绞吸式挖泥船泥浆输送自动控制系统研究外文翻译资料

 2021-12-12 09:12

英语原文共 26 页

文摘:疏浚船舶的自动化一方面是由技术水平决定的,尤其是自动化和控制、传感器等。另一方面通过数学的发展描述疏浚中不同过程的模型。事实上,作者认为过程描述对于自动化是必不可少的。

迄今为止,已经进行了许多尝试来自动化/控制液压运输过程。

泥浆输送用于疏浚和采矿,以长距离输送固泥浆体/液体混合物,在泥浆运输中经常使用多个泵。描述所涉及的过程,通常是稳态使用方法。然而,稳态过程需要系统在吸嘴处有恒定的密度和固体性质。实际上,众所周知,固体性质和密度随时间改变。因此,泵的排放压力和真空将随时间而变化且管道阻力将随时间和地点而变化。排放压力的变化将一方面改变泵驱动轴上的扭矩,另一方面改变流速。管道中的混合物必须加速或减速。因为离心泵响应变化混合物通过泵时的密度和固体性质,而管道阻力由管道作为一个整体的内容决定,这形成了一个复杂的动态系统。惯性混合物的压力必须加到混合物的阻力上。事实上,在管道系统中惯性压力总是等于泵产生的总压力和混合物总阻力之间的差值。如果该差值为正(泵压由于混合物密度),混合物将加速。如果为负,混合物将减速。作为加速和减速的结果,混合速度(线速度)将作为以下各项的函数而变化。为了实现稳定的疏浚过程,要求线速度变化不大。这可以通过改变其中一个疏浚泵的转速来控制线速度,最后一个泵位于首选。当然,流量控制的结果取决于泵/管道布局。如果此布局不是设计正确的方法,那么流量控制不能纠正不好的设计。然而,如果该布局设计正确,流程控制可以控制线速度并防止气蚀的发生。

本文试图对这一动态系统进行建模,并给出自动化的边界条件流量控制。从物理过程描述中推导出数学公式/算法。这显示了有和没有流量控制的模拟结果。

1.介绍

多泵/管道系统由具有不同动态行为的组件组成。模仿这样的系统,应该从子系统的简单数学描述开始,以便能够确定系统行为对其中一个子系统的变化的敏感性。以下子系统可以区分:
- 管道中的沙/水浆料
- 离心泵
- 泵驱动器
- 流量控制(可选)
该系统一方面受到每个泵入口处的气穴现象的限制,另一方面受到固体沉降的限制,另一方面导致管道堵塞。空化将在高线速度或高速下发生。考虑泵吸入管中的固体浓度。沉降将以线速度发生低于所谓的临界速度。临界速度取决于颗粒分布和固体浓度。在这两个限制之间,需要稳定的运输过程。一个稳定的状态过程只有当固体特性和固体浓度在时间上恒定时才有可能。但在实践中这个过程不会永远是这样。诸如粒度分布的固体特性将随时间而变化放置固体浓度。浆料流的阻力取决于固体特性和浓度。如果考虑长管道中浆料流的总阻力,则固体的变化由吸嘴处的性质和浓度将导致总阻力的缓慢变化,因为只有a管道的一小部分填充了新的浆料,而大部分管道仍然充满了已经存在的浆料,除了最后离开管道的泥浆。如果抽吸比较短考虑到这一点,这导致第一泵入口处真空的快速变化。然而,泵的总压头立即响应固体性质和浓度的变化。
如果假设浓度突然增加,则泵的总压头几乎会成比例增加,随着压头增加。这将导致更高的流速,但是,由于浆料质量的惯性。在管道中,浆料质量必须加速,因此流速对总量的变化响应缓慢。总压头的增加也导致泵驱动器的扭矩和功率的增加。减少泵驱动转数,从而减少总扬程。由于泵的惯性,系统不会立即回应。很明显,所有不同系统之间都存在相互作用的子系统。这些相互作用可以从非常慢到直接快速。为了能够建模系统,首先应该知道子系统的特征行为。

2.固体颗粒沉降速度

如前所述,砂/水混合物由含有沙粒的水组成。沙粒可以在

水中悬浮或沉降。颗粒的沉降速度在水力运输中起着非常重要的作用。特别是与弗劳德数相关的弗罗德谷物沉降数,通过管道的流量决定了沙/水流量的流动状态。 能够确定根据方程式22的粒度分布的弗劳德数,晶粒的沉降速度为a,应该知道粒径的函数。 晶粒的沉降速度取决于晶粒尺寸,形状和比重。 它还取决于颗粒沉降的流体的密度和粘度,取决于沉降过程是层流还是湍流。 通常,沉降速度v可以是用以下等式确定:

(1)

沉降过程的雷诺数决定了该过程是层流还是湍流。该雷诺数可以通过以下方式确定: (2)

阻力系数Cd取决于雷诺数,根据:

(3)

(4)

(5)

Stokes,Budryck和Rittinger使用这些阻力系数来计算层流沉降的沉降速度(斯托克斯),沙粒的过渡区(Budryck)和湍流沉降(Rittinger)。 这给出了以下内容。沉降速度方程:

(6)

(7)

(8)

在这些方程中,晶粒直径以mm为单位,沉降速度以mm / sec为单位。由于方程式对于砂粒而言,砂粒的形状因子用于确定方程中的常数。通过将阻力系数除去,可以将形状因子引入阻力系数的方程中。对于普通砂岩,该形状因子的值为0.7。水的粘度依赖于温度。如果使用10°的温度作为参考,则粘度在0°时增加27%,在20摄氏度下降30%。由于粘度影响雷诺数,因此沉降速度为层流沉降也受粘度的影响。对于湍流沉降,阻力系数不依赖于雷诺数,因此这个沉降过程不受粘度的影响。其他研究人员使用这些方程中的常数不同,但这些方程式足以解释杜兰德理论的基础知识。

上述方程计算了单个颗粒的沉降速度。颗粒物向下移动,同样体积的水必须向上流动。在混合物中,这意味着当许多颗粒物沉淀时水的平均向上速度是存在的。这导致沉降速度降低,这通常

称为受阻沉降。然而,在非常低的浓度下,沉降速度会增加,因为颗粒物沉淀在彼此的阴影中。理查森和扎基确定了一个等式来计算体积浓度Cv介于0和0.3之间时受阻沉降。这个方程中的系数是相关的雷诺数。通用公式得出:

(9)

3.匀速水流的压力损失

当水流过管道时,压力损失可以用众所周知的Darcy Weisbach方程确定:

(10)

摩擦系数lambda;的值取决于雷诺数:

(11)

对于层流(Re lt;2320),lambda;的值可以根据Poiseuille确定:

(12)

对于湍流(Regt; 2320),lambda;的值不仅取决于雷诺数,还取决于相对管道粗糙度ε/ D. lambda;的一般隐式方程是Colebrook-White方程:

(13)

对于非常光滑的管道,相对粗糙度ε/ D的值几乎为零,从而产生Prandl和von卡曼方程式:

(14)

在非常高的雷诺数下,2.51 /(Resdot;radic;lambda;)的值几乎为零,导致Nikuradse方程:

(15)

因为等式21和22是隐含的,所以对于平滑管道,可以使用近似等式。 为一个雷诺数在2320和105之间,Blasius方程给出了一个很好的近似值:

(16)

对于105到108范围内的雷诺数,Nikuradse方程给出了一个很好的近似值:

(17)

4.非匀速流动的压力损失

为了确定异质流的压力损失,可以使用许多理论,例如
Durand / Condolios / Gibert,Fuhrboter,Jufin / Lopatin和Wilson。 在本文中,杜兰德/康多利奥斯/吉伯特将使用理论,进一步称为杜兰德理论。 杜兰德假设一个明确的防水性管道应乘以一个因子,取决于线速度,粒度分布和浓度,根据:

(18)

其中:

(19)

并且

(20)

右手边的第二个术语给出了所有弯曲处,阀门等的阻力。第三个术语给出了重力的阻力和第四项的惯性阻力。 既然是管道中流动的弗劳德数,是颗粒物沉降过程的弗劳德数,方程式19也可写成:

(21)

在普通的沙子中,不仅有一个阻力,而且必须考虑粒度分布。 粒度分布的弗劳德数可以通过将弗劳德数作为函数来确定。
根据:

(22)

当流量减少时,将会出现颗粒开始沉淀的时刻。该相应的线速度称为临界速度。 虽然在文献研究方面不同意在临界速度的公式中,临界速度的值通常通过微分方程得出关于线速度c和取值为c的值,其中导数等于零。 这给出了:

(23)

在线速度小于临界速度沉降时,管道横截面的一部分充满沙子,导致沉积物上方的流速更高。 杜兰德假设之间存在平衡沉降和冲刷,导致弗劳德数等于临界速度下的弗劳德数。

(24)

通过使用水力直径概念,线速度小于临界速度,速度可以
决定。

  1. 离心泵

离心泵的行为可以用欧拉脉冲力矩方程描述:
(25)

(26)

由于叶轮叶片和流动的不协调,叶片的数量有限,叶片厚度和叶片的宽度在流体的内部摩擦中,欧拉压力Delta;pE必须用因子k校正,其值为约0.8。 然而,该因素不会影响效率。 由此产生的等式必须针对损失进行校正与墙壁的摩擦接触以及泵中的偏转和分流以及入口和管道的校正影响损失。 摩擦损失的压力降低是:

(27)

(28)

(29)

这是Q中的二次多项式。泵中的流体密度rho;f可以是a的密度均匀流体(用于水rho;w)或通过泵的混合物rho;m的密度。
可以通过除以添加到流量的功率来确定泵的总效率乘以柴油机输出的功率.齿轮箱,泵轴承等摩擦损失所需的功率,这给出:

(30)

对于效率曲线,三次多项式近似满足,而功率和扭矩曲线
近似直线。 通常将针对特定叶轮直径测量泵特性和转数。 然而,在动态系统中,泵转速将发生变化。 这是一方面。另一方面,手动或自动流量控制的泵驱动扭矩/速度曲线的结果。这意味着在不同的泵速下也应该知道泵的特性。 所谓亲和力描述了不同的叶轮直径或转数对泵头,流量和流量的影响效率:

(31)

效率不会改变,但水平轴上的流量值会发生偏移。功率和扭矩的亲和力定律可以很容易地从这些方程中推导出来

(32)

(33)

(34)

(35)

其中nm,Dm和Qm是头部测量中使用的转数,叶轮直径和流量和效率曲线。 基于这一理论,本文在案例研究中使用的两台泵的特点,在图1和图2中给出了两个泵。两个泵都受到相应的恒定扭矩特性的限制柴油发动机在全燃料范围内。 图1和图2给出了水的泵特性。 如果是混合物,泵送泵头由于混合密度而增加,正如已经指出的那样讨论方程式10,泵效率降低,因为异质混合物流过泵。 效率的降低取决于平均粒径,叶轮直径和固体浓度可以用(根据Stepanoff)确定:

(36)

6.泵驱动器

疏浚中使用的泵驱动器是柴油直接驱动,柴油/电动驱动和柴油/液压驱动。在额定运行速度下,最大负载与标称全扭矩点重合。如果扭矩较小,那么标称全扭矩,发动机转速通常随着扭矩的减小而略微上升。这是由泵控制速度。其程度取决于所安装的调速器的类型。如果发动机负荷增加到高于全扭矩点,则速度降低并且发动机完全运转燃料范围。对于大多数柴油发动机,由于速度的降低,扭矩会略微增加。提高燃油泵的效率。当负荷进一步增加时,可以产生不完全燃烧的空气和发动机失速。扭矩迅速下降,严重污染的气体被排放。会达到烟雾限制。通常,全扭矩点和烟雾极限之间的速度范围称为恒定扭矩范围。
因此,柴油发动机的扭矩/速度特性可以通过恒定的全扭矩来近似标称运行速度,然后快速降低调速器范围内的扭矩。然而,该特性对于柴油发动机的稳态过程是有效的。当柴油的速度变化,负荷会发生变化,但也必须考虑柴油的惯性效应。该柴油机齿轮箱和离心泵组合的运动方程,减少到轴线离心泵,是:

(37)

在稳态情况下,由柴油发动机Td.e传递的扭矩。 等于所需的扭矩液压输送Th.t.,因此柴油的角加速度为零。 如果Td.e. 比Th.t.更大了转速将增加,如果Td.e。 比Th.t.小,转数会减少。 如果这两个扭矩近似与实际角速度之间的差值成正比
标称工作角速度:

(38)

(39)

(40)

其中T是任意时间的角速度,定义为t = 0。 使用时域计算时间步长,时间步n的角速度现在可以写成时间角速度的函数步骤n-1和设定点角速度T根据:

(41)

7.泵/管道系统说明

在稳态情况下,泵的转速是固定的,线速度是恒定的并且固体管道中的性质和浓度是恒定的。系统的

资料编号:[5661]

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