辅助导向装置（精选7篇）
辅助导向装置 篇1
1 概述
在提高铁道车辆的曲线通过速度时, 必须考虑随着速度的提高, 轮轨横向力也会随之增大[1]。过大的轮轨横向力将引起钢轨的磨损, 并可能导致车辆脱轨。以往, 为降低轮轨横向力曾提出多种措施[2]。当车辆在曲线上运行时, 使轮对转向以扩大外轨侧轴距, 同时缩小内轨侧轴距, 使车轮沿着曲线的切线方向前进, 以这种措施降低轮轨横向力的转向架称之为径向转向架。
径向转向架大致可分为自导向式、半迫导向式及迫导向式。自导向式一般采取的措施是把轴箱的纵向刚度适当优化 (例如使轴箱纵向定位刚度降低一些) , 优化过程中兼顾转向架的曲线通过性能与蛇行运动稳定性[3]。自导向式的优点是能用最简单的结构构成径向转向架, 但缺点是降低轮轨横向力的效果有限。迫导向式则利用作动器驱动轮对, 以恰当地控制轮对的冲角。虽然迫导向式转向架降低轮轨横向力的效果最大, 但是, 当存在某些因素致使控制装置失效时, 则有可能产生逆导向动作 (审校者注:即过导向, 下文同) , 一贯注重安全性 (可靠性) 的日本铁路至今尚未应用这种迫导向方式。半迫导向式转向架的原理是, 车辆在曲线上运行时, 通过改变转向架与车体间的几何位移, 以及通过改变曲线通过过程中的超离心加速度等物理量, 利用机构实施轮对径向。利用机械拉杆传递转向架与车体间的相对转角, 给轮对提供转向角方式的迫导向转向架已经实用化, 能有效降低轮轨横向力[4]。但是, 该种迫导向转向架存在以下缺点:转向架结构复杂, 转向架制造成本及维修成本高, 此外, 转向架质量有所增加。
基于上述背景, 对不使转向架结构复杂化, 同时又能保证安全性的导向装置进行了研究。该导向装置是无摇枕转向架上已大量使用的辅助导向方式, 一方面维持轮对本身具有的自导向功能, 同时又限制了最大轮轨横向力, 通过补充和修正导向力, 从而提高车辆的曲线通过性能, 称其为辅助导向装置。一旦形成逆导向时, 能在确保安全性的范围内, 限制导向力的上限值, 从而可以确保导向控制的安全性 (可靠性) 。在研制辅助导向装置时, 注重避免转向架机械结构及控制装置的复杂化, 以尽可能用简单的结构组成径向转向架。下面介绍辅助导向装置的机械结构, 以及在铁道综合技术研究所专用试验线上的基础性试验结果。
2 辅助导向装置的机械结构
2.1 试验用转向架
对无摇枕转向架施加旋转导向力时, 可以采取2种方式, 即在车体和转向架构架间安装作动器 (利用作动器主动控制转向架构架) , 为转向架构架在旋转方向上提供导向力;以及在转向架构架和轴箱间提供轮对导向力, 使轮对沿曲线中心方向滚动。本文根据作动器结构力求简单的要求, 对在转向架构架和轴箱间安装作动器施加辅助导向力的导向装置进行了研究。
近年来, 转向架轴箱定位装置大多数采用拉板式和圆锥层叠橡胶式[5]。本次试验用转向架则采用单拉杆式。若对单拉杆式转向架中的单拉杆赋予作动器的功能, 则可以方便地在转向架构架和轴箱间施加导向力, 从而能够在较小的改动范围内构成辅助导向转向架。此外, 与拉板式转向架相比, 单拉杆式转向架的拉杆由于并不承担轴箱的横向定位力, 因此, 无需使作动器承载伴随轴箱横向位移而引起的弯曲力矩, 这是单拉杆式转向架易改装成辅助导向转向架的一大优点。图1为辅助导向试验用转向架的外形, 黑色圆圈内为处于安装状态的单拉杆。
2.2 通过曲线时的几何学研究
为确定辅助作动器的基本技术参数, 从几何学角度研究了轴箱纵向位移与转向架所通过的曲线半径之间的关系。在各种曲线半径的曲线上运行时, 为使车轮旋转方向面向曲线切线方向, 根据试验用转向架的轴距, 计算了必要的内、外轨侧轴箱的纵向位移。计算过程中, 假定内、外轨侧两轴箱完全反向移动, 并且轮对不会因作动器产生力而发生额外偏转。图2给出了曲线半径和轴箱纵向位移之间的关系。
在设计辅助导向装置时, 注重结构方面的简易性, 兼顾在仿真计算中降低轮轨横向力的效果, 将最大导向行程限制到理想径向位置的。图2所给出的轴箱纵向位移为内、外轨两侧轴箱反向移动时的位移。单侧轴箱如产生图2中一半的位移, 则同一转向架的2条轮对均占据径向位置, 故称之为导向行程。另外, 考虑到辅助导向装置主要应用于商业运营中的小半径曲线上, 当车辆以比均衡速度高的速度在曲线半径R300 m～R400 m左右曲线上运行时, 其重点是降低轮轨横向力。根据以上分析, 可认为单侧作动器行程如能达到3 mm, 即可实现有效的径向功能。但是, 本次运行试验在铁道综合技术研究所专用试验线上进行, 为了确认通过曲线半径R100 m的曲线时是否也有降低轮轨横向力的效果, 通过变更作动器内部结构, 在设计方面确保作动器最大行程可以达到10 mm。
2.3 辅助作动器的结构
辅助作动器使用橡胶囊作为气动作动器, 设拉伸方向为一方向, 并赋予导向力。在单拉杆的两端插入橡胶套筒, 橡胶套筒产生的刚度与轴箱弹簧纵向刚度之和构成单拉杆式转向架轴箱的纵向定位刚度。由于替代单拉杆的辅助作动器成为轴箱纵向定位装置, 当控制系统失效及橡胶囊损伤时, 无法保证轴箱的纵向定位刚度, 直接影响到转向架的运行稳定性。因此, 提出的应对方案是, 与橡胶囊并列地设置弹簧, 在对弹簧施加预压力的状态下构成作动器。
图3为内置作动器的单拉杆的内部结构。作动器处于非工作状态时以及控制系统出现故障时, 预压缩弹簧将发挥作用, 形成与通常的单拉杆同等大小的轴箱纵向定位刚度, 故转向架的运行稳定性不会出现问题。也就是说, 通常运行时, 弹簧被施加的预压力大于单拉杆承受的纵向作用力。不进行控制时, 可避免作动器由于外力作用而伸长;作动器工作时, 施加了预压力的弹簧会进一步压缩, 进而使作动行程伸长, 虽然预压缩弹簧会对作动器产生的力带来损失, 但是, 从安全性的观点来看, 可以认为该结构是合理的。表1给出了作动器的主要技术参数。
用上述辅助作动器替代单拉杆, 安装到各轴箱定位装置上进行运行试验。在圆曲线段上运行时, 使外轨侧的2个作动器伸长, 以扩大轴距, 从而使轮对呈“八”字形转向, 内轨侧作动器则维持现在的行程, 通过拉杆两端的橡胶套筒的柔度确保自导向特性。作动器的气压控制阀采用比例阀, 该阀利用上一级给出的目标内压力与实际内压力的偏差, 借助机构进行压力控制。
2.4 导向控制用控制装置
对2种辅助导向用控制装置进行了研究, 即使用地面数据的预见控制方式以及使用内部传感器的独立控制方式, 并分别进行了试验。
2.4.1 预见控制方式的控制装置
预见控制方式是摆式车辆上已成功应用的一种控制方式[6], 即通过检测ATS地面传感器识别出车辆绝对的运行位置, 脉冲计数器从速度发电机读取脉冲, 进行距离累计, 从而判断出当时车辆的运行位置。
将之应用于导向控制, 实现方式是从当前的运行位置首先读出曲线信息, 做成与线路形状相吻合的转向控制曲线控制导向。与独立控制方式相比, 预见的转向控制由于能应对作动器的动作滞后等问题, 因此控制上较好实现, 通过导向曲线的最优化, 在缓和曲线入口段也会有降低轮轨横向力的效果。但该控制方式需要建立轨道 (线路) 数据库及运行位置的参照点。长期运用时, 需要对控制装置维修。此外, 运行位置的检测过程中存在误差时, 有可能会错误地实施导向控制。实际应用时, 需要增加车辆间的通信功能, 致使该装置的规模增大, 成本也会上升。
预见控制用的车辆绝对位置检测点, 是通过在地面侧设置反射板, 用车上的光电开关检测出反射板的地点, 并以该地点为基准进行导向控制。距反射板的运行距离是按如下方式计算的:将速度发电机脉冲分频, 并累积1 m脉冲。关于导向控制的目标曲线, 是根据预先得到的轨道信息, 将按1 m间隔离散化的压力控制曲线搭载在导向控制装置中。
图4为预见控制用控制装置的结构以及气压控制系统的结构。该控制装置使用搭载了实时操作系统的工业用计算机 (含A/D-D/A转换器及数字输入、输出装置) , 用LAN连接其他的计算机监视控制装置。作为导向控制曲线, 考虑到气动作动器存在动作滞后, 从开始发出指令时, 加入与可控摆式车辆的作动器目标值同样生成方式的阶跃增益, 阶跃增益的优化值通过在运行试验中改变高度加以确定。
2.4.2 独立控制方式的控制装置
独立控制方式使用摇头角速率陀螺仪和加速度传感器等与外界无机械接触的传感器, 根据传感器采集的信号生成导向曲线。由于原理上不是一种前馈系统, 故伴随着信号检测后的数据处理, 控制装置将发生控制滞后, 不过, 通过充分利用传感器的信号, 可望实现滞后较小的控制功能。传感器的价格较为便宜, 维修也不麻烦。此外, 在不具备装设轨道数据设备的线路区间, 预见控制方式的导向控制是无法实施的, 而独立控制方式具有不限定运行区间的特点。但是, 一旦传感器失效, 就会输出错误的控制指令, 因此, 必须通过其他途径, 诊断传感器的完好性及导向控制的正常性。
独立控制方式根据车体摇头角速度信号与车辆运行速度, 实时检测车辆运行位置处的曲率, 对应于所得到的曲率, 依次决定目标导向控制压力。但像缓和曲线段这种情况, 随着运行位置的变化, 为补偿因曲率增减导致的作动器的动作滞后, 在结构上所采取的措施是, 即使与曲率的变化率有关, 也能够根据恒定的评价加权函数来调整控制压力。也就是说, 将分别对于曲率及曲率的变化分量给出的规定的增益之和, 作为导向控制目标值, 控制作动器所提供的作用力。图5为独立控制方式的控制装置结构及气动控制系统的结构。导向控制装置的硬件结构与预见控制方式的硬件结构基本相同, 但车辆的运行速度则由测速发电机处理装置得到的信号加以确定。
无摇枕转向架的导向控制, 一般以降低在圆曲线上运行时的轮轨横向力为主要目的, 从进入缓和曲线段开始至到达圆曲线段, 如果能完成恰当的导向工作, 则有利于降低轮轨横向力。因而, 考虑到实际运用情况, 将来的无摇枕转向架的辅助导向装置极可能会采用独立控制方式。但是, 为了评价恰当的导向控制目标值, 对控制目标较为自由的预见控制方式也进行了试验。
3 仿真计算结果
3.1 辅助导向仿真
利用数字仿真方法求出了车辆通过曲线半径R200 m～R600 m的圆曲线时所产生的横向力状况。仿真分析是在只有外轨侧轴箱强迫3 mm位移的状况下, 利用车辆1位轮对外轨侧产生的轮轨横向力求出相当于圆曲线段上运行时的平均轮轨横向力。在计算逆导向工况时, 只迫使内轨侧轴箱产生位移。图6为随着控制条件的不同, 平均轮轨横向力的变化情况。由图6可知, 即使在各种曲线半径的曲线上运行时, 利用辅助导向控制都可降低轮轨横向力。在R300 m的曲线上运行时, 有望降低30%左右的平均轮轨横向力。此外, 由于控制失效等原因导致逆导向时的轮轨横向力增大情况, 其规律是通过曲线半径越大, 横向力增大越多。如果限制最大导向行程, 则可认为轮轨横向力仍处于对转向架运行安全性并无影响的水平。
可控导向转向架出现最大故障的条件, 可认为取决于通过维持逆导向状态的曲线段或者道岔时的情况。因此, 设计上要求考虑导向机构的安全性, 根据期待导向控制效果的曲线半径, 通过机构限制辅助作动器的可动行程。
3.2 增大作动器行程的效果
以铁道综合技术研究所专用试验线为例, 设定曲线半径为R100 m, 作动器最大行程为10 mm, 进行了相应的仿真分析。其他参数与3.1节相同, 车辆的运行速度为20 km/h。图7给出了辅助导向带来的平均轮轨横向力的变化情况。随着曲线半径的减小, 要取得同样的降低轮轨横向力的效果, 作动器的行程要随之增大。由图7可知, 即使在R100 m的圆曲线上, 如能确保作动器行程为10 mm, 则轮轨横向力也可望降低约14%。在逆导向状态下, 之所以轮轨横向力上升较少, 可认为是轮轨间的横向蠕滑力接近于饱和状态导致的。
4 铁道综合技术研究所专用试验线上的试验结果
4.1 运行试验概况
将辅助导向转向架组装到试验用车体上, 在铁道综合技术研究所的试验线上进行了运行试验。试验用转向架是非动力转向架, 故利用牵引车进行推进和牵引运行。图8为试验车辆的外观, 图9为转向架构架与轴箱之间安装的辅助作动器与试验用转向架的外观。试验用转向架的1位轮对为新型连续式测力轮对[8], 利用连续式测力轮对测出曲线通过过程中产生的轮轨横向力, 评价辅助导向控制的效果。运行试验是在轨道整备状态较好的曲线半径为100 m的曲线上进行的。试验时, 由于受试验线加速距离及牵引车性能的制约, 试验车进入曲线段时的最高运行速度为18 km/h左右。
4.2 基于预见控制方式的辅助导向试验
利用预见控制方式进行辅助导向和常规 (被动) 状态下轮轨横向力的对比结果见图10。横坐标轴是距标准位置的距离。从导向曲线来看 (审校者注:见图10中的第3个图, 其中导向力实指气动作动器的气压, 下同) , 在缓和曲线段入口处, 导向力呈阶跃状迅速达到最大导向力的60%, 在整个缓和曲线段, 导向力呈坡道状增大, 在圆曲线段维持最大导向力不变之后, 在圆曲线出口端导向力降低, 可见, 这种预见控制方式的导向曲线在缓和曲线入口及圆曲线段, 降低轮轨横向力的效果都比较大。
在辅助导向控制方式作用下, 缓和曲线段入口处平均轮轨横向力降低约37%, 圆曲线段平均轮轨横向力降低约24%。尤其是在缓和曲线段入口处, 导向力呈阶跃状增加, 因此, 对抑制进入缓和曲线时的轮轨横向力是有效的。但是, 如果导向力阶跃状增加过大, 则内轨侧轮轨横向力的方向会反向, 即出现过度导向现象。从图10可知, 在缓和曲线入口处, 即使导向力呈阶跃状增大到最大导向力的60%, 也已经出现这种过导向趋势。
外轨侧轮轨横向力在圆曲线段有几处部位出现了峰值, 即该处降低轮轨横向力的效果并不明显。这是因为试验过程中使用的辅助作动器在扩张时, 其刚度仅靠进入其内部的空气的压缩性来维持, 造成该刚度远远低于拉杆的刚度, 从而易受外界干扰。前后轴箱上的作动器的行程基本相同, 发现作动器最大行程为9.5 mm左右。
4.3 基于独立控制的辅助导向试验
利用独立控制方式进行辅助导向和常规 (被动) 状态下轮轨横向力的对比结果见图11。辅助导向力基本上按假定的方式输出, 这表明在不使用地面数据及运行位置检测的控制方式下, 仍有可能实现辅助导向控制。与预见控制方式的导向结果相比, 没有看到在运行里程为30 m左右时降低外轨侧轮轨横向力的效果, 但今后若能改进导向控制装置的控制方法, 则很可能解决上述问题。在缓和曲线段入口处, 轮轨横向力降低约37%, 在圆曲线上轮轨横向力降低约28%, 可以说, 降低轮轨横向力的水平与利用预见控制方式降低轮轨横向力的效果相比毫不逊色。
4.4 辅助导向控制效果的比较
为验证导向装置的安全性, 运行了逆导向试验。从运行开始时刻起, 在内轨侧作动器提供最大导向力, 在整个曲线段上测试了轮轨横向力。外轨侧平均轮轨横向力的增加幅度在圆曲线段仅增加1%, 与仿真结果几乎一样, 同样是因为轮轨横向蠕滑力接近于饱和状态导致的。
图12给出了运行试验及仿真计算得出的圆曲线段上在不同控制条件下的平均轮轨横向力的对比情况。运行试验中发现, 在常规 (被动) 状态下运行产生的轮轨横向力波动最大。此外要注意的是, 图12中给出的仿真结果并不是轮轨横向力的绝对值, 而是按照以常规状态的条件作为100%的相对变化率进行了评价。可以看到实际测试值与仿真计算值在导向控制的改善效果方面存在差异, 其主要原因可以认为是由于轮轨间摩擦系数不同的缘故。可以确认, 利用辅助导向控制能降低30%左右的轮轨横向力。
5 结束语
以单拉杆式无摇枕转向架为对象, 研究了无需进行大幅度改造即可实现的辅助导向装置, 现总结如下:
(1) 通过改进单拉杆使之具有作动器功能, 可以较为容易地构成径向转向架。
(2) 运行试验结果表明, 在曲线上运行时, 与无导向装置相比, 轮轨横向力可降低23%～28%。
(3) 独立控制方式的控制装置在结构上可以不使用地面数据, 利用搭载在车辆上的传感器就可以实现导向控制。
(4) 通过限制作动器的最大行程, 可以防止导向控制失效时轮轨横向力的增大。
(5) 采用辅助导向装置, 能够以低成本实现曲线通过时轮轨横向力的降低。
由于受铁道综合技术研究所内专用试验线线路条件以及车辆性能的限制, 仅以低速通过小半径曲线时对降低轮轨横向力的效果进行了试验验证, 今后必须在接近于商业运营条件下进行现车运行试验。当运行速度提高后, 有可能产生以下问题:
作动器动作滞后;
控制装置运算时间问题凸现;
缓和曲线段降低轮轨横向力的效果降低。
因此, 有必要进一步完善控制装置的控制方法以解决上述问题。此外, 对于逆导向时的安全性, 有必要在接近于车辆实际运行状态条件下进行验证。当速度变化或者车体质量之类的车辆参数改变时, 仍确保导向控制的控制装置具备高鲁棒性能, 对可控径向转向架的实用化而言, 是最为重要的研发项点。此外, 今后能装备在运行于干线车辆上的作动器, 由于结构上有气动控制阀等, 在设计方面要符合轴箱周边空间布置的要求。
参考文献
[1]#12
[2]#12
[3]#12
[4]#12
缆绳导向装置的设计 篇2
关键词：导向装置,平衡设计,Pro/E
0 引言
空中气象观测系统, 以及定点热气球系统等空中作业设备都需要有储缆放缆设备。缆绳经由储缆绞车和放缆设备连接升空设备。受空气对流等因素的影响, 空中物体具有不确定的方向性, 缆绳的出缆方向也在不断变化。为了防止缆绳从放缆设备的导轮槽内滑出, 同时也为了尽量减少缆绳摩擦的损害, 设计了一种导轮机构, 使缆绳能够在一定的角度范围内摆动, 同时也不会脱离导轮槽。
1 结构设计
导向装置主要由导向滑轮、滑轮支架、导轮机构、挡板支架等主要零部件组成。为保证线缆在前后摆动时始终沿着导轮的切线方向, 要求在线缆垂直向上的位置时, 线缆正好穿过导轮机构中心孔的中间位置, 因此导向装置的总体结构如图1所示。
2 主要零部件
1) 回转装置。回转装置起回转和支撑导向装置的作求为0.005 mm, 上轧辊与下轧辊平行, 上下轧辊分别由前后两个滑块支撑, 上下滑块之间采用压簧支撑。要求各滑块的安装轧辊孔到安装面尺寸一致, 且左右分中, 如此保证了上下两轧辊轴线的平行, 且所处的平面与工作平面垂直, 使得轧制时线材始终处在轧制力最大处, 既能保证截面尺寸, 又最大限度地利用了扭矩。
3) 轧辊调节机构。该机构可使上轧辊同时具有手动单独调整、手动同步调整、电动单独调整和电动同步调整的功能。机构包括安装板、蜗杆、蜗杆套、手轮、斜齿轮、同步带轮, 调节机构由两段蜗杆分体式设计, 一段与轴做成一体, 另一段做成蜗杆套空套在轴上, 轴端用螺母锁紧。要单独调整上轧辊的两端时, 松开轴端的锁紧螺母, 分别转动各段可实现单独调整;同步调整时, 锁紧轴端的锁紧用, 主要由回转法兰和回转轴承两部分组成。回转法兰右边与滑轮支架焊接为一体, 左边通过回转轴承与陆地上的绞车系统连接, 使整个导向装置能在水平面内做回转运动[1]。
1.回转装置2.滑轮支架3.导向滑轮4.侧面挡板5.导轮机构6.缆绳
2) 滑轮支架。滑轮支架作为整个导向装置的基体部件, 主要由导向滑轮侧面安装板、滑轮底部安装板和支撑板组成, 主要由结构钢板Q235-A焊接而成。焊接完成后, 两侧的导向滑轮安装板进行校直处理, 以防止过大的焊接变形。同时, 两侧的导向滑轮安装板的中心孔需要安装轴承, 因此需要一次加工出来, 以保证两侧中心孔的同轴度[2]。
3) 导向滑轮。缆绳绕过导向滑轮的沟槽内向上连接升空设备, 向下与绞车的储缆系统连接。导向滑轮通过两个圆柱滚子轴承与芯轴连接, 为了减轻导向滑轮的重量, 整个导向滑轮采用铸铝铸造成型后再加工。由于导向滑轮的沟槽与缆绳直接接触, 为了避免滑轮棱边将缆绳割伤, 减少缆绳在沟槽内的磨损, 滑轮的棱边需倒圆角, 同时, 沟槽的内表面应保证一定的粗糙度。滑轮沟槽的放大图如图2所示。
4) 侧面挡板。侧面挡板主要用来支撑导轮机构, 主要结构由Q235-A的钢板组成。为了减轻挡板重量, 采用薄钢板表面焊接加强筋的方式。为了尽量减少线缆的磨损, 使线缆沿着导轮机构切线的方向伸出, 应将侧面挡板弯曲一定的角度, 保证导轮机构的出口始终与线缆相切。为了保证整个导轮装置在静止时平衡在图1所示的位置上, 减轻导轮装置对线缆的压力, 侧面挡板的的左半部分需要安装配重铅块, 以实现整体机构的平衡。
5) 导轮机构。导轮机构主要由侧面安装板以及上部的滑动装置组成。导向滑轮的结构图如图3所示。其主要组成包括滚轮轴、内套筒、挡环、轴承、外套筒。滚轮轴、内套筒以及挡环的材质均为不锈钢, 外套筒可以采用聚氨酯, 因聚氨酯表面光滑, 且具有一定的弹性。设计导轮机构的结构时, 需要考虑安装、维护的方便性, 进行可更换设计。
1.上滚轮组件2.下滚轮组件3.侧面安装板4.挡环5.轴承6.外套筒7.内套筒8.滚轮轴
3 导轮机构平衡设计计算
导轮机构静止时要求能平衡在图4中静止的位置上, 以保证线缆在工作时受到的摩擦力最小。因此, 需要在侧面挡板的左下部位安装配重铅块, 以使整个机构工作在平衡状态下。本文将结合Pro/E软件完成机构的平衡设计工作。
Pro/E具有强大的建模功能, 可以进行参数化设计, 大大地提高了建模的速度。同时, Pro/E也具有强大的分析和仿真能力[3]。在Pro/E中建立零件的三维模型, 给各零件分配质量属性。在侧面挡板中心圆孔的位置建立坐标系ACS0, X方向为水平方向, Y方向为垂直方向, Z方向为中心孔轴线方向 (垂直纸面方向向里) 。根据质量分析得到各部分重量表如表1。
配重之后机构整体重心距芯轴中心的距离为
在Pro/E中, 装配各个零件, 建立组件模型。根据模型质量分析, 以ACS0坐标为基准坐标, 确定重心相对于基准坐标的位置:
与表格中的计算数据基本一致, 经过配重之后, 水平方向重心与基准坐标基本重合, 满足装配之后平衡在图1位置的要求。
4 结论
经过试验和现场测试, 安装导向装置能够有效地保护电缆, 减少电缆的磨损。同时缆绳绕一定的角度旋转, 增强了整个系统的灵活性。
参考文献
[1]孙志礼, 冷兴聚, 魏延刚, 等.机械设计[M].沈阳:东北大学出版社, 2000.
[2]闻邦椿.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社, 2010.
儿童心室辅助装置发展现状 篇3
目前小儿心脏病患者的人数在不断上升[1],其中发展为心力衰竭的人数也在不断提高,据统计每年约有15000 例小儿心力衰竭被确诊,但由于手术水平的提高以及术后护理的改善,存活率在稳步上升。所有小儿心衰患者都具有低心排特征以及器官衰竭的潜在危险,其中约有10%~15% 的患者需要机械辅助循环(Mechanical Circulatory Support,MCS)用以治疗[2]。对于此类危重病例,国外普遍采用辅助循环系统予以生命维持与心功能恢复,而由于经济条件以及医疗水平的限制,国内只有为数不多的医疗机构能够提供短期的心脏辅助循环治疗[3]。MCS分为体外膜肺氧合(Extracorporeal Membrane Oxygenation,ECMO)以及心室辅助装置(Ventricular Assist Devices,VAD),这两种装置在国内均已被用以小儿心功能不良的治疗[4]。ECMO在上世纪70 年代中期被成功应用于临床,目前使用非常广泛技术相对成熟,多用于各种情况下的心肺功能支持,短期心室辅助以及急救。ECMO在辅助超过2 周后血栓和出血等多种并发症的发生概率将大大升高,所以ECMO在应用于心室辅助时只能作为短期辅助以及配合药物的短期心功能恢复[5]。最早的VAD出现在上世纪60 年代早期的美国,Liotta等将一个管状的心室辅助装置植入在左心房和降主动脉之间。VAD第一次成功应用于临床是De Bakey[6]在1967 年采用一个VAD连接左心房和右锁骨下动脉对患者进行心功能辅助,该患者最后成功过渡到心脏移植。经过几十年的发展,VAD在成人辅助方面从装置的设计到医疗水平都取得了长足的进步,多种类型及不同特点的成人用VAD被研发出来并应用于临床,而由于儿童发生心衰的比例及数量都远小于成人,故儿童用VAD的市场相对较小,该领域的投入也相对较少,导致目前儿童用VAD的发展与儿童心室辅助的需求不相匹配,可用于临床的儿童用VAD选择非常有限,有相当一部分比例的儿童患者采用了成人用VAD进行辅助,但有数据显示,由于成人与儿童的生理参数不同,VAD的尺寸等其他参数也不尽相同,采用成人用VAD对体表面积较小的患者进行辅助,效果较差[7],而选择适合尺寸的VAD对儿童患者进行辅助则可以有效减少术后并发症的发生[8]。
1 辅助装置
心脏移植依旧是目前对于儿童心衰患者的最终的治疗手段,但由于供体严重不足,患者通常等待合适供体的时间较长,VAD能起到维持患者生命直到心脏移植的过渡作用[9],另外VAD还可以用于配合药物的心功能恢复治疗和终末期治疗。从辅助时间上看小儿VAD分为长期辅助型和短期辅助型,长期辅助型可以提供从几周到数月的辅助支持,短期辅助型则提供少于2 周的心功能辅助[10]。图1 是通常在选择辅助循环装置时的判断依据以及过程。
注:VAD:心室辅助装置;ECMO:体外膜肺氧合。
另外,从泵体输出特性上分,小儿VAD又可分为搏动型与恒流型。搏动型主要指气动泵,原理主要为改变血腔容积对血液进行挤压再配合进出口瓣膜形成单向流动的搏动血流,Berlin Heart EXCOR即是一款临床使用的搏动型小儿VAD ;恒流型主要分为离心泵和轴流泵,均通过高速旋转的叶片驱动血液,恒流泵不需要瓣膜,通常体积较搏动泵小。
1.1 长期辅助装置
Berlin Heart EXCOR(Berlin Heart Inc.,Berlin,Germany)是目前应用最广的长期辅助型儿童心室辅助装置,也是美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration,FDA)唯一批准的用于长期辅助的儿童心室辅助装置[5]。其主体为一个气动的搏动泵,主要由血腔以及连接在血腔上的进出口组成,进出口内分别安装了单向瓣膜,气动驱动器输出气流推动与血腔相连的推板,从而改变血腔容积实现血液的单向搏出[11]。Berlin Heart EXCOR具有适合不同年龄段儿童的不同尺寸的泵体,能够提供从10 m L到60 m L的每搏输出量,理论上可以用于最小体重为3 kg的婴儿[12]。另外它可以用于单心室辅助和双心室辅助。
Thoratec VAD(IVAD/PVAD,Thoratec Co., Pleasanton,CA, USA)其主体也是一款气动的搏动泵,最高可以输出7 L/min流量,每搏输出量为65 m L。IVAD可以植入,体积比作为体旁辅助的PVAD略小,IVAD也可以作为左心辅助、右心辅助以及双心室辅助。Thoratec VAD被FDA批准作为移植过渡使用[13],作为第一代VAD有将近30 年的临床使用历史,可以用于体表面积较大的青少年。
Heart Ware HVAD (Heart Ware Systems,Framington,MA,USA)是第三代VAD,2012 年被FDA批准可以作为心脏移植过渡使用。HVAD是一款体积较小,可以植入心包腔内的离心泵[14],曾辅助过最小体表面积为0.7 m2的患者,但有文献建议不要辅助体表面积<1.5 m2的患者[15]。
Heart Mate II(Thoratec Co., Pleasanton,CA,USA)是一款被FDA批准用作心脏移植过渡和终点治疗的可植入轴流泵,其在全世界已经有超过一万例用于成人左心辅助的案例。Heart Mate II的泵体体积非常小,重约290 g,长度7 cm, 直径4 cm,无瓣膜,泵内仅有一个运动部件,这大大减小了泵的复杂性,同时提高了可靠性,它可以提供>2.5 L/min的流量,用于体表面积>1.4 m2的患者[16]。
另外,Syn Cardia全人工心脏(Syn Cardia Systems,Tucson,AZ,USA)是一款可植入的双心室辅助全人工心脏,被FDA批准可以作为移植过渡使用。其可提供最大9.5 L/min的搏动流输出,具有70 m L和50 m L每搏输出量的2 种搏动泵,分别可以适用于体表面积>1.7 m2和1.2~1.7 m2的患者[17]。全世界目前有超过1200 例的植入记录,根据最近的Syn Cardia数据显示,该全人工心脏有24 例应用于先天性心脏病患者,其中6 例为12~18 岁的青少年。由于体积原因,该全人工心脏使用前要对患者的胸腔空间进行评估以判断是否适合植入[18]。
可以提供长期辅助的儿童VAD目前只有Berlin Heart,但其仍存在血栓等诸多并发症,且作为体旁辅助它的动力及控制系统体积较大,对患者的移动有很大限制,降低了患者的生活质量。所以在儿童长期心室辅助方面目前的选择还非常有限。
1.2 短期辅助装置
Jostra Rota Flow离心泵(Ma QUET Cardiovascular,Wayne,NJ,USA)是一款可以用于儿童和成人的离心泵,其预充量为32 m L,可以提供最大10 L/min的流量。该泵由电磁式电机驱动,泵头内采用磁悬浮支持与单点机械支撑结合的方式支撑叶片旋转。通过磁悬浮支持方式可以减少叶片旋转时的机械摩擦及发热,从而减少溶血和机械磨损[19]。该泵常与氧合器配合使用,组成ECMO用于短时辅助[20],一般辅助时间不超过2 周。
Thoratec Pedi Mag(Thoratec Co., Pleasanton,CA,USA)Pedi Mag是一款专为儿童设计的VAD, 其离心泵泵头内采用全磁悬浮设计,叶片不受机械支撑与摩擦,因此Pedi Mag比其他的离心泵在叶片旋转时产生更少的热量和血液破坏。其最大提供1.5 L/min流量[10],最小可以辅助支持体重为3 kg的病人,最大可适用于体表面积为1.3 m2的儿童,其作为ECMO的泵体已经在全世界大范围使用,通常辅助时间为2 周内,最近几年其作为单独心室辅助泵的使用正在不断扩展[15]。
Tandem Heart(Cardiac Assist Inc.,Pittsburgh,PA,USA)是一个用于体旁辅助的离心泵,可以提供最大5 L/min的连续流量,预充量非常小(10 m L)。该泵可以经皮进行放置,其入口经过股静脉进入体内与左心房连接,出口与股动脉连接。FDA批准Tandem Heart可以用于体表面积>1.3 m2的患者作少于6 h的短时辅助。
此外,美国国家心肺和血液研究所在2010 年启动了Pump KIN(Pumps for Kids,Infants and Neonates) 项目,该项目主要进行FDA针对小儿辅助循环装置能够进入临床审批所需的前期研究及实验。项目共资助了4 家合作单位分别研发4 个辅助循环装置。目前该项目中仅有Jarvik Pediatric 2000(Jarvik Heart, Inc.,New York,USA) 在不断优化并进入到临床前实验,有望最终进入临床,其他三个装置离临床使用还有较大的距离[21]。Jarvik Pediatric2000 是一款可以植入心室内部的轴流泵,其体积非常小,预充量仅有1 m L[10],其被验证比Heart Mate II更适合植入,术中所需输血更少,拔管时间更短以及可以通过左胸骨切开术进行植入,这些特点都使得其更适合于儿童或者婴儿患者[22]。表1 对目前常用的儿童心室辅助装置的基本参数进行了总结。
注:BTT:移植过渡;DT:目的性治疗。
1.3 国内研究现状
目前国内在儿童心室辅助装置研发方面还处于起步阶段,进行研究的机构较少,有一些项目还在研发阶段,没有能够进入临床使用的辅助装置,其中广东心血管病研究所根据成人用罗叶泵研制出一种每搏输出量20 m L的儿童用罗叶泵(图2a),该泵为一款气动搏动泵,泵体长148 mm,宽58 mm,高42 mm,采用隔膜将泵体分为气室腔与血室腔,配合进出口瓣膜形成单向血流。在该泵的动物存活实验中数只实验羊平均存活79.8 h[23,24]。另外,上海交大仪器科学与工程系自主研发出一款可用于儿童心室辅助的VAD,其主体为一款直径60 mm,高度40mm的超声致动搏动泵(图2b),每搏输出量14 m L,最大输出平均压160 mm Hg,最大输出流量3 L/min,平均压110 mm Hg时输出流量可达2.0 L/min。
2 术后并发症
使用VAD进行治疗也同时存在神经、血液、肠胃以及免疫方面的一些并发症,其中某些方面是与血泵本身特性相关的。中风是其中非常危险的一种并发症,在搏动泵中发生概率较高。中风可能由出血和血栓引起,而其中血栓主要由血泵的表面凝血形成,临床发现搏动泵较恒流泵更易产生血栓,故采用搏动泵时需要更加复杂的抗凝治疗与管理[12]。
出血是另一个主要的并发症,主要发生在术后短期内。在Berlin Heart的对比试验中,体表面积< 0.7 m2和0.7~1.5 m2的患者分别有42% 和50% 的概率发生术后出血[25]。几乎所有患者术后都需要抗凝治疗,而小儿抗凝药物的使用控制则呈现多样性且相对比较复杂[26]。有数据显示采用Berlin Heart EXCOR的病例中出现脑血管方面并发症的概率为30%,包括脑缺氧和脑出血,其中脑缺氧更为常见而脑出血危害更加严重[27]。脑血管并发症与抗凝治疗关系密切,多发生在术后抗凝治疗还没有起效之前,临床发现如配备专职抗凝医师会减少其发生概率[28]。故降低VAD所需的抗凝治疗等级可减少脑血管并发症的发生[29]。
另外,感染也是一种常见的并发症,多因长期住院和侵入式治疗产生,或接触VAD所需的电线、硬件、泵体包裹套等相关部产生。目前多采用抗生素及抗真菌药物治疗。
3 总结与展望
目前成人用VAD已发展比较成熟,而儿童用VAD发展还相对比较落后,临床可供选择的VAD非常有限。由于不同体表面积的儿童所需的辅助参数,如压力、流量等也不相同且儿童胸腔尺寸非常有限,故目前儿童心室辅助面临的最大问题是研制出不同输出参数的血泵以满足不同体表面积儿童的需要。由于儿童用VAD在临床中,主要用于心脏移植前的等待和心功能恢复治疗等,而搏动流可提高器官微循环灌注,故儿童较成人更需搏动流辅助。为避免并发症的发生,需要经常性地对人体血液循环进行检验,但对儿童进行抽血检验并不是一件容易的工作。因此,开发出具有自诊断功能儿童心室辅助装置尤其重要!综上所述,儿童用VAD需要向多规格、小体积、搏动性、智能化方向发展。
摘要：越来越多的儿童心衰患者需要采用心室辅助装置进行移植过渡与心功能恢复治疗,而目前儿童用辅助装置的发展严重落后于成人辅助装置,临床选择非常有限。本文介绍了目前临床中使用的几种儿童用辅助装置以及国内外在该方面的研究进展。由于不同年龄儿童的生理参数差异以及儿童异于成人的某些特殊辅助需求,儿童心室辅助装置需要向多规格、小体积、搏动性、智能化等方向发展。
温度校验炉辅助装置的设计 篇4
变压器的安全稳定运行是电网连续可靠运行的必备条件[1～3]。变压器安全运行的使用寿命,取决于变压器绕组和变压器油是否安全可靠。变压器上的温度计可根据变压器油温随时监测该变压器的运行状态,但是主变压器上温度计运行一定时间后,因元器件老化,环境变化,出现故障的几率增大。因此,对温度计进行周期检定尤为重要。温度计进行定检,就需要用到校验工具——温度校验炉。目前,在实际工作中使用温度校验炉存在如下问题:将温度校验炉从变压器底部传递至其上方,容易与变压器外部悬挂的大量金属附件及环绕线缆发生碰撞;传递过程中存在滑手而坠物的危险;变压器一般都装有3个温度计,逐个做校验耗时长、工作效率低[4,5]。在校验温度计的过程中,由于温度校验炉炉膛内温度高,需要设计套筒专用起子,将温度校验炉内的套筒放入或取出,以免烫伤手部及污染套筒。
针对上述问题,本文设计了一种温度校验炉辅助装置。该装置为温度校验炉保护箱,包括箱体与温度校验炉相匹配的测试套筒和套筒专用起子。
2温度计的工作原理
2.1油温温度计
指针式油温温度计带有多个可调整的微动开关,用于电力变压器的油温测量。温度值由内充液体的封闭测量系统测量。它由以下几个相连的部件组成:温包、毛细管、布登管、压敏电阻元件(“/TT”规格时才有)。这些元件都在一个封闭的内充高压液体的管系统内。温度升高时,液体膨胀,将压力的变化传送到布登管。布登管连接到指针心轴,布登管的变化驱动心轴转动,温度变化和温度值指示在刻度盘上。图1 为MT-ST160SK油温温度计。
2.2 绕组温度计
指针式绕组温度计也带有多个可调整的微动开关,用于电力变压器的绕组温度测量。机械式测量系统是一个独立单元,不需要外部输入功率。
绕组温度的测量是使用间接方法。绕组和冷却介质之间的温差决定于变压器绕组电流,电流互感器二次电流正比于绕组电流。
将互感器二次电流连接到指针式温度计的加热电阻上,从而产生比实际油温高一个温差的温度指示值。用这种间接方法,可以得到平均或最大的绕组温度指示。
加热电流的调整是使用指针式温度计中的电位器,调整值按曲线查找。测量系统包括相连接的温包、毛细管、布登管、压敏电阻元件(“/TT”规格时才有)。图2为MT-ST160W绕组温度计。
3 辅助装置的设计
目前,市面上已出现了多种针对于防摔、防震功能的装置或产品。本文所设计的装置——温度校验炉保护箱,不仅在去往变电站的路途中和将温度校验炉从变压器底部传递至其上方时防止震动、颠簸,还具有其他功能:(1)因传递过程中存在滑手而坠物的危险,保护箱顶部设置把手为环形结构,在传递时可与牵引绳子的卡扣紧扣;(2)为了节省工作时间,提高工作效率,该装置配有不同规格的套筒,可在校验过程中校验一块温度计,还可选中套筒校验两块温度计;(3)为了防止烫伤手部及污染套筒,设计了套筒专用起子,用于温度校验炉内的套筒的放入或取出。
3.1 总设计方案
本设计目的在于提供一种温度校验炉保护箱,能够避免温度校验炉在传递过程中发生损坏,保证校验的精度,且提高工作效率。设计开发了一种温度校验炉保护箱,其结构包括箱体、与温度校验炉相匹配的至少两个测试套筒,每个测试套筒设有不同数量的温度计测试孔,测试套筒和温度校验炉均位于箱体内,箱体的内壁设有缓冲垫,缓冲垫上设有与温度校验炉形状配合的第一固定槽、与测试套筒形状配合的第二固定槽。
温度校验炉通过第一固定槽固定于箱体内,使其在从变压器底部传递至其上方的过程中,避免与变压器外部悬挂的大量金属附件及环绕线缆直接发生碰撞,起到保护温度校验炉的作用;箱体内设有缓冲垫,防止温度校验炉与箱体的四周发生碰撞,避免温度校验炉的精密元件发生振荡,保证校验数据的精度。温度校验炉保护箱还包括与温度校验炉相匹配的至少两个测试套筒,每个测试套筒设有不同数量的温度计测试孔,可以对不同功率变电站变压器上不同数量的温度计进行同时校验,节省工作时间,提高工作效率。
3.2 箱体设计
箱体包括箱身和箱盖,箱盖的中心位置设有环形把手,第一固定槽和第二固定槽均设于箱身内。将温度校验炉从变压器底部传递至其上方时,通常使用牵引绳,将牵引绳绑在箱体中心位置的环形把手上,减少箱体在传递过程中的晃动,且防止牵引绳在把手上的来回滑动,避免在传递过程中发生坠物的风险,保证人身安全。
箱盖的一侧与箱身铰接,另一侧设有卡扣,箱体设有与卡扣配合的扣板。通过卡扣和扣板的配合,打开或关闭箱盖,操作方便。
温度校验炉保护箱还包括与测试套筒配合的套筒起子,套筒起子位于箱体内。温度校验炉在校验温度计的过程中,由于温度校验炉炉膛内温度高,且测试套筒和炉膛之间的间隙小,通过套筒起子将测试套筒从炉膛内取出或放入,操作方便,避免烫伤手部或污染测试套筒。
箱体的底部设有缓冲脚垫,避免箱体在移动过程中发生滑落、倾倒,保证工作的安全性,进一步避免箱体内的温度校验炉发生振荡。
3.4 套筒起子设计
目前,新建220 k V变电站主变本体一般都装有3 个温度计,其中两个测油温,一个测绕组。现场温度计定检都是在户外工作,天气变化多端,夏天天气炎热,长期待在户外易中暑,为了节省工作时间,提高工作效率,设计了带有3 个孔的套筒,3 个温度计可同时进行校验,如图4所示。
新建110 k V变电站主变本体一般都装有2个温度计,一个为油温温度计,另一个为绕组温度计。为了适应现场条件,设计了可同时校验两个温度计的套筒,如下图5所示。
旧变电站一般仅装有一个油温计,因此,设计了可校验一个温度计的套筒,如图6所示。
套筒需要装在温度校验炉内,在升温过程中,由于温度高,操作过程中容易烫伤手部,另外,温度校验炉炉膛位置狭小,需要借助于套筒专用起子将其放入或取出。因此,设计套筒专用起子,如图7所示。
4结论
该装置顶部设计有环形金属环,可对传递绳索进行安全固定,防止装置因传递过程中存在滑手而坠落的危险;可放置不同规格的套筒,针对现场不同型号、不同数量的温度计进行校验,大大节省工作时间,提高工作效率。设计的套筒专用起子用于该装置中套筒的取放,可防止高温套筒烫伤人手。
摘要：阐述了变压器上温度表计周期定检的重要性,介绍了油温计和绕组计的工作原理。设计一种温度校验炉保护箱,该保护箱包括箱体、与温度校验炉相匹配的至少两个测试套筒,每个测试套筒设有不同数量的温度计测试孔,测试套筒和温度校验炉均位于箱体内,箱体的内壁设有缓冲垫,能够避免温度校验炉在传递过程中发生损坏,保证校验的精度,且工作效率高。
关键词：油温计,绕组计,温度校验炉保护箱
参考文献
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气体实验设计中辅助装置功能探讨 篇5
在有气体参与的实验中, 实验装置的流程图一般为:制气装置→净化装置 (含除杂和干燥) →性质实验或收集装置→尾气处理装置 (无毒气体无此装置) .但实验的设计必须遵循四个基本原则:科学性、安全性、可行性、简约性, 在满足可行性和简约性的前提下, 为提高实验的科学性和安全性, 部分实验装置除上述的流程图外, 还要附加一些辅助装置才能达到实验目的和提高准确性.现就辅助装置的功能分类探究如下.
一、防倒吸装置
在吸收易溶于水的气体 (如NH3、HCl、HBr、HI、NO2) 时, 为了实验的安全, 应采用防倒吸装置.常见的防倒吸装置如图1所示:
A、B、C为肚容式, D、E、F为气液分离式, G、H为平衡压强式, I、J为蓄液式.
2007年高考江苏化学卷第10题中将D装置的水改成稀硫酸来吸收NH3.
二、防外界空气的干扰装置
在定量实验和制备易潮解的物质 (如FeCl3、AlCl3等) 时, 应加干燥装置防止空气中的CO2或水蒸气进入装置干扰实验.常用的有盛碱石灰 (或固体NaOH, 生石灰) 的干燥管或U形管.
例1 已知氨跟氧化铜反应可以制备氮气, 纯氮气跟镁在高温下反应可得到氮化镁, 但氮化镁遇水即反应生成氢氧化镁和氨.图2是某小组同学设计的制备氮化镁的实验方案, 图中夹持及加热仪器没有画出.
(1) 装置C、E的作用分别是什么.
(2) 为了得到纯净的氮化镁, 除正确的操作外, G中应盛什么试剂?
分析:A中产生的NH3与B中氧化铜在加热时反应产生N2 (含有未反应完的NH3) , 用水吸收NH3时易发生倒吸, 用C作安全瓶以防倒吸, 经E干燥后得纯净的N2, N2与Mg反应得Mg3N2, 但空气中的水蒸气会进入F中与Mg3N2反应生成Mg (OH) 2而引入杂质, 故在G的干燥管中盛碱石灰 (或NaOH固体、生石灰) 防止水蒸气进入.
三、助排气 (导气) 装置
在气体的定量实验中, 由于受压强的影响, 产生的气体不可能被完全吸收或参加反应, 此时应设计一个装置将产生的气体全部排除吸收后才能提高实验的准确性.
例2 (2005年全国卷Ⅰ) 已知某纯碱试样中含有NaCl杂质, 为测定试样中纯碱的质量分数, 可用图3中的装置进行实验.
(1) 装置中干燥管B的作用是__.
(2) 从分液漏斗滴入硫酸, 到不再产生气体时为止.打开止水夹, 从导管A处缓缓鼓入一定量的空气, 目的是__.
(3) 将装置略作改动, 也能达到从导管A处鼓入空气的目的.请设计一种不同的实验方案. (注:原试题文字有改动)
分析:纯碱与稀硫酸反应产生的CO2气体, 经浓硫酸干燥后被U形管中的碱石灰吸收, 但空气中的CO2和水蒸气会进入装置, 干扰实验, 故设计B盛碱石灰以防止空气中的CO2和水蒸气进入U形管中.但产生的CO2气体还有一部分残留在装置内未被碱石灰吸收, 从导管A处缓缓鼓入一定量的空气 (用NaOH溶液吸收空气中的CO2) , 把反应产生的CO2全部导入U形管中吸收, 提高实验的准确度.为达此目的可将盛NaOH溶液的广口瓶换成启普发生器或如图4装置制取H2:
这三个装置内放锌粒和稀硫酸. (若用稀盐酸, 对实验结果有何影响?)
四、防装置内空气的干扰装置
若要证明Cu与稀HNO3反应产生的气体是NO时, 由于装置内的空气中有O2会将NO氧化为NO2而干扰实验, 因此必须排出装置内空气的干扰.
例3 某校外活动小组为了探究铜与稀硝酸反应产生的是NO而设计了如图5所示的实验 (加热和固定装置已略去) 装置, 图中K为止水夹 (处于关闭状态) , F是一个半空的注射器.
(1) 设计装置A的目的是什么?为达此目的, 正确的操作是怎样的?
(2) 装置E和F的作用是什么?在完成①的操作后, 应怎样操作才能验证产生的气体是NO?
分析:要验证气体是NO, 须将NO氧化为NO2, 并据颜色由无色变红棕色来确认是NO.装置内有空气会氧化NO, 设计A装置产生CO2气体排除装置内的空气, 其操作为:打开止水夹K, , 当C中石灰水变浑浊后 (说明A、B、E中的空气已排尽) , 关闭止水夹K.装置E和F的作用是验证NO, 其操作是:将装置B中的铜丝插入稀硝酸并微热之 (产生气泡时, 立即撤去酒精灯) , 反应进行一段时间后, 用注射器向E中推入空气, 若E中由无色变成红棕色, 证明原来产生的气体是NO. (也可将注射器活塞向上拉, 注射器内气体由无色变成红棕色.)
五、防堵塞的安全装置
如图6所示, 为防止分液漏斗中的液体不能顺利流出, 用橡皮管连接成连通装置 (见恒压式) ;为防止粉末或糊状物堵塞导气管, 可将棉花团置于导管口处 (见防阻式Ⅰ、Ⅱ) , 如用KMnO4制O2, 用大试管制乙炔;为防止粉末或糊状物堵塞长颈漏斗, 用小试管对漏斗形成液封 (见液封式) ;为防止后面的装置被堵塞, 用玻璃导管连通大气, 便于观察是否堵塞 (见压强平衡式) .
2007年高考天津理综卷第28题在制取Cl2时, 要求将图7的装置换成图6的恒压式.因为用浓盐酸制取Cl2时, 分液漏斗上口活塞应密封以防止浓盐酸的挥发, 但漏斗中的浓盐酸不能顺利流下, 为此应换成恒压滴液式, 既保证浓盐酸顺利流入烧瓶, 又防止浓盐酸挥发.
六、验证装置
2007年高考山东理综卷第30题中选择装置从CO和CO2的混合气体中获得纯净干燥的CO, 并验证其还原性和氧化产物.要获得纯净干燥的CO只需将混合气体先通过NaOH溶液 (不用澄清石灰水, 为什么?) 再通过浓硫酸即可.将CO气体通过灼热的CuO, 通过观察CuO颜色的变化来证明CO有还原性.但要验证CO被氧化成CO2, 必须验证原来的CO2已经除尽.所以各装置依次应盛的药品为:混合气体 (CO和CO2) →NaOH溶液→澄清石灰水A→浓硫酸→灼热CuO→澄清石灰水B→点燃 (处理尾气) , 只有A中溶液保持澄清, B中溶液变浑浊才能证明CO被氧化成CO2.要验证草酸晶体加热产物中有CO和CO2时, 思路与此相同.
同理, 要证明实验室制取的乙烯中是否含有SO2和CO2时, 依次通过的药品为:品红溶液A→氯水 (或溴水或氯化铁溶液) →品红溶液B→澄清石灰水, 当A中褪色, B中不褪色, 石灰水变浑浊, 证明SO2和CO2同时存在. (说明:除去SO2的氯水不能换成酸性高锰酸钾溶液, 因乙烯能被酸性高锰酸钾溶液氧化成CO2而干扰原来CO2的检验.)
七、水浴加热或冷却装置
当需要控制加热仪器的温度低于100℃时, 常用水浴加热装置, 如银镜反应、制取硝基苯、二糖和乙酸乙酯的水解等.在制取漂白粉时, 为了防止副反应的发生[反应放热, 温度高时会产生Ca (ClO3) 2]采用冷却降温装置.同理, 在实现NO与NO2、SO2与SO3的分离时, 也可采用冷却降温装置.
矿用无轨胶轮车泊车辅助装置设计 篇6
煤矿井下运输货物和人员主要采用轨道机车、提升罐笼装置等传统运输方式。但轨道机车存在运输环节多、速度慢、占用设备、调度复杂、装卸货物麻烦等缺点, 许多煤矿井下辅助运输均以防爆无轨胶轮车取代轨道机车[1]。矿用防爆无轨胶轮车运输效率高, 灵活机动性强, 不受轨道限制, 在山西、宁夏、内蒙古等地区以平硐、斜井或者低瓦斯为主的矿井开采环境中应用很广泛。
矿用无轨胶轮车按用途可分为运输类车辆、铲运类车辆和特种类车辆。其中运输类车辆主要用于将井口或井底车场的人员、货物、设备运送到工作面或卸料点;铲运类车辆是以铲斗、铲板或者铲叉作为工作装置, 给运输类车辆装载、装卸设备和货物;特种类车辆是完成井下辅助性或特殊性任务的车辆。目前, 矿用无轨胶轮车在使用过程中均存在驾驶人员视线不好的问题, 特别是有些车辆将驾驶室设计为侧向方位, 驾驶员在倒车时无法看到盲区内的人和物, 不能够及时预防事故发生。
根据MT/T 989—2006《矿用防爆柴油机无轨胶轮车通用技术条件》的要求, 目前下井车辆都已配备自动保护装置。自动保护装置对发动机参数、行车参数、冷却系统都进行了相关监测, 并有自动停机措施[2]。在通用技术条件中未提及无轨胶轮车在倒车过程中的一些参数, 实际在现场应用中, 倒车距离及影像系统是非常重要的, 而在目前矿用无轨胶轮车上, 还没有一款成型的倒车雷达与影像系统, 煤矿因为倒车发生的安全事故也时有发生, 严重影响人员安全。为此, 笔者设计了矿用无轨胶轮车泊车辅助装置, 该装置可采集盲区内的图像信息和车辆与障碍物之间的距离数据并且传输至驾驶室图像仪表中, 解决了驾驶人员在倒车时视线受阻的问题。
1 装置采集信号量分析
泊车辅助装置需要采集的信号量分析如下:
(1) 车辆运行方向状态量采集:当车辆处于倒车状态时, 泊车辅助装置应能自动检测到车辆处于倒车状态并激活相应数据采集功能;车辆处于前进方向时, 泊车辅助装置应处于待机状态。
(2) 倒车距离数据采集:采集车辆尾部与障碍物之间的距离信息, 实现车辆尾部探测障碍物无缝覆盖。
(3) 图像信号采集:采集驾驶人员视线受阻区域图像信号。
(4) 视频图像信号切换:当车辆装配多个摄像头时, 图像信号在显示设备上只能同时显示1个区域图像, 泊车辅助装置应能支持手动切换, 将不同区域的图像输出至显示设备上。
2 装置设计
2.1 装置设计总体规划
矿用无轨胶轮车泊车辅助装置需采集的信号涉及距离数据、图像信号、倒车状态信号和开关量输入信号, 将倒车距离采集设备、图像采集设备、图像切换开关以及车辆运行方向识别设备设计成独立的传感器或设备, 接入泊车辅助装置主机, 如图1所示。
当矿用车辆档位拨到倒车档位时, 泊车辅助装置通过倒车压力或者档位位置开关识别出车辆处于倒车状态;由距离探测传感器采集车辆与障碍物之间的距离信息;通过车辆尾部的车载摄像仪实时采集倒车图像信号, 当泊车辅助装置主机检测到车辆处于倒车状态时, 将车辆与障碍物距离数据通过装置主机中的CAN总线或者RS485总线上传至泊车辅助装置配接的YE0.3/24机车保护监控仪或者ZBC24-X监示器, 通过配接的显示器显示出来;同时将倒车距离数据叠加于倒车图像信号之上, 输出至泊车辅助装置主机的视频输出口, 供接入的独立视频显示器使用。
2.2 车辆运行方向信号量采集
车辆运行方向信号量采集可通过倒车压力或者档位位置开关来实现。但有些矿用车辆在启动之前, 压力泵是不工作的, 没有建立液压系统和相应的管路压力, 因此, 利用压力开关检测车辆运行方向存在一定的局限性。
磁敏元件广泛应用于车辆上, 通过磁敏传感器可以实现排档杆位置的检测, 如图2所示。
当驾驶人员将排档杆拨到倒车档时, 磁敏传感器输出开关信号 (断开或者闭合) , 经信号调理电路后输出至泊车辅助装置主机检测电路, 当装置主机检测到开关状态变化 (断开或者闭合) 后, 经多次检测和滤波, 可判别排档杆在倒车档, 实现车辆运行方向识别。
2.3 倒车距离数据采集
地面技术中用于测量距离的技术手段很多, 如激光、红外、超声波、高频雷达等, 地面车辆上普遍采用超声波方式测量倒车距离。超声波传感器测距实际上是利用压电晶体的谐振来工作的, 谐振频率为40kHz的机械波[3]。机械波在同一介质中直线传播, 在发射的同时开始计时, 途中碰到障碍物就立即返回来, 超声波传感器收到反射波就立即停止计时, 并根据发射和接收超声波的时间差来计算距离障碍物的距离。
在本设计中, 考虑到井下巷道宽度、矿用车辆车身长度等因素, 选用探测距离为200~2 000mm的超声波传感器来测量倒车距离。传感器的超声波声叶图区域显示如图3所示。从图3可看出, 此类超声波传感器声叶图覆盖范围在600 mm左右[4], 因此, 在无轨胶轮车上装配超声波传感器时, 安装间距选择600mm即可实现车辆尾部探测区域的无缝覆盖。
2.4 图像信号采集
图像采集探头在市面上有很多, 尤其是在家用轿车的倒车视频中更是应用广泛。通常市面上的倒车影像都是采用小尺寸COMS感光元件, 成本相对较低, 但是这种CMOS感光元件由于在低照度环境下成像效果比CCD差, 同时低端CMOS的寿命比CCD短, 在工业上无高清监控需求领域, 考虑到视频拖影、低照度及寿命等原因都采用CCD探头来实现图像信号采集[5]。本设计中车载视频采集探头选用体积小巧的低照度CCD探头作为前端采集。另外, 由于视频采集探头安装在车上, 整体的结构需考虑抗砸性和抗震设计 (外壁3mm厚度, 内部多点固定支撑摄像头) 。同时考虑到视频采集探头在车上安装位置不尽相同, 设备通过可旋转、调节的底盘来固定和安装, 这样既能保证摄像仪图像可任意旋转, 也可以适应不同的车辆安装需求。
图像采集探头采用本安DC12V供电, 对外输出模拟视频信号, 通过同轴线缆接入泊车辅助装置主机视频输入接口。
2.5 图像与距离信号叠加及自动切换
倒车距离信号和图像信号采集后输入至泊车辅助装置主机, 如果装置显示设备选用视频显示器, 由于视频显示器显示的是模拟图像信号, 倒车距离数据无法显示, 因此, 需要将倒车距离数据叠加在模拟图像信号之上。针对数字图像信号, 常用的图像叠加采用FPGA方式处理[6], 对于模拟图像信号, 设计中采用分时显示方法处理, 如图4所示, 通过“字符图像”发生电路和微控制器之间配合, 控制视频输出和倒车雷达数据输出通道上的时序关系, 将倒车距离数据直接叠加到实时显示的图像上, 输出至视频输出接口。
3 结语
从矿用无轨胶轮车应用的实际情况出发, 在分析无轨胶轮车存在倒车安全隐患的基础上, 结合煤矿车载设备应用环境, 设计了矿用无轨胶轮车泊车辅助装置。该装置可以单独用作倒车测距、独立倒车视频监控, 也可以同时使用, 满足用户多样化选择要求。目前, 该无轨胶轮车泊车辅助装置已装配在WC5E无轨胶轮水泥罐车和WC80Y无轨胶轮80t框架车上, 现场应用结果表明, 装置运行稳定可靠, 能够有效监测400~2 000mm倒车距离, 倒车视频图像能够在低照度环境下清晰显示, 解决了在视线受阻区域倒车的安全问题。
摘要：针对无轨胶轮车倒车存在的安全隐患, 设计了矿用无轨胶轮车泊车辅助装置, 详细介绍了该装置倒车距离信号、图像信号、车辆行进方向信号和切换开关输入信号的采集原理。实际应用结果表明, 该装置性能稳定可靠, 能够有效监测4002 000mm倒车距离, 倒车视频图像能够在低照度环境下清晰显示, 解决了在视线受阻区域倒车的安全问题。
关键词：无轨胶轮车,泊车辅助装置,倒车,信号采集
参考文献
[1]戴志晔.煤矿井下无轨胶轮车的现状及应用[J].煤炭科学技术, 2003, 31 (2) :22-25.
[2]MT/T 989—2006矿用防爆柴油机无轨胶轮车通用技术条件[S].
[3]李媛.矿用自卸车障碍物检测及倒车监测装置[J].煤矿安全, 2013, 44 (2) :111-113.
[4]希而科贸易 (上海) 有限公司.德国SensoPart Industriesensorik GmbH传感器产品描述[EB/OL]. (2012-08-31) [2013-09-15].http://www.cpooo.com/products/3600397.html.
[5]雷玉堂.CMOS摄像机与CCD摄像机的比较[J].中国公共安全:综合版, 2012 (16) :188-192.
干熄焦定位导向装置的优化设计 篇7
定位导向装置是干熄焦生产线的关键设备之一, 用于焦罐在提升机下的准确定位以及提升起始阶段焦罐的导向, 确保焦罐导向轮能顺利平稳进入提升机导向槽。图1为某干熄焦生产线定位导向装置的初始设计, 在投入使用后, 发现该系统故障频繁, 导向门经常卡死甚至无法动作。
2 设计缺陷分析
通过分析, 可以发现上述设计存在以下缺陷:
(1) 动力元件太多, 可靠性不高。以上设计每扇导向门由一个液压缸驱动, 整个系统共有4对 (8扇) 导向门, 为了控制导向门的开合, 每个液压缸至少要配备2套位置检测装置。如此整个系统至少有16套位置检测装置 (接近开关) , 任何一个问题出现都将使系统无法运转。假设每个接近开关的可靠性有99%, 则16个接近开关累积起来的可靠性也只有85%左右。因此整个系统运转的可靠性并不高。
(2) 传动机构复杂, 做功效率不高。以上设计中, 从液压缸到导向门实际是一套带各种约束的五连杆机构。假设从液压缸出来的力为T, 分析图示位置左导向门的受力。此时焦罐导向轮对导向门的作用和连杆机构对导向门的作用达到平衡。列出平衡方程:
将实际数据α=58°, β=55°, γ=27°, L=254.7mm, M=350mm代入上式, 得出F=0.20T。
也就是说实际到焦罐导向轮的抱紧力只有液压缸输出力的20%, 可见该系统做功效率并不高。
(3) 导向门上下转轴分别固定于不同基础的底座上, 转轴同轴度难以保证, 可能导致导向门卡死。如图2所示, 导向门上部转轴固定于传动底座上的导向门框架上, 而下部转轴则固定于导向门底座上。这种设计, 首先在设备安装时要把两个底座调整到合适位置以保证转轴座的同轴度就有一定难度, 其次就算安装时调整好了, 在日后的使用过程中, 两个底座基础产生的变形不可能完全一样, 当上下转轴偏离到一定程度时, 导致门将无法转动而卡死。
3 优化设计方案
如图3所示为经过优化的设计方案, 与原设计方案相比, 有如下优势:
(1) 减少动力元件, 既降低了投资, 又提高了可靠性。优化方案中一对门由一个液压缸驱动, 如此既保证了两扇门的完全同步, 也降低了投资, 减少了备件费用。最关键的是提高了系统的可靠性。因为液压缸少了一半, 所以位置检测元件也少了一半, 只需要8套接近开关, 假设每个接近开关的可靠性为99%, 则8个接近开关串联的可靠性也超过了92%, 比原设计提高了7个百分点。
(2) 简化了传动机构, 提高了设备效率。优化设计方案实际是一套三连杆机构, 比原方案有了很大的简化。那么这套简单机构的工作效率如何呢?仍假设从液压缸出来的力为T, 分析图示位置左导向门的受力。此时焦罐导向轮对导向门的作用和连杆机构对导向门的作用达到平衡。列出平衡方程:
将实际数据α=16°, L=232.8mm, M=320mm代入上式, 得出F=0.38T
也就是说实际到焦罐导向轮的单侧抱紧力约为液压缸输出力的38%, 两侧合计, 该液压缸效率约为76%。
(3) 导向门上下转动轴安装于同一底座上, 保证了安装精度。如图4所示, 优化设计中, 整个定位导向装置全部安装于一个底座上, 导向门上下转动轴的同轴度只与底座的机械加工精度及所加调整垫片的精度有关, 而与基础无关。如此, 则大大简化了设备的安装和调整过程, 同时也免除了基础变形等因素对导向门产生的不利影响。
4 优化效果
经过优化后的定位导向装置投入使用后, 设备运转平稳可靠, 大大降低了故障时间, 为干熄焦生产的稳定顺行提供了保证。
摘要：介绍了干熄焦生产线定位导向装置的基本结构及作用, 通过分析某套定位导向装置的设计缺陷, 有针对性的提出了优化设计方案, 并在实际生产中取得了良好效果。