铁路内燃液压轨枕更换机的研发与应用

第一篇：铁路内燃液压轨枕更换机的研发与应用

铁路内燃液压轨枕更换机的研发与应用

摘要：铁路内燃液压轨枕更换机是根据铁路工务换枕工作实际而研制的一项快速换枕装置。最大的技术难题是解决更换轨枕作业中，换枕全工序工艺相结合的完整式换枕机，不仅能将旧枕抽出，新枕送进并定位，做到一机多用，功能齐全。

关键词：内燃液压；铁路轨枕；更换机

随着铁路运量的不断提高，列车轴重的逐年加大，列车对钢轨及线路设备的破坏也越来越大。特别是高速重载列车对路基产生的不断冲击，使线路翻浆冒泥、轨枕破裂损坏、接头掉块等线路病害及钢轨伤损日益严重，给列车运行带来了极大的安全隐患。对于轨枕病害这个问题的处理，一直有效的做法是尽多更换更重、新型轨枕，加强捣固，以减轻车轮对砼枕的破坏冲击。但随着列车轴重的加大，运行速度的提高，更换轨枕已经成为工务部门经常需要面对的繁重劳动，同时民工强劳动力的要求及工费的递增，民工施工人员的增多，民工管理强度的加大，存在严重的综合费用提高问题和安全隐患。据铁道部有关部门统计，全国铁路局每年用于更换轨枕的费用高达2～3亿元人民币，由此可见仍靠人工更换轨枕既不经济、更不高效、也不安全。为了实现更换轨枕机械化，达到快捷、高效、经济、安全的目标，研制铁路快速换枕机，减轻换枕工作给铁路发展带来的冲击和压力，解决铁路工人养路中最大量、最繁重的体力劳动，提高铁路养护机械化水平是当务之急，所以研制铁路内燃液压轨枕更换机是非常必要的。技术方案

2008年初，确定了“铁路内燃液压轨枕更换机”项目科研成果研究小组，并得到上级专业技术部门和有关厂家的支持。经多方查寻资料，设计方案，确定了技术方案。

1.1 设计要求

能够快捷的更换损坏的轨枕，尤其是在运营中的线路上，和内燃路捣固机配合，完成利用列车的运行间隙封锁点或天窗点，进行更换轨枕的全部作业，减少要点造成的施工延误。该机质量可靠，上下道灵活，易操作，用途广泛，使用安全。动力强劲，可将路基下或乱石中的钢轨、轨枕、辙叉心快速拉至目的地。

1.2 基本原理

1.2.1 系统组成。该装置由主机架，内燃机，液压马达，绳轮，支撑架，夹持部分液压多路换向阀，手压泵，上、下道架组成。结构简单，使用方便，易操作，故障效率低，性能可靠，可连续作业，上、下道便捷，前后运动推行自如，运行效果良好。是轨枕更换作业的一种专用设备，使用该设备将会节省大量的人力、物力，使效率提高，劳动强度降低，换枕速度加快。

1.2.2 技术原理。内燃液压轨枕更换机主要是利用内燃机作为动力源，内燃机输出的动力通过液压马达带动轮轴上的钢丝绳运动，钢丝绳一端的环扣套在枕木的螺栓上，操纵杆的前进与后退控制着轮轴的转动，从而带动钢丝绳运动，钢丝绳通过导轮产生前后运动，来带动轨枕移动，完成更换枕木的目的。

1.2.3 技术参数：（1）最大拉力：1500kg；（2）最大拉动距离：150cm；（3）振整机重量：460kg；整机尺寸325×107×123cm；（4）发动机功率：3.6kW；（5）大工作臂长110cm；小工作臂长53cm。研制和试验

2.1 研制

2.1.1 调研及设计。按照预定的实施计划，科研小组于2008年5月开始调研，对现场情况及存在的问题进行了详细的调查，经过论证和深入分析，确定了设计方案及要实现的功能。

随着铁路运量的不断提高，列车轴重的逐年加大，列车对钢轨、轨枕及线路设备的破坏性也越来越大。特别是对轨枕的破坏日益严重，由于枕木的损坏造成线路不良、三角坑等线路病害及钢轨伤损日益严重，给列车运行带来了极大的安全隐患。

更换轨枕是一项繁重的体力劳动，需要动用大量的人员、民工，并且时间长，劳动强度大，容易造成工作人员的伤害，发生碰手、碰脚的工伤纠纷。采用先进的生产机械设备，不但能提高劳动效率，缩短施工时间，还能有效地减少工伤的发生，因此轨枕更换机是工务部门急需的一种先进生产机械设备，市场推广前景广阔。

2.1.2 实施。

基本思路：我们要研制的铁路内燃液压轨枕更换机，能将旧枕推出，新枕送进并定位，功能齐全，是一种非常合适我国国情的铁路养护专用机械设备。

创新点：（1）利用起道小车，在不提升钢轨有效高度的前提下，由人工换枕改为机械换枕，极大地减轻养路工人的劳动强度，并提高了换枕效率；（2）采用直线形移动装置，可快速将旧枕推出，新枕送进；（3）采用摆式杠杆机构，可准确地将旧枕拨出原位，将新枕定入枕位；（4）采用快速上、下铁路线传动滚轮，可提高养路时的安全性；（5）采用特种轻质高强度复合新材料制做架体，具有重量轻、搬运方便、绝缘性能优良等特点。

2.2 试验

首先研制一台换枕机，进行使用、检验，对不足之处提出改进，得出最佳方案、结果，然后再改进生产、安装，达到技术要求，实现创新与推广使用。

2009年，经过广泛调研，听取航天航空部机电研究所、西安电务器材厂、兴平工务器材机械厂、北京等有关专家意见，对设计理念进行了调整，重新定型设计。首先必须明白设计内燃液压轨枕更换机是为了减轻工务部门换枕木的劳动强度，所以设计出来的机具应具有使用、安装方便，并且动力强劲，能够在松动的石碴中轻松的抽出和送入枕木。

因为工务作业全部是在野外，为了便于使用，减少携带的器具种类，设计为内燃机提供动力，这样可以不用再携带发电机等笨重的设备。少量的更换轨枕一般是在运营中的线路上进行，因此，如何能快速的安装和拆卸机具就显得十分重要，经过多次试验、改进、提高，最终的内燃液压轨枕更换机由液压马达、绳轮、支撑架、夹持部分组成。结构简单、使用方便、易操作、故障效率低、性能可靠，是轨枕更换作业一种较好的专业设备，使用该设备将会节省大量的人力，效率提高，劳动强度降低，换枕速度加快。

2.2.1 抽枕：（1）将抽换机放置在钢轨上；（2）启动起道小车将机器固定在钢轨上；（3）操纵液压马达操纵杆，使离合器处于分离状态（将操纵杆置于中间位置）；（4）拉动钢丝绳，经导向轮从两根钢轨下穿过后将钢丝绳环扣挂在轨枕最外端螺柱根部；（5）发动机怠速稳定时将液压马达操纵杆向上推，控制机器油门大小；（6）确认钢丝绳环扣与轨枕螺柱根部扣挂好后可使发动机逐步加速，直至将轨枕抽出。

2.2.2 入枕：（1）将抽换机移一端钢丝绳经机器大梁底部环绕另一端支架的导轮上；（2）启动小车将机器固定在钢轨上；（3）操纵液压马达操纵杆，使离合器处于分离状态（将操纵杆置于中间位置）；（4）拉动钢丝绳，经导向轮从两根钢轨下穿过后将钢丝绳环扣挂在轨枕最外端螺柱根部；（5）发动机怠速稳定时将液压马达操纵杆向上推，控制机器油门大小；（6）确认钢丝绳环扣与轨枕螺柱根部扣挂好后可使发动机逐步加速，直至将轨枕抽出。应用

内燃液压轨枕更换机是为了适应现在列车速度快，运行密度大，造成工务施工不便的现状而研制的，在使用的过程中可以大大缩短更换砼枕的时间，原来需要五六个人同时作业的工作，现在两个人就可以轻松地完成，由于减轻了劳动强度，过去施工中碰手碰脚的现象已被杜绝。内燃液压轨枕更换机使用方便，提高了工作效率。侯马北工务段重点维修车间在侯西线清涧站阳光4道更换宽枕板、运城机场线冷库门处（1.7km处）、南同蒲下行线张礼站1道（628km+800m处）更换砼枕共计约1000余根。使用内燃机做为整机动力来源，动力强劲，能够适应运营区段的区间作业。操作方便，适合各种作业环境。提高工作效率，缩短施工时间，适合运输繁忙的干线区段。减少施工人员人数，产生了一定经济效益。根据实际调查，更换混凝土枕3分钟/根（包含回填石碴）。现场反映情况良好。效果

该装置由抽送轨枕、挖砟回填两部分组成，实现了机械抽换轨枕、挖砟回填的功能，可降低劳动强度；轨枕更换部分利用液压传动原理，通过钢丝绳、导轮产生往复运动，移动轨枕，完成更换轨枕的目的。不足

建议加强现场操作使用，进一步提高换枕的速度，优化结构设计。

参考文献

[1] 冉卉军，闫国棋.铁路大修换枕机方案的探讨[J].成铁科技，2008，（3）.[2] 邱仕辉，刘克明.P95大修列车更换大瑶山隧道宽枕板施工技术[J].铁道建筑，2009，（11）.[3] 徐凤生.运用大型养路机械进行线路综合施工[J].铁道标准设计，2004，（5）.[4] 吴有松，熊杰，李俊，卫星，李小珍.轨枕摆放运输机的研制与应用[J].成都铁道建筑，2006，（4）.

第二篇：复合材料的最新应用与研发动态2011

复合材料的最新应用与研发动态

时间:2011-11-6

点击率:178 编者按：中国工程院院士杜善义关于“复合材料的最新应用与研发动态”的报告，不仅全面介绍了复合材料研究和应用的最新动态，而且从国家未来发展的视角提出了推进复合材料研发、制备与应用的建议，是一篇难得的美文。感谢杜院士提供文本在《力学园地》发表，以飨读者。杜善义院士的简介附于文后。

杜善义院士

复合材料的最新应用与研发

动态

哈尔滨工业大学 杜善义 引言

材料作为工业基础，是工业革命的推动力，而具有优异性能与功能的新材料本身就是一种高新技术，是现代高新技术发展的物质基础和先导技术。新材料是国家新兴战略性产业之一。作为现代工业和装备的共性关键技术，决定着一个国家的装备发展水平，可以说：“一代材料、一代装备、一代产业”。随着现代科技的发展，新材料的发展日益向着结构功能一体化、功能材料智能化、材料与器件集成化、制备与使用的绿色化、材料全寿命的低成本化、材料的复合化方向发展，特别是材料的复合化已经成为21世纪新材料技术发展最为重要的方向之一。

复合材料是由两种或两种以上材料复合而成的，组分材料间具有明显界面，能够充分发挥组分材料的各自优势，并能获得各组分材料所不具备的性能。它是二十世纪最重要的人工材料之一，成为继金属、陶瓷、高分子材料之后的第四类材料。从“二战”玻璃纤维增强复合材料应用开始，到目前以碳纤维增强复合材料为代表的各种先进复合材料，由于其优越性能和可设计性等突出优点，备受关注。复合材料的发展大都以国防、航空航天需求为牵引，通过材料研发与应用水平的提高，不断的更新换代，现已被推广到航空航天、船舰、交通、能源、建筑、桥梁以及休闲等领域。

复合材料的主要优势体现三个方面：(1)提高结构效率：复合材料具有高比强、高比模等突出优点，它的应用可显著减轻装备结构重量，从而增加有效载荷，节约能量消耗或提高效率；(2)结构/功能一体化：可实现特殊功能，提高抗极端环境能力，进一步提高结构的安全性和功能性；(3)智能化：可提高材料对服役环境的感知和适应能力，并产生革命性的效果。图1给出了军用运输机和战斗机中复合材料用量的变化情况，事实证明，目前先进复合材料的应用水平和用量成为衡量新一代装备先进性的重要标志。

图1． 复合材料在军机民机中用量的变化情况

1.复合材料的应用现状与趋势

从材料的发展历史可以看出，近几十年来复合材料受重视程度一直呈上升趋势，特别是21世纪以来尤为明显，复合材料得到了国内外的充分重视。2003年美国国防部委托国家科学院调研的“面向21世纪国防需求的材料研究”报告中指出：“到2020年，只有复合材料才有潜力获得20-25%的性能提升”，得到国际上广泛认同。胡锦涛主席在2010年院士大会的讲话中指出：“大力发展新材料和先进制造科学技术，„„积极发展先进结构材料和复合材料、功能材料等”。2011年3月，在“十二五规划”纲要中，“科技创新能力建设重点”的“技术创新工程”中重点提到了“碳纤维复合材料”。从应用态势看，有下述四个方面的显著特征。

1.1作用越来越大

先进复合材料在新型或现代装备中的战略作用越来越大，显著提升了装备性能和效能，在某些关键结构部位的作用呈现“不可替代”的趋势。

2010年4月、2011年3月X-37B的两次发射引起巨大轰动和广泛关注，有可能在“太空军事化”上产生革命性影响，其中先进复合材料功不可没。在X-37B中使用了韧化单片纤维增强抗氧化复合材料(TURFOC)作为新型高温热防护系统，其最高温度不低于1700℃，并且首次应用C/SiC复合材料作为热结构，使用碳纤维/双马来酰亚胺复合材料作为主结构。大幅提升了飞行器的气动性能、机动能力、有效载荷能力、可重复使用性能和结构可靠性。

图2． X-37中所用的耐高温TURFOC和碳纤维/双马复合材料主结构

2010年4月美国首次发射了HTV-2，在实现“全球快速到达”FALCON 新型战略威慑和战术打击武器装备的发展中迈出了最为重要的一步，HTV-2对热防护要求极其苛刻，其中C/C复合材料结构的工程化应用是其重要的物质保障。在该飞行器中使用了1650℃的C/C复合材料、2000 ℃以上超高温复合材料、多层高效隔热复合材料技术和大面积复合材料热防护结构技术。是目前世界上最大、最复杂的C/C复合材料结构，也是整体承力热防护结构的首次工程化应用，大幅度提升了美国国防和工业界C/C研制及生产水平。

2011年，航天飞机将全部退役，“Orion”飞船将成为美国载人航天的重要手段，该飞船的热防护和主结构复合材料技术取得了关键的技术突破，大幅度提高了载人飞船的可靠性和有效载荷能力。在“Orion”飞船拥有目前世界上最大的复合材料热防护结构；其主承力结构采用新型树脂基复合材料，大大减轻了结构重量，令隔热层更薄，结构效率更高。其有效载荷能搭乘6名飞行员，返回舱可重复使用10次，其返回舱结构尺寸直径达5米，成本降到1000万美元。

无人机在情报、监视、侦察等信息化作战中发挥越来越重要的作用，纵观无人机的发展，从全球鹰到全球观察者，再到西风和秃鹰，超轻超大复合材料结构技术是提高其持续能力、生存能力、可靠性和有效载荷能力革命性跃升的关键。

图3． 几种无人机复合材料用量和续航能力比较

上述几个无人机大量使用复合材料，提高了覆盖范围和生存能力；大展弦比机翼不断增大，增长了驻留时间；全复合材料无人机是主流发展方向；超大和超轻结构复合材料是其发展趋势。

1.2范围越来越广

先进复合材料在装备中的应用范围越来越广，不仅在航空航天领域进一步扩大，逐步拓展到陆地、海洋、信息等各个领域。

近年来，耐高温陶瓷基复合材料在航空发动机一些热端部件的应用取得进展，如F-35 发动机(F136)的第三级涡轮导向叶片，耐温可达1200℃，但是重量比传统材料部件明显减轻(大约只有镍合金的1/3和钛合金的1/2)，这是陶瓷基复合材料在喷气式发动机热端部件的首次工程化应用。

树脂基复合材料在航空发动机的较低温区应用效果明显，大幅减重和降低成本，如发动机风扇叶片和风扇机匣等位置，比如GE公司的F404发动机外涵机匣重量和成本均降30%，普惠公司的PW4084和PW4168发动机风扇叶片重量和成本均降30%以上。

现代信息化海战对船舰的高隐身、高机动和长寿命提出更高要求，复合材料船舰结构技术将为提升装备生存能力和寿命期可承受成本作出重要贡献。美国加利福尼亚大学教授Robert Asaro说: “同一个多世纪以前在船舶结构中用钢铁代替木材一样，这也将是一场技术革命”。比如美国朱姆沃尔特(Zumwalt)驱逐舰舰体和舱室使用碳纤维夹层复合材料，大幅提高了其隐身性能；美国新概念海军舰艇M80主要结构采用了碳纤维复合材料，时速可达92 km/h，再如世界最先进的全复合材料隐身战斗舰艇——瑞典的“维斯比”。复合材料的应用在抗腐蚀、轻量化、隐身和降低成本等方面效果明显。

复合材料的应用在陆基装备中同样取得大量应用，包括战术导弹结构、发射平台、坦克装甲以及桥梁等技术领域。比如战术导弹的弹体、发射筒就大量采用了复合材料。在21世纪，复合装甲已经成为主战坦克的主要标志，如陶瓷-金属复合材料、编织复合材料等。美国正在研究轻型复合材料便携桥，20-40米，可承受100吨重量，在快速保障，提高生存能力、机动能力、作战能力等方面发挥了重要作用。

透波和隐身技术是电子信息战的重要技术领域。隐身材料的发展和应用已成为决定隐身技术发展的关键因素，既能隐身又能承载的多功能复合材料是一个重点研究领域。美国的空对地stanf-off远射导弹(JASSM)开始应用，它主要配备给B-52，它的隐身功能的弹身难于被敌发现。JASSM由美国洛马公司开发，进行了纤维创新应用、复合材料弹体由编织复合材料构成，利用RTM工艺制备。美国B-2隐身轰炸机和F/A-22隐身多用途战斗机均在不同部位大量使用了结构型吸波材料，隐身复合材料成为先进隐身飞机、舰船、导弹及其它隐身武器的首选技术之一，大幅提高了生存能力和精确打击能力。

1.3用量越来越大

先进复合材料在装备中从非承力、次承力结构向主承力结构和全复合材料结构方向发展迅速，其用量越来越大，得益于TANGO ACT CAI等计划，与原材料和复合材料制备工业界的关系也愈发密切

图4给出了几种战斗机的复合材料用量对比图，从F16到F22，从F35再到B-2，复合材料用量越来越大，F-35主要用在了机翼、机身、垂尾、平尾、进气道等位置，而B-2采用翼身融合，广泛应用了层压板、蜂窝夹层结构、混杂，用量达到了50%。

图4． 几种战斗机复合材料用量对比

欧洲A400M军用运输机在制造过程中广泛使用了复合材料(英国GKN宇航公司负责为A400M制造复杂的炭合成翼梁)，其有效载荷大大超过现有的美制C－160和C－130大型运输机。该机拥有高悬浮起落装置，可以在短距离内完成起飞和降落；在执行空投和战术飞行过程中，该机拥有很好的低速运行稳定性；该机还具备远距离高速巡航的能力，可以执行长距离机动运输任务。欧洲A400M运输机可以进行空中加油，完成长距续航；同时在两小时内，该机可改装作为空中加油机使用。其复合材料用量达35-40%，其碳纤维复合材料机翼占翼结构重量的85%，减重20-25%，开创了大型复合材料运输机机翼的先例

美国空军实验室和洛马公司的先进复合材料运输机(ACCA，现称X-55A)计划，主要验证快速设计与低成本制造大型结构件的可行性。ACCA(X-55)减少零部件(从3000到300)和紧固件(从40000到4000)，机身全长19.8米全为碳纤维蒙皮和夹层结构，采用非热压罐成型(2010年1月完成了全尺寸的技术验证机)。

1.4需求越来越强烈

随着装备向小型化、高性能化、高可靠性发展，其服役环境越来越恶劣、要求越来越苛刻，许多新技术和创新思想受限于材料技术,军用复合材料成为大幅度提高性能、拓展服役条件最为重要的技术途径，需求越来越强烈。

美国的SHARP、德国的SHEFEX、意大利的USV等一系列计划都将UHTCC(陶瓷基复合材料)作为重点发展材料，未来滑翔式机动战略弹头、天对地精确打击再入飞行器以及演示验证飞行器上都有巨大应用潜力。2000℃以上长时间非烧蚀的特性要求，使得在全世界范围内开始重视发展UHTCC。

长时间超高温结构完整性要求是高超声速飞行器关键部位热防护系统设计首先必须解决的技术瓶颈问题，陶瓷基复合材料体系是最有望成为解决此问题的有效技术途径。美国军方认为超高温陶瓷技术的突破，给飞行器设计带来的革命性的变化，目前UHTC材料作为锐型前缘不影响气动性能的使用温度可达到2830℃，可重复使用温度超过2300 ℃。

图5． 超高温区材料的发展趋势

美国DARPA的“综合传感器即是结构”(ISIS：Integrated Sensor is Structure，ISIS)是高分辨率持久信息、监视和侦查能力的创新概念，是一个续航性能极高的战场监视平台，目前来看其艇身材料需求与现状相差较大，大型轻质和多功能复合材料结构是其关键技术瓶颈之一。

2.复合材料技术发展动态

复合材料的原材料、制造和工艺设计与新型复合材料得到了足够的重视和发展。

随着复合材料在新一代装备中应用需求不断增加，主导复合材料性能的增强体向高性能、低成本方向跨越性发展。以最具有代表性的增强体碳纤维为例来看，未来几年碳纤维市场需求持续增长，2010年，碳纤维在工业领域的需求占到50%，宇航领域占25%，其它领域占25%。而且继T800、T1000之后，Zylon、HS、M65J、M5等PAN基高强、高模碳纤维以及无机(陶瓷)、有机(PBO、芳纶等)纤维也得到了充分的重视和发展。不仅如此，研究也表明纤维缺陷尺度和石墨片层的有序度是决定纤维性能的两大要素，提高小丝束性能，研发性价比更高的大丝束碳纤维是今后的一个发展方向。而基体材料则强调强韧性、功能性和工艺性的协调发展方向。

图6． 碳纤维的需求趋势

随着装备需求的不断扩大，对于树脂基复合材料提出了更多、更高的发展需求，一些双马(BMI)和聚酰亚胺(PI)类树脂韧性、耐温性不断提高，工艺和成本不断降低。B-2轰炸机尾部使用了新型耐高温聚酰亚胺树脂AFR-PE-4，提高耐温能力和抗声振能力，降低维修成本和时间。

复合材料制造工艺非常重要，占复合材料成本比例很大，且对其性能影响很大。自动化、新工艺以及无损检测技术是先进复合材料制备的重点发展方向，以自动铺带技术(ATL)和自动铺丝技术(AFP)为代表的自动化制造装备在大型主承力结欧洲A400M飞机就采用了以铺带技术为主的自动铺放技术。

图7． A400M 大型军用运输机翼梁

以非热压釜工艺和液体成型为代表的低成本工艺技术也发挥越来越重要的作用，并有望成为降低复合材料成本的关键技术。利用新工艺使装备的零件数减少一个数量级，更易制造复杂构型结构。比如美国陆军CH-47运输直升机，利用新工艺后，其发动机吊架结构元件总数从277减少到72，这些元件使用的紧固件也从2526减少到845。仅上甲板的元件数就从100个下降到5个。

复合材料的设计水平在一定意义上决定其应用水平，应充分发挥复合材料的优越性能，科学设计，减轻重量，提高可靠性，降低成本，不能简单用“好材料”，而是要“用好”材料。

复合材料作为一种新材料，随着材料科学、技术和应用水平的不断提高，新型复合材料，如纳米复合材料，智能复合材料以及仿生复合材料不断出现，这也是其技术发展的一大趋势。

3.我国未来发展的几点思考

对于我国而言，复合材料的用量和水平将是制约我国攻防对抗体系的综合能力的主导因素之一，鉴于我们目前的发展现状，应考虑在以下几个进行加强和深化。

(1)、高性能增强体的研发，特别是高性能碳纤维的研发非常重要，应进一步加强T300级碳纤维性能稳定性和工程化研究和开发；加强T800、T1000级等中高端国产碳纤维的预先研究，重要装备的发展应立足于国产碳纤维。

(2)、从长远发展来看，应在国家层面上继续推动新装备、新工艺发展的重大研究计划，提高我国复合材料的制备能力。国外复合材料在F-

22、F-35和B-2等装备上的成功应用，主要依赖于其先进的复合材料工艺和生产装备；虽然Boeing、AirBus都在中国建厂合作生产部件，但装备和工艺方面的核心技术仍受其控制，军用方面的技术更是进行了严格的技术封锁。

(3)、进一步加强设计、分析、检测和评价技术研究，提高复合材料应用技术成熟度；准确把握我国复合材料技术现状和趋势，“用好”材料，而不简单是用“好材料”。设计理念上从全寿命周期考虑性能和成本问题，发挥一体化设计优势；不能把压力完全转加给材料，需要认清材料，敢用材料，善用材料。

(4)、重视和加强新型复合材料与技术的研发进程，推动概念验证-技术突破-验证转化，与国外同步发展的有潜力的新兴技术不能输在起跑线上。进一步加大基础研究支持范围和力度，包括一些有潜力但暂时还不能产生明显军事效益的技术；建立“概念验证-技术突破-验证转化”的良好机制和加速发展策略!

杜善义院士简介：

杜善义(1938—)，辽宁省大连人。哈尔滨工业大学教授、博士生导师，力学和复合材料学家，中国复合材料学会理事长，1964年毕业于中国科学技术大学，1999年当选中国工程院院士，全国人大代表(第十届、第十一届)。

现主要兼任：总装备部科技委兼职委员，国家国防科技工业局科技委委员，国家安全重大基础研究计划专家顾问组成员，国家重点基础研究发展计划专家咨询组成员，中国商用飞机有限责任公司专家咨询组成员，国家自然基金委重大研究计划指导专家组组长等职。

解决了热防护材料与结构中的若干关键理论与技术问题，突破了材料超高温力学性能测试技术，提出“非烧蚀”防热材料概念；将细观力学推广到先进复合材料力学分析中，提出了“设计/分析/评价”一体化研究方法；发展了随机夹杂理论，在压电、铁电与功能梯度材料等的多场耦合分析和力学性能预报方面做出贡献；开展了智能复合材料与结构研究，为推动其在航空航天和基础设施等领域的应用做了大量开拓性工作；重视和善于人才培养与团队建设，20余人次获国家级人才奖励，团队获国家自然基金委创新群体、国防科技和教育部创新团队资助；在国家多项重大工程与研究计划中担任专家，在论证和实施中发挥重要作用。获国家科技进步二等和三等奖各1项、国家技术发明二等奖1项，省部级一等奖5项，并获光华科技基金一等奖、航天奖和何梁何利科学与技术进步奖。发表论文200余篇，撰写了《复合材料细观力学》、《智能材料系统及结构》等著作10部，已培养了71名博士。

第三篇：化学自制教具的研发与应用

化学自制教具的研发与应用

化学新课程中的实验与传统课程中的实验相比，在内容的选择、设计和呈现方式上，都发生了很大的变化，表现出了生活化、趣味化、探究化的新特点，这给化学教师的实验教学研究提出了更高的要求。然而在现今中学理科实验配备中，能适应新课程实验改革的教学用具并不多。因此，贯彻执行与新课程相适应的实验教学理念，钻研教材教法、研制实用教具成为一种教学需要。

一、化学自制教具的涵义及其在教学中的作用

1、自制教具的涵义

教具是指在教学过程中使用的具有教学特点、体现教育思想、教育目标和教学方法的实物、模型等辅助课堂教学的直观教学用具。自制教具，顾名思义，则是指利用身边的废旧材料、易得物品，采用简单可行的方法，自己设计、制作的教具。它是教师在把握了深入理解教材，充分了解学生，精心设计教学过程这三者联系后的产物，是满足教学需要的工具，是教学效果的有效支撑和补充。这里需要指出的是化学自制教具的范围非常宽泛，它可以是传统的粉笔、黑板擦等，也可以是先进的传感器等电教设备。

2、自制教具在教学中的作用

（1）自制教具，展示了教师的教学独创性

自制教具是教师根据教学经验对课堂教学行为进行创新的一项活动。它针对教学中的重点、难点和急需解决的问题而设计制作，融教师的教法和学生的学法于一体。这种设计制作改变了以往平铺直叙的课堂教学模式，极大地补充了教材资源、优化了教学结构，教师教得轻松而愉快，学生学得扎实而透彻。这都充分地展示出了教师的教学独创性。

（2）自制教具，激发了学生的学习积极性

新课程标准特别关注学生的兴趣与好奇心。特别关注学生的求知欲望。而自制教具贴近生活，有较强的针对性与趣味性，用它来呈现科学现象，探索科学规律，学生感到亲切，感到好奇，感到兴奋。因此在教学中，利用自制教具适时适度地进行演示，有意识的创设出好奇情景，可以最大限度地激发学生的求知欲望，从而提高他们的学习主动性。其作用是一般的现成教具所无法比拟的。

（3）自制教具，提升了化学教与学的广度和深度 对同一教材的同一内容，不同的教师可能在教学中有不同的处理。而即使是同一教师教同一内容，面对的教学对象不同，需要采取的教法也可能不同。因此，在研究不同教学方法的同时，就伴随着研制适应教学要求的不同的教具。而不同教具的研制成功，也就带来了不同教法的成熟。进而言之，新教具的成功和新教法的成熟，又提升了化学教与学的广度和深度。

二、基于需要的化学自制教具研发源泉

1、研发源于学生观察的需要

演示实验最主要的教学任务是将实验现象的变化展现在学生的眼前，并引导学生观察、思考，从而解决问题，这是一种最有效、最直观的教学手段。然而在目前以45～50人为主的班级组织中，教师在讲台上演示的实验现象并不能让班级所有的学生都能清晰的观察到，尤其是座位较后的学生。基于这种需要，就应自制教具，以放大实验情景。

教具1：多功能实验仪器篮

【制作背景】

传统的实验仪器篮功能单一，只用来盛放上课演示实验用的仪器药品等（如图1a），对于一些不能拿在手中边做边讲的演示实验，如反应非常剧烈的实验或成套的物质制备实验，其只能放在讲台上演示，这就局限了学生的观察视野（如图1b，坐在第二排的同学就已经看不清讲台上的演示实验了）。因此想到我们每次实验必带的实验提篮，可在（如图1a）基础上进行改造（如图1c），以充分挖掘它的另一功能——增大演示实验的可视性。

图1a

图1b

图1c

图1d 【使用方法】

如图1d，拿出实验用品后，将其倒置在讲台上，便可在上面进行演示实验，即使最后排的学生，也能清晰地观察到实验的现象。【教具特点】

本教具在不增加其它辅助用具的前提下，充分开发出了演示实验提篮的双重功能，既可盛放演示实验所需用品，又可增大演示实验的可见度和直观性。

2、研发源于教学设计的需要

设计并使用自制教具是为了辅助教学。教师在对教材中的工业流程图、化学发展的历史等进行教学设计时，若能适应教学需要自制出教材中所没有的形象教具，则将有助于学生的观察、理解和记忆，并为他们尽快地掌握知识而创造条件。

教具2：硫酸的制备流程示教板

【制作材料】

大瓶空饮料瓶（2.5 L）3个、软塑料管、泡沫塑料 【制作方法】

利用3个大瓶空饮料瓶（如图2a），依次制作好硫酸制备流程中的三个重要装置模型：沸腾炉、接触室、吸收塔（如图2b）。

图2a

图2b 【教具特点】

本自制教具的使用，给了学生感性的、形象而具体的知识，增强了教学效果。同样，利用此想法，还可制作出工业制备硝酸的流程示教板、炼铁高炉模型等。

3、研发源于学生理解的需要

在化学教学中，常有这样的教学需求：宏观知识缩微描述，微观知识放大描述，抽象概念形象描述。但每遇此类教学需要，却常感无现成教具之苦。教师教得困难，学生学得吃力。而自制教具具有很强的针对性和灵活性，它应教学中遇到的学生知识理解上的难点而设计。如在讲解盐的双水解原理时，教材无现成实验辅助说明，学生理解起来有如空中楼阁。而自制的简易泡沫灭火器，有效地减轻了学生学习该抽象原理时的困难，并为他们尽快地掌握概念和规律创造了条件。

教具3：自制泡沫灭火器

【制作材料】

矿泉水瓶（550 mL）1瓶、棒棒冰1个 【制作方法】

（1）去除棒棒冰内部的棒冰，配制饱和的Al2(SO4)3溶液（如图3a）。（2）在空矿泉水瓶的上部用针扎几个小孔，并在瓶中加入适量小苏打固体；在棒棒冰里面加满饱和的Al2(SO4)3溶液（加少许洗涤剂），并将其置于装有小苏打固体的空矿泉水瓶中，拧紧瓶盖，正放于桌上（如图3b）。

（3）用手指堵牢第（2）步制好的矿泉水瓶上的小孔，并将矿泉水瓶倒置（使Al2(SO4)3与NaHCO3接触），上下振荡几次，对准酒精灯火焰，松开堵小孔的手指（如图3c），反应产生大量的白色泡沫，并很快将火焰扑灭（如图3d）。

图3a

图3b

图3c

图3d 【教具特点】

通过该教具的使用，加深了学生对Al3+与HCO3-水解相互促进而产生Al(OH)3和CO2的理解，同时还增强了课堂教学的趣味性。

4、研发源于示错教学的需要

在进行课堂演示实验时，教师通常的做法是将正确的实验操作示范给学生，但学生在进行分组实验时，操作却往往规范不起来。究其原因是学生不知道操作不规范到底会有怎么样的后果。因而，教师在进行实验操作示范教学的同时，也要适当地运用一些示错教学法。

教具4：浓硫酸稀释操作示错教学仪

【制作材料】

具支试管（25 mm×200 mm）、单孔橡皮塞、直角玻璃导管、乳胶管、医用注射器、小气球、双面胶 【制作方法】

（1）在具支试管的支管口系一小气球，在直角玻璃导管的上端用双面胶粘一张pH试纸，将吸有少量水的注射器通过乳胶管与直角玻璃导管连接起来（如图4a）。小心地往试管中缓缓注入约为试管容积1/4的浓硫酸，然后，立即将单孔橡皮塞塞到试管口上，并旋紧。

图4a

图4b

（2）轻推注射器的活塞，并将水缓缓注入到浓硫酸中。浓硫酸遇水释放出大量的热，气球快速鼓起，同时注入浓硫酸的水立即沸腾，夹带着酸液向四周飞溅，粘在导管上的pH试纸遇到溅起的酸液而出现很多红色的斑点（如图4b）。【教具特点】

学生通过气球膨胀，直观地体会到浓硫酸溶于水放出大量热的事实，同时pH试纸上的红色斑点直观地显示了酸液溅起的高度，从而使学生清晰地认识到“把水加入到浓硫酸中进行稀释是一种错误的实验操作，它极易酿成安全事故”。通过这种示错性教具的使用，学生知道了规范实验操作的重要性。

5、研发源于实验方法的需要

在实际的教学过程中，教具为教学效果的提升起到了极大的帮助。然而随着新材料和新方法的出现，原有的教具不再适应教学的需要，这时就需在原有教具的基础上，或调整、或改造、或更新、或创制新的教具。

教具5：吊针式吸气装置

【制作材料】

大瓶空饮料瓶（2.5 L）1个、乳胶管、具支试管（25 mm×200 mm）、玻璃导管、橡胶塞（单孔、双孔各1个）、止水夹 【制作方法】

（1）在饮料瓶的瓶盖上打两个孔，将带有导管的双孔橡皮塞的导管从瓶塞上穿过，在饮料瓶中装满水，拧紧瓶盖，将饮料瓶倒立在铁架台的铁圈上，另一空瓶放在其下面用于待接水，此时，上瓶中的水不能流下（如图5a）。

图5a

图5b

（2）缓缓打开止水夹，上瓶中的水受重力作用将流下进入到下面空瓶中，上瓶内形成负压，将反应产生的气体吸入具支试管中并形成连续的气泡（如图5b）。吸气的速率可由止水夹闭合的大小来控制。【教具特点】

原有教具的最大缺点是产生的气体不能很快地被试剂所吸收，而此教具通过负压 原理将气体很快地汇集起来，并通入到具支试管内的试剂中，从而使得实验效果更加的明显。此外，该教具还可用作检验可燃物（如木炭、甲烷等）在空气中燃烧后是否有CO2生成，以及火柴头中是否含有硫元素等。

6、研发源于分组实验的需要

随着课程改革的逐步深入，学生化学分组实验越来越多。对于有一定规模的学校来说，往往一次实验准备的液体药品只够几个班级使用，后续班级的实验要能顺利进行，就必需及时、快速地添加液体药品，但像H2SO4、NaOH溶液等液体药品是盛放于细口试剂瓶中，而实验时常用的细口试剂瓶的规格有60 mL、125 mL、250 mL，它们的瓶口直径均约为2 cm，瓶口太小。因此如果直接向细口试剂瓶中添加溶液，溶液就很可能洒落到试剂瓶外而造成药品的浪费。如果通过漏斗向细口试剂瓶中添加溶液，尽管可以避免溶液洒落到试剂瓶外，但由于添加液体时试剂瓶中的气体无法顺利导出，而致使液体不能快速地进入到试剂瓶中。因此，为保证实验教学的顺利进行，就需自制出适应学生分组实验要求的教具。

教具6：PVC三通管式快速加液器

【制作材料】

普通漏斗1个，PVC三通管（管口直径3.2 cm，长度7 cm）1个。【制作方法】

（1）取一PVC三通管（管口直径3.2 cm，长度7 cm），如图6a所示；将普通漏斗置于PVC三通管上，如图6b所示。

图6a

图6b

（2）将该教具置于待加溶液的细口试剂瓶上，通过漏斗添加试剂，如图5c所示。

图6c 【使用方法】

按图6c所示装置向细口试剂瓶中添加溶液。【教具特点及用途】

（1）特点：本教具将PVC三通管与普通漏斗结合在一起，既解决了添加液体时试剂瓶中的气体不能顺利导出的问题，又解决了添加液体时溶液易洒落到试剂瓶外的问题。

（2）用途：本教具既可实现细口试剂瓶中液体药品的快速添加，也可实现酒精灯中酒精的快速添加。

7、研发源于教育技术的需要

在科学技术发展的今天，自制教具应不断地突破传统的实验技术，较快地将现代科技融入其中，以提升现有教具的功能。比如在进行中和滴定实验时，传统的操作只能进行最简单的酸碱滴定，而对滴定过程中突跃现象的展现却无能为力。但若在现有教具的基础上结合传感器技术，则可非常清晰地将滴定的全过程呈现在学生的面前，从而使学生更好地理解滴定的实质。

教具7：原电池放电效果演示器

【制作材料】

电流传感器、数据采集器、电脑、塑料小盒（1个）、锌片、铜片、1.0 mol·L-1 CuSO4溶液

【制作方法】

（1）将电流传感器的两极分别与Zn、Cu相连，并将Zn、Cu置于1.0 mol·L-1 CuSO4溶液中，再将数据采集器分别与电脑和电流传感器相连（如图7a）。

图7a（2）打开朗威DIS Lab实验软件，点击“通用软件”，再进行校正工作后，点击“系统控制”的“开始”按钮。将两电极间的间距先减小后增大，系统显示出如图7b所示的图形，说明减小电极间的间距可提高原电池的放电效果。同样的方法，利用该教具还可进一步做如下实验：①探究不同电极对电流的影响；②探究不同溶液对电流的影响；③探究电极面积对电流的影响。

图7b 【教具特点】

定量研究是在定性研究基础上进行的更高层次，通过该教具的使用，学生直观地看到了影响原电池放点效果的几种因素。

8、研发源于增强兴趣的需要

利用生活中的材料自制的教具可以激发学生的学习兴趣。教师要利用学生对实验的热爱，组织好实验教学。根据教材的要求和特点，精心自制一些对学生具有吸引力的演示实验教具，努力使化学课节节有收获，节节有兴趣。如学生在学习原电池原理后，通过自制水果电池，不但更好地理解科学知识，更感受到了科学的魅力。

教具8：易拉罐（铝）—空气燃料电池

【制作材料】

铝制易拉罐、枯木炭、导线、海绵、二极管（或小功率风扇）、活性MnO2粉末、饱和食盐水（或浓NaOH溶液）、H2O2溶液 【制作方法】

（1）制作燃料电池正极：取一枯木炭（市场上有售或用火烧过的也可），在海绵上平铺一些活性MnO2粉末（如图8a），并用此海绵将枯木炭包裹好（如图8b左图）；制作燃料电池负极：取一铝制易拉罐，用剪刀去除易拉罐的罐盖（如图8b右图）。

图8a

图8b

（2）将制作好的燃料电池正极放入易拉罐中，并在其中加入半罐的饱和食盐水（为增加O2的量，可在饱和食盐水中加入少许H2O2溶液），分别用导线将两电极与二极管的正负极相连（如图8c），或分别用导线将两电极与小功率风扇的正负极相连（如图8d）。

图8c

图8d 【教具特点】

该教具制作简单，可由学生自己动手实现，大大提高了学生学习电化学知识的兴趣，并使学生感受到了化学科技的魅力。同时该教具的制作材料均来源于日常生活，极大地拉近了化学与学生的距离。

三、关于化学自制教具研发的几点思考

1、教师应多参加一些自制教具相关的活动

大力开展自制教具活动，有利于促进教师以突出教学重点、突破教学难点为目的，以原有实验不足或教学过程中出现的新问题为突破口，而更加深入地挖掘教材，并钻研实验教学的规律。因此，教研部门要广泛开展一些自制教具相关类的活动，并制定奖励政策，鼓励更多的教师参与其中。

这种活动可以以教具评展的形式进行。如国家教育部为促使自制教具活动健康发展，在各地自制教具评展活动的基础上，每隔三年举办一次全国优秀自制教具评选活动，由教育部教学仪器研究所负责，该活动每次都能得到广大教师的支持，并涌现出了一大批优秀的自制教具。依据这种全国性的活动，浙江省每次也相应的举办全省优秀自制教具评选活动。省属的县市区同样也相应的举办了地区性的优秀自制教具评选活动。通过这种自下而上的活动，每次都能涌现出很多优秀的自制教具能手，并带动了一大批青年教师的积极参与。这种活动还可以以教具自制培训的形式进行。如学校可以将教具制作纳入学校校本培训计划之内，利用网络资源，从网上收集有关教具制作的文章作为培训的内容，或结合教材内容，邀请有经验的教师示范指导，讲授教具制作的方法和手工技能。所以，不管教师以哪种形式参与了自制教具活动，其自制教具的能力一定能得到极大程度的开发，因为看看别人的构思与制作，见得多了，想得多了，视野也就自然而然的开阔了。

2、教师应多参阅一些学科相关类的期刊

教具制作活动是一种运用已有知识和技能，设计方案、选择材料、加工组装成新产品，并且加以运用，进而获取新知识的综合性探究实践活动。这需要教师具有丰富的实验知识和过硬的操作技能。因此，教师在平时应多参阅一些学科相关类的期刊杂志，如北京师大杂志《化学教育》“实验教学与教具研制”栏目，华东师大杂志《化学教学》“实验研究”栏目，陕西师大杂志《中学化学教学参考》“实验园地”栏目，南京师大杂志《化学教与学》“实验教学研究”栏目，长沙理工大学杂志《实验教学与仪器》“自制教具”栏目，教育部教学仪器研究所杂志《教学仪器与实验》“仪器自制与改进”等栏目中的大量文章均介绍了化学实验教学及教具研制方面的新鲜经验和成果。如果教师经常翻阅这些杂志，那么，一定会从杂志中寻找到新鲜的教具设计与制作的灵感。

3、教师应多关注一些身边的事物

在日常生活中，很多随手可得的东西：一个饮料瓶，一只鸡蛋，一张纸，一个气球……，都可以成为我们教具的来源。如在实验中用废针筒和废输液壶或者矿泉水瓶和气球等做成简易的气体发生装置，用输液管来代替导气管，用输液管上的开关来代替止水夹，用废输液袋来收集气体等等。所以生活中并不缺少可利用的教具，而是缺少发现教具的眼睛。只要我们平常超市购物、医院看病时善于发现，善于利用，多留个“心眼”。那么生活中很多器具和废旧材料都可用来做教具，我们可以直接来用，也可以简单组装后再用，正如坛坛罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验。

总之，要制作大量适合教学的教具，平时必须做到“四留心”：留心学生：知道学生急欲解决什么样的共性问题，对哪些问题感兴趣；留心教具：知道现有的教具有什么特点，还需要补充改进或制作什么样的教具；留心材料：知道有哪些新材料的应用，这些新材料用起来如何得心应手；留心技术和方法：知道怎样应用新的技术和方法去研制教具。

第四篇：1880热轧液压活套分析与应用

热轧1880新装备&新技术

1880热轧液压活套分析与应用

王启尧 谢捷

宝钢分公司热轧厂1880 设备车间，上海 201941 摘要1880热轧活套采用新型伺服液压系统，比一热轧、二热轧活套马达控制方式响应更快、精度更高。本文主要从液压活套的伺服控制系统应用与电气控制方式等方面进行着重分析。1880热轧活套控制系统除了传统控制方式之外，还有较为先进的张力与角度结耦控制的ILQ控制方式，前机架间还可以选择投入微张力控制。针对三热轧活套的特点，对活套的控制方式和时序进行研究分析，提高活套在生产过程中的稳定性。关键词 液压系统、伺服阀、单位张力、ILQ控制

1880 hot rolling mill adopts new type hydraulic servo control system.，which have Abstract：quick response and high accuracy than the motor control loopers in NO.1 and NO.2 hot rolling mill.The thesis mainly analyzes the aspects for the application of hydraulic looper servo control system and electrical control.Besides the convention control mode，there is also ILQ control mode in NO.3 hot rolling mill，which uses the coupling control in tension and angle.It also can choose to use looperless control in the frontal stand.It analyses the control mode and timing through the loopers characteristic in NO.3 hot rolling mill in order to advance the looper stability in production.Keywords：Hydraulic system Servo valve unit tension ILQ control

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1.引言

目前，世界上带钢热连轧生产中的活套有电动和液压2种，电动活套采用低惯量快速直流电机驱动，一般从起套到升至工作角约0.5秒，到建立给定的张力则共需1S左右，又根据电动活套系统中电机的转矩与带钢张力转矩、重力转矩之合成转矩成对应正比关系，以及电动机转矩与电流对应正比关系可知，直流电机的电流便是电动活套张力控制系统的主要控制对象，通过对电机电流的动态调节，可起到活套对带钢恒张力控制的工艺目标。而液压活套系统惯量更小，快速性和追随性更优，从起套到建张的时间远小于1S,液压活套主要以安装于液压缸内有杆腔、无杆腔里的压力传感器通过检测实际液压缸输出力，并借助对应系统设定模型，将该输出力与活套对带钢的张力关联起来，来达到对带钢恒张力的控制目标。后者控制方式更为简便且应用设备成本相对前者要低。因而，液压活套的应用越来越广泛。

图1 液压活套外形图

2.液压活套控制系统应用分析 2.1 带钢张力计算模型的解析 2.1.1传统带钢张力计算模式

传统的带钢张力控制采用的是开环控制方式，在基于确定活套转角和高度的条件下，系统主要依据L2模型设定的参考值来自动控制活套驱动油缸的液压力输出，以达

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到恒张力控制的要求。

图2 活套结构几何模型图

如图2所示，，，；油缸摆角；

由此，可首先依据上文中套量与活套转角之间的对应关系求得活套转角θ的实际数值，然后由油缸内部的位臵传感器检测出油缸活塞杆的实际位移量，得出此刻l3的测量值。同时又因为，可分别求出γ和油缸摆的值。

因为Q点是转动支点，所以液压缸驱动力在P点的力矩TLP和活套在R点的力矩相等，即TLPTRT。根据图2，表达式细化为TFRR1F2l2。而F2与液压缸输出力F2之间的关系式为F2FLCOS(2－γ－ψ）＝FLCOS(＋－γ）,因液压缸驱动力FLπ可根据压力传感器检测出的油缸无杆腔、有杆腔的压力值分别与活塞作用面积的乘积的差值来求出，即FLPHEAD*AHEADPROD*AROD。

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由此，便可根据上述条件和已求得的参数值来计算出力矩TLP的实际值{TRTLPl2*FLcos()}，为下文的带钢张力传统计算模式提供必要的处理数据。

活套所受的载荷力矩如下关系式描述：

1)带钢张力作用在活套上的力矩：

；

f3()A

A-带钢横断面截面积(mm2)，-带钢横断面上单元面积的张力值〔MPａ〕，2)带钢重力作用于活套上的力矩

f4()gRW1S/2cos

9WWhL10(kg), R1为活套辊中心到支点的力臂 S带钢重量

3)活套自身重力作用的力矩f5()

f5()gRGWLcos

RG为活套辊在支点处的力臂，WL为活套自身的重量，依据1880图纸得到RG＝194mm, WL=1590kg；

4)带钢弯曲力作用在活套上的力矩：f6()

33f()4E/LWh(R1sinH1R2)R1cos 6根据材料力学弯曲力公式可演化得到

此时，依据前文总结的活套所受力矩平衡公式，TLPTRT，TFRR1F2l2, F2FLcos(/2)FLcos()等求出T的实际值，再由等式 T=+

＋

＋, 便可求出液压活套在工作状态时所需要保证的带钢横断面上单元面积的张力值

〔MPａ〕

2.1.2 融合LOAD CELL后的带钢张力计算模式

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1)带钢张力作用在活套辊上的分力合：FT(N)

作的角平分线，然后将BA、AC段上的张力分别向的角平分线上投影，便可得到带钢张力作用在活套辊上的分力合。

=

2)带钢重力:

FSgWS/2 3)带钢弯曲力：

FB4EWh3(R1sinH1R2)/L3 4)活套辊重力：

L/C5)load cell 所测的合力 F

由此，可列出load cell测量值与活套辊所受的各种载荷之和的平衡方程：

FL/CFL/COPFL/CDR(FTFSFB)cos()FL 上式中，；为load cell的安装角度，如下图3所示；

图3 load cell 装配位臵示意图

因而，〔MPa〕 带钢横断面上单元面积的张力值如此，便可获得液压活套在工作状态时所需要保证的带钢张力值。2.2 活套控制方式 2.2.1ILQ控制方式

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1880活套除了具有传统控制方式之外，还有ILQ控制方式。与传统控制方式不同的是ILQ控制方式中活套的张力与套量都是闭环控制，且张力和套量还有结耦控制。在真正的轧制控制中主要保持活套套量不变而对活套的张力进行调节。同样当前机架的速度发生变化时，会导致机架间的流量不平衡，ILQ控制方式就是保持活套值迅速增加一个额外的角度α值而保持角度不变，通过改变前机架的速度来达到调整机架间的张力，保持机架间的流量平衡。ILQ控制方式活套套量的波动比较小，相对而言对于张力调整量的值也不是很大，运用了张力和角度的结耦控制，精度比较高。但是也正是由于ILQ控制是双闭环控制和结耦控制，使得在起套和落套时相对不太稳定，所以在起套和落套时我们仍然使用传统的活套控制方式。

图4 ILQ控制原理图

2.2.2微张力控制方式

当轧制厚板时，由于厚板比较难以弯曲，使用活套控制会造成控制的不稳定，所以在机架间我们可以采用微张力控制，也就是不使用活套的机架间张力控制。三热轧FE1-F1，F1-F2，F2-F3之间具有微张力控制功能，需要注意的是F2-F3之间的微张力控制只有当F1机架空过时才能实现。当活套发生故障时，在紧急情况下我们也可以使用微张力控制。微张力控制可以预估带钢的张力，通过预估的单位张力来控制机架间的张力。

微张力控制原理如下图所示，L2下发一个机架间的单位张力，该单位张力通过机架的侧压头测得的轧制力、轧制力矩、以及PLC计算得到的机架出口厚度、L2下发的带钢宽度、和L2下发的影响系数计算得到的实际单位张力进行补正，补正后的单位张力通过PI调节器之后得到前机架的速度修正值来调节前机架的速度，从而进行机架间的单位张力调节。

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图5 微张力控制原理图

机架里侧压头采样得到的轧制力、轧制力矩经过计算后得到的单位张力实际值的准确性对于微张力控制也十分关键。当Fi机架咬钢时，Fi＋1机架的侧压头开始采集轧制力，采样周期为CPU的扫描周期50ms一次，当采集满50次之后计算一次轧制力的平均值，之后再采集到的数据就覆盖最前面一次扫描周期的数据，保证计算得到的轧制力的平均值是最新采集到的50个数据的平均值。当然在Fi＋1机架咬钢之前轧制力基本为0，在Fi＋1机架咬钢后轧制力开始变化。当Fi＋1机架咬钢时有一个锁定值，微张力开始控制，通过采集到的最新50次的轧制力、轧制力矩的平均值，以及Fi＋1咬钢后PLC计算得到的Fi＋1机架的出口厚度和L2下发的出口宽度的设定值以及L2下发的影响系数，计算得到带钢的实际单位张力。图10是轧制力、轧制力矩采样方式。

图6 轧制力、轧制力矩采样方式

3.设备维护关键要素分析

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3.1 活套辊变形在线检测手段研究

依据2050热轧生产线实际经验反馈，在高负荷、高频率的生产节奏下，且活套辊又由于自身结构的单薄性，较容易产生弯曲变形，导致轧钢时出现抖动，从而会对连轧板坯的质量要求产生较大影响。以往，由于工艺高产量要求的条件约束，同时，缺乏实时动态跟踪活套辊的在线使用状态的手段，致使机械设备维护人员只能在定修当日，用百分表对活套的径向跳动量进行检测，从而依据检测数据来确定活套是否继续在线沿用或者进行备件更换。这样不仅检测间隔周期长，而且不利于动态把握设备的运行状态，为高效管理设备制造了一定的难度。

为此，依据这段时间内对活套应用技术的理解和掌握，提出一种对1880活套变形进行在线检测和跟踪的手段，以供研讨。当活套相对于带钢作纯滚动时，活套的转动存在一定的周期性T，可由此设因活套变形而造成系统抖动的频率为f(f=1/T),随着辊子的转动，活套的起套量也以f的频率发生着变化，这个变化又可以在活套转角信号θ的频域中反映出来。

1880精轧活套辊半径为92.5mm，第i台机架带钢出口速度为Vi,则第i个活套辊的转速为ni2wi2vi/r=2vi/92.5

所以，在活套转角信号θ的频域中，若包含与该频率相近的信号，则表明该活套辊已存在变形。

经过与电气技术人员的交流，我们发现可以间接在TIMEC设计的ODG（online date gathering）在线数据收集功能图表中根据50ms/次的数据扫描频率来进行活套转角周期变化着的频率的检测和跟踪。3.2液压活套系统故障树分析图表

图7液压活套系统故障树分析图表

第五篇：断电常开技术研发与应用

披荆斩棘排困难，和衷共济搞研发

——赛文断电常开技术行业领先

断电无法供暖，住户苦不堪言

自2006年以来，全国不断加大力度开展既有建筑节能改造工作。由于北方地区采暖能耗占到建筑总能耗的60%以上，供热计量及室内采暖温控是建筑节能改造的重要内容，对此我国法律也有明确的规定，《中华人民共和国节约能源法》

第38条规定：对实行集中供热的建筑应当安装热计量装置、室内温控装置和供热系统调控装置。

最初，供热计量，尤其是“通断时间面积法热计量装置”及室内采暖温控都是直接借用中央空调系统风机盘管的温控技术，但与中央空调系统不同，北方地区供暖系统有其独特的“安全性”要求，供暖系统首先要求“防冻”，也就是说如果小区或大楼停电，必须保证暖气管上的阀门处于开阀状态，否则会冻裂供暖管道，同时室内温度过低会给用户带来极大不便。

北京某公司最早研制出通断时间面积法热计量装置，但当时该装置功能还不够完善，无法实现防冻功能，这为该公司和改造住户带来了极大的困扰。该公司将其生产的第一代通断时间面积法热计量装置用于东北某区域的既有居住建筑节能改造中。该产品在后期的使用过程中，由于缺乏防冻功能，其缺点暴露无疑。某日，该小区突然断电，而许多住户的暖气在断电之前刚好处于关闭状态，导致采暖设备无法正常运行，屋内温度过低，住户们足足冻了两天，当即引来这些住户的不满和指责，该区域的居民中有很多是行动不便的独居老人，两天没有供暖，有人因此而生病。在整个冬季，类似事情发生过几次，这让该公司和供热公司及相关部门头疼不已，与住户间的纠纷也是频频不断。因此，如何使断电前处于关阀状态的采暖设备正常运行，成为了供热计量节能改造行业发展的技术瓶颈。

赛文节能勇于承担，敢于创新

面对这个亟待解决问题，全国没有一家节能公司愿意去尝试，大家都在等待搭便车，因为这样的技术改进，需要投入大量人力、物力、财力，且可能得不到理想的结果，一切努力都会付诸东流。断电常开技术的研发看似容易，实际非常困难，当时，不仅国内无法解决这个问题，国外也无法解决。宁夏赛文节能股份公司从成立至今一直致力于成为行业的引领者，一种强烈的使命感促使赛文去解决这个技术瓶颈，做第一个“吃螃蟹的人”。为了使断电前处于关阀状态的采暖设备正常运行，赛文节能于2009年率先研发“大通径断球阀断电常开”这项技术。经过所有研发人员半年多的努力、奋战，终于有了喜人的研究成果，2010

年该项技术正式问世，在当时，这项技术属于国内独有专项技术。紧接着，赛文节能将断电常开技术应用于采暖温控节能装置（家用和公共机构）和通断时间面积法热计量节能系统两款产品，实现了采暖分户温控和分户计量，在保证室内舒适度的基础上实现最大限度的节能，断电常开的特殊功能有效解决了断电后无法正常供暖以及断电时间过长而导致管道冻裂等问题。赛文的这两款产品一经推出，就在市场上大受欢迎，并且因设备质量高、运行稳定、节能效果显著等特点受到用户和相关部门的一致好评。依靠技术创新，赛文节能走在了节能行业的最前列，成为国内首家研发出“大通径球阀断电常开技术”的公司，解决了采暖温控节能改造的技术瓶颈。

创新之路，荆棘遍地

赛文节能在研发断电常开这项技术时，也是面临了重重困难。赛文节能于2007年2月成立，研发这项技术时公司才成立两年时间，正处于初创期，与一些大型的节能公司相比，人力、物力、财力各方面的实力很薄弱，在这样的情况下搞技术研发，在别人眼里简直就是“疯了”，不可能实现的。可是就在这样的困境下，赛文毅然决然地选择了技术研发这条路。

赛文节能选择的技术研发这条路可谓是困难重重，布满荆棘。2009年，公司的创始人鲁万鑫去拜访了全国十几家大型机电产品研发、生产商，希望可以得到相关的技术支持，但是得到的回复令人失望，他们无法或不愿提供这样的技术支持，实际上，这些所谓的研发公司根本不具备真正搞研发的能力，只是完全照搬国内外现有技术而已。在碰壁之后，赛文节能决定依靠自己的力量来搞这项技术研发。研发过程中，遇到了种种困难。首先，公司研发资金严重匮乏，一项新技术的研发需要大量的资金支持，赛文节能当时仅是一个刚成立不久的中小微企业，资金实力本来就不雄厚，为了解决这个问题，公司的创始人鲁万鑫先生将自己的自有资金投入到技术的研发中。其次，研发人才严重短缺，我国一直以来都处于产学研脱节的状态，研发人员基本都集中在各高校和一些研究机构，因此，企业非常缺乏这样的研发人才，为了解决这个问题，公司专门聘请了北京科技大学的相关专家和阀门控制方面的专家一起研发这项技术，经过半年多的努力，克服了种种技术困难，终于研发出“大通径球阀断电常开”这项核心技术。

攻克难题，多方受益

该核心技术的攻克不仅解决了让供热公司和住户等为之头疼的事情，更为重要的是推动了采暖温控节能改造技术的发展。赛文节能“大通径球阀断电常开”技术的研发，推动了整个行业的技术进步。为了在市场竞争中争得一席之地，习惯于“搭便车”的公司纷纷开始效仿赛文研发的这项技术，从2010年这项技术

问世至今，“大通径球阀断电常开”这项技术基本得到普及，采暖温控节能改造的技术瓶颈得到解决。坚持以技术创新为主的赛文，有着促进整个节能行业发展的强烈使命感，正是这样的使命感促使赛文节能在困境中毅然致力于攻克节能相关核心技术，基于这样的技术优势，赛文节能已经走在了节能行业的前列，并确立了在西北地区的主导地位，目前，正以成为“节能服务行业引领者”为目标在不断奋进。