气动式执行机构（精选7篇）
气动式执行机构 第1篇
目前, 传统分离机构一般采用三种方式实现导弹与发射装置的分离:1) 导弹点火后, 在发动机的推力下剪断螺钉。这种分离方式往往会造成电缆插头的插针出现弯曲, 不宜重复使用。2) 采用电机旋转实现分离功能, 但是结构复杂、速度慢、比较笨重。3) 采用火工装置作为驱动器。但火工装置存在安全性差, 工作时产生较大的冲击等问题, 且只能一次性使用, 不能重复使用。为避免这些问题, 需要研究在分离机构上采用非爆炸性的动力装置的替代技术[1,2,3]。
为解决上述问题, 笔者设计了一种气动式分离机构, 其质量轻、结构简单、安全可靠, 并且在分离过程中不磕碰、损伤和污染舱体。
1 设计准则
分离机构设计成功与否直接关系到导弹与发射装置分离是否顺畅, 进而影响到导弹的成功发射和载机安全。
为了满足上述条件, 本文提出了四个设计准则:1) 结构紧凑, 重量轻;2) 安全可靠;3) 可重复使用;4) 良好的同步性。
2 设计方案
2.1 选材
为了实现重量轻这一特点, 首先在材料选择上选用特研高强不锈钢材料, 此材料的抗拉强度可高达1300 MPa以上, 为普通不锈钢抗拉强度的2~3倍, 这样可以达到减轻装置重量及增强安全性的目的。
2.2 详细计算
已知气路的工作压力P= (10~50) MPa, 结合系统的安装空间, 设计的装置结构如图1所示。分离机构主体部分分离接头的结构图如图2。
2.2.1结构原理
整套分离机构由分离接头、保护盒组件和导管组件等组成。具体组成如图1所示本装置的目的主要是实现弹外供气管路与弹上供气接口的分离。分离接头D和E之间通过密封圈实现密封;轴向位置通过三个锁紧销2实现固定。通过气源供给控制气路约 (10~50) MPa的气压, 气压力克服锁紧弹簧力等使锁紧销2回到壳体5内;整个分离插头测试气路的作用力下弹射分离, 实现气路的断开。
2.2.2计算验证[4,5]
为了保证同步性并实现分离功能, 本装置的设计关键点主要有两点:
1) 能保证气压力克服锁紧弹簧力使锁紧销回到壳体内。这就要求作用在销钉上的气压力Fa必须大于弹簧力Fb。
销钉的结构如图3所示, 弹簧的结构如图4所示。
气压力作用的截面积为
其中D=5 mm, d=2.8 mm, 将其代入式 (1) 中, 则S=13.5 mm2。
作用在销钉上的力为:
其中P为最小气压力, 约为10 MPa, 将其代入式 (2) 中, 则Fa=130.5 N。
弹簧的反作用力为
其中k为弹簧刚度, 其计算公式为
将图4的各个参数代入式 (4) 中, 则k=2.2 N/mm。
x为弹簧压缩量, 约为3.7 mm。将k与x的值带入式 (3) 中, 则Fb=8.2 N。
此时Fa>Fb, 则能保证气压力克服锁紧弹簧力使锁紧销回到壳体内。
2) 能保证分离接头E部分在气压力 (10~50) MPa的作用下弹射分离, 即气压作用力Fc大于分离接头D部分所受重力Fd。
拧到弹壁上的壳体 (E部分) 的结构见图如图5所示。
参照式 (1) , 作用在壳体的气压力截面积为:S=3 mm2, 则作用在壳体的气压力Fc=30 N, 分离接头D部分所受重力Fd=mg, 其中分离接头D部分的重量m约为0.1 kg, 则Fd≈1N。
由此得出Fc>Fd, 则能保证分离接头E部分在气压力的作用下弹射分离。
3 分离机构工作过程
将分离接头拧到弹壁气路接口上, 通过密封圈实现密封, 因此方便测试的拆卸。给测试气路通气实现外部供气测试, 当需要解锁分离时, 详细步骤为:1) 通过外接气源给保护盒组件的输入端供气 (10~50 MPa) ;2) 将电磁阀打开, 延迟1 s后将输入端气路关闭;3) 气压力克服锁紧弹簧力等使锁紧销回到壳体内;4) 分离接头的两部分在测试气路气压力的作用力下弹射分离, 实现气路的断开。
4 结语
1) 本装置采用特研高强不锈钢材料, 并使用特殊的热处理工艺, 从而实现减轻重量及增强安全性的能力。2) 本装置采用地面供气作为动力来源, 不会对舱体造成污染。3) 本装置利用电磁阀控制其工作, 可以重复使用, 安全可靠。4) 本装置利用气压力压缩弹簧使锁紧销回到壳体内实现分离功能, 同步性好。
参考文献
[1]朱维亮.一种新型导弹级间分离机构研究[J].航天返回与遥感, 2005, 26 (1) :53-57.
[2]张继军, 吴殿洋.某空空导弹发射装置插头分离机构的改进设计[J].航空兵器, 2004 (3) :45-46
[3]高滨.形状记忆合金在航天器分离机构上的应用[J].航天返回与遥感, 2005, 26 (1) :48-52
[4]路甬祥.液压气动技术手册[M].北京:机械工业出版社, 2002:770-779.
气动式执行机构 第2篇
在公司供电系统中, 高压开关电器是最重要的电气设备之一, 其所承担的作用是:在正常工作情况下, 保证可靠的接通或断开供电电路;在改变运行方式时灵活地切换操作;在系统发生故障时迅速切除故障部分, 以保证非故障部分的正常运行;在设备检修时确保隔离带电部分, 以保证工作人员的安全。其作用尤为重要。
2 SF6开关的问题分析
随着220kV供电系统四年多的运行维护、检修经验的积累, 以及对SF6开关突发操动机构出现的多次非全相触头合分闸不到位的情况, 经过对原开关解体分析, 发现存在着缸体机构表面制造工艺粗糙, 使动触头合分闸运动摩擦阻力增大, 反作用力增强, 而推动动触头所做的功要克服阻力做功, 消耗了部分推动力, 使其动触头实际运动所需能量减弱, 从而以气动操动机构中的压缩机产生压缩空气为原动力能量损耗过大, 一旦能量不足, 就会导致开关断路器工作储能失去部分能量而显不足, 使开关工作性能和可靠性降低。因开关储能释放的全部动能, 最终都体现触动的合分运动上, 而触头的合分闸动作要通过操动机构来实现。另外, 超动连接杆为分相操动, 存在着合分闸不同期现象, 也是影响三相动触头不同步的重要原因之一。因此, 操动机构的工作性能和动触头运动轨迹表面光滑度的优劣, 对高压开关的功能和可靠性起着极为重要的作用。多年来的检修经验告之, 操动机构应满足的基本要求是:
1) 合闸机构不仅能满足在正常情况时开关合闸的要求, 而且具有在短路故障时关合短路故障电流的能力, 同时超动连接杆装置应在同一个主操作杆传动下, 三相动触头同时动作, 解决明显的三相合分闸不同期现状。
2) 保证在合闸命令和操动功消失后仍使开关保持在合闸位置, 具有保持合闸的功能。
3) 自由脱扣在合闸过程中, 操动机构不接到分闸命令时, 操动机构不应继续执行合闸命令而应立即掉闸。
4) 连锁操动机构应有保证动作可靠和安全的连锁装置, 分合闸连锁, 保证在合闸位置时不能进行合闸操作;在分闸位置时不能进行分闸操作, 防止操作人员误操作事故发生。
3 SF6开关操动机构的更新改造
鉴于上述的原因分析和对操动机构的基本要求, 达到彻底解决上述存在的缺陷。经相关专业人士及会同生产制造厂家多次研讨, 提出对SF6开关的操动机构组织更新改造工作, 决定选用弹簧式操动机构来取代气动式操动机构方案。借鉴同行业单位使用的经验以及对其开关性能的分析了解, 认为弹簧式的动作性能可以满足开关断路器的工作性能和可靠性的要求。
1) 弹簧式操动机构是利用已储能的合闸弹簧使开关合闸, 使合闸弹簧拉伸, 储能的动力源是电动机, 人力也能使合闸弹簧储能, 同样也能使分闸弹簧拉伸储能, 并能保证开关获得一定的合闸速度3秒以内。三相动触头用1根主连接杆传动, 解决了三相合分闸不同期现象。
2) 有维持合闸装置。巨大的操作功率不能在合闸后继续长时间提供。为保证当操作功消失后, 在分闸弹簧的强劲作用下开关仍能维持合闸状态, 操作机构中必须有维持合闸装置, 且该装置不应消耗功率, 可实现无功维持。
3) 有可靠的分闸装置和足够的分闸速度。就是解除合闸维持, 释放分闸弹簧储能的装置。为了设备和系统的安全, 分闸装置工作可靠, 灵敏快速, 在任何情况下不允许误动或拒动。开关分闸后, 操动机构应自动回复到准备合闸装置。
4) 具有自由托扣装置。在开关进行合闸的过程中又接到分闸命令, 操动机构应立即终止合闸过程, 迅速进行分闸 (注:自由脱扣指合闸过程中的分闸) , 自由脱扣装置是分闸装置的重要补充, 两者常结合在一起, 无论对自动或手动操动机构, 该装置都是不可缺少的。
5) 结构简单, 可合理调整超行程弹簧距离参数, 达到最佳储能之效果, 便于维修, 确保开关的工作可靠性。
6) 选择弹簧式操动机构的最大优点是储能电动机的功率只需很小, 且可变直流220V电压两用, 节约了能源, 大幅度降低了成本。他的使用寿命也比其他方式要长久, 只是对加工制造和调整的要求较高。
4 结语
近期已着手对220kV系统七组开关断路器进行更换、改造, 现已顺利更换了两组开关并已可靠的投入运行状态。经多项试验考证, 其操动机构的工作性能和动触头合分闸过程动作可靠安全, 且合分闸速度快, 噪音小, 完全能够满足上述提出的基本要求。 它将在年底全部更换为弹簧式操动机构, 并投入到220KV系统中, 用来弥补气动式操动机构的缺陷和不足, 它将在同行业中逐渐得到更广泛的应用。
摘要：分析对操动机构的基本要求, 彻底解决存在的缺陷。提出对SF6开关的操动机构组织更新改造工作方案, 选用弹簧式操动机构来取代气动式操动机构。借鉴同行业单位使用的经验以及对其开关性能的分析了解, 认为弹簧式的动作性能可以满足开关断路器的工作性能和可靠性的要求。
关键词：SF6开关,弹簧式操动机构
参考文献
气动式执行机构 第3篇
关键词：核级阀门气动执行机构,地震试验,模态分析,有限元
0 引言
核级阀门气动执行机构用于控制核电站的相关气动阀门, 是保证核电站系统安全稳定运行的重要设备之一[1]。因此, 必须要验证核级阀门气动执行机构的抗震性能, 检验方法是进行实际工况的地震试验, 而仿真分析将对实际工况的地震试验具有指导性作用。本文将对扬州电力设备修造厂研制的核级阀门气动执行机构进行抗地震性能试验的仿真分析。
1 建立模型
1.1 气动执行机构的构成及参数
核级阀门气动执行机构主要用于开启和关闭核电站的稳压器喷雾阀, 它主要由上壳体、中壳体、下壳体、手动部件、托盘及传动部件等构成, 其中传动部件由推杆、碟簧等组成。核级阀门气动执行机构结构图如图1所示。其主要技术参数如下:
重量 (kg) :≤65;
安全类别:K1;
防护等级:IP67;
额定推力 (N) :10 000;
全行程时间 (s) :≤10;
运动方式:直行程。
1.2 分析方法
本文利用ANSYS Workbench有限元软件对核级阀门气动执行机构的地震试验进行分析。首先要得到它的固有频率, 当固有频率小于33Hz时, 必须重新设计计算;当固有频率大于33Hz, 根据IEEE Std 344规定方法来评价[2]:地震的反应谱最大频率为64Hz, 当最小固有频率小于64 Hz时, 认为执行机构为柔性装置, 可使用动态分析法来评价;当最小固有频率大于64Hz时, 认为执行机构为刚性装置, 可使用静态分析法来评价。
1.3 模型简化及网格划分
本文的关注要点为在地震模拟状态下气动执行机构的外部结构件的抗震性能和连接螺栓的应力状况, 因此主要评价上壳体、中壳体、下壳体、上壳体和中壳体连接螺栓、中壳体和下壳体连接螺栓。将所要评价的相关零部件作简化处理, 去除壳体等零部件中对分析不产生影响的结构。执行机构的简化模型见图2。
由于手动部件、螺钉等重量轻, 并且设计的裕度足够, 不是此次分析的重点, 因此在此次分析中忽略它们的刚度, 只考虑其重量对分析的影响。手动部件、螺钉等主要是固定于壳体上面, 将这些零部件的重量转嫁到壳体上, 最终实现手动部件、螺钉等零部件对地震试验仿真分析的作用。通过这种方法进行质量转换, 确保重量和重心位置基本不变。表1为相关零部件的材料属性[3]。对气动执行机构的简化模型定义属性, 同时进行网格划分, 得到执行机构的有限元分析模型, 见图3。各邻接零部件间定义标准接触边界条件。
2 有限元分析
2.1 模态分析
模态分析过程采用Block-Lanzos方法计算, 得到了有限元模型的前4阶固有频率, 分别为72 Hz, 90Hz, 91Hz和105Hz。执行机构前4阶模态振型如图4所示。由于模型得到的最小固有频率大于64Hz, 因此使用静态分析法对气动执行机构进行地震试验的仿真分析。
2.2 地震试验的仿真分析
当地震发生时, 实际工况主要考虑地震载荷、工作载荷和自重这3种基本载荷。地震载荷参照核电机组要求一般为6g, 考虑到10%的仿真裕度, 对X, Y和Z三个方向施加6.6g的加速度地震载荷;工作载荷作用于壳体;自重则为与Z方向地震载荷加速度方向相同的1g加速度。
按照相关文献, 分析模型的应力评价可采用第三强度理论 (最大切应力理论) 。对执行机构壳体采用最大薄膜应力、最大薄膜应力加弯曲应力这两种方式来计算并评价;而对于连接盘和连接螺栓, 由于它们不是壳体零部件, 只需要采用最大薄膜应力加弯曲应力来计算并评价。本文通过简化最大薄膜应力加弯曲应力为最大切应力进行分析。按照O级准则级别, 得到分析模型中各分析件的应力限值, 如表2所示, 其中, Su为抗拉应力, Sy为屈服应力, S为许用应力, σm为薄膜应力, σb为弯曲应力。QT500-7和Q235-A的S=min (Su/3, 2Sy/3) , 8.8级连接螺栓的S=Sy/3。气动执行机构有限元模型的变形分布如图5所示, 其中最大变形为0.11mm。气动执行机构的切应力分布如图6所示。
3 结语
本文对气动执行机构的地震试验进行仿真分析。采用工作载荷、重力和地震载荷的组合方式, 计算气动执行机构简化模型的模态振型及应力分布, 然后采用ASME的评定准则进行评定, 得到如下结果: (1) 气动执行机构最小固有频率为72 Hz, 高于三代核电标准的33Hz; (2) 地震事故工况时, 在地震载荷、工作载荷和自重综合作用下, 气动执行机构模型壳体的最大薄膜应力、最大薄膜应力加弯曲应力在许用值内, 连接盘、连接螺栓的最大薄膜应力加弯曲应力在许用值内。
参考文献
[1]付小波, 张大发.稳压器中的喷雾器故障对压力控制系统的影响分析[G]//全国先进制造技术高层论坛暨第八届制造业自动化与信息化技术研讨会.兰州:中国机械工程学会, 2009:96-99.
[2]方庆贤.关于核级设备的静动态抗震试验的思考[J].原子能科学技术, 2008, 42 (s2) :609-611.
浅析单向叶片式气动马达 第4篇
气动马达是以高压空气作为动力源, 将其位能或动能转变为马达转子的机械能的旋转动力机械装置。在早年代气动马达仅用于具存在高压空气源并且有瓦斯积聚的场所, 从安全角度出发代替传统的电动机使用。近来由于气动马达性能优越并且使用上的方便, 已作为很多普通产业机械的原动机, 得到了广泛的使用。气动马达根据其性能可分为容积式及透平式两大类, 容积式是常用的种类。单向叶片式气动马达属于容积式, 通常将其应用于输出功率不大的高速场合。
2 单向气动式马达工作原理
单向气动式马达装置由动静两部分组成, 如图1所示, 转动部分包括转子和叶片, 静止部分包括气缸、进气口和排气口, O为单向气动式马达转动部分中心, O’为单向气动式静止部分中心, 高压空气由进气口进入单向叶片式气动风马达两相邻叶片之间的空腔, 随着该马达转子逆时针旋转, 高压空气进行膨胀, 向低压空气转变, 膨胀到一定程度后, 工质从排气口排出。工质在单向叶片式风马达中由进气、膨胀、排气过程完成工作循环, 在这一循环过程中, 工质对单向叶片式气动马达的叶片作功, 驱动马达转子旋转, 从而把空气的能量转变为转子的机械能。
1———进气口, 2———排气口, 3———气缸4———转子, 5———叶片
3 单向叶片式气动马达热力原理分析
讨论理论热力原理之前, 作如下假设:1) 工质的初终参数保持不变;2) 不考虑该容积式机械的余隙容积;3) 认为图2的b-c过程为绝热过程;4) 不考虑过程进行中的摩擦和泄漏等因素。
如图2所示, a点处于进气状态点, 初始压力为p1的工质开始流入量相邻两叶片间的位置。当转子旋转到b点时进气口关闭, 工质被阻隔封闭。而后, 由于转子与气缸偏心间偏心移动, 被阻隔的容积增大, 工质进行膨胀, 压力慢慢下降, 当转子旋转到d点时工质的压力与外部大气压力相等。即此时, 排气口打开, 工质进入排气行程。阻隔空间的废空气排出, 到达终态e点, 进气口连续进气, 理论循环完成。
但是在实际的循环过程中阻隔空间里的工质并不能膨胀到大气压力 (理论状态下, 图2中c点和d点是重合的) , 因此工质所具有的初始能量不能被转子完全利用。工质膨胀过程中, c点时排气口即已经打开了, 提前进入了排气行程。
图2中的abcde面积代表一个阻隔空间实际的工作循环过程中工质对叶片所做的理论功LT。图2中横坐标工质容积变化, 纵轴表示工质压力变化, p2’表示排气绝对压力;角标1表示初始状态点, 角标2表示终了状态点。
4 影响单向叶片式气动马达工作性能因素分析
4.1 结构尺寸
单向叶片式气动马达理论绝热功率可用下式计算:
单向叶片式气动马达耗气量可用下式求得:
由上面两个式子可知, 气缸的的尺寸对理论绝热功率和耗气量有影响, 具体包括转子半径、转子偏心度、叶片数目、工作转速、叶片轴向长度、进排气口位置等。
4.2 余隙容积
余隙容积使容积式机械的容积效率降低。因此, 在理论上若需同样数量的工质做功, 必须使用将气缸制造得很大。
4.3 内部泄露
由于动静部分之间存在间隙, 单向叶片式气动马达存在工质泄漏问题, 所以实际工质消耗量比理论消耗量要大。
内部泄漏主要有两方面, 一是叶片与盖板间的泄漏, 二是转子与盖板间的泄漏。转子的叶片与马达的气缸滑动面侧壁之间的泄漏仅存在于在叶片转到排气口或者进气口孔道时。由于工质为气体状态, 其本身是没有润滑作用, 因此间隙尺寸只能尽量控制调整。
4.4 摩擦损失
单向叶片式气动马达转子转动过程中叶片与气缸侧壁之间存在摩擦, 这消耗了理论绝热功的, 使工作效率下降, 同时增加了动静部件之间的摩损。可将润滑油混入工质对其进行润滑。轴承可采用脂润滑。
5 结论
单向叶片式气动马达在设计和运行中可采用以下措施改善工作性能:
1) 单向叶片气动马达的结构尺寸对理论绝热功率及耗气量有影响, 在设计计算中应对其进行优化改进;
2) 减小余隙容积;
3) 控制间隙尺寸;
4) 采用合理润滑减小摩擦损失。
摘要：单向叶片式气动马达在实际中有很大的应用空间, 本文对其工作原理和影响其工作性能因素进行探讨, 提出改善其工作性能的措施。
关键词：单行叶片,气动马达,压缩空气
参考文献
[1]李富成.单向偏心叶片式气动马达主要参数的设计计算[J].凿岩机械与风动工具, 1985.
气动摩擦式飞剪常见故障处理 第5篇
1. 飞剪不剪
制动器不退出或离合器无法投入, 造成不剪。检查高压风和电磁阀控制是否正常。检查气源 (包括气动三大件) , 确认气包是否有压力, 气动三连件是否堵塞。离合器阀体有无窜气现象, 若窜气及时更换电磁阀。快排阀风管、阀芯是否脱落损坏。旋转接头是否脱落、气囊是否严重漏气。离合器外圈联结螺栓是否切断。制动器是否常制动或抱死。确认电磁阀是否常得电、冷却制动器或调整制动器间隙。离合器间隙是否太大, 或损坏打齿。若确定调整离合器间隙、更换打齿部件。
热金属检测器故障, 检查PLC输入M8模块A8有无信号, 测M8-08有钢时输入有无24V电压, 若无则更换热金属检测器。制动阀、离合器阀故障, 检查剪切时M3模块有无制动器和离合器动作信号输出。测量制动器、离合器输出24V电压。无输出电压则更换M3模块;有24V电压输出则更换制动快排阀、离合器快排阀。成品主机编码器及脉冲分路器故障, 造成飞剪高速计数器HSC计数不准, 引起不切, 若确定则更换编码器及脉冲分路器。
2. 飞剪连剪
检查制动器阀体是否有气, 有无窜气现象, 阀体是否常开, 确认电磁阀是否常得电, 若无则更换电磁阀。检查离合器间隙是否太小, 若太小则调整间隙。快排阀是否排气顺畅。若排气不畅则更换快排阀芯。制动器、离合器气囊是否漏气或变形, 若漏气则更换气囊。摩擦盘外圈、内齿是否断裂掉齿, 扇形块是否脱落。飞剪限位开关故障, 检查PLC飞剪限位接近开关输入信号指示灯, 测M7-B5信号电压。无24V输入, 则更换接近开关。制动器不投入或离合器无法退出, 检查高压风, 用万用表量电磁阀线的电压值是否正常, 电缆有无故障, 如果电压不正常, 可查控制柜内的故障, 电压正常则更换电磁阀。
3. 剪切位置不稳 (或剪切堆钢)
检查离合器、制动器间隙是否合适, 有无进水、进油导致打滑现象。若确定, 则调整间隙或撒松香粉增加摩擦力。电磁换向阀是否窜气, 快排阀是否排气顺畅, 若确定, 则更换损坏的电磁阀和快排阀芯。皮带是否打滑, 若打滑, 则撒松香粉增加摩擦力或更换皮带。制动器、离合器气囊是否漏气或变形。若漏气则更换气囊。检查感光板 (码盘) 是否位置不准, 接近开关是否失灵, 若确定, 则调整感光板或更换接近开关。检查摩擦盘外圈、内齿是否断裂掉齿, 扇形块是否脱落。检查剪刃侧间隙是否增大, 重合度是否减小, 若确定, 更换磨损刀片并调整剪刃侧间隙和重合度。检查胀紧套是否松动, 上剪臂是否自由摆动, 若确定, 要重新设定上剪臂正确位置, 然后紧固剪臂螺丝。检查电机转速是否正常, 不正常可更换电机。
4. 剪不断或剪切弯头
检查剪刃螺栓是否松动或断裂, 确定则紧固或更换剪刃螺栓。检查剪刃侧间隙是否增大, 重合度是否减小, 或剪刃崩。确定则调整或更换剪刃。检查导槽位置是否到位, 或存在高低不平或倾斜现象。制动器相对离合器的电磁阀的延时时间是否正常, 确定则调整延时时间。检查超前率是否正常, 确定则调整超前率。
W11.07-40
作者通联:河南安阳钢铁集团有限公司第一轧钢厂维检车间河南安阳市455004
鸭式客机气动布局特性研究 第6篇
1 模型处理
选用1∶10的缩比飞机模型进行计算和分析, 机身长为7.1m, 翼展8.0m。
常规布局飞机的机身、机翼、发动机短舱及平尾 (对应的是鸭翼) 的外形尺寸和安装角不变。将机翼沿飞机体轴向前平移1500mm;将鸭翼沿飞机体轴向后平移5200mm, 再沿纵向向下平移500mm, 即将鸭翼变为平尾。常规布局垂直尾翼改为单垂尾, 折合有效面积与鸭式双垂尾相当。
机身长度为7100mm, 最大高度为1000mm, 最大宽度为800mm, 机身最大横截面为长短半径为500mm和400mm的椭圆。发动机短舱剖面为规则圆组成的多截面曲面 (表1) 。机翼、鸭翼 (或平尾) 及垂尾的尺寸参数见表2至表5。
2 网格划分
选用四面体/混合 (Tet/Hybrid) 体网格。该网格可以方便地索引和减少存储开销, 同时还能维持好的贴体性, 进而提高流场的计算精度。此外还将计算域网格分两层划分, 近场区域网格较密, 远场区域网格稀疏, 这样可以降低计算量, 同时不影响计算数据。
3 Fluent计算
选用Spalart-Allmaras单方程模型, 求解有关涡粘性的输运方程。该湍流模型比较适合于具有壁面限制的流动问题。计算中默认的气体是空气, 也是本问题的工作介质, 但考虑到可压缩性和热物理特性 (粘性) 随温度的变化, 需要改变默认的属性设置, 如气体模式、粘性、材料等。同时还要完成操作环境和边界条件设定。
对两种布局进行计算, 包括0.85Ma和0.6Ma两个速度值, 每两度迎角变化间隔 (即-4°, -2°, 0°, 2°, 4°, 6°, 8°, 10°, 12°, 14°, 16°, 18°, 20°, 22°, 24°) 计算一组数据。本文仅以鸭式在攻角为4°, 马赫数为0.85为例进行数据、图表显示和表述。
在求解器中进行持续迭代计算后, 力和力矩的监视曲线会收敛至定值。从结果中获得残差收敛、阻力系数、升力系数、力矩系数的变化曲线图, 提取并显示出X方向速度分布云图和全机表面压力分布云图, 见图5~图10。
4 气动特性分析
4.1 空气动力系数
表示机翼的气动力采用风轴系坐标Oxyz, 其中x轴沿来流向后, z轴向上, y和x轴组成右手坐标系。如果来流v∞与机翼对称面平行, 则称为机翼的纵向绕流。定义机翼纵向绕流的无量纲气动系数为
当来流v∞与机翼对称面有夹角时, 则定义此夹角为侧滑角β。此时v∞在对称平面内的投影与根弦长之间仍可有夹角α, 机翼同时有α和β, 既有纵向绕流也有横向绕流, 空气动力合力可分解为沿三个轴方向的空气动力X、Y、Z和绕三个轴的力矩Mx、My、Mz。因此, 除纵向三个空气动力系数Cy、Cx和mz外, 还定义另外三个横向空气动力系数
4.2 数据结果处理
阻力系数Cd:Ma=0.6, 鸭式的阻力系数与常规式的阻力系数基本相当, 鸭式阻力系数值相对偏大;Ma=0.85, 从-4°到14°以及18°到24°的两个区间鸭式的阻力系数比常规式大, 在14°到18°之间鸭式和常规式的阻力系数值基本相当。
升力系数Cl:Ma=0.6, 从0°到14°鸭式的升力系数略高于常规式, 从-4°到0°常规式的升力系数值大于鸭式, 从14°到22°常规式的升力系数值明显偏大, 而当攻角大于22°时常规式的升力系数值下降并小于鸭式;Ma=0.85, 从-4°到6°以及攻角大于20°的两个范围鸭式的升力系数值比常规式大, 从8°到20°常规式的升力系数值要比鸭式大。
升阻比K:对于相同布局, 低速时的升阻比比高速时要大;对于不同布局, 同一速度时常规式的升阻比要比鸭式大。
俯仰力矩系数:对于相同布局, 高速时的俯仰力矩系数比低高速时要大;对于不同布局, 同一速度时鸭式的力矩系数比常规式大。
4.3 气动特性分析
4.3.1 鸭翼气动特性
飞机飞行时, 鸭翼会产生一个下洗涡, 这个下洗涡可以为主翼涡提供能量, 从而保证主翼涡的稳定, 由此可以改善飞机大迎角时的升力状况。鸭式布局有以下优点:
a.前翼不受流过机翼的气流的影响, 前翼操纵效率高。
b.前翼在大迎角飞行时提供的是正升力, 从而使飞机总升力增大 (或称抬式飞机, 即前翼与机翼共同平衡飞机重量) , 利于减小飞机起飞着陆速度, 改善起飞着陆性能, 同时也可以提高大迎角时的机动性能。
c.鸭式飞机配平阻力小, 因而续航能力好。
d.能够提供部分升力, 起到水平尾翼的作用, 提高飞机垂直机动性能。它还可以产生滚转力矩, 使飞机滚转更加灵活, 能迅速完成机动动作。
4.3.2 大攻角时飞机表面压力对比
图15~图20列出两种布局飞机在马赫数0.85和大攻角状态下 (20°、22°和24°) 的表面静压分布图。
对比结果一 (不同布局相同角度) :在相同角度下鸭式布局机翼内段表面低压分布区比常规式大, 边条翼和鸭翼都是涡发生器, 而鸭式布局中边条翼和鸭翼产生的两个涡叠加, 使得其对机翼的影响更加明显。当攻角大于20°时, 鸭式布局飞机表面的静压分布条纹比常规布局规则, 说明此时鸭翼有利于改善飞机的气动性能。
对比结果二 (同一布局不同角度) :鸭式的静压分布条纹始终比较规则, 但随着攻角增加有变差的趋势;对于常规布局, 当攻角为20°时, 静压分布条纹还是比较规则的, 但是22°和24°时的条纹分布质量急剧变差。说明大迎角飞行时, 鸭翼对维持飞机的气动力特性有很大作用。
5 结束语
通过对计算结果 (阻力系数、升力系数、升阻比和俯仰力矩系数等) 的处理, 可得鸭式的气动特性与常规式的气动特性有明显差异:鸭式的零升迎角要明显小于常规式, 所以鸭式在负迎角飞行时气动升力要比常规式好;大迎角飞行时, 鸭式的失速角度要明显大于常规式, 即鸭式的大迎角飞行性能优于常规式;通过观察阻力系数对比曲线可知, 鸭式的阻力系数比常规式的系数值偏大, 进而导致鸭式飞机的升阻比相对较小。
摘要：采用CFD技术对鸭翼布局和常规布局飞机进行气动特性估算。利用计算机辅助软件对缩比飞机模型进行流体计算, 通过对计算数据的处理, 获得两种布局飞机在升力系数、阻力系数、升阻比、俯仰力矩等多个方面的典型气动特征参数, 再对这些特征参数进行比对, 最终得出两种布局飞机在气动方面的优缺点。
关键词：鸭翼布局,升力系数,阻力,升阻比,俯仰力矩
参考文献
[1]李为吉.现代飞机总体综合设计[M].西安:西北工业大学出版社, 2000.
[2]王瑞金.Fluent技术基础与应用实例[M].北京:清华大学出版社, 2007.
[3]阎超.计算流体力学方法及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2006.
[4]韩占中.Fluent流体工程仿真计算实例与应用[M].北京:北京理工大学出版社, 2004.
[5]Dr K.C.Wong.UAV Design Activities in a University Environment University of Sydney, 2006.
气动架柱式钻机的研制 第7篇
关键词：气动,架柱式,钻机
煤矿坑道中经常要进行探放水、瓦斯抽放等钻孔施工, 因此针对此项工作的机械设备很多。但是全液压设备必须有液压系统, 其体积大、重量沉、移动困难, 增加履带能行走, 却更加大了设备的体积, 在中小型矿井中无法使用。为此, 针对小型矿井, 开发出煤矿用气动架柱式钻机, 主要用于具有煤与瓦斯突出和爆炸危险性的煤矿, 也可用于一般煤矿钻进瓦斯抽放孔、煤层注水孔、灭火注浆孔及其他工程孔。适用于岩石坚固性系数f<6的各种煤层、岩层, 要求巷道或钻场断面大于2.7 m2, 高度大于1.8 m, 宽度大于1.5 m, 不含钻杆等附件的重量只有200 kg, 不需要外接电源, 提高了安全性。
1 整机技术指标
通过对煤矿井下钻孔工艺调研, 笔者确定了钻机的参数:适用钻孔深度为200 m;配套钻杆直径为φ42 mm, φ75 mm (螺旋钻杆) ;整机重量为200 kg。具体产品形成参数见表1。
2 主要结构及原理
1) 钻机整体结构主要由旋转部、推进部、机架、机头、立柱、分压器、钻具等组成, 见第104页图1。该钻机以压气为动力, 要求供气量大于6 m2/min, 供气压力0.4~0.6 MPa, 压气经分零器分为3路压气, 即旋转气路、进给气路、排渣气路 (采用压气排渣, 也可采用水排渣) 。
旋转气路的压气经配气阀驱动气动马达输出轴旋转, 再经2级齿轮减速传递到减速箱主轴并带着水辫轴钻具旋转, 配气阀可控制钻具的正转、反转、停止, 并可调节钻具的转速。推进气路的压气经配气结构 (包括阀芯、阀体) 驱动推进马达输出轴旋转, 再经1级齿轮和1级蜗杆、蜗轮减速传递到减速器输出轴 (小齿轮轴) 旋转, 该轴齿轮与机架上的齿条啮合, 旋转部、推进部一起沿机架导轨可作往复直线运动, 配气机构可控制钻具前进、后退和停止, 并可调节前进、后退速度。排渣气路的压气由一阀门控制, 采用压气排渣时打开压气阀门, 关闭水阀门, 压气经水辫、钻杆输出到孔底, 进行排渣。采用水排渣时, 打开水阀门, 关闭压气阀门。
1—旋转部;2—推进部;3—机架:4—立柱;5—机头
2) 旋转部主要由水辫、减速箱、风动马达、固定块、底座等组成。分气器来的压气经配气阀驱动气动马达输出轴旋转, 再经减速箱两级齿轮减速传递到主轴并带着水辫轴旋转。配气阀可控制水辫轴的正转、反转和停止, 并调节水辫轴的旋转速度。
3) 推进部主要由推进马达、减速器、配气机构等组成。分气器来的压气经配气阀驱动推进马达输出轴旋转, 再经减速箱一级齿轮和一级蜗杆蜗轮减速后传递到减速器输出轴 (小齿轮轴) 旋转。配气机构可控制输出轴的旋转方向、停止, 并可调节输出轴的旋转速度。
4) 机架系框架组焊件, 主要由机架体、齿条等组成, 支承和安装旋转、推进部作往复运动导向。
5) 立柱主要由顶盖、丝杆、套筒、横梁、机架座等组成。起支承和安装主机 (包括机架、旋转部、推进部) 和锚固作用。
6) 机头安装在机架前端面, 其作用是为钻杆导向, 在拆装时卡住钻杆。设计有两种类型, 即适用于光杆钻杆的机头和适用于螺旋钻杆的机头, 供用户选用。
3 整机主要技术优点
1) 采用压缩空气为动力, 减少了整机重量, 不需外接电源, 提高了安全性。
2) 钻机采用部件式设计, 下井前可根据使用单位井巷和运输设备情况, 可将钻机解体成若干部件, 方便运输。
3) 实现整机轻型化设计, 在巷道内移动灵活。
4 结束语