样机设计（精选12篇）
样机设计 篇1
1 概述
钻井过程是一个重复性高、劳动强度大、危险系数高的过程, 尤其在海上钻井作业, 常遇到风浪等恶劣等情况, 安全问题尤为突出。据2005年国际钻井承包商协会统计, 30%~52%的伤亡事故发生在起下钻过程中, 并因此耽误了大量的钻井时间[1]。利用钻柱自动化排放装置, 可节省起下钻时间25%, 1h可以起下55根钻柱[2,3]。同时, 海上钻井成本很高, 加快钻井速度, 缩短钻井周期显得尤为重要, 因此钻杆自动化排放系统发挥着重要作用[4]。
自动化钻杆操作系统根据其所处理管具的空间位置可分为:水平型钻杆自动排放系统、水平/垂直混合型钻杆自动排放系统和垂直型钻杆自动排放系统[5,6]。其中, 水平钻杆操作系统主要作用是在钻台和甲板之间进行钻杆和其他管具的传送。水平/垂直混合型钻杆自动排放系统主要作用是将在其下方水平放置的钻杆提起并转换至垂直状态, 或将钻台上处于垂直状态的钻杆转换至水平位置并下放到钻杆传送设备上。目前比较典型的水平/垂直钻杆转换系统有Varco公司的V-Door Machine、Stand Hand II、Pipe Laydown System以及MH公司的Eagle/Eagle Light等[7]。垂直钻杆操作系统功能是在井口与立根盒之间移送钻杆立根、钻杆单根连接成立根等操作。
2 海洋平台二层台立根排放试验装置结构总体设计
海洋平台二层台立根排放试验装置的总体结构图如图1所示。根据实际功能并运用相似原理, 设计了1∶5的二层台立根排放装置模型样机, 包括上夹持机构系统和下夹持机构系统两部分, 其中上夹持机构系统由上部移动梭车、上部机械臂和上夹持机构组成, 下夹持机构系统由下部移动梭车、下部机械臂和下夹持机构组成。
上夹持机构安装在上部机械臂下部, 用于夹紧钻杆立根, 上部机械臂固定在移动梭车上, 可以实现旋转运动和上夹持机构的升降运动, 下夹持机构安装在下部机械臂上部, 用于夹持杆立根, 下部机械臂固定在移动梭车上, 可以实现旋转运动和下夹持机构的伸展运动, 移动梭车安装在移动导轨上, 可沿导轨产生纵向移动。
3 海洋平台二层台立根排放试验装置的各机构结构设计
立根排放试验装置上夹持机构系统由上部移动梭车、上部机械臂和上夹持机构组成, 下夹持机构系统由下部移动梭车、下部机械臂和下夹持机构组成。
上部移动梭车主要用于实现上夹持机构系统的纵向移动和横向移动, 并与上部机械臂组合使用, 实现上部机械手的旋转运动, 其主要由纵梁、纵向导轨、纵向齿条、横梁、横向导轨、横向齿条、上部连接架、移动梭车、回转支撑轴承、齿轮、伺服电机和减速器等组成, 如图2所示
上部机械臂主要用于在抓取或释放钻杆立根后提升或下落上夹持机构, 并在工作过程中由回转支撑轴承带动, 实现上夹持机构的旋转运动, 其主要由内机械臂、外机械臂、无油润滑轴承块和提升电动缸等组成。上夹持机构主要用于夹紧钻杆立根, 从而带动钻杆立根运移, 其主要由安装座、连接板、耳板、夹板、橡胶块和夹紧电动缸等组成。
下部移动梭车主要用于实现下夹持机构系统的纵向移动并与下部机械臂组合使用, 实现下部机械手的旋转运动, 其主要由下部纵梁、下部纵向导轨、下部纵向齿条、下部移动梭车、回转支撑轴承、齿轮、伺服电机和减速器等组成, 如图3所示。
下部机械臂主要用于扩展或缩小下夹持机构的旋转半径, 并维持下夹持机构在工作过程中一直处于水平状态, 除此之外, 在工作过程中由回转支撑轴承带动, 实现下夹持机构的旋转运动, 其主要由机械臂、伸展电动缸、水平电动缸、耳座和法兰盘等组成。
下夹持机构主要用于约束钻杆立根在工作过程中运动轨迹, 以保证钻杆立根在工作过程中一直处于竖直状态, 其主要由安装座、连接板、耳板、夹板和电动推杆等组成。
1-下部纵向导轨;2-下部纵梁;3-下部纵向齿条;4-齿轮;5-减速器;6-伺服电机;7-回转支撑轴承;8-下部移动梭车
4 结论
通过对国内外钻杆排放装置的现状和关键技术进行研究, 设计了一种海洋平台二层台立根排放试验装置。根据实际工作要求和任务要求, 选取电力驱动并控制钻柱自动化排放的整个过程, 对海洋平台二层台立根排放试验装置进行了机械系统和控制系统方案设计。
通过理论计算, 对机械元件进行选型, 完成机械系统的总体方案设计, 并完成了自动排管装置上部机械手、上部梭车、下部机械手和下部锁梭车的结构设计。
摘要：通过对国内外钻杆排放装置的结构和关键技术进行研究, 设计了一种海洋平台二层台立根排放试验装置, 完成了机械系统的总体方案和各部件的结构设计。
关键词：钻井技术,立根排放,模型样机,自动控制
参考文献
[1]Richard D.The next major step in total hands-free pipe handling-No derrickman in the derrick racking and unracking pipe[J].IADC/SPE Drilling Conference, 2007 (2) :405-408.
[2]Reid D.Development of automated drilling rigs[J].IADC/SPE Drilling Conference, 1998:695-710.
[3]敖沛.国外石油钻机新技术[J].石油机械, 2004, 32 (4) :50-51.
[4]刘文庆, 崔学政, 张富强.钻杆自动排放系统的发展及典型结构[J].石油矿场机械, 2007, 36 (11) :74-77.
[5]姜鸣, 曹言悌, 周声强.陆地钻机钻杆自动排放系统的设计方案[J].石油机械, 2008, 36 (8) :95-98.
[6]沙永柏, 朱吉良, 李志东, 等.钻杆自动化操作系统的典型结构[J].机械制造, 2011, 49 (562) :60-62.
[7]张艳敏, 崔学政, 杜永彬.水平_垂直钻杆自动操作系统及设计方案[J].石油矿场机械, 2011, 40 (3) :23-27.
样机设计 篇2
2015年 03 月 16日 虚拟样机
1.1 虚拟样机的定义
虚拟样机技术就是用来代替真实的物理样机(模型)的技术。在常规的产品开发过程中,物理样机模型是用来验证设计思想,选择设计产品,测试产品的可制造性和展示产品的。虚拟样机要替代物理样机,首先至少要具备上述功能。这样看来,虚拟样机应该可以用来测试产品的外形和行为,并且可以用来进行一系列的研究。另外,物理样机可以使人对一个产品有一种感观的评价,如颜色、外形、美学特性、触觉和舒适性等。要替代物理样机的这些特性,人和产品的交互应该包含在虚拟样机技术里。（定义：虚拟样机就是用来代替物理产品的计算机数字模型,它可以像真实的物理模型一样,用来对所关心的产品的全寿命周期,如设计、制造、服务、循环利用等,进行展示、分析和测试。这种构造和使用虚拟样机的技术就叫虚拟样机技术。）
1.2虚拟样机的组成
一个虚拟样机应该至少包括以下3种类型的模型：一个三维实体模型、一个人产品的交互模型、与产品的测试相关的可视化模型。
虚拟样机技术的系统结构如图1所示。从图1可以看出,为了显示、分析和测试一个产品,建立了一系列相关的模型。用户接口作为一个核心的组成部分,通过它可以有效地控制模型,还可以从它那里得到系统的一些重要信息。对于一个具体的应用实例来说,由于具体的应用目的不同,其系统结构可能有一些区别。
1.3虚拟样机的优缺点
1.3.1优点: ①减少了设计费用。②可以辅助物理样机进行设计验证和测试。③可以减少产品开发过程中所需的时间,使产品尽快上市。④可以在相同的时间内“试验”更多的设计方案,这是物理样机无法比拟的。⑤可以减少产品开发后期的设计更改,进而使得整个产品的开发周期最小化。⑥与常规的仿真相比,它涉及的设计领域广,考虑也比较周全,因而可以提高产品的质量。⑦由于虚拟样机技术支持并行设计,使得设计小组之间的沟通变得便捷。1.3.2缺点：
①虚拟样机技术复杂应用难度大，例如复杂产品涉及的学科领域多，开发过程复杂，涉及团队、管理、技术诸多要素的集成和优化，涉及信息流、工作流、物流的集成和优化。②限制虚拟样机发展的因素，有些技术本身的不成熟，方法的不完善，限制了虚拟样机的发展。例如有限元方法是利用离散的简单图形去逼近实际的连续域，图像处理中的延迟时间、数值计算中得到的近似解，等等这些方法上的不精确，会影响最终结果的精确性。③虚拟样机无法完全取代物理样机，在复杂产品的开发中，虚拟样机技术能够为产品开发提供技术支持，但不能取代物理样机，而是应与物理样机相结合，虚拟样机的分析结果可以指导物理样机的制造，物理样机的试验数据可以指导虚拟样机模型的修改，两者相互结合可有效的缩短 开发周期，提高开发效率。
1.4结论
产品竞争的日益激烈，要求制造业在方法上进行革新，虚拟样机技术为制造技术的革新提供了新的设计方法，并已在制造业中发挥了不可忽视的作用，虚拟样机技术的优势使其日益受到机械领域的重视，虚拟样机技术的合理应用，将大大提高我国的制造水平。
2数字化设计制造
2.1数字化设计与制造的定义
数字化设计与制造是指利用数字化技术完成产品设计和制造的全过程,包括产品的三维(3D)设计、虚拟装配、仿真、虚拟制造、虚拟检测和通过数字化机床加工出实际产品。它是先进制造技术的核心技术。
2.2数字化设计制造的组成
数字化设计与制造主要包括用于企业的计算机辅助设计（CAD）、制造（CAM）、工艺设计（CAPP）、工程分析（CAE）、产品数据管理（PDM）等内容。其数字化设计的内涵是支持企业的产品开发全过程、支持企业的产品创新设计、支持产品相关数据管理、支持企业产品开发流程的控制与优化等，归纳起来就是产品建模是基础，优化设计是主体，数控技术是工具，数据管理是核心。它们之间的关系见图1所示。
由于通过CAM及其与CAD等集成技术与工具的研究，在产品加工方面逐渐得到解决，具体是制造状态与过程的数字化描述、非符号化制造知识的表述、制造信息的可靠获取与传递、制造信息的定量化、质量、分类与评价的确定以及生产过程的全面数字化控制等关键技术得到了解决，促使数字制造技术得以迅速发展，这些关键技术之间具体关系见图2所示。
2.3应用
三维数字化设计制造主要包括三维数字化设计、维数字化工艺和三维数字化检测等。三维数字化设计指工程技术人员以三维模型为核心来完成产品设计过程中的各项工作!如零件设计、装配设计、工程分析等。以达到提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品成本的目的、传统的产品设计是基于物理样机试验验证为主的产品设计方法。
二维和三维并行的设计制造模式向全三维的设计制造模式的转变，以数字量为主、以模拟量为辅的协调工作法（(或者模拟量为主、数字量为辅的协调工作法)向全 数字量传递的协调工作法的转变），真正并行和协同的实现。
2.4结论
先进的三维数字化设计制造技术己成为国外军工产品研制中不可或缺的手段，并推动了军工产品研制模式发生重大变革。国内军工企业也提出了全三维设计、三维到工艺、三维到设备的三步走战略。实施三维数字化设计制造不仅是用三维模型取代大量的二维三维转换，而是要通过设计与工艺协同以及大量的建模与仿真技术，达到大幅提升产品设计和工艺设计能力的目的。目前国内企业实施三维数字化设计制造技术过程中，有些企业把三维装配工艺仿真片而理解为三维装配工艺，有的企业过于强调三维模型下车间、强调三维工艺必须是以三维为主的工艺规程，没有认识到三维数字化设计制造技术带来的研制模式和研制流程的变革，以及三维数字化设计制造技术带来的从传统的以经验为主的设计模式向基于建模和仿真的科学设计模式的重大转变。
3产品全生命周期管理
3.1定义
代竞争不仅表现在终端的有形产品上,而且扩展到包括服务等各个领域,因而人们越来越关注产品设计、制造及服务等的各个方面,即产品全生命周期的各个阶段。产品全生命周期的内涵随着管理技术与开发技术的不断发展而不断扩展。目前国内外研究人员普遍认为,广义的产品全生命周期是指产品从市场需求分析、工程设计、制造装配、包装运输、营销、使用到报废的整个生命过程,是从产品整个生命周期内质量及可靠性、价值链等角度出发提出的,产品的生命周期框图见图1。
3.2组成
任何工业企业的产品生命周期都是由产品定义、产品生产和运作支持这三个基本的紧密交织在一起的生命周期组成。
(1)产品定义生命周期
该阶段开始于最初的客户需求和产品概念, 结束于产品报废和现场服务支持, 产品定义作为企业知识财富, 定义产品是如何设计、制造、操作和服务等信息的。
(2)产品生产生命周期
该阶段主要是发布产品, 包括与生产和销售产品相关的活动。ERP 系统是企业在该阶段的主要应用。该周期包括如何生产、制造、管理库存和运输, 其管理对象是物理意义上的产品。
(3)运作支持生命周期
该阶段主要是对企业运作所需的基础设施、人力、财务和(制造)资源等进行统一监控和调配。
3.3PLM的作用
P LM 核心功能可为用户提供数据存储、获取和管理的功能。不同的用户使用不同的功能集合。这些功能包括：
(1)数据存储
P LM 将通过建立一个单一的数据逻辑视图, 提供一种安全、透明、一致的数据存取机制, 而不论数据在物理上分布在什么地方。数据存储与管理将具备基本的数据检入/检出、发布管理、元数据管理和一致性维护等功能。(2)工作流管理
它可以使设计人员跟踪整个产品的开发过程, 包括设计活动、设计概念、设计思路和设计变更等, 将数据和信息发送给商业过程执行中相关的用户、组或角色, 支持业务流程的自动化。
(3)结构管理
它支持产品配置和BOM 表的创建与管理, 并能跟踪产品配置的变化, 跟踪其版本和设计变形。同时, 产品配置管理也需要按照不同的领域需求生成专门的产品定义视图。
(4)分类管理
它允许相似的或标准的零件、过程及其他设计信息, 按照公共的属性进行分组和检索, 提高数据的标准化程度, 支持设计的重用。
(5)计划 管 理
通 过 项 目工 作 分 解结 构(WBS), 定义项目所包含的活动和资源, 进行规划、跟踪和管理。
典型应用：(1)变更管理
(2)配置管理(3)工作台(4)文档管理(5)项目管理(6)产品协同(7)产品构型
3.4发展趋势
目前，PLM 的研究正在从基本概念、体系扩展到面向企业生命周期整体解决方案的技术和实施方法上, 希望为企业提供支持产品全生命周期协同运作的支撑环境和功能、提供标准化的实现技术和实施方法。因此, 与整体解决方案相关的技术和应用,将成为 PLM近阶段的研究重点, 主要包括企业基础信息框架、统一产品模型、单一数据源、基于 Web的产品入口, 以及 PLM 标准与规范体系。P LM 是近几年在工业领域得到大力推广应用的 IT 技术之一, 也是增长最快的 IT 应用系统, 其技术和产品都取得了巨大的发展。然而, 实现产品生命周期管理是所有以产品为核心的制造企业的一个长期战略目标, 其内容和程度根据企业的具体需求可以不断地改变和提高。它不是一个通过一次性的投入就可以完成的项目。因此对于一个企业, 必须制定自己的产品生命周期管理战略和目标。与传统的工具软件相比, PLM 最复杂和最困难的一点在于实施。成功的 PLM 系统一定是技术、人员和管理方法的成功结合, 用户一定要注意根据自己的需求和公司未来的发展战略, 选择合适的 PLM 产品和技术。本文的目的就是希望通过对 PLM 基本概念的介绍, 使用户对 PLM 的定义、内涵、地位和作用, 及其基本的技术体系有一个正确的认识, 以辅助企业制定和实施其产品生命周期管理战略。参考文献
样机设计 篇3
随着车用动力强化水平的提高和装备对高可靠性动力产品的需求，高性能、高紧凑和高可靠之间的矛盾越来越突出。运用总体设计理论与方法（包括集成方法、仿真模拟方法和综合比较方法等），将柴油机作为若干分系统有机结合的整体来设计，顶层规划、系统覆盖、综合协调、折衷权衡和反复迭代，以求得总体最优方案。总体设计过程集中体现在解决先进技术应用与工程实现的矛盾，采用先进方法及其支撑技术，改进产品结构、增加对产品性能的了解，使得其产品获得最短的开发周期、最低的成本和最高的性能。数字样机的创建是一个自上而下全相关的总体设计。
柴油机使用以知识工程为依托、CAD/ CAE集成技术为基础、多种学科技术为手段的基于数字样机技术的现代产品设计方法，制定完善的现代流程和规范方法，进行柴油机曲轴、连杆、凸轮轴、机体和气缸盖等关键件的结构优化设计以及进排气、冷却和润滑等系统的优化匹配，在建立物理样机前通过对数字模型进行仿真、分析和产品优化，提前进行产品性能的预测和评估，减少物理样机阶段的研究工作，节省了研制时间和费用，提高了柴油机产品的质量和可靠性，完成了从依靠个人“经验设计”到基于企业核心能力“预测设计”的转变，使车用动力的研发逐步向“一次成功”方向发展。
二、数字样机技术
数字样机技术是以 CAX（以计算机为辅助手段的各种技术）/DFX（面向产品生命周期各环节的设计）技术为基础，以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，融合三维图形处理和造型技术、多领域仿真技术以及虚拟现实技术，将产品设计开发和分析过程集成在一起，使产品的设计者、制造者和使用者在产品的早期可以直观形象地对数字化产品原型进行设计优化、性能测试、制造仿真和使用仿真，为产品的研发提供全新的数字化设计方法。
数字样机技术的研究核心是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的动力学和运动学分析，运动学着重于分析产品机构的可动性和运动轨迹，通过动力学分析获得产品机构在运动过程中各运动副的动反力是强度分析的基础。完整的柴油机数字样机是最终产品的真实数字仿真，可进行工程分析、优化，确定最佳设计结构和参数值，获得最佳综合性能。
（1）运动分析。验证曲轴连杆机构、传动机构和配气机构在空间运动过程中物理位置的准确性，分析各机构运动过程中的运动间隙，运动协调性等，对运动过程中几何元素或运动质点的位移、速度和加速度等进行数值分析。
（2）性能参数匹配分析。结合试验数据，利用数字化分析工具，开展柴油机工作过程中各性能参数的匹配分析，进行进排气、冷却、润滑和供油等子系统的参数匹配。
（3）空间结构分析。实施干涉检查、间隙检查、关键截面分析和测量空间分析，使设计者能够直观地了解到样机中存在的问题，如通过设定柴油机各零部件的热物理参数，计算柴油机不同状态下的间隙变化。
（4）装配分析。按照物理样机的装配工艺、工装，模拟其装配过程，动态检测零件及其装配工装在装配和拆检过程中是否干涉，并分析装配间隙；分析柴油机整机的结构及其在装配过程中的空间要求，验证装配顺序、装配路径，为定义、预测和分析零件加工公差、技术要求提供数据支撑；确认部件、组装过程中各零件的装配顺序和位置保证的优先级等，并提出关键要素和措施的保证手段和检验准则；模拟柴油机部件级整机安装及拆卸过程，减少因设计考虑欠缺造成的改进或返工；按照物理样机维护、测试要求，模拟其维修、测试过程。
（5）工艺性评估。评估数字样机构建工艺性，包括样机在台架的协调、面向制造的设计（Design forManufacturing，DFM）、面向装配的设计（Design forAssembly，DFA）和容差分析等。
（6）设计优化。考虑零部件制造方法、材料属性，进行以下几方面的设计优化：通过刚强度分析、流场分析、温度场分析、疲劳寿命分析等对零部件、子系统的内部结构、重量和外形进行优化；通过运动学、动力学分析对运动机构运动行为进行分析，优化运动件的重量、形状及负荷；在装配分析的基础上给出优化的装配顺序、装配路径，提高装配效率和人机有效性，改善维修性和测试性。
（7）制造分析和数字化制造。按照相关规范建立柴油机零部件模型，使模型包含完整的、与实物零部件一致的制造过程信息，支持以下几方面的制造分析和制造：零部件模型在数字化制造过程中的直接使用，如几何形状、形位公差检查、模具制造和加工尺寸提取等；零部件制造 CAM仿真及制造过程优化、工艺 CAPP编制及优化。
三、CAD/CAE集成技术
CAD是人与计算机紧密配合的问题求解技术，各自发挥所长使其工作优于每一方，为应用多学科方法的综合性协作提供了可能。广义的 CAD是指 CAD/CAE/CAM的高度集成，包括二维绘图设计、三维几何造型设计、产品数字化装配、有限元分析（FEA）及优化设计、动态模拟、数控加工编程（NCP）及产品数据管理（PDM）等内容。
现代复杂产品的设计是一个跨越多学科的高度迭代的过程，涉及到多专业信息的集成、多学科团队的协同设计，涉及到多个不同子系统。子系统之间的互操作包括数据互操作和功能互操作，是指异构环境中两个或两个以上的子系统，尽管它们实现的功能、执行的环境和所基于的数据模型不同，各子系统之间有交互耦合作用，但可以进行相互通信和协作，共同组成完整的功能系统，完成某一特定的产品开发活动。数据互操作主要是传统意义上的几何数据交换，可以通过标准格式的转换形式传输数据文件，比如 IGES和 STEP等标准化的结构几何模型数据文件或者 CAD系统的专用文件格式（如 AutoCAD的 dxf或 dwg文件、Pro/ENGINEER的 prt等）；而功能互操作是指系统的某些功能可以被其它系统所共享和直接调用，能够实现更加紧密的异构系统功能集成。基于应用系统间的、完全的且可以实现双向数据传递的集成方式是集成技术未来的发展趋势。
参数化的 CAD/CAE集成和参数化动态 CAE建模和分析技术，可以将参数化的造型技术引入到结构有限元分析或者优化设计中，CAE系统可以直接调用三维 CAD系统的参数化造型功能，分析的结果会对原有部件自动进行修改，从而实现反复迭代的设计优化过程。在设计阶段早期快速地对不同方案和设计变动进行数字化仿真、分析与验证，适应现代产品设计的动态特性，如系列化设计、模型修改与重分析的要求，为快速响应设计提供有力的技术工具。
目前，ANSYS、NASTRAN和 MARC等大多数有限元分析软件已经实现了 CAD/CAE的集成。ANSYS可以进行结构静力学分析和结构动力学分析，能与多数计算机辅助设计软件接口，实现数据的共享和交换。多物理场耦合ANSYS Workbench的分析功能较为全面，通过 ANSYSFatigue Module模块进行疲劳分析，ANSYS Design Explorer进行多目标快速优化。利用 ANSYS CFX流场计算分析软件进行 CFD流场计算，获得零件表面动态的压力场、温度场分布；在复杂空间流固耦合分析软件（集成CFD流场和结构强度耦合计算）把各个场分布动态载荷施加到计算零件上，然后用 ANSYS结构分析软件进行强度计算和可靠性分析，并可以通过 Workbench将结构受力变形结果直接施加到 ANSYS CFX中，以得到结构变形对流体结果的影响。在同一环境下同时实现结构、热、流体分析及结构-热-流体多物理场耦合分析，把流场计算、温度场计算、结构强度分析以及三者结合的流固、温度应力耦合分析等仿真分析技术应用于产品的研发过程中。
复杂产品的建模与仿真正朝着多领域统一建模与协同仿真的方向发展。数字样机多学科建模仿真是将机械、控制等多个不同学科领域的模型相互耦合成为一个更大的模型，通过将不同学科但相互关联的仿真分析软件集成起来，规范多学科设计优化模型和算法的接口标准，各个不同领域仿真软件之间以中间文件的形式或利用 SDK进行二次开发的方式，进行整体的仿真和分析。典型的数据格式，如用于控制机构一体化仿真以及其它仿真的动态链接库文件（dll），该文件中包含采用变量表示的函数信息；用于刚弹耦合分析的模态中性文件（mnf）中包含采用 [M]、[K]、[X]和振型矩阵表示的弹性体信息。
四、优化设计技术
产品建模与仿真分析的最终目的是实现产品的优化设计，优化设计技术与数值仿真的结合是该领域的重要趋势。优化设计（Optimal Design）是在满足设计要求的众多设计方案中选出最佳设计方案的设计方法。优化设计的基本思想是以数学中的最优化（Design Optimization）理论为基础，把设计人员的判断决策能力与计算机程序依据某种最优化算法自动寻找最优设计的功能相结合，根据已知的给定参数，在可行设计域进行搜索，求出满足全部约束条件并使目标函数取最小值的设计变量的解，使产品的指标或性能达到最期望的目标。
柴油机设计是典型的复杂机电系统设计，设计过程涉及结构、流体、燃烧、热和电控等多个学科领域，大多是多物理场、多学科耦合过程，计算分析内容较多，需要引入多学科设计优化的思想方法。多学科设计优化（MultidisciplinaryDesign Optimization，MDO）是一种通过充分探索和利用工程系统中相互作用的协同机制来设计复杂系统和子系统的方法论。其主要思想是在复杂工程系统的整个设计过程中，利用各个学科（子系统）之间的相互作用所产生的协同效应，从整个系统的角度优化设计复杂的产品系统，实现整体最优性能。美国国家航空航天局（National Aeronauticsand Space Administration，NASA）美籍波兰裔科学家J·Sobieszczanski-Sobieski在大型结构优化问题求解中首次提出多学科设计优化这一设想。MDO有以下几项研究和实施的内容。
（1）设计表达与分解。包括系统需求和功能方案的确定、问题的定义与设计问题的目标函数描述、参数化几何模型的建模技术、子系统的划分和组织优化技术等。复杂产品设计问题首先经过问题描述，建立问题的数学优化模型，再经过系统分解，将复杂系统分解为多个学科级子问题。
（2）分析能力与近似方法。包括设计的广度和深度要求、逼真度的分析和试验有效集成、近似与修正的方法、面向设计的分析和灵敏度的计算能力等。每一个学科的子优化模型，应用各自的分析工具（如仿真工具）对问题进行学科分析。学科分析所用分析模型是比较精确的，要反复进行。在整个的系统优化过程中，往往使用近似模型替代学科分析中较精确模型，采用有效的近似方法来处理多领域学科间的耦合关系。对于一些连续变量的特殊问题，可以使用灵敏度分析来协调求解系统优化。
（3）信息管理与处理。包括 MDO框架与体系结构、数据库、计算需求、人机接口界面及集成环境等。大多采用多级优化框架来求解系统优化问题。不管是系统级还是学科级优化求解策略，使用各种优化算法在设计空间中搜索优化解，进行结果分析。
（4）MDO的管理与文化实施。柴油机多学科优化设计过程如图 1所示。
五、柴油机产品研发数字化技术平台
天舟COMAN是国内用于复杂产品开发的自动化平台，可以为复杂产品生命周期中的关键设计环节（如总体方案设计、部件原理设计、详细设计、基于数字样机的分析仿真等）提供管理工具。2008年，研究人员以天舟COMAN为基础，封装集成数十种柴油机设计、仿真和计算工具软件，嵌入上百种多学科专业设计 /仿真流程，容纳数十种专业设计规范等设计知识，融合、继承专业产品的设计方法和设计理念，构造出支持柴油机多学科设计 /仿真的专业集成设计环境和自主创新研发核心能力平台。
在柴油机产品研发技术平台中，数字化仿真技术的应用分为关键零件快速设计分析系统和复杂系统多场耦合分析系统。关键零件快速设计分析系统主要应用于柴油机概念设计阶段，可以同时完成最多 10个设计方案的快速仿真，实现多方案择优。计算完成后自动生成计算结果及分析报告，提交到仿真数据库中。复杂系统多场耦合分析系统求解是把一个复杂的系统问题分解为多个子问题，使用不同的软件对这些子问题进行分析和计算，而且封装成可重用的组件通过网络发布，使用系统客户端从服务器中访问这些组件，并通过图形界面连接，建立起各个组件之间的数据关联，使其装配成一个能解决复杂系统问题的工作流，利用数据在各个组件间的自动传递，实现复杂问题的自动仿真过程。
CAE作为产品开发和优化的标准手段应该与工程经验数据库集成。仿真过程中产生的仿真模板、仿真参数、仿真模型和仿真结果等数据，应根据制定的模板和相应的技术要求进行管理。仿真模板指从成熟仿真流程和任务中提取出来的规范化仿真实施流程，是具体仿真任务的知识积累。针对特定的仿真模板，给出具体任务的几何模型和边界条件，可生成任务的仿真模型，并依据规范化的流程获得仿真结果。通过模板管理实现流程管理和知识重用，可以方便快捷地扩充快速仿真和复杂仿真功能，而不需要对软件进行源代码开发。因此，仿真模板是为开展流程化快速仿真和复杂仿真开发的脚本，以文件形式存在；仿真参数是仿真模型中涉及的几何模型信息、材料性能、载荷和约束信息等相关参数，以文本或数据的形式存在；仿真模型是进行仿真分析建立的物理模型、数学模型及软件模型，以文本或文件的形式存在；仿真结果是仿真计算分析的结果文件、分析报告等，均以文件形式存在。
六、柴油机优化设计流程
优化设计一般包括总体方案优化和设计参数优化。总体方案优化（总体布局、结构或系统模型的优化）的主要任务是建立和处理知识模型，进行基于专家系统的复杂机械产品设计方案非数值知识的优化处理，通过人工智能、专家系统、模糊评判和决策等方法进行推理获得合理的设计；设计参数优化（产品零件结构、工艺参数的优化等）的主要任务是建立正确的优化数学模型，设法求得最优值。柴油机的设计参数 CAD/CAE联合优化过程如图 2所示，通常需要经过以下步骤来完成，而且自动化程度越来越高。
1.准备阶段
根据实际问题近似确立产品结构方案。应根据仿真任务目标，确定仿真问题类型、仿真模型简化程度、仿真模型载荷和约束条件等。仿真模型是根据具体仿真任务建立的数字化模型，包括几何模型、边界条件、初始条件和计算设置等内容。几何模型指与柴油机结构相关的 CAD模型，可以是一维、二维或三维模型，可以采用多种CAD建模工具创建。几何模型为仿真模型指定具体的计算区域和边界位置。
2.参数化建模
将机械设计实际问题抽象成为优化设计的数学模型，把将要参与优化的数据（设计变量）定义为模型参数，为以后软件修正模型提供可能。应根据仿真任务要求，进行建立数学模型、确定计算域和边界条件以及设置计算参数等工作。
（1）建立有限元模型。导入通过 CAD软件造型功能建立的实体模型，也可以直接在有限元分析软件中建模。初始的几何模型需要遵守仿真对模型的技术要求，突出主要问题，忽略次要附属件。对整个复杂的工程结构连续体问题区域进行分解，每个子区域都成为通过指定节点相互连接的简单部分（有限元），习惯上称单元剖分为有限元网格划分。建立有限元模型时对单元类型选取和网格划分应统一考虑，开展网格收敛性分析，网格的划分密度要保障几何体形状不致太过失真，依据计算能力和水平进行网格划分和求解规模限制。通常在模型加密到一定程度时，计算结果的变化范围已经小于一定的百分比（如 5%），此时继续对模型进行加密并不能带来计算精度的进一步提升，此时的网格尺寸就是合理的。
（2）材料设置。依据仿真模型要求和结构材料特性进行设置，如结构静力分析设置材料弹性模量和泊松比。
（3）设置边界条件。结构分析主要包括载荷边界和约束边界条件。约束边界条件包括位移约束边界条件（有位移约束，对称约束等）和接触边界条件。结构承受载荷应依据模型实际工作条件和简化方法进行设置：①集中力，施加于模型节点的集中载荷；②表面载荷，施加于某个表面上的分布载荷；③体积载荷，体积的或场载荷；④惯性载荷，由物体惯性引起的载荷，如重力加速度，角速度和角加速度；⑤耦合场载荷，以上载荷的一种特殊情况，从一种分析得到的结果用作另一分析的载荷。
（4）设置求解器。实现数字样机运动学动力学性能分析的关键，在于运动学动力学仿真计算和高效求解器的实现。根据不同类型的求解问题和计算软件，选择对应的求解器。设定不同的接触摩擦求解类型，疲劳寿命预估算法以及根据结果后处理需求设定仿真输出参量和形式。
3.求解
应用最优化计算方法的程序在计算机上求解参数化CAD模型。针对具体任务，以命令流或文件方式提交分析软件进行计算求解，并以命令流或窗口交互方式对计算过程进行监控。
4.后处理
对仿真结果进行处理和分析，利用有限元分析软件后处理的图形功能，显示温度分布图、变形图和应力分布图，从中找出最高温度，最大变形、最大应力以及寿命最低区域，根据相应的评价准则进行评估，以图片或表格形式汇总，并依据应用要求提供仿真分析报告。
5.优化参数评价
优化处理器根据本次循环提供的优化参数（设计变量、约束条件及目标函数等）与上次循环提供的优化参数作比较之后确定该次循环目标函数是否达到了最小，或者结构是否达到最优，如果达到最优，则完成迭代，推出优化循环圈。否则，根据已完成的优化循环和当前优化变量的状态修正设计变量，重新投入循环。
七、柴油机多学科仿真分析
基于数字样机技术的柴油机研发，需要进行概念设计阶段的柴油机热力学分析、曲柄连杆机构运动学分析、动力学分析等，方案设计阶段的柴油机刚度分析、振动噪声分析、性能分析和可靠性分析等，还要进行内部冷却液体及外部循环分析、润滑液体流场分析以及进排气系统空气流场分析等。柴油机结构仿真是指利用柴油机整体或零部件物理、数学模型，通过数值计算方法获得柴油机工作状态下位移、应力、应变等的过程。柴油机关键件（以气缸盖为例）结构仿真一般分为刚强度分析、模态分析、热分析和疲劳分析。
（1）刚强度分析（也称静力学分析）包括线性和非线性分析，用于求解静力载荷（或准静态载荷）作用下结构的应力、位移和变形等。
比如，分析气缸盖在螺栓预紧力、气门座圈装配过盈力和最大燃烧压力作用下的应力和变形情况，对气缸盖水腔、气道壁和鼻梁区等关键位置的强度进行评估，并对气缸盖底板和气门座圈变形进行刚度评估。
（2）模态分析用于确定结构或零部件的内禀振动特性，即结构的固有频率和振型，同时，也可以作为其它动力学分析问题的起点，包括瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析等。
对于整体式气缸盖，要分析其自由模态频率和振型等基础动力学特性，为气缸盖动力学响应分析和动态特性优化设计提供基础数据。
（3）热分析主要是指根据流场计算给定的换热边界条件或经验公式换热边界条件，对机体和气缸盖的温度场进行分析，为其它的结构仿真分析提供热边界条件。
要分析气缸盖在高温燃气、冷却液及外界环境影响下的温度和热应力分布，评估气缸盖在机械载荷和温度载荷共同作用下的结构强度，并可为疲劳仿真提供温度场和应力场。
（4）疲劳分析是指对结构件在交变载荷作用下的疲劳强度和寿命进行分析和预估，可根据材料疲劳破坏前所经历的循环次数 Nf不同，分为高周疲劳（Nf> 1×105）和低周疲劳（Nf< 1×104～105）；或根据载荷工况和工作环境的不同分为机械疲劳、热疲劳和热 -机耦合疲劳等。
首先对气缸盖进行机械疲劳仿真，评估气缸盖在单纯机械载荷作用下的疲劳强度和寿命是否满足设计要求；然后开展热 -机耦合疲劳仿真，重点评估气缸盖火力面鼻梁区抵抗热 -机耦合疲劳破坏的能力。
八、几点体会
在柴油机的数字化设计过程中，无论是数字样机的自顶向下模块化设计，FEA的有限元离散法，还是 MDO的系统分解，都体现着“集成 /分解”的理念。用先进的优化方法和算法搜索、选择最优设计方案，用基于 CAD/CAE的集成技术，结合柴油机数字样机进行多学科设计优化，不仅提高了柴油机设计水平，还可以优化设计流程和设计环境。
（1）通过数字样机自动化设计流程，设计过程系统化，采用多目标机制平衡学科间影响，探索整体最优解，使所有设计参与人员都了解到其它学科的约束要求和优化目标，在设计初始树立全局观点。学科协同和并行设计能够将单学科（领域）的分析优化与整个系统中相互耦合的学科分析优化结合起来，采用优化策略对多学科设计空间进行搜索和整体权衡考虑，集成地进行多学科分析，减少了计算复杂性。并行协同地设计优化数字样机，可以方便地实现上下游并行设计和多专家协同设计，有效地降低了设计组织复杂性，保证了数字样机的模拟仿真精度。
（2）通过引入网络化、信息化技术，建立柴油机研发信息网络、数据管理系统，实现柴油机在 CAD/CAE之间的数据统一标准和数据共享，进行完整产品定义数据的快速交换，避免了产品描述等重复性工作，有效地解决了柴油机行业中的资源重复配置和信息孤岛问题，为在计算机网络环境下实施远程异地设计制造提供有效的技术支持，有利于应对大数据时代带来的新挑战。
（3）学科（子系统）集成既可以把可靠性、维修性、保障性、安全性、测试性以及环境适应性贯穿到整个系统设计过程中，又能有效地组织和管理整个优化过程，是一种很有潜力的系统综合设计技术。
九、结语
样机设计 篇4
关键词：火车煤采样机,桥式采样机,采样头,自动定位,轴编码器,高速计数器
0 引言
桥式火车煤采样机主要由横梁、小车和采样头组成, 其采样头的准确定位是十分重要的。传统的定位方式一般采用机械式行程开关或电子接近开关测定位置, 可靠性不高, 由于惯性设备易产生定位不准的问题, 而且无法实时测量采样头所处的位置。如采用轴编码器检测位置, 就可以实时检测采样头所处的位置和运行速度, 并可通过变频器调节驱动电动机的转速, 减小设备因惯性带来的定位误差。为此, 笔者设计了一种基于轴编码器的桥式采样机采样头自动定位系统。该系统通过检测轴编码器的脉冲信号, 可准确计算出采样头的位置及速度。
1 轴编码器位置和速度检测原理
轴编码器的分辨率是编码器轴转动一周所产生的输出信号的个数, 用PN表示分辨率, 则轴编码器的角分辨率P=360/PN, 位移分辨率PS=2πr/PN, 其中r为行走轮的半径。当检测到轴编码器输出脉冲个数为N时, 设备的位移S=NPS, 线速度v=S/T=NPS/T[2], 即在一定的时间T内检测到轴编码器输出脉冲个数为N, 即可计算出设备的运行速度。
基于以上原理, 通过检测轴编码器的输出脉冲个数, 再根据设备行走轮的具体尺寸, 即可计算出设备相对于初始位置的位移和即时速度。
2 系统硬件设计
桥式采样机采样头自动定位系统根据轴编码器的速度和位置检测原理设计。通过检测轴编码器的脉冲信号, 系统可计算出采样头位置及速度, 并通过触摸屏及嵌入式组态软件把测量数值实时显示在人机界面上。系统总体结构如图1所示。
2.1 PLC控制部分硬件组成
根据定位系统的控制需要, PLC控制部分采用西门子SIMATIC S7-200 PLC作为处理器, 用于统计轴编码器输入的脉冲, 计算设备的速度和位移, 并通过MPI接口与昆仑通态触摸屏连接, 实时监控设备运动状态, 即位置信息和速度信息。
PLC的组成主要为电源模块PS207、CPU224, CPU224集成14点数字量输入, 10点数字量输出、6路高速计数器[3]。系统选用高速计数器HSC0和HSC1, 均采用模式6, 数字量输入点I0.0和I0.6接入编码器的增计数脉冲, PLC每检测到一个输入脉冲, 高速计数器加1。
2.2 轴编码器
系统轴编码器采用光电式编码器。光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴, 电动机旋转时, 光栅盘与电动机同速旋转, 经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号[4]。
桥式火车煤采样机采样头运动方式是在两个方向的轨道上运动, 要实现采样头的定位, 需要在两个方向 (即火车车厢长度方向和宽度) 的行走轮的驱动轴上分别安装一台轴编码器。
安装轴编码器时, 要使编码器与设备行走轮的驱动轴同轴, 这样就能把设备运动的直线位移转换为编码器的脉冲输出。
系统使用的轴编码器的型号为K76-J2V1024B24, 两相信号输出, 输出电压为12 V, 分辨率为1 024, 接线时, 将2个编码器的白色线分别接在数字信号输入的I0.0和I0.6点上。供电采用24 V直流供电, 屏蔽线接地。
2.3 触摸屏
触摸屏采用昆仑通态的TPC1062k触摸屏, 可以嵌入在PLC控制箱内, 便于操作, 组态软件使用全中文MCGSE进行软件组态。触摸屏和PLC通信采用PPI协议。触摸屏能实时显示检测的速度位移数值。
2.4 电磁继电器
电磁继电器在控制电路中的作用为中间继电器。PLC数字量输出驱动控制电路中的电磁继电器线圈, 继电器触点动作, 以控制接触器线圈的通断, 接触器触点动作从而实现主回路的通断。系统选用的中间继电器为欧姆龙G3CN型固态继电器。
3 系统软件设计
STEP 7-Micro/WIN是西门子公司专门为S7-200系列PLC设计开发的编程软件, 可以在全汉化的环境下进行操作[1], 系统的梯形图程序就是在该软件环境下编写的。
S7-200 CPU提供了6个计数器 (HSC0～HSC5) , 高速计数器独立于用户程序工作, 不受程序扫描时间限制[3]。系统使用高速计数器HSC0的模式6, HSC0的控制字节为SMB37。以高速计数器HSC0为例说明软件设计过程。
系统主程序主要由3个部分构成:初始化、计数中断服务程序和定时中断服务程序。计数中断服务程序控制电动机停止, 定时器中断实现上位机实时信息显示。系统主程序流程如图2所示。
系统初始化完成后, 启动设备驱动电动机, 同时高速计数器根据脉冲输入累加计数, 设定定时器周期为200 ms, 用以计算速度和更新位置信息, 当计时器中断时, 读取当前高速计数器的值, 并存入变量存储器VD100, VD100和位移分辨率值相乘即得到当前位移值, VD200存储器作为计算速度的中间存储器, 用于存储上一次读取的高速计数器值, 其初始值为0, 当前高速计数器值VD100减去上一次高速计数器的值, 结果与速度分辨率相乘即是200 ms内的速度。
在系统初始化时, 需要对PLC内部高速计数器进行参数设置, 对其控制字节SMB37写入16#F8, 使其计数方向为增, 允许更新计数方向, 允许写入新初始值, 允许写入新设定值, 允许执行HSC指令。执行HDEF指令, 输入端HSC=0, MODE=0, 装入当前值, 令SMD38=0, 计数器装入预置值VD14, VD14中的数据是根据系统选择不同采样点时所提供的轴编码器需要达到的脉冲数量。
系统中断采用时基中断, 基本中断周期为200 ms, 使SMB34=200。定时器中断时, 读取高数计数器当前值, 并存入变量存储器, 根据速度位移检测原理对数据进行处理变换得到真实速度位移值。然后与上位机变量连接, 使其在上位机显示。定时器中断服务程序如图3所示。
4 结语
桥式火车煤采样机采样头自动定位系统以PLC和轴编码器为核心, 能较为精确地检测轨道运动的位移和速度, 驱动电动机的启停和调速可以在同一PLC上控制, 方便操作。该系统提高了煤炭采样设备的自动化水平, 减轻了工人劳动强度。
参考文献
[1]王永华.现代电器控制及PLC应用技术[M].2版.北京:北京航空航天大学出版社, 2008.
[2]纪松波, 高和亮, 侯婷.旋转编码器在线速度检测控制中的应用[J].现代电子技术, 2010 (15) :144-156.
[3]西门子 (中国) 有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子S7-200 PLC[M].2版.北京:北京航空航天大学出版社, 2005.
样机检验流程 篇5
送质控部样机QA检验。注：试产机直接由样机QA随机抽检5台，并出相关的报告。
5.2.3 注意事项：样机送检有以下要求。
1)送检的样机，如果是新芯片的机型时必须配送中文“说明书”或芯片测试资料；
2)送检样机须有自检记录（必须是最终测试的结果）； 3)《样机送检单》上如果未填写清楚机型、数量、版本、检验标准，PE主管号不受理《样机送检单》退还给送检部门处理；
4)样机的编号由送检部门完成，所编的号码要与“自检记录”对应得上。如果样机QA 核对到样机编号有漏编、重编的现象，样机负责人须立即核对、纠正。
5.2.4 检验：样机QA收到《样机送检单》，首先核对机型、数量、版本须与实际送检样机相符；检查配送资料须齐全。检验依照有关“标准”和有关“作业指导书”、说明书、芯片测试资料等进行测试和试验。样机检验、试验发现的不良问题、不正常现象或偏离指标的问题，样机QA须逐条记录在《样机检测报告》上，测试的数据记录在《样机检测记录》上，试验的内容结果记录在《试验报告上》。测试、试验后的“报告”和“记录”均交给QE审核。
5.2.5 QE首先审核《样机检测记录》的检验数据，并与送检部门的自检数据进行核对，当发现检验数据与送检部门自检数据有差异时，按如下处理。
1)当分析为仪器偏差时，立即通知仪管员校验仪器； 2)当分析为测试方法或条件差异时，样机QE与样机负责人一起核对，确定正确的测试方法；
3)当分析为误测时，双方核对后由误测方纠正。
5.2.6 其次，QE须审核、分析《样机检测报告》、《试验报告》上的问题，通知样机负责人对机；样机负责人应在接到通知时起（包括电话或口头通知）10-20分钟内对机，限时不到，样机QE将视为样机负责人承认样机QA所提的所有问题，样机QE在问题栏上注明“***未对机”。
样机设计 篇6
【关键词】直线式自动取样机;溢流;代表性;矿浆
1.前言
某矿磨矿分级作业采用MQG3、2*3、1球磨机与双螺旋2FLGφ2400双螺旋分级机联合作业，原矿取样点设在球磨机的给料TD75-650输送皮带上，每半小时在运转的皮带上取样一次，取样宽度为1米，带宽为650 mm，块料粒度为≤12mm，然后根据带速进行矿量计量，所取样品堆放一起进行混匀缩分后进行品位的化验分析，取样的矿量比较大，根据公式Q=kd2计算所需要的样量为28.8kg/班，此过程取样制样的准确性和代表性受人为因素影响较大，化验结果变化无常。因此依据实际生产和现场情况进行了取样点的改变，将取样品改为分级机的溢流堰处，并自行设计了分级机溢流堰处的直线式自动取样机，取样宽度横越整个分级机的溢流堰，即将溢流断面全部进行均匀取样。
2.自动取样机的设计要求
2.1 取样点的选择
考虑原有取样点在运转皮带上进行，取样的粒度较大，易出现如下问题;一是安全性较差，用刮板在运动的皮带上取样极易造成机械伤害;二是由于给矿粒度较大，因而取样量较多，在原有基础上取样量为28.8kg/班;三是由于入选矿石受水分，硬度和不同矿区来矿影响，给矿粒度变化较频繁，进而给取样工作带来了相当大的困难，进而也影响样品的代表性。为此考虑磨矿分级后的样品一是粒度由-12mm下降到-0.8mm，取样量也随之大减少，根据公式Q=kd2计算只需要128克可;二是磨矿分级后的溢流粒度比较均匀，没有较大的波动，相比较而言稳定性更强。因此将取样点放在分级机的溢流堰处，依此进行自动取样机的设计工作。
2.2 自动取样机的设计条件
垂直于矿浆流动方向要求均匀取样，按公式计算的最少取样量128克，考虑到生产过程中的检查复查等问题，将样量提高到500克/班，取样体积为1.68升/班，该矿处理能力为1800吨/日，矿浆浓度为40%，拆合矿浆139.3m3/小时，磨细度为50%-200目，分级机溢流堰宽度为2000mm，溢流堰与筛网间的高度40cm。
2.3 取样机的要求
矿浆取样应在流动状态中采取，以免发生分层现象，影响代表性。矿浆取样常用断流截面法。必须保证截取全断面。矿浆的取样时间间隔一般采用15-30分钟/次，考虑到处理矿量较大，暂定取样时间间隔为15分钟/次。第三所取样品必须能够全部进入样品容器中，不能有损失，否则影响代表性。
3.直线式自动取样机的原理
3.1 传动机构用YWC1.5KW电机齿轮减速机带动丝杠旋转，取样机固定在丝杠螺母上，随着丝杠的旋转，取样机做直线运动，利用时间继电器来控制电机正反转和间歇时间，从而调整取样过程中的取样量。矿浆流入取样机后，经分隔板均匀的向下流动，通过节流管的二次取样流到取样杯，取样工作结束。
3.2 取样机的设计：
（1）取样板的选择：根据料级筛板最大粒度为0.7mm，取样板上的取样缝隙为最大粒度的3倍进行设计，最后选为2mm，分级机溢流堰矿度为2000mm，则取样板取样占矿量的1/1000。取样板取样后，再进行二次取样，取样量占矿量的1/10000（原理见图）。
（2）电控系统与取样量的关系：利用时间继电器来控制电机正反转和间歇时间，正反转来保证取样机的往复运动;间歇时间来调整取样过程中的取样量。该取样机单程需5分钟，间歇时间为按工艺要求定为15分钟，取样量为500克/班。
4.取样机的应用结果分析
该自动取样机现已使用3年多了，在保证润滑情况下未出现任何质量问题，更为重要的是該自动取样机的应用一是大大提高了样品的代表性，消除了取样的人为因素影响;二是大大降低了测定人员和化验制样人员的劳动强度;三是由于取样的粒度降低不需要进行二次破碎，去掉了-12mm至0.4mm的破碎过程，减少了化验室颚破和对辊的运行时间，增加了其备件寿命，每年可节省电和备件费用4260元。
5.综述
直线自动取样机的设计应用很好地解决了该矿目前生产当中入选样品的取样问题，该取样机的应用产生了较好的效果，主要体现在以下几个方面：提高了样品的代表性，消除了人为因素的影响;结构简单，操作维护方便;降低了职工的劳动强度;产生了一定的经济效益，与往年相比较平均年可节省4260元。
该直线自动取样机具有较好的使用和推广价值，兄弟矿山可据此，结合本矿实际情况来自行设计应用，在现阶段国内所有金属矿山，包括黄金矿山由于生产规模的不断扩大，造成生产成本的增加，因此有必要对系统进行完善和挖潜，以较低的投入、较低的投资回收期完成选矿整个系统的完善挖潜改造，经济效益和社会意义较大。此项目对于矿山降低生产成本提高黄金产量具有较好的推广应用前景。将对磨矿生产工艺产生很好的效果。该成果在金矿实际生产应用过程中得到应用，实现了高效生产，同时节省了大量的维修费用，创造了可观的经济效益，对于充分挖掘设备潜力，消除设备隐患，降低成本费用，减轻职工的劳动强度，解决了维修安全隐患。具有很好的推广意义。工作要点加强设备的基础管理工作，强化设备系统化建设，理顺设备管理流程，健全设备管理制度，提高规章制度执行力度，确保各项设备管理制度落到实处。全面推进《设备零责任事故劳动竞赛》、《无轨设备劳动竞赛》、以及《设备达标创优》竞赛活动，采取以正向激励为主、以考核为辅的管理方式，树立设备管理标杆，以点带面，推动全矿设备管理上台阶。抓住设备现场管理这条主线，以“确保安全”为最高宗旨，坚持对设备现场及周围环境进行“三查”、“四抓”，保障设备设施正常运转。
在保证设备备用系数的基础上，着力提高设备利用率，深入挖掘提高设备作业效率的途径，加强设备利用率考核，实现设备投资回报率最大化。加快“四新”技术在生产中的推广应用，重视技术改造与创新，增强设备的安全性能，提高设备的作业效率。加强设备运行成本分析，将黄金产量和成本与设备管理挂钩，分析成本异常消耗的原因，及时制定解决措施;继续致力于进口备件的国产化工作，积极开展国产备件的研究工作，不断降低库存资金，力争以较低的生产成本实现增产增效。加强对井下无轨设备尾气排放的治理工作，从燃油添加剂、尾气净化器等各个方面着手，改善井下空气质量，为井下员工创造一个良好的工作环境。
参考文献
[1]徐天允，徐正春.金的氰化与冶炼[M].沈阳黄金学院，1993，1：263-270.
样机设计 篇7
统一潮流控制器是目前综合性能最为强大的柔性交流输电系统装置( flexible alternative current transmittion systems,FACTS) ,能对系统潮流、电压和无功进行较为准确和迅速的控制[1,2]。但随着现代电力系统的规模的增大,结构的复杂,其短路容量也迅速增加。因此文献[3-4]也提出UPFC装置附近发生系统短路时UPFC设备必须要退出运行,否则其串并联侧的电力电子设备极易因承受系统高电压和短路大电流的冲击而烧毁,对系统产生严重的影响,也难以满足电力系统的要求[5,6,7,8]。
为了实现对短路故障的自动隔离切除,将UPFC和固态限流器( solid-state fault current limitter,SSFCL)耦合在一起,组成一种新型FACTS装置———具有短路限流功能的统一潮流控制器( unified power flow controller with solid-state fault current limiting,限流式UPFC或UPFC-FCL)[9,10]。截止目前,已经有文献对限流式UPFC的工作原理、设计做出了一定的摸索与研究,显示出限流式UPFC具有较好的理论前景,但高压的实验样机由于存在以下问题仍然没有完成: 1电压等级的提高带来设备绝缘等级的提高,使得设备选型存在困难。2限流式UPFC系统相对复杂,系统接线以及两端高压电源较难处理。3高压大电流环境对控制系统的干扰对实验产生影响等。
本研究将针对限流式UPFC样机设计实验方案,分别从系统接线、参数设计、控制系统等方面进行详细设计,环形接线方式有效地降低了实验成本和场地设施; 通过参数设计保证设备能安全地应对各种工况; 采用分层、开放式且便于移植的控制系统设计模式,提高了控制系统的灵活性及可扩展性; 最后通过实验,验证提出设计的有效性。
1限流式 UPFC 的工作原理及数学模型
1. 1 正常运行工作原理
限流式UPFC装置的拓扑结构如图1所示。该装置按照UPFC-限流器的顺序进行启动。UPFC模块的启动过程与常规UPFC无异。此时,由于限流器模块处于开路状态,UPFC串联侧补偿电压和系统电压将在串联变压器Tse上叠加一个较大的正向电压,并通过变压器副边施加在限流器模块的整流桥上,此后,晶闸管T1 ~ T8触发导通,限流电抗Ld经过短暂的暂态充磁过程而趋于稳定( 限流电抗电流Id达到线路电流峰值) ,其与线路电流的差值将通过续流管T7和T8续流,限流器模块对外呈现零阻抗,相当于短路。故限流式UPFC正常运行时与常规UPFC相同。
1. 2 短路限流工作原理
当系统在图1标示处发生短路时,串联变压器Tse将承受几乎全部系统电压,并通过串联变副边施加在整流桥上。同时,随着短路电流急剧增加,续流管T7和T8将迅速关断,限流器的限流电抗将通过整流桥迅速插入线路进行限流。与此同时,UPFC串、并联侧变换器将在检测到故障的瞬间封锁脉冲,变成三相不控整流桥,此时,短路电流经串联变压器、限流器模块、限流电抗、UPFC串联侧逆变器反向二极管和直流电容形成一个暂态限流回路,直到系统短路故障被彻底切除。其具体原理和过程在文献[10]中已有阐述,本研究不再赘述。
2限流式 UPFC 系统接线
限流式UPFC实验系统接线如图2所示。环形接线将限流式UPFC两侧均连接至同一条交流母线实验,即限流式UPFC两侧电压等级相同,相角差为0°。这种系统接线,实际上是通过串联变压器的漏抗作为系统负载,UPFC补偿的电压加到串联变压器的漏抗上由其消耗,同时将一个两侧电源供电的系统通过一个电源来模拟。并联侧滤波电感出口处是一个用于UPFC启动阶段直流电容充电的自动控制电路,串联侧滤波电感出口处并接了一个电容过压保护电路。
3参数设计
限流式UPFC中关键的元器件为直流电容C和直流电抗Ld,两者参数设计和串并联侧滤波电感的设计依据已有文献详细研究[11,12],本研究不再做详细分析,这里仅对串联变压器和限流器整流桥的设计与选型作一些说明。
3. 1 串联变压器
串联变压器是连接UPFC模块和限流器模块的主要器件,同时也是限流式UPFC装置接入电网主回路的重要器件。结构上,其绕组一次侧串联在线路中,绕组二次侧连接UPFC串联换流器与限流器模块; 功能上,其既在UPFC正常工作时作为串联补偿电压的施加载体,也在短路限流时作为等效限流电抗的一部分。
在具体选型时,针对低电压场合,可以考虑采用传统的非饱和型变压器,设计容易,应用广泛; 针对高压大容量场合,选择饱和型自耦变压器来降低设计难度和容量体积。
另一方面,串联变压器的变比由于与UPFC模块串联侧补偿效果及控制策略相关,同时会影响限流器模块整流桥晶闸管的设计选型,以及限流式UPFC装置内大部分电力电子器件和限流电抗的I2t校验,因此串联变压器的变比选择因综合考虑上述因素。
3. 2 限流器整流桥
整流桥晶闸管需要正常运行和短路故障中引起的最大正、反向电压峰值,根据桥臂承受的最大峰值选取合适的晶闸管后,需要校验正常工作时晶闸管的额定工作电流和短路过程中的I2t值以满足以下条件:
式中: kse—串联变压 器变比,I2—线路工作 电流,IT( AV)—晶闸管的通态平均工作电流,I2tmax—短路过程中冲击电流耐受量I2t可能出现的最大值。
4控制系统设计
根据通信系统的开放互联( open system interconnection,OSI) 模型[13],限流式UPFC控制系统的分层架构可分为如下几个部分: 交互层,通信层,控制层,驱动层和功率层,控制系统的分层架构如图3所示。其中,交互层主要实现操作人员对系统运行的控制、显示与反馈; 通信层用于交互层与控制层之间的通信; 控制层是限流式UPFC控制系统的核心部分,其中: AD采样模块完成所需电压电流信号的采样、故障信号的监测,同时锁相环SPLL( software phase loop) 计算采样数据得到系统电压瞬时相位,任务调度机根据上层调度指令按照一定节拍分别执行AD采样、SPLL以及限流式UPFC运行中的STATCOM启动、SSSC启动、SSSC退出、STATCOM退出、FCL监测,最后输出IGBT及晶闸管的脉冲调制逻辑; 驱动层将IGBT和晶闸管的脉冲调制逻辑转化为桥路的开关信号并经驱动器放大后驱动功率器件,同时底层硬件保护实时监测电力电子器件的电流和温度,实现过流过温保护; 功率层实现UPFC与系统的功率交换。
控制层的功能由TI公司的32位浮点DSP芯片TMS320F28335实现,它集成了多种先进的外围设备,其中的e PWM模块是UPFC并联换流器和串联换流器触发脉冲生成的核心部分。采样电路采用ADI公司的高精度14位AD芯片AD7657。
驱动层将DSP输出的触发信号转化为光信号进而通过光纤发送至驱动电路,增大了驱动能力,同时将一次系统和二次系统隔离。
5实验验证
主要实验参数如表1所示。本研究根据图2所示接线图接线进行实验验证。
限流式UPFC启动阶段直流电容电压和并联换流器交流侧出口单相电流的波形图如图4所示。18 s之前系统不控整流,直流电容电压上升至并联侧线电压峰值707 V左右,稳定之后并联侧换流器定电压可控整流,电压以斜坡函数上升至设定值1 000 V左右,可控整流开始阶段,电压和电流波动较大,稳定后,基本在1 000 V附近。
UPFC启动正常运行后,通过定补偿电压模式调节潮流,UPFC补偿线电压调节图如图5所示。其中两条曲线分别为系统线电压us与滤波处理后的UPFC补偿线电压u2。在41. 46 s左右对补偿电压Vd、Vq的幅值设定从Vd= 0 V,Vq= 50 V变为Vd= - 200 V,Vq=0 V。由图5可见,系统线电压us与滤波处理后的UPFC补偿线电压u2从90°夹角到反向,补偿线电压u2的幅值也从50 V左右升至200 V左右。可见,实验样机可以按照指令对系统线路进行电压补偿,调整插入系统的电压幅值和相位,相应地调节系统潮流。
系统进入稳态运行后,装置安装点通过涌流模拟三相短路故障。系统线路单相的短路波形如图6所示。由图6可见,系统短路后,线路短路电流第一波峰到达峰值,之后短路电流迅速被限制下来,短路电路周期分量有效值稳定在0. 7 k A左右,达到了限流的目的。
6结束语
全截面自动取样机的设计与应用 篇8
鄂钢原料厂在铁精矿等小粒度矿石进厂的试样采集和质量检验中, 多年来一直靠手工取样, 取样劳动强度大, 试样代表性易受工艺、环境和人为等因素影响, 还容易给信誉差的矿石供应商掺杂造假留下机会, 使进厂铁精矿的试样品位高于实际的综合品位, 增大了矿石结算成本。为此, 设计了自动取样机进行试样的采集, 使用效果良好。
2 机械结构设计
取样机的运动机构主要由固定支架、电液推杆、取料斗和摆杆等组成。如图1所示, 固定支架安装在物料转运的受料口;电液推杆和摆杆安装在固定支架的支座上并通过可调铰座相互连接;取样斗固定在摆杆的下端。
1.固定支架2.固定铰座3.可调铰座4.活动铰轴5.行程开关XK1 6.行程开关XK2 7.挡铁8.电液推杆9.摆杆10.取料斗11.固定挡板12.接料斗13.导料槽14.存样盒
2.1 工作方式
电液推杆电机通电正转, 活塞伸出推动摆杆摆动, 摆杆下端的取样斗从A点向B点运动经过物料抛洒断面截取试样, 此时, 取样斗的活动翻板在拉伸弹簧的作用下闭合, 将采集的试样保存在取样斗中。到达B点时, 电机反转, 活塞回缩, 取样斗自B点向A点运动;到达A点时取样斗的撞杆撞击接料斗前的固定挡板, 活动翻板克服弹簧拉力打开, 取料斗内采集的试样卸入接料斗, 经导料槽进入存样盒完成对物料的一次截取和输送。
2.2 取样速度调节
电液推杆与摆杆通过可以上下调整的可调铰座连接。调整可调铰座与铰轴的距离, 可以克服电液推杆活塞的运动速度固定不变的问题, 获得较高的取样速度, 使取样机的取样斗在一个单向行程内取满矿石。
1.固定支架2.铰轴3.电液推杆4.支座5.可调铰座6.摆杆
图2中, v0=L/L1×v, 式中, v0为取样速度;v为电液推杆的推速。
1.取样斗2.活动翻板3.撞杆4.铰链5.弹簧
2.3 取样斗的结构
图3是取样斗的侧视图, 其卸料口安装活动翻板, 活动翻板一边用铰链与取样斗连接, 另一边用拉伸弹簧拉住, 并在下方焊接撞杆;撞杆与活动翻板成V形夹角, 一般在45°左右。采集试样时, 活动翻板在弹簧的拉力下关闭, 到卸料位置时, 取样斗的撞杆撞击接料斗前的固定挡板, 活动翻板克服弹簧拉力打开。
根据取样的工作环境、技术要求和物料的粒度、粘性等物理性质, 取样斗的长度稍大于物料采集区物料抛洒层的最大厚度, 保证整个截断面采集试样;取样斗的出料口大于进料口, 便于卸料。
3 自动控制线路设计
取样机的自动控制由时间继电器、接触器和行程开关等元器件组成的分合电路达到完成预定动作的目的。
3.1 时间继电器的调定
图4是取样机自动往返的限位控制线路图。合上电源, 调整时间继电器的通电延时时间设定单次取样的间隔周期, 一般4～6min;然后根据摆杆往返一次所需时间, 调节时间继电器的断电延时时间。将开关打到自动档, 时间继电器开始计时, 当达到设定时间时取样机开始工作;当达到断电延时时间则停止。同时时间继电器又开始计时, 进入下一次工作循环。
KT-数显时间继电器KM1-伸缩接触器KM2-回缩接触器XK1、XK2-行程开关QA-按钮HZ-转换开关
3.2 行程开关的作用
取样斗工作的两个极限位置A点和B点, 通过调整挡铁或行程开关的位置调节摆杆的摆动幅度进行确定。挡铁安装在电液推杆上, 随着活塞的伸缩, 在两个行程开关之间往返运动;第一行程开关、第二行程开关固定在固定支架上, 并连接在电液推杆电机的控制电路, 当挡铁与第一或第二行程开关的滚轮相撞时, 断开常闭触头或闭合常开触头, 使电液推杆的电机正、反向转动, 实现电液推杆的限位和换向。
3.3 自动控制原理
如图4所示, 转换开关HZ接通Z点为自动档, 数显时间继电器KT线圈通电, 达到设定的取样周期时间, 时间继电器KT的常开触头闭合, 接触器KM1线圈通电, 主触头闭合, 电机正转。取样斗到达B点时, 和电液推杆活塞同步运动的挡铁撞击行程开关XK1, 使其常闭触头分断, 接触器KM1线圈失电, 主触头释放;同时XK1的常开触头闭合, 接触器KM2线圈通电, 其常开触头闭合, 主触头闭合, 电机换向反转。取样斗又返回到A点, 挡铁撞击行程开关XK2, 使XK2的常闭触头分断, 接触器KM2线圈失电, 主触头释放;同时, 数显时间继电器达到设定的断电延时时间, 电液推杆电机断电停止工作, 取料斗停止在A点, 完成试样的一次采样。数显时间继电器从零开始计时, 进入下一次试样采集的过程循环。
转换开关HZ接通S点为手动档, 通过按钮QA进行手动操作, 一般只在调试时使用。
4 使用效果
样机设计 篇9
在进行海上并靠补给吊装作业时,海浪的起伏会造成冲击和碰撞,给海上对驳吊装的效率和安全性带来不利影响。波浪补偿是指针对因水面起伏引起作业装备产生波动而进行的补偿校正。波浪补偿系统是波浪补偿功能具体实现的装备,它能使吊装作业不受水面波浪起伏的影响,从而增强海上作业的安全性、高效性和可靠性。波浪补偿系统具体结构形式多种多样,但按控制力的执行方式可分为被动式波浪补偿系统和主动式波浪补偿系统两种基本类型[1,2]。目前国内已经开发了几种被动式波浪补偿系统并成功应用于海上并靠补给作业。相对于主动式波浪补偿系统,被动式波浪补偿系统存在补偿范围受补偿设备行程的限制,补偿负载受储能装置压力的限制,且需要配备额外体积庞大的辅助装置等问题[3]。国内针对主动式波浪补偿系统的研究主要处于实验和仿真阶段[4]。
本文提出的“基于行星传动的主动式波浪补偿系统”采用一种全新的补偿方式,利用行星传动机构的调速特性,将波浪补偿功能集成于吊装起重机上,将所有机械系统整合于一台行星传动调速器上,无需其他辅助装置,采用基于前馈补偿—反馈校正的波浪补偿复合控制方法实现主动式波浪补偿。
1 基于行星传动调速的波浪补偿系统工作原理
基于行星传动调速的主动式波浪补偿系统由控制系统、检测系统、电液伺服驱动系统和机械执行系统等四个子系统构成,如图1所示。
控制系统由硬件开发平台和软件系统构成,根据补给装置输入量、船舶姿态运动量和反馈量,通过一定的控制算法实现对电液伺服系统的控制。
检测系统由高性能传感器及数据处理单元构成,实现船舶姿态运动、绳索张力以及重物位移、速度等信号的实时检测。根据驱动控制量的不同,液压驱动系统分为主驱动电液伺服系统和副驱动电液伺服系统,分别输入主控信号(即补给装置输入量)和补偿信号。
机械执行系统则由行星传动调速卷扬机、离合制动器、绳索、滑轮组及起重架等组成,是实现物资补给的最终装置。
波浪补偿起重机需要实现平稳吊装作业功能,因此必须补偿由波浪引起的两船相对速度,该补偿速度的大小等于两船因波浪起伏引起的相对速度。基于行星传动调速的波浪补偿系统基本工作原理为:主驱动端的控制与普通液压起重机相同,副驱动端(实现绳索始终张紧的波浪补偿驱动端)用来实现波浪补偿功能;当两侧液压马达同向驱动时卷扬机转速增加,当两侧液压马达相互反向驱动时卷扬机转速降低;在正常工作状态下使用主驱动完成正常的升降工作,当海浪波动较大时,启动副驱动便形成波浪补偿系统,使得绳索始终处于张紧状态。具体工作过程如下:
(1)检测系统检测到两船舶姿态运动参数、起重绳索张力和重物运动参数,将数据传递给控制系统。
(2)控制系统根据补给速度参考信号、船舶姿态运动信号和反馈信号,经控制器运算后输出各种控制信号,分别控制主副驱动电液伺服系统。
(3)电液伺服系统根据控制信号决定比例阀的开口大小和方向,进而决定液压马达的转速和转向,机械执行系统通过行星传动调速器完成补给速度vS和补偿速度vC的合成运算,实现波浪补偿功能。
(4)检测系统不断将检测到的载荷以及船舶实际姿态运动参数、起重绳索张力等信息反馈给控制系统,控制系统根据误差和误差变化率的大小再计算出下一周期控制信号的大小,并将其传递给电液伺服系统,进行下一周期的控制。
2 基于前馈补偿—反馈校正的波浪补偿复合控制策略
主动式波浪补偿控制系统的目的是保证重物在波浪起伏的海况下从补给船平稳地吊装到被补给船上。所谓平稳,具体体现在两个方面:一是重物的绝对速度不出现急剧变化,起重绳索张力波动不大;二是重物起吊、着落时对甲板的冲击尽可能小。根据控制目的及行星传动调速波浪补偿系统的工作原理,控制系统设计的基本思路是:利用行星传动调速器进行主控信号和补偿信号的分开处理与复合控制,实现波浪补偿;利用高性能DSP控制器实现控制算法和数据处理[5]。以船舶相对运动信号作为前馈补偿信号,以重物相对被补给船的速度、位移和起重绳索绳张力信号作为反馈校正信号,实现控制系统前馈补偿—反馈校正的复合控制。
图2所示的控制结构框图表示波浪补偿控制系统方案。其中,R(z)为补给船吊钩的理想运动曲线;Gm1(z)为主驱动部分(电液伺服驱动系统和差动行星轮主传动部分)的传递函数;Gm2(z)为副驱动部分(电液伺服驱动系统和差动行星轮副传动部分)的传递函数;Gw(z)为卷扬机的传递函数;Gs2(z)为卷扬机到滑轮之间(绳索和滑轮)的传递函数;Gs1(z)为滑轮到重物之间(绳索和重物)的传递函数;L(z)为重物的状态;C(z)为补给船和被补给船的相对运动姿态; HPID(z)和HVMP(z)为所要设计的控制器;T(z)为载荷产生的扭矩;M为载荷质量。
2.1反馈控制策略
图3为反馈控制传递函数框图。其中,Rv(z)为rv(t)的Z变换(余同),rv(t)为控制系统参考输入量,为给定的补给速度,由其产生的闭环输出响应yv(t)为重物的实际补给速度;T为绳索张力;N(z)为张力变化值;控制器H的作用一是实现给定补给速度rv(t)的跟踪控制,二是把绳索张力T作为一个反馈控制的辅助手段,从绳索张力T中剔除由于补给船加速度的变化导致的张力变化部分(设为Te),通过修正给定的补给速度rv(t),使得重物在下降过程中绳索张力T的变化幅度控制在一定的范围内,并且重物与甲板接触时Te不发生急剧的下降,从而避免对被补给船形成冲击。
反馈控制系统的闭环输出传递函数为
2.2前馈控制策略
主动式波浪补偿控制系统的目的是要补偿由波浪造成的重物与被补给船之间的相对运动速度,使重物按照给定的补给速度向被补给船甲板降落。要达到这个目的,必须获得补给船和被补给船之间的相对运动姿态c(t),由c(t)产生的系统输出响应为yc(t),系统的前馈控制框图见图4。
由图4所示的控制框图可得前馈控制传递函数为
前馈控制的目的是使船舶姿态相对运动量c(t)所导致的系统输出yv(t)为零,从而使得货物能够在反馈控制器的作用下不受波浪的干扰,相对被补给船匀速下落。也就是说,在前馈控制器的作用下,使得前馈传递函数Yv(z)/C(z)=0。
3 波浪补偿数学模型
3.1液压马达
液压马达转速的计算公式为
n=q/Vm (3)
式中,n为液压马达的转速;q为液压系统的流量;Vm为液压马达的排量。
实际工程中,考虑液压马达确定后其排量Vm便唯一确定,得知液压马达的转速n为输入流量q的一元函数关系式,可将式(3)改写为
n∝fq(q) (4)
流量q由伺服阀的输入电流和系统压力决定,流量方程为
q=KQI-Kcpf (5)
式中,I为伺服阀的输入电流;pf为系统压力,对特定的波浪补偿系统,为保持液压系统工作的稳定性,通常设定为一具体恒定值;KQ、Kc分别为与系统结构有关的系数。
式(5)实际为因变量q和自变量I的一元关系式,可改写为
q∝fI(I) (6)
3.2行星传动调速器
如图5所示,图中,a为太阳轮,b为内齿圈,g为行星轮,H为行星架。假设行星传动调速器输入转速为na、nb,输出转速为nw,则理想输入输出关系为
式中,za、zb分别为太阳轮a与内齿圈b的齿数;Rw为卷扬机滚筒半径;vw为输出线速度,即绳索始端速度。
3.3波浪补偿变量传递关系
由检测系统可得到以下变量:绳索张力变动量ΔT ,被补给船与补给船之间的相对升沉运动速度变动量Δυ ,绳索末端重物升降速度变动量Δvw 。
按(ΔT,Δυ,Δvw)确定的三维向量考虑,则存在传感器输出信号量ξ,使得
ξ∝Fξ(ΔT,Δυ,Δvw) (8)
式中,ξ为传感器输出信号量矩阵;Fξ为传感器组的特征变换函数结构矩阵。
已知检测信号量(ΔT,Δυ,Δvw)、补偿期望目标值(υs,Ts)(即设定误差),可由控制系统求解器得到确定的控制量矩阵——向量值(I,q,n,…),写成结构关系式即为
I∝FDSP(ξ,υs,Ts) (9)
式中,I为电液伺服系统的控制电流向量;FDSP为DSP特征变换函数结构矩阵;υs为速度补偿期望值;Ts为张力补偿期望值。
因此,波浪补偿系统在一次信号调制过程中的变量传递关系表现为以下过程:
(ΔT,Δυ,Δvw)⇒式(8)⇒式(9)⇒式(6) ⇒式(4) (10)
波浪补偿系统按式(10)完成一个循环的信号调制、变量传递,实现一个周期的波浪补偿,如此反复循环。联立式(3)、式(6)、式(9),整理即得到波浪补偿系统变量特征传递关系:
式中,T0为循环周期时间长度; k为循环周期数量。
4 行星传动调速波浪补偿样机
4.1行星传动调速器
原型试验样机所用行星传动调速器基本齿轮参数如下:模数m=2,齿形压力角α=20°,行星轮齿数zg=29,太阳轮齿数za=19,内齿圈齿数zb=77。设计绳索滚筒直径为164mm,滚筒宽度为65mm,行星架回转直径为48mm。其余结构件尺寸设计以上述参数为基础,充分考虑连接、承载能力特性要求等条件,设计并试制的行星传动调速器如图6所示。
4.2电液伺服驱动系统
基于行星传动调速的主动式波浪补偿液压驱动系统控制回路如图7所示,它主要实现起重和补偿两个动作的功能控制。其中波浪补偿回路是最重要的,其本质是一个电液伺服系统,基本参数如下:系统压力6.3MPa,马达转速0～160r/min,马达输出扭矩50N·m,稳态精度不超过5%,响应时间不超过0.4s。
4.3船舶姿态检测系统
基于行星传动调速的波浪补偿检测系统组成如图8所示。检测系统主要完成两方面的信号检测:
(1)船舶运动姿态信号检测。补给船A和被补给船B分别安装加速度传感器,检测各自的升沉和纵摇运动状态。
(2)补给装置反馈信号检测。反馈信号包括重物相对于被补给船的速度信号、绳索张力信号。
5 试验验证
如图9所示,基于行星传动调速的波浪补偿原型样机试验系统由行星传动调速卷扬机、船舶姿态模拟平台、DSP控制器、液压马达和传感器等组成。
船舶姿态模拟平台要求能够实现升沉和倾斜两个自由度的运动,用来模拟甲板的升沉和纵倾。升沉运动采用正弦机构(曲柄滑块机构)来实现,倾斜运动采用凸轮机构实现。升沉为正弦运动,幅值为±0.6m,周期为5～10s;倾斜角度为0～5°,周期为5～10s。
5.1动态特性试验
动态特性试验的目的是通过在“理想状态”下测试原型样机对阶跃信号和正弦信号的响应,得到原型样机的响应时间、稳态误差等动态特性参数,从而验证电液伺服系统的控制原理和控制算法的正确性。其中“理想状态”是指:假设调速器无传动误差,波浪起伏引起的船舶相对运动速度为理想状态下的阶跃输入和正弦输入。
(1)对阶跃信号的响应。
使用信号发生器给伺服阀输入一个阶跃信号,通过旋转编码器测量行星传动调速器两输入端的转速,得到原型样机对阶跃信号的响应,如图10a所示。可以看出,主动式波浪补偿系统对阶跃信号的响应曲线是无超调的,响应时间约为0.5s,稳态误差小,满足设计指标要求。
(2)对正弦信号的跟随。
使用信号发生器在伺服阀的输入端输入一个正弦信号,通过旋转编码器测量行星传动调速器两输入端的转速,得到原型样机对正弦信号的跟随情况,如图10b所示,可以看出,液压伺服系统对正弦输入信号的响应较好,跟踪时滞约为0.2s,满足设计指标要求。
(a)对阶跃信号的响应 (b)对正弦信号的响应
(3)正弦信号输入下绳索张力变化。
使用信号发生器在伺服阀的输入端输入一个正弦信号,通过张力传感器测量绳索的张力,得到绳索张力对正弦信号的跟随情况,如图11所示,可以看出,张力在一定范围内波动,绳索始终保持在张紧状态。此外试验还表明,绳索张力的变化除了与系统动态特性有关外,还与绳索的材料等属性有关。
5.2波浪补偿试验
为了验证波浪补偿效果,通过原型样机试验系统进行了多种条件下的波浪补偿试验。
设计波浪补偿系统作业过程的补给速度曲线,分为加速启动、稳定运行和减速制动过程。其中,匀加速启动时间1s,减速制动时间0.1s,稳定运行速度为0.5m/s,如图12所示。图13所示为波浪补偿系统运行全过程的试验结果曲线,运动干扰信号频率为0.2Hz。在不同频率(低频f=0.05Hz,高频f=2Hz)的船舶运动情况下进行了波浪补偿系统稳定运行试验。
(a) 重物速度曲线 (b) 绳索张力曲线
5.3试验结果分析
在试验过程中,采用了图12所示的补给速度控制曲线。考虑补偿系统对快速制动要求很高,因此曲线的速度下降部分变化很快。图13表明波浪补偿系统的启停控制效果良好,响应时间为0.18s,速度稳态误差仅1.5%,张力稳态误差仅为1%,完全符合原型样机技术指标要求。
从图14和图15可以看出,补偿系统在稳定运行过程中,船舶运动信号对补偿效果和系统控制性能影响很大。在低频条件下,系统能高精度地补偿船舶运动干扰,而在高频条件下重物呈现微幅振荡,绳索张力也变化频繁,此时系统的补偿精度降低。在高频f=2Hz的情况下,速度误差范围小于10%,绳索张力变化范围小于7.5%,因此仍然符合设计要求。
(a) 重物速度曲线 (b) 绳索张力曲线
(a) 重物速度曲线 (b) 绳索张力曲线
在真实海况下,船舶的运动频率偏低,因此对整个系统而言,波浪补偿效果比较满意,试验结果基本能够满足波浪补偿系统控制需要。
6 结论
(1)本文设计的基于行星传动的波浪补偿系统能及时跟随模拟波浪的运动变化。
(2)原型样机在波浪补偿的过程中,绳索始终有张力存在,绳索不会出现松弛现象。
(3)按照本文提出的设计理论和分析方法建立的基于行星传动调速的波浪补偿系统基本满足复杂海况条件下吊装作业的要求。
参考文献
[1]Drevdal K E.Active Heave Drilling TM-a NewStandard in Heave Compensation Technology[S].HITEC,2001.
[2]Sagatun S I,Johansen T A.Wave SynchronizingCrane Control during Water Entry in OffshoreMoonpool Operations-Experimental Results[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,2003,28(4):720-728.
[3]Otani A,Yoshitomi T.Vertical Seismic Response ofOverhead Crane[J].Nuclear Engineering and De-sign,2002,212(1/3):211-220.
[4]贺可太.海上波浪补偿起重机控制研究[D].北京:北京航空航天大学,2000.
样机设计 篇10
黑龙江垦区是我国的粮食主产区,广袤的大平原耕地集中连片,特别适合集约化、规模化和大机械化作业,但是农田杂草的控制技术一直是制约大农业可持续发展的难题。传统的杂草控制方法就是靠人工除草或者采用化学药剂来灭草。人工除草劳动强度大、耗时费力和作业效率低;化学药剂往往又因为土壤旱涝或作业后下雨而达不到预期的效果,从而造成经济上的损失,而除草剂的残留毒性给作物和土壤造成一定的化学污染与环境污染,这与农业可持续性发展宗旨相违背[1,2]。因此,机械除草作业是旱作农业可持续发展的一项关键性生产技术。虽然我国中耕机的研制起步较早,但是配套动力小,机具功能单一[3,4,5,6]。随着我国对大功率拖拉机复式作业装备需要的增加,目前现有机具已无法满足实际作业的要求,国内与之配套的复式中耕机尚处于试制阶段。本文参考国内外中耕原理,设计了一种新型的低成本、自动化程度高和中耕效率高的复式中耕机。采用虚拟样机VP(Virtual Prototype)技术对复式中耕机建立虚拟样机模型,进行其外形设计、运动仿真、加工过程仿真和整机性能仿真。通过运动仿真和动态干涉检查,在无需制造物理模型的条件下,检验和优化设计方案,以缩短与大功率配套的复式中耕机的开发周期,提高设计质量,实现技术先进性与实用性的统一。
1 全方位复式中耕机的结构与原理
1.1 基本结构
3ZQF型全方位复式中耕机由中耕仿行单体、除草单体、施肥器单体、地轮总成、机架、肥箱、中间传动、张紧装置和悬挂架等组成,如图1所示。
1.培土器 2.中耕仿行单体 3.深松铲 4.除草器单体5.机架 6.肥箱 7.液压油缸 8.中间传动 9.施肥器单体10.张紧装置 11.地轮总成
1.2 工作原理
3ZQF型全方位复式中耕机是集中耕仿行单体、螺旋梳齿除草器和划刀组合式施肥器于一体的,配套大型拖拉机悬挂作业,能一次完成7～9行大豆(玉米)松土、除草和侧深施肥的大型耕作机械。其工作原理:机具随拖拉机顺垄作业,整机以两个地轮(11)作为驱动动力,以链条进行传动;先以链条将动力传递给中间传动轴(8),再由传动轴将动力分配给每个除草单体(4)和肥箱(6)下部的槽轮式排肥器,进行旋转除草和侧深施肥作业;中耕单体随平行四杆仿行机构(2)作松土和培土作业,进而完成整个中耕过程;液压油缸(7)调整地轮相对机架位置,确定所需深松和侧施肥深度。
1.3 工作性能指标
3ZQF型全方位复式中耕机生产率为4～5hm2/h;配套动力为59.2～88.4kW(拖拉机);适应垄距为60～70cm;作业行数为7行;速度为6～8km/h;松土深度为15～25cm;施肥量为75～100kg/hm2;梳齿轴间距为20cm;齿迹间距为5.4cm;行间除草率≥95%;苗间除草率为≥75%;伤苗率≤5%。
2 全方位复式中耕机的关键部件设计
2.1 中耕机单体结构
中耕机单体结构如图2所示。中耕前体(5)与机架相连,后框体(2)与前框体(5)之间通过四杆仿形机构(4)相连,再加上两侧平衡弹簧(3)的回复特性,即可以完全适应田间作业的工况。整体大部分构建由钢板焊接而成,在满足精度的情况下可节约大量成本。深松铲(6)通过刀库与中耕前体连接,通过销钉和凹槽配合来调节入土深度,通过丝杠(7)可以微调节仿行轮(8)与培土器(1)之间的垂直高度,即改变所需的培土高度,满足中耕作业的实际要求。
1.培土器 2.中耕后框体 3.平衡弹簧 4.平行四杆5.中耕前框体 6.深松铲 7.调节丝杠 8.仿行轮
2.2 除草器结构
除草机具有随机间苗式、选择间苗式和专用间苗等3种结构形式。根据整机配备和农艺要求,除草器单体设计成螺旋梳齿式,如图3所示。整个除草单体通过箱体上的两个连接杆(3)吊装在机架上,两锥齿轮箱(4)嵌套在带键槽的驱动轴(5)上,由链轮带动驱动轴(5)旋转,然后通过两对锥齿轮的配合来实现动力传递。两对锥齿轮又由两个独立的箱体装配,齿轮箱可通过箱体上的调节手柄(2)来调节箱体间的距离,实现两除草单体轴(7)之间距离的调整,满足苗行距不一致的要求。
1.外壳体 2.调节手柄 3.连接杆 4.齿轮箱5.驱动轴 6.锥齿轮 7.除草单体轴 8.软连接
2.3 施肥单体结构
施肥单体结构采用划刀组合式,如图4所示。划刀式开沟器(4)工作幅宽较小,不至于开出过宽的肥沟,避免影响作物的根系生长。开沟器通过调节杆(2)固定在刀库(3)中。改变调节杆在刀库中的位置,就可以实现施肥深度的微调节。输肥管与施肥管(1)连接,在施肥管的下端设计成变径管,用于缓释尿素颗粒肥下落和防堵。加装分施板可以实现肥料分施,并保证施肥量和施肥深度的准确。
1.施肥管 2.调节杆 3.刀库 4.划刀式开沟器
3 基于Pro/ E 的三维实体造型设计
实体模型是通过创建基本形体特征而完成的,即实体模型是特征的叠加。
零件特征的创建是一个2D截面特征到3D实体特征的过程,所以首先是2D草绘。2D图形描述结束后,便可利用拉伸、旋转、扫描、混合、混合扫描和螺旋扫描等实体建构特征来对实体的主要特征来进行建构。当实体的主要特征建构完成后,就可以利用倒角、圆角、壳和打孔等工具对局部特征进行编辑,最后完成整个实体的设计,部分零件如图5所示。
根据分析中耕机的整体结构特点,初步认定中耕机为重复单体等距装配的一个整体。为此,应该从重复的单体建模开始(如图2和图3所示),然后再将重复的单体作为一个整体,把机架作为“地”来进行装配。其间可把asm组件文件另存为igs文件,然后再消除彼此装配关系,转化成prt文件,这样就可以和其他零件一起来进行下一个asm的装配。
4 装配体的参数化特征建模
4.1 装配体的形成过程
装配设计首先应该考虑的是装配顺序的问题。首先应该确定装配“地”,而其他的组件都要转配在“地”上,这样才会实现对其正常的自由度约束。在装配期间,应该随时注意对自由度的限制,即提示栏的装配状态,从而保证之后的仿真过程不会出现错误。总装配如图6所示。
4.2 装配关系
Pro/E的装配关系大体可以分为“死装配”和“活装配”两大类,这对后期的运动仿真十分重要,因为仿真运动是基于动力在自由度之间的传递来实现的。在适当的自由度上施加伺服电动机,就可以让动力在合理的自由度间传递。当装配“地”时应以缺省关系装配,其自由度为0,是装配体中放置其他零件的基准;在中耕机的装配过程,机架就是所谓的“地”。其他组件的装配都是以“地”为基础的。
4.3 修改设计
装配的修改十分人性化,设计者可以在组件中直接打开零件文件来进行修改,而其装配关系、尺寸和方向也会随着零件的改变而马上做出反应。装配关系的修改比较复杂。对于“死装配”,前一个组件的装配对以后的装配都有着很大的影响;但在“活装配”中,改变组件的位置后,其后安装的组件将随其位置的变化而产生相应的变化。
5 基于 Pro/ E 的中耕机运动仿真
5.1 伺服电动机的设置
首先,进行伺服电动机的施加,因为整机的动力的都源于被拖拉机牵引前进时地面摩擦力引起的地轮转动,然后经过链传动到达中间传动轴,再由中间传动轴传往各个除草器和排肥器,伺服电动机应该施加在地轮上。但由于链传动在Mechanism模块的模拟相对来说比较复杂,更不能进行链条的配合,因此只能在各驱动轴上再施加两个同样转速的伺服电动机,才能保证仿真运动的顺利进行。
5.2 机构分析及仿真结果
当伺服电动机设置完成后,就要开始进行机构分析。机构分析可以验证仿真的可行性以及观察机构是否出现干涉,并可以生成分析文件进行回放,为后期的研究提供根据。在这里,可以设置总共生成的帧数和每帧时长,从而可以确定后期完成的仿真结果。仿真过程如图7所示。
5.3 运动结果处理
5.3.1 机械运动性能分析
打开回放窗口可以控制回放速度,并反复播放,还可将总装配体随意放大或缩小,从不同的角度进行观察。若把外部设置为隐藏,还能观察到内部零件的运动状态,直观地了解系统的动态特性,并对各运动构件进行运动和运动副的关系分析,检测机械运动是否达到设计要求,对不合理的参数进行修正。
5.3.2 动态干涉检查
在回放期间进行动态干涉检查,在“模式”区域中选择“全局干涉”类型,在“选项”区域中选择“停止回放”,如图8所示。回放时,检测装配体中所有元件的干涉情况,检测到干涉时,干涉区域加亮并停止回放,对产生干涉的零件进行修改,再继续检查,直到所有运动状态无干涉为止。依此结果制造出的实物产品在运动时就不会发生干涉。
6 结果与讨论
本文是选用集成化的PRO/E软件建立中耕机样机的零部件模型,并利用其MECHANISM模块对样机进行了运动仿真。在一些假定条件下,从理论上模拟真实机械的运动过程,不能完全代表复式中耕机的实际运动,但为揭示3ZQF型全方位复式中耕机的运动特点、检查设计参数的合理性与工作性能以及在避免制造装配后的零件出现偏差提供了参考。本文采用虚拟样机技术,建立样机的虚拟数字模型,通过动态干涉检查和运动分析,可缩短实际物理样机的开发周期,降低开发成本,同时提高设计质量。
参考文献
[1]王宏富,韩忻彦.中国农田杂草可持续治理的现状与展望[J].山西农业大学学报,2002,22(3):274-277.
[2]李江国,刘占良,张晋国,等.国内外田间机械除草技术研究现状[J].农机化研究,2006(10):14-16.
[3]徐瑞良.立旋式水稻中耕机的研究设计[J].农业机械学报,1981,12(4):29-34.
[4]张惠友,侯书林,董欣,等.XQ-7型驱动式中耕除草复式作业机[J].东北农大学报,1998,29(1):62-67.
[5]刘国平,孙仕明,成学思,等.3ZS-2型中耕除草机的研究设计[J].农机化研究,1999(2):49-50.
[6]刘晓芳,刘丽,谭振军,等.5XSC-50型手抚松土除草机的研究与设计[J].辽宁林业科技,2002(4):22-23.
[7]廖宇兰,成元营,张燕,等.基于P r o/E的中耕机三维造型设计[J].东华大学学报,2008,34(3):291-295.
[8]鲁聪达,朱永强.基于Pro/E特征建模研究与实现[J].机床与液压,2004(5):59-60.
[9]王贤坤,陈淑梅,陈亮.机械CAD/CAM技术应用与开发[M].北京:机械工业出版社,2001:69-70.
火车移动采样机同步摔制技术 篇11
通常情况下，我国最早的火车移动采样机只能以被动补偿的方式进行采样，虽然可以满足一些工作的需求，也替代了手工采样，确实提升了工作的效率，但整体来看，该方式还是存在着很多的问题，尤其是其补偿方式采样会使得采样器逐渐地倾斜，进而插入到储煤中，严重地影响实际的工作效率，也会造成采样深度不足以及采样点的越界位移的问题，进而影响整体的样品代表性。采样设备的不配套以及专用设备的缺失是目前影响采样工作机械化的主要制约因素。笔者所在的单位火车上有采样机两台，采样轨道达到了六十米，具体的型号为XR-QCYl50门市采样机直插铲筒式。文章结合实际的工作和业界理论的发展，以单位火车实际情况为例，笔者展开了相关分析。
同步移动采样机控制系统的整体设计
火车同步移动采样机的控制系统主要包括专用的伺服控制系统、测速的传感器及测速的雷达、以及其他的相关硬件、样点布置软件和同步追踪软件。对于其整体运转而言，同步追踪是其是具体的实现。在具体的过程中，首先要对其速度以及方向等指标进行输入的控制，再对采样点进行计算，同时在这个环节也要控制好伺服器的速度控制；控制系统根据车厢所运行的速度自动布置采样点，实时地对相关数据进行控制和调整，比如速度以及方向等指标；达到了与采样期间列车同步随动的状态，就基本满足相关业务的需求。
结合技术的角度来看，笔者所在单位的火车控制系统主要的中心部件是PLC的设施，与之相互联系的部件包括PC操作台、实际操作台、采样头、小行车、闸门控制指令输出、伺服电机、同步追踪系统、以及相关数据的记录和控制器。下文将结合这些内容展开分析。
控制系统的性能要求。在控制系统的之中，需要有UPS电源保证其真实的电力供应，对于电源的要求，要保证其十分钟之内断电不影响整体的数据处理及报警信号的有效输出，特别是装车站故障連锁信号不会失效，否则将会造成很多的问题。笔者所在单位的火车控制电源按实际的负荷分级可以分为具体的A类PLC、PC操作站和连锁信号用电源；B类故障报警设施、测速雷达及声纳探测器电源；c类包括单体设备控制、失速开关等电源。控制系统必须有危险保护控制的措施，如果出现任何问题应当能够立刻做出实际控制。
笔者所在单位的火车移动采样还具有以下的功能：首先，它结合了左右两侧的双伺服电机驱动方案，非常有利于整体的传动系统布置；它还可以自动的获取火车的速度方向进而可逐步的建立起十八点循环采样点位置和随动速度，辅助相关人员展开具体分析；可实现全断面的采样或分层采样，可为科研项目积累大量可靠的数据；可自动识别空车、K型车以及高位车厢；对于单体设备可以执行手动控制；具备了整体的软限位、装车站信号连锁保护功能；可以实时监测单体设备的运转状态、采样进程、归档不同没种类的采样信息和对于故障的报警等。
控制系统的主要参数。笔者所在单位的火车控制系统的主要参数包括以下几项，在总负荷方面大致为30kw，在行走速度方面为0.01-1.5米每秒，在同步精度方面大致为±1毫米，在响应时间方面的数据大致为小于10毫秒，在最小采样循环周期方面则为小于40秒，在防护等级方面则为防尘防水的IP65级。整体的性能数据指标比较的高端，可以满足日常的各项业务需求。
同步追踪关键技术
伺服同步控制系统的整体作用就是保持火车整体的两个轮能够同步地运行以及处理数据，且可以随着车厢的主体共同地移动，进而避免其在具体的行进过程中出现各类的偏移。其中的采用位置、速度控制等技术，可以辅助整体实时的绘制出各类别的数据曲线和图表，在四象限的工作区域内驱动实际的交流伺服电机，进而保证其加速、制动、翻转、瞬时调解等工作等都能满足需求。伺服同步控制其必须有足够的精度，尤其是在相应火车速度和实际的方向变化方面，否则将会造成指挥错误。
主动追踪。接触式速度传感器或者测速雷达在输入的时候，瞬间的速度可以很高，且对于其速度和方向的对应来说也需要精确的计算点，以及基础参数做依据；分析系统结合数据的处理分析，可以自动的生成采样机的绝对位置、采样机与车厢的相对位置，以及各类所需的速度方向等关键的指标，结合国家标准GB/T19494-2004的相关要求对其格式进行处理。在具体的采样实际操作中，控制系统要实时的调整左右两侧的伺服电机，保证其速度和方向的正确性和可操作性。
笔者所在的单位火车对主动追踪性能的要求包括以下几项。首先是对于其同步设计精度要求为±1毫米，在具体的过程中不可出现任何地采样器倾斜或者踩空现象；在采样机实际位置的数据控制方面，偏差不可以超过5厘米，且必须要避免对样品的实际扰动和影响的；在速度补偿旋钮，要结合具体人工修正的方式，对于不利于火车设施行驶的地段进行修正。这些要求都是非常具体的，对于火车移动采样机同步控制而言非常关键。
被动补偿。所谓被动补偿，主要是为了防止同步偏差的出现而采取的一个措施。如果在行驶的过程中确实需要因为速度偏差而导致采样机与车辆发生未知偏移，此时必须需要调整的，该措施实际的效果就会得到体现。螺旋采样器倾斜或者采空也会造成同样的问题。在采样头煤体停止时间过长的时候，采样器会发生各类的倾斜、进而激活保护的程序，这时需要结合具体被动补偿技术来做出适度的调整。
笔者结合实际的工作来看，从生产效率角度入手，被动补偿必须要考虑到实际的平衡，尤其是对于平衡质量的考虑。在火车底部有支撑框架，在其上需要放置着平衡质量块和硅片台宏微驱动，在其之间则采用气体浮动支撑方式，被动补偿系统则被安放在了支撑框架和其气体浮动支撑装置的中间，保证其整体的效用。对于火车的被动补偿而言，平衡质量系统是双工件台系统中承上启下的一部分，是位于支撑框架与硅片台宏驱动系统之间的部分，对于整体的控制有着重要的影响作用。在实际建设过程中必须对于相关的设施赋予足够的重视，保证整体运行的稳定性和持久性。
采样过程保护。所谓采样过程保护，指的是结合火车移动采样机同步控制而开展的过程保护活动，在发生采样机靠近限位点或采样器严重倾斜的情况时，就会立刻启动时机的连锁保护程序，使其避免停车的因运动而产生太多的位移，进而出现危险情况发生。在实际的采样机发生打滑而冲出了限位点的时候，最终起到保护的作用。手动泵也是其中重要的保护措施。具体的保护过程相对较为具体，都是结合各类可能出现的情况而设计的。整体的保护对于火车移动采样机同步控制是非常关键的，需要相关人员提起足够的重视。
同步追踪关键设备。同步追踪指的是装车站以实际的速度变化时，根据不同的需求侧出各类的实际数据项，进而保证采样机与设计的速度、方向同等运行，如果采取固定的速度运行则不需要对同步追踪关键设备进行追踪。速度信号源整体包括装车站的调整速度反馈信号、直接测量速度传感器信号、低速测速雷达信号等。
装车站调整速度反馈信号：装车站调整速度反馈信号不可以随时反应车厢之间的间隙、列车运行及相关情况关键的数据，如果对于各类数据的监测变得缓慢，则会严重的影响整体的进展。所以必须提高对预装车站调整速度反馈信号传递的性能。
低速测速雷达：该设备多使用波多普勒效应，来具体的对相关的指标测量。笔者所在单位的火车采用的是配套研制的8毫米测速雷达默契工作频率达到了39.65±0.3GHz，作用距离大致是3米至10米，测速的精度可以达到0.01千米每小时，而输出的信号在4Ma至20Ma之间。
直接测量速度传感器：接触时速度传感器是火车同步移动采样机是重要的速度、方向控制单元，具体包括壳体、线的速度识别单位和脉冲控制单位等。其中的摩擦耦合系数包括因摩擦耦合而导致速度偏差。而传感器线的速度转换成电脉冲信号传递到十几单元，对于运动方向和目标的测试也需要预置出口才可以实现。除了硬件方面的设置之外，在实际工作中还必须结合实际的需求，大力开展各类的软件技术研究，包括对于十八点位置计算首次随机的研究、对于位置合适的研究、对于同步追踪控制块的研究等。
样机设计 篇12
关键词：煤矿,变频器,设计
1 研究背景
目前我国仍以一次能源作为主要能源, 特别是国际上出现石油危机以来, 我国政府决定“以煤代油”, 对煤炭进行深加工, 综合利用, 故煤炭的需求量不断增加。随着采、掘、运设备的装机容量也不断增大, 对二次能源的电能消耗也随之增加。为了进一步提高设备运行的可靠性, 节能增效, 许多矿务局要求在煤大型设备上采用变频调速技术, 以解决:a.节能问题;b.设备的高精度转矩控制;c.净化环境, 安全生产的问题。同时, 由于我国电力仍然短缺, 已经成为制约生产发展的重要因素, 合理开发和利用能源已迫在眉睫。煤矿用的通风机、水泵和空气压缩机, 电源浪费较严重, 需重点治理。治理首选的措施, 就是采用变频调速, 既可减小启动电流, 又可增大启动转矩。交流变频调速技术是在二十世纪八十年代开始蓬勃发展起来的。八十年代末, 交流变频调速技术开始用于电牵引采煤机, 并取得十分理想的效果。随着电气传动领域发生重大的技术变革, 交流调速技术获得了飞速发展, 具备了良好的调速特性和节能效果。变频器由初期的变压变频调速方案, 到目前的矢量控制、直接转矩控制使变频控制不仅具有稳态的控制特性, 而且具有良好的动态性能可以与直流调速系统相媲美, 解决了皮带输送机、刮板输送机、绞车、提升机等低速大扭矩的控制场合。
2 变频调速的优势
与煤矿上的传统传动装置而言, 变频调速方式有如下优点:a.变频系统甩掉了原电控调速用的交流接触器及调速电阻, 提高了系统的可靠性, 改善了操作人员的工作环境, 使噪音及室温降低了很多。b.调速连续方便, 分段预里, 能连续平滑调节。c.实现了低频低压的软启动和软停止, 使运行更加平稳, 机械冲击小。d.启动及加速过程冲击电流小, 加速过程中最大启动电流不超过额定电流的1.3倍, 提升机在重载下从低速平稳无级平滑地升至最高速, 也没有大电流出现, 大大减小了对电网的冲击。e.增加了直流制动功能, 使重车停车时更加平稳, 有效避免了“溜沟”现象。f.采用能耗制动、回馈制动或超级电容吸收技术, 成功解决了位能负载在快速、减速或急停时的再生发电能量处理问题, 保证了变频器的安全运行。g.转矩补偿达到规范要求, 重车启动正常。h.节能效果显著。据实测, 在低速段节能明显, 一般可达到30%左右。矿井越浅, 低速段运行时间越长, 节能效果越明显。i.采用变频控制后, 原绕线式电机可改为普通电机, 这不但降低了成本, 普通电机比绕线式电机可节约投资1/3, 而且避免了转子碳刷的烧损及维护。由于这些特点, 使变频调速技术的应用, 产生许多优良的效果, 如可使风机、泵类机械根据要求流量调节转速, 节约大量的电能, 又可根据负载调节并降低转速, 以减小机械和风的噪声;对于输送机可实现平滑加速、减速, 产生性能优良的软起动效果, 特别是重负载起动时, 可提升输出转矩, 产生普通软起动器所不能起的效果, 由于采用了对设备不产生冲击的起动、停止和空载时低速或高速运行, 可增加设备的使用寿命。
2.1 电机的数学模型。
三相交流异步电机是一多变量、非线性、强耦合的高阶系统, 按照惯例, 为了建立数学模型, 一般对三相异步电机做如下假设:a.三相定子绕组和转子绕组在空间对称分布, 即在空间上相差120°的电角度;定子和转子各自每相绕组的电阻、电感参数均相同。b.定转子间气隙均匀, 气隙磁场呈辐射状, 忽略齿槽效应和端部效应, 各相电流所产生的磁势在气隙空间呈正弦分布。c.磁饱和及铁芯损耗忽略不计;假定铁心的磁阻为0, 磁导为无穷大。d.不考虑温度、电感和电阻等参数变化的影响。
2.2 坐标变换。
由于三相坐标系中电机数学模型的非线性和强耦合性, 分析和求解这组非线性方程是十分困难的。根据电机过渡过程的理论, 可以通过坐标变换使之简化。它的基本思路是将三相异步电动机等效为空间上相差π/2的两相电动机, 并由此推导出电机的状态方程。因为电机的机电过程是通过磁场而作用的, 只要变换前后的磁场不发生变化, 电机的机电过程就不会发生变化。在电机控制中, 主要采用两种坐标系:a.α-β坐标系:这种坐标系是国定在定子上的直角坐标系。一般选择A相绕组作为α轴, 从α沿旋转磁场前进π/2方向作为β轴方向, 以产生同样的磁动势为准则, 以变化前后电压, 电流有效值不变为条件, 进行等效变换。b.d-q坐标系:这种坐标系是以同步转速旋转的直角坐标系, 以转子磁方向为d轴, 从d轴沿旋转磁场前进π/2方向为q轴方向。
2.3 矢量控制的原理。
矢量控制的思想是通过三相静止轴系ABC到两相静止坐标系轴系α, β再到两相同步旋转轴系d, q, 将异步电动机模拟成直流电动机控制。在d, q坐标系下面, 将定子电流矢量分解成按转子磁场定向的两个直流分量Id, Iq, 并分别加以控制。控制Id, 相当于控制磁通, 控制Iq相当于控制转矩。这样便将异步电动机的多变量强耦合的非线性系统进行了解耦控制, 实现了直流电机的控制效果。矢量控制的系统结构:反馈回的定子电流经过Ia, Ib经过CLARK变换, 变为在静止坐标系上α-β轴的两相电流Iα, Iβ。经过PARK变换得到d-q坐标系下的两相电流Id, Iq, 再经过转差计算环节得到转差频率, 加上转子频率后积分得到转子磁链的位置角, 作为下次旋转变换的变换角。采样电机实际转速进行速度环调节, 得到定子电流的力矩分量给定值。分别与实际采样值进行比较后得到d-q坐标系的电压分量, 再进行逆PARK变换, 得到α、β坐标系的电压矢量, 最后送入空间电压矢量PWM模块, 进行模块调制。
2.4 软硬件系统联调。
在硬件平台搭建的基础上, 各软件功能模块调试后, 便可以进行变频器的软硬件系统联调, 图1为实验设备。本设计先进行了开环V/F的调试, 在这基础上又完成了闭环矢量控制的调试。因为矿用变频器通常应用在速度低, 负载大的场合, 所以分别对开环和闭环进行了低速 (5HZ) 的带载实验, 来比较各自的性能。
结束语
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