电力系统元件及参数（精选8篇）
污水回用系统中膜元件污染分析及处理
双膜法越来越多的运用于污水回用的工程中,运行中由于各种原因造成膜元件的污堵,使其性能衰减,降低使用寿命.找到了问题关键所在,针对不同的`工况条件及污染形式,采取正确的措施,使系统安全平稳地顺利运行.
作 者：陈爱民 聂明 CHEN Aimin NIE Ming 作者单位：天津化工研究设计院,天津,300131 刊 名：清洗世界 英文刊名：CLEANING WORLD 年，卷(期)： 26(2) 分类号：X703 关键词：双膜法 微滤 超滤 反渗透 污染悬架是现代汽车上重要的总成之一,它把车架(或车身)与车轴(或车轮)弹性连接起来。其主要任务是传递作用在车轮与车架之间的一切力和力矩,并且缓和由不平路面传给车身(或车身)的冲击载荷,衰减由此引起的承载系统的振动,以保证汽车平顺的行驶。
悬架由弹性元件、减振器和导向机构组成。弹性元件包括钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、气体弹簧、橡胶弹簧等。其作用是:避免道路冲击力直接传到车架、车身,并缓和冲击力。
通过合理设计悬架的弹性特性及阻尼特性确保汽车具有良好的行驶平顺性,即具有较低的振动频率、较小的振动加速度值和合适的减振性能,并能避免在悬架的压缩或伸张行程极限点发生硬冲击。
在悬架系统的设计中,弹性元件的设计是至关重要的一个环节,同时又是繁琐复杂的工作,为此,基于Visual Basic平台,根据自身的设计经验,研发了几种弹性元件的参数程序设计,将设计过程中的参数、公式文字化,利用软件自身的计算、选择功能将繁琐的计算公式简单化。
2 钢板弹簧的参数程序化设计
2.1 悬架动挠度和静挠度的选择
车身的振动频率(亦称偏频)为:
式中:C——悬架刚度,
m——簧载质量。
悬架的静挠度与簧载质量和悬架刚度的关系为:fc=mg/C,
代入上式(取g=981cm/s2代入)可得:
为了防止在不平路面上行使时经常冲击缓冲块,悬架还必须具备足够的动挠度fd。
2.2 钢板弹簧主要参数和尺寸的确定
(1)满载弧高fa
满载弧高fa是指钢板弹簧装到车轴(桥)上,汽车满载时钢板弹簧主片上表面与两端(不包括卷耳半径)连线间的最大高度差。
fa用来保证汽车具有给定的高度。
当fa=0时,钢板弹簧在对称位置上工作,为了在车架高度已限定时能得到足够的支挠度值,常取fa=10~20mm。
(2)钢板弹簧长度L的确定
钢板弹簧长度L是指弹簧伸直后两卷耳中心之间的距离。
在总布置可能的条件下,应尽可能将钢板弹簧取长些。
推荐在下列范围内选用钢板弹簧的长度:
轿车:L=(0.40~0.55)轴距;
货车:前悬架:L=(0.26~0.35)轴距;
后悬架:L=(0.35~0.45)轴距。
注:应尽可能将钢板弹簧取长些的原因如下:
(1)增加钢板弹簧长度L能显著降低弹簧应力,提高使用寿命;
(2)降低弹簧刚度,改善汽车平顺性;
(3)在垂直刚度c给定的条件下,又能明显增加钢板弹簧的纵向角刚度。
(3)钢板断面尺寸及片数的确定
1)钢板断面宽度b的确定
有关钢板弹簧的刚度、强度等,可按等截面简支梁的计算公式计算,但需引入挠度增大系数δ加以修正。因此,可根据修正后的简支梁公式计算钢板弹簧所需要的总惯性矩J0。对于对称钢板弹簧:
式中:s为U形螺栓中心距(mm);k为考虑U形螺栓夹紧弹簧后的无效长度系数(如刚性夹紧,取k=0.5,挠性夹紧,取k=0);c为钢板弹簧垂直刚度(N/mm),c=FW/fC;δ为挠度增大系数(先确定与主片等长的重叠片数n1,再估计一个总片数n0,求得η=n1/m0,然后用δ=1.5/[1.04(1+0.5η)]初定δ);E为材料的弹性模量。
钢板弹簧总截面系数W0用下式计算:
式中,[σW]为许用弯曲应力。
对于55SiMnVB或60Si2Mn等材料,表面经喷丸处理后,推荐[σW]在下列范围内选取;前弹簧和平衡悬架弹簧为350~450N/mm2;后副簧为220~250N/mm2。
钢板弹簧平均厚度hp:
有了hp以后,再选钢板弹簧的片宽b。
片宽b对汽车性能的影响如下:
增大片宽,能增加卷耳强度,但当车身受侧向力作用倾斜时,弹簧的扭曲应力增大。前悬架用宽的弹簧片,会影响转向轮的最大转角。片宽选取过窄,又得增加片数,从而增加片间的摩擦弹簧的总厚。
因此,推荐片宽与片厚的比值b/hp在6~10范围内选取。
2)钢板弹簧片厚h的选择
矩形断面等厚钢板弹簧的总惯性矩J0用下式计算:
J0=nbh3/12,n为钢板弹簧片数。
说明:改变片数n、片宽b和片厚h三者之一,都影响到总惯性矩J0的变化;总惯性矩J0的改变又会影响到钢板弹簧垂直刚度c的变化,也就是影响汽车的平顺性变化。其中,片厚h变化对钢板弹簧总惯性矩J0影响最大。
片厚h选择的要求:
增加片厚h,可以减少片数n;
钢板弹簧各片厚度可能有相同和不同两种情况,希望尽可能采用前者;
但因为主片工作条件恶劣,为了加强主片及卷耳,也常将主片加厚,其余各片厚度稍薄。此时,要求一副钢板弹簧的厚度不宜超过三组。
为使各片寿命接近,又要求最厚片与最薄片厚度之比应小于1.5。
钢板断面尺寸b和h应符合国产型材规格尺寸。
(4)钢板弹簧各片长度的确定(如图1)
将各片厚度hi的立方值hi3按同一比例尺沿纵坐标绘制在图上。
沿横坐标量出主片长度的一半L/2和U形螺栓中心距的一半s/2,得到A、B两点,连接A、B即得到三角形的钢板弹簧展开图。
AB线与各叶片上侧边的交点即为各片长度,如果存在与主片等长的重叠片,就从B点到最后一个重叠片的上侧边端点一直线,此直线与各片上侧边的交点即为各片长度。
各片实际长度尺寸需经圆整后确定。
(5)钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算,如图2所示。
1)钢板弹簧总成在自由状态下的弧高H0
钢板弹簧各片装配后,在预压缩和U形螺栓夹紧前,其主片上表面与两端(不包括卷耳孔半径)连线间的最大高度差(如上图),称为钢板弹簧总成在自由状态下的弧高H0,用下式计算:
式中:fc为静挠度;fa为满载弧高;△f为钢板弹簧总成用U形螺栓夹紧后引起的弧高变化。
s为U形螺栓中心距;L为钢板弹簧主片长度。
2)钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径
(3)钢板弹簧参数程序界面
软件的界面如图3所示。
3 油气弹簧的参数程序化设计
油气弹簧是以油液传递压力、用惰性气体(通常为氮气)作为弹性介质,悬架油缸内部的节流孔、单向阀等作为减振器元件的弹性元件。单气室油气弹簧的结构如图4。
3.1 油气弹簧主要参数的确定
(1)气室缸与油液缸直径的确定
计算公式为。
d——活塞杆的直径;
F——满载时油气弹簧承受的载荷;
p——满载时允许的压力,一般取p=6.5MPa。
按液压缸标准选取杆径d后,再按相关标准确定缸筒直径D。
1)气室缸面积Sq
2)油液缸有效承载面积Sy
3)油气弹簧有效承载面积Sy与气室缸面积Sq比值
4)初始压力(满载静平衡位置时绝对压力)P0
3.2 根据振动频率确定充气高度
计算公式为:
式中:
m—绝热系数,取m=1.2;
g—重力加速度,取g=9810mm/s2;
a—油气弹簧安装轴线与铅垂线夹角,°。
3.3 特性计算
(1)刚度特性计算
1)静态刚度
2)动态刚度
(2)阻尼特性
1)阻尼系数与阻尼力的计算
(1)相对阻尼系数φ的确定
相对阻尼系数可在0.2~0.5之间选取,油气弹簧的φ值取为0.3。
取压缩相对阻尼系数φe=0.5φ=0.5×0.3=0.15,
取伸张相对阻尼系数φs=φe/0.3=0.5。
(2)伸张阻力系数Cs
式中:
Fm—满载状态单个油气弹簧的承载力;
i—油气弹簧的安装杠杆比;
ω0—油气弹簧的自由振动圆频率,
(3)压缩阻力系数Ce
(4)最大伸张阻尼力Qs
式中:
V—油气弹簧的运动速度,m/s;
A—车身振幅,一般取A=±0.04m。
(5)最大压缩阻尼力Qe
(4)油气弹簧参数程序界面
软件的界面如图5所示。
4 螺旋弹簧
圆柱螺旋压缩弹簧应用最为广泛。压缩弹簧为等节距时其特性线是线性的,不等节距时,其特性线是非线性的,这里只讲述等节距螺旋压缩弹簧的设计。
4.1 螺旋弹簧主要参数的确定
(1)根据平顺性要求(振动频率ν)确定弹簧的静挠度
由公式:
求出弹簧刚度Cs。
(2)根据强度公式,初选弹簧中径D、钢丝直径d。
k′——曲度指数,
C——旋绕比,C=D/d。
旋绕比C值的荐用值如表1所示。
[τ]c——弹簧钢丝许用切应力。
(3)根据公式,求出工作圈数n,按标准选取,如表2所示。
G——弹簧材料的剪切弹性模量;取78.5×103MPa。
弹簧总圈数n1=n+nz,其中nz为支承圈数。
(4)设计载荷弹簧自由高度H0
根据安装空间初选弹簧工作高度H1,
根据公式H0=H1+fc求得H0。
(5)弹簧节距t
选取标准如表4所示。
4.2 螺旋弹簧参数程序界面
软件的界面如图6所示。
5 结论
本文介绍了几种常用弹性元件的软件设计,在实际设计工作中,设计人员可利用该软件进行相关的设计,脱离了平时繁锁的计算程序,使计算简单可靠,效率大大提高,基于该软件后续可拓展少片钢板弹簧、双气室油气弹簧、变刚度螺旋弹簧的软件开发。
参考文献
[1]刘惟信.汽车设计[M].北京:清华大学出版社,2001.
[2]陈家瑞.汽车构造[M].北京:人民交通出版社,1999.
[3]刘辉航.弹簧手册[M].北京:机械工业出版社,1997.
一、电力电缆的概述
1.海底电力电缆 海底电力电缆是相对于海域中的岛屿设定建立，解决岛屿与岛屿、岛屿与大陆或跨海大陆之间电信传输的技术问题，同时也为海底石油、天然气开采的供电。海底电缆主要敷设在海底或河流水下，其主要用于水下的大功率输出电能。我国第一条海底电缆是在1988年竣工，目前我国海底电力电缆具有很大发展空间。
2.地下电力电缆 地下电力电缆被城市规划建设广泛应用，其主要应用于城市地下电网、发电站的引出线路和煤矿开采的大功率电能输出和分配等方面。电力电缆主要由负责输送电能的线芯、起绝缘作用的内、外绝缘层、导体和绝缘屏蔽层和防止外界杂质和水分侵入防水保护层四部分结构组成。其具有占地少、传输稳定性高、超高压、大容量、安全等优势，深受大型城市建设的欢迎。
3.电力电缆的分类极其应用 电力电缆主要根据电压等级和绝缘材料进行分类。根据电压等级的不同可将电力电缆分为中、低压电力电缆（35kv及其以下），高压电缆（110kv以上），超高压电缆（275～800kv以内）和特高压电缆（1000kv以上）。
根据绝缘材料的不同可分为油浸纸绝缘电力电缆，早期该绝缘被广泛使用，其具有使用寿命长，安全性能高，价格低廉的优势，但是其敷设受到落差的限制，使其在很多领域中不能被广泛使用；塑料绝缘电力电缆，用挤压塑料达到绝缘的效果，常用聚氯乙烯、聚乙烯和交联聚乙烯的挤压塑料。该电缆具有结构简单、可塑性高、重量轻、敷设安装便捷，不收敷设落差限制，在低压电缆中被广泛应用，但是其存在树脂化击穿现象，因此在高压电缆中禁用；橡皮绝缘电力电缆，其利用橡胶混合物的绝缘效果使其导电与周围环境起到绝缘，常用的绝缘塑料有丁苯胶混合物、乙丙胶和丁基胶等。该电缆具有柔软、弹性好，适合多次移动、符合弯曲半径小的环境；除了上述分类外还可以按照电流将其分为交流电缆和直流电缆。
二、电力电缆电气的主要参数及其电气特性
电力电缆的参数分为一次参数和二次参数，一次参数包括电缆线芯的有效电阻、电感、电容、绝缘电阻等，其决定于电缆的结构、材料和传输信号的频率；二次参数包括相移常数、衰减常数、波阻抗等，起决定于电缆回路的传输特性。
1.电缆线芯的有效电阻 电缆线芯的参数包括有效电阻、电感和电容。线芯的电阻是由线芯的材料、线芯的工作温度、长度、横截面积等数据有关，其值与导线长度成正比，与横截面积成反比，其阻值还会受到工作环境和温度的影响，例如周围环境得到温度直接影响电缆的电阻值。一般利用电阻表测其电阻，但是由于电流表采用的是直流测量的原理，其测得的阻值并不是实际的有效值，需要对其数值进行计算得出其有效值，计算公式为：
R有效值=R测量值（1+ya+yb）
（R有效值：线芯的有效电阻；R测量值：电流表的测量值；ya：趋肤效应因数；yb：临近效应因数）
2.电感
电感是指电力电缆的传输过程中的电流发生变化而产生的阻碍电流变化的能力，符合电磁感应原理。电感参数的大小与组合电缆设计的电缆的长度和电缆间隙距离。该参数的测量较为复杂，其数值受到周围环境的影响，例如铁磁材料，其数值十分不稳定。其数值的确定主要靠电感表测量，一般选取一段电缆进行测量，从而估算整个电缆的电感值。（为了降低受到环境的影响，测量时尽可能与其工作状态的位置和放置方式相同进行测量）
3.电容
电容是电力电缆中一个非常重要的一个参数，其决定电缆线路中电容电流的大小，在超高压电路中电容电流甚至可以达到与额定电流相接近的电流大小。例如一条YJLV22-10kv-3*95mm2的电缆敷设长度为27.8km，其电容电流的计算公式为：
IC=[（95+1.44S）/（2200+0.23S）]Un*L
（IC：电容电流，A；Un：线路的额定电压，KV；L：电缆线路长度，km；S：电缆横截面积，mm2）
4.相移常数
电缆行波中的电磁波沿电缆的单位长度均匀线路传输时的相移值，其数值对相敏电子系统的重要指标，一般用β表示。
5.衰减常数
衰减常数是信号在电缆传输过程中的耗损程度。电缆在使用过程中的主要损耗是电缆本身电阻的热损耗，不同材料、横截面积、温度的损耗程度不同，例如常规的电缆损耗为5-8%，尽可能的减少损耗，从而提升传输效率。一般按照以下公式计算：
R=ρ*L/S
（R：电阻，Ω；ρ：电阻率，Ω·m；L：长度，m2；S：横截面积，m）
由上述计算公式可知，其导线长度一定的条件下，电阻率越大，横截面积就越大。
6.特性阻抗
电缆线路中电压波在运动过程中对电容不断充电，并产生电流波，相对应的电压与电流波之间的关系用波阻抗（Z0）来表示。波阻抗与介质材料、介电系数、导磁系数、电缆的横截面积和芯线与外皮之间的距离有关。阻抗与电阻是两个物理概念，电阻是指在直流电路中随电流的阻碍作用，而在交流电路中除了电阻，还有电感和电容对电流产生阻碍作用的电抗，这里所说的阻抗是指电阻与电抗共同的阻碍电流的能力。电缆中阻抗表示电缆中个点的行波信号的电压与电流值比，其中电压与电流波之间的关系可用以下关系式表示：
正向电压：U+/i+=Z0
反向电压：U-/i-=-Z0
电缆回路中当特性阻抗与负载阻抗相等时，终端反射现象消失，电缆可以向负载输出最强的信号。电缆回路中的阻抗不在于其值的大小，而是根据线路的具体的参数与使用方式决定。例如同轴电缆阻抗是不平衡阻抗，其在电缆回路中导体走的是正讯号，编织层走的是负信号，其同心度、发泡度和导体表面的平整度都影响电缆的阻抗，而阻抗值与电缆损耗有直接关系。
结束语
综上所述，电力电缆电气的参数与其结构和特性息息相关，通过计算、测量等方法得出一次参数与二次参数，根据参数将其应用在恰当的场合，同时也是维修的主要依据之一，从而延长电缆的使用寿命和提高其使用效率和安全性能。
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时间：2010-01-27 避雷器元件工作原理及设计原理
电涌保护器(Surge Protection Devices,简称SPD),也称浪涌保护器、过电压保护器,俗称避雷器、防雷器。
针对现在市场上出现了各种各样的防雷器,质量参差不齐,有一些甚至闻所未问(如:不用接地的避雷器,到现在为止,都弄不明白它的工作原理),因此,通过介绍避雷器的工作原理及组成,对客户甄别真假、优劣,有所帮助。
防雷器元件从响应特性看,有软硬两种。属于硬响应特性的放电元件有火花间隙(基于斩弧技术的角型火花隙和同轴放电火花隙)和气体放电管,属于软响应特性的放电元件有金属氧化物压敏电阻和瞬态抑制二极管。这些元件的区别在于放电能力、响应特性和残压,避雷器就是利用它们不同的优缺点,扬长避短,组合成各种避雷器,保护电路。推荐迪舰防雷器品质有保障安全系数高
一、火花间隙(Arc chopping)
1、放电间隙:原理是两个如牛角现状的电极,距离很短,用绝缘材料分开,当两个电极间的电场强度达到击穿强度时,电极之间形成电流通路。当雷电波来到的时候首先在间隙处击穿,使间隙的空气电离,形成短路,雷电流通过间隙流入大地,而此时间隙两端的电压很低,从而达到保护线路的目的。电场强度低于击穿间隙时,放电间隙型避雷器又恢复绝缘状态。常用于高压线路的避雷防护中。在低压系统,常用于电源的前级保护。
火花间隙型避雷器产品的优劣,在于制成电极的材料、间隙距离及绝缘材料。
优点:具有很强放电能力、通流量大,10/350μs脉冲波形能够疏导50KA的脉冲电流,用于8/20μs脉冲电流,可以大于100KA,很高的绝缘电阻以及很小的寄生电容,漏电流小。对正常工作的设备不会带来任何有害影响。缺点:残压高(2.5~3.5KV),反应时间长(≦100ns),动作电压精度较低,有工频续流,因此在保护电路中应串联一个熔断器,使得工频续流迅速被切断。
注:由于两只放电管分别装在一个回路的两根导线上,有时会不同时放电,使两导线之间出现电位差,为了使两根导线上的放电管能接近统一时间放电,减少两线之间的电位差,又研制了三级放电管。可以看作是由两只二级放电管合并在一起构成的。三级放电管中间的一级作为公共地线,另两级分别接在回路的两条导线上。
2、气体放电管(Gas discharge tube,GDT):是一种陶瓷或玻璃封装,管内再充以一定压力的惰性气体(如氩气),开关型的保护元件,有二电极和三电极两种结构。当电场强度达到击穿惰性气体强度时,就引起间隙放电,从而限制极间的电压。8/20μs脉冲电流能够疏导10KA。放电电压不稳定,当电压大于12V、电流电压100mA时,会产生后续电流。通常用于测量、控制、调节技术电路和电子数据处理传输电路中。
二、金属氧化物压敏电阻(Metal oxide varistor,MOV): 以氧化锌为主要成分的金属氧化物半导体非线性电阻,当加在电阻两端的电压小于压敏电压时,压敏电阻呈高阻状态,如果并联在电路上,该阀片呈断路状态;当加在压敏电阻两端的电压大于压敏电压时,压敏电阻就会击穿,呈现低阻值,甚至接近短路状态。压敏电阻这种被击穿状态是可以恢复的,当高于压敏电压的电压被撤销以后,它又恢复高阻状态。当电力线被雷击时,雷电波的高电压使压敏电阻击穿,雷电流通过压敏电阻流入大地,使电力线上的类电压被钳制在安全范围内。
氧化锌压敏电阻避雷器,现在市场上流通很多,我国在20世纪80年代末才大批生产,被认为目前最新型、技术最先进,会做专题详细介绍。现在我国的输电线路的避雷器,都采用氧化锌避雷器。
优点:开关电压范围宽:6V~1.5KV,反应速度快(25ns),残压低(可以达到终端设备的安全工作电压),通流量大(2KA/cm2),无续流,寿命长。缺点:容易老化,动作几次后,漏电流会增大,从而导致压敏电阻过热,最终导致老化失效。
电容较大,许多情况下不在高频、超高频系统中使用。该电容又与导线电容构成一个低通。该低通会造成信号的严重衰减。但在频率低于30KHZ时,这种衰减可以忽略。
三、瞬态抑制式二极管(Transient voltage suppressor,TVS):
1、二极放电管:有两种形式:一是齐纳型(为单向雪崩击穿),二是双向的硅压敏电阻。性能类似开关二极管等。在规定的反向电压作用下,两端电压大于门限电压时,其工作阻抗能立即降至很低的水平以允许大电流通过,并将两端电压钳制在很低的水平,从而有效地保护末端电子产品中的精密元件避免损坏。双向TVS可在正反两个方向吸收瞬时大脉动功率,并把电压钳制在预定水平。适用于交流电路。
优点:动作时间极快,达到皮秒级。限制电压低,击穿电压低,应用于各种电子领域。
缺点:电流负荷量小,电容相当高,一般在20pF以下,现在的陶瓷放电管能够做到3~5pF。
电子信息系统所需的浪涌保护系统一般采用两级或三级组成。采用气体放电管、压敏电阻和抑制二极管,并利用各种浪涌抑制器的特点,实现可靠保护。气体放电管一般放在线路输入端作为一级浪涌保护器件,承受大的浪涌电流,属于泄流型器件。二级保护器件采用压敏电阻,可在极短时间内(ns)将浪涌电压限制在较低的水平。对于高度灵敏的电子电路,可采用抑制二极管作为三级保护。在更短的时间内将浪涌电压限制在末端电子设备的绝缘水平以内。如图,当雷电等浪涌到来时,抑制二极管首先导通,把瞬间过电压精确地控制在一定的水平,如果浪涌电流较大,则压敏电阻启动并泄放一定的浪涌电流,这时压敏电阻两端的电压会有所升高,直至推动前级气体放电管放电,把大电流泄放到地。当三种器件在线路中的距离较远时,导通顺序会从气体放电管开始,依次导通。避雷器的工作,是从反应时间最快、设备的最末端开始的,然后逐级往前端启动的。推荐迪舰防雷器品质有保障安全系数高
中,单纯用气体放电管保护后端的设备会出现下列问题:导通时间过长,残压过大,有可能超过后端设备的耐压水平。放电后,会产生工频续流。为避免上述问题,采用另外一种电路(图三)。为了解决产生工频续流的问题,同时也避免压敏电阻因漏电流过大而发热自爆或老化,我们在气体放电管上串联一个压敏电阻,这样就可避免产生工频续流,又可以防止压敏电阻因漏电流而自爆、老化。但新的问题又产生了,这样避雷器的动作时间为气体放电管的导通时间和压敏电阻导通时间的总和。假设气体放电管的导通时间为100ns,压敏电阻的导通时间为25ns,则它们总的反应时间为125ns。为了减小反应时间,在电路中并入一个压敏电阻,这样可使总的反应时间为25ns。:当过电压出现时,抑制二极管作为动作最快的元件首先动作,线路设计为,在抑制二极管可能毁坏之前,放电电流即随着幅值的上升转换到前置的放电路径上,即充气式放电路上。
Us+△u≥Ug
Us:抑制二极管上的电压
△u:去耦感应线圈上的电压
Ug:气体放电管的动作电压
如果放电电流小于该值,则充气放电管不动作。采用这种线路不仅可以在低保护水平的条件下利用放电器动作迅速的优点,同时还可以达到很高的放电电容。这样就可以消除抑制二极管过载一级熔断器在出现电源续流时频繁切断电路的缺点。
频率较高的线路也可以采用欧姆式电阻作为去耦元件,与低电容桥接线路共同使用。
2、三极放电管:在两根的导线上,安装两个二极放电管,会出现电位差,因此就有三极放电管,多了一极做公共接地,可以减少时间差(0.15~0.2μs),及由此产生的横向雷电压幅值。市场上普通电源避雷器器件一般采用压敏电阻,用于一级、二级和三级电源。这种组合方式在距离大于5米时,导通时间从第一级开始逐级向后导通。
若第一级采用气体放电管,二级和三级采用压敏电阻,则必须满足第一级与第二级满足大于十米的距离,第二级与第三级满足大于5米的距离,这样才能保证前一级先动作。否则可能导致第一级不动作的现象,而二级和三级避雷器又没有那么大的通流量,导致避雷器无法切实保护设备。这点在工程设计中一定要引起注意。
利用MATLAB搭建了小电流接地系统模型。线路采用分布参数模型，其正序参数为：
R00.23R10.17/km，L11.2mH/km，C19.697nF/km；零序参数：/Y/km，L05.48mH/km，C06nF/km；变压器连接方式为：，110KV/35KV；其中线路1所带负载为2MVA，线路3所带负载为5MVA。供电线路总长度为100km，若故障发生在线路的50km处，且在0.02s发生故障，0.04s恢复正常运行（在故障发生器中已设置），由于单相接地故障占到整个系统故障类型的80%以上，所以，仿真以A相接地故障为例进行。仿真模型中系统采样频率f1000KHZ，整个仿真时间为0.06s。
实验内容：分别做出当过渡电阻为5、50、500时，线路UA、UB、UC以及IA、IB、IC的波形，并分析与所学单相接地故障时的边界条件是否符合。
注意：
1.实验报告纸上的实验器材、实验步骤、结果分析等内容都要填写完整，除实验结果（波形）应另附外，其他都在实验报告纸上完成。
2.实验步骤描述模型的搭建过程，以及各个参数数值的大小和设置过
程。
3.4.结果分析要详细且有说服力。该模型时在MATLAB7.6（MATLABR2008a）中建立的模型，其它低版本的可能打不开，建议同学们采用高版本软件运行模型。
实验二：电力系统潮流分析
采用实验一的模型，进行实验二，做出：
1.车辆结构组成：
★1.车辆采取独立电机驱动形式，可灵活配置成可设定前驱、后驱、四驱、独立四驱等各种控制模式；
★2.车辆配置主动转向系统，转向电机的扭矩、转角的精确控制，方便实现主动转向控制和智能车相关控制实验；
★3.系统包含差分GPS、惯性导航设备、激光雷达、毫米波雷达、摄像头等硬件设备。4.感知系统与底层控制系统能够在硬件上方便连接，软件上兼容，可实现数据自由交互及扩展程序的开放接口；
5.配备适合放置快速控制原型和GPS、雷达等传感器的安装支架； 6.配备急停开关，电机可回馈制动并配独立的液压制动确保实验安全； 7.配备电脑测试用支架，方便实验员实时观察数据； 8.加装5V直流，12V直流，220V交流电源接口；
9.动力电池采用全新原装电芯，容量120Ah以上，满足至少100Km的续航里程，带BMS系统及车载充电机。
2.性能指标：
★1.单个电机额定功率至少10kW（整车额定功率40kw），峰值功率单轮至少15kW（整车峰值功率最少60kw）；
★2.能够实时提供车辆位置信息、道路信息以及障碍物等信息。
★3.能够实现车辆自动定位、速度跟踪、以及轨迹跟踪、车道保持及自动避撞等功能。4.差分GPS及惯性导航系统：定位精度达到亚米级，定向精度不小于0.5度，采样更新频率不小于20Hz，航向精度不小于1°，分辨率不小于0.01°，测量范围为俯仰 ± 90°,输出频率50Hz ；
5.采用velodyne公司 VLP-16或与其同类的激光雷达：测量距离100m，测量角度270°，角度分辨率0.25°(360°/1,440 steps，扫描时间25msec/scan；
6.毫米波雷达：测量距离不小于80m，更新率50msec，距离精度不小于0.5m；
7.前向双目摄像头：探测距离100m，识别距离50m，辨认距离30m，垂直运行监视范围广，视角度±80°，图像尺寸: 1920×1080，支持红外。8.四个车轮均安装主动式轮速传感器；
9.安装前轮转向角传感器，可实现精确测量前轮转角和转速； 10.悬架处安装线位移传感器，记录悬架行程； 11.带有防滚架，满足侧翻实验的安全需要；
3.功能要求： ★1.智能车运动控制、★2.操纵稳定性控制、3.直接横摆力矩控制、4.防侧翻控制、5.车辆参数估计、6.地面附着系数估计、7.车辆状态估计、8.速度控制、9.驱动防滑控制、10.前轮差动转向控制、11.前轮差动转向轨迹跟踪控制、12.过驱动车辆能量优化控制。
4.质量保证： 1.供货期90天之内； 2.保修期至少1年；
随着机械制造业的飞速发展, 对于管件的工艺要求越来越严格, 而管件焊接夹具是将管件正确定位并夹紧, 用于装配和焊接的工艺装备。管件焊接元件作为其基础件, 对这些元件进行参数化设计不仅可以提高零件的设计效率, 对后续的夹具装夹也起着非常重要的作用。
Solid Edge是EDS公司推出的普及型主流CAD软件包, 基于特征的参数化、变量化设计技术, 操作方便。此外, 还为用户提供了采用标准的Windows“对象链接与嵌入 (OLE) ”技术和“部件对象模式 (COM) ”技术的应用程序接口[1]。开发者和用户能够通过使用Active X Automation技术的开发工具, 例如Visual Basic (VB) 、Visual C++等, 对Solid Edge进行二次开发, 来适应用户的一些特殊需要, 减少重复性的建模制图工作, 提高工作效率。
1 Solid Edge参数化设计方法
要实现VB对Solid Edge的参数化设计可以利用两种方法。第一种方法是完全用程序语言描述零件的实体特征来建立零件的三维实体模型。先创建2D特征轮廓, 然后创建实体模型, 这种方法编程较复杂[2]。第二种方法是建立零件的三维实体模型, 根据零件的特征尺寸建立设计变量, 在VB程序中可以访问Solid Edge模型变量表, 通过数值、函数、子程序等方式建立变量之间的关系。
将变量表与程序开发相结合实现变量化设计是对Solid Edge进行二次开发的常用方法。它的参数化设计实现原理以三维参数化特征造型技术生成的三维模型为基础, 用设计变量作为参数化程序与三维模型联系的纽带。
2 管件焊接元件参数化设计原理
本文在焊接元件参数化设计中, 采用交互式方法获取管件、法兰等相关特征参数, 即采用鼠标事件获取特征的方法获取零件特征参数, 操作人员无需输入任何数据即可获得相关焊接元件的设计参数[3]。其具体步骤如下:
1) 焊接元件库的元件通过Solid Edge的交互界面来创建, 而不是由程序来创建。
2) 在创建好的三维模型的基础上, 根据部件的设计要求建立一组可以控制三维模型形状和大小的设计参数。并将这些参数存入后台数据库的数据表中。
3) 通过对参数的修改 (在用户交互界面上的修改) , 得到符合条件的实例模型。
在本文中, 焊接元件参数选择不是由用户自己输入的, 而是根据用户所选的零件 (如管件、法兰等) 特征参数所决定的。因此, 采用了鼠标事件获取特征的方法来获取零件的特征, 具体原理为:
1) 确定需要获取参数的零件特征。
2) 利用鼠标来拾取该特征上所需的特征类型, 并在后台计算, 给出该特征的参数。
3) 对后台给出的参数进行反馈及修改。
3 管件焊接元件参数化设计实现
3.1 Solid Edge鼠标事件获取零件特征参数
在Solid Edge中, 鼠标事件的响应是Mouse对象实现的———鼠标对象为VB用户提供了所需接口, 以便捕获Solid Edge鼠标事件中的用户输入。Solid Edge中的鼠标事件 (Mouse Event) 包括单击 (Mouse Click) 、双击 (Mouse Db Click) 、按下 (Mouse Down) 、抬起 (Mouse Up) 、拖拽 (Mouse Drag) 及移动 (Mouse Move) 。
本系统中鼠标事件获取参数的代码如下:
3.2 焊接元件参数化设计主要步骤
首先用Solid Edge的参数化特征造型技术建立一个能够反映同类零件所有特征的复合零件的三维模型, 通过变量表操作建立设计变量和变量之间的约束关系, 确定主控变量;再采用二次开发程序, 获得设计数据并进行设计计算;然后打开复合零件的三维模型, 获得变量表中的所有设计变量, 给各变量的值赋予设计计算结果, 便自动修改生成新的零件模型[3]。
本文以焊接元件中的V型块为例介绍其基于Solid Edge的参数化设计。
1) 建立V型块的参数化模型, 如图1所示。
2) 在变量表中添加变量。
如图2所示, 添加的变量都与模型中的尺寸变量建立了对应关系, 程序通过控制参数变量来驱动实体模型的尺寸。
3) 根据鼠标事件所获取的参数自动给出相应的模型参数。
在元件数据库中建立V型块的数据表, 其参数表结构如图3所示, 参数表数据如图4所示。
4) 参数驱动模型
在Solid Edge中, 可以通过变量集合对象 (Variables Object) 和变量对象 (Variable Object) 实现对自定义变量的创建、创建及尺寸变量的编辑[4]。从而可以实现模型建模的完全自动化。
可以看出, 在参数化焊接元件设计中 (程序结果如图5所示) , 利用鼠标事件获取零件特征参数的方法, 再加上先进的数据库访问技术, 使用户只需利用鼠标选取需要的零件 (如管件、法兰等) 特征即可自动获得与之相对应的焊接元件的参数, 从而大幅度地提高参数化设计元件的效率。
4 结论
管件焊接元件的三维模型利用参数化设计通过设计变量来控制模型的生成时, 图形的修改非常容易, 而且操作方便, 采用这种方法可以大大提高设计效率和零件的通用性, 并为后续管件夹具的自动装配奠定了一定的基础。
参考文献
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收稿日期： 20140121
基金项目： 教育部博士点基金(20133317110006);国家国际科技合作项目(2012DFR10510)
作者简介： 王俊杰(1988),男,硕士研究生,主要从事X射线荧光分析系统、X射线聚焦元件的研究。通讯作者： 乐孜纯(1965),女,教授,主要从事光电子器件和系统方面的研究。
摘要： 高性能X射线聚焦光学元件是实现亚微米分辨率微束X射线荧光分析系统(XRF)的关键器件。给出一种新型的微束XRF系统设计结构,介绍两种典型的X射线聚焦光学元件:X射线聚焦毛细管透镜和X射线组合折射透镜的结构与光学参数。数值计算比较了X射线聚焦毛细管透镜和X射线组合折射透镜的光学聚焦性能。分析结果体现了X射线聚焦组合透镜作为聚焦光学元件在焦斑大小、透过率、强度增益和检测范围等方面的优势。
关键词： X射线荧光分析系统; 聚焦毛细管透镜; 组合折射透镜
中图分类号： O 484文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.03.011
Study on the optical components for focusing Xray
in micro XRF system
WANG Junjie1, FU Minglei1,2, LE Zichun1，2
(1.College of Science, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China;
2.Institute of Optical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)
Abstract： High performance optical components for focusing Xray are the crucial part to realize the micro Xray fluorescence system with the submicrons spatial resolution. A novel structure of micro XRF is given and the optical parameters for both Xray focusing capillary lens and Xray compound refractive lens (CRL) are introduced. Main works of this paper focus on the numerical computing for the optical performance of capillary and CRL. Analysis results show that the Xray CRL has the advantages in terms of focal spot size, transmittance, etc, when compared with capillary.
Key words： Xray fluorescence system; focusing capillary lens; compound refractive lens
引言X射线荧光分析(Xray fluorescence,XRF)技术能在常压下对各种形态样品进行简单、快速、高分辨率和无损的元素定量测量分析,在材料、环境、考古等领域的科学研究和实际应用中都有着广泛和迫切的需求［1］。近年来全球学术界和工业界对XRF的分析测量性能(即微区分析能力、检测灵敏度、原位现场分析能力)提出了越来越高的要求,其中XRF的微区分析能力尤为重要。因此,目前微束X射线荧光分析技术成为研究热点［24］。高性能X射线聚焦光学元件是XRF获得高微区分辨率的关键器件。迄今为止见于报道的、用于XRF系统中X射线聚焦光学元件多为X射线毛细管器件。该器件的工作能量范围比较宽,可与大多数X射线辐射源适配,但其空间分辨率受到制作工艺的限制,一般在几十至上百微米［5］,无法满足微束XRF系统对X射线探测微束的要求。1996年,Snigirev等最早成功制作了X射线组合折射透镜,实现了对14 keV的X射线的聚焦并获得了8 μm的焦斑［6］。X射线组合折射透镜基于折射效应工作,具有不需折转光路,聚焦系统结构简单、尺寸小,以及抗辐射损伤能力强、寿命长等优点。本项目组在前期的实验研究中,将X射线组合折射透镜应用于基于同步辐射光源的探测系统中,获得了小于10 μm的空间分辨率［69］。因此,如果把X射线组合折射透镜应用于XRF系统,将有望大幅度提高目前XRF系统的微区分辨率,实现微束XRF的检测目标。图1X射线荧光分析系统
Fig.1The Xray fluorescence analysis system1微束X射线荧光分析系统设计结构典型的微束XRF系统由X射线管、样品台、X射线聚焦光学元件、X射线探测器等主要组件以及与组件适配的电源和软件组成。由X射线管产生的X射线照射被测样品,受激发的样品中的每种元素都会放射出具有特定的能量特性的X射线荧光。X射线探测器及软件测量X射线荧光的能量及数量,将所收集到的信息转换成样品中各种元素的种类及含量［10］。利用上述原理,可以实现对物质元素的定量测量。为了实现亚微米分辨率的XRF系统,需要引入高性能的X射线聚焦光学元件。图1是微束XRF系统设计结构。该系统中同步辐射源作为X射线源,从X射线管中发射,激发样品台上被测元素。被激发的X射线荧光经过X射线组合折射透镜聚焦到探测器上。不同待测元素的X射线荧光的特征峰不同,为此系统的组合折射透镜设计为可拆装,探测器与透镜的距离设计为可调整。组合折射透镜可根据所要探测的元素增减其透镜个数,选择不同的制作材料,达到控制不同的X射线荧光通过组合折射透镜后的焦距、焦斑大小和透过率。探测器与透镜的距离设为被测元素X射线荧光过组合折射透镜的焦距,这样可减少其它元素产生的荧光对检测的干扰。用置于X射线探测器前端的组合折射透镜聚焦被测样品受激发射的X射线,可提高系统的空间分辨率和灵敏度。现在微束XRF聚焦元件的研究热点为毛细管透镜,而该系统设计X射线组合折射透镜为其聚焦元件,这也是其最大的特色。光学仪器第36卷
第3期王俊杰，等：微束XRF系统中X射线聚焦光学元件研究
2典型的X射线聚焦光学元件
2.1X射线聚焦毛细管透镜X射线毛细管透镜是一种基于全反射原理的,可以传导、会聚、准直X射线的光学元件。常见的有平行束透镜、聚焦透镜、半聚焦透镜［11］等。图2所示为典型的聚焦毛细管透镜光学结构,其中f1、f2分别为入口端和出口端工作距,Din、Dout为入口端直径和出口端直径,L为透镜长度。X射线聚焦毛细管透镜的主要光学性能参数有:传输效率、有效距离、增益因子、焦斑大小等。
2.2X射线组合折射透镜X射线组合折射透镜是一种利用折射效应对X射线进行聚焦的光学元件。在X射线波段,材料的折射率为n=1-δ+iβ,实部1-δ代表折射,虚部β代表吸收。δ一般在10-5到10-7之间,β比δ要小2~3个数量级。图3所示为典型的抛物面形X射线组合折射透镜结构。它由N个完全相同的折射透镜组成,每个折射透镜都是面型为y2=2Rx的双凹抛物面透镜。抛物面顶点的曲率半径为R,折射单元上抛物面开口尺寸为Ro,抛物面深度为L/2,折射单元的中心厚度为d。
nlc202309040540
图2聚焦毛细管透镜光学结构
Fig.2The structure for the capillary of
focusing Xray lens图3抛物面型X射线组合折射透镜结构
Fig.3The structure of parabolic Xray
compound refractive lens
X射线组合折射透镜的主要光学性能参数同毛细管透镜相似,有焦斑大小、透过率、焦距、强度增益等。3X射线聚焦毛细管透镜与X射线组合折射透镜的聚焦性能比较
3.1典型X射线聚焦毛细管的聚焦性能首先,本文给出一种德国制造的光学性能良好的毛细管聚焦透镜(PFXRL),其主要结构参数和光学性能参数见表1和图4［11］。表1中L为长度,D1为输入面直径,D2为输出面直径,d1为在8.5 keV下输入焦点距离,d2、d3分别为在8 keV、15 keV下输出焦点距离,D3为输出端毛细管通道内径,G为8.5 keV下的强度增益。
表1PFXRL的结构参数和部分光学性能参数
Tab.1Structural parameters for PFXRL and its optical performance
L/mmD1/mmD2/mmd1/mmd2/mmd3/mmD3/μmG85.43.82.874.813.313.55.03 200
图4聚焦毛细管的焦斑大小与透过率
Fig.4The focal spot size and transmittance of PFXRL
3.2X射线组合折射透镜的聚焦性能本文设计了R=50 μm,Ro=70.71 μm,d=8 μm的组合透镜,其中Be材料透镜为70个,B材料透镜为50个,C材料透镜为49个,PMMA材料透镜为80个,Al材料透镜为40个,Al2O3材料透镜为27个,Si材料透镜为45个,Si3N4材料透镜为31个。上述设计是为了将透镜的最大焦距限制在1 m左右以限制其制作的荧光分析系统的尺寸。在同步辐射源下,上述八组X射线组合折射透镜的焦斑和透过率性能如图5所示。
3.3两者的聚焦性能比较(1)焦斑比较图4(a)所示,X射线聚焦毛细管透镜的最小焦斑为20 μm左右。如图5(a)所示,X射线组合折射透镜的焦斑大小可以达到1 μm以下。荧光分析系统的空间分辨率由聚焦元件的焦斑大小决定。因此,以X射线组合折射透镜为聚焦光学元件的XRF系统的空间分辨率要优于以聚焦毛细管透镜为聚焦光学元件的XRF系统。
图5组合折射透镜的焦斑大小和透过率
Fig.5The focal spot size and transmittance of Xray compound refractive lens
(2)透过率比较图5(b)所示,低原子序数的材料制作的X射线组合折射透镜中,Be材料在5 keV下,B材料在6 keV下,C材料在8 keV下的透过率已经超过10%。有机材料PMMA制作的组合折射透镜在8 keV下透过率也超过10%。当光子能量为30 keV时,上述透镜组的透过率都超过80%,而高原子序数的单质或者化合物在低能段时透过率低,透过率随着能量的升高而增加。比如,Al2O3材料在15 keV下,Si3N4材料在16 keV下,Al材料在17 keV下,Si材料在18 keV下,透过率也都超过10%。在30 keV下,上述四种材料设计的透镜组都超过了45%,而光子能量在5~10 keV下,X射线聚焦毛细管透镜的透过率最高,达到8%~12%。从理论上分析,在中高X射线能量段下,X射线组合折射透镜在透过率方面一般优于X射线聚焦毛细管透镜。(3)强度增益比较本文设计的X射线聚焦毛细管透镜在8.5 keV时,强度增益为3 200［11］，采用PMMA材料设计并制作了3组组合折射透镜［7］。第1组为84个透镜单元组成,R=200 μm,d=15 μm;第2组为101个单元,R=50 μm,d=15 μm;第3组为162个单元,R=50 μm,d=8 μm。在同步辐射源下,三组的强度增益分别为125 452,8 971,11 889,都远超过了毛细管透镜。(4)元素检测范围图4(a)、(b)所示,适合X射线聚焦毛细管的入射光子能量应在5~10 keV之间,其空间分辨率超过25 μm。然而,由于材料元素的特征峰原因,在分析许多高原子序数材料时存在困难［12］。例如,原子序数81的Ti最低的La2线也超过了10 keV,原子序数超过Ti的其他元素的特征峰更高。根据图5(a)、(b),在入射光子能量超过8 keV时,低原子序数材料和有机材料(如PMMA)已经可以用在荧光分析中。当入射光子能量超过20 keV后,其他常用的材料也可以有较好的透过率,而在8~30 keV范围的光子能量可以激发几乎所有元素。例如,低原子序数的K线L线都要低于30 keV,高原子序数的L线也没有超过30 keV的。因此,组合折射透镜在检测范围上的性能优于毛细管透镜。4结论本文介绍了微束XRF荧光分析系统、X射线聚焦毛细管透镜和抛物面型X射线组合折射透镜基本原理和光学结构。并通过数值计算的方法比较了毛细管透镜与X射线组合折射透镜的光学性能。分析结果表明,在同步辐射、高强度等离子体等单色性高、准直性好的辐射源下,以X射线组合折射透镜作为聚焦光学元件将帮助微束XRF系统具有更好的空间分辨率、灵敏度和元素分析范围。本文的工作对于设计以抛物面型X射线组合折射透镜为聚焦光学元件的微束XRF系统提供了前期的理论基础。参考文献：
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