试验系统研制

试验系统研制（精选10篇）

试验系统研制 篇1

摘要：采用CSDA(客户端/服务器/数据库/应用程序)系统结构,运用TCP/IP网络通讯技术、RS-232串口通讯技术、SQL Server数据库及ADO数据访问技术开发的高频疲劳试验远程监控系统,系统实现了疲劳试验监控的远程化,其原理也可应用于其它工业设备,具有广泛的应用价值。

关键词：高频疲劳试验机,远程监控系统,数据库,网络通讯,ADO技术

1 引言

高频疲劳试验系统主要用于测定金属及其合金材料在室温状态下的拉伸、压缩或拉压交变负荷的疲劳性能。其特点是高负荷、

高频率、低消耗,从而能够缩短试验时间,降低试验费用,是工业发展的主要设备之一。

高频疲劳试验噪声大,时间长,对人体具有一定危害,而高频疲劳试验远程监控系统能够将试验机与人隔离,改善操作人员工作环境,具有实用价值。另一方面网络化也是测控系统发展的一个重要趋势,实现高频疲劳试验监控系统网络化能够提高试验效率、实现资源共享。

本系统采用CSDA(客户端/服务器/数据库/应用程序)系统结构,使用面向对象的程序开发语言Visual Basic 6.0和数据库工具SQL Server 2000进行开发[1]。系统使用了Winsock控件进行控制命令的传输,采用ADO技术进行试验信息的传输;用户在网络中任何支持TCP/IP协议的电脑上使用客户端程序就可以登录服务器进行实时控制和数据查询。另外,服务器端使用MSComm控件与高频疲劳试验机的控制器进行串口通讯,并将采集到的数据进行分析、处理、保存并据此对试验参数(平均载荷、平均载荷、振动频率)进行控制和对试验过程进行管理。

2 高频疲劳试验系统总体组成

本系统是分布式多功能疲劳试验智能监控系统,基于共振式高频疲劳试验机。试件通过夹具固定于试验机,系统通过电磁激振器和可控电机将力作用在试件上,利用激振器(基于DSP技术和FPGA技术研制)产生与系统固有频率一致的激振力使系统处于共振状态。此时作用在试件上的力通过测力传感器采集转换为电压信号,并经信号调理模块调理后进入现场控制器的数据采集与处理模块,经A/D转换、滤波、数据处理后通过RS232传给上位PC机,在此上位PC机也担任服务器的功能,通过网络通讯将数据传给远程监控PC机。原理框图如图1所示。

3 高频疲劳试验远程监控系统

远程监控系统要为远程监控PC和上位机PC之间提供网络通讯,包括试验信息的远程监测和对试验过程进行控制,而且能够按各种查询条件对试验结果、实时数据、实验历程进行远程查询[2]。

主要包括客户端和服务器端两个部分。其中服务器端包含上位机数据采集、管理、控制软件和服务器通讯软件;客户端运行远程监控软件[3]。通过此系统可以在客户端远程监测试验信息,并可根据系统运行的情况发布控制指令操纵上位机、现场控制器控制静载、动载达到设定值,进行频率跟踪,控制试验过程(试验停止、暂停、起振等)。

3.1 软件系统框架

系统的状态信息(振动波形数据、平均载荷、动态载荷、振动次数、振动频率)通过数据库技术传送,控制命令通过Winsock控件进行传输,远程监控系统的软件系统框架如图2所示。

3.2 系统软件流程图

如图3所示,左图为服务器(上位机)程序流程图,右图为客户端主程序流程图。

3.3 通讯模块设计

3.3.1 网络通讯

服务器端和客户端之间的控制命令传递采用了WinSock技术。WinSock控件是Visual Basic中的一种控件,用于将Win Sock接口简化成易于使用的Visual Basic内部接口。利用WinSock控件可以与远程计算机建立连接,并通过用户数据报协议(UDP)或者传输控制协议(TCP)进行数据交[4][7]。这两种协议都可以用来创建客户/服务器应用程序。本系统采TCP协议来进行控制命令的传输。服务器端和客户端之间的通讯流程如图4所示,图中Accept()、GetData()、Connect()、Listen()、SendData()、Close()等均为WinSock控件的相关方法。

客户端和服务器端之间传输的数据都为字符串形式。客户端每间隔1秒向服务器端发送状态查询命令,并且不定时地发送起振命令、紧急停止命令、频率调整命令、静载设置命令、动载设置命令。服务器根据收到的命令做出响应。

每条命令中起始4个字母表示该命令含义。例如动载设置命令:DZSZ*,“*”表示设置的数值,如DZSZ10,表示将动载值设置为10,该命令从客户端发送给服务器端。

又例如状态信息命令:STST*,“*”表示状态字符串,如ST ST 000.00_000.00_000.00_00.00_000.0_0 0 0 0 0 0_2 2 8.3_0.0 0_1 0 0 0 0_0.00_1_0_0_0_1_1_1_1_1_100KN_dsf,字符串中的信息依次为静态载荷、振动峰值、振动谷值、电流、频率、疲劳次数、频率调整值、静载设置值、疲劳次数设置值、动载设置值、4个系统设定标志、4个状态指示标志、1个允许修改标志、量程、状态信息。

各个数值信息之间使用“_”符号进行分隔。

3.3.2 串口通讯

服务器端的上位机和现场控制器之间使用串口通讯。服务器每间隔1秒向现场控制器发送查询状态的指令,并且不定时地发送起振指令、结束指令和动载设置指令。现场控制器根据所收到的指令做出响应。

双方发送的数据为十六进制数据,每个数据长度为1个字节。双方发送的指令由3或3个以上的十六进制数据组成。

上位机发送给现场控制器的命令以频率设置指令为例,其格式为:“FF,07,01,X1,X2,X3,02”。其中X1和X2表示频率值,X3表示幅值,都为1个字节的十六进制数。

现场控制器发送给上位机的是系统状态信息命令,其指令长度为1015个字节。具体含义如表1所示。

3.4 数据服务功能设计

客户端和服务器端另外一种数据传递方式是采用了SQL Server 2000和ADO技术来实现。SQL Server2000数据库是Microsoft公司开发的、面向企业用户的大型数据库系统,它提供了完整的数据库高级特性,具有良好的使用界面及很快的速度[5]。它具有特性安装、开发与使用都非常简单;极佳的可伸缩性;完善的数据仓库技术;与Internet高度集成等特点。SQL Server 2000数据库在系统中的主要功能是存储试验数据和提供本地/远程数据查询功能。ADO(ActiveX Data Object)是Microsoft公司开发数据库应用程序面向对象的一种接口。它具有远程数据服务(RDS)功能,通过RDS可以将数据从服务器移动到客户端的应用程序或Web页,并在客户端对数据进行处理后将更新结果返回服务器[6]。ADO Data控件使用Microsoft ActiveX数据对象(ADO)来快速建立数据绑定的控件和数据提供者之间的连接。本系统采用了ADO Data控件和ADO对象编程两种方法来实现数据表的传送和数据的查询。

客户端和服务器端主要传输试验信息、实时数据、试验结果及波形(wave)四个数据表。此处列举了波形数据表如表2所示。

4 系统运行结果

系统在上海同济大学、上海材料研究所、东北大学、沈阳飞机场等多家企业长时间使用,最长连续试验时间为18小时,客户端数据刷新1秒的情况下运行状况良好,系统可靠性、实时性均满足要求。图5为客户端主运行界面,图6为客户数据查询界面。

5 结束语

随着网络技术和工业技术的发展,远程监控系统在工业企业生产中会占据越来越重要的作用。高频疲劳试验机是一个典型的工业检测设备,其远程监控系统的开发必然可以使用现有的成熟技术进行。本系统将实时控制,网络数据交换及数据库等现有成熟技术结合起来,从而实现了远程控制及远程数据查询的功能,具有较高的可移植性和广泛的应用价值。本系统已投入使用,运行状况良好。

参考文献

[1]M.J.CALLAGHAN,J.HARKIN,E.MCCOLGAN,T.M.MCGINNITY and L.P.Maguire.Client–Server Archi-tecture for Collaborative Remote Experimentation[J].Jour-nal of Network and Computer Applications,2007,30(4):1295-1308.

[2]EGWIN WARNIER,Leena Yliniemi and PasiJoensuu.Web based monitoring and control of industrialprocesses[C].University of Oulu.Control Engineering Labo-ratory Report A No 22,September 2003:3-4.

[3]廖双龙.基于Internet的分布式机器运行状态在线监测系统的研究与实现[D].浙江大学硕士学位论文,2000.1.(1):35-57.

[4]庞文尧,蒋静坪.基于WinSock和SQL Server的远程控制实验研究[J].仪器仪表学报,2004(8):2-3.

[5]马飞.基于Web的制造装备远程监测诊断系统研究[D].南京理工大学硕士学位论文.2004.7.(1):57-71.

[6]祁美兰.高频疲劳试验机的计算机控制与远程监测系统[D].武汉理工大学硕士学位论文,2001.2.1:34-61.

[7]陈涛,原丽.配电变压器远程监控系统的设计[J].自动化技术与应用.2008,27(3):76-78.

试验系统研制 篇2

【关键词】制丝多工序；小批量；研制

1.设备的基本机构

该设备包括内锅自旋转机构、调整内锅倾斜角的角度调整机构、加热组件和支撑架9。内锅自旋转机构是由内锅3、连接轴13、减速机12、搅料板2和锅盖1组成；角度调整机构是由外锅5、支承轴6、手摇柄8、变速齿轮组7组成的，通过手动进行调节；加热组件是由红外辐射器14、保温层4和红外测温仪10组成，加热组件安装在外锅5上，该设备的控制系统安装在支撑架9上，控制系统控制内锅的旋转速度并控制红外辐射器，对内锅内壁的温度进行控制，详见下图。

2.设备工作原理

以下以物料的烘干为例，介绍设备的工作原理。

首先摇动手摇柄，把内锅的倾斜角度调整到合适。减速机通电，内锅开始旋转，同时红外辐射器通电，通过安装在外锅上的红外测温仪检测内锅壁的温度，检测的温度信号传输到温度控制系统，温度控制系统控制内锅壁达到合适的温度，并保持内锅壁的温度恒定。

通过锅盖顶部的开口倒入待加工的物料。物料在搅料板的带动下不断地翻动，同时微调手摇柄，使内锅的角度达到合适，确保物料与内锅壁充分接触。

物料在烘干过程中，可以通过锅盖顶部的开口给物料吹入热风，热风提前设置好适宜的温度和风速，热风可以提高物料烘干的速度。物料在烘干过程中，通过手持式水分仪检测锅内物料的水分。

物料水分满足要求后，关闭红外辐射器和热风系统，打开锅盖，摇动手摇柄，调节内锅的角度，倒出物料，完成该批物料的烘干过程。

制丝关键工序还包括烟草制品加湿、加料和加香，物料在均匀搅拌过程中，操作人员按一定的比例，通过锅盖顶部的开口给物料均匀的喷入雾化水、香料和香精，完成烟草制品的加湿、加料和加香。

3.设备的应用

设备设计、制造并经调试完成后，进行了带料试验。以烟丝烘干为例，设计了4批试验，烟丝为某卷烟厂切后叶丝。热风风门开度为100%，热风风速实测值为1.8m/s；热风风门开度为70%，热风风速为1.4m/s；热风风速设计值满足烘丝工艺要求[1]。相关测试数据见下表：

叶丝烘干测试数据记录表

备注：计算叶丝保有率时，叶丝的容重按80KG/m3计算，烘后叶丝水分（%）设计值为12.5±0.5。

物料烘干过程中，设备内壁温度波动较稳定，基本满足烟丝烘干波动范围（±2℃）要求，热风温度稳定；在满足设备保有率不超过15%的情况下，设备内壁温度在110～140℃、热风温度在140～110℃时，烘丝6分钟后，叶丝的水分满足工艺要求，混合均匀性较好。

对烟丝进行物理指标检测[2]，其关键指标水分（%）为12.43±0.5，对应的烟丝填充值为4.23cm3/g。

感官评价结论：对试验用四批烟丝进行对比评吸，其中内壁温度为140℃，热风温度为110℃，烘丝时间6分钟时，烟丝的感官质量最好，具体表现为烟气稍舒适，烟香较透发[3]，与正常生产线上生产的同牌号卷烟感官质量基本一致。

4.结论

小型制丝多工序模拟试验设备可以替代人工完成小批量（小于5kg）烟丝的烘干、加料、加香等关键工序的试验，设备的应用填补了试验用小型设备的空缺，减少了人为因素的干扰，提高了烟丝混合均匀性和工艺参数控制精度，且设备简洁、实用，造价低。

【参考文献】

[1]国家烟草专卖局.卷烟工艺测试与分析大纲[M].成都：四川大学出版社，2004.

[2]姚光明，石国强，尹献忠，等.烟丝结构对烟丝填充值和卷接质量的影响[J].郑州轻工艺学院学报：自然科学版，2003，18（3）：12-14.

球阀静压寿命试验控制系统的研制 篇3

“PC机+运动控制卡”是近年来国内外开放式运动控制系统发展的主流。该模式以PC机作为信息处理平台,运动控制卡以插卡形式嵌入PC机,把PC机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动控制能力就有机地结合在一起,具有信息处理能力强、开放程度高、运动控制准确、通用性好的特点。

本控制系统采用“PC机+运动控制卡”方案,根据国家标准《球阀静压寿命试验规程》JB/T 8861-1999中规范要求进行设计,适合对球阀产品进行静压寿命试验,可实时观察试验过程检测数据,为产品质量检验提供依据。

1 控制系统硬件设计

1.1 试验系统原理及要求

静压寿命试验系统原理图如图1所示。试验的介质为常温水。整个系统主要由试验水路和带动球阀手柄(轮)进行启闭动作的驱动机构组成。试验水路由水箱、水泵、压力表、稳压罐、电磁阀和液压泄放阀等构成;驱动机构由步进电机、丝杠、导轨、伺服电机、减速器和球阀手柄(轮)夹紧装置构成。静压寿命试验时,球阀从全关保持密封位置为起点,阀门的开度应达到其实际开度的100%;球阀从开启位置到关闭的过程,体腔内应充满水并带压,水压力为90%~100%的阀门公称压力;到达关闭位置后,球阀的出口侧应将水压力释放。球阀在水的压差条件下开启。试验时,应按以球阀操作试验测量得到的最大启闭力矩操作,操作力矩不得超过一人用球阀所配带的驱动手轮所能产生的力矩或产品标准规定的操作力矩。

1.水箱2.水泵3.压力表4.稳压罐5.阀前电磁阀6.阀前压力表7.被测试阀门8.步进电机9.导轨10.丝杠11.伺服电机12.减速器13.手柄(轮)夹紧装置14.阀后压力表15.阀后电磁阀16.液压泄放阀

1.2 控制系统组成及硬件配置

根据静压寿命试验系统的控制要求,组成如图2所示的控制系统。控制系统硬件组成采用“PC机+运动控制卡”控制方案。PC机负责人机交互界面的管理和试验控制系统的实时监控等方面的工作(例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、控制指令的发送、外部信号的监控等等);运动控制卡完成运动控制的所有细节(包括脉冲和方向信号的输出、模拟输出、自动升降速的处理、限位开关等信号的检测等等)。控制卡采用深圳固高公司GT200-SV运动控制卡,驱动机构的定位系统采用麦氏科技86HB系列步进电机和MSD06 6A步进电机驱动器,带动手柄(轮)进行启闭动作的驱动系统采用安川公司的SGMGH-13ACA31永磁式交流伺服电机和SGDH-15AE交流伺服驱动器。

基于PCI总线的GT200-SV运动控制卡,采用PCI总线与PC相连,数据通过双端口RAM在上下位机间传送。双端口RAM是一种特殊的随机存储器,它具有两组数据总线和地址总线,在地址不冲突的情况下,两组总线可以在同一时间并行地访问不同的存储器单元[1]。双端口RAM的这种特殊结构使得上下位机可以快速地进行大规模数据交换,大大提高了主机与DSP运动控制卡的并行处理能力,解除了以往主从式系统CPU间通讯的瓶颈。控制卡上装有16位分辨率、-10V~+10V的模拟量输出和12位分辨率、-10V~+10V的A/D转换输入信号,单路A/D转换最高采样速率达到50KHz,为用户提供了8路单端模拟输入或8路双极性模拟输入和2路模拟输出通道,同时支持16路通用开关量输入、16路通用开关量输出和4路伺服允许、4路报警清除专用输出。此外,GT200-SV运动控制卡能以输出脉冲串形式控制伺服/步进电机的运动,最大脉冲输出频率可达1MHz,能精确地控制所发出的脉冲频率、脉冲个数及脉冲频率变化率,能满足伺服/步进电机的各种复杂的控制要求,可对电机进行位置控制、插补驱动、加速/减速等控制,并具有圆弧、直线插补功能。

1.3 控制原理

系统主要将试验过程控制中的压力传感器信号、限位开关信号、编码器信号等进行组合,根据其组合的结果控制继电器、电磁阀、伺服电机等的开闭,从而完成整个系统所要实现的的各种电气功能。步进电机驱动手柄(轮)加紧机构上升或下降使其达到合适位置,交流伺服电机通过减速器带动加紧机构旋转,实现球阀手柄(轮)的启闭动作,试验前用测力扳手测量球阀的开启和关闭时的最大操作力矩,作为初始的操作力矩输入值。交流伺服电机端部的增量式码盘被用于电机转子角位置的反馈,与伺服驱动器构成闭环控制方式,以监视球阀的启闭位置及启闭角度。本系统伺服电机采用扭矩控制模式,运动控制卡和伺服驱动器的接线方式如图3所示。

驱动器控制面板用户参数的设定如表1所示,把伺服电机控制模式设定为扭矩控制模式,运动控制卡向伺服单元发出模拟量电压指令形式的扭矩命令,则以与输入电压成比例的扭矩对伺服电机进行扭矩控制[2]。模拟量电压输入为+8.4V、+4.2V时分别表示电机正方向运转时扭矩为额定扭矩的100%、50%;模拟量电压输入为-4.2V时表示电机反方向运转时扭矩为额定扭矩的50%。

2 控制系统的软件开发

2.1 控制卡的软件介绍

GT200-SV被设计成用户可编程运动控制器,该控制器同时提供C语言编写的用户接口函数库和在Windows98/2000/NT环境下的动态链接库,利用里边的功能函数可实现高性能的控制功能。用户能够将这些控制函数与自己控制系统所需的数据处理、界面显示、用户接口等应用程序模块集成在一起,开发满足特定应用要求的控制系统[2]。

对于PCI卡,必须先在用户程序中加入:#include“GT200.h”,接着选择project-setting-link,在Object/library modules中输入GT200.lib,然后用户即可在程序中调用动态链接库中的函数[2]。可以实现对运动控制器的初始化,读取控制器的相关信息,设置ADC和DAC的偏移量,设置编码器常数等,运动控制器定时与上位机通讯,向运动控制器指定的地址或地址块写入和读取整型和浮点数据或数据块。试验控制程序流程图,如图4所示。

2.2 人机交互界面设计

针对静压寿命试验系统的特点,控制软件主要由参数设定、状态显示和动作控制三部分组成。如图5所示。

参数设定部分主要进行试验次数、开启停止位置、关闭停止位置、泄压时间、动作间隔时间和扭矩、水压的设置。设定好操作扭矩后点击“伺服电机顺时针旋转”按钮直到球阀位于关闭密封位置,以此时伺服电机编码器的反馈值作为关闭停止位置;接着点击“伺服电机逆时针旋转”按钮直到球阀位于全开位置,以此时伺服电机编码器的反馈值作为开启停止位置。参数设置完成后点击“参数更新”按钮将参数下载到运动控制卡中。

状态显示部分:当前实际完成的试验次数;阀前、阀后的实际水压;上限开关:显示驱动机构是否到达上限接近开关,当上限接近开关触发时,其对应的单选框被选中;下限开关:显示驱动机构是否到达下限接近开关,当下限接近开关触发时,其对应的单选框也被选中。

运动控制部分:进行阀门、泄压阀和水泵等的开启、关闭动作,以及试验的启动和停止动作。

3 结束语

该试验控制系统采用“PC+运动控制卡”的开放式硬件结构,通过运动控制卡控制伺服电机实现球阀以一定扭矩作用下开启和关闭,通过伺服电机编码器识别球阀的关闭密封位置和全开启位置,可满足球阀的静压寿命检验要求。同时,使用VC++设计的人机交互软件,操作简单,界面友好,可移植到其他相似的试验系统中去。

相对采用单片机或DSP等硬件作为控制器的硬件结构来说,该控制系统硬件结构方案可缩短了系统的开发周期,结构简单,可靠性高,而且保证了系统的稳定性,具有一定的推广价值和应用前景。

摘要：介绍了用于对球阀进行静压寿命试验的控制系统。该系统采用“PC+运动控制卡”的控制方案,运动控制卡产生模拟量信号对伺服电机扭矩控制,通过减速器带动球阀的手柄(轮)进行循环启闭动作。PC机作为上位机使用VC++设计人机交互界面软件,对试验过程各参数进行设置及实时监控。实际使用表明,该系统具有操作简单、自动化程度高,可靠性高等优点,且系统控制软件具有开放性,容易进行移植,方便对系统进行维护和操作。

关键词：球阀,静压寿命试验,运动控制卡,扭矩控制

参考文献

[1]丛爽,李泽湘.实用运动控制技术[M].北京:电子工业出版社,2006,86-90.

试验系统研制 篇4

（1．华北水利水电学院土木与交通学院，河南 郑州 450011；2．湖南大学风工程试验研究中心，湖南 长沙 410082）

引 言

吸能减振是结构振动控制的一种重要方式，主要有调谐质量阻尼器 （TMD），调谐液体阻尼器（TLD）与调谐液柱阻尼器 （TLCD）等形式。TMD最早可以追溯到1947年Den Hartog提出的动力吸振器，作为一种被动控制装置，原理简单，设计方法较为成熟，且实用可靠［1～3］。典型的应用有：改善高层高耸结构的抗风性能、大跨度桥梁的风振振动控制、长悬臂空间结构与人行桥的人致振动控制、结构的地震响应控制等［4～8］。

TMD主要由质量块、调谐频率的弹性元件与耗散结构振动能量的阻尼元件三大组件构成。弹性元件主要有弹簧、摆与悬臂梁等方式。采用弹簧作为弹性元件的优势是刚度比较容易设计与调整，且所需空间小，尤其适合竖向TMD采用。水平TMD常采用摆与悬臂梁等形式，摆式相对而言，需要较大的空间，如在桥梁等结构的主梁内部安装将存在困难，复摆可在一些程度上解决这一问题；悬臂梁式所需空间适当，且无需导向，但是悬臂梁的固定端部存在应力集中现象，在TMD长期工作中，有可能发生疲劳损伤。至于阻尼元件，小型TMD的阻尼构件一般采用橡胶等高阻尼材料，大型TMD则采用液体粘滞阻尼器等。但是，橡胶材料存在老化，以及刚度与阻尼不易分离的缺点，粘滞阻尼器存在漏油和不易养护等问题。而且，TMD的阻尼在后期均很难调节。

电涡流阻尼作为一种极有前途的阻尼形式，目前主要用于航天结构振动控制、汽车刹车与高速列车制动等，研究成果也比较丰富［9］。电涡流阻尼具有非接触、无机械磨损等优点，在振动控制领域中有着广泛的应用前景。然而，其在土木工程中的研究与应用，目前还比较少见。Larose等基于电涡流阻尼原理制作了用于控制全桥气弹模型风致振动的微型TMD，并通过风洞试验验证了良好的减振效果［10］。同济大学的万重和楼梦麟等开发了采用电磁铁提供励磁磁场的小型电涡流TMD，并开展了建筑结构的地震振动台减震效果试验。然而，基于电涡流阻尼的现有TMD均属概念性研究，本文拟研制直接面向实际工程应用的大吨位永磁式电涡流TMD［11，12］，并进行性能测试与简化理论分析。

1 永磁式电涡流TMD设计

1．1 基本参数

根据课题组的前期研究成果［7］，某大跨度人行桥减振项目需要安装3套竖向TMD，以分别控制人行桥的3阶竖弯模态（固有频率分别为1．65，1．88与2．05Hz）振动，对应的TMD活动质量分别为14．16，13．31与4．06t。可见为满足该桥减振需要，至少需要研制1t级的单台TMD减振装置。本文拟研制的竖向TMD样机质量715kg、振动频率1．9～2Hz、阻尼比6%，据此计算得到的TMD刚度系数、阻尼系数分别为101．90～112．91kN／m，1．02～1．08kNs／m。

1．2 刚度构件

竖向TMD的刚度元件采用螺旋压簧，并通过摩擦小、导向性能好的直线轴承导向，TMD频率的微调拟通过改变TMD的质量实现。若采用4根压簧，则单根弹簧的刚度系数为25．47～28．23kN／m。表1给出了TMD压簧的全部设计参数，此时对应的弹簧刚度系数为27．44kN／m。值得说明的是，为了更好地维持竖向TMD活动质量的平衡与稳定运行，压簧的中径一般要适当加大。

表1 压簧的设计参数Tab．1 Design parameters of the compressed spring

1．3 电涡流阻尼构件

永磁式电涡流阻尼构件主要有两部分组成，即导体板、永磁体。理论上讲，同等条件下，导体板的导电性越好，产生的电涡流阻尼就会越大。因此，本文选取具有较高导电系数、价格相对适中的紫铜作为导体板材料，且铜板厚度δ取5mm。

由文献［13］可知，电涡流阻尼的大小与导体板内外的主磁感应强度的平方成正比，而磁场强度的大小又与永磁体磁性的强弱及磁路的设计密切有关。钕铁硼（NdFeB）是目前发现的商品化性能最高的磁铁，被人们称为磁王，拥有极高的磁性能，其最大磁能积比常用的铁氧永磁体高10倍以上。而且，NdFeB具有接近线性的退磁曲线，良好的机械加工性能，工作温度最高可达200°C［14］。试验采用性价比较高的N35牌号NdFeB矩形永磁体，由宁波某稀土公司生产。其主要参数有：剩磁感应强度1．2T；矫顽力与内禀矫顽力分别为8．7×105Am－1，9．6×105Am－1；最大磁能积为 2．8×105Jm－3；长（a）、宽（b）与高（h）分别为10，10与5cm，其中高度方向（Z向）为永磁体的充磁方向，坐标系如图1所示。永磁体型号与形状选定后，接下来就是要估算永磁体的块数。

图1 矩形永磁体的坐标系Fig．1 The coordinate of a rectangular permanent magnet

为数值计算电涡流及其产生的阻尼力大小，首先必须研究永磁体的空间磁场分布。Gou等基于分子环流模型和毕奥－萨伐尔定律，推导出了单方向均匀、完全充磁的矩形永磁体空间磁场分布的解析表达式［15］。Gou等研究表明单块矩形永磁体空间任意位置的磁感应强度大小仅仅通过一个参数，即电流密度JM的大小即可确定［15］。试验采用中国科学院半导体研究所研制的高斯计，测试得到磁体上表面中心点P（a／2，b／2，h）的主磁感应强度分量Bz为0．40T，采用Gou等的研究结果计算得到电流密度JM＝9．55×105A／m2［15］。图2（a）与（b）分别给出了z＝5．3cm，z＝5．8cm时（即分别位于磁体上表面上方0．3，0．8cm高度），Bz在XY平面的分布情况。从图中可以看出，Bz主要分布在永磁体的投影面内，且大小基本相等；在投影面外Bz衰减很快，相对投影面内，其大小基本可以忽略不计。

图2 矩形永磁体的磁场分布Fig．2 Magnetic flux density distribution of a rectangular permanent magnet

若忽略数值相对较小的Bx对电涡流阻尼的贡献（与TMD运动同向的By对电涡流阻尼无任何贡献），且假设导体板位置处的Bz大小处处相等，根据文献［13］可得电涡流阻尼系数cv的简化公式

式中σ表示导体的导电系数，δ与S分别表示导体的厚度与表面积。参照图2的磁场分布结果，若Bz取为0．2T，对应目标阻尼系数1．02～1．08kNs／m，则永磁体磁化表面积为0．086～0．091m2；若Bz取为0．3T，磁化面积为0．038～0．040m2。出于保守考虑，共设8块永磁体，永磁体磁化表面积总和为0．08m2。永磁体与导体板的平面布置如图3所示，其中相邻磁体N，S极交替布置，其目的在于形成较短的磁回路，减小磁势损耗。

图3 永磁体与导体平面布置图Fig．3 Layout plan of permanent magnets and conductive plates

2 TMD性能测试与分析

经过多次试验后研制的TMD样机如图4所示，主要组件见图中文字标注。在TMD的试制过程中，主要围绕TMD的电涡流阻尼装置装配工艺与直线轴承设计、选型开展优化研究。

TMD阻尼比的测试采用自由振动法，各工况测试时均将TMD初始位移先置于最大位置（行程5cm），然后瞬间自由释放，采用压电式加速度传感器记录TMD的自由振动加速度衰减时程曲线。图5（a）与（b）分别给出了不安装与安装导体板（永磁体与导体板间的距离即磁场间隙d＝5mm）对应的TMD自由振动加速度衰减时程曲线。从图中可以看出：TMD的机构固有阻尼较低，加设导体板产生的电涡流阻尼起绝对作用；直线轴承引起的摩擦阻尼作用下TMD的自由振动衰减曲线呈直线型，前50个周期对应的TMD等效粘滞阻尼比仅有0．45%，达到了国际同类产品的先进水平。此外，试验识别的TMD固有频率为1．92Hz，也在设计值的目标范围内。

图4 竖向电涡流TMD样机Fig．4 Vertical eddy－current damping TMD

图5 TMD自由振动加速度衰减时程曲线Fig．5 Free vibration time histories of the TMD′s acceleration

表2对比总结了不同磁场间隙下TMD的电涡流阻尼比试验值与理论预测值，且电涡流阻尼比试验结果已经扣除了结构固有阻尼的贡献，而比例因子为试验值与计算值的比值。考虑到不可避免的磁场泄漏，偏于保守估计，阻尼理论预测值计算时各工况Bz均取P（a／2，b／2，h＋d＋δ），P（0，b／2，h＋d＋δ）与P（a，b／2，h＋d＋δ）三点处Bz的平均值。电涡流阻尼比理论预测值ζv计算式为

式中mv与ωv分别表示TMD的质量与圆频率。

表2 电涡流阻尼比的试验值与预测值对比Tab．2 Comparisons of experimental and predicted eddy－current damping ratios

从表2中可以看出：（1）通过调整导体板与永磁体之间的间隙，很容易实现TMD阻尼比在较大范围内的调节；（2）与电涡流阻尼比的理论预测值相比，试验值均偏小，且从整体上看，磁场间隙越大，误差越大。估算公式的误差主要来源是忽略了以下因素：电涡流的零边界条件、导体板表面电荷的运动、永磁体之间的相互作用及固定磁体的钢板对磁场的影响。此外，从比例因子随磁场间隙的变化趋势来看，磁场间隙越大，磁泄漏也越严重。

3 电涡流TMD的优点与潜在应用范围

3．1 电涡流TMD与传统TMD的区别

电涡流TMD与传统TMD的主要区别在于阻尼形式的不同，因此电涡流TMD的优越性也主要来自于电涡流阻尼。综合前文分析可以看出永磁式电涡流TMD具有以下突出优点：阻尼器不需要与结构直接接触，无任何摩擦阻尼；阻尼器基本不需任何后期维护；阻尼器内无流体，无需密封件，不会出现任何漏液；阻尼力与速度具有较好的线性关系；阻尼参数不受温度等环境因素影响；阻尼器无附加刚度，从而不会影响TMD的频率参数，实现了TMD刚度与阻尼的完全分离。此外，TMD所有构件均由金属材料构成，耐久性好，可满足与土木工程结构同寿命的要求；通过设计可控的磁场，还可以实现TMD的变阻尼半主动控制。

3．2 潜在应用范围

本文研发的新型电涡流TMD主要争取应用于以下两类工程：

1）大跨度人行桥在行人激励下的水平或竖向振动控制。该类结构尤其适于采用TMD减振，目前的理论研究已较为成熟。

2）超高压高耸输电塔的风振控制。输电塔属于格构式结构，塔身上小下大，接近等强度设计，主要荷载集中在塔的上部。服役期内塔体的振动特点是：以一阶弯曲振动为主，且塔顶振幅最大。尽管1 000kV输电线路普遍采用的输电塔在100m以上，对应的总质量超过100t，但以塔顶位移为基准的一阶弯曲模态的等效质量并不大，不会超过结构总质量的20%。假设一阶弯曲模态等效质量为20 t，TMD质量比取3%，TMD的质量也仅有600kg。因此，结构与振动的这些特点很适于采用TMD这类吸能减振措施，目前面临的主要困难就是缺乏高耐久性的TMD实用减振装置。

4 结束语

本文基于电涡流阻尼研制了一种面向实际工程应用的竖向TMD装置，并进行了TMD阻尼参数的简化理论分析与性能测试。研究结果表明竖向电涡流TMD的阻尼有两部分组成：一部分是导向装置－直线轴承的摩擦阻尼，其值很小，等效阻尼比只有0．45%；另外一部分就是起绝对作用的电涡流阻尼，且其大小可随永磁体与导体板间的距离变化。电涡流TMD较好地实现了刚度与阻尼参数的完全分离，且解决了普通TMD后期阻尼参数难以调整的问题。此外，文中电涡流阻尼的理论预测值与试验结果也较为吻合，虽然整体偏小，但仍不失一定的精度（尤其是磁场间隙较小时精度较高），对电涡流TMD的阻尼初步设计有重要参考价值。

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试验系统研制 篇5

项目来自上海汽车集团技术中心自主品牌研发中心。根据业主要求,本系统为加油区提供93#、97#、98#汽油、乙醇汽油和0#、-10#柴油。系统分为油罐区和实验区,油罐区分布有1 0个油罐,满足实验区的用油需求。系统中汽油和柴油的输送采用空气隔离泵(1:1),通过调节压缩空气进气压力来调节泵出口的压力。隔离泵的空气压缩管道上分别安装电磁阀,发生火灾时报警系统自动关闭压缩空气管道上的电磁阀,使空气隔离泵停止工作,确保安全。在试验区共有16个实验室,每个实验室的输油管路上安装有电磁阀,均能通过启动、停止和急停按钮控制电磁阀的开闭。项目要求当有危险情况发生时,能够使系统停止运行,实现系统的安全控制。

2 安全控制的实现方法

油品具有易燃、易爆、燃烧速度快、扑救难、损失大的特点,油品的也容易对环境造成污染,所以一旦发生意外事故保证系统处于安全状态,是保证油罐区和实验区的安全必不可缺少[1]。

系统中采用安全继电器来实现安全保护功能。将安全信号(急停开关)接入继电器,出现意外事故时,按下紧急停止按钮,使继电器动作,切断各回路的电源,系统停止运行,保证人员和现场环境的安全。

3 控制方案

监控系统结构示意图如下:

监控系统的主控制器采用SIEMENS S7-300系列PLC结合触摸屏HMI,实现对该实验中心输油系统的实时监控和操作。本控制系统设有两个电气控制柜,一个是汽油库油罐区P L C控制柜(主控柜),一个是实验区PLC控制柜。两个控制柜均采用SIEMENS S7-300PLC。在每个控制柜内均接有安全继电器和紧急停止按钮,一旦发生危险,就可以按下急停按钮使系统停止运行,实现安全控制功能。

4 硬件系统构成

该输油系统上位机采用S I E M E N S的多功能面板(MP),下位机采用S7-300 PLC。下位机负责采集现场各个油罐液位传感器的信号,读取电磁阀控制信号和电磁阀状态信息等。输出信号包括各个油罐的液位值,各个电磁阀的开闭状态,故障报警信号等。触摸屏可以显示各油罐的液位信息和报警信息,控制实验是电磁阀的开闭和实现系统参数的在线设定。S7-300 PLC与触摸屏之间采用M P I通讯。两个控制柜的P L C之间通过PROFIBUS-DP总线连接。

4.1 上位机硬件

本系统采用的是西门子的M P 3 7 0多功能面板MP370 12"触摸屏,像素600*800,256色的TFT触摸型显示器,宽屏幕335*275。MP370有一个RS-232/TTY接口、一个RS-232接口、一个RS-422/RS-485接口、一个以太网接口和一个USB接口。此外,还有一个PC卡插槽和一个CF卡插槽等[2]。

4.2 下位机硬件

本控制系统主要有两个PLC控制柜组成,一个是汽油库油罐区PLC控制柜,一个是实验区PLC控制柜。油罐区控制柜接入的是各个油罐阀的开闭状态的信号、各个汽油罐的液位信号、紧急停止和油罐区消防报警信号等。实验区控制柜接入的是各实验室的电磁阀的控制信号以及实验区的消防报警信号和各电磁阀状态的指示信息。

本系统中两个控制柜均选用CPU 313C-2DP分布式结构紧凑型CPU,具有内置的数字量I/O可以直接连接过程信号,2个模拟量输入模块,5个数字量输入模块,2个数字量输入输出模块,1个数字量输出模块。两个P L C控制柜中硬件模块如下:

4.3 双CPU结构

系统采用双CPU结构,两个CPU之间采用主从通信方式。油罐区S7-300 PLC为主站,实验区PLC为从站。

4.3.1 网络组态

在STEP 7中建立两个S7-300站,分别配置主从站的硬件组态,设置主、从站的工作模式,设置主站地址为2,从站地址为3。设置主从站的传输率1.5Mbps,配置文件设为DP,各模块输入输出地址为系统默认[3]。最终得到的组态如图2所示。

5 油罐液位计算

由于本系统采用的液位计输出的是4-20mA的模拟电流,并非实际的液位值,需要将电流信号转换为对应的液位值。STEP7软件的系统库中提供了用于模拟量转换的块FC105和FC106。以1#油罐为例,系统中液位计采用2线制接法,油罐液位的范围是0-240cm,则调用块FC105,输出结果到MD22,如图3。

液位处理报警线附近时,由于液位波动,系统就会一直报警。采用比较指令和脉冲定时器(SP)实现。若实际液位连续超过报警液位30s,就会发出报警信息,否则不报警。程序如下(以1#油罐为例)。

6 组态界面

监控系统的功能

(1)主画面切换:实现各监控画面的转换。根据需要实现在触摸屏上画面之间的转换,例如在主画面、汽油罐、实验室电磁阀控制画面、参数设定、报警画面之间的切换。

(2)油罐区汽油罐监控:通过棒图、I/O域显示各个汽油罐的液位、上下限报警值、用油量和剩余油量等参数信息。

(3)实验区电磁阀监控:通过功能按钮实现对实验室电磁阀的开启、停止以及急停操作,并能实现电磁阀开启和关闭状态的显示。如图5所示。

图5实验室监控画面

(4)参数设定:具有修改参数设定值权限的操作员可以进入参数设定界面,进行参数的设定和修改,例如油罐液位超高低位报警和高低位报警值的设定。

(5)报警功能:PLC采集到的油罐的液位值与设定的报警值进行比较,根据设定的报警值产生相应的报警信息,在显示屏上显示出来。

7 进一步的改进方法

系统中对危险情况的处理是通过安全继电器切断各回路电源是整个系统停止运行,在保证安全的情况下也见降低了系统的运行效率。对此,可以采用1点或多点的安全控制策略,发生危险时,使危险区域的系统处于停止状态,而安全区域的系统处于可运行状态,提高系统的效率。可以采用安全集成系统,通过一条总线将安全信号和标准信号接入控制器,节省了外部的接线成本。同时控制器可以通过安全总线Profisafe与上位机通讯,使安全控制从现场控制层扩展到网络层,保证整个监控网络的安全[4]。

8 结束语

本文介绍了汽车发动机试验台供油系统,介绍了系统的硬件和软件组成,系统实现安全控制的措施,满足所希望的监控要求,实现了对整个系统的安全监控。最后提出了应用安全集成系统改进安全控制的措施。

参考文献

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[2]廖常初.西门子西门子人机界面组态与应用技术[M].北京:机械工业出版社,2008.

[3]S7-300系列PLC和WINCC组态软件使用手册[Z].SIEMENS公司.

试验系统研制 篇6

汽车空调系统是实现对车厢内空气进行制冷、加热、换气和空气净化的装置, 它可以为乘车人员提供舒适的乘车环境, 降低驾驶员的疲劳强度, 提高行车安全[1]。随着人们对汽车乘驾舒适性的更高要求, 空调装置已成为衡量汽车功能是否齐全的标志之一, 作为汽车空调的核心部件—压缩机电磁离合器性能也就显得越来越重要[2]。目前汽车空调使用过程中, 电磁离合器烧毁故障在整个压缩机故障中占很大的比例[2,3], 研究开发一套精准性和可靠性高的汽车空调压缩机用电磁离合器耐久性试验系统, 以确定与汽车空调压缩机使用寿命相应的电磁离合器显得尤为重要。

电磁离合器是利用电磁能的作用, 使力矩从主动轮传递到从动轮, 从而完成机械传动系统的连接和功能传递[4]。汽车空调压缩机用电磁离合器是发动机和压缩机之间的动力传递机构, 通过电磁离合器上的线圈通断电控制驱动盘与传动轮的离合[5]。其中耐久性试验是汽车空调压缩机电磁离合器最重要的试验之一, 针对传统汽车空调电磁离合器性能试验系统存在的功能单一、准确度低、自动化程度不高等问题, 依据QC/T806-2008《汽车空调压缩机用电磁离合器技术条件》中耐久性的试验标准和试验方法, 模拟电磁离合器的实际使用工况, 设计开发了基于Lab VIEW的汽车空调电磁离合器耐久性试验系统。

2 系统总体结构与工作原理

为了尽可能地模拟空调压缩机电磁离合器的使用工况, 在系统设计中采用变频器控制变频电动机, 实现电机不同转速的控制, 作为测试系统的动力单元;采用模拟负载测功机作为负载单元, 对被试电磁离合器实现加载。系统结构如图1所示, 由电磁离合器台架部分、电力测功机加载部分、变频电动机驱动部分及传感器测试控制部分组成。

系统设计转矩转速传感器对电磁离合器转速与加载转矩的实时检测, 实现在不同转速、不同转矩工况下, 测试电磁离合器的耐久性能。电磁离合器的离合动作和离合频率由计算机发出相应的I/O口指令信号控制固态继电器的通电和断电, 实现电磁离合器吸合与分离, 同时完成离合计数, 并与QC/T806-2008《汽车空调压缩机用电磁离合器技术条件》设定的次数进行比较, 从而判断离合器是否达标。

计算机分别控制测功机控制仪和变频器, 实现测功机输出不同的制动转矩和变频电机无级调速, 并根据从转矩转速传感器反馈的主轴实际转速和转矩, 进行PID调节, 形成转矩和转速的计算机闭环控制。

电流传感器和电压传感器用来检测电磁离合器试验过程中的电压值和电流值, 完成电磁离合器的工作电压范围、吸合电压、额定电流和消耗功率的测定。温度传感器用于检测电磁离合器轴承的温度, 当温度过高时, 系统自动报警停机。避免试验过程中离合器的卡壳、负载过重引起的温升过高, 烧毁电磁离合器线圈和轴承。

3 试验台架的设计

如图2所示, 系统试验台架的设计主要考虑在保证各部件的制造尺寸和安装精度的前提下, 必须满足能进行大多数规格、型号和种类的电磁离合器耐久性试验, 且在试验台架上电磁离合器装拆方便, 间隙调整容易。为此, 设计通过更换连接杆和试验用压缩机前端盖板的方法, 来达到对不同型号电磁离合器试验的目的。通过专用连接杆和试验用压缩机123前端盖板, 实现安装多种不同规格、型号和种类的汽车空调压缩机电磁离合器, 并能根据实际需要调整其轴向位移, 满足因不同间隙的电磁离合器的试验。

4 系统硬件设计

系统由相应的传感器、信号调理模块、数据采集卡、控制仪、变频器、计算机等组成, 其框图如图3所示。

4.1 电磁离合器数据采集模块

数据采集卡是虚拟仪器数据采集模块必不可少的核心硬件设备, 设计选用台湾研华公司的12位PCI总线数据采集卡PCI-1711。具有16路单端模拟量输入, 12位A/D转换器, 采样速率可达100k Hz, 2路12位模拟量输出、16路数字量输出, 1个可编程计数器方便对输入通道的事件进行计数, 1个32位定时器, 方便系统快速搭建[6]。

转矩的测量采用S型拉压力传感器, 输出信号幅值0~15m V, 量程为0~100kg。转速测量采用磁电式转速计, 由测速齿盘和磁头组成, 其中的测速齿盘为60个齿, 每转一周, 磁电式传感器能产生60个脉冲信号, 转速与磁电传感器脉冲信号的频率相同。电流电压传感器采用闭环霍尔电流电压传感器, 具有精度高、线性好、频带宽、响应快、不损失测量电路能量等优点, 其输出直流0~5V电压, 可直接供给采集模块。系统采用ALLEGRO公司的全集成霍尔效应线性电流传感器ACS712, 输出的电压信号送入数据采集卡PIC-1711的模拟量输入口AIO口, 经A/D转换成数字信号, 送入计算机进行处理和运算, 检测电路如图4所示。离合器的离合频率由计算机控制数据采集卡驱动电磁继电器来控制。设计继电器驱动电路如图4所示, 电压比较器LM339将采集卡I/O输出信号与基准信号作比较, 数据采集卡口输出5V时继电器闭合, 输出0V时继电器断开。

4.2 测功机控制模块

系统选取四川诚邦测控技术有限公司DW25电涡流测功机作为模拟负载, DW系列电涡流测功机, 是针对中小型内燃发动机的输出特性特别设计的, 它具有结构简单、转动惯量小、许用转速高、使用寿命长的特点。最大励磁电压为DC 80V;最大励磁电流为3A;额定吸收功率为25k W, 额定扭矩为120N·m, 最高转速为11 000r/min。测功机励磁电流的控制, 由计算机通过与测功机配套的控制仪ET-2000来实现[7]。

4.3 变频电机控制模块

依据QC/T806-2008《汽车空调压缩机用电磁离合器技术条件》标准, 试验系统设定电磁离合器的转速范围为500~9 000r/min, 负载转矩范围为24~100N·m, 由此计算和选取变频电动机及变频器。选取YVP系列YVP180M-4变频调速三相异步电动机及与变频电机相配套的台达牌泛用型变频器VFD-A系列, VFD185A43A智能型交流电机驱动器。选用串口通信方式实现变频器与计算机的通信, 由计算机控制变频器的频率以达到控制电机转速的目的。计算机串行接口大多采用RS-232C, 设计采用外加RS-232C/RS-485的电平转换ADAM-4520模块。ADAM-4520模块一端可直接插在计算机COM口上, 另一端提供一个半双工的RS-485接口, 直接连接变频器的接线端子“SG+”和“SG-”。

5 系统软件设计

为了满足试验系统现场的实际需要, 系统采用模块化的结构设计思想, 以方便进行设计、调试、修改和扩展。主要有以下几大模块:用户登录模块、数据采集处理模块、系统控制模块 (转速/转矩的控制、电磁离合器离合控制) 、系统串行通信模块、系统报警模块组成。兼顾系统运行成本和界面友好性, 采用Lab VIEW软件编程。

依据系统的试验原理, 设计如图5所示的程序流程图。通过调用仪器的驱动程序来连接虚拟仪器测控系统, 成功后进行系统初始化, 设置测试过程中所要求的参数, 当主轴转速、转矩达到给定值时, 测控程序对传感器传来的转速、转矩、温度、电流电压信号进行采集, 记录存储, 显示在用户界面上。当离合器的离合次数达到给定的值时, 终止循环, 完成试验。系统数据采集窗口主要包括试验参数设定、参数显示报警、特性曲线显示三个部分, 如图6所示。

6 结论

利用Lab VIEW软件平台设计开发的汽车空调电磁离合器耐久性试验系统, 改变了传统的“手动、眼看、笔记”的试验方法, 减轻了试验人员的劳动强度和在试验过程中人为因素造成的试验误差, 提高了电磁离合器性能试验的精度。采用经典控制理论PID闭环控制, 实现转速和转矩的精准控制, 能够使被试离合器在不同转速、不同载荷下动态试验。设计采用可更换的连接杆和压缩机前端盖安装在试验台架上, 能够进行多规格、多型号、多种类汽车空调压缩机电磁离合器的耐久性试验, 扩大了系统的试验范围和离合器产品种类, 功能完善, 自动化程度高、操作方便。同时软件运用虚拟仪器技术采用模块化编程的思想, 方便了系统今后扩展和升级, 为充分检测电磁离合器的耐久性性能提供了科学的试验平台。

摘要：为解决传统汽车空调电磁离合器性能试验系统存在的功能单一、准确度低、自动化程度不高等问题, 系统运用虚拟仪器技术及相关设备, 设计汽车空调压缩机用电磁离合器耐久性自动试验系统。阐述了系统的总体结构, 从硬件和软件两个方面说明了系统的设计方案, 实现了在不同转速、不同转矩、不同离合频率下测试电磁离合器的耐久性, 对试验过程中的电磁离合器相关参数进行采集、显示、存储和分析。通过实际操作说明, 系统工作稳定、运行性能良好, 达到了设计目的。

关键词：电磁离合器,汽车空调,LabVIEW,试验系统

参考文献

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新型摩擦试验机研制成功 篇7

作为开展人工关节材料研究的关键设备, 该试验机采用双轴、双向 (即总共四个方向) 运动模式, 能够更加逼真地模拟人体关节的多向运动和摩擦方式, 为人工关节材料进行体外摩擦磨损性能评价提供了可靠的技术保障。

试验机采用了多工位完全同步的设计理念, 最多可同时测试6个样品, 显著提高工作效率和可靠性, 节省运行成本, 达到节能降耗的目的。试验机的恒温控制装置, 可将摩擦系统温度控制在37°C, 从而模拟出人体环境对内植入高分子材料的摩擦磨损特性的影响。

泥浆泵试验装置的研制 篇8

泥浆泵作为陆地钻机以及海洋钻井平台钻机的核心配套件之一, 未来的发展趋势是制造高压泥浆泵, 泥浆泵试验台的主要技术参数必须高于泥浆泵的作业要求, 因此设计方案可行性要高, 结构更合理。

研制的泥浆泵试验台动力传动系统需要满足EEC-800、EEC-1300、EEC-1600型泥浆泵满功率试验;机械传动部分采用单级单速传动机构;电机采用免维护的交流变频调速电动机, 主电机可实现无级调速, 减速箱传动比为与计算理论值接近;泥浆泵底座设计要求3种泵可以互换, 互换时应调整传动轴上与万向轴连接的连接套和泥浆泵底座, 并且要满足强度要求。

一、动力传动系统方案

泥浆泵试验台动力传动系统主要包括电机、减速器、护罩、泥浆泵底座等。传动系统采用交流变频电机为动力源, 通过单级单速减速箱减速后, 将动力由万向轴输出到泥浆泵, 通过减速箱变速后再转化成泥浆泵冲数来实现对泥浆泵的控制。泥浆泵试验台传动结构图如图1所示。

式中:n电机——电机编码器测得的交流变频电机转数, n/min;

i减速箱——减速箱传动比, 为2.24;

i800泵——EEC800泥浆泵传动比, 为3.821;

i1300泵——EEC1300泥浆泵传动比, 为3.81;

i1600泵——EEC1600泥浆泵传动比, 为3.81。

采用这种传动方式的优点在于结构简单, 运行安全系数高;传动装置占地面积小;主电机维护周期长;噪声小;泥浆泵上、下试验台时安装、拆卸方便, 不仅减少了人力劳动强度, 还大大提升了试验效率。

二、调速系统与电机选型

常用的电机调速方法有直流调速和交流变频调速两种。在20世纪上半叶的年代里, 鉴于直流传动具有优越的调速性能, 高性能可调速传动都采用直流电动机, 而约占电力传动总容量80%以上的不变速传动系统则采用交流电动机, 这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统的多种方案虽然早已问世, 并已获得实际应用, 但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。直到20世纪末, 随着电力电子技术的发展, 使得采用电力电子变换器的交流传动系统得以实现, 特别是大规模集成电路和计算机控制的出现, 高性能交流调速系统便应运而生, 一直被认可的交直流传动按调速性能分工的格局终于被打破了。这时, 直流电动机和交流电动机相比的缺点就显露出来, 例如:具有电刷和换向器因而必须经常检查维修, 换向火花使它的应用环境受到限制, 换向能力限制了直流电动机的容量和速度等等。另外, 直流电机的维护量大, 单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。相比直流调速而言, 交流变频器不仅调速平滑, 范围大, 效率高, 启动电流小, 运行平稳, 而且节能效果明显。因此在这套泥浆泵试验系统中优先选择的是交流调速系统。

交流变频泥浆泵试验台最大设计功率为1176k W以满足EEC-1600泵的功率需要, 选用免维护的交流变频主电动机, 可以实现主电机转速0~1000r/min的无级调速。

三、减速箱选型

根据泥浆泵输入轴额定转速458r/min和电机额定转速1000r/min, 减速箱传动比的理论值i=n输入/n输出=1000/458=2.183。为满足需求, 经对减速箱优化与筛选, 确定选用传动比为i=2.24减速箱, 型号为H1SH13-2.24-071221F。

四、泥浆泵底座设计与强度计算

泥浆泵底座是整个实验装置的重要部件。试验时泥浆泵底座安装在试验平台基础上, 用于固定安装不同型号的泥浆泵。既要保证底座强度要求, 安装拆卸方便, 尺寸又不能过大, 以免影响试验台的整体连接尺寸。为了保证泥浆泵试验台在寿命要求期限工作可靠, 安全地进行泥浆泵试车作业, 作业过程中泥浆泵底座不发生失稳或失效现象, 对泥浆泵底座强度进行计算和有限元分析。

整体结构由角钢、圆管和钢板焊接而成。EEC1300泥浆泵底座如图2所示。

根据EEC1300泥浆泵底座设计参数, 经过简化后, 建立泥浆泵底座三维模型, 并创建静态分析算例, 用于模拟泥浆泵底座工作时的承载情况。由于泥浆泵底座是由标准型材焊接而成, 定义材料为Q235, 力学性能:弹性模量E为212GPa, 泊松比μ为0.288, 质量密度ρ为8230kg/m3, 屈服极限[σ]=235MPa, 切变模量G=82.3GPa。

模拟泥浆泵底座承载泥浆泵的真实情况, 约束泥浆泵底座下表面的自由度, 将EEC1300泥浆泵的重力223.98k N均匀加载到泥浆泵底座上表面, 泥浆泵底座三维模型和具体加载情况如图3所示。对泥浆泵底座进行高品质实体网格划分, 单元总数为37274, 最小单元大小为10mm, 网格划分情况如图4所示。

根据约束和加载情况, 对泥浆泵底座进行有限元计算, 运行分析后, 底座位移分布如图5所示。位移分布图显示, 最大位移产生在底座前部外侧位置, 是由于底座前部的悬空造成的, 最大位移为0.2764mm。底座应力分布如图6所示。

应力分布图6显示, 底座后部中间位置产生最大弯曲应力, 最大弯曲应力为128.125MPa, 材质为Q235的型钢的屈服应力为235MPa, 因此泥浆泵底座的强度安全系数为1.83, 满足强度要求。

五、结语

泥浆泵试验台的传动系统采用的交流变频电机-单级单速减速箱-万向轴-泥浆泵传递方式, 可以取代以往由柴油机提供动力, 通过皮带传动的传递方式, 完全实现了泥浆泵的软启动, 并有着噪声低的优点。

摘要：对泥浆泵实验装置研制过程进行了阐述, 重点对泥浆泵底座强度进行了校核。

关键词：泥浆泵,试验装置,强度

参考文献

[1]丁斌, 李建国, 韩国有等.中型钻机用泥浆泵的合理配备分析[J].石油矿场机械, 1994, (01) :19-22.

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[3]杨桂祥.泥浆泵变速传动机构的研究[J].石油矿场机械, 2003, (04) :87-88.

日本着手研制新型战机导弹系统等 篇9

据防御新闻网站9月25日报道，日本开始着手研制一种新型战机制导导弹系统，系统在自身不释放无线电波的情况下就能探测到敌军舰船和飞机。日本防御局计划在3年的时间内花费1550万美元进行该项研制工作。

目前装备的类似功能的武器系统是通过系统自身释放无线电波从而探测敌方舰船和飞机，但释放的无线电波同样也能被敌方获取，从而发现系统的位置所在。（雨丝）

以色列决定建立三层导弹防御体系

据导弹威胁网站9月7日报道，以色列决定建立三层导弹防御体系以对抗来袭的弹道导弹和火箭弹。导弹防御体系的外层将采用已装备的箭式导弹拦截弹摧毁来自伊朗或其他国家的弹道导弹。中间层将拦截叙利亚和黎巴嫩发射的导弹，但该层尚未建立，以色列认为在5年内耗资5亿美元将能完成该项工作。导弹防御体系的最内层将用于拦截真主党发射的喀秋莎近程导弹和哈马斯发射的Kassams。最内层的导弹防御体系有三种备选方案：洛克希德-马丁公司研制的天空卫士激光器系统、拉斐尔公司研制的空空导弹以及射程为10千米的火炮。（雨丝）

乌克兰研制激光制导面空导弹

据简式导弹与火箭10月9日报道，最近在波兰举行的MSPO-2006军事展览会上，乌克兰出口公司透露了其新型近程面空导弹系统的初步信息。该新型导弹是由Luch设计局研制的。早在苏联时期，Luch设计局就研制了导弹的分系统。

新型导弹长1.625 米，直径为108 毫米。弹身的形状是带有尖形鼻锥的圆柱形，弹体上有4个小型十字形翼和两个气动控制面，翼和控制面都可以折叠，导弹可以装进一个管状的运输/发射箱中，导弹的发射质量为34 千克。(雨丝)

日“银河快车”火箭发动机费用大幅增加

9月26日，日本宇航研发机构（JAXA）在一份上交给文部科学省的报告中说，由于规格上发生重大变化，“银河快车”（GX）中型火箭所使用的一种发动机的研制费用将达3470亿日元，是最初预算的3.5倍。该发动机由石川岛播磨重工等公司联合研制，采用液化天然气燃料。GX是一种商用两级火箭，第一级拟采用美制发动机，新研制的液化天然气发动机用于第二级。液化天然气比氢燃料便宜，也更便于使用。但该火箭项目遇到了很多问题。火箭最初定于2005年首次发射，现已推迟到2010财年。虽然文部科学省预计将允许JAXA继续其研制工作，但由于费用猛涨和进度推延，该项目将面临指责和批评。（阳光）

比奇洛公司想用宇宙神5运送乘客

美国洛克希德-马丁公司与比奇洛宇航公司签署一项协议，双方将共同研究能否适用于载人发射的宇宙神5火箭为比奇洛公司拟造的一座充气式太空设施运送乘客。

7月12日，比奇洛公司用俄第聂伯火箭发射了首个充气舱“创始”1号。该公司打算建设一座低成本低轨载人太空设施，供私营部门开展商业活动。这一设施能满足多种任务的需求，具有空间大、安全性高和造价低的优点，为企业、公司乃至公众涉足航天活动提供了机会。宇宙神火箭的可靠性居于行业领先水平。比奇洛公司的客运飞船有可能会用宇宙神5-401型火箭发射。该型号是宇宙神5家族中最朴实、也最可靠的一个型号。在载客飞行前，针对载人要求进行的系统改进可能将通过一次商业或政府发射任务来验证。（江山）

德尔它火箭发射GPS卫星

9月24日,波音公司的一枚德尔它2-7925-9.5型火箭在卡纳维拉尔角成功地发射了一颗GPS-2R卫星。这是美国空军GPS系统的一颗补网星。此次发射的GPS-2R-15（M）是GPS-2R系列中的第二颗改进型卫星。该卫星由洛马公司制造，具备抗干扰功能。（江山）

俄发射返回式卫星

9月14日，一枚俄联盟U火箭在拜科努尔航天发射场发射了宇宙2423号军事卫星。据推测，该卫星可能是一颗“红榴石”1/“顿河”返回式照相侦察卫星。这种卫星带有8个小型胶片舱。（阳光）

台湾将装备自产导弹防御系统

据导弹威胁网站9月13日报道，台湾将于明年装备一种自行研制的导弹防御系统。该系统是在台湾现役的天弓防空导弹的基础上研制的一种反战术弹道导弹（ATBM）系统，它将包括12个ATBM导弹连和美国爱国者导弹及早期预警雷达。

低压复合环境试验舱群研制 篇10

低压舱是开展航空航天医学、高原医学、高山医学研究、航空航天装备试验鉴定和专项体能训练的专用设备, 普遍应用于航空航天、高原高山医学领域, 其基本原理是利用真空泵将舱室内的气体抽出, 模拟出高空低压缺氧环境, 有些低压舱还同时具备低温、过载、特殊气体等功能, 以更加真实地模拟高空低压缺氧和低温环境[1]。

本次建设的低压舱群主要用于航空装备的试验鉴定、航空医学研究与专项体能训练, 因此功能指标的设计要满足上述试验、研究的需求, 通过综合分析、系统论证, 我们提出设计高度40 000 m、温度范围-56~70℃、迅速减压时间0.01 s的设计指标, 解决了航空装备试验鉴定高度、减压速度及温度等模拟条件不足的问题。所提出的模拟高度、迅速减压时间等指标达到世界先进水平。

2 低压复合环境试验舱群设计

2.1 主要功能

根据装备试验及航空医学研究需要, 实现0~40 000 m气压高度的自动化升降控制, 0.5~0.01 s迅速减压时间, -56~70℃温度变化指标, 同时配套自动控制系统、生理参数检测系统、物理参数检测系统、内外通讯系统、供氧系统等, 满足试验和科研要求。

2.2 总体结构设计

在认真分析国内外航空医学试验、科研用低压舱性能指标的基础上[1], 提出40 000 m高度、0.01 s迅速减压时间、-56~60℃温度可调, 并配套先进的生理、物理、通讯、供氧系统指标, 指标先进性力求达到国内领先、国际一流[2]。

设计过程中由于迅速减压时间及温度指标跨度大且需无极可调, 从结构设计和功能角度难以在同一舱室内同时实现, 因此总体设计采用4舱1储备罐的形式, 将迅速减压功能分为2个舱室分级实现, 低温和高温指标分2个舱室分段实现, 配备1个大型的迅速减压储备罐。总体结构布局如图1所示。

1.迅速减压储备罐;2.低压训练舱及低压低温减压舱 (1、2号舱) ;3.装备迅速减压舱 (4号舱) ;4.大功率真空泵 (4组) ;5.低压高温舱 (3号舱) ;6.抽真空管路;7.电磁调节阀门

2.3 主要战术技术指标

模拟上升高度40 000 m, 初试者人数最大18人, 模拟上升速度:地面~5 000 m范围为 (1~200) × (1±1%) m/s;5 000~15 000 m范围为 (1~120) × (1±2%) m/s;15 000~40 000 m范围为 (1~30) × (1±5%) m/s。模拟下降速度: (1~200) × (1±5%) m/s。人均新风量30 m3/人;温度-56~70℃;迅速减压时间0.16~0.01 s可调;舱体分为低压训练舱、低压低温迅速减压舱、低压高温舱、装备迅速减压舱等4个舱室和1个负压储备罐, 舱室采用12 mm厚度的16Mn DR (锰钢) 框架加强结构, 每个舱室设置不少于1个观察窗和送物筒[3]。各舱室配备生理参数[4]、物理参数、环境参数检测系统, 浓度压力可变的供氧系统[5], 舱内外通讯监控系统等设备。所有功能实现自动化程序控制。

2.4 主要部分结构设计

2.4.1 舱体设计

舱体分为低压训练舱 (1号舱) 、低压低温减压舱 (2号舱) 、低压高温舱 (3号舱) 和装备迅速减压舱 (4号舱) 以及负压储备罐。

其中1号舱和2号舱为连体设计 (如图2所示) , 2号舱同时兼有1号舱的过渡舱功能。1号舱及2号舱采用3门2室4窗结构, 在不影响结构强度的基础上尽可能加大观察窗数量及尺寸, 2号舱后壁设有迅速减压机构, 根据实际工况及结构设计要求, 该迅速减压装置采用高压空气弹放式结构, 迅速减压时间设定为0.16~0.5 s可调。舱体旁均设有舱旁指挥台, 显示舱内物理环境参数、被试人员生理参数、舱内图像等数据, 并设有紧急中止按钮, 以便于试验主持人员及时中止试验。所有数据线、参数线路及气路、液路等管线利用贯舱件实现无缝出舱。

低压高温舱采用2门2室2窗结构, 包括1个过渡舱和1个低压高温舱。由于低温指标 (-56℃) 和高温指标 (70℃) 跨度过大, 低温冷凝水与高温高湿的矛盾难以解决, 因此将高温功能单独在3号舱实现, 如图3所示。

装备迅速减压舱 (4号舱) 仅用于装备试验时的高速迅速减压, 根据实际工况要求, 将0.01 s迅速减压功能单独设计在4号舱上实现, 其迅速减压机构采用爆破玻璃式, 舱室后壁为一整块钢化玻璃, 通过撞击针使钢化玻璃瞬间爆破, 达到负压储备罐与舱室内气压高度的迅速平衡, 实现0.01 s迅速减压功能, 如图4所示。

负压储备罐 (如图5所示) 是实现迅速减压功能的必要装备, 在迅速减压试验中, 负压储备罐模拟外界高空气压环境, 舱室内模拟飞机驾驶舱或乘员舱气压环境, 启动迅速减压机构后两侧气压在极短时间内达到平衡, 以模拟飞行中出现的座舱破裂情况。一般情况下负压储备罐的体积与舱室体积应保持不小于50∶1, 比例过小则减压平衡时间加快但减压后平衡高度无法达到要求, 比例过大成本增高、减压平衡时间加长且气压平衡波动曲线过大, 无法达到设计指标要求。

2.4.2 迅速减压机构

由于战术技术指标中迅速减压指标由0.5~0.01 s指标跨度过大, 同时在2号舱中的高压空气弹放式迅速减压机构极限速度达不到0.01 s指标要求, 因此使用两种迅速减压机构试验设计要求。

高压空气弹放式机构 (如图6所示) 原理是在进行爆破前, 先将储气罐充满1.5~2 MPa的空气, 当按下爆破按钮后, 储气罐后的电磁阀立即动作, 高压气体从高压软管进入气缸, 气缸随即高速运动, 气缸前端推板推动锁机, 从而推动爆破机构舱门的迅速开启, 实现舱门两侧气压高度的迅速平衡。采用这种机构的优点是可靠性好、可重复性高, 免维护。缺点是迅速减压时间最快仅能达到0.16 s。

玻璃爆破式减压机构 (如图7所示) 利用钢化玻璃将负压储备舱与试验舱隔离开, 当按下爆破按钮后, 撞击针伸出击碎钢化玻璃, 根据钢化玻璃的特性其任何一点破碎将引起玻璃整体迅速破碎, 从而实现玻璃两侧气压高度的迅速平衡。采用这种机构的优点是可靠性好, 迅速减压时间快, 可达到0.01 s指标要求。缺点是钢化玻璃为一次性消耗品, 成本高, 需定期维护清理破碎的玻璃。

2.4.3自动控制系统

自动控制系统可在无操作人员直接参与下使试验过程按预设程序进行。自动控制系统是一个以西门子SIMATIC S7-400 PLC为核心的集散控制系统 (DCS) 。自动控制系统对舱群的工作运行状态实施自动检测与控制, 使低压舱按照预先设定要求, 完成升降压速度、维持高度、湿度、温度等指标的监测与控制, 从而达到试验目的[6,7]。自动控制系统的逻辑原理如图8所示, 其操作界面如图9所示。

上位机用于管理和监控, 包括操作人员的操作、参数设定和数据显示等;各舱的传感器和阀门等通过远程I/O模块连接。上位机、PLC通过工业以太网总线连接。模拟量输入模块采集各传感器信号上传至PLC, PLC的控制信号可传至各站点从而控制电动机和阀门[8]。

3 结果

低压复合环境试验舱群在确定总体技术指标后, 按照主要指标要求首先进行了初步设计方案设计, 确定了4舱1罐的整体结构及各舱室尺寸功能设计, 开展了迅速减压机构验证研究。在详细设计方案中完成了各舱 (罐) 体结构受力有限元计算分析、迅速减压时间及平衡气流的流体力学计算分析, 制造并验证了迅速减压机构形式, 修改完善了控制系统逻辑关系, 直到达到设计指标要求[9]。

按照研制任务书要求, 对低压复合环境试验舱群进行了验收试验, 包括舱群外观、尺寸、工作高度、工作温度、迅速减压、自动控制系统、生理参数、物理参数、供氧系统、通讯系统等指标, 各项指标均达到了设计要求[10]。

4 结论

低压舱是进行航空医学、高原高山医学研究的必要设备, 自19世纪后期世界第一台低压舱出现以来, 随着航空事业的发展, 它已逐渐成为各个国家研究与探索高空飞行及太空飞行的基本设备。目前世界各航空大国都建有功能相当完善的低压舱, 对高空各种环境因素的模拟更加逼真、多因素化和综合化。除了模拟低气压条件外, 有些还可同时模拟迅速减压、高G载荷 (离心机吊篮低压舱) 、高低温、振动、噪声、特殊气体环境等。

低压舱建设应在充分论证使用需求的基础上提出设计指标要求并保留适当的指标余度。目前国内现有低压舱大部分用于高原或高山医学研究领域, 其特点主要是模拟高度一般不超过15 000 m, 试验舱内体积较大以便于开展较长时间的适应性试验或训练。没有迅速减压功能和可变浓度、压力的供氧系统, 温度指标一般以低温为主[1,4]。早期低压舱以手动操作方式为主, 近几年建设的低压舱逐渐以自动控制方式为主。

本设备在设计指标上根据将要承担的试验、科研任务需求, 经过充分论证提出模拟高度、减压速度、温度等主要设计指标, 本设备具有以下特点: (1) 设计模拟高度达40 000 m, 在航空医学、高原高山医学试验研究领域内处于领先水平; (2) 迅速减压时间最快达0.01 s, 在国内现有低压舱设备中处于领先水平; (3) 自动控制程度高, 同时保留手动控制系统以确保试验安全; (4) 供氧、通讯、生理、物理参数指标系统配套完善, 性能先进; (5) 迅速减压、高低温功能分舱实现, 避免了高低温设备同舱工作可靠性差的问题, 解决了迅速减压指标跨度大、无法通过单一结构全部实现的矛盾; (6) 高压空气弹放式迅速减压机构为国内首创, 具有可靠性高、免维护等特点。

该设备适用于航空航天医学科研、装备试验等领域, 能够模拟高空低气压、缺氧、低温和迅速减压等多种环境因素, 满足设计指标要求。

参考文献

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