空气污染状态（精选4篇）
空气污染状态 篇1
传统油品污染监测大多采用直接显示数据的方式, 例如表格、图框、曲线等, 而使用图像显示则并不多见, 对油品污染监测缺乏形象、直观的认知。因此, 结合现代计算机技术, 开发一种基于图像或动画显示的可视化监测系统软件就具有重要的研究价值和广泛的应用前景。
本文中的水面油品污染状态可视化系统软件利用MCGS组态软件记录、处理监测数据, 生成直观可视界面, 并提供实时数据和历史数据的观测、查询, 旨在探索一种更为直观的油品污染状态显示方法, 为当前油品污染监测行业提供参考。
1. MCGS组态软件简介
得益于计算机和网络技术的飞速发展, 工业自动化也有了更为广阔的发展空间。MCGS全中文工业自动化控制组态软件 (以下简称MCGS) 是一套32位工业控制组态软件, 可稳定运行于Windows95/98/NT (级以上级别) 操作系统, 集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、网络数据传输、双机热备、工程报表、数据与曲线等诸多功能于一身, 并支持国内外众多数据采集与输出设备, 广泛应用于石油、电力、化工、钢铁、矿山、冶金、机械、纺织、航天、建筑、材料、制冷、交通、通讯、食品、制造与加工业、水处理、环保、智能楼宇、实验室等多种工程领域。[1,2]
通过MCGS, 用户可以快速方便地建立高效的监控系统, 并为全新的测控系统寻找到一套完整的解决方案。
2. 系统软件介绍
2.1 软件功能
该可视化系统软件的主要功能是:根据已采集到的水面油品污染数据, 判断污染程度并将污染程度划分为具体预警颜色等级, 在显示终端以动画形式直观显示污染状态;同时生成实时数据报表和实时曲线以及历史数据报表和历史曲线, 以供观测和查询。
2.2 软件组成
该软件分为三个主要部分: (1) 数据录入部分, 通过设置于水面上的油品污染监测传感器将污染状态信号转换为电信号, 输入系统; (2) 数据处理部分, 实时记录输入的电信号并定时存盘, 根据信号判断污染状态并进行动画连接; (3) 显示窗口, 显示油品污染状态, 提供实时数据、曲线, 历史数据、曲线以及存盘数据浏览查询。
2.3 系统工作流程
系统具体工作流程如图1:
2.4 软件主要特点
(1) 集数据采集、整理和记录, 污染状态动画显示于一体, 以动画方式在显示终端直观显示污染程度, 较好地实现了水面油品污染状态的可视化。
(2) 以MCGS软件为基础, 得益于MCGS强大的软、硬件兼容性, 系统在设备连接、数据交互等方面也具备良好的兼容性。
(3) 编写简单, 操作方便, 可以实现良好的数据连接和转换, 相比其他用计算机语言编写的程序软件, 无需大量复杂的文字程序, 且便于修改、调试方便, 工程技术人员不具备专业计算机编程能力也可应用。
3. 软件应用范例
假设位于水面上的三个监测点:监测点1、监测点2、监测点3, 3个监测点处的污染监测传感装置将收集到的实时污染状态传输至监测中心, 由中心计算机加以处理并在显示终端通过动画显示。
三个传感器均可远程控制启停, 该范例系统中, 监测点1、监测点2的输入信号采用正弦波模拟, 监测点3的输入信号采用三角波模拟。输入信号同时可用模拟显示终端的滑动控制器人为控制。
在模拟显示终端任意引入一张地图 (本范例系统中使用的是墨西哥湾原油泄漏事件中入美国布雷顿野生动物保护区及附近地图) , 在地图上保护区周边随机布置3个监测点, 为直观起见, 每个监测点设置为空心圆形, 以填充颜色随输入信号的变化显示污染程度。具体颜色和对应信号数值如下表1:
范例系统终端显示窗口如图2所示:
图中右下角为滑块输入器, 拖动滑块可分别控制相应监测点输入相应数值。
实时数据、曲线以及历史数据曲线显示如图3:
系统可按制定的时间间隔记录历史数据以供观测者查询, 历史数据的记录方式如图4:
4.结语
本文利用MCGS组态软件, 撇开复杂的计算机语言程序实现水面了油品污染状态可视化, 使监测工作更为直观、简便;且易于学习、掌握。为油品污染监测和控制的理论与方法提供了参考。
摘要：本文利用MCGS组态软件5.5通用版制作水面油品污染状态可视化系统软件, 对水面油品污染监测数据加以处理, 使其于动画上直观显示, 并记录实时数据和历史数据, 生成实时曲线和历史曲线, 以供观测和查询, 旨在提供一种实现水面溢油污染状态监测的可视化方法, 为溢油污染监测作参考。
关键词：MCGS组态软件,油品污染状态,可视化,系统软件
参考文献
[1]傅孙成, 王文质, 章凡, 黄企洲.南海海上溢油漂移扩散预测微机视算系统.热带海洋.1994年5月, 第13卷第2期.
[2]苏义鑫, 吕华洋.基于MCGS组态软件的油库监控管理软件开发.工业控制计算机.2003年16卷第7期.
空气污染状态 篇2
民用航空器运行排放量随着国际上气候变化问题的不断升温正在受到越来越多的关注,欧盟等组织正在推行基于历史排放量对国外航班进行收费。因此,减少航空运行排放成为推进绿色民航建设的重要内容。航空运行排放量的减少也直接带来燃油消耗的降低,这对于航空运输企业应对日益增高的燃油价格,降低运营成本也是至关重要的。当前国际标准和各方研究中,主要关注的是起飞降落阶段的排放量问题。国际民航组织(ICAO)制定的机型排放数据库主要是采用标准起飞着陆循环(LTO)来计算机场范围内1 000 m以下飞机的滑行、起飞、爬升、进近着陆等阶段的CO、HC和 排放问题。Pejovic等根据空中交通流量数据,对英国的航空排放问题进行了总体估算;Tsilingiridis估算了Greek机场的污染排放量。夏卿等对我国民航机场飞机着陆起飞循环排放量进行了估算;魏志强等对航班飞行各阶段污染物排放量估算方法进行了研究,其核心也是基于ICAO标准排放量模型对机场周边或地区的排放量进行估算[1,2,3] 。以上研究对于耗时占整个飞行80%以上的航路飞行没有更多关注,本文主要对于巡航阶段航空器飞行方式进行研究,给出最小污染物排放量标准的估算方法,为减少航空运输总排放量提供依据。
1 远程巡航速度的计算
飞机的阻力系数可近似看作升力系数的平方关系CD=CD0+k1C
式中:CD0为零升阻力系数;k1为与飞机气动性有关的常数;m为飞机质量,g为重力加速度。
巡航阶段飞机处于平飞状态,飞机总阻力与平飞需用推力相等,则燃油流量WF(单位时间内的耗油量)和燃油里程FM(单位耗油量飞过的距离)分别如式(2)、(3)。
式中:k2为燃油消耗率,是在一定高度上与发动机有关的常数。
在巡航阶段,CO2及其他航空污染物的排放量只与燃油消耗量成正比,与其他参数无关。因此,最省油的巡航方式产生的排放量应当为最小。理论上最省油巡航速度是指在一定条件下,最大燃油里程对应的速度,即最大航程速度(MRC速度)。但该速度接近飞机反常操纵区,因此在实际飞行时,通常取最大燃油里程99%所对应的速度巡航,即远程巡航速度(LRC速度)。
令:
得:
将式(4)带入式(3),得:
由式(4)、(5)即可求出MRC速度所对应的升力系数和燃油里程。LRC速度比MRC速度大,因此可用待定系数法求出LRC速度所对应的升力系数CLL,即令
将式(6)代入式(3)可得LRC的燃油里程,即
LRC速度对应的燃油里程为MRC速度的99%,则有
由式(8)可迭代求出k3为0.949 2。即
则LRC速度为:
式中:MaL为LRC速度马赫数;k为空气绝热系数,取1.4;δ为飞行高度上大气压强与标准大气海平面大气压强之比;p0为标准大气海平面的大气压强。可以看出,MaL只与换算质量(mg/δ)有关。波音飞机的FMC和INFLT软件正是按照MaL=f1(mg/δ)表来实时近似计算LRC马赫数的[4]。
2 污染物排放量的计算
国际民航组织在机型排放数据库中主要针对机场终端区混合层高度(1 000 m)以下定义了LTO,包括进近着陆、滑行、起飞和爬升4个飞行阶段。每个飞行阶段给出了与机型无关的飞行时间和发动机推力等级。根据LTO状态下的时间与推力等级数据,发动机厂家提供了在海平面、15 ℃条件下,各个飞行阶段的基准燃油流量和污染物排放指数。但以上数据中并不包括巡航阶段的飞行排放基准数据。因此,在计算巡航阶段排放量时,首先要确定排放指数。从国际民航组织和发动机制造厂商给出的数据模式来看,发动机产生的排放主要来源于燃油燃烧,而燃烧量和燃烧效率是决定排放物总量和组成比例的决定因素。目前在航班运行中的主流机型,其巡航阶段发动机推力等级一般为85%,这与航空器在爬升阶段的发动机推力等级相同,因此可以考虑选取爬升等级下的排放指数作为基数进行污染物排放量估算[5,6]。
在B737-800,选装CFM56-7B发动机的情况下,发动机制造商给出了基准排放指数见表1。
因此,巡航阶段各种污染物排放量的计算式为:
式中:Ej为第j类污染物的排放量,kg;n为发动机台数;tf为巡航阶段飞行时间,s;Fc为巡航阶段单发燃油流量,kg/s;Ij为第j类污染物的排放指数。
3 计算分析
本文选取某航空公司B737-800型飞机,从广州飞往重庆的一段航程为计算对象,根据QAR记录的飞行数据,提取原飞行状态下的主要飞行参数,结合以上给出的排放量标准和最小排放量计算方法,对不同巡航方式下的污染物排放情况进行比较研究。该航班在巡航阶段主要采用等马赫数飞行方式(M0.78),飞行中由于空管部门调配原因高度发生了变化,其中航空器巡航阶段的主要参数见表2。
从表2中可以看出,航空器在1 655 s 时发动机转速开始保持在85%,进入巡航阶段,在2 184 s时进行高度层转换,直至4 520 s时发动机转速下降,开始减速进入下降进近阶段。根据以上主要参数,通过积分计算可以得到该航班巡航阶段(1 655～4 520 s时段内)主要燃油消耗和污染物排放状况见表3。
从表4中可以看出,对于相同环境下的同一航班,采用不同的飞行方式,其燃油消耗、污染物排放和飞行时间呈现出不同的变化趋势,其中LRC方式下燃油消耗和污染物排放量最小。因此,可以将LRC方式下的航空器污染物排放量作为对航空器运行排放进行衡量的基准,在此基础上确定出平均排放标准,可以用于管理部门对航空运营人节能减排状况的考核。
摘要：航空运输所带来的污染物排放问题日益引起国际社会的关注,加强航空运输业的节能减排首要问题是建立科学的污染物排放标准。通过对航空器巡航飞行中运动状态的研究,给出了长程巡航速度的计算方法,并根据国际民航组织提供的污染物排放系数,推导出巡航阶段最低的污染物排放量计算公式。通过实际算例,对比分析了不同运行方式下污染物排放量的差异,证明长航程巡航方式下的排放量最少,可以作为衡量航班飞行中节能减排效果的基准。
关键词：航空运输,飞机排放,环境污染,标准计算
参考文献
[1]Bohal S V,Holmes H L S.Speculated hydrocarbonemissions and the associated local ozone productionfrom an automotive gasoline engine[J].InternationalJournal of Engine Research,2004,5(1):53-70.
[2]Pejovic T,Noland R B,Williams V,et al.Estimatesof UK CO2emissions from aviation using air trafficdata[J].Climatic Change,2008,88(3、4):367-384.
[3]Kesgin U.Aircraft emissions at Turkish airports[J].Energy,2006,31(2、3):372-384.
[4]刘高恩,王华芳,吕品,等.飞机发动机排气污染物的测量[J].航空动力学报,2003,18(3):348-352.
[5]吴金栋,魏志强,聂润兔.基于远程巡航方式的成本指数计算分析[J].中国民航大学学报,2007(6):15-19.
空气污染状态 篇3
货运列车的钩缓系统由自动车钩、钩尾框、缓冲器、前后从板座和销子组成。车钩的工作端和另一辆匹配车的相同类型车钩相连,车钩的另一端称为钩身, 利用销子与钩尾框连接在一起。缓冲器箱体位于钩尾框的内部,具有76.2mm(3in)的阻尼行程,减小运用中的碰撞和冲击,并将有关力传递给前后从板座。前后从板座与中梁焊接在一起,从而将车钩力传递给车辆主要结构。钩缓系统的布置导致钩尾框承受车辆间的所有拉力。因此,列车前部任何车辆的钩尾框要承受其后整个列车质量产生的拉力。多年来,因燃料价格不断上涨、公路拥塞、成品货物和商品的需求日益增加,与以前相比,越来越多的货物通过铁路进行运输。 这使得每辆车的质量以及列车的整个平均长度也在增加。
随着车辆总重和列车长度的增加,钩尾框承受的拉力也在增加。拉力增大导致钩尾框出现裂纹和失效的频次增加。几十年来,缓冲器钩尾框设计标准一直没有变化,最初设计时考虑的力要小得多。考虑到这些因素,对钩尾框进行应力分析确定其关键部位。除此之外,利用得到的应力曲线,研究出了一种预测这些关键部位在给定载荷谱下的潜在疲劳寿命的方法。
利用有限元分析软件ANSYS来进行应力分析。 该软件具有通过模拟诸如塑性和应变硬化等非线性特性,分析应变超过弹性极限的材料特性的能力。对这些材料特性的成功模拟,允许使用更先进的疲劳寿命分析方法来进行有关分析。
完成上述分析后,给出了钩尾框可能的失效模式, 钩尾框最终失效是一个多步骤过程,尾部区域首先产生裂纹,最后裂纹扩展到侧板导致断裂。
2静态应力分析
现场钩尾框有2种基本失效型式:一种是钩尾框出现断裂,另一种是钩尾框被过度拉伸,卡住缓冲器, 从而使得从钩缓系统拆卸钩尾框困难。
为了确定钩尾框的关键部位,对钩尾框进行了理论性应力分析,并用应变片进行了测量,以了解钩尾框可能出现失效的部位。分析所使用的静载荷工况依据AAR手册M-205[1],包括极限拉伸试验和永久性变形试验。对于极限拉伸试验,钩尾框必须承受最大拉伸载荷408.24t(900kips)而不出现失效。钩尾框在加载到408.24t之前,先进行永久性变形试验。首先是加载到340.2t(750kips),然后卸载到2.27t(5kips) (原始基准)。卸载后,钩尾框的永久性变形不得大于0.76mm(0.03in)。在实验室进行这些试验时(试验装置见图1),基于以前进行的有限元仿真分析,在确定的关键部位粘贴3个应变花,图2标有“X”的地方为应变花位置。
为了验证有限元分析的应力结果,将实测的应变片数据与有限元分析结果进行了对比。按照M-205标准进行试验时,完成永久性变形试验后立即进行极限拉伸试验。由于试验是连续的,图中以任意时间为横坐标。由于静态有限元分析只使用时间作为载荷占位符,为了便于对比,时间为无量纲的。这种类型的分析不需要考虑惯性效应。除了测量应变片数据,还测量了横向和纵向位移(见图1)。
测量的纵向位移是与载荷方向一致的轴向位移。 既然载荷只是拉伸,那么钩尾框就会伸长,就会产生一个正的纵向位移值。钩尾框伸长会引起侧板向内弯曲,从而产生一个负的横向位移值。为了展示侧板在载荷作用下向内凹的特性,10倍比例的位移轮廓见图3。图3显示了钩尾框在拉伸载荷下的夸张变形情况, 在仿真中因钩尾框关于两个面对称,因此只对钩尾框的结构进行了建模。图4显示了整个试验期间位移测试值与理论值的比较。
为了便于比较应变花测试数据与有限元分析仿真结果,将应变花应变结果转换为等效应变。在分析中, 在3个位置粘贴了45°应变花(见图2),每个应变花输出3个应变,分别对应于应变花的3个应变片。这3个应变再转换成3个平面应变εx、εy和εxy[2]。这些方向应变值和根据胡克定律得出的εz[3],使用式(1)转换成主坐标系,生成3个主应变值ε1、ε2和ε3。
为便于比较特定位置的应变,基于式(2),将3个主应变值合成为单个正的等效应变值[4]。式 (2)中: ν′———有效泊松比,为0.4。
转换后,应变花输出值和有限元分析结果中的等效应变值进行对比。图5和图6显示,理论值和测量结果存在很好的相关性。有限元模型中的数值对应于特定的节点,选择的节点位置其空间坐标与应变花的实际粘贴位置非常一致。为了简单明了,只列出钩尾框尾部和圆角应变花位置的应变对比情况。根据现场钩尾框失效或废弃情况,并结合应力分析,可以看出圆角区域(侧板过渡)和尾部是钩尾框失效的两个关键位置。
在侧板过渡到尾端的圆角区域,该位置的应力值超过了材质的屈服强度,在有些局部区域,甚至超过了真实的强度极限。当然,这要取决于如何界定材料失效,钩尾框超过了上述数值的任何一个均可以视为失效部件。由于钩尾框在使用中承受很大的载荷,会造成材料局部屈服,因此超过屈服强度不应作为判断失效的标准。要设计一个钩尾销框在所有可能的载荷下保持弹性是不切实际的。甚至超过材料的强度极限也不一定表示整个部件会断裂,只是在超过强度极限的节点位置会出现局部裂纹。
然而局部裂纹也不排除会引起断裂,即使在圆角相对较小的一个区域应力超过拉伸强度极限,也会导致完全断裂。因为该区域横截面积相对较小,裂纹扩展到整体失效需要的距离小,所以这个位置出现裂纹可导致断裂。假定制造的钩尾框完好(无缺陷、无气孔等),需要施加相当大的载荷才能使其应力超过该极限。图7显示了在453.6t(1 000kips)载荷作用下圆角区域的最大主应力。接近该拉伸载荷时,钩尾框很有可能出现整体断裂。
随着拉伸载荷逐渐增加,侧板过渡区域横截面积的安全系数在逐步降低,显示了横截面积部分正在逐步接近屈服极限[4]。图8从左到右显示了这种进程, 钩尾框逐步加载到340.2t(750kips)。图8显示了在45.4t(100kips)、136.1t(300kips)、272.2t(600 kips)和340.2t载荷作用下横截面积的安全系数。如果安全系数大于3视为理想状态,那么在272.2t载荷作用下,侧板横截面积将有大约一半区域的安全系数低于这个数值。载荷继续增加,安全系数低于该数值的横截面积的百分比也在增加。
对于钩尾框尾部,材料承受的应变很大。随着载荷逐渐施加,尾部材料沿尾端向侧板伸展。该伸展可用显示最大主应力的向量图表示。图9显示了在载荷作用下的拉伸向量(红色)。
材料伸展超过其弹性极限时,就会产生永久非线性变形。这种变形可用材料等效塑性应变图表示。图10显示了屈服材料的等高线图,深蓝色区域表示弹性材料。屈服程度高可导致尾部材料弱化。发生大的塑性变形后,材料不再表现为韧性,钩尾框尾部可能会产生裂纹,使钩尾框承受载荷的能力降低。尾部承载能力降低,可导致侧板过渡区域断裂,因为尾部产生裂纹其刚度会减小。除此之外,尾部变形过大迫使侧板向内弯曲,从而就可能出现卡住缓冲器的情况。
3疲劳寿命评估
了解钩尾框在典型载荷工况下的应力状态,需要进一步分析了解其潜在疲劳寿命。假定现场绝大多数钩尾框失效是由正常载荷循环过程中累积的疲劳损伤引起的,或者是由累积的疲劳损伤与异常的大载荷共同作用引起的,对钩尾框进行了疲劳分析。初步的疲劳分析利用应力寿命分析法分析纯弹性载荷下的潜在寿命。
上面介绍的静态应力分析,有限元分析程序中所采用的材 料特性来 自AAR M-201 E级钢试棒 试验[8]。静态应力分析的目的不是来说明材料特性将最终如何影响钩尾框的应力状态,而只是以常用的方式分析关键区域。初步应力寿命疲劳分析需要使用各种材料曲线。材料参数采用M-201E级钢的各种变量, 但与分析唯一有关的是描述塑性曲线的材料特性。塑性曲线代表材料在超过其屈服极限后的塑性流动情况。该非线性曲线可以用Ramberg-Osgood幂律方程 (3)表示[9]。
式(3)中:εT———总应变;σ———应力;E———弹性模量; K———应变硬化系数;n———应变硬化指数。
由于使用的材料没有K和n的实际数值,因此, 利用从试棒拉伸试验获得的标准材料特性(强度极限、 屈服极限、延伸率、断面收缩 率)来评估应 变硬化数 值[6]。图11显示了模拟的材料塑性曲线,图11还给出了屈服极限和强度极限。根据M-201标准给出的力学特性,潜在强度极限变动相当大,这一点可以通过塑性曲线看出来。
使用AAR M-216[5]标准中的 载荷谱以 及修正Goodman法(MGM)[6]进行初步疲劳分析。由于本规范中的载荷是为钩舌(理论上更弱的部件)设计的,因此产生的应力仍属弹性范围,可以使用应力寿命疲劳分析法进行疲劳分析。获得载荷谱中每个载荷循环下相应的应力值后,使用MGM,利用式(4)计算等效交变应力(Seq)。
式 (4)中:Sa———交变应力;Sm———平均应力; UTS———强度极限。
然后,利用S-N曲线和等效交变应力计算每个应力循环的寿命。假设疲劳破损与顺序无关,于是根据Miner法则[6]累积总的疲劳损伤,随后计算疲劳寿命。
对于本次特定的疲劳分析,钩尾框材料的强度极限从827.4 MPa(120ksi)一直增加 到1 103.2 MPa (160ksi)。由于疲劳寿命与应力值是对数关系,而不是线性关系,因此,应力的微小增加可能导致潜在寿命大幅减少。图12显示了归一化寿命随强度极限增加而增加。可以看出 曲线是非 线性的,强度极限 增加33%,导致潜在寿命增加了94倍。
上述分析说明改变钩尾框的力学特性会使其潜在寿命显著增加。通过提高钩尾框的强度极限,同时保持理想的韧性,运用中钩尾框的潜在疲劳寿命会大大延长。进行应力寿命分析时,注意疲劳寿命是以导致断裂的循环次数表示的。
上述疲劳分析仅考虑了不大于136.1t载荷下的应力值。M-216中的载荷谱不足以准确预测钩尾框的疲劳寿命,原因如下:M-216中的载荷谱是为理论上更弱的部件———钩舌设计的,文献[7]中给出的线路环境事件百分率谱(REPOS)数据显示,载荷超过了136.1 t,自从当初采集REPOS数据以来的最近20年,货车质量一直在增加。于是,利用回归分析为钩尾框开发了一种潜在的载荷谱。为了使该载荷谱和M-216标准一致,也考虑了13个载荷循环。图13显示了修正载荷谱的一般特性,载荷幅值增加时载荷循环次数减少。假设循环次数增加载荷幅值线性降低,用图13显示的回归方程计算每个载荷范围的循环次数。
由于MGM法是一种依赖S-N曲线数据,并且应力需属弹性范围的应力寿命疲劳分析方法,因此,需要更为先进的应变疲劳寿命分析方法。当分析应力值超过屈服极限的载荷循环时,应该考虑在加载过程中可能出现的材料应变硬化或软化,这种材料效应称为包兴格效应[9]。通过第一次载荷循环采用循环应力-应变曲线和所有后续载荷循环采用滞后应力-应变曲线, 可将这种效应纳入拟静态有限元分析中[6]。材料发生应变硬化时,增加同等应力产生的应变值相同。确定循环曲线和滞后曲线的规则与Ramberg-Osgood方程 (3)类似[6]。利用这些材料定律,就可以模拟E级钢材料的应变硬化。图14为一个典型的滞后环,表示某一E级钢材料块的应力-应变曲线。
应变寿命疲劳分析应用的材料参数与静态应力分析相同,外加4个额外的疲劳特性。考虑应变疲劳寿命分析时,特定区域的应力状态决定了用于计及载荷循环平均应力影响的方法选取。纯单轴应力状态应使用Smith-Watson-Topper (SWT)方法[6]。表面表现 为双轴应力状态时,应采用Brown-Morrow (BM)方法。由于表面无面外应力,并且大多数裂纹萌生在表面上,因此三轴应力状态通常不考虑。为了确定一个节点位置的特定应力状态,计算了其双轴指数(BI)[4]。 BI为主应力比值,其值为0表示单轴应力,-1表示纯剪切,1表示纯双轴应力状态。钩尾框尾部受纯拉伸应力,接近于单轴应力,BI指数近似为0。从图9向量图可以看出,其他主应力对拉伸应力向量没有影响。 在圆角半径和侧板过渡区域在更大程度上属双轴应力状态,虽然该区域仍然主要受拉伸应力。圆角区域的最大主应力向量图中可以看到绿色的应力向量,这表明该区域第二主应力是不可忽略的。图15显示了圆角区域的应力向量,BI指数为0.22,表明属于部分双轴应力状态。
既然确定尾部区域处于单轴应力状态,因此使用SWT方法来计算其潜在疲劳寿命。SWT方法使用应力范围(Δε/2)、最大应力(σmax)、弹性模量(E),以及4个材料疲劳常数:疲劳强度系数(σf′)、疲劳强度指数 (b)、疲劳韧性系数(εf′)、疲劳韧性指数(c)。SWT疲劳方程如下:
利用图13整个载荷谱的有限元分析结果,计算出了钩尾框尾部区域的疲劳寿命。表1显示了每个加载段的应变和应力范围,以及每个循环对应的寿命。表1还显示了使用Miner法则得出的累积寿命。对于使用的这个特定的载荷谱来说,尾部区域总的循环次数大约为120万次,或者1 396载荷循环块重复854次。
与钩尾框尾部区域不同,圆角区域更大程度上处于双轴应力状态,因此使用BM方法来计算疲劳寿命。 该方法使用剪切应变范围(Δγ/2)、正应变范围(ΔεN/2)、最大剪切应力(τmax)、最大正应力(σN max),以及SWT方法中的5种材料常数。BM方程如下:
与尾部区域采取的方式类似,计算了圆角区域的疲劳寿命。表2显示了每个加载段的计算疲劳寿命。 利用Miner法则计算出总寿命约为109次循环,或者1 396载荷循环块重复110万次。对于本特定应用,该数值可以视为无限寿命。
基于前面的两个分析,可以得出关于哪个区域将首先出现因疲劳而失效的一些想法。应变疲劳分析中的疲劳寿命是指疲劳裂纹萌生,而不是部件整体失效。 在此理解基础上,在现场一个部件萌生裂纹(达到疲劳寿命)但未失效是可能发生的。假设这种情形确实出现了,并且疲劳裂纹也不会很快地扩展成断裂,疲劳分析表明钩尾框尾部将首先出现裂纹。印证了前面静态应力分析尾部将首先出现裂纹,从而导致尾端刚度下降,进而造成其承载能力下降的结论。由于尾端刚度下降,侧板过渡和圆角区域的应变超过最大值,导致该部位出现次生裂纹。由于裂纹扩展到侧板整体断裂的距离很短,因此,即使尾部先出现疲劳裂纹,但圆角区域裂纹首先扩展至失效。
4结论
基于采集的试验数据和已进行的分析,证明利用FEA软件可准确确定钩尾框的应力和应变。准静态试验数据与计算机仿真之间有很好的相关性,可以准确分析钩尾框的强度极限特性。了解了钩尾框材料对典型载荷的响应,从而可以确定关键部位。根据得出的应力曲线,可以确定侧板过渡区域(圆角)和尾部是最关键的部位。这些位置出现了大的塑性变形,其最大应力值接近材料的强度极限。
钩尾框在使用中出现的两种主要的失效模式是整体断裂和过度拉伸。为了改善现场钩尾框的性能,可改变材料特性使其具有更好的韧性和更高的抗断裂性。增大E级钢的屈服极限和强度极限,不仅可以使钩尾框在更高载荷下保持弹性,而且还会提高断裂出现的应力。如果钩尾框关键部位提高了材料参数,发生失效的可能性就会得到降低。
既然钩尾框在使用中承受循环载荷,那么材料失效模式必须考虑疲劳损伤。确定钩尾框关键位置并计算其应力曲线后,使用各种疲劳方法来预测圆角区域和尾部的潜在寿命。
考虑钩尾框在使用过程中承受的应变类型,对正确确定其疲劳寿命至关重要。在承受纯弹性应变的钩尾框局部区域(节点)(即使在相对较高的载荷下),采用应力寿命疲劳分析(如MGM)是最适用的。然而, 钩尾框特定节点在高载荷下将承受塑性应变,此时就要考虑使用更先进的分析技术。这种非线性导致在载荷循环过程中出现滞后现象,材料随后发生应变硬化或软化。 在这些节 点上和处 于这些载 荷工况下, MGM法不能准确确定钩尾框疲劳寿命,这种情形下需要使用应变寿命疲劳分析。
准确确定钩尾框疲劳寿命的另一个重要因素是要知道何种载荷谱能准确代表钩尾框在使用过程中承受的载荷。分析钩舌有可用的经验数据,但是,钩尾框设计要求更加坚固、疲劳寿命更长,因此,这些经验数据需要修正后才能使用。为了给钩尾框疲劳分析开发一种更合适的载荷谱,对M-216标准中钩舌载荷谱进行回归分析,开发了一种更大的载荷谱,更好地代表了钩尾框在使用中承受的载荷。
对于钩尾框的关键部位,在进行应变寿命疲劳分析之前需要确定其应力状态。利用BI指数来确定应力状态是单轴、双轴、剪切或这些状态的组合。根据应力状态,使用不同的疲劳分析技术来准确确定部件的寿命。使用有限元分析仿真中的主应力向量分析,确定钩尾框尾部处于纯拉伸 (单轴)应力状态,BI指数为0。对于单轴应力状态,SWT方法能最准确地确定疲劳损伤。相反,钩尾框过渡圆角为部分双轴应力状态,BI指数为0.22。该双轴性确定了要使用BM方法来分析其疲劳寿命。
利用前面所述的疲劳计算方法以及Miner法则, 确定了钩尾框各关键位置的累积疲劳寿命。对于圆角区域,钩尾框的总预期寿命为109次循环,或者载荷块重复110万次。对于本次特定分析,该寿命可视为无限寿命。与之相比,钩尾框尾部的预期寿命为120万次循环,或者载荷块重复854次。根据该疲劳分析,很显然,钩尾框的尾部是最关键的部位。
空气污染状态 篇4
关键词：隧道施工,柴油车尾气,颗粒物,碳烟,施工通风
研究施工作业环境是隧道施工的基础性工作, 其直接影响隧道施工通风的布设、施工质量、施工安全、施工效率、工人健康、机械设备选型等。特别是在超过3 km独头通风隧道区段内, 施工最大的制约条件就是通风的供给程度, 其能力决定了隧道掘进最大区段的长度、辅助坑道的布设、掌子面的掘进速度等。
施工隧道的空气中, 因人工作业产生的有害物质包括炮烟、粉尘、机动车尾气颗粒物 (碳烟) 、机械运转对润滑剂加热产生的气体、运输产生的二次扬尘等, 此类属于间接有害气体;直接有害气体为岩体内涌出或挥发出来的气体, 如瓦斯、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物等。这些气体形成了隧道施工环境中的空气环境。
目前隧道施工通风掌子面内的用风量是根据吹散各种有害气体、吹散粉尘等颗粒物、机械用风量或人员需风量中的最大值来确定的, 一般是把半小时之内吹散炮烟的需风量作为掌子面内的最大供风量。
但随着洞内施工机械化的提高, 以柴油机为动力的机械大量增加, 这种情况已比过去制定施工通风标准时的洞内柴油机总功率提高数倍。洞内同时运转的柴油机最大功率的合计已由原来的100 k W递增到300 k W左右, 因此, 柴油机尾气对隧道施工环境的影响已不可忽视。
目前, 业内对柴油机尾气颗粒物危害已有了广泛认识。国内外相关机构对城市空气环境、室内空气环境和施工作业空气环境进行研究后, 最终将危害物都指向了柴油机尾气中的颗粒物, 以及可吸入性颗粒物PM10、PM2.5。现有文献都只是对运营隧道进行车辆尾气分析, 近年来, 相关文献中没有对大量特长隧道施工中的气体污染状况进行过系统研究, 在隧道施工中出现烟气缭绕、能见度降低、施工人员呼吸困难等问题后, 仅能以更换通风方式或增设通风辅助坑道来对以上情况进行改善, 针对施工隧道这种半封闭的空间内以柴油机为动力机械的作业环境, 有必要对这类专项有害物质的分布和处理进行系统研究。
1 掌子面内间接有害气体及其颗粒物的分布状况
在隧道施工中, 人员主要集中在掘进掌子面至二衬浇筑工作面之间, 施工机械也主要集中在该范围内, 运输车辆则活动于成洞段。
在一个循环施工中, 会有多种施工作业工序, 依据目前国内施工状况, 施工产生的间接气体的排放状况如图1、表1所示。
由表1可知: (1) 粉尘伴随着整个施工工序; (2) 柴油车尾气颗粒物从放炮工序以后就一直伴随着之后的工序, 时间长达9~11 h; (3) 柴油车尾气颗粒物浓度最高的工序是装载和破碎岩石阶段; (4) 初支阶段以喷射混凝土中的粉尘为主, 柴油车参与的工作较少, 尾气排放量很少; (5) 工人在掌子面内长期吸入的有害颗粒物有3种, 即粉尘、碳烟和焊接烟尘。
掌子面内可接触的污染物:粉尘、碳烟和电焊烟尘, 形成了混合性粉尘。在装砟、破碎岩石阶段, 碳烟的浓度要高于矿物质粉尘, 特别是在地下水发育的掌子面内, 基本被碳烟全部充斥。成洞段内则漂浮着炮烟、粉尘、柴油车尾气、焊烟、路面二次扬尘等混合型污染气体。
粉尘是指游离二氧化硅含量超过10%的无机性粉尘 (矽尘) [2], 掌子面内这类由矿物质组成的粉尘属于无机粉尘, 有时也包括煤尘, 直径大小集中在PM100左右, 亦属于工人触尘范围, 而长期漂浮在空间内的粉尘直径小于PM10。
注:参数取自Ⅳ级围岩, 开挖断面积为110 m3左右。
柴油车尾气颗粒物 (碳烟) 一般由高度凝聚的固态含碳物质、灰分、硫化物、挥发性有机物 (VOC) 等组成[1]。其中固态炭是由有机碳和元素碳 (OC/EC) 组成, 属于有机性粉尘, 粉尘的直径集中在PM100左右。
2 隧道内柴油车尾气颗粒物组成分析
随着隧道施工机械化程度的提高, 洞内大量使用柴油内燃机设备, 尤其是钻爆法掘进和无轨运输的施工隧道, 其内配备多辆大、中型自卸式柴油运输车、轮式装载机、履带式挖掘机、岩石破碎机、大口径钻孔机, 甚至还有钻爆开挖成套机组、钢架架设机、多臂钻孔机、柴油动力的空气压缩机等。这些机械以柴油为动力, 每台机械的功率基本与地面上的中型柴油车相当。
这类机械、车辆的尾气直接排放到半封闭状态下的隧道空间内, 形成柴油机尾气极端漂浮、充斥状态。在隧道整个施工工序中, 除了吹淡炮烟的0.5 h内没有柴油机排放尾气外, 其他阶段都可能排放。因此柴油机尾气颗粒物 (碳烟) 在隧道中的研究是很重要的。
2.1 柴油机尾气颗粒物 (碳烟) 排放程度
随着人们对大气环境的重视, 已经开始认识到机动车尾气中颗粒在环境污染中所占的比例。相较汽油车而言, 柴油车颗粒物排放因子高, 其颗粒物排放总量高[1]。重型柴油车尾气排放颗粒物的排放因子是轻型汽油车的20~40倍, 是中型和重型汽油车的5~7倍;重型柴油车尾气排放颗粒物的排放量占总机动车尾气颗粒排放量的36%~51%。1999年机动车尾气排放的PM10中50%以上来自于重型柴油车[3]。另据中科院地球环境研究所目前的研究统计, 重型柴油车尾气排放颗粒物的排放因子是轻型汽油车的100倍, 一辆重型柴油车尾气颗粒物每年的排放总量是该车重量的数倍。另外中国单车排放量高, 是美国同类型在用车排放因子的8~10倍[5]。机动车尾气排放颗粒物较大部分来自于柴油车尤其是重型柴油车。因运输活动造成的空气污染中, 柴油车是污染的重要来源。
国内隧道施工中绝大部分采用的是国内产的以柴油为动力的车辆, 大量带有颗粒物的尾气排放到掌子面附近, 洞内颗粒物污染是地面污染的集中表现, 污染程度相比其他工业活动, 是最极端表现之一。
2.2 国内外对碳烟和粉尘的规定值
隧道内粉尘及主要碳烟浓度允许值的规定如表2所示。
国际和国内标准对粉尘和碳烟的最大允许值作了不同的规定, 将这两类颗粒物视为两种不同的控制因子。粉尘是无机物, 碳烟由有机物组成;碳烟和焊接烟尘允许浓度是粉尘的数倍, 也就造成了人们对碳烟和焊烟的不重视。
2.3 柴油机尾气颗粒物的组成
国内外对柴油机尾气颗粒物的成分做过多次测试, 得出了不同的结果如表3所示。
关于柴油机尾气中的颗粒物的生成和排出, 各国已做了很多研究工作, 但由于柴油机的不均匀燃烧, 以及油质、功率状况和测试方式的不同, 至今结果尚无统一说法[6]。但测量结果都表明柴油机尾气中的颗粒物是以碳为主的颗粒物 (PM) 和氮氧化物NOX组成的碳烟, 约占总排放量的85%左右。另外, 隧道中的柴油车大多是在重载或瞬时加速用力状态中, 尾气颗粒物的排放量随即提高, 可判断国内隧道内的柴油车尾气颗粒物排放量约占93%以上。柴油机排出的颗粒物直径非常小, 通常颗粒直径范围在20~500 nm, 大部分集中在100 nm, 即PM100。
2.4 焊接烟尘颗粒物的组成[7]
焊接烟尘由2~0.5μm的球状颗粒集聚而成, 而且这些球状颗粒物一直在空气中浮游, 一般小于1μm的尘粒占50%以上 (重量百分比) 。
焊接烟尘是一种十分复杂的物质, 已在烟尘中发现的元素超过20种。其中, 氧化铁一般占烟尘总量的35%~56%。其次是SiO2, 其含量占10%~20%。Mn O占5%~20%左右。
2.5 粉尘颗粒物的组成
隧道内因开挖、扬尘引起的悬浮微粒物是指硐室内粒径小于100μm的矿物质悬浮微粒。具体成分与开挖岩性有关, 属于无机粉尘, 如石英、氧化铝、滑石粉、煤粉、钙质、硅质化合物等, 这类粉尘由多种成分组成, 属于混合型粉尘。
3 掌子面内的粉尘危害性
上述3种粉尘颗粒物大小均集中在PM100或者更小, 处于对人体危险的粒径内。其危害如下: (1) PM10~PM50之间的颗粒物可造成矽肺病, PM10以下颗粒物可造成肺癌、心脑血管疾病、癌症等; (2) 碳黑对光的强吸收效应, 使得掌子面工作范围内能见度降低; (3) 施工人员吸入大量粉尘感到身体不适, 影响施工作业, 从而降低作业效率。
4 修订施工通风需风量确定原则的建议
施工通风设计中, 将各种需风因子计算后, 取最大需风量作为施工通风用风量的控制值。在施工机械较少的情况下, 一般都是以吹淡炮烟浓度这一指标作为控制施工通风的需风量。当未来大型施工机械参与隧道施工时, 吹散柴油车尾气会作为控制指标, 需风量会成倍增加, 施工通风增加的费用和隧道各辅助坑道位置及形式, 均会发生很大的变化。
另外, 炮烟高浓度存在状况相对时间较短, 并通过0.5 h通风降低炮烟浓度, 掌子面内处于无人触尘、触毒状态。随着洞内人员的作业和柴油机械的大量使用, 碳烟和粉尘成为洞内人员接触的主要污染物, 并且一直伴随作业人员全过程, 浓度远高于残存的炮烟有害物质。
所以说, 单纯依靠施工通风将粉尘和碳烟的浓度降低到规定的范围内并排出掌子面或隧道是不经济的。另外掌子面内及隧道内的风速是缓慢的, 特别是大断面内风速就更无显现。而粉尘、碳烟和焊烟又是脉冲式排放, 所以浓度总是超标, 碳烟就弥漫在掌子面附近。而漂浮至成洞段过程中沉降后的颗粒物被运输车辆二次扬起, 因此隧道会出现掌子面碳烟弥漫、成洞段粉尘漂浮的现象。在长大独头区段内, 将污染气体通过通风方式全部排出洞外是不经济的。
鉴于上述对隧道施工中掌子面内空气中有害物质的分布状况及其颗粒物大小的研究, 可将洞内施工排放气体分为可稀释排出的污染气体和洞内降尘的污染气体。
因此建议施工通风原则可修正为:确定洞内气体中的有害物质种类, 依据不可在洞内处理、降解、收集的污染气体来确定施工通风的需风量。
区分隧道掌子面内气体中的有害物质和颗粒物的时间差问题, 炮烟或者岩体内散发出的直接气体无法在洞内被收集, 只能稀释;碳烟被稀释不经济, 但可以被收集。
确定需风量的主要因素如下:炮烟、瓦斯 (油气等) 、温度 (热交换) 、湿度、粉尘、碳烟。其中炮烟和瓦斯必须靠通风来稀释。具体处理方式如表4所示。
5 洞内可降尘的污染气体的处理方法
施工隧道内污染空气分布状况研究的目的如下: (1) 改善隧道内的环境, 减少通风所需风量, 明确长管路压入式通风的使用范畴; (2) 减轻施工隧道排气对隧道洞外大气环境的污染; (3) 区分空气污染物的处理方法。
洞内降尘的处理方式很多, 有静电除尘、生化除尘等。最简单经济有效的除尘方法是喷雾, 其设备简单, 效果显著, 设备移动性强, 可多点布设。可在较短的时间内将空间内的漂浮颗粒物浓度降低95%。
喷雾除尘用于两个段落:一是成洞段, 二是掌子面内。
成洞段内为了压灰, 防止其变成二次扬尘 (飞灰) , 可选择实心锥形喷嘴, 在大多数情况下就可以压住大部分的灰尘, 同时又不过多增加水。水压力通常选用0.15~0.3 MPa即可。喷洒方式为流动性多次喷洒。
掌子面内的粉尘为飞灰, 需要将其从空气或烟气中淋湿、捕捉、分离。需要考虑的因素包括: (1) 粉尘颗粒与喷雾颗粒的比值; (2) 喷雾压力; (3) 喷嘴类型和流量; (4) 喷嘴的个数和安装位置。在喷雾除尘中, 掌子面内粉尘颗粒的大小通过上述分析, 集中在PM100左右, 要求的喷雾颗粒必须是粉尘颗粒约5~10倍;更大的粉尘颗粒要求的喷雾颗粒接近其大小。建议向水中加增湿剂, 可以提高其除尘效果。喷洒方式为低压力、慢雾状, 需要喷雾装置风力助推扬起, 使整个掌子面内充斥水汽。
在开挖面积120 m2的掌子面内可布设2台喷雾设备。
一般洒水可以压灰, 但当粉尘颗粒小于75μm时, 洒水的压灰效率很低, 只有1/3 000, 也就是洒水3 000份, 仅能压住1份灰。所以在隧道施工中不建议适用洒水工艺降尘、压尘。因此喷雾设备应成为隧道施工常备设备。
6 结语
本文研究表明柴油车尾气漂浮物和粉尘是隧道内最主要的接触污染物。钻爆法施工隧道时施工人员全程接触的柴油机尾气、粉尘和焊接碳烟颗粒物可通过洞内喷雾、洒水将其浓度降低到95%, 随着柴油机大量在洞内使用, 无需将以上3个污染气体作为需风量的控制因素。
参考文献
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[2]GBZ1—2010工业企业设计卫生标准[S].
[3]刘坚, 赵震, 徐春明.柴油车排放碳黑颗粒消除催化剂的研究进展[J].催化学报, 2004, 25 (8) :673-680.
[4]贺泓, 翁端, 资新运.柴油车尾气排放污染控制技术综述[J].环境科学, 2007, 28 (6) :1169-1177.
[5]Ballesteros R, Hermandez J.J, Lyons L.L.Determination of PAHs in diesel particulate matter using thermal extraction and solid phase micro-extraction[J].Atmospheric Environment2009, 46 (3) :655-662.
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