动态分离器（精选7篇）
动态分离器 篇1
仪化热电厂有6 台HG220/100-10 型高温高压煤粉炉,单炉燃煤耗量约为30 t/h。 每炉配备有2 套制粉系统,每套制粉系统设计出力为24.1 t/h。 其中制粉系统的重要设备粗粉分离器均系上海电站辅机厂80 年代的产品,型号为KF2350Y。 分离方式主要采用轴向离心分离,煤粉进入粉仓待用,乏气中一部分进入排粉机,另一部分作为三次风引入炉膛。 仪征化纤热电生产中心1 号炉甲乙侧2 台动态分离器于2012 年安装完成,投运后未能达到预期效果,其主要表现为制粉系统出力低以及出粉细度调节性较差等情况。 2013年期间,对这2 台分离器进行了一系列实验,并在实验结果的基础上进行了分析论证。 根据长期试验、调整及数据分析, 找到了造成动态分离器回粉率高、出力不理想的根本原因。 即静叶片分离作用过强,而动叶轮分离器作用相对较弱;原动态分离器存在固有缺陷,风粉在径向叶片处,存在较大的轴向速度偏差,造成回粉准确性的降低[1,2,3]。 在此基础上提出了改造方案,并于2014 年1 号炉停炉检修期间实施。
1 整改措施
1.1 具体改造措施
更换原动叶轮、拆除径向叶片、并在原径向叶片的位置安装导流板,如图1 所示。
(1) 增大动叶轮的尺寸。 包括直径和高度。 目的是增强动叶轮的分离作用,同时可使动叶轮转速与出粉细度有明显的线性关系。
(2) 安装导流板。 对煤粉起到均流作用。 可减少小颗粒回粉率,同时提高大颗粒回粉率,从而提高回粉的准确性,提高制粉系统出力。
(3) 去除径向叶片。 削弱静叶片的分离作用,相对进一步加强动叶的分离器作用。
1.2 改造中要注意的问题
(1) 导流板的截面形状为流线形。 这样的形状能最大限度地减少流动阻力。
(2) 动叶轮安装时, 其上表面与分离器筒体要有10~20 mm的间隙。 如果间隙太小,很可能引起动叶轮与分离器筒体之间的机械擦碰,引发安全事故;但如果间隙过大,则大量的风粉不经过分离器,而直接从该处间隙通过,相当于风粉被短路,进而降低分离效率。
(3) 去除径向叶片后,需要将内筒高度适当降低,以适应动叶轮的需要。
2 调试数据分析
2014 年9 月10 日至9 月15 日,对1 号炉甲侧制粉系统进行了调试。 从出粉细度及可调性、出粉均匀性指数、制粉出力等多方面的数据进行了试验,并得到了全面的定性和定量的数据结果。 由此可对甲侧动态粗粉分离器改造的具体效果进行判定。
2.1 细度调节性的改善
出粉细度R90与分离器转速关系如图2 所示。 改造前,当分离器转速从65 r/min提高到95 r/min,出粉细度R90几乎无变化;改造后,分离器转速从20 r/min提高到60 r/min,出粉细度R90从25.2%降低到7.2%,出粉细度R90与分离器转速呈现良好的负线性关系。
可见本次改造后,主要由于动叶轮尺寸增加,导致颗粒受到的离心力增加。 出粉细度的调节性能明显增强且线性关系明显。这样的好处包括:(1) 对于不同煤种,能够方便地通过细度调节,使出粉细度始终在经济情况下运行;(2) 由于出粉细度调节范围更广,尤其是可以调到很细的这种特点, 可完全适应低氮燃烧器改造后的需求。 当然更低的细度R90是以损失部分出力为代价的。鉴于目前1 号炉的运行情况,建议排粉机电流保持在16.5~17 A, 分离器转速维持20~30 r/min的运行方式, 此时对应的出粉细度R90在25.2%~23.2%,均匀性指数n≥1.2。
2.2 出力的提高
2.2.1 出力试验
为了实际验证分离器改造后, 制粉系统的出力状况于2014 年9 月15 日进行了如下试验, 将1 号炉负荷稳定在220 t/h(以下粉位为甲乙两侧平均值)。
(1) 从09:55 到13:15 这段时间(200 min),甲侧乙侧同时运行,观察1 号炉粉仓的粉位变化,从3.8 m涨到4.3 m;
(2) 从13:15 到15:10 这段时间(115 min),只运行甲侧,观察1 号炉粉仓的粉位变化,从4.3 m降到了3.3 m;
(3) 从17:30 到19:30 这段时间(120 min),只运行乙侧,观察1 号炉粉仓粉位变化,从4 m降到2.9 m;
从上述的数量关系可列出含有3 个未知数方程组:
式(1)中:x为单位时间内甲侧磨煤机的出力换算成粉位的变化, m/min;y为单位时间内乙侧磨煤机的出力换算成粉位的变化, m/min;z为单位时间内220 t/h负荷下对于煤粉消耗量换算成粉位的变化,m/min。
最后计算得到(x + y)/z=1.123,也就是说甲乙两侧同时运行后, 能够供应的锅炉负荷为215×1.123 = 241t/h。 相比改造之前甲乙两侧同时运行可维持的最大负荷210 t/h, 制粉系统的出力提高了(241-210)/210×100%=13.8%。
2.2.2 回粉比例减少
同样在上述工况下,对1 号炉甲侧的进粉、出粉和回粉进行取样并化验细度,再和改造前数据进行对比,详细数据如表1 所示。
从表1 可见, 改造后循环倍率从3.06 降低到1.79;回粉比例从67.3%降低到44.1%。 回粉比例即回粉占进粉的质量比。 回粉比例减少23.2%, 意味着有23.2%的煤粉不需要回到磨煤机重复研磨,做无用功。出力也就相应地提高23.2%。 考虑到改造后的出粉细度R90比改造前的出粉细度R90还要小,所以在相同出粉细度情况下, 甲侧磨煤机提高的制粉出力是大于23.2%的。
3 结束语
本次改造实现了预期的效果,达到了改造的目的。一方面, 制粉系统出力有了显著提高, 单是甲侧的改造, 就使得1 号炉总的制粉出力相比改造前提高了13.8%。 另一方面,出粉细度的调节性能显著增强,且线性关系明显。
鉴于试验的结果和1 号炉的运行情况, 建议1 号炉甲侧制粉系统按照如下方式运行:排粉机电流16~17 A,分离器转速20~30 r/min。 此时对应的出粉细度R90在25.2%~23.2% 、 均匀性指数达到n≥1.2、 制粉出力高(甲乙两侧同时运行,能满足241 t/h负荷对于的煤粉消耗)、制粉单耗低。
摘要：针对仪征化纤热电生产中心动态旋转式粗粉分离器存在的缺点,对原粗粉分离器结构和参数进行了优化改造。对改造前、后的粗粉分离器性能进行了现场试验和分析。结果表明,与改造前相比,改造后动态分离器的分离效率和煤粉均匀性都有所提高,制粉系统的出力显著提高。
关键词：中储式制粉系统,动态分离器,结构优化
参考文献
[1]康达,武勇,李永星,等.粗粉分离器在电厂制粉系统中的选配和改进[J].电站系统工程,2006,22(5):45-47.
[2]孔文俊,栾庆富,程尚模,等.新型粗粉分离器研究[J].电站系统工程,1994,10(6):24-30.
[3]尹元明.新型静动叶结合型旋转型粗粉分离器的研究[J].江苏电机工程,2005,24(1):63-65.
动态分离器 篇2
1.油水分离器是控制排放机舱污水含油量的重要防污染设备，必须严格保证其
运行的可靠性，且本船舶应在距离陆地12海里以外的海域时使用。
2.轮机长和轮机员必须仔细阅读说明书，了解操作、检查和维护注意事项。
3.值班轮机员应按规定检测电气监测系统、三通控制阀、15ppm报警装置，清洗含油探测器，检查监测元件的参数是否正确，避免监测元件失灵，造成不报警或误报警。
4.注意报警系统是否正常，排出污水中含油不超过15ppm，排出速度不超过60
公升/海里。
5.系统每次投入运行前和正常运行后，应该用舷外的清水进行清洗，以保证处理装置的正常工作和达到预期的处理效果。
6.保持各指示灯完好，保持分电箱元件清洁；注意电磁阀动作是否正常；设备紧急停止开头应时刻处于良好状态。
7.污油排放阀每月至少检查一次,以免堵塞。
8.每年或当压力损失超过说明书规定时,应解体检查分离装置，清洁初级和次级分离区，清洗全部滤芯，若有缺陷必须换新，以保持分离质量。
9.监测装置的光源照明要保持完好。
10.检查、监测、保养结果做好记录；未能排除的缺陷，填报《不符合规定情况报告》，及时采取措施纠正。
动态分离器 篇3
煤粉制备系统是火力发电厂燃煤锅炉必不可少的主要设备之一,其运行的安全可靠性和经济性直接影响到锅炉机组的性能;而磨煤机又是制粉系统的关键设备,其作用是将原煤研磨成满足燃烧要求的煤粉。中速磨煤机因系统简单、占地面积小、省电、钢材消耗少、操作方便和噪音低等优点,正在逐渐取代钢球磨煤机,在大容量机组中得到越来越广泛的应用。而中速磨煤机的煤粉细度的大小影响着磨机的出力和运行的经济性,同时也对其辅助的主体设备如套筒窑,回转窑,高炉等设备的燃烧室的稳定性有很大的影响,所以合适的煤粉细度应当结合磨机出力与运行的经济性。煤粉细度的调节主要是分离器的调节,分离器的形式可以分为静态分离器和动态分离器。
1 分离器的作用
分离器的原理是经过研磨的粉、粒混合物由热风带至分离器,过大的颗粒则落回研磨区,重新研磨;符合粒度要求的粉通过分离器叶片后进入收粉器。粉的粒度可以通过调节转子驱动电机的频率进行控制(如图1所示)或是通过分离器的叶片开度进行控制(如图2所示)。
2 动态分离器的工作原理
气流与颗粒由分离器锥体外部的流场通道进入转子静叶片与转子动叶片组成的转子旋转区域。细颗粒因为质量小,惯性小,无法克服气流的拽引力而随气流一起在旋转转子的作用下产生旋转,穿过叶片进入收粉风管成为合格产品。粗颗粒则因为质量大而具有较大的惯性,并足以克服气流的拽引而保持原来的运动方向作直线运动,与旋转叶片发生碰撞。当碰撞作用发生在切线方向的内侧时,粗颗粒则穿过分离器叶片,从而污染合格的细粉。另一方面,分离区的颗粒同时受到叶片旋转产生的离心力Fc和气流产生的离心力Fn的作用,当Fc>Fn时候,颗粒飞逸出分离器,在涡流下旋力作用下,将粗颗粒从气粉流中分离出去,飞逸出的粗颗粒与7碰撞减速并在粗颗粒的重力作用下,经中心管道滑落回磨盘研磨区域,进行二次研磨。
3 改造实例
唐山东海钢铁厂活性石灰套筒窑项目,配套使用的中速磨煤机设备使用动态分离器的选粉机,实际投产后达到要求,但为了利于燃烧室的控制和燃烧的充分,提出一个提高煤粉细度的动态分离器整改方案,如图3,4所示。
图3为分离器叶片改造前,其转子动叶片的角度为径向方向,与径向平面夹角为0°;图4为分离器叶片改造后,其转子动叶片通过叶片角度变换装置,改变成与径向平面夹角为40°。整改前后的煤粉细度(R90)对比如表1所示。
由表1对比可以看出:图4相比于图3改变叶片的角度,减小了气流和颗粒与叶片的撞击阻力,从而降低了气粉混合物的速度损失,提高了粗颗粒的筛分效率。结合分离器的电机频率提高,进一步提高了磨机的煤粉细度。
使用的原煤为烟煤,其主要参数如表2所示。
4 结束语
动态分离器 篇4
关键词：贝叶斯方法,高含硫气田,井口分离器,动态风险分析
由于高含硫气田中含有H2S、CO2等腐蚀性气体, 在集输设备的长期运行中, 容易对阀门等设备部件产生强烈腐蚀而影响设备工作, 最终产生严重的设备故障或是造成安全事故。目前, 针对事故风险分析, 传统采用的方法是静态分析方法, 而集输设备是长期动态运行的, 设备性能也是动态变化的, 因此采用动态风险分析更符合实际情况[1]。动态风险分析可有效动态监控集输设备, 预防事故发生, 有助于高含硫气田的安全运行管理[2,3]。
本文以集气站井口分离器为研究对象, 首先基于历史经验建立故障树模拟事件过程, 然后基于贝叶斯方法, 结合运行状态下的动态数据进行了风险定量分析, 并结合模糊损失率法量化事故损失和风险状态。
1 动态风险分析原理
对积累的历史数据进行分析, 结合专家经验确定各部件或单元安全屏障的先验失效概率分布, 然后采用贝叶斯方法, 利用后续时间段内的运行数据来更新失效概率, 利用更新的失效概率更新故障树中的后果事件概率, 进而动态分析不同时间段内的井口分离器的风险, 利用式 (1) 更新计算设备风险。
式 (1) 中, Fi为部件或单元发生故障i的概率, Ci为发生故障i情况的影响后果, 可采用模糊损失率来表示, S为故障数。
2 井口分离器故障树模型
2.1 故障及安全屏障识别
为了保障井口分离器的安全运行, 应使得液位维持在有效范围。由于高含硫天然气容易对设备产生腐蚀导致失效, 并且如果集输设备运行维护不到位, 容易导致井口分离器的低液位故障。因此, 为了确保井口分离器的安全运行, 安装液位计, 液位调节阀, 液位报警仪, 管道紧急关断阀等安全屏障。
2.2 故障树模型
设有6个安全屏障 (Si, i=1~6) 来防止井口分离器的低液位故障导致事故发生。采用液位传感器实时采集液位信息, 并利用液位调节阀进行液位控制。当低液位故障发生, 液位报警仪产生作用, 发出警报, 工作人员采取事故预防措施进行故障维修和纠正, 如果措施无效, 当液位到达危险液位时, 出发管道紧急关断阀实行关断。如果自动关断和人工关断均无效, 则导致串气事故发生。在故障树中根据事故发展过程和对后续的不同影响, 分析可得多种后果, 可将所有后果归为三类 (继续运行CO、排液管关断SD、失控RA) 。
3 动态风险分析
3.1 失效概率评估
采用故障树分析时通常假设失效概率为常值, 但是考虑到设备的运行状态, 考虑采用概率分布函数来计算失效概率。假设失效概率是随机且独立的, 即与先前的安全屏障和后果事件无关, 则安全屏障Sj的先验失效概率分布f (xj) 可用Beta分布计算。
设失效数据服从伯努利函数分布, 因此可采用伯努利似然函数和贝叶斯定理计算后验概率分布, 如式 (2) 所示。
式中, Fj, t为Sj在故障点t处的失效累积次数, xj, t为Sj在故障点t处的失效概率, Sj, t为Sj在故障点t处的正常累积次数, Nbj为Sj的故障点数目。由式 (2) 和统计数据可计算得到各安全屏障后验失效概率平均值。
3.2 后果事件概率
按照故障树中事件发展过程, 利用安全屏障在故障点的失效概率和条件概率计算后果事件概率, 相应后果状态 (继续运行、排液管关断、失控) 发生概率的总和即为三类后果事件各自的发生概率。通过计算和结果分析, 可制定相应措施, 例如当继续运行概率小于排液管关断概率时, 需进行相应的设备检修和维护, 甚至是更换井口分离器。
3.3 井口分离器动态风险
井口分离器的安全风险即为三类后果事件的风险总和, 通过实时数据更新可动态分析井口分离器的风险趋势R。当井口分离器发生低液位故障后, 需要三类后果事件的损失进行定量化分析。目前, 评价后果事件损失主要是损失率T的方法, 即事件引起的所有损失占总投资的比重, Ti=Wi/W, i=1~5, Wi为事故i的损失总和, W为总投资。如果Ti>1, 取Ti=1。将Ti划分为5个区间, 对于5个损失率区间中值可用向量RCV表示。
由于设备环境、维护补救措施等因素影响, 事件引起的损失是随机的, 因此, 同类后果事件的损失率也不尽相同, 可能处于不同的损失率区间且不同区间的概率不同。采用向量qi (其中元素为qij) 表示不同损失率区间的概率, i表示后果类别, i=1, 2, 3;qij表示i类事故后果处于损失等级j对应的损失率区间的概率, j=1~5。
4 结语
本文以集气站井口分离器为研究对象, 首先分析了事件故障树, 然后基于贝叶斯方法进行了风险定量分析, 并结合模糊损失率法量化事故损失程度。该方法可借鉴用于高含硫气田集气站等其他集输设备的动态风险分析, 并有利于安全运行管理的动态监控。
参考文献
动态分离器 篇5
关键词：双进双出磨煤机,动态分离器,煤粉细度,均匀性指数
1 使用动态旋转分离器的意义
磨煤机是燃煤火电厂制粉系统的重要设备, 其研磨的煤粉细度和均匀性直接影响锅炉的燃烧状况。煤粉细度的大小和分离器的特性有关, 在直吹式制粉系统中, 双进双出磨煤机常规配置雷蒙式静态分离器。该分离器虽然带有调节挡板, 但调节的范围较窄, R90=6%为其分离能力极限, 煤粉均匀性指数n能达到1.1, 在一定程度上制约了锅炉燃烧效率的提高。
随着锅炉燃烧技术的提高, 对入炉煤粉的细度有了更高要求。按照最新的电力行业标准, 固态排渣煤粉炉燃用无烟煤 (Vdaf<10%) 时, 煤粉细度要求按照R90=0.5nVdaf计算, 求煤粉细度R90<5.5%, 这对于普通的静态分离器来说是很难达到的。目前在中速磨煤机上广泛采用旋转式煤粉分离器在双进双出磨煤机上还没有得到应用。
2 动态分离器的主要结构和工作原理
动态分离器包括壳体、传动部、静态叶片、动态叶片、变频器、变频电机、行星减速机等部分, 保留了原静态分离器的回粉内锥。垂直叶片条的动叶片和导向叶轮组成的转子与静态叶片采用同轴布置。动态分离器的原理包括两个阶段的颗粒分离, 导流装置的预分离效应和转子旋转的离心分离效应。磨煤机研磨的煤粉被热一次风携带进入到分离器, 先撞击静叶片实现预分离。较粗的颗粒由于离心力的作用被甩出, 在重力作用下沿内锥体壁滑落至回粉管和筒体再次研磨。较细颗粒随气流进入旋转的动叶片再次分离, 这是煤粉分离的主要过程。
该过程中的部分较大颗粒撞击在旋转的动叶片上, 失去大部分动能, 由于重力作用落回磨机重新研磨, 其余颗粒随气流进入叶片, 随叶片的旋转做圆周运动, 同时受到气流携带产生的向心力, 重力和叶片产生的离心力作用。较大煤粉颗粒所受离心力大于向心力, 在甩出气流迅速下降后返回重新研磨;达到一定细度的煤粉颗粒所受的离心力小于向心力, 随气流穿过动叶片, 作为合格的煤粉进入锅炉燃烧器燃烧。
3 动态分离器的运行特点
分离器的转速是调节煤粉细度的主要手段, 设计值为50～120r/min, 煤粉细度R90的调节范围从3%～40%, 满足锅炉对不同煤质的不同细度要求。在动态分离器中碰撞作用是主要的, 转速增加, 碰撞作用增强, 更多粗颗粒被撞出, 分离器出口煤粉细度减小, 分离效果增强;转速超过一定范围后, 转速的增加造成分离器的电耗增大, 分离器出力也下降, 运行经济性降低。因此, 需要根据具体的燃煤特性和锅炉设计特点制定较为合理的煤粉细度, 从而确定合适的分离器转速。
在制粉过程中, 气粉流除作垂直的上升运动外, 还因离心力场的作用在水平形成圆周运动。因为煤粉粒粗细不均导致所受的惯性与离心力不同, 速度各异, 彼此之间产生扩散, 碰撞作用。颗粒自身形状不规则, 在流场压力、速度梯度的作用下, 颗粒本身会产生回返、旋转, 并伴有升力效应;干燥过程的温升还存在热泳现象。所有这些作用都可能导致流线弯曲, 流速变化产生漩涡, 产生旋转阻力。其中最主要因素是离心力场作用产生的压差损失及转子与气流碰撞所产生的碰撞损失。动态分离器的阻力约为700-1000Pa, 低于档板式分离器的阻力。
4 实际运行数据
4.1 实验背景介绍
华能左权电厂一期2×660MW机组工程, 采用北方重工生产的MGS4366双进双出磨煤机。本工程设计煤种干燥无灰基挥发份Vdaf=13.5, 锅炉要求煤粉细度R90不大于7.425%。
4.2 实验依据和方法
磨煤机分离器性能验收试验依据DL/T467-2004《电站磨煤机及制粉系统性能试验》中的要求和实验方法。磨煤机出口每根一次风管直管段上安装1个煤粉取样管座, 用于煤粉取样。取样装置采用平头式取样器、两级旋风子分离器及压缩空气抽气器。取样方法按等环而积原则静压平衡法, 每根一次风管每次取样时间为240秒。
4.3 实验结果
从实验数据结果看, 该项目使用的动态分离器基本上达到了设计预期要求。
结语
在双进双出磨煤机上配套使用动态分离器, 通过理论分析论证和实践运行数据表明: (1) 动态分离器对煤粉细度的调节作用明显, 通过调整分离器转速可以适应锅炉对不同煤种的细度要求。 (2) 采用动态分离器能够提高煤粉的均匀性, 达到n=1.2。 (3) 动态分离器可以降低回粉率, 提高分离器的分离效率。 (4) 采用动态分离器后, 磨煤机的差压和煤粉的流动阻力减小。
双进双出磨煤机上采用动态旋转式分离器, 不仅可提高磨煤机的各项性能, 改善锅炉燃烧, 提高锅炉的安全经济运行水平;而且可以减少飞灰可燃物含量和SO2、NOx等废气的排放, 实现环保指标达标, 是磨煤机分离器发展的方向, 应当普遍推广。
参考文献
[1]DL/T5145-2004.火力发电厂制粉系统设计计算技术规定[S].北京:中国电力出版社, 2004.
动态分离器 篇6
关键词：微悬臂梁,弹塑性变形,分形粗糙面,接触-分离
0 引言
研究和实践证明,表面间的接触问题成了微机械系统(MEMS)最主要的运动障碍和失效方式[1]。在微悬臂梁在与基底表面间不断发生接触-分离的过程中,由实际不连续的微小接触点变形所构成的真实接触面积的大小和分布将发生变化,这很大程度上决定了微机械系统工作的可靠性[2]。因此,有必要对其基底与梁粗糙面间的接触-分离进行动态分析。
虽然MEMS器件本身价格便宜,但其失效造成的损失非常巨大,目前因微驱动器与微动作机构联结及其相关试验技术问题,尚无对微机械性能影响的全面定量分析方法,迄今为止,针对这种柔性结构多次弹塑性撞击问题的研究却不多见。对于多次弹塑性撞击的问题,撞击和分离过程交替出现,相邻撞击的时间间隔又很短。一系列的撞击加载和分离卸载依次激发的瞬态弹性波与瞬态塑性波,在柔性结构内传播、反射和相互干涉,产生了复杂的弹塑性变形响应,理论分析很困难,只能借助于数值手段进行分析。YANG等[3]应用ANSYS有限元软件对用于MEMS惯性开关的微弹簧进行实体建模和动力学模拟分析,得到其在动载荷下的应力分布情况和端部位移响应曲线,并比较静动载荷下结构参数对微弹簧水平和垂直方向上弹性常数的影响规律。朱斌等[4]也利用ANSYS有限元软件对器件进行模态和动力学碰撞仿真分析,并对该微机械惯性开关进行落锤冲击试验,从而得出冲击力和接触时间的有限值,将有利于其应用系统随后的信号处理。ZHAO等[5]建立了多力耦合作用下微机械惯性开关系统的动力学模型,并运用数值方法对含有椭圆积分的强非线性系统进行动态仿真分析,得出气膜阻尼力和触点接触力对系统性能的影响,充分证实了屈曲梁结构应用于惯性微感应器件设计的可行性。Benjamin等[6]对微机电开关进行了仿真模拟,在考虑金镍合金微凸体相互作用的基础上,建立了金镍合金的微凸体接触面与不同镍合金基底的接触分析模型,得出了合金中的镍含量对接触面积的影响较大,并且获得合理的合金含量,有利于微机电开关综合性能的发挥。刘媛等人[7]对纳米级动态粘着接触过程进行仿真,是为了研究微纳米尺度的机电系统(如MEMS)中所存在的纳米级表面接触和摩擦,从而对系统进行减粘附设计。文献[8]利用仿真软件对微加速度开关在不同加速度的情况下进行了动态特性分析,并且通过重锤实验测试,从而得出与仿真相一致的结论。Chen等[9,10]根据之前的研究还专门设计了一个基于原子力显微镜的接触测试平台,利用AFM的光学系统来测量悬臂梁末端的转角,经过校准以后,能够给出加载和卸载过程中的力,包括接触打开时的粘着力。这样的仿真设计在微机械系统应用方面能够迅速有效的模拟原型材料和微型结构,并对其进行实时的模拟仿真分析,研究结果对于进一步的实验研究具有一定的指导意义。
以上这些动态法向接触建立的模型大多忽略了微凸体相互作用以及实际构件结构的影响(如微悬臂梁反弹力对接触的影响),无法考虑多次接触和分离时实际接触表面变化的影响,其结果很难对实际接触面重复接触-分离的动态接触特性作出合理解释。文中利用ABAQUS有限元软件建立了微机械系统的悬臂梁与基底的接触-分离的模型,并充分考虑重复接触过程中由于材料变形和粘着分离后接触表面的变化,以及微悬臂梁反弹力影响等,是研究实际微悬臂梁与基底多次接触-分离的动态接触特性一个很好的方法。
1 计算模型的建立
1.1 粗糙表面及接触模型建立
由试验测得摩擦副上试样表面轮廓,并通过功率谱变换,分析可确定试样粗糙表面对应的分形维数D=2.5,采用连续且具有自仿射分形特性的Weierstrass-Mandelbrot(简称W-M)分形函数[11]模拟粗糙表面,基于表面平整度和频率分布密度的考虑,确定分形函数中的相关参数:γ=1.5,G=3μm,取样长度L=Ls×(N-1)=1.5×(64-1)=94.5μm(其中N为脊线数量)。
通过编写程序并利用MATLAB软件对粗糙表面进行模拟,获得分形粗糙表面。计算得到该模拟粗糙表面的微观不平度十点平均高度Rz=4.037 4μm,与试验测量的数值Rz=4.503 2μm较为接近。将此分形粗糙表面导入Pro/e软件,建立具有分形特征的粗糙表面实体模型,如图1所示。
图1 粗糙表面实体模型
为简化计算,在考虑上下接触体的弹塑性变形、微悬臂梁的弹性恢复力以及粗糙面微凸体间相互粘着作用基础上,将基底与微悬臂梁间的接触简化为理想平面基底与微悬臂梁粗糙面间的接触,在ABAQUS中进行传统接触计算分析时,接触选项设置中并没有关于接触表面间吸引力作用的相关设置。通过ABAQUS二次开发功能,采用非线性弹簧连接两接触表面,实现了在有限元接触模型中计入接触面分离时表面间的相互吸引作用,如图2所示。
图2 接触几何模型的建立
其中:A1、B1分别表示接触副的工作表面,A1为下接触体(基底)的平整表面,B1为上接触体(微悬臂梁)末端的分形粗糙表面,A2、B2、A3、B3、A4、B4、A5、B5、A6、B6分别表示摩擦副的非工作表面(图中括号里的面为可见面的正对面),C1、C2分别为悬臂梁的上下两个表面,C3、C4、C5、C6为侧面,其中C3为悬臂梁的固定端面。
1.2 结构边界条件的确定
为了分析方便,将悬臂梁分成两段,其前端(自由端)部分包含与基底接触的粗糙面。悬臂梁C约束其固定端(C3面)的x、y、z三个方向位移,并在其前端施加一均布的线性变化的载荷P;而将基底(接触体A)固定不动,底面约束x、y、z方向位移。具体如下:
悬臂梁C:
下接触实体A:
2 算例参数选择
2.1 摩擦副材料属性
铜(Cu)具有耐蚀性、质量轻、易加工成形性、导电导热性能好等特点,它常用于军事上的MEMS器件,被列为重要的战略物资,对其摩擦磨损性能进行分析具有重要意义。因此接触体A、B的材料为铜,而铝(Al)也具有耐蚀性和质量轻等优点,通常应用于悬臂梁材料,根据文献[12]得知铜(Cu)的屈服强度为60 MPa,其具体性能参数见表1。
表1 接触材料的力学性能参数
2.2 结构参数确定
根据分形粗糙表面微凸体的分布状况和边界条件的限制,通过分析比较得到微机械中的尺寸对接触的不同影响,其影响较大的有微悬臂梁的长度、厚度和微悬臂梁与基底之间的间隙,而与微悬臂梁的宽度无关。根据文献[13]初步确定初始间隙为2.7μm,截取的模型几何参数如表2所示。
表2 模型部件的几何参数
μm
2.3 工况条件
在悬臂梁前端施加载荷P=1/6 MPa,载荷在加载阶段(1-10μs)线性增加,在卸载阶段(10-20μs)线性衰减,其他边界条件不改变,采用ABAQUS/Explicit模拟仿真该工况下的动态接触情况。
3 结果分析
3.1 接触过程的响应分析
图3显示了在一次加载和卸载过程中接触冲击力随时间的响应曲线。发现在微悬臂梁的弹性恢复力作用及其接触微凸体粗糙面的法向和切向滑动相互作用下,微悬臂梁与基底接触过程是个复杂的多次弹塑性撞击过程。在加载(0-10μs)过程中,存在多个的明显撞击区段,每个撞击区又包含了形式多样的复杂的次生撞击过程,这与悬臂梁的弹性恢复、接触体的弹塑性变形有关,可从接触凸点的位移变化、接触体的应力应变图更明显看出。
图3 接触过程的冲击力随时间的响应曲线
图4为接触面最先接触节点1 670和28 710位移随时间的响应曲线,图5为不同时刻接触体A、B的von Mises等效应力分布图,其中显示的最大值变化处是微凸体最高接触节点1 670、9 132以及基底的最先接触节点28710和92 763,图6为接触体A(基底)表面不同时刻的三维等效应变图。由图3看出第1次明显冲击接触过程为3.85-4.75μs,其中在4μs处的冲击力[14]达到最大值646.051μN,比加载力大很多。此时接触节点1 670的位移随载荷增大迅速增大,通过计算得出此时上接触粗糙面的压入量为0.002μm,而基底上节点28 710的压入量为0.043μm(图4)。这是因为梁末端实际接触微凸体的接触面积很小,基底承受了较大压力,其接触部分的最大应力值达到116.011 MPa(图5(b)),发生塑性变形,并出现相应压痕,实际接触面积增大,随后接触力下降,其数值在43.34-250.32μN之间波动;在撞击的初期,悬臂梁的上接触体部分区域的应力就已达到了屈服应力,其最大的应力值达到94.573 MPa(图5(a)),超过了材料的屈服极限,因此接触面的微凸体已经产生了塑性变形。仔细验算后续的撞击过程,可以发现,在两接触体上均有部分区域出现了塑性屈服(图5(b-d))。这表明,虽然并非每次的撞击过程都能造成局部接触区域发生塑性变形,但是,自第1次撞击过程发生以后,弹塑性的扰动始终在两接触体中传播。由于微悬臂梁的弹性恢复力,使得微悬臂梁末端压下量比基底的残余压痕深度来得小,致使微悬臂梁与基底间出现第1次分离(t=4.75-6.35μs),这个分离区在位移(挠度)响应中可以很明显看出(图4)。随着外载荷的不断增加,第2个明显冲击接触过程发生在6.35-6.75μs,在这个过程中6.5μs时的最大冲击力达到581.795μN,此时的节点9 132最大应力值达到120.916 MPa(图5(c)),发生接触的微凸体数目增多,接触微凸体接触中心的等效应力超过了材料的屈服极限,发生了塑性变形,初始屈服点发生在最高微凸体的表面下,其主要原因是摩擦副表面微凸体高低不平,实际接触只发生在少数微凸体上,其中几个较高的微凸体在外载荷的作用下发生较大的挤压变形,产生较高的接触压力,而且发现各个微凸体之间的相互影响开始加强,另外基底的接触应力也有所提高,最大值达到121.945 MPa(图5(d)),影响区域也明显增大;随后发生的次冲击区的接触力有所下降,其数值在4.2-219μN之间波动;第2次分离过程为6.75-7.05μs。根据图6(a)显示在4.0μs时发生接触的点最大等效应变值达到0.187,其他两个节点的等效应变值也比较大,而在6.5μs时的接触点的最大等效应力值达到0.234(图6(b)),较之前时刻的值大,这个也能很好的解释冲击响应的过程,与冲击力和应力的变化都有很大的关系。而第3个撞击区的过程为7.05-7.8μs,在这个过程中达到整个冲击过程的最大接触力值为715.16μN,相当于第1次撞击力的1.12倍,其等效应力值也有所提高,因为此时的外载荷逐渐增大,使得悬臂梁在还没有完全反弹结束又一次加载进行冲击接触;随后也产生了不少间断性的冲击接触,因此不能忽视后续撞击对其产生的影响。在卸载过程中(10-20μs),随着载荷的线性减少,微悬臂梁的弹性恢复力使得微悬臂梁末端与基底发生间歇性的接触,另外接触面产生的弹性形变的恢复导致多次局部接触,从而会产生波动的冲击力,平均冲击力达到100μN,直到外载荷减小到一定数值,弹性恢复力使梁末端与基底在16.35μs时完全发生分离。因此不可忽视微悬臂梁的弹性恢复力对微接触的影响,多个撞击区和多次撞击过程将对梁的接触体和基底的撞击物理行为产生重要影响,其等效应力分布也与冲击响应有很大的关系。
图4 接触面最先接触节点位移的响应曲线
图5 不同时刻接触体A、B的von Mises等效应力分布
图6 接触体A(基底)表面不同时刻的三维等效应变图
3.2 无量纲接触面积的变化
图7显示了无量纲接触面积随时间的变化过程(A为真实接触面积,A0为名义接触面积)。可以看出,无量纲接触面积的变化与冲击接触力的变化相一致,说明了冲击接触力与接触面积有直接的关系;整个接触分离过程,实际接触面积只占名义面积的极小一部分,这也与工程实际相符合。在加载初期还未接触,直到3.85μs时第1次发生接触,此时只有较高微凸体顶端接触,因而接触面积较小,随着载荷的不断加大,接触面积也随之迅速增大,到4μs达到第一次接触时的无量纲面积最大值(2.5%),随着接触力的变化,接触面积也随之产生变化;在加载阶段的无量纲接触面积最大在第2次冲击接触过程产生,最大值达到2.7%,由于弹性恢复力的作用使得悬臂梁带动接触体B与A进行多次接触,因而接触面积也不断发生变化,因为载荷的不断加大,更多的微凸体接入接触,塑形变形的产生也使得接触面积有所增加。在卸载阶段的载荷不断减小,但是仍然会有一部分接触体发生间断的接触,因此接触面积会发生波动,直到16.35μs时完全分离。
图7 无量纲接触面积与时间的变化曲线
4 结语
1)充分考虑重复接触过程中由于材料变形和粘着分离后接触表面的变化,以及微悬臂梁反弹力影响等,建立了一理想平面基底与微悬臂梁粗糙面间的动态接触模型,并得到其应力应变适时的变化情况。
2)由于微悬臂梁的弹性恢复及接触体的弹塑性变形影响,微悬臂梁粗糙面与平面基底的撞击过程实际上是一个复杂的多次弹塑性撞击过程,一般存在2个以上的明显撞击区,每个撞击区包含了形式多样的复杂的次生撞击过程。
动态分离器 篇7
四川泡菜是用一定浓度的盐水来泡制蔬菜,在泡制过程中涉及到乳酸菌发酵过程、醋酸发酵过程和酒精发酵过程,其中以乳酸发酵为主,蔬菜在高浓度食盐溶液中,利用蔬菜表面的乳酸菌发酵,产生乳酸,降低PG值,食盐有着高渗透压,实现对其他有害微生物的抑制。基于以上,本文简要研究了四川泡菜发酵过程中酵母菌的动态变化规律及分离鉴定。
实验材料及方法
材料
①老盐水:从民间采集两年以上的四川泡菜专用的老盐水十份,筛选出三份优质老盐水进行实验,分别设为Y1、Y2、Y3;②蔬菜:购买新鲜的大白菜、青菜及萝卜;③调料:四川泡菜专用调料,主要有生姜、食盐、白酒、红辣椒等。
仪器设备
实验仪器设备主要有恒温培养箱、漩涡振荡器、无菌操作台、精密pH计、电子天平、高压灭菌锅、电泳仪和PCR仪等。
培养基
主要有YPD琼脂培养基、马铃薯琼脂培养基、孟加拉红琼脂培养基等。
制作工艺
按照四川泡菜制作配方和方法制作泡菜。
酵母菌分离鉴定
将制作成功的四川泡菜盐水作为主要样品,每天进行一次取样,进行酵母菌的分离。无菌操作进行取样,按照一定比例加入无菌水,用漩涡振荡器振荡,之后稀释成不同倍数,将稀释完成后的稀释液接种到三种培养基中,放到恒温培养箱中,在28℃条件下培养24小时,观察菌落长出的时间和菌落形态,将不同形态菌落在孟加拉红培养基上进行划线纯化,纯化三次,之后用显微镜进行镜检和分子鉴定。采用26SrDNAD1/D2区序列分析法进行分离鉴定。计数
以不同酵母菌的菌落特点为基础进行计数,将样品接种到三种培养基上,对易计数和易观察菌落特点的培养基进行观察。对不同特点酵母菌进行编号、计数,之后进行划线纯化和鉴定。将计数结果和鉴定结果结合,得出不同种类酵母菌的数量。
实验结果分析
分离鉴定
共分离得到5株酵母菌,经过分子鉴定得出,其中有4株为酿酒酵母,有1株为膜璞毕赤酵母。膜璞毕赤酵母菌体形状为棒状,菌落为不规则圆形、白色、隆起,菌落表面干燥、呈褶皱状,边缘为锯齿状,同源性为99%,出芽方式为一端芽殖,序列长度为570。酿酒酵母菌体呈椭圆形,菌落呈乳白色或黄色,表面光滑湿润,边缘整齐,其同源性为99%,出芽方式为一端芽殖,序列长度为560。
四川泡菜发酵过程中酵母菌动态变化规律分析
1酿酒酵母动态变化规律
选取酿酒酵母菌落数量为30～300 CFU平板进行计数处理,将1毫升泡菜盐水菌落数量的常用对数设置为纵坐标,将发酵时间设置为横坐标,之后进行统计,就能够分别得出青菜泡菜、白菜泡菜以及萝卜泡菜在发酵过程中酿酒酵母的动态变化规律。在发酵刚开始时,每毫升泡菜盐水中酿酒酵母的数量为10 000～100000 CFU,青菜泡菜盐水中,酿酒酵母随着发酵时间的推移数量逐渐减少,在发酵的第三天和第四天,青菜泡菜酿酒酵母的数量减少速度最快,在第五天左右,青菜泡菜盐水中酿酒酵母消失;萝卜泡菜盐水中,随着发酵时间的推移,其酿酒酵母的数量呈现先增加后减少的变化趋势,发酵后两天,萝卜泡菜盐水中酿酒酵母的数量最多,每毫升萝卜泡菜盐水中酿酒酵母数量达到了10 000 000 CFU,之后迅速减少,在发酵后五天左右消失;在白菜泡菜中,其酿酒酵母的数量呈现先增加后迅速减少的变化规律,在发酵后一天达到最大值,之后迅速降低,在发酵后四天左右消失。
2膜璞毕赤酵母动态变化规律
在白菜泡菜中,没有检测出膜璞毕赤酵母,在青菜泡菜和萝卜泡菜中,检测出来膜璞毕赤酵母。
在青菜泡菜中,每毫升青菜泡菜盐水中膜璞毕赤酵母初始数量为10000～100 000 CFU,随着发酵时间的推移,膜璞毕赤酵母数量逐渐减少,在发酵后三天到四天减少速度最快,在发酵后四天消失;在萝卜泡菜中,每毫升萝卜泡菜盐水中膜璞毕赤酵母初始数量为50 000 CFU,随着发酵时间的推移,膜璞毕赤酵母的数量呈现先增加后减少的变化规律,在发酵后两天,萝卜泡菜盐水中膜璞毕赤酵母数量达到了最大值,之后采用Y2老盐水和Y3老盐水进行发酵的萝卜泡菜盐水中膜璞毕赤酵母的数量逐渐减少,在发酵后五天左右消失;采用Y1老盐水发酵的萝卜泡菜盐水中膜璞毕赤酵母数量一直保持稳定,每毫升在100000 CFU左右,在发酵后十一天,膜璞毕赤酵母数量开始减少,在发酵后十天,萝卜泡菜表面出现白膜,这可能与后期酵母菌较多,酸度上升有关。
结论