機(jī)電一體化論文
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷的向前發(fā)展，建筑功能趨于多樣化，給人們的生活帶來(lái)了極大的便利�，F(xiàn)代的建筑走向智能化，其中起了重要作用的就是建筑的機(jī)電工程，它使建筑的功能更能滿足人們的居住和生活。下面是小編整理的機(jī)電一體化論文。歡迎參考!
機(jī)電一體化論文一
基于ANSYS的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)
摘要：本文通過(guò)有限元分析軟件ANSYS對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸進(jìn)行三維有限元分析，
了解曲軸的變形和應(yīng)力狀況，校核該曲軸在交變載荷下的疲勞強(qiáng)度，為曲軸改進(jìn)設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)分析提供理論依據(jù);
較準(zhǔn)確地得到交變載荷作用下發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的應(yīng)力、變形的大小及分布，校核其疲勞強(qiáng)度，對(duì)于指導(dǎo)曲軸的優(yōu)化、改進(jìn)設(shè)計(jì)具有重要意義。
關(guān)鍵詞：曲軸;ANSYS;優(yōu)化設(shè)計(jì)
Optimization design of engine crankshaft based on ANSYS
Chen yun-xin
(School of Electromechanical &Architectural Engineering，Jianghan University，Wuhan，430056，China)
Abstract：In this paper, three-dimensional finite element analysis was carried out on the engine crankshaft by means of the finite element analysis software ANSYS, understanding the stresses and deformation of the crankshaft, fatigue strength under cyclic loading of the crankshaft the crankshaft checking, improved analysis provides a theoretical basis for the structure design; accurately get the size and distribution of stress, deformation under the action of alternating load check the engine crankshaft, fatigue strength, has an important significance for improving design optimization, guidance of crankshaft.
Keywords：crankshaft ; ANSYS; Optimization design
中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 文章編號(hào)：
0 引言：曲軸是內(nèi)燃機(jī)中最典型，最重要的零件之一，其功能是將活塞連桿組傳遞來(lái)的氣體壓力轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩，作為動(dòng)力而輸出做功，驅(qū)動(dòng)其它工作機(jī)構(gòu)，并帶動(dòng)內(nèi)燃機(jī)輔助裝置工作。
曲軸在工作中承受周期性變化的氣體壓力，運(yùn)動(dòng)質(zhì)量慣性力和其它力矩的共同作用，承受交變載荷，并受到扭轉(zhuǎn)和縱向振動(dòng)所產(chǎn)生的附加應(yīng)力作用，易于造成疲勞破壞。
同時(shí)，由于曲軸形狀復(fù)雜，應(yīng)力集中嚴(yán)重，且在應(yīng)力集中處曲軸的應(yīng)力分布極不均勻，易產(chǎn)生大小和性質(zhì)不同的疲勞應(yīng)力。
面臨上述問(wèn)題，在設(shè)計(jì)階段必須找出切實(shí)可行的手段。
因此如何較準(zhǔn)確地得到交變載荷作用下發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的應(yīng)力、變形的大小及分布，校核其疲勞強(qiáng)度，估算其疲勞壽命，對(duì)于指導(dǎo)曲軸的優(yōu)化、改進(jìn)設(shè)計(jì)具有重要意義。
采用先進(jìn)的有限元工具和合理的計(jì)算條件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸進(jìn)行分析，是目前車用發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家迫切需要的。
1 有限元法及ANSYS簡(jiǎn)介：有限元法(Finite Element Method，簡(jiǎn)稱FEM)是一種數(shù)值離散化方法，根據(jù)變分原理求其數(shù)值解。
因此適合于求解結(jié)構(gòu)形狀及邊界條件比較復(fù)雜，材料特性不均勻等力學(xué)問(wèn)題，能解決幾乎所有工程領(lǐng)域中各種邊值問(wèn)題。
隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，有限元分析方法已經(jīng)成為疲勞強(qiáng)度分析和壽命預(yù)測(cè)的主要輔助工具。
ANSYS有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來(lái)求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問(wèn)題。
2.發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸連桿機(jī)構(gòu)的組成及受力分析：曲柄連桿機(jī)構(gòu)是往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)中的動(dòng)力傳遞系統(tǒng)。
曲柄連桿簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。
曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)，完成能量轉(zhuǎn)換的主要運(yùn)動(dòng)部分。
在做功沖程中，它將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)、由曲軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，對(duì)外輸出動(dòng)力;在其它沖程中，則依靠曲柄和飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性、通過(guò)連桿帶動(dòng)活塞上下運(yùn)動(dòng)，為下一次做功創(chuàng)造條件。
圖1 曲柄連桿簡(jiǎn)圖
3.曲軸連桿機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)
發(fā)動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)速 2500n/min 調(diào)速率15% 連桿軸頸直徑 58mm 主軸頸直徑 64mm
曲柄半徑R 45mm 連桿中心距L 168mm 連桿比λ R/L=0.2679
連桿質(zhì)心到小頭中心距L1 108mm 連桿總質(zhì)量ML 1.25Kg 活塞和活塞環(huán)總質(zhì)量Mjz 0.65Kg 爆發(fā)壓力 12.0MPa 活塞缸直徑D 70mm
軸材料的主要特性常數(shù)見(jiàn)表1。
表1 軸材料的主要特性常數(shù)
4. 載荷狀況的確定
本文研究的發(fā)動(dòng)機(jī)為四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，它的發(fā)火順序?yàn)?—2—4—3。
根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，曲軸在受到最大爆發(fā)壓力時(shí)的應(yīng)力和變形最大。
這樣對(duì)于四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，只需考慮 3 缸發(fā)火狀況下活塞處于壓縮行程終了，在上止點(diǎn)位置時(shí)的受力狀況即可。
曲軸所受到的最大壓縮載荷在膨脹沖程上止點(diǎn)
F氣體+ F往復(fù)+ F旋轉(zhuǎn) =38940.48N
曲軸所受到的最大拉伸載荷在進(jìn)氣沖程開(kāi)始的上止點(diǎn)
= F往復(fù)+ F旋轉(zhuǎn) =7217.52N
5. 分析計(jì)算
(1)建立曲軸的三維模型見(jiàn)圖2
圖2 曲軸的三維模型
(2)定義單元屬性：本文選擇第二類單元，10節(jié)點(diǎn)的solid92，此單元由十個(gè)點(diǎn)定義每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度節(jié)點(diǎn)x 、y 和z 方向位移。
并且單元有可塑性、蠕動(dòng)、膨脹、應(yīng)力剛化、大變形和大張力的能力。
(3)劃分網(wǎng)格、定義邊界條件、在連桿軸頸上施加載荷、推算出第三缸爆破時(shí)各個(gè)連桿軸頸的載荷見(jiàn)表2;施加了載荷、約束的曲軸見(jiàn)圖3.
表2 第三缸爆破時(shí)各個(gè)連桿軸頸的載荷
圖3 施加載荷、約束的曲軸
(4)分析結(jié)果：曲軸的變形形狀圖見(jiàn)圖4;
圖4曲軸的變形形狀圖
曲軸位移分布等值線圖見(jiàn)圖5;
圖5 曲軸位移分布等值線圖
應(yīng)變分析：最大變形位于第三連桿軸頸與曲柄的圓角過(guò)渡處，其最大值為0.534mm。
應(yīng)力分析 ：應(yīng)力集中部位在曲柄臂與主軸頸，曲柄臂與連桿軸頸的過(guò)渡圓角處，這與實(shí)際情況相符合，這些地方連接處的過(guò)渡圓角，以及軸頸油孔邊緣是應(yīng)力集中最為嚴(yán)重的部位，是曲軸產(chǎn)生疲勞斷裂最危險(xiǎn)的部位。
強(qiáng)度校核：曲軸靜強(qiáng)度安全系數(shù)校核 ， 式中 為材料的強(qiáng)度極限，該材料的強(qiáng)度極限為980MPa; 是曲軸危險(xiǎn)部分的最大應(yīng)力，根據(jù)曲軸應(yīng)力分布等值線圖，可得到最大應(yīng)力202 MPa。
所以n =4.85。
通常發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸安全系數(shù)[n] ≧2-3，所以強(qiáng)度安全系數(shù)在許用范圍內(nèi)，曲軸的強(qiáng)度滿足要求。
曲軸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核
=85.25MPa， =116.75 MPa。
各個(gè)參數(shù)如下： =760.2 MPa， ， ， ，
將上述數(shù)據(jù)代入公式中得到nσ=5.32。
所以該曲軸的疲勞強(qiáng)度滿足要求。
6 結(jié)論：通過(guò)ANSYS分析，應(yīng)力集中部位在曲柄臂與主軸頸，曲柄臂與連桿軸頸的過(guò)渡圓角處，這與實(shí)際情況相符合，這些地方連接處的過(guò)渡圓角，以及軸頸油孔邊緣是應(yīng)力集中最為嚴(yán)重的部位，是曲軸產(chǎn)生疲勞斷裂最危險(xiǎn)的部位。
曲軸最大等效應(yīng)力遠(yuǎn)低于曲軸材料屈服強(qiáng)度,曲軸疲勞安全系數(shù)滿足曲軸設(shè)計(jì)要求。
機(jī)電一體化論文二
摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)也得到了快速發(fā)展,而機(jī)電一體化在工程機(jī)械中的應(yīng)用與發(fā)展也促進(jìn)了工程機(jī)械的不斷進(jìn)步。
本文主要對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)以及其在工程機(jī)械中的應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)行了分析研究。
關(guān)鍵詞：工程機(jī)械 機(jī)電一體化技術(shù) 應(yīng)用 發(fā)展
引言
隨著科學(xué)技術(shù)以及新興科技突飛猛進(jìn)的發(fā)展，極大地促進(jìn)了學(xué)科之間的相互滲透、融合，同時(shí)也促進(jìn)了工程建設(shè)領(lǐng)域的革新與創(chuàng)新。
目前，機(jī)電一體化已經(jīng)漸漸成為一種獨(dú)立的技術(shù)，在各行各業(yè)都有不同程度的應(yīng)用。
尤其是科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在很大程度上促進(jìn)了機(jī)電一體化的進(jìn)步與創(chuàng)新，并且在工程機(jī)械中得到了很好的應(yīng)用。
積極地采用機(jī)電一體化，將機(jī)械、電子技術(shù)和液壓技術(shù)進(jìn)行了有效的結(jié)合，大大地提高了機(jī)械的多種功能，
比如說(shuō)，動(dòng)力性能提升，燃油的經(jīng)濟(jì)效益提高，安全性和可靠性大增，操作的精準(zhǔn)度和舒適度都大幅度提高，機(jī)械的使用壽命也隨之延長(zhǎng)。
所以，研究工程機(jī)械機(jī)電一體化的應(yīng)用與發(fā)展有著重大意義。
一、機(jī)電一體化技術(shù)的概述
機(jī)電一體化就是綜合地運(yùn)用機(jī)械、計(jì)算機(jī)、微電子、電力電子、光學(xué)、接口等技術(shù)，對(duì)各個(gè)功能進(jìn)行合理的配置，從而實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量、多功能、低能耗的價(jià)值和功能。
機(jī)電一體化也稱之為機(jī)械電子學(xué),屬于一門(mén)新興的邊緣綜合科學(xué), 機(jī)電一體化技術(shù)是將機(jī)械技術(shù)、電工電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)和
精密機(jī)械技術(shù)有機(jī)結(jié)合，并綜合應(yīng)用到實(shí)際中去的綜合技術(shù)。
主要是通過(guò)微電子技術(shù)的應(yīng)用,把微電子技術(shù)引進(jìn)到相關(guān)的動(dòng)力功能、機(jī)械主功能、控制功能等方面,在軟件方面能夠使得機(jī)械裝置與電子裝置相互進(jìn)行有機(jī)結(jié)合而形成有效的系統(tǒng)。
而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)也得到了快速發(fā)展，并且處于不斷創(chuàng)新與進(jìn)步之中。
機(jī)電一體化技術(shù)逐漸走向了高智能化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化、個(gè)性化和綠色化的趨勢(shì)。
而機(jī)電一體化技術(shù)在工程機(jī)械中的應(yīng)用,能夠使得各種性能方面都得以明顯改善,比如操作舒適性能夠得以有效提高;機(jī)械能耗能有效大幅度降低,明顯提高機(jī)械功效。
可靠性不斷提高;不斷提高相應(yīng)的作業(yè)精度和作業(yè)效率。
二、工程機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用
機(jī)電一體化技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景和極高的應(yīng)用價(jià)值，尤其是在工程機(jī)械中的應(yīng)用更具廣泛性和有效性，機(jī)電一體化技術(shù)在工程機(jī)械中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1、機(jī)電一體化技術(shù)的在工程機(jī)械提高生產(chǎn)效率、節(jié)能降耗方面的應(yīng)用
在傳統(tǒng)的工程機(jī)械中，能量的充分利用率和使用率比較低。
比如說(shuō)，液壓挖掘機(jī)其燃料的充分利用率僅僅占了30%，剩下的70%左右的能量都被浪費(fèi)了。
在能源資源高度緊張的今天，迫使機(jī)械工程的發(fā)展必須向著“節(jié)能降耗”的方向發(fā)展。
比如說(shuō)，小松公司生產(chǎn)的挖掘機(jī)能夠很好地達(dá)到節(jié)能降耗的目的，大約可以節(jié)省23%的燃料，最主要的原因就是新型的控制節(jié)能器的采用。
日立公司生產(chǎn)的挖掘機(jī)，采用了“卡特電子效率”節(jié)能控制體系，通過(guò)對(duì)泵以及發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合、全面控制，大大提高了利用率，其能量利用率能夠達(dá)到98%左右，生產(chǎn)率也相應(yīng)地得到了大幅度的提升。
所以說(shuō)工程機(jī)械中電子節(jié)能控制器的運(yùn)用，大幅度提高挖掘機(jī)等大型工程機(jī)械設(shè)備的能量利用率，一定程度上發(fā)揮到了節(jié)能的作用。
電子節(jié)能控制器操作比較簡(jiǎn)單，對(duì)機(jī)械的磨損也相對(duì)減少，從而提高了工作的效率。
2、在自動(dòng)化以及半自動(dòng)化的作業(yè)全過(guò)程中的應(yīng)用
工程機(jī)械全面地實(shí)現(xiàn)作業(yè)自動(dòng)化以及半自動(dòng)化水平，可以有效地降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，有效地提高生產(chǎn)效率，大大減少了因?yàn)椴僮魅藛T的經(jīng)驗(yàn)不足或技術(shù)不到位對(duì)于操作精度的影響。
比如說(shuō)，三菱公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的挖掘機(jī)，有控制挖掘機(jī)軌跡系統(tǒng)的功能，相關(guān)的操作人員在控制板上將鏟斗的運(yùn)動(dòng)形狀和運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)定好之后，
相應(yīng)的微機(jī)操作系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)不同角度的傳感器發(fā)出的信號(hào)，對(duì)動(dòng)臂、鏟刀和斗桿的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)的控制，從而實(shí)現(xiàn)多種特定斷面溝槽、開(kāi)口和斜坡的精準(zhǔn)挖掘，有效地實(shí)現(xiàn)了挖掘操作的自動(dòng)化水平。
3、在控制柴油機(jī)上的應(yīng)用
要想進(jìn)一步深入發(fā)展柴油機(jī)技術(shù), 應(yīng)該要解決發(fā)動(dòng)機(jī)排放質(zhì)量與最低油耗間的矛盾。
在電子技術(shù)發(fā)展十分迅速的今天,采用電子節(jié)能液壓泵系統(tǒng)能夠有效減小能耗, 還能自動(dòng)控制冷風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速隨溫度的變化, 這樣的條件下, 電子控制自動(dòng)變速,
還包括根據(jù)負(fù)荷條件自動(dòng)調(diào)節(jié)柴油機(jī)油門(mén)等內(nèi)容都能得以實(shí)現(xiàn), 能夠使得在各種變工況下的柴油機(jī),在滿足經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和排放指標(biāo)的最佳噴油時(shí)間的同時(shí), 能夠?qū)崿F(xiàn)凈化排氣、節(jié)約能源、提高效率。
4、機(jī)械操作的自動(dòng)化能夠降低勞動(dòng)強(qiáng)度
在工程機(jī)械施工操作中引入機(jī)電一體化實(shí)現(xiàn)操作的自動(dòng)化或者半自動(dòng)化，這樣大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，并且大大減少了因?yàn)椴僮髡吖ぷ鹘?jīng)驗(yàn)不足而造成的作業(yè)精度的影響。
5、在工程作業(yè)精確度方面的應(yīng)用
在工程機(jī)械設(shè)備中使用電子控制系統(tǒng)可以將稱量的過(guò)程自動(dòng)化，對(duì)稱量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制，使得稱量更加精確。
自動(dòng)找平裝置的應(yīng)用，大大提高了混凝土瀝青攤鋪機(jī)的工作效率和施工質(zhì)量。
自動(dòng)供料系統(tǒng)(超聲波技術(shù))的應(yīng)用，完美地完成了混凝土瀝青攤鋪機(jī)對(duì)于供料的自動(dòng)調(diào)節(jié)，全面提升了攤鋪的效果和質(zhì)量。
與此同時(shí)，鏟運(yùn)機(jī)鏟斗刀、平地機(jī)刮刀以及推土機(jī)鏟刀的電子化操作控制，減少了誤差，提高了工作效率，同時(shí)還節(jié)約了人力，降低了施工人員的工作強(qiáng)度，高效、快捷，符合現(xiàn)代工程施工的要求。
6、電子監(jiān)控、故障自診以及自動(dòng)報(bào)警
電子監(jiān)控、故障自診以及自動(dòng)報(bào)警，也就是說(shuō)對(duì)于工程機(jī)械的工作裝置，傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)以及制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行全面的監(jiān)控，一旦在運(yùn)行的過(guò)程中發(fā)生異常情況，就會(huì)自動(dòng)地找出故障的位置并自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警提示。
機(jī)電一體化的發(fā)展和應(yīng)用，大大地改善了操作人員的現(xiàn)實(shí)工作條件，全面提高了機(jī)械設(shè)備的工作效率。
與此同時(shí)，簡(jiǎn)化了機(jī)械設(shè)備檢查和維護(hù)的工作，相應(yīng)地減少了維修費(fèi)用，大大降低了維修停機(jī)的時(shí)間，對(duì)于提高機(jī)械設(shè)備的使用壽命有很大的作用和意義。
三、工程機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展
1、傳感技術(shù)的融合
目前,傳感器技術(shù)在現(xiàn)代工程機(jī)械上應(yīng)用較為廣泛,比如,發(fā)動(dòng)機(jī)可以通過(guò)機(jī)油壓
力傳感器、冷卻水溫度傳感器等來(lái)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的檢測(cè)和控制;
瀝青攤鋪機(jī)上的傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)攤鋪機(jī)在工作時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)找平且行走速度不變的特點(diǎn),還能滿足攤鋪出來(lái)預(yù)定的平整度、坡度和厚度的路面的要求。
在感器技術(shù)的迅猛發(fā)展的今天,精度要求越來(lái)越高,可靠性和穩(wěn)定性也能不斷提高,越來(lái)越廣的采集信息范圍也超著集成、多功能化和智能化方向發(fā)展,所以,未來(lái)在工程機(jī)械上將應(yīng)用越來(lái)越多種類的傳感器。
2、工程機(jī)械機(jī)電一體化趨于計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)的應(yīng)用
計(jì)算機(jī)是實(shí)現(xiàn)信息處理的主體, 信息處理技術(shù)包括范圍應(yīng)用比較廣, 主要包括
信息的輸入、識(shí)別、運(yùn)算、變換、存儲(chǔ)及輸出等等方面。
計(jì)算機(jī)技術(shù)范圍涉及到網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、硬件和軟件技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等等方面。
要想工程機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展不斷進(jìn)步, 應(yīng)該大力發(fā)展計(jì)算機(jī)應(yīng)用及信息處理技術(shù)。
3、電子控制理論的指導(dǎo)性增強(qiáng)
工程機(jī)械現(xiàn)代化的重要標(biāo)志就是以微電子為核心的高新技術(shù), 通過(guò)其應(yīng)用和推廣,在相關(guān)控制理論指導(dǎo)下,能夠滿足系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)的要求,完成相關(guān)的設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)仿真等等。
結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，機(jī)電一體化在工程機(jī)械中的應(yīng)用發(fā)展是當(dāng)前機(jī)械工業(yè)發(fā)展必然的趨勢(shì)，也是振興和發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必經(jīng)之路。
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,工程機(jī)械機(jī)電一體化還會(huì)有著更多的創(chuàng)新與發(fā)展,未來(lái)工程機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)融合機(jī)、電、光以及磁的綜合性能，更好地促進(jìn)工程機(jī)械的發(fā)展。
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機(jī)電一體化論文三
【摘要】：為保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，國(guó)內(nèi)的大型機(jī)組均使用電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制、同步并網(wǎng)、負(fù)荷控制等功能。
本文以電廠300MW機(jī)組使用的上海汽輪機(jī)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的汽輪機(jī)為例，介紹其系統(tǒng)機(jī)構(gòu)、調(diào)試要點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)功能。
【關(guān)鍵詞】：300MW機(jī)組;電液調(diào)節(jié)系統(tǒng);控制;調(diào)試
近年來(lái)，300MW機(jī)組在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用。
為保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，國(guó)內(nèi)的大型機(jī)組均使用電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制、同步并網(wǎng)、負(fù)荷控制等能。
改變了系統(tǒng)的適應(yīng)性和靈活性，提高了控制能力和控制效果，大大提高了發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)化水平[1]。
本文以電廠300MW機(jī)組使用的上海汽輪機(jī)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的汽輪機(jī)為例，介紹其系統(tǒng)機(jī)構(gòu)、調(diào)試要點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)功能。
1、系統(tǒng)簡(jiǎn)介
該電廠的機(jī)組熱控系統(tǒng)采用上海新華控制工程有限公司提供的Symphony系統(tǒng)，是一套集計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)為一體的產(chǎn)品，
具有獨(dú)立的分散控制系統(tǒng)、監(jiān)控技術(shù)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，能夠滿足各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)π畔⒐芾砗瓦^(guò)程控制的需求。
系統(tǒng)采用合理的軟、硬件功能配置和模塊化設(shè)計(jì)，具有易于擴(kuò)展的能力，將離線和在線調(diào)試集中于一體，便于調(diào)試及修改，設(shè)備的各個(gè)控制相對(duì)對(duì)立。
由高速數(shù)據(jù)網(wǎng)、DPU以及連接在網(wǎng)上的人機(jī)接口站組成，采用開(kāi)放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了冗余TCP/IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)在不同類型的站。
其中，汽輪機(jī)系統(tǒng)的功能模件組成了一個(gè)過(guò)程控制單元，，包括汽機(jī)基本控制、超速保護(hù)和汽機(jī)自啟停3個(gè)功能，并分別由3個(gè)冗余的功能控制器和相應(yīng)的功能子模件完成。
其硬件配置圖如下：
圖一 汽輪機(jī)硬件配置
機(jī)組的汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)操作員站是基于WindowsNT(2000)環(huán)境下的人機(jī)系統(tǒng)，具有界面友好、操作方便的特點(diǎn)。
共設(shè)置了包括總貌、趨勢(shì)、棒圖、操作面板、報(bào)警信息等11幅畫(huà)面，為運(yùn)行人員提供了方便的操作手段，通過(guò)監(jiān)控畫(huà)面實(shí)施檢測(cè)汽輪機(jī)的運(yùn)行。
2、控制功能
汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制功能由3對(duì)冗余的BRCl00控制器實(shí)現(xiàn)，主要控制汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率，通過(guò)GV、TV、RSV和 IV實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還具備防止汽機(jī)超速的保護(hù)邏輯。
主要功能包括超速保護(hù)、基本控制和自啟停，3部分之間既相互獨(dú)立，又通過(guò)對(duì)總線的控制交換控制信息。
2.1 超速保護(hù)
這部分的作用主要是超保護(hù)邏輯、DEH跳閘邏輯及超速試驗(yàn)選擇邏輯、提供有開(kāi)關(guān)狀態(tài)及汽機(jī)自動(dòng)停機(jī)掛閘狀態(tài)三選二、轉(zhuǎn)速三選二，控制著OPC電磁閥，，并匯總DEH跳閘信號(hào)通過(guò)接線將其送到ETS[2]。
能夠有效防止汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速飛快上升，維持轉(zhuǎn)速在3000r/min。
超速實(shí)驗(yàn)必須在大于2950 r/min的定速3000 r/min、油開(kāi)關(guān)未合閘的情況下進(jìn)行。
2.2 基本控制部分
基本控制部分是汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)的核心，它提供與轉(zhuǎn)速及復(fù)合相關(guān)的控制邏輯、調(diào)節(jié)回路，
通過(guò)一對(duì)冗余的BRC100實(shí)現(xiàn)所有伺服閥接口和閉環(huán)控制的PID調(diào)節(jié)器。
此外，還包括自動(dòng)控制的其他功能，如限制設(shè)定、閥門(mén)管理、閥門(mén)設(shè)定、閥門(mén)試驗(yàn)、閥門(mén)切換、設(shè)定值/變化率發(fā)生器等。
2.2.1 轉(zhuǎn)速控制
該電廠使用的汽輪機(jī)包括高壓缸啟動(dòng)和高中壓缸啟動(dòng)兩種啟動(dòng)方式。
由TV控制沖轉(zhuǎn)高壓缸啟動(dòng)，當(dāng)汽機(jī)掛閘后，閥門(mén)未處于校驗(yàn)狀態(tài)，運(yùn)行人員可以發(fā)出用戶RUN命令，這時(shí)TV保持關(guān)閉，GV、IV全開(kāi)。
這個(gè)命令相當(dāng)于開(kāi)機(jī)指令，它的發(fā)出意味著沖轉(zhuǎn)開(kāi)始，汽機(jī)運(yùn)行期間始終保持RUN命令，當(dāng)汽機(jī)重新跳閘才能將其清除掉。
根據(jù)DEH的畫(huà)面，運(yùn)行人員可以設(shè)定升速率和目標(biāo)轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速給定等于目標(biāo)值時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)進(jìn)入HOLD狀態(tài)，等待運(yùn)行人員重新發(fā)出新的目標(biāo)值。
在汽輪機(jī)升速的過(guò)程中，除了臨界區(qū)外，運(yùn)行人員可以隨時(shí)發(fā)出HOLD命令，這個(gè)時(shí)候，轉(zhuǎn)速給定與實(shí)際轉(zhuǎn)速相等，汽機(jī)會(huì)停止繼續(xù)升速，持當(dāng)前轉(zhuǎn)速[3]。
為保證汽機(jī)安全通過(guò)臨界區(qū)，轉(zhuǎn)速在920~2000 r/min、2120~2820 r/min時(shí)，進(jìn)入臨界區(qū)，自動(dòng)設(shè)置升速率為500 r/min。
工程師站可在線修改轉(zhuǎn)速的臨界區(qū)范圍。
2.2.2 負(fù)荷控制
包括開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種負(fù)荷控制的方式。
開(kāi)環(huán)方式需要運(yùn)行人員隨時(shí)注意實(shí)際負(fù)荷的變化，當(dāng)前前蒸汽參數(shù)和V閥門(mén)流量曲線決定了目標(biāo)負(fù)荷和實(shí)際負(fù)荷的近似程度;
閉環(huán)是指控制過(guò)程中引入發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)壓力反饋或有功功率反饋，這時(shí)的汽機(jī)GV受調(diào)解級(jí)壓力PID或負(fù)荷PID的控制調(diào)節(jié)。
剛投入發(fā)電功率閉環(huán)，為保證功率閉環(huán)投時(shí)無(wú)其他顧慮，應(yīng)采用負(fù)荷給定和目標(biāo)負(fù)荷跟蹤當(dāng)前實(shí)際負(fù)荷，可根據(jù)需要設(shè)定升負(fù)荷率和符合目標(biāo)值。
待鍋爐自 動(dòng)燃燒后，汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)可轉(zhuǎn)入鍋爐自動(dòng)方式。
負(fù)荷控制的主要功能包括主蒸汽壓力限制或保護(hù)、負(fù)荷限制、閥位限制、頻率校正、單閥/順序閥切換、閥門(mén)試驗(yàn)和閥門(mén)校驗(yàn)等功能。
主蒸汽的壓力限制功能指當(dāng)機(jī)前壓力降低至保護(hù)限值以下時(shí)，GV將以0.1%/s的速率關(guān)閉，直到機(jī)前壓力恢復(fù)到限值之上0.07MPa;
氣壓保護(hù)功能主要用于在單元制機(jī)組的鍋爐異常運(yùn)行時(shí)，用以恢復(fù)穩(wěn)定燃燒，有助于防止鍋爐發(fā)生滅火事故[4]。
負(fù)荷限制包括高負(fù)荷限制和低負(fù)荷限制兩種;閥位的限制功能允許機(jī)組運(yùn)行人員設(shè)定平均閥位的最大值，當(dāng)平均閥位的最大值超過(guò)這個(gè)限制會(huì)報(bào)警。
2.2.3 自動(dòng)帶初負(fù)荷
當(dāng)時(shí)主蒸汽的壓力決定了初負(fù)荷的實(shí)際大小，因此應(yīng)引入主蒸汽壓力進(jìn)行修正，主蒸汽壓力低時(shí)閥門(mén)開(kāi)度較大，高時(shí)閥門(mén)開(kāi)度小，可由工程師站在線修改。
2.3 自啟停功能
這部分以轉(zhuǎn)子的應(yīng)力計(jì)算為基礎(chǔ)，具有監(jiān)視和控制兩種功能，由一對(duì)冗余的BRC100完成。
控制并監(jiān)視汽輪機(jī)運(yùn)行的全過(guò)程，包括盤(pán)車、升速、帶負(fù)荷、并網(wǎng)等。
升速過(guò)程中，汽輪機(jī)自啟停根據(jù)轉(zhuǎn)子的應(yīng)力結(jié)算結(jié)果確定機(jī)組的狀態(tài)，并給出推薦的升速率和目標(biāo)轉(zhuǎn)速;監(jiān)視方式局限于報(bào)警或相關(guān)提示。
轉(zhuǎn)子應(yīng)力關(guān)系著汽輪機(jī)的使用壽命，300MW汽輪機(jī)的推薦使用壽命統(tǒng)稱為10000次循環(huán)曲線。
汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了HEAVY、MEDIUM和NORMAL循環(huán)對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力，分別為3000次、5000次、10000次，使其具有不同的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷變化率。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果和選擇的許用應(yīng)力，系統(tǒng)ATC程序還可計(jì)算出月轉(zhuǎn)子壽命消耗值、年轉(zhuǎn)子壽命消耗值及轉(zhuǎn)子壽命總消耗值。
3、小結(jié)
該電廠的300MW機(jī)組汽輪機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來(lái)，控制邏輯設(shè)計(jì)滿足了工藝流程的要求，硬件動(dòng)作可靠，
具有良好的組態(tài)性能和正常的系統(tǒng)通訊功能，滿足了300MW機(jī)組汽輪機(jī)的控制要求。
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