于需要制作模具，所以生产成本较高；焊接夹具一般采用连续焊缝的惰性气体保护焊，在焊接过程中容易因高温而变形，此时应考虑焊后的热处理和机械补充加工；螺栓连接夹具由于是局部连接，容易形成微振动，且在高频段容易失真，可靠性较差，要谨慎选用。

1.4 电装部分的设计

航空电子设备在进行随即振动时，需要对试验样机进行监测，很多时候需要在振动夹具上布置电装部分进行转接，电装的设计主要应注意两个方面：第一，选用高强度印制板，印制板上的元器件和连接器应当具备较好的抗震性能，并应采取一定的防震措施；第二，电缆布置要合理，长电缆要采取固定措施，如果对抗干扰无严格要求，优先选用半柔电缆。

2 振动夹具的设计与仿真

2.1 建立三维模型

下面以现在航空电子产品中应用较多的LRM模块为例来分析夹具的设计，夹具模型如图1所示，该夹具采用左右对称设计，由60mm厚的2A12铝合金扳机加而成，通过11个M8的螺钉固定在振动台上，另外该夹具还具有以下几个特点：第一，夹具有两条平滑的导轨，用于装夹LRM模块，且尺寸、位置和表面精度均较高；第二，该夹具有带印制板的电子装置，对电装部分应加以保护；第三，夹具自身有多处螺钉连接（螺钉连接部位不是夹具主体部分），在装配螺纹时，涂螺纹锁固剂乐泰243。

2.2 模态仿真

利用ANSYS有限元仿真分析软件，对夹具进行模态仿真，试验样机的振动试验频率为10～2000Hz，则夹具的一阶固有频率在3000Hz左右为宜。由于夹具的电装部分作为辅助装置对试件的振动环境没有明显影响，因此在模态仿真时，可以去除夹具电装，简化后的夹具外形及网格划分效果如图2所示；发生在电装位置的固有频率对夹具主体无影响，不作为夹具整体的固有频率。夹具的一阶固有频率如图3所示，频率值为3522.7Hz，表现为夹具两侧的翻动。频率值较高，表明夹具还有优化设计的余地。

2.3 优化设计

由于该夹具整体的结构设计是满足夹具设计原则的，因此只需减小其重量。返回CAD软件修改夹具的三维模型，减小了夹具底部、侧面和加强筋的厚度尺寸，原夹具的重量为5.52kg，优化之后的重量为4.63kg，共减重了0.89kg，然后重新对夹具进行仿真分析，其一阶固有频率如图4所示，频率值降为3108.6Hz，已经基本满足设计要求。优化后的试验夹具在投入使用的一年中，共经历了30余次随即振动试验，效果良好。

3 结论

优质的振动夹具应保证能够准确地将振动台的能量传递到试验样机，且不会发生共振耦合，本论文提供了一种夹具设计的思路，首先要了解夹具设计的基本原则，包括材料和加工方式的选择、电装部分的设计等内容；其次使用CAD软件建立三维模型；然后利用有限元仿真分析软件（如ANSYS）进行模态仿真；最后才能生产使用。有限元分析软件的应用大大地简化了对固有频率的计算，是提高结构设计质量和效率的有效手段。

参 考 文 献

[1] Dave S Steinberg. Vibration Analysis for Electronic Equipment，Third Edition[M]. 北京：航空工业出版社，2012.

试验站设计 篇4

2014 年,全国玉米收获机销量达8. 29 万台,较2013 年增长21% 。其中,配置剥皮装置的玉米收获机能够一次完成摘穗和果穗剥皮作业,具有缩减收获环节、节省劳动力的优势,市场占有率逐年提高,已成为主流产品。在东北、内蒙等一年一季区域,收获时苞叶蓬松、含水率低、板式摘穗断茎较少,利于剥皮作业,现有剥皮装置能够较好满足使用要求[1,2]; 以黄淮海地区为代表的一年两熟制区域,由于玉米可生长期短、收获时间紧,收获时苞叶含水率高且与果穗贴合紧密,辊式摘穗断茎较多,不利于果穗剥皮,存在着剥净率差别大、籽粒脱落率和破损率高的问题[3,4]。部分院校和院所进行过该区域玉米剥皮装置性能与参数的试验研究[5,6],且以田间机载试验为主; 但由于田间试验参数调整较为费时费力,不能获得充分的试验数据。为此,设计了室内剥皮试验装置,能够快速调整试验因素及水平,以获取充分的试验数据,为高性能剥皮装置的研发提供参考。

1 剥皮试验装置方案的确定

剥皮装置工作原理是通过相邻的两剥皮辊的相向转动带动苞叶随之进入两辊间隙并被扯离穗轴,果穗在压送器拨轮和剥皮辊的共同作用下从出口排出,从而实现对苞叶的撕取剥离[4],工作原理如图1 所示。

两辊中,其一为轴线固定的定辊,另一为轴线可在一定范围内活动的动辊,定辊与动辊间压紧力由弹簧变形量确定并可调整。压送器压送轮的功用是避免剥皮过程中的果穗跳动及确保果穗整体有序流动,有轮辐式和叶轮式两种。通过剥皮原理的分析发现:影响剥皮作业质量的因素较多,包括剥皮辊、压送轮拨板的形状、运转参数及剥皮辊间压紧力等。检索相关文献[7 - 8],有关于玉米剥皮影响因素、权重及部分因素间的影响的研究,涉及因素最多为4 个、水平常为3 个。其中,部分采用田间在机试验,部分采用实验室试验装置试验,但因素水平较少其相关试验装置较简单。基于已有研究,剥皮辊胶辊现已形成外径70mm、鱼鳞和螺旋表面形状的标准化产品; 剥皮辊的槽型布置和平面布置两种型式作业效果及较适用对象已有初步认识[9]; 剥皮辊间压紧力由弹簧决定且可在一定范围内变动的方式被普遍采用。由于果穗在剥皮机中受力运动的复杂性,两种布置形式下剥皮辊转速、压送轮转速、剥皮辊与压送轮间距、剥皮辊倾角及剥皮辊上鱼鳞与螺旋组合形式5 个因素参数或其组合尚无较清晰、明确认识以用于机型的设计指导。

针对以上情况及分析得出的5 个因素,结合现有玉米收获机产品设计经验中的因素参数范围,采取了进行不同因素水平的正交试验研究的思路。如剥皮辊形式选整根鱼鳞与整根螺旋配对、鱼鳞与螺旋间隔布置并相互配对2 个水平,其余4 因素按照参数范围分为5 个水平。

由于涉及剥皮质量影响因素多,试验装置要求在满足生产率的条件下尽可能模拟实际工况,同时能进行多因素水平的调节,增大了试验装置的复杂程度。基于本课题任务侧重于应用,借鉴已有研究成果结论并考虑产品零部件的通用性、后期成果的推广、试验结果的客观性及便于对比,实验采用对象为含水率较高( ≥40% ) 的夏玉米果穗剥皮全胶辊方案,剥皮辊和压送轮橡胶部件均选取现有通用配件,胶辊直径70mm、压送轮为橡胶轮辐式和叶轮式。为更好地模拟实际工况并在室内可行、减少侧板影响及各果穗间的相互影响、满足多行联合收获机剥皮装置设计选型需要,本实验装置选用3 组共12 根剥皮辊方案[10]。

剥皮辊槽型和平面两种布置方式各有优缺点,对其具体适用性缺少深入研究,但对鲜玉米剥皮应采用全胶平辊型式已达成共识[11]。针对这种情况,考虑试验研究分槽型和平面两种并单独进行,且相同辊数两种型式在结构尺寸及传动上的差异,不便统一到一套台架上,故分别设计槽型和平面两种型式的试验装置,通过对各自试验数据进行分析后对比其效果。试验装置采用交流变频电动机作为动力,以电气传感器方式采集剥皮辊和压送器输入轴转速的方案。

2 试验装置机械结构与传动方案

综合考虑动力安装和传动路线,便于实现各因素水平的调节,将试验装置分为3 层,即底座、中间架和带压送的剥皮装置。其中,作为动力的交流变频电动机安装于中间架并可在安装槽限定范围内调整,中间架与底座之间通过铰链连接并与撑杆形成平面四杆机构; 通过旋扭螺母在撑杆上的位置调整撑杆作用长度,实现中间架与底架间角度的调整以达到所要求的剥皮辊倾角,用角度尺测量中间架倾角并校正,调整机构如图2 所示。

压送器与剥皮辊距离通过调整机构实现,调整方式有两种: 压送器整体调整和单根压送轮轴分别调节。调查分析现有剥皮装置构造可知: 平辊型式多使用压送器整体调整,槽辊型式多采用单根压送轮轴分别调整; 个别机型出现通过弹簧调整压送轮轴与剥皮辊相对位置的设计以适应果穗喂入不均的情况; 优点是满足生产率避免堵塞,不足是剥皮作业质量不稳定。本试验装置针对平辊和槽辊型式分别采取整体调整和各轮轴分别调整的方式。压送器与剥皮辊间距调整机构如图3 和图4 所示。

针对两种剥皮辊布置型式分别设计传动路线如图5 和图6 所示。

该试验装置可以通过调整实现剥皮辊转速、压送轮转速、剥皮辊倾角及压送轮剥皮辊间距等因素参数的不同水平; 但剥皮辊形式因素需通过重新排列单根辊上胶辊顺序实现,因素两水平如图7 所示。试验装置结构与设计方案完成后,进行各因素参数的确定和传动的计算。基于农业机械设计手册推荐运转参数和具体玉米收获机型设计经验,将两型试验装置试验因素参数确定为表1 所示范围。

电动机选交流变频调速类型并通过变频器控制使用,传动采用单排滚子链,空转时启动阻力较小,工作运转时剥皮辊阻力矩变化较大且电动机工频转速超过1 000r /min,考虑剥皮辊初级传动选较大传动比以降速、增扭满足扭矩储备。

根据检索到的剥皮机功率消耗的研究[12],3 组( 12 根) 型式剥皮辊功率在6k W左右、压送器功率消耗在3k W,本试验装置选剥皮辊动力7. 5k W、压送器动力3k W。按照所选电机功率型号的轴径及选定的10A滚子链型号,考虑传动的平稳性和齿数较优,初步确定主动链轮齿数z = 17。

以此计算分度圆直径:,代入节距和齿数,得d≈86.4 mm。

按整体式钢制小链轮结构尺寸计算链轮轮毂厚度:,代入相关数据,得h1= 10.364 mm,h2= 8. 73 mm。

实际设计链轮结构尺寸圆整为h1= 11mm、h2=10mm,经计算均能满足对齿侧凸缘直径的要求。

以此类推,选定传动中各链轮齿数与结构参数。

根据以上传动方案及结构参数,分别进行两型试验台设计,完成后结构如图8 和图9 所示。

为使试验结果有可对比性,对于平面和槽型两种布置方式的压送轮与剥皮辊间距定义为压送轮最大外缘与最远剥皮辊的最小距离,如图10 所示。

1.底架2.中间架3.压送器调频电机4.压送轮剥皮辊间距调整机构5.剥皮辊架6.剥皮辊调频电机7.中间架倾角调整杆

1.底架2.中间架3.压送器调频电机4.压送轮剥皮辊间距调整机构5.剥皮辊架6.剥皮辊调频电机7.中间架倾角调整杆

3 电动机控制与转速数据采集系统设计

在满足转速和转矩前提下,采用变频器实现电动机调速具有结构简单及调整方便的优势,通过变频器上的电位调节旋钮即可实现转速调节。同时,用光电开关作为转速传感器测取剥皮辊和压送器轮轴的输入转速,并通过仪表显示在控制台上。电机控制与转速数据采集系统电路如图11 所示,完成组装后的电控台如图12 所示。

4 试验方案设计

试验对象为人工摘取的果穗,其苞叶含水率受存放环境干湿度及时间长短影响易发生变化,本试验研究将苞叶含水率作为评价果穗一致性的指标。在生产率满足生产需要的前提下,对衡量剥皮作业质量的剥净率、籽粒破损率等指标在不同因素水平参数组合时进行评价对比才有意义[13,14],故对试验方案设计提出了较高要求。

试验台生产率选定是试验设计中的一项重要内容。在进行剥皮试验装置方案设计时考虑到涉及影响因素较多且一般不单独使用,整机设计上也仅靠经验选型部件,目前尚未有关于其生产率的指标参照;但遵照整机设计经验,部件工作能力应略大于整机。本试验研究在调研当前玉米收获机主要参数的基础上,结合整机设计经验选择了2 ~ 3 行玉米收获机广泛使用的3 组( 12 辊) 式,该类机型生产厂家标称作业效率一般为0. 3hm2/ h,作业行进速度约3km / h。

按照生产效率0. 3hm2/ h、大穗高密度种植模式60 000 株/ hm2计算,生产率( 喂入量) 为

考虑一定过载能力,选择喂入量为300 穗/min,并以此计算升运器刮板运转速度,调整其动力输入电动机变频器旋钮使其以达到所需升运能力,可在满足生产率的要求并真实模拟喂入方式工况下进行影响因素的试验对比。

设计试验采用以下流程顺序进行:

1) 试验材料准备。预定品种单一、成熟度较一致的玉米地块,果穗数目不小于18 000 个。临近成熟期选择正常天气进行统一人工采收,采收过程中注意减少对苞叶的损伤( 不改变苞叶包紧程度) 、保持苞叶完整; 采收后按照每袋60 只放于带塑料内袋的塑编袋内,并称质量、编号记录。取不同袋内的果穗进行苞叶含水率测定,统计当天试验中果穗样本( ≥4 000) 整体的苞叶含水率。

2) 果穗均重与苞叶水分测定。准备5 组试验所需果穗量( 每组5 袋/每袋60 只) ,各袋取2 只完整果穗的苞叶放入卤素水分分析仪进行水分测定,对样本总体苞叶含水率进行统计。

3) 试验设备运转。试验开始前,转速传感器架摆放到合适位置并调整光电计数器与旋转链轮距离后对试验设备运行情况进行调试。检查操作台仪表与灯光指示是否正常,确认正常后,开启变频器电源按钮开关,同时启动升运器、剥皮辊和压送轮电机不低于2min,检查设备运行情况是否正常。

运转过程中检查项目包括: 剥皮辊和压送轮运转是否平稳、升运器工作是否可靠、各电机工作噪声和温度是否正常及转数计数器指示是否正常。

4) 按照试验大纲编排顺序进行试验。本试验基于正交试验方法进行[15],采用标准正交表L25( 56) 改造的混合水平正交表L25( 54× 21) 进行试验。按照正交试验表进行编排时需重复调整,但各参数调整难易程度差别较大。如转速只需调整变频器就可实现而无需机械结构调整,剥皮辊倾角调整需要调整撑杆长度,压送轮与剥皮辊间距调整时需改变变频电机相对压送器动力输入轮的位置,故涉及间隙调整装置手柄或螺杆、变频电机紧定螺栓,剥皮辊组合形式调整需采取更换辊部件的方式耗时较长。针对这种情况,按照正交试验表中试验号对应的不同因素不同水平的组合分析其调整难易,调整一次较难因素水平即将包含该因素水平的试验号对应的试验进行完毕。以标准正交表L25( 56) 改造的混合水平正交表L25( 54×21) 、正交表中试验号与实际试验顺序号对应关系、因素水平参数对照表分别如表2 ~ 表4 所示。

5 结论与展望

1) 通过试验装置的运行试验,表明该装置调节方案可行、运行可靠、试验方案可操作,能够高效进行剥皮效果5 个影响因素的试验。

2) 试验过程采用变频电机作为剥皮辊和压送器动力来源,与机械传动相比其扭矩储备小、抗过载能力较弱; 但从生产率上考虑,在保证剥皮装置可靠性及满足作业效果的前提下,整机设计中优先选用高转速,极个别组合的堵塞不影响较优参数组合的客观性。

试验站设计 篇5

LFG回收利用现场试验设计和施工

介绍了南京市水阁垃圾填埋场LFG(Landfill Gas)回收利用现场试验的设计和施工情况,分析了技术要点,对单井产气量作出了估算.

作 者：黄正华 曾苏 Huang Zhenghua Zeng Su 作者单位：东南大学,环境科学与工程系,江苏,南京,210096刊 名：环境卫生工程 ISTIC英文刊名：ENVIRONMENTAL SANITATION ENGINEERING年，卷(期)：14(6)分类号：X701关键词：LFG 气体回收利用 现场试验 设计 施工

液压系统原理性试验平台设计研究 篇6

关键词：多泵 管路 负载 油箱

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）08（b）-0049-02

在大型客机液压能源系统基本完成原理性设计（液压原理图）和主要元附件定型后，出于对设计验证和支持适航的要求，在进行机上功能试验和全机地面模拟试验（铁鸟试验）之前，对液压系统进行系统级试验。在试验台上安装各种测试传感器，通过测试结果分析比对，修改原设计方案，进而达到优化设计和适航验证的目的。目前国内尚无完善的类似原理性试验平台，民航飞机液压维修部件测试台也长期依赖进口；相关科研人员匮乏，自主创新能力不足；随着国家民用航空的发展，系统设计、集成与试验能力的重要性突显。

1 先进性和特色

多泵多体制液压系统原理性试验平台主要用于液压系统工作原理设计验证使用，希望通过本设备的研制，获得先进的飞机液压系统设计方法，研究对象丰富，研究内容齐全、包括多泵流量匹配特性、压力脉动特性、油箱蓄压器容积匹配特性、温升特性、管路振动特性及导管连接方法等。

试验平台主要具有以下几项特色：

（1）为液压系统设计提供原理性试验研究支撑。

（2）探索不同压力级别的液压系统特性。

（3）同一试验台同时模拟对称负载、不对称负载及大流量负载等多种负载。

（4）同一试验台上同时开展对压力脉动、管路振动、温升等特性分析。

（5）采用模块化设计方法，对泵源模块、负载模块、自增压回路等进行分块分析。

（6）通过实验台搭建过程，探索自增压油箱设计方法。

（7）为后续开展液压系统故障诊断及健康管理方法等研究奠定实验基础。

3 系统设计研究

液压系统包括了泵源模块、管路模块、负载模块、油箱模块和冷却模块等。液压系统图布局见图1。

3.1 泵源模块设计

泵源模块主要由液压泵Ⅰ～Ⅳ、压力油滤、回油油滤、壳体回油油虑、溢流阀、单向阀及阀块等元件组成。两组3 000 psi泵（泵I、泵III），泵I选用排量32 mL/rev，工作压力3 000 psi的柱塞泵；泵III选用排量16 mL/rev，工作压力3000psi的柱塞泵。两组5 000 psi级别泵（泵II、泵IV），泵II选用排量40 mL/rev，工作压力5 000psi的柱塞泵；泵IV选用排量16 mL/rev，工作压力5 000 psi的柱塞泵。全部泵都采用交流变频电机驱动，使得这四个泵可以满足试验所需求的高/低转速，不同压力和不同流量需求等各种工况。单向阀、溢流阀都选用插装式或管式连接，减少了安装空间，便于阀块安装，让系统更加美观。泵源模块液压原理图如图2所示。

2.2 管路模块设计

管路模块为一钢结构焊接框架，框架内部设置有各种滑动槽和定位孔，框架内固定管路的卡口（Z轴）、支架（X轴，Y轴）可在框架内组合移动，在三个方向上（X轴-Y轴-Z轴）满足管路安装固定要求，从而可以验证各种管路布置模式对管路振动的影响。管路末端安装有两个固定式的手动截止阀连接口，可以在不关闭系统的情况下对管路进行调整和更换。框架底端安装有滴油盘，可以收集系统运行和管路安装拆卸时泄漏的油液。管路模块结构见图3。

2.3 负载模块设计

负载模拟模块包括两路对称负载和一路不对称负载。对称负载采用比例流量阀与手动节流阀来模拟流量，流量2～120L/min连续可调，流量控制精度不大于±5%。不对称负载由电液伺服阀、单出杆液压缸组成，通过位置控制伺服系统模拟作动系统，对顶油缸采用力反馈伺服控制对不对称负载进行加载。通过对预选参数进行计算，选出对应伺服阀参数，考虑到伺服阀需要在5000 psi压力下进行工作（加载缸伺服阀）。选用最大工作压力为5000 psi，7MPa下额定流量150 L/min，阶越响应时间小于26 ms，滞环小于4%的电液伺服阀。配合PLC集成的PID控制，可以对作动器进行精确的位置控制和力加载控制（相应仿真说明见第四节）。

2.4 油箱模块设计

油箱模块主要由自增压油箱、蓄能器、优先阀、手动释压阀、阻尼调节阀、补油泵和油箱组成。蓄能器容积为5L，预充氮气压力为1000～1400 psig。设置手动释压阀，用以调节系统油箱油量容积和系统蓄压器容积匹配特性。设置优先阀用以优先稳定系统油源自增压压力，防止泵源吸油口出現吸空与空穴现象。设计油箱总容积40 L，注油量28 L，大腔直径310 mm，小腔直径50 mm，柱塞长度600 mm。自增压油箱、蓄压器、冷却器及相应阀块统一放置，油箱模块原理及布局如图5。

由于系统在进行不对称试验时需要对加载系统进行补油，所以这里在系统之外增加了一个单独的补油油箱，补油油箱体积为300 L，油箱上设置有吸油过滤器、回油过滤器、空气滤新器、液位计、温度传感器等设备。补油油箱三维图如6所示。

参考文献

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[3]晁建桃.液压隧道维修作业平台及液压系统的设计[J].工程机械，2013（1）：41-44，47，1.

试验站设计 篇7

恒定应力加速寿命试验是目前工程上快速评估产品寿命的常用方法。设计最优恒加寿命试验方案,是快速、经济地评估产品寿命的重要环节。对于两应力的恒加试验,目前多在两试验应力构成的矩形区域[1,2,3,4,5,6,7]内进行试验方案优化设计。然而在工程实际中,由于试验设备的限制等原因,有时一个应力的取值会限制另一个应力,使得两个应力不能同时达到最大值,试验区域成为非矩形[8]。对于非矩形试验区域上的两应力加速寿命试验,如果按照传统矩形区域上的方法设计最优试验方案,会出现应力水平组合点位于试验区域之外的情况,不能保证获得可行的方案。因此,有必要研究适用于非矩形试验区域的综合应力加速寿命试验方案的设计方法。

对于非矩形试验区域的最优恒加试验方案设计,Escobar等[9]针对矩形区域右上角被线性失效物理方程等值线截去而形成的非矩形区域,给出了优化设计方法。Chen等[8]将Escobar等的设计思想推广至具有任意边界形状的非矩形试验区域,建立了相应的最优试验方案设计方法。文献[8,9]中的方法在设计过程中需要求出边界上失效概率最大的点,当非矩形的边界较为复杂,难以直接求出失效概率最大的点时,会增加试验方案设计的难度。因此,一种不需要求失效概率最大点且估计精度也较高的试验方案设计方法,不失为一种简便可行的办法。均匀设计[10]是一种考虑试验点在试验区域内均匀散布的试验设计方法,与其他设计方法相比,寿命估计精度较高。

本文针对机电产品普遍适用的线性极值模型,以正常应力下寿命分布P阶分位数极大似然估计值的渐近方差最小为设计准则,在非矩形区域内选择两个应力水平分别作为最高和最低应力水平点,以最高、最低应力水平点以及各应力水平点试样分配比例作为优化设计变量,限制各试验应力组合点在最高应力水平点和最低应力水平点为对角的矩形区域内等间隔均匀分布,通过对试验方案进行优化设计,以达到文献[9]的试验效果,并简化非矩形区域恒加寿命试验方案优化设计方法。

1 模型假设

(1)在试验区域上的所有应力水平组合(试验点),产品的对数寿命θ服从极值分布,其概率分布函数为

式中,μ为位置参数;σ为尺度参数。

(2)在试验区域中,位置参数μ与标准化处理(具体标准化的方法参见文献[8,9],下同)后的试验应力u、v满足:

其中,0<u<1;0<v<1;γ0、γ1、γ2为模型参数,有γ1<0,γ2<0。

(3)在试验区域中,尺度参数σ与应力点坐标无关,为常数。

(4)各试验样本的寿命相互独立。

(5)采用定时截尾恒加寿命试验,各个应力水平组合上的截尾时间相等,均为τ。

由文献[2,3,4]可知,大多数机电产品的统计模型都可以转化为上述线性极值模型。

2 试验方案优化设计思路

首先,将一般非矩形试验区域标准化[8,9],如图1所示,A(0,1)、B(1,0),O(0,0)为正常应力水平点。SAB为非矩形试验区域边界曲线,设SAB的曲线方程为v=f(u),0<u<1,0<v<1。

矩形试验区域上的方案优化,按失效机理不变的原则选定最高应力水平点后,只需优化最低应力水平点即可。但在非矩形试验区域中,最高应力水平点的选定,除了要满足失效机理不变的原则外,还需按试验精度最高的原则,在非矩形试验区域内通过优化选定。通过分析可以证明[1],试验的最高应力水平越高,产品在正常工作应力水平下寿命分布P阶分位数极大似然估计值的标准离差越小。过试验区域OAB内某点作失效物理方程的等值线l=μ*=γ0+γ1u+γ2v可以证明[8],当该点在曲线SAB上时,其失效概率比在区域OAB内要大(过曲线SAB上的点μ*在v轴截距较大),因此,在边界SAB上优选最高应力水平点,可保证寿命估计值的方差较小。

试验方案优化时,在边界曲线SAB上任取一点H(uH,f(uH))作为最高应力水平点,然后,在矩形区域OMHG内就给定的应力水平数K按均匀组合的方式,以正常应力水平下寿命估计值的渐近方差最小为目标对最低应力水平点C(uC,vC)进行优化,具体方法如下。

给定应力水平K,其他应力水平可由最高应力水平点H和最低应力水平点C按等间隔应力水平分配原则来表示:

式中,ui′、vi′分别为CF、CE上的等间隔点。

在估计精度基本保持不变的前提下,为减少试验次数,采用均匀设计理论对应力水平进行组合。按均匀设计理论,同一个应力水平,按照均匀设计理论会有多种不同的应力点组合方式,但其方差因子的值不同,方差因子值最小的应力点组合方式为最佳组合方式。当应力水平K分别为3、4、5时,应力点的最佳组合方式如图2所示(图中实心圆点代表应力点的分布位置)。

在取定H点所形成的矩形区域OMHG内以方差因子最小为目标优化出C点后,可以得到该最高应力水平点下的优化试验方案坐标(ui,vi),i=1,2,…,K,其分布如图2中实心圆点所示。

取遍曲线SAB上每一点作为最高应力水平H,比较每一个H点下最优试验方案方差因子值VK,VK最小时的H点即为最优点,相应的最优试验方案为最后优选的试验方案。

当边界为凹域时,按照上述方法设计的试验方案,试验点有可能在试验区域外,故以上方法只针对边界为凸域的非矩形试验区域。

3 试验方案优化设计建模

现给定试验的截尾时间τ、样本总量Ν、应力水平的数量K,以正常工作应力水平点(0,0)的寿命分布P阶分位数估计值的渐近方差为目标函数,以最低应力水平C(uC,vC),最高应力水平H(uH,f(uH))以及试样分配比例p1,p2,…,pK-1为设计变量,按等间隔应力水平分配原则和均匀设计思想在非矩形区域OAB内进行恒加寿命试验方案优化设计。

试验区域经过标准化处理后,正常工作应力水平点为(0,0),约束最高应力水平点在边界上取值,即vH=f(uH),相应的优化模型可以表示为[3]

其中,FS为标准化后关于参数δ=(γ0,γ1,γ2,σ)的fisher信息矩阵;VK为方差因子;vH=f(uH)为限制最高应力水平点的非矩形边界曲线;pi为样本分配比例;(ui′,vi′)为按照等间隔应力分配原则得到的应力点的坐标;(ui,vi)为按照均匀设计理论得到的试验方案应力组合点的坐标,如图2所示;(uC,vC)、(uH,vH)分别为最低应力水平点和最高应力水平点的坐标。

经过标准化后的fisher信息矩阵如下[8]:

因为σ2/N为常数,故优化时可将目标函数简化为求VK的最小值。

4 算例

如图3所示,设试验区域OBMQRA的边界SAB由抛物线BM、线段MQ、线段QR和圆弧RA组成。点M、Q、R的坐标分别为(0.7946,0.9)、(0.8748,0.4845)和(0.8748,0.6),各分段的方程分别为

取模型参数估计值为[8],试验截尾时间τ=1000,要求设计最优试验方案,使估计正常应力下寿命分布的0.01阶分位数y0.01的方差最小。

分别考虑在应力水平K=3、4、5时的最优试验方案设计。由于算例中的边界曲线比较复杂,是由分段函数构成的边界曲线,故试验方案优化时需在曲线段BM、MQ、QR、RA上分别找出最优试验方案,再通过比较找出最后优选的试验方案。

(1)按第3节中优化设计方法分别求出K=3、4、5时的基于均匀设计理论的恒加寿命试验方案(简称U-3、U-4、U-5)。其各应力组合点分布如图4中实心圆点所示,各试验方案对应的方差因子分别为72.0746、85.7891、85.9401。

(2)按文献[9]中方法分别求出K=3、4、5时基于Escobar和Meeker设计思想分裂得到的试验方案(简称EM-3、EM-4-1、EM-4-2、EM-5,其中EM-4-1和EM-4-2指K=4时的两种应力组合方式),其方差因子分别为71.0184、87.2230、87.2230、87.2230。

(3)比较两种不同设计方法所得最优试验方案的方差因子可得,基于均匀设计理论的优化设计方案的方差因子与按文献[9]中方法求出最优试验方案的方差因子相差不大,甚至在K=4,5时方差因子更小,因此,基于均匀设计的试验方案同样具有较好的估计精度。

综上,针对算例求得的基于均匀设计理论的优化设计方案见表1,试验点的位置分布如图4中实心圆点所示。

5 结语

本文根据均匀设计理论,以在正常应力水平时P阶分位数极大似然估计值的渐近方差最小为准则,在非矩形区域内选择两个应力水平点分别作为最高和最低应力水平点,以最高、最低应力水平点以及各应力水平点试样分配比例作为优化设计变量,限制各试验应力组合点在最高应力水平点和最低应力水平点为对角的矩形区域内等间隔均匀分布,建立了基于均匀设计理论的非矩形区域恒加试验方案优化设计方法。最后,通过算例和基于Escobar和Meeker设计思想的最优试验方案比较,结果表明本文的试验方案具有较好的寿命估计精度,是可行的试验方案,为非矩形试验区域上的最优试验方案设计提供了一种新的思路和方法。

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试验站设计 篇8

根据联合国粮农组织最新统计,中国大蒜出口约占世界大蒜贸易量的90%,在国际市场上具有较强的竞争力[1]。大蒜的使用价值使得人们越来越重视大蒜的种植;但是,由于大蒜不规则的外形,使得蒜农很难实现大蒜的种植要求。我国大蒜的播种还是以人工为主,主要采用锄头或者犁开浅沟、人工点播蒜种和覆土等播种方式,虽然这种方式有利于大蒜的生长,但是劳动强度大、效率低,需要耗费大量的工时,生产成本大大提高,达不到农民的合理收益[2,3,4]。

排种器是大蒜播种机的核心部件,其工作质量将直接影响大蒜播种的效率,因此有必要重点研究一下大蒜播种机的排种装置。本研究的目的是通过对蒜瓣外形特征参数进行测量并统计分析,研究设计了一种倾斜圆盘转勺式大蒜播种试验装置,并通过试验确定它的参数和结构形式,确定工作效果达到最优时,转速和取种盘倾斜角度的最佳组合。

1 排种装置的结构及工作原理

1.1 试验装置的结构

倾斜圆盘式大蒜排种装置主要由电磁调速电动机、种箱、排种盘、万向节联轴器和链传动等部分组成。其中,电磁调速电动机和链轮组成是动力输出装置部分,通过二级减速实现排种装置所需要的转速;种箱内的两个倾斜放置的取种盘来实现蒜瓣的取种;两个万向节联轴器可以实现不在同一条直线上的传动。其结构如图1所示。

1.传动系统 2.转动壁固定件 3.轴套 4.取种勺 5.取种盘 6.种箱7,9.万向节联轴器 8.轴承座 10.装置架子

1.2 工作原理

大蒜播种机的排种装置与型号YCT-112的电磁调速电动机配套,电动机作为动力输出装置,通过链传动给动力轴提供动力,使得取种盘按照10～30r/min转动;取种盘上有取种窝,圆盘转动,在种箱下部,取种窝与大蒜种子接触,完成取种,然后种子在种窝内,随圆盘转动;当载有种子的种窝经过上部种箱侧壁开口区域,大蒜在自身重力的作用下,下落到导种装置,完成取种。该试验装置的取种盘可固定在0°～20°之间的某一个角度,通过试验对比,得出试验方案和结构参数,确定取种时取种盘的最优转速和最优倾斜角度。

2 主要部件的结构参数设计

2.1 取种勺参数设计

倾斜圆盘式排种器设计的核心部分是取种勺的设计。取种勺的设计需要根据蒜瓣尺寸参数,从市场购买大蒜并按蒜种要求从中随机选取了蒜瓣50 个,分别对它们的长、宽、高进行测量。测量结果统计由尺寸频数图可看出,外形尺寸基本符合正态分布。

本设计取种勺采用圆弧形的上部口径,两侧均是弧形边界,底部直接与圆盘相连。根据蒜瓣尺寸的统计分析,L取20mm,B取32mm,H取18mm。结构简图如图2所示。

2.2 取种圆盘的参数设计

蒜瓣特别脆嫩且没有外壳保护层, 排种时, 蒜瓣既不能挤压也不能排绞, 针对该状况以及大蒜的不规则外形,研制出一种圆盘转勺式大蒜取种盘。该播种机的排种盘上固定了多个取种窝,取种窝根据大蒜的形状来设计;排种盘的直径是根据大蒜株距、排种盘上的取种窝数、大蒜播种机的行走速度而确定的,从而设计出带有取种勺的圆盘,如图3所示。

2.3 排种器种箱的设计

种箱的结构示意图如图4所示。排种器壁上开有滑槽,侧壁可以用手工进行转动固定,取种盘是依附在侧壁的内侧,距离侧壁内面尽可能保持在5mm左右,以减小与侧壁的摩擦。

当侧壁转动某一个角度时,取种盘也随之转动到某一个角度,调节轴的位置,用轴套固定。由于要使两个取种盘同时转动取种,所以两个取种盘的传动轴用万向节联轴器连接,根据万向联轴器的特点,取种盘的转动角度θmax =20°。

该试验动装置的传动系统由两级链传动组成,型号YCT-112的电磁调速电动机带链轮转动,经过两级链传动带动主轴转动;由于两个取种盘有一定的倾斜角度,采用万向节联轴器连接,同时在两个侧壁上都固定有内置调心轴承的轴承座,支撑两个传动轴,从而保证试验装置传动系统的稳定。

3 试验方案及试验结果分析

本试验选取取种勺类型、取种盘的转速和取种盘的倾斜角度作为可变因素进行试验研究。结合本试验装置的实际情况和进行影响排种效果的单因素试验,可得试验的因素水平如表1所示。

可见本试验为水平数不等的正交试验,取种盘种窝为2水平,取种盘的转速和倾斜角度均为3水平,如果选用混合型正交表,只有L18(21×37)正交表适合安排这个试验。假若选用这个正交表,要进行18组试验,才能保证因素水平的正交性质。为了节约试验时间以保证试验的精度要求和得到可靠的试验效果,故采用拟水平法进行正交试验设计。根据实际经验,将取种盘种窝数的水平1作为第3水平的虚拟水平,故本试验就转化为3因素3水平正交试验,根据正交试验选表原则选取正交表L9(34)[5]。

为了使得数据更准确,每次试验做3次,取平均值。衡量排种器工作性能指标有单粒率、双粒率、空穴率和损伤率。本试验的试验方案如表2所示。

在本试验的4项试验指标中,单粒率是最主要的,其次是双粒率,再次是空穴率和损伤率。通过试验方案,对试验结果进行分析:

综合分析对各试验指标影响的最优处理组合发现,单粒率和双粒率的最优处理组合是一致的,均为A2B3C2;对于取种的空穴率,其A2 水平与A3水平的试验指标平均值k分别为0.38和0.27,B2水平和B3水平的试验指标平均值k分别为0.25,0.36,C1水平和C2水平的试验指标平均值k分别为0.25,0.36。各个因素不同k值差别不大,但是从损伤率的指标分析知,损伤率最优的组合是取种窝为5时,而前3个试验指标的最优取种窝数为10,所以综合平衡分析,4项指标中,单粒率是主要的,其次是双粒率再次是空穴率和损伤率。因此,各试验因素的较优处理组合确定为A2B3C2,即取种窝数为10个,取种盘的转速为28r/min,取种盘的倾斜角度为15°,按照这个最优处理组合对改进后的试验装置进行试验测试得到,单粒率为91.3%,双粒率为8.45%,空穴率为0.24%,损伤率为0.6%。测试结果表明,试验装置结构合理,达到试验所需的目标。

4 结论

1)倾斜圆盘式大蒜排种装置的倾斜取种盘能够更好地保证蒜瓣下落。

2)该试验装置结构简单,生产成本低,在传统的大蒜排种器的基础上进行了改进设计,性能得到一定的提高。

3)试验表明,该倾斜圆盘式大蒜排种器性能指标达到大蒜播种的农艺要求,实用可行。

摘要：针对目前我国大蒜播种机的研究现状,在对现有的大蒜播种装置深入研究的基础上,设计了倾斜圆盘式大蒜播种机的排种装置,重点阐述了大蒜播种机排种试验台的结构和工作原理,对关键的部件进行计算设计,研制了形状类似蒜种的取种窝。通过采用转盘倾斜取种,反复试验,利用正交试验来确定落种时取种盘倾斜的最优角度和最优工作转速,使得蒜种在自身重力的作用下,能够更好地通过导种管下种,实现蒜种的种植要求,为研究大蒜播种机械提供理论依据。

关键词：大蒜,播种机,取种盘,万向节联轴器,正交试验

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微型土槽试验台的优化设计与试验 篇9

土槽试验台是对田间作业机械或者某个工作部件进行试验的有效装置,可以模拟田间土壤的工作环境,控制作业机具的牵引速度及耕深等,也可测定机具在作业过程中所受的阻力和力矩等参数,并分析各个参数之间的关系。该试验台对于探索土壤耕作、播种、挖掘收获等关键部件的松碎土机理、降阻减耗、简化机构、缩短农机具的开发时间、提高新型机具性能测试的准确性具有重要意义[1,2,3]。本文利用SolidWorks三维建模设计了微型土槽试验台,对加速农业机械现代化的发展具有重要意义[4,5,6]。

1 结构设计与工作原理

1. 1 结构设计

该土槽试验台由机架、光源、行走装置、传动装置、步进电机、测试机具、传感器连接机构、塑料挡板及玻璃板等组成,总长4m,宽0. 5m,高1m,土壤厚度20 ~ 30cm。机架由新型铝合金材料组成,用T型螺栓连接。步进电机额定转矩50N·m,调速范围在0 ~3km / h,最大测力值可达150kg。机架的侧面安装玻璃,用于试验时观察土壤颗粒的运动状态。机架的上边缘安装照明装置,用于增加光强,提高图像的拍摄质量。土槽试验台整体结构如图1所示。

1. 2 工作原理

机架采用铝合金材料组合而成。直线圆柱导轨与滑块配合,为触土部件提供运行轨道。步进电机作为动力源,通过齿轮齿条啮合进行动力传动,实现触土部件的行走。高速摄像机对触土部件的工作过程和土壤的运动状态进行实时拍摄,并可以进行记录、存储和分析。二维力传感器对触土部件进行力的测试。动态应变数据采集仪对二维力传感器测得的数据进行实时采集,通过数据分析软件进行数据分析。

1. 机架 2. 光源 3. 行走装置 4. 传动装置5. 步进电机 6. 测试机具及传感器连接机构 7. 塑料挡板 8. 玻璃

2 机架的有限元分析及优化

为保证试验台的可靠性,必须对机架的强度进行校核。本文中使用Ansys有限元分析软件对土槽试验台的机架进行强度和受力情况分析。

2. 1 导入土槽试验台的三维模型

将绘制完成的Solid Works三维模型利用辅助数据接口导入Ansys中进行分析计算[7,8]。土槽试验台机架采用新型铝合金型材,通过专用角件和T型螺栓连接而成,在导入模型后可进行零件简化。土槽试验台的长为4m,载土槽高为0. 35m,简化后的有限元模型如图2所示。

土槽试验台直接放于地面使用,所以将与地面接触的柱端进行零自由度约束,将土槽中土壤的压力简化为全部作用在土槽底部。土槽箱容积为0. 6m3,土壤容重为1. 5g /cm3[9],土壤对土槽底部压力为N,其计算公式为

代入数值计算得: N = 8 820N。

土槽箱底部面积2m2,土壤对土槽的作用力可以看成均布载荷力P,其计算公式为

代入数值计算得: P = 4 410N/m2。

分析选用 的单元类 型为SOLID1 6 8 ,密度为2 770kg / m3,泊松比为0. 33,弹性模量为69. 608GPa。对模型采用自动网格划分。

2. 2 有限元结果与分析

对网格划分后的有限元模型施加均布载荷,进行求解分析。图3和图4所示分别为土槽底板和横梁的变形。

通过变形结果图可以看出: 土槽底板是土槽最大变形处,最大变形量4. 468 6mm; 土槽底部横梁也产生了2. 054 6mm的变形量。为了保证试验过程中土槽不会因长期承载土壤导致变形越来越大,影响测试质量,需要对土槽底部横梁进行优化改进。

2. 3 土槽的优化改进

为了保证土槽机架的强度,结合有限元分析结果,进行如下改进: 在土槽底部横梁上加装5根支柱,具体安装位置如图5所示。

优化后的土槽机架最大处发生在机架底板,最大变形量为2. 252 1mm,与优化前相比减小了2. 216 5mm,机架底板和底部横梁的变形均得到了改善,满足要求。

3 试验

根据理论设计、三维模型、强度校核的数据和相关参数,制成了微型土槽试验台。为了验证土槽试验台的性能参数,选取芯铧式开沟器进行验证试验,如图6所示。在土槽试验台正进行验证试验前,先进行调试,目的是检查试验台的各工作部件是否满足设计和工作要求[10,11,12,13,14]。

3. 1 开沟器的连接

测试过程中不仅要对开沟器的前进阻力和垂直阻力进行数据采集,还要对开沟器和土壤的运动状态进行实时图像采集[15]。为了保证开沟器工作阻力数据的准确性和试验条件的一致性,采用一个完整的芯铧式开沟器和半个芯铧式开沟器同时进行试验。开沟器的连接图如图7所示。

3. 2 速度的选择与设置

开沟器的试验速度V选择0. 2、0. 5、0. 8m /s,含水率选择10% 、15% 、20% 。将完整的开沟器和半个开沟器正确安装在测试机具连接机构上,通过步进电机控制器调整滑架的运行速度和行走距离,试验的测试项目有翻土宽度m、回土高度n、开沟阻力F及土壤运动情况和开沟稳定性。速度参数具体设置如表1所示。

3. 3 测试结果

在开沟深度为30mm的情况下,测试在不同速度和含水率下开沟器的水平工作阻力和垂直工作阻力。动态数据采集仪采集的上述各情况试验数据采用表格处理后,绘制成散点图[16],如图8和图9所示。

3. 4 结果分析

通过试验数据分析可知: 步进电机调速和测试距离控制准确,二维力传感器量程满足使用要求; 数据采集仪能够正常进行数据的采集和记录,高速摄像能够清晰地记录测试过程,各项性能均满足设计和试验要求。

4 结论

1) 该土槽试验台的整体结构紧凑、设计合理,采用新型铝合金型材建立土槽机架,增加了试验台的灵活性。该种连接方式对于小型框架和试验装置的设计研究具有重要参考价值。

2) 利用数据接口将Solid Works建立的土槽三维模型导入Ansys中,采用结构静力分析模块对土槽机架进行强度校核及优化。机架最大变形量从4. 468 6mm变为2. 252 1mm,与优化前相比减小了2. 216 5mm,机架底板和底部横梁的变形均得到了改善,满足要求。

垫圈磨损试验平台设计 篇10

1 实验机理分析与结构设计

1.1 试验机理

部件模型如图1所示。垫圈在沿Y轴方向受到力F的作用,同时部件1和部件2在绕Y轴方向有相对旋转运动,由于结构的限制,普通的推力轴承由于结构大、安装不便等,难以满足要求,于是考虑采用新型“自润滑耐磨垫圈”的方法。自润滑耐磨垫圈是在垫圈表面增加0.8 mm耐磨材料后,增加了垫圈的耐磨性,具有推力轴承的性能。根据实际环境,进行极限低温环境(-55±5℃)下的试验。实现的形式为:搭建实验平台,使垫圈在受到恒定的力F作用下,进行磨损实验,磨损时摆动的角度为α,经过n次摆动摩擦后,测量其厚度的变化,并通过相关的计算与分析验证该耐磨垫圈的可靠性。

1.2 实验平台的机械结构设计

实验平台的机械结构设计如图2所示。该实验平台由伺服电机、减速器、压力传感器、温度显示仪表、机架等组成。在运行过程中,通过压力伺服电机带动丝杠,从而使垫圈受压,压力的大小由压力传感器测量,当压力增加到一定值时,压力电机自动停止。同时,启动旋转电机,通过减速器的调速,以及连杆机构的运动使轴承以一定的角度摆动从而使垫圈受到摩擦。当垫圈磨损,压力值低于预设值时压力电机再次自动运行,实现压力值的稳定不变。为了维持在低温环境下进行试验,设计低温槽,其原理如图3所示。

图3所示的低温槽中通过在两尼龙材料夹层中间填充石棉实现保温,在试验过程中,通过导入液氮到铝制的液氮槽内,液氮的沸点为零下195.6℃,在汽化时迅速吸热,使周围的温度迅速下降,铝制液氮槽的散热片结构使垫圈周围的温度降低,通过控制液氮的多少和调温板对散热面积的调整,实现垫圈保持在-55±5℃的范围内,从而达到低温环境的目的。连杆机构能够实现对摆动角度的调整与设定。其原理如图4所示。

在图4中,L1、L2、L3为连杆,通过对摆动过程中的两个极限位置进行分析,可得摆动角度为

α=2arctan(L/2/L0) (1)

而L=2r1 (2)

故α= 2arctan(r1/L0) (3)

在实验过程中,通过偏心结构调节r的位置,从而调整摆动角度α值。

2 控制系统设计

2.1 控制系统的组成

该实验平台的控制以台达SV系列PLC以及相应的模拟量采集模块为核心。压力检测采用CYT202系列S型压力传感器。温度传感器连接智能显示数字调节仪实现温度值的实时显示,通过设置数显调节仪的温度上限值和温度下限值,当温度高于上限值或者低于下限值时,相对应的输出继电器开启,PLC读取继电器的状态,从而进行状态报警。采用的减速机的减速比分别为:旋转电机减速器减速比7.5,压力电机减速器减速比40。整个控制系统构成如图5所示。上位机PC采用台达PLC编程软件WPL SOFT通过台达公司的Ethernet以太网通讯模块实现和PLC的数据交换。

2.2 PLC程序的编写

PLC采用两路高速输出点分别控制压力电机和旋转电机。在程序编写上,采用模块化的编程方法,分为模拟量处理、电机运行、计时、以及复位清零程序模块。在模拟量处理模块中,采用台达DVP04AD-S模拟量处理模块,该模块可以接收外部4个模拟量信号(电压或者电流均可),并将接收的信号转换为14位数字信号,通过台达DVP-PLC主机指令FROM/TO读取模拟量模块里面的数据,根据在主机中设置A/D转换曲线,转换为和实际压力值相对应的数值关系,从而得到传感器的压力值[1]。电机运行程序中,压力电机的运行采用台达PLC中的PLSV指令,该指令规定PLC高速脉冲的频率和脉冲发送装置,从而实现对伺服电机的控制。旋转电机的运行采用DRVA指令,该指令规定PLC高速脉冲的发送数目、发送频率和发送装置[2],从而实现旋转电机按照一定的转速转动有限圈后自动停止。

2.3 上位机可视化界面的实现

上位机和PLC的通讯采用台达的Ethernet以太网通讯模块,该模块支持MODBUS TCP通讯协议(同时支持Master和Slave模式)[4]。上位机通讯程序的编写基于Visual C++ 6.0平台,采用Winsock进行编写。Winsock是基于Socket模型的API开发网络上的应用程序,可以直接调用它。在C++编译环境下提供了Client Socket控件,用此控件可以更方便地实现网络编程[3]。PLC作为服务器端,上位机根据MOD-BUS TCP通讯协议以信息帧的形式发送命令请求[5]。可视化界面操作界面如图6所示。通过对界面上的按钮控件添加消息响应函数,发送数据到与PLC装置中实现相对应的功能,表1为PLC装置功能表。

3 实验过程

自润滑垫圈的初始厚度D=2.82 mm,耐磨材料的厚度d=0.8 mm,夹持垫片部分的粗糙度为R1.4,试验环境温度为-55±5℃。实际检测得知,运行过程中所受到的力的经验值F=4 600 kg,在运行过程中受到交叉角度摆动的影响α1=200,α2=100。在实验平台设计上,如图4中L0=200 mm,故

r1=L0×tan ((α1)/2)=200 mm×tan100=35.2 mm (4)

r2=L0×tan((α2)/2)=200 mm×tan50=17.5 mm (5)

根据该机械结构运行过程中的实际情况,进行实验低温极限环境下试验,直到耐磨材料磨掉为止,摆动频率为2次/s。分别在不同摆动角度的组合下进行实验,摆动相应的次数后,测量垫圈,多点测量取最小值,最终得到测量数据如表2。以累计摆动次数为横坐标,厚度(单位为毫米)为纵坐标,并采用最小二乘法对测量的数据进行拟合[6],得到如图7所示曲线。曲线的方程为

(下转第84页)

(上接第75页)

y=-8×10-6x﹢2.735 1

4 结 论

(1)试验结果表明,该实验平台的设计符合实验原理,能够达到实验要求;(2)从图7所示的曲线可知,y=-8×10-6x﹢2.735 1(其中,x为摆动次数;y为垫圈的厚度),曲线斜率k=-8×10-6,磨损速度为:0.08 mm/万次。在此极限低温的情况下磨损速率较大,应该考虑在垫圈失效之前及时更换垫圈;(3)试验中由于低温环境造成的水蒸气很大程度影响耐磨材料的性能,应考虑进一步的试验。

摘要：实现了某特殊垫圈低温磨损试验平台的机械结构设计,完成了以PLC为核心的控制系统硬件以及基于Visual C++6.0的上位机控制软件设计。通过实验,获取了关于该零件实验数据,并用最小二乘法拟合得到了垫圈磨损曲线:y=-8×10-6x+2.735 1(其中,x为摆动次数;y为垫圈的厚度),曲线斜率k=-8×10-6,磨损速率为:μ=0.08 mm/万次。

微热管储存装置的设计与试验研究 篇11

摘 要：为方便储存果蔬，利用热管结构简单、温差小、成本低、安全可靠等优点设计微热管果蔬保鲜储存装置，对果蔬进行储存保鲜试验研究。结果表明，在本试验条件下，热管最佳工作状态时充液率为20%；热管数量越多，长度越长，降温效果越明显，降温速度越快。微热管储存装置在一定程度上能够达到对蔬菜降温保鲜效果。

关键词：微热管；保温装置；蔬菜储存

中图分类号：S609+.3 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.09.040

Design of Micro Heat Tube Storage Device and Experiment Research

XU Xiao-ping，XU Yan-ling，NAN You-heng，PAN Peng-fei，CUI Wen-wen，LI Bing

（Tianjin Agricultural University， Basic Science College， Tianjin 300384，China）

Abstract： Designed a micro tube fruits and vegetables storage device making use of the heat tube with advantages of simple structure， small temperature difference， low cost， safe and reliable， etc. Under our experiment conditions， the best fluid filling rate is 20%， and the more heat tube number and the more longer length， the more obvious the cooling effect and the faster cooling rate. The heat tube storage device can achieve cooling and preservation of vegetables.

Key words： micro heat pipe； insulation device； incubator； gravity heat pipe

在众多的传热元件中，热管是有效的传热元件之一，它是利用相变原理工作的。可以将大量的热量通过很小的截面远距离的传输而无需辅助动力，已经在工业中广泛应用[1]。热管的工作温区是-273～1 000 ℃[2]，它具有其他传热技术所不具备的许多优点：卓越的传热效率及可靠性、隔离性、低阻力、体积小、可控制等[3]。Cotter于1984年在日本举行的“第五届国际热管会议”提出了微热管（micro heat pipe，MHP）的概念。人们对MHP进行了大量的理论和试验研究，并取得了一系列的研究成果[4]。基于热管的诸多的优点，在新能源的开发、太阳能的利用、农业大棚的应用[5]、电子装置芯片的冷却、 笔记本电脑 CPU的冷却[6]以及大功率散热器[7]、可控硅元件、电路控制板等的冷却，化工、石油、建材轻工、冶金、动力、陶瓷、制冷空调等领域的高效传热传质设备的开发，都将促进热管技术的进一步发展[1]。所以我们结合热管设计简易的保温储存装置，以期能够达到果蔬的保鲜效果，将其引用到日常生活中来。

1 热管储存装置的设计

保温装置的设计：主要是针对其用途结合热管的诸多特性及工作原理，设计出应用于日常生活中的简易保温设备，达到美观、实用、简捷、便携、体积小，充分的发挥热管的特性。保温装置结构：该装置有内外两层，内层是隔热材料，与外界绝热，外层背面有散热孔，热管的绝热段、冷却段在保温箱夹层中，热管的蒸发段弯曲伸入保温箱内部，纵面切图如图1所示。

保温箱内部的热量通过热管的蒸发段传到冷却段，即热量从保温箱内部传到了保温箱夹层，再从保温箱夹层通过背面的散热孔将热量散发出来，从而完成了热量从内向外的传输过程。固定放置的保温装置的设计装置图如图2所示。

2 热管参数的选择

重力热管包括：热管壳体和工作介质两部分，典型重力热管结构如图3所示。当热管的加热端受热时，管内液体工质蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向冷凝段，在冷凝段放出蒸发潜热冷凝结成液体，液体靠重力的作用流回到蒸发段。如此循环不已，就把大量的热量散发出去。

为了便于观察，试验首先以真空玻璃管做壳体，蒸馏水作为工质，考察试验条件下最佳充液率；然后在该充液率下考察管长、管数量的降温效果。最后在试验范围内选择最佳试验条件，利用目前较常用的铜质热管对蔬菜进行保鲜试验。

热管能否正常工作，主要取决于热管内的真空度及热管的密封性。本试验用的XZ型真空泵可使热管内的真空度达到0.5 Mp。以下是水的沸点与压力的对应关系（表1）。

我们制作的热管理论上在33 ℃就可以正常工作。下面就是解决热管的密封性的问题，也是试验的一大难点。经过多次试验，我们选择用4#真空封脂和聚四氟密来封橡胶管和玻璃管的接头处，之前有试过用阀门密封，效果不是很好。橡胶管的密封是用两个皮管夹完成的。抽完真空后，先用一个皮管夹夹住橡皮管，然后立即往橡皮管的另一端加满蒸馏水，再用一个皮管夹夹住橡皮管，用水把热管内的空气与外界隔开，保持真空度。经过测试，这种方法的效果比较好。而铜质热管采用焊接技术进行密封。

2.1 热管充液率的考察

本试验是在其他条件不变的情况下研究充液率与热管的性能的关系。分别在充液率为5%，10%，15%，20%，25%，30%，35%，40%时，通过试验确定热管最佳工作状态下对应的工质充液率。

试验内容是测量热管把温度为40 ℃的水降低到30 ℃的过程中，对温度降低起的作用。由于试验环境和实验仪器的局限性，每次测量时的初始温度会有较小的误差，实验室的温度也会对试验结果带来影响，但不会影响每组数据的可比性。本试验是每2分钟记录一次温度，结果见图4。

试验结果表明，当充液率为20%时，降温效果较其他的效果明显，此时热管的传热性能最好，具有良好的工作效率。充液率为5%和10%时，由于管内工质的量太少，热管内部会发生干涸现象，影响热管的正常工作。充液率为35%和40%时，管内工质的量太多，当热管正常工作时，液体经常冲刷凝结段的一部分表面积，也会导致热管工作效率降低。其他充液率时热管的传热效率也不是很好，可能是由于热管受热时，管内蒸汽太多，不能及时回流，导致管内气压升高，水的沸点也会升高，使热管无法正常工作。

2.2 热管数量的考察

下面试验均采用铜质热管。

试验分两组进行，分别是试验组和对照组。试验组插入抽真空热管和温度计，对照组只插入温度计。10 cm热管分别1，2，4 根，如图5所示。

从图5可以看出，在热管长度相同的条件下，不同数量的热管插入烧杯中，把水温从40 ℃降到30 ℃过程中，4根热管起初降温速度最快，所需时间最短，其次是2根热管，1根热管达到30 ℃所需时间最长。

2.3 热管长度的考察

从图6可以看出，在热管数量相同的条件下，不同长度的热管插入烧杯中，把水温从40 ℃降到30 ℃过程中，20 cm长度的热管比10 cm长度的热管起初降温速度快，所需时间短。

2.4 热管在蔬菜储藏保鲜中的应用效果的试验研究

本试验准备两个完好的泡沫箱，在顶盖上安装两块玻璃（一方面便于观察，另一方面保证蔬菜能够被阳光照射到），其中一个保温箱顶盖上镶入8根热管，以有热管的保温箱为试验组，没有热管的为对照组，分别放入同等重量的新鲜油菜（2 kg），由于油菜容易腐烂，盖上盖子，放在阳关下，同时进行试验，每隔24 h观察一次，观察油菜的腐烂程度，连续观察7 d，对比油菜的腐烂程度，从而得出结论。试验观察结果如图7所示。

从图7中显示的结果来看，试验组油菜的腐烂程度比对照组的腐烂程度低，也就是说热管能在一定程度上保鲜，能够降低蔬菜的腐烂速度，起到蔬菜的保鲜效果。但是这只是感官上的，无法用具体的实验数据量化的显示。

3 结 论

通过对果蔬保鲜装置的设计，以及热管的传热性能试验，主要得出以下结论：

初步设计了微热管果蔬储存装置。通过试验得出结论：在本试验条件下，热管最佳工作状态时充液率为20%；热管数量越多、长度越长，降温效果越明显，降温速度越快；微热管储存装置能在一定程度上保鲜，能够降低蔬菜的腐烂速度，起到蔬菜的保鲜效果。但热管数量如果过多，会增加储存装置的重量，所以需要进一步研究微热管储存装置的最佳设计条件，并制造出成品得以推广。

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BKGD检测试验装置设计 篇12

彩色显像管(以下简称CPT)在线BKGD检测试验装置主要用于对CPT进行起始白平衡和冲击白平衡的测试。其测试原理是对被测CPT各电极加规定电压[1],利用计算机A/D采集卡对三阴极电流进行同步采集和处理[2] 。

本系统的主要特点是各电极电源及偏转单元相互独立,利用通用工业计算机实现各单元通断控制、IK电流采样及数据处理,便于维护和系统升级。

1 设备设计要求

a) 外部环境条件要求。环境温度:室内,10℃～40℃,环境湿度:相对湿度20%～95%。

b) 电气规格要求。CPT放置台适应管型:863.6mmCPT,额定输入电压:单相220VAC±10%,50Hz,额定输入功率:<3kVA。

c) 机械规格要求。主体最大处的外形尺寸:1820mm(宽)×900mm(深)×1840mm(高),打印台外形尺寸(不含打印机):600mm(宽)×750mm(深)×800mm(高),主体重量:约1200kg。

d) 控制程序规格。运行环境:Microsoft Windows简体中文版,图形环境:800×600点≥16色,数据文件:标准测试每支CPT生成数据文件不大于6400字节,数据存储空间:可存储不少于50万支CPT的测试数据。

e) 测试项目。三阴极起始白平衡,三阴极冲击白平衡。

2 设备组成

该BKGD检测试验装置由以下8个单元组成(图1):1) 主电源单元;2) Ef电源、Ek电源单元;3) 高压电源单元(含Ec2电源、Ec3电源、Eb电源);4) 信号源;5) 行场偏转单元;6) 汇接单元;7) 仪表显示单元;8) PC采样及控制单元。

3 测试原理

3.1 起始白平衡测试

测试系统依次运行于3个阶段:老炼(aging)、静置(stand by)、测试(test)。各阶段的运行时间可以通过控制程序设定,标准设定都为20min。在以下3个阶段,CPT均加Eb,Ec3,Ec2电压,行场偏转单元都输出。

a) 老炼:被测CPT的三阴极接“调整” 电压,热丝接通。保持规定时间(TAG)后,手动调整Ek电源单元面板上的三路“调整”电位器,使三阴极电流尽量保持一致并处于20.0μA附近,然后按下控制界面上的“继续”按钮,进入静置阶段。如果操作人员在5min内未按下“继续”按钮,程序将自动进入静置阶段。

b) 静置:这个阶段被测CPT的三阴极接预置的“20μA”电流,热丝关断,经过规定时间 (TOFF) 后迅速将热丝接通,进入到测量阶段。

c) 测试:按照表1给被测CPT各电极加电压,测试阴极电流在20μA附近的白平衡特性。

以上各电压值均可通过面板电位器调整,通断可由控制程序设定。

为检测阴极电流变化,在每一阴极回路中均串联了1000.00Ω的精密电阻,这样阴极电流变化时,对应的电阻上将产生相应的电压变化。利用电压信号调理模块将上述电压隔离放大(电压放大倍数200),然后送到16位A/D卡进行A/D转换,并经过数字滤波等信号处理过程将最终的Ik值输出到Ik仪表以及操作显示器上[3],同时保存到硬盘文件中。

本系统采用ADVANTECH公司的ADAM-3014信号调理模块实现了输入、输出、电源的两两隔离,隔离电压不低于1000V/DC,同时其内部又含有低噪声的仪表放大线路,极大提高了前向通道的共模抑制比。

3.2 冲击白平衡测试

冲击白平衡测试在起始白平衡测试之后进行,各电极电源状态与起始白平衡测量阶段的设置一致。当操作员按下控制界面上的“冲击白平衡测试运行”按钮后,系统开始采样,在2min之内,操作员要敲击CPT管颈处一次,然后按下“结束第x次测试”按钮,系统会显示Ik变化最大的时刻对应的三阴极电流值,并保存到硬盘的文件中。

4 控制程序设计

计算机控制界面分为5个子界面,1个主控界面和4个子界面。每个子界面对应一种功能。操作方法可以用鼠标点击对应按钮,也可以按下键盘上对应的功能键F1～F12或利用菜单条选择进入对应的功能界面。

系统启动后首先进入“主控界面”(图2)。

4.1 测试参数设置子界面

如图3所示,在主控界面中按下“F1”按钮进行测试参数设置。本界面分为三部分:电极电源设置、测试时间设置、CRT数据设置。按下“F1”选择电极电源设置,用上下光标键可在各项目之间移动,用数字键设置Ik的预置值;按下“F2”,“F3”,“F4”,“F5”分别设置老炼、静置、测量、冲击四个阶段各电源输出状态,用上下光标键在各项间移动,用空格键切换电源设置状态;按下“F6”将各电源设置为标准测试状态;按下“F7”进行起始白平衡测试时间设置,用上下光标键在各项间移动,用数字键设置测试时间,用空格键切换“标准/自定义”;按下“F8”,用上下光标键在各项间移动,可设置CPT数据记录,这些数据将随Ik采样数据一齐写入同一个数据文件,在显示、打印或保存时可以参考Ik数据对应的CPT批号。利用“保存配置”和“调入配置”两项可以将所有配置项保存到一个文件供以后调用。

4.2 白平衡测试子界面

如图4所示,在主控界面中按下“F2”进行白平衡测试,进入白平衡测试界面。在左上角可以设置测试时保存的数据文件名,按下文件夹形状的小按钮就可以重新设置数据文件名。下面是表示各电极电源的通断指示栏,当各电源接通时,对应的指示灯变红,关断时指示灯变白。左下角是起始白平衡测试的阶段时间显示,在起始白平衡测试时可以实时显示时间。右边一栏在做起始白平衡测试时,按照预置好的显示时间间隔实时显示测量的Ik数据;在做冲击白平衡时,每做完一次冲击试验就可以立即显示本次Ik数据。

4.3 数据显示和列印子界面

如图5,图6所示,本子界面分为上下两部分,上部是坐标图或数据表显示区,下部是8个控制按钮。显示区根据当前的设置可处于图形显示或数据表显示状态。“读入历史数据”按钮用于查看历史测量数据的曲线和数据表。软件将数据显示和打印合为一个界面,当显示为历史数据时,打印也为历史数据;当显示为当前的测试数据时,打印也为当前数据。“打印机设置”按钮主要用于设置输出纸张的尺寸,打印程序会根据不同的纸张尺寸输出不同比例的曲线图或数据表。

4.4 设备校正子界面

设备校正子界面(图7)设计为向导式操作,每一步用户都可以按照提示信息进行选择和测试。按下“下一步”按钮可以进入下一步操作,同时可以按下“上一步”按钮回到上一步操作。

系统中设定了两种校正模式:模拟式和实测式。前者使用精密基准电压源产生20.00mV的基准电压,输出到隔离信号调整模块ADAM-3014的输入端,模拟Ik电流为20.0μA时的状态,通过调整3014模块上的“SPAN”电位器可以将三路采样电路较快地调整到采样值指示为20μA。

实测式校正是按照规定值给各电极加电压,使测试在实际条件下进行。这时各电极按照校正时的状态供电,校正人员可通过各单元电压检测孔校准输出电压,将Ik表下的开关扳到“校正”位置,可串入精密微安表校正Ik电流。

5 结语

本彩色显像管在线BKGD检测试验装置,在设计时对装置操作性、实用性、维修性都进行了充分的考虑,特别是人机界面的设计上,站在操作者的角度,充分考虑降低对操作者的要求,使设备的操作变的简单、容易,同时使检测数据的记录和查询更加方便、快捷。

参考文献

[1]安永成.彩色电视机检测技术[M].北京:电子工业出版社,1997.

[2]吴正毅.测试技术与测试信号处理[M].北京:清华大学出版社,1991.