动态试验范文

动态试验范文（精选10篇）

动态试验 第1篇

龟裂指土体失水干缩产生裂纹, 是一种自然界常见的层面构造现象, 尤其是在长期干旱、高温的环境中更为严重[1]。随着人类经济和科技的飞速发展, 全球气温变暖和城市热岛效应日趋严重, 龟裂引发灾害的频率和程度逐年加剧, 其对多个行业皆造成了严重的影响[2]。

由于龟裂危害越来越严重, 使得众多专家学者对其进行了不同方向的研究。如Johnston&Hill, Johnston对农作物行间距对土壤龟裂的影响进行了研究, 发现最大裂纹往往发生在行间距的中间;Bronswijk[3]对受龟裂作用的粘土进行了研究, 建立了土体垂直运动和含水量变化之间的理论关系;Morrisetal[4]建立了裂隙深度、土体特性和吸力分布之间的理论关系, 并提出了线弹性、线弹性断裂力学 (LEFM) 、剪切破坏3种预测土体开裂深度的方法。姚海林[5]在前人研究的基础上, 利用弹性力学和断裂力学的理论提出了扩展深度、裂缝间距和裂缝开度的数学表达式;唐朝生[6]等利用计算机图像处理技术, 对不同粘土厚度、干湿循环次数和土质成分的龟裂进行了研究分析, 得出了影响粘性土表面干缩裂缝结构形态的因素及定量分析。文章对不同配比材料下粘土龟裂过程进行了室内试验研究。

1 试验方案

设计了2个平行试验进行研究。试验模型是20 cm×15 cm×12 cm (长×宽×高) 的玻璃箱。试验材料为高膨胀性的膨润土。试验在自然通风顺畅的室内进行。步骤是:首先在膨润土中加水至饱和并能自由流动状态, 然后倒入玻璃模型至7 cm高, 定时称重和进行定点定高度拍照, 详细记录其动态开裂过程。

2 试验结果及分析

试验开始后, 定期对试样进行称重和拍照观察, 然后基于Aotu CAD软件进行数据处理。根据质量和表观裂隙率 (试样表面裂隙的面积与总面积之比) , 把粘土龟裂过程分为孕育、快速发展、稳定3个阶段, 如图1所示。

2.1 孕育阶段

在试验的前170 h, 试样表面未观察到开裂迹象, 只有玻璃箱边界有略微的收缩痕迹。试样质量在本阶段稳定下降但并没有引起裂纹的产生, 此阶段可理解为粘土龟裂的能量积蓄阶段或者裂纹的孕育阶段。随着试验的进行, 粘土龟裂动态演化过程如图2所示

2.2 快速发展阶段

当试验进行到240 h时, 在边界范围内产生了1号和2号裂纹 (裂纹编号按产生的时间顺序排列) , 两者与边界的角度分别是152°和153°, 如图2 (b) 所示。前期试验中也发现了众多首条裂纹与边界150°左右形成的例子, 这说明首批裂纹受边界影响显著。随着时间延长和质量减少, 1号和2号裂纹长度和宽度逐渐增加, 这就诱导了下批次裂纹的产生。裂纹增多、宽度变大及深度变深, 显著地加快了水分蒸发。水分的加快蒸发又促进了裂纹的进一步发育, 二者形成良性循环, 在图1中表现为质量曲线表观裂隙率曲线的斜率均变大。280~350 h段气温降低并伴有降雨, 影响了裂纹的发育, 造成了图1中此段表观裂隙率的相对平缓。350~600 h是主要裂纹的形成期, 3~10号裂纹均是在此时期形成, 其中3~6号裂纹甚至发育贯通, 至此便奠定了土样龟裂的大框架。此时期裂纹发展速度最快, 表观裂隙率增长了37%, 如图1所示。

图2 (c) ~图2 (e) 是本阶段裂纹发育过程的照片。从图中可以看出, 第二批裂纹的开裂路径基本上都是垂直于首批裂纹, 裂开的土块形状也以四边形为主, 垂直开裂使土体开裂具有自相似性。同一块体上的裂纹之间相互影响会导致有的裂纹收缩甚至最后闭合, 如图2 (e) 所示。

2.3 稳定阶段

进入本阶段后, 土体龟裂仍在持续发展但基本格局却不再发生变化。表现为:随着时间的增长, 裂纹的宽度发生显著变化, 土体的块数不再增加, 虽说还有极小裂纹的发育, 但是都很小并且深度很浅, 发展速度也极度缓慢, 不会影响格局的改变。图2 (f) 显示, 主干裂纹的宽度已经发育很大, 而且其颜色也逐渐发白 (含水量下降到一定程度所致) , 裂开的较小的块体已经可以自由移动, 边界开裂时附着在玻璃壁上的小土块脱落, 试样龟裂发育完毕。

2.4 边界效应

试样在龟裂过程中始终受着边界的显著影响。在裂纹未出现之前, 边界已经出现了收缩痕迹, 此后更是随着质量的下降而快速发育, 在稳定期其面积已经占到了试样总面积的25%左右, 如图3所示。

2.5 受力分析

本次试验粘土的龟裂主要受剪涨和拉张力控制, 表现为裂纹水平和垂直发育, 自孕育期到稳定期都没有观察到土体扭转。在稳定期前, 试样裂纹主要是水平张开和垂直起伏;稳定期后, 试样含水量降到一定程度, 水分蒸发引起向上的收缩力可能会超过了土体分子间的粘结力, 致使块体中间产生中间裂纹, 如图4 (a) 所示。

图4 (b) 是试验结束后留在玻璃模型的底部痕迹。在试样裂成小块时, 块体的四周和上部直接与空气接触, 引起了小块的不均匀收缩。边缘的收缩力将小块四周拉起, 形成了底部的圆形痕迹。

3 结论

(1) 根据质量和表观裂隙率, 将粘土龟裂过程分为3个阶段:孕育阶段、快速发展阶段和稳定阶段。孕育阶段是蓄能期;快速发展阶段是裂纹的主要发育阶段, 骨干裂纹都是在此阶段发育, 并最终确定龟裂框架;稳定阶段仍有细小裂纹产生 (需等待很长时间) , 裂纹的宽度也不断增加, 但表观裂隙率增大缓慢, 龟裂格局不变。

(2) 龟裂发育过程受边界条件影响显著, 特别是首批裂纹的产生。快速发展阶段发育的第二批裂纹多与前期裂纹近乎垂直相交, 龟裂具有自相似性。

(3) 裂纹发育主要受剪涨和拉张力控制, 裂纹水平和垂直发育, 无扭转发育现象出现。

文章研究成果可为埋深大的巨厚层粘土煤矿的井筒缩径、井壁破坏、井壁下沉等工程提供技术支持和理论依据, 特别是我国鲁西南和徐淮地区的矿区, 亦可运用在农田水利、环境保护、土地资源利用、路基失稳等方面。

参考文献

[1]罗国煜.关于地裂缝地质灾害的优势面分析[J].江苏地质, 2006, 30 (1) :1-5.

[2]殷跃平, 张作辰, 张开军.我国地面沉降研究现状及防治对策研究[J].中国地质灾害与防治学报, 2005, 16 (2) :1-8.

[3]Bandyopadbyay K K, Mohanty M, Painuli D K.Influence of tillage practices and nutrient management on crack parameters in vertisol of central India[J].Soil&tillage research, 2003, 71:133-142.

[4]Morris P H, Graham J, Wiliams D J.Cracking in drying soils[J].Canadian Geotechnical Journal, 1992, 29:263-267.

[5]姚海林, 郑少河, 陈守义.考虑裂隙及雨水入渗影响的膨胀土边坡稳定性分析[J].岩土工程学报, 2001, 23 (5) :606-609.

动态粘弹谱仪的改进与试验分析 第2篇

动态粘弹谱仪的改进与试验分析

对引进的.动态粘弹谱仪串行通信接口进行分析,用工业控制计算机和数据采集卡替代电传打字机控制测试流程,将测试结果保存于计算机中进行数据处理,使得试验、采集、处理自动完成.

作 者：方蜀州 许强 作者单位：北京理工大学机电工程学院,北京,100081刊 名：固体火箭技术 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF SOLID ROCKET TECHNOLOGY年，卷(期)：26(4)分类号：V512关键词：固体推进剂 粘弹性 数据采集处理 串行通信

发电机励磁调节器的动态试验研究 第3篇

本台产品的型号为ODFPZ-335000/500，一个变压器油箱内有两个铁心和两个器身，两个器身上的绕组互相连接，结构很复杂，具体的绕组连接图如下：

图1 变压器绕组连接结构图

该变压器分为主体和增压两个变压器，主体变为3柱铁芯，主柱上绕有平衡绕组TV，调压绕组TAP，公共绕组CV和串联绕组SV；增压变主柱上绕有增压绕组BV和励磁绕组EV。采用这一结构的目的是为了降低有载分接开关的绝缘水平，设置了高低压等匝的增压变，增压变的励磁绕组与主体变的调压绕组相并联。调压方式为主体变恒磁通调压方式，增压变变磁通调压方式。

核电站动态试验设置 第4篇

关键词：核电站,动态试验,设置

1 设置目的

动态试验是核电站功率试验阶段的重要调试内容, 目的是系统性的检验机组主要调节器性能, 检查动态过程中机组主要工艺参数和堆芯热工物理参数的变化范围是否符合设计要求, 同时检查相关工艺联锁和保护设置是否合理、正确动作, 根据试验结果对工艺设备参数或控制调节逻辑进行适当的调整或变更。同时合理安排试验项目尽可能减少机组的动态过程和重要设备的启停次数。

2 试验分类

根据试验所要验证的主要对象和参数, 一般核电站动态试验可归类为以下6类:

第一类:堆芯热工物理相关试验。主要验证一回路冷却剂建立自然循环能力及确定各环路间冷却剂搅混因子。由于试验结果取决于一回路固有的设计特性, 一般在首台机组上进行。

第二类:全厂失电试验。主要验证应急和机组柴油机自动启动及分级带载功能符合设计;反应堆紧急停堆功能实现;主泵惰走和自然循环时堆芯余热导出的可靠性和有效性。

第三类:停机、停堆试验。停机试验主要验证汽轮机停机后, 能正常触发反应堆快速预保护、预保护 (APP、PP1) 正确动作, 旁排系统正常动作。停堆试验主要验证反应堆停堆保护和汽轮机保护正确动作, 旁排系统正常动作。

第四类:负荷变化试验。主要验证汽轮机电液控制系统的工作能力及电液控制系统与反应堆控制系统之间动作逻辑匹配性。

第五类:设备故障快速降负荷试验。切主泵和切给水泵试验主要验证反应堆快速预保护、预保护 (APP、PP1) 与电液控制系统的动作逻辑匹配性;验证电液控制系统在PP1动作期间和动作结束后, 维持主蒸汽母管压力的能力。切循泵和切凝泵试验主要验证电液控制系统按设计要求降功率到设定值, 电液控制系统与反应堆控制系统之间动作逻辑匹配性。

第六类:甩负荷到厂用电试验。主要验证电液控制系统甩孤岛运行的能力;维持机组带厂用电稳定运行;验证反应堆快速预保护、预保护 (APP、PP1) 正确动作, 降功率到设定值。

3 验证要求

根据设计要求, 在机组稳定功率运行时, 一、二回路主要参数通过主要调节器 (反应堆功率调节器、稳压器液位调节器、蒸汽发生器液位调节器、一回路压力调节器、二回路压力调节器和汽机调速系统等自动装置) 来维持。一般核电机组对电网而言是基荷运行方式, 主要调节器维持对应功率水平下的各自的被调量。动态试验主要是检验这些主要调节器的协调工作能力。如果一、二回路的功率与负荷平衡, 则机组是稳定的, 反之, 机组必然从一个稳态过渡另一个稳态。动态试验实质就是从一回路或二回路引入功率扰动, 人为打破一、二回路的能量平衡, 检验机组能否自动恢复能量平衡, 在这一过程中起作用的是调节器的调节、相关自动联锁功能动作和操纵员的干预。

某核电站组动态试验引入的一回路功率扰动见表1。

某核电站动态试验引入的二回路功率扰动见表2。

对于关闭主汽门和断开500k V开关的试验, 从一、二回路输入的扰动几乎是同时的。

从引入功率扰动的量大小和速度快慢的角度, 我们可以考虑在后续电站调试中减少部分动态试验, 见表1中灰色行。从机组实际负荷波动大于该值的角度, 表2中灰色行也没必要进行。

注:PP1速度:控制棒组以工作速度插棒时堆功率的下降速度, 在APP不动作时约0.3%Nnom/s.APP+PP1速度:APP棒组在瞬间落入堆芯底部 (1~2s内) , 同时PP1开始降反应堆功率, 两种合作用的平均速度, 根据1号机组试验的结果, 该速度在0.72~1.2%Nnom/s范围内.需要提醒的是控制棒改变堆功率的速度受初始的棒位、燃耗和APP棒组是否落入堆芯影响.

注:T速度:反应堆功率调节器处于T模式下的改变堆功率的速度.其最大值为PP1速度.括号内的数值为电液调节器的功率变化速度.

除了验证功率扰动下主要调试器的性能, 动态试验还要确认重要工艺参数的变化现象或设备能够稳定运行的参数范围, 考察重要工艺保护和联锁设置是否合适。例如:汽机旁排和大气释放阀的动作定值, 紧急停堆定值 (主蒸汽压力、蒸汽发生器液位、稳压器液位、给水流量偏差等) , 一回路稳压器喷淋定值, 蒸汽发生器切除主泵的液位定值, 主给水泵投切的流量联锁定值, 反应堆功率限制方面的联锁和保护设置等。

此外还要确认一些物理对象的基本属性。例如:重要保护动作 (停堆保护、反应堆快速预保护) 的延迟时间, 主给水泵切除后反应堆降功率的速度, 主汽门关闭的速度, 甩负荷到厂用电的速度, 切除部分主给水泵后给水流量下降的速度, 控制棒的效率, 控制棒下落时间, 汽机旁排和大气释放阀的流量特性等。

4 遵循原则

核电机组强调安全和质量, 核安全是从事一切工作的首要考虑因素。在设置机组动态试验时首先应当遵循保守的原则。机组在设计上有若干个稳定功率运行的状态, 例如满功率运行、偏环运行、厂用负荷运行、堆功率40%稳定运行、电负荷50%稳定运行等, 机组的动态特性随功率水平不同而有差异, 必须在不同功率水平进行各种扰动试验, 得到若干试验曲线, 以便发现最不利的情况, 对调节器参数做出合适的设定。

其次在整体规划动态试验时, 要遵循扰动逐渐增大的原则, 即先小后大, 先易后难, 根据各次试验时各个调节器的响应动作、工艺参数变化的各种现象、关键设备的切换、主要联锁的动作情况, 能够预判下一个试验存在的潜在风险, 并制定风险控制预案和其它纠正措施, 从而逐步达到机组整体动态性能的优化。

5 结论

动态试验 第5篇

在分析机车试验装置原理的基础上.介绍TB/T 3184--2007<机车整车试验动态检测装置技术条件>的制定背景、运用范围和技术要求,详细解读标准中的各个试验项目,并对完善标准提出建议.

作 者：张浩 喻贵忠 黎莎 Zhang Hao Yu Guizhong Li Sha  作者单位：张浩,Zhang Hao(中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北,武汉,430063)

喻贵忠,Yu Guizhong(北京铁路局石家庄电力机务段,河北,石家庄,050091)

黎莎,Li Sha(北京铁道工程机电技术研究所,北京,100070)

刊 名：铁道技术监督 英文刊名：RAILWAY QUALITY CONTROL 年，卷(期)：2009 37(5) 分类号：U260.146 关键词：机车检修   段修   机车试验   整车试验   动态检测   试验装置  

★ 简单的木马病毒检测方法

★ 食品添加剂检测方法

★ 鼻息肉治疗方法介绍

★ 语文古诗词背诵方法介绍

★ 有关玫瑰花的种植方法介绍

盐岩动态拉伸特性的试验研究 第6篇

1 平台巴西圆盘试验

目前,岩石抗拉强度的室内测定方法较多,主要可以分为两种[2]:直接拉伸试验和间接拉伸试验,后者又称劈裂试验或者巴西试验。岩石直接拉伸试验时,要将岩石加工成细长的回旋体试样,比较费工而且加工成品率很低,同时要使夹具拉力与试样轴线保持重合也比较困难,试验数据的均方差值很大;圆盘劈裂试验这种方法起源于南美洲。它是将经加工的圆盘状(或正方形板状)试件,横置于压力机的承压板间,并在试件的上、下承压板之间各放置一根硬质钢丝作为垫条,然后加载使试件受压,试件沿径向产生张拉破坏,以求其抗拉强度。

本次试验中,采用平台巴西试验装置对三组盐岩试样进行了静态劈裂试验,试验装置及盐岩试样如图1所示。

巴西试验的基本假定是试验的材料为理想线弹性材料,而盐岩作为脆性材料抗拉强度的试验结果取值应十分谨慎。但是在对盐岩试样进行间接拉伸的巴西试验结果分析后发现,盐岩试样的破坏形式与普通岩石基本一致,都是由圆盘试件的中心附近开始破裂,最后裂成两个半圆形。盐岩的静态巴西劈裂拉伸试验结果如表1所示。

2 SHPB劈裂试验

SHPB实验装置的雏形是由Hopkinson于1914年提出来的。1949年Kolsky将压杆分成两段,试件置于其中,从而使这一装置可用于测量材料在冲击载荷下的应力应变关系。这个装置不仅使实验室高速加载容易实现,而且在加载方式上由最初的单轴压缩向三轴压缩或拉伸、扭转方面演化发展,使岩石在高应变率加载下的各种动态特性的研究成为可能。

为了研究盐岩的动态拉伸强度,在本次SHPB劈裂试验中,把在静态拉伸强度试验中取得成功的平台巴西圆盘引入动态试验,利用SHPB试验装置对试样进行动态加载。SHPB试验方法的基本核心是弹性杆中一维应力波的传播。试验采用的SHPB试验装置主要由撞击杆、入射杆和透射杆组成,压杆中的脉冲信号(主要是包括入射杆上的入射和反射信号以及透射杆上的透射信号)通过应变片来测量。应变率是界定材料动态性能的一个关键参量,同时研究发现常应变率状态还是防止二维效应的一个重要条件。在本次试验中通过改变整形器的直径和改变加载速度,获得了常应变率加载,为进一步研究盐岩动态拉伸强度的应变率效应提供了条件。

由于本次试验为探索性试验,主要为以后的试验取得经验,故盐岩试样较少,应变率的变化范围也不是很大。在应变率较低时,试样的破坏形式同静态平台巴西圆盘试验基本相同,由圆盘试件的中心附近开始破裂,最后裂成两个半圆形;在应变率不断变大的情况下,试件会在近似静态时径向劈裂破坏的同时,伴随加载区域附近的局部压碎破坏,甚至更大范围的粉碎破坏。四组盐岩试样的动态劈裂试验结果如表2所示。

根据SHPB劈裂试验结果,不同的盐岩试样在试样尺寸、密度、高径比以及平台巴西圆盘试验中心角基本相同的情况下,针对不同的应变率,盐岩试样的动态拉伸强度变化较大,盐岩的抗拉强度与应变率的关系曲线如图2所示。

3结语

通过对盐岩试样进行静态平台巴西圆盘劈裂试验以及SHPB劈裂试验,获得了盐岩动、静态情况下的抗拉强度及破坏形式,分析了盐岩动态拉伸强度和破坏形式随应变率的变化关系。实验表明,盐岩在1.41s-1,2.02s-1,4.52s-1三种不同应变率时的动态拉伸强度分别是静态测定的抗拉强度平均值2.26MPa的1.36倍,2.20倍和2.98倍,盐岩的动态拉伸强度具有明显的应变率相关性,并且随应变率的升高动态拉伸强度明显增大。同时在破坏形式上同样具有应变率相关的特性:应变率较低时,由圆盘试件的中心附近开始破裂,最后裂成两个半圆形,而在应变率较高时试件会在近似静态时径向劈裂的同时,伴随加载区域附近的局部压碎破坏,甚至更大范围的粉碎破坏。

摘要：采用SHPB试验装置对盐岩平台巴西圆盘试样实施了动荷载试验,获得了盐岩在动荷载下的拉伸强度,并与静态实验进行了比较,结果表明盐岩的动态拉伸强度具有明显的应变率相关性。

关键词：盐岩,动态,拉伸强度,应变率

参考文献

[1]苏碧军,王启智.平台巴西圆盘试样岩石动态拉伸特性的试验研究[J].长江科学院院报,2004,21(1):22-25.

车用柴油机动态排放的试验设计 第7篇

随着柴油机燃烧性能、控制方式以及结构性能的不断改进,柴油机在车辆动力市场的份额逐渐增长[1],因此对其性能进行正确的评估日益重要。

车用柴油机排气污染物的研究是当前国际社会和学术界关注的焦点之一[2]。我国在车用柴油机排放测试方面的研究起步较晚。20世纪80 年代以来,国内高校及研究所陆续开展了一些研究工作,并取得一定的成果,但还有许多问题没有得到全面解决,尤其在动态行驶过程中排放性能的测试,基本上还依靠稳态试验反复测试的结果和经验进行处理[3,4]。采用上述传统的试验方法来评估车用柴油机的排放性能,不仅效率低、费用高,而且还具有一定的盲目性和局限性。另外,经研究发现,柴油机动态工况的排放性能与稳态工况的排放性能差别明显。动态工况下,由于各系统的响应影响,柴油机的排放性能明显恶化。因此,根据稳态试验的结果来推断动态特性,其正确性难以保证。

本文借助某机动车检测中心的先进设备,搭建了车用柴油机动态排放试验台架,达到模拟车辆行驶过程中柴油机动态工况的目的。根据实际经验将动态工况简化为3种,并采用正交设计的数学手段合理设计试验方案。按照相关国家标准,采用直接取样和定容稀释取样方法进行车用柴油机动态排放性能试验,系统地研究了车用柴油机的动态排放试验技术。

1 试验方法及试验设备

动态排放试验在某国家机动车检测中心进行,试验设备如表1所示。其试验对象为国产涡轮增压中冷柴油机。基本参数如表2所示。

试验过程严格遵循GB17691-2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ阶段)》和GB/ T18297-2001《汽车发动机性能试验方法》的规定。正确测定排放污染物含量必须有正确的采样方法和取样系统。本文采用直接取样法和定容稀释取样法,这也是目前各国在排气检测中主要采用的方法。

直接取样法是将测头插入柴油机的排气管内直接采集一部分排气的方法,现已在各国排气法规中使用[3]。直接取样法是最为简单的一种取样方法,也是应用最为广泛的取样方法,特别是在发动机动态排放性能的研究方面,由于系统结构组成简单,所以有很好的动态性。本试验直接采样系统布置了2个直接取样点,在原来直接取样点b的基础上,在靠近柴油机处增加布置了一个取样点a,取样系统从柴油机排气管道抽出部分气体,然后依次通过OVN分析仪和MEXA分析仪,最后排出。其结构如图1所示。

定容稀释取样系统是一种典型的全稀释取样系统,它将柴油机全部排气用外部导入的清洁空气予以稀释,稀释比按照排气流量不同而变化[3]。由于定容取样对排气进行了稀释处理, 所取样气近似于排气在大气中的扩散状态。定容取样系统由容积泵、文丘里管、排气分析仪、压力和温度传感器等组成。其系统结构如图2所示。

2 试验设计

考虑到试验次数较多,本文采用正交试验的方法安排试验方案,可以达到缩短试验周期、减少试验误差以及迅速找到优化方案的效果[5]。根据实际经验,将柴油机动态工况简化为3种情况:一是负荷/转速线性变化工况,保持转速/负荷不变,负荷/转速线性增(减);二是负荷/转速阶跃工况,保持转速/负荷不变,负荷/转速产生明显的阶跃;三是同变工况,转速和负荷同时线性变化工况。此处仅对负荷线性变化工况、负荷阶跃工况和同变工况进行研究。

负荷线性变化工况中,正交表的因子包括柴油机转速及负荷变化时间。将转速分为低速、中速和高速3个水平,负荷变化时间分为快、一般和慢等3个水平。因此,该试验为2因子3水平模型,可采用L9(34) 正交模型,试验计划如表3所示。

负荷阶跃工况试验时 ,将转速因子分为低速、中速及高速3个水平,其试验计划如表4所示。

影响同变工况试验结果的有转速变化区间、负荷变化区间和变化时间。将因子转速变化区间划分为加速区间和减速区间,负荷变化区间划分为加载和减载区间,时间划分为快速和慢速两水平。因此,采用L4(23)正交模型,试验计划表如表5所示。

3 试验结果及分析

3.1 系统响应试验

响应时间是动态测试系统的重要参数,与取样方式、取样点以及分析仪器的响应有关。试验前应科学准确地得出特定工况下具体采样方式的响应时间,为后续动态测试的数据采集奠定基础。同时,通过响应试验还可以分析出柴油机性能参数变化对系统响应的影响程度。

系统响应试验测试按照上述试验设计中确定的试验方案进行,考虑到试验数据较多和篇幅限制,此处仅对直采点a和定容采样系统在负荷线性变化时的系统响应数据(如表6和表7所示)进行分析。

分析数据可知,与定容测试结果相比,直接取样系统的响应相对较慢。其原因如下:

1)取样管道差异。

直接取样,样气流过的管道为细胶管,气体流动阻力比定容取样所用的粗管要大,而且胶管的长度比定容取样中所用的固定管路长,影响了系统的响应时间[2]。

2)取样泵的功率不同。

定容取样与直接采样为两套相互独立的系统,取样泵参数存在的差异使得系统响应不一致。

根据响应测试数据,可运用Matlab进行建模和回归分析,为后续动态排放测试中数据处理时的参数设置作准备。此处,以HC测试时的系统响应为例,对响应数据进行二元回归。式(1)为定容稀释采样系统响应回归公式,式(2)为直接采样a点系统响应回归公式,式(3)为直接采样b点系统响应回归公式。

3.2 动态排放试验分析

动态排放试验同样按照正交试验设计的方案进行。数据处理时,应根据上述的测试系统响应回归函数对测试数据进行修正,剔除系统响应前的测试数据,获得动态测试的有用值。由于是多工况试验,数据较庞大,此处仅对定容稀释采样法测得的数据进行分析。

3.2.1 负荷线性变化工况

转速分别保持在900,1 600和2 400r/min,负荷从100～800Nm线性递增,变化时间分别为20,30,40s。1 600r/min负荷线性变化排放如图3所示,由图3可知,随着负荷的增加,NOX排放迅速提高,且负荷变化时间越慢,出现NOX峰值的浓度越高。当在较高负荷稳定运转时,柴油机温度不断提高,NOX持续小幅上升;随着负荷下降,NOX浓度随之降低,最终回到初始水平。 CO和HC的浓度随着负荷增加而减少,并在负荷稳定的工况下维持一稳定水平。当负荷下降到初始大小时,CO和HC的浓度也回到初始水平。对于柴油机而言,CO和HC的浓度比NOX要低很多,所以负荷变化对CO和HC的排放影响相对较小。

3.2.2 负荷阶跃工况

转速分别稳定在900,1 600,2 400r/min,负荷从100～80Nm阶跃。柴油机负荷一定时,在不同的转速下,CO,HC和NOX的浓度随转速的增加而增加,这是由于转速越高,柴油机排气流量越大。由图4可知,随着负荷的突然增加,NOX浓度产生阶跃,而且转速越高,阶跃幅值越大;在负荷稳定后,NOX浓度也逐渐稳定。这是由于负荷的增加,使得混合气浓度加大,气缸内温度和压力迅速提高,导致NOX的迅速生成[6]。与此同时,随着负荷的突然增加,CO和HC的浓度也有快速响应。当负荷逐渐稳定下来后,HC的浓度大体回到原来水平,而CO浓度继续降低。这是因为对于涡轮增压柴油机而言,负荷突然加大时,增压器转子转动惯量的影响,需要经过一段时间的调整才能达到高负荷所对应的增压压力,使得短时间内空气不足,引起CO和HC浓度升高[1]。在柴油机工况稳定在较高负荷时,气缸内温度逐渐提高,有利于CO的进一步氧化,CO的浓度反而有所下降。

3.2.3 同变工况

转速和负荷同时正向变化(正向同变)试验时,柴油机转速从900～2 400r/min线性递增,负荷从100～800Nm同时线性递增。转速和负荷同时反向变化(负向同变)时,柴油机转速从900～2 400r/min线性递增,负荷从800～100Nm同时线性递减。同变工况动态排放,如图5所示。同变工况负荷及转速变化,如图6所示。

由图5可知,正向同变时,NOX的排放浓度变化随柴油机工况变化一致,柴油机转速、负荷提高,NOX浓度明显提高。这是因为在高转速、高负荷下,柴油机工作温度、压力较高,而且氧气充足,因而促进NOX的大量产生[7],NOX的峰值浓度出现在柴油机即将开始减载的时刻,此后NOX逐渐下降,直至初始水平附近。CO和HC的排放浓度在柴油机工况变化过程中有一定的波动,然后逐渐上升,并最后基本稳定在一高位。柴油机减速、减载后,CO和HC浓度开始降低,最后返回到初始值附近。

负向同变工况时,NOX的排放浓度先出现微幅上升;随着负荷下降,NOX浓度迅速下降。其原因是高速小负荷工况时,气缸内温度较低,抑制了NOX的生成[8,9];随着柴油机减速加载,NOX浓度上升至初始水平,与正向同变工况趋势相反。HC和CO排放浓度在工况变化过程中先是缓幅上升,随着柴油机工况稳定,HC排放 浓度稳定在一高位,减速加载后,HC浓度缓幅下降至初始水平。

4 结论

1) 动态排放测试能够较精确的模拟车辆行驶过程中车用柴油机的实际排放性能,所以相对于稳态测试更具有应用研究价值。

2) 由于是多工况试验,采用正交试验方案能够科学的减少试验次数。

3) 以某国产柴油机为例,系统地研究了动态排放试验的设计以及数据分析处理过程,对于车用柴油机的性能评估和车辆的动力匹配设计具有一定的应用参考价值。

参考文献

[1]朱瑞军,王锡斌,蒋德明.自然吸气和增压柴油机排放特性研究[J].车用发动机,2008(6):68-72.

[2]方俊华,刘忠长.车用柴油机微粒排放测量的稀释取样系统[J].车用发动机,2002(5):30-34.

[3]王忠,黄兆春,王林,等.降低柴油机排放的多因素匹配试验研究[J].农业工程学报,2007,23(6):120-124.

[4]邹建国,钟秦.柴油机排放颗粒物组成分析[J].中国环境监测,2006,22(3):23-26.

[5]方开泰,马长兴.正交设计的最新发展和应用回归分析在正交设计的应用[J].数理统计与管理,1999,18(2):44-49.

[6]吴小江.降低排气污染物排放的措施[J].农机化研究,2006(5):204-205.

[7]陈景锋,翁泽民,周程生.喷油正时对船用柴油机NOX排放率影响的试验研[J].集美大学学报(自然科学版),1999,4(3):62-65.

[8]姚春德,何邦全,李万众.高速车用柴油机废气再循环系统[J].小型内燃机与摩托车,2001,30(2):29-32.

车用发动机动态排放试验技术研究 第8篇

研究发现,发动机在动态工况下,其排放性能明显恶化。因此,各国的排放法规逐步加强对发动机(汽车)动态工况排放的限制。如针对轻型车辆,有欧洲经济委员会颁布的ECE15+EUDC循环工况、美国的FTP75和Highway循环工况;对重型车用发动机,欧洲排放法规制定了欧洲瞬态循环ETC,美国排放法规制定了美国瞬态循环USA TC,日本排放法规则规定日本瞬态循环JTC等。我国实行的排放法规参照欧洲排放法规体系。本文利用直接取样及定容稀释取样所建系统响应修正模型对发动机排放测试系统进行修正,使其具备测量动态排放功能。

1 动态排放测试系统的要求

1.1 国家排放标准对动态排放测试系统的要求

对于最大总质量小于3.5 t的车辆,GB 18352.32005规定需要在转鼓试验台上进行动态工况试验来测量污染物的排放值,其测量标准工况采用NEDC(参考欧洲的ECE15+EUDC)循环工况。对于3.5 t以上车辆,GB 176912005规定只要进行发动机台架测试,测量发动机排气污染物的排放量即可。其测试循环按照法规实施的不同阶段有所不同。第Ⅲ阶段进行型式核准的传统柴油机,对于安装了先进的排气后处理装置包括NOx催化器和(或)颗粒物捕集器的柴油机,应附加ETC试验规程测定排气污染物。而第Ⅳ、Ⅴ阶段的型式核准试验,均应采用ETC试验规程测定其排气污染物。

标准规定排气取样采用定容取样系统(CVS),在规定的瞬态试验循环期间,发动机的全部排气用适量环境空气稀释,并从稀释排气中取样,测量排气污染物。根据发动机扭矩和转速信号,积分计算循环时间内的发动机输出功率。通过分析仪的积分方法测量整个循环中的NOx和HC浓度;CO、CO2和NMHC 浓度可以通过分析仪的积分方法或袋取样的方法测量;颗粒物通过用适当滤纸按比例收集样品。通过测量整个循环过程的稀释排气的流量来计算污染物的质量排放值。

1.2 动态排放研究对动态排放测试系统的要求

排放法规一般要求按比例对整个动态测试循环的总稀释排气进行袋采取样,然后再测量样气中污染物的平均浓度;或通过分析仪的积分方法测量整个循环的排放物含量。这样的测试结果是对整个测试循环动态性能的综合评价,不能反映各工况下发动机(汽车)的排放性能。为有效降低排放,测试结果必须明确显示出发动机的高排放区。因此,降低排放研究要求测试系统能够连续地对发动机排气成分进行测量,并有良好的动态响应特性。

1.3 排放认证测试系统应用领域的拓展

光学测试仪器具有响应速度快、灵敏度高等优势,适用于发动机动态排放性能测试,但与现有的排放标准测试设备可能存在重置问题。对系统和设备的分析发现,排放标准规定的定容稀释系统(CVS)及废气分析仪器,可以连续对发动机排气进行测量和分析。由于取样系统非常复杂,排放气体流经的管路较长,所以动态测试过程会有较大的响应延迟,必须对其进行物理修正。因此,本文通过对申克公司动态发动机测功器(400 kW)和Horiba分析系统组成的排放测试系统进行广泛的试验研究,建立排放标准规定的排放物测试系统的延迟物理模型,对其进行必要的物理修正,使其具备一定的动态排放测试性能,初步满足动态排放研究测试需求。

2 试验系统及试验方案

国家标准规定的发动机排放测试系统如图1所示,主控计算机作为整个系统的中心,完成对发动机试验台、排放测试系统的控制,同时将各子系统测得的数据进行同步收集、记录,在后处理软件中进行处理。试验采用定容稀释取样及直接取样两种试验方案。为了能够进行动态、实时测量,启用系统的模态测试模式进行测量。

2.1 定容取样系统(CVS)

CVS系统将发动机的全部排气用外部导入的清洁空气予以稀释,稀释比按照排气流量不同而变化。由于定容取样法对排气做了稀释处理,所取样气近似于排气在大气中扩散的状态。而且取样系统中没有冷凝器,所以排气中的高沸点物质凝聚、吸附现象的发生所引起的测量误差也小。CVS系统结构如图2所示,主要由排气管、容积泵、临界流量文丘里管、热交换器、稀释风道、稀释空气过滤器和颗粒取样探头等组成。发动机全部排气经排气管排入稀释风道中,用经过空气滤清器过滤的环境空气稀释发动机排气,稀释过的排气体积流量保持不变。排气污染物在稀释风道中与稀释空气充分混合后,用取样泵经取样探头抽取直接进入分析系统进行模态分析。

2.2 直接取样试验方案

直接取样系统结构如图3所示,通过取样泵从发动机排气管道抽出部分气体,这部分气体首先通过OVN(NOx、HC分析仪)进行NOx、HC浓度分析,然后流经Mexa进行CO、CO2浓度分析,最后排出。试验系统布置了2个直接取样点,通过对比试验,研究取样点位置对测试系统动态响应特性的影响。

2.3 发动机试验工况的确定

发动机运行工况对系统的响应有较大影响。因此以一台增压中冷柴油机为试验机型,针对工况的变化规律设计了一组试验计划(表1)。采取了3套试验方案,即CVS取样、直接取样点1、直接取样点2。

3 CVS取样与直接取样系统响应试验结果及分析

3.1 测试系统响应时间组成分析

系统响应时间是动态测试系统一个重要参数,可分为3部分:(1)排气从发动机排气口到稀释系统主稀释道所用时间。由于工况变化,排气在这一段管道内的流动速度变化较大,难以控制,因此应尽量缩短其长度。(2)排气从主稀释管道到分析仪所用时间,由于文丘里管的稳流作用,稀释样气在这段管道内的流速通常比较稳定。(3)分析仪的响应时间,即样气从分析仪入口到分析仪测到90%样气浓度所耗时间,通常用t90表示。

3.2CVS取样与直接取样系统响应修正模型

图4～图6为不同采样系统NOx的测试响应时间,利用Matlab软件对试验数据进行处理,建立系统NOx响应时间与转速变化率及初始转速之间的函数关系,如式(1)～式(3)所示。利用这些模型就可通过插值求出其它工况下测试系统NOx的响应时间。

式中,f(x,y)为系统的响应时间,s;x为发动机转速,r/min;y为发动机转速变化率,r/s2。

将各试验方案的模型进行二维投影,见图7,转速、转速变化率对测试系统的响应有明显影响。转速越高、转速变化率越大,系统响应越快。此外,取样方式、位置对系统响应也有影响。CVS取样系统的响应时间最短,接着为直采点1,直采点2。其原因主要是取样系统采用了不同长度的管路和采样模式。

3.3发动机运行工况与排放物测试结果的“点对点”精度及变形分析

除了测试系统的响应延迟外,发动机运行工况与测试结果显示还可能存在变形,即由于流速的不同造成气体“扩张”或“压缩”。下面以NOx为例,对发动机工况及排放物浓度的“点对点”关系加以研究。

对于CVS试验方案,如图8所示,测试结果与工况的对应关系受工况变化影响较小,这是因为CVS系统对气体温度、压力有较好的控制。

对于直接取样试验方案,测试结果见图9,NOx的测试结果与工况并无确定的“点对点”关系,NOx测试结果有所提前,即排气被“压缩”了。显然,直采系统测试结果与工况的对应关系受工况影响较大。

3.4CVS取样测试结果与直采测试结果之间的转化及比较

3.4.1 CVS稀释前后排气浓度转化

采用CVS取样系统测量得到的污染物浓度为稀释后的排气浓度。如果需要计算稀释前污染物浓度则必须将CVS系统稀释排气污染物浓度进一步转化。首先需求得定容系统的稀释系数。根据GB 176912005规定,全流式定容稀释系统的稀释系数求法是跟踪CO2浓度变化,稀释系数的计算公式

undefined

式中,DF为稀释系数;Fs为理论配比系数,柴油为13.4;CO2、HC、CO为稀释排气中CO2、HC、CO浓度,10-6。

稀释前污染物浓度为稀释系数与稀释排气中污染物的浓度之乘积,发动机排气流量为CVS总流量除以稀释系数。图10为发动机保持600 Nm的负荷不变,转速随时间线性变化工况下,测得的定容稀释排气中NOx的浓度、经过转化得到的稀释前NOx的浓度及经计算得到的排气流量随时间的变化曲线。从图10发现,稀释排气中NOx的浓度随着发动机加速而上升,在发动机即将开始减速时达到峰值,最后下降回到接近初始水平。事实上,在发动机负荷保持一定的情况下,发动机排气中的NOx浓度是随着发动机加速而降低,这一点与CVS的测量结果刚好相反。然而两者之间并不矛盾,原因在于CVS的定容特性上,发动机加速时,排气流量大,系统所需要的稀释空气流量就小,稀释系数减小,即系统的稀释系数是随着发动机的排气流量发生变化的。综上所述,发动机排气中污染物浓度与CVS稀释排气中污染物的浓度并不一定存在必然线性关系,还与发动机排气流量有关。

3.4.2 直接取样与CVS测试结果的比较

由于取样方式的不同,测量结果难免会有差异。图11为CVS测试稀释排气的浓度转化为稀释前污染物的浓度与直接采样测量结果的比较。总体上,直接取样、CVS稀释取样的测量结果较一致。导致测量误差原因:一是由测试管路系统的不同引起的,不同的取样方式,气体流经的管路是不同的,这对排气浓度的测量是有影响的;二是由稀释比的计算偏差引起。CVS系统的稀释比是随着排气流量变化的,但是稀释比不能直接从测量系统得出,而是通过跟踪CO2浓度变化进行计算,而CO2的测量本身也有响应延迟及浓度测试误差因素。

4 结论

(1) 对国家标准规定的排放认证测试系统的试验研究所建立系统响应修正模型能使该系统满足动态排放研发功能,具备研发、认证双重功能。

(2) 与直接取样相比,定容取样(CVS)试验方案具有更好的动态响应特性。而且,发动机运行工况与排放物测试结果有更好的“点对点”对应关系。

(3) 将CVS测试稀释排气的浓度转化为排气管中污染物的浓度与直接采样测量结果具有较好一致性。

参考文献

[1]林建华.车用发动机动态排放模拟计算及试验技术研究[D].上海:同济大学,2007.

[2]倪计民.汽车内燃机试验技术[M].上海:同济大学出版社,1998.

[3]汪燕,张宏伟,赵学.发动机排放动态测试及其高速数据系统[J].电子测量与仪器学报,2000(14):49-53.Wang Y,Zhang H W,Zhao X.The high-speed data system fordynamic measurement of engine exhaust[J].Journal of Elec-tronic Measurement and Instroment,2000(4):49-53.

[4]GB 18352.3-2005.轻型汽车污染物排放限值及测量方法(Ⅲ、Ⅳ)[S].

[5]GB 17691-2005.车用压燃式、气体燃料式发动机与汽车排气污染物排放限值及测试方法(中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段)[S].

[6]汤碧红.轻型车用发动机性能动态测试系统的研究[D].武汉:华中科技大学,2004.

[7]刘浩学.动态环境下汽车污染物排放及环境因素影响的研究[D].西安:长安大学汽车学院,2002.

[8]李红剑.柴油机颗粒排放测量全流稀释定容采样系统设计研究[J].柴油机设计与制造,2005(3):5-9.Li H J.Design of a sampling system of diesel particulate full-flow dilution constant volume[J].Design and Manufacture ofDiesel Engine,2005(3):5-9.

[9]Imad S,Khalek A,David B.Real time measurement of volatileand solid exhaust particles using a catalytic stripper[C].SAE950236.

[10]Voos W.Dynamic engine testing[C].SAE 920254.

[11]Vetter T,Fehl G.The modern exhaust gas laboratory for de-velopment of environment friendly engines[C].SAE 952286.

轿车整车动态真空度试验与分析 第9篇

不同车辆制动踏板的软硬程度是不同的,即使是同一辆车,在不同的工况下,车辆的制动踏板也存在着较为明显的差异。造成这种差异的主要原因在于踏板是否具备助力机构以及该机构在实际应用过程中的表现。一般情况下,轿车采用的是真空助力器的结构,因此,踏板感觉的不同主要是由真空助力器所能提供的真空度来决定的。我国的地形结构复杂,地势自西向东由高到低,在不同大气压力下,车辆真空助力器内的真空度水平会有所变化,这将直接导致在高海拔地区整车制动系统的表现相比低海拔地区存在一定差异,甚至存在安全隐患。而动态真空度试验就是在车辆研发阶段,因此,针对这个问题设计一系列对车辆真空助力器内真空度水平进行试验和评估。

1整车动态真空度试验

1.1试验场地及所需设备

试验场地要求:综合中国道路的实际情况以及客户存在抱怨的分布概况,将试验的海拔定为2800m。试验道路要求3km长的干燥沥青或者水泥直线道路。

试验环境要求:环境温度在0℃～20℃之间,湿度<80%。

试验设备要求:车速仪,踏板力传感器,减速度计,发动机真空度传感器,真空助力器真空度传感器,发动机转速表,热电偶等。

1.2试验车辆准备

试验前更换所有制动系统零件,包括制动盘、制动片、制动卡钳及真空助力器等,并记录相关零件信息。在真空助力器及发动机进气歧管上安装真空度传感器。通过热电偶或者CAN-Bus读取发动机冷却液温度。需要时,将热电偶布于制动盘或制动片上,在四个制动角的管路上安装压力传感器。记录各传感器的型号及标定文件。检查车辆状态是否正常,各电子模块是否正常工作。将车辆分别按照要求的载荷进行配载。

1.3试验步骤

1) 将车辆在0℃～20℃的环境下静置8h,确保发动机冷却液的初始温度为0℃～20℃之间。

2) 在试验开始前记录环境温度,大气压力,相对湿度等参数。

3) 连续踩踏制动踏板以排除真空助力器内残余的真空度。

4) 将挡位挂于P挡。

5) 打开数据采集仪器及相关设备。

6) 连贯地进行以下操作,每项操作间隔1s。

7) 发动引擎,打开所有能耗设备,如:座椅加热,风扇,前大灯,收音机,挡风玻璃除霜除雾,空调开至最大。

8) 踩下制动踏板,要求踏板力维持在40～60N之间。

9) 将挡位挂至R挡,踩住制动踏板并且保持2s,然后释放制动踏板。

10) 踩下制动踏板,要求踏板力维持在40～60N之间,释放制动踏板。

11) 将挡位挂至D挡,释放制动踏板。等待2s。

12) 踩下制动踏板,要求踏板力维持在40～60N之间,释放制动踏板。

13) 以(0.21±0.03)g的加速度将车辆加速至50km/h,释放油门踏板使车辆滑行2s。然后将车辆加速至100km/h,释放油门踏板使车辆滑行2s。

14) 踩下制动踏板使车辆产生0.2g的减速度直至车辆完全停止。保持踩住制动踏板2s,将挡位挂至P挡,继续保持踩住制动踏板2s。

15) 释放制动踏板,继续记录数据2s后,结束数据记录,关闭发动机及数据采集仪器等相关设备,试验结束。

3试验数据结果与分析

A车型是国内某著名汽车公司最新研发的一款中高级轿车,在研发阶段需要对它进行动态真空度进行试验。低海拔常温冷启动试验是模拟了大部分地区最常见的一种工况,他也是所有冷启动试验的基准参照。首先对A车型进行低海拔常温冷启动试验,从而得到了一组真空助力器内的真空度曲线及相关关注点的真空度值(图1)。从结果曲线中我们发现,低海拔常温情况下冷启动时,发动机在启动后的怠速阶段可提供的真空度约为35～38kPa。高海拔常温冷启动试验是研究车辆在高原地区冷启动时真空助力器内真空度的水平,从而评估该车在高原环境中的制动踏板感觉的差异。图2是A车型在高海拔地区(2800m)的冷启动试验结果。从A车型高海拔常温冷启动试验结果曲线中可以发现,由于在2800m的海拔下,大气压强仅为72kPa,对发动机提供给真空度的能力产生了影响,发动机在冷启动怠速状态下,进气歧管能够提供的真空度仅为24～26kPa左右。因此,真空助力器内的真空度水平受到影响,各关注点的真空度都有不同程度的减小,这造成了制动踏板感觉偏硬的结果。另外进行了发动机热态试验,主要在试验过程中观察连续制动后真空助力器内真空度的水平。图3是一组A车型的发动机热态试验曲线及结果。从试验结果可以看到,试验结束前进行了连续6脚制动,第6脚制动前0.5s的真空助力器内真空度值为33kPa。

4结论

本文提出了轿车整车动态真空度的试验方法,并对试验结果进行分析。模拟了高原环境下客户在车辆驾驶过程中可能遇到的相对较差的制动工况,从而有效而客观地对车辆在高海拔条件下的制动系统表现作出评价,为车辆的制动系统在研发过程中做出改进提供了依据,避免了上市后的潜在风险及客户抱怨,具有良好的应用前景。通过动态真空度试验并结合主观驾驶评估,A车型在高海拔地区存在制动踏板偏硬,制动力不足的问题。由于改善制动踏板感觉的关键在于提升真空助力器内真空度的水平,因此需要提高真空助力器内真空度的水平。

参考文献

[1]伍爱.质量管理学[M].广州:暨南大学出版社,2006.

[2]国家质量技术监督局.GB/T2828.1,计量抽样方案[S].北京:中国标准出版社,2003.

医用诊疗床动态载荷试验新方法研究 第10篇

诊疗床广泛应用于各类型医疗诊治设备中。常见的如CT扫描床、MR扫描床、X光定位床、PET支撑床、介入手术床等。为保障患者安全,全球主要国家、地区均对诊疗床提出相应安全要求。新医疗器械产品上市前,必须满足销售区域或国家对医疗器械标准的要求,并得到安全性认证。例如日本适用的JIS标准,美国适用的UL标准欧洲适用的EN标准,中国适用的GB标准[1,2]。这些标准都引用国际电工委员会的国际标准,即IEC60601-1以及相关专用标准[3,4],如CT的专用标准IEC60601-2-44。

近期国际电工委员会在原有IEC60601-1第二版[5]的基础上,IEC60601-1第三版[6]进行大量的修订,把安全和基本性能作为标准主题,并引入风险管理概念。目前该标准正在转化阶段,欧盟、美国、加拿大、澳大利亚等已实行第三版,实行第二版的国家将逐步升级为第三版。

相比IEC60601-1第二版,第三版新增加一些要求。其中,对医疗诊疗床部分,第三版增加模拟病人落座时的动态载荷测试要求。为满足这项要求,新研制的任何一款医疗诊疗床,都必须通过动态载荷测试或等同的测试。

IEC60601-1第三版描述的动态载荷测试方法,是用模拟质量块直接跌落在诊疗床上做冲击试验。通过试验,发现这种方法产生的冲击力远远大于人体跌落在诊疗床上的冲击力,如果满足模拟质量块冲击试验要求,势必使诊疗床采用更强的结构设计,造成成本增加。且每一款新研制的诊疗床至少用一次大型测试设备,耗时、测试成本高。

与模拟质量块直接跌落法相比,人体跌落试验更符合实际情况。但是,受额定重量227kg人体难于寻找等因素影响,难于对每一款新研制的医疗诊疗床都采用人体做跌落试验。人体跌落试验数据显示,在诊疗床上产生的最大冲击力约为人体质量的2.45~2.89倍。因此本文提出一种新的试验方法,既用3倍的额定静载荷试验替代动载荷试验。这样既不需要每次试验调用大型动载荷试验设备,也不会使诊疗床过强度设计,降低试验费用和诊疗床成本,降低产品价格,提高产品竞争力。

本文基于IEC60601-1第三版的新要求,对模拟质量块和人体跌落试验的试验设备、试验方法、试验过程、试验数据进行详细描述,对试验数据进行分析,提出以用静载荷试验代替动载荷试验的新方法,并展示一个CT诊疗床静载荷试验的实例。

1 IEC60601-1第三版动态载荷测试要求

为模拟人坐下或起身时在支撑床上所产生的载荷,在IEC60601-1 2005的9.8.3.3部分中有明确的试验要求[6]:底部垫有60mm高泡沫材料的额定载荷,从150mm高度自由落体,落在床板接触面积为300mm300mm区域上,冲击床板,要求床板及整个床无任何失效(见图1)。

2 模拟质量块冲击试验方法及测试结果

2.1 模拟质量块设计

动态测试试验使用模拟质量块来模拟人体重量,由3部分组成:钢质质量块、底部为弧形的缓冲木质块、缓冲泡沫(见图2)。

2.2 试验方法

在龙门架上安装导轨、导轨机构对下落物体进行导向,并保证冲击后的安全。被测床板下面安装测力传感器,测力传感器信号连接到信号采集系统。

将物体提高到距床板150mm高度后,释放机构释放质量块,质量块自由下落冲击床板,信号采集系统记录冲击过程载荷的变化(见图3~5)。

2.3 试验过程和结果

2.3.1 180kg模拟质量块冲击试验

在180kg(1.764kN)模拟质量块冲击试验过程中,由高速数据采集系统记录的床板冲击力与时间曲线(见图6),冲击峰值局部放大(见图7),最大冲击力-15.8kN,作用时间0.133s,过载系数8.96倍。

2.3.2 227kg模拟质量块的冲击试验

在227kg(2.225kN)模拟质量块的冲击试验过程中,载荷的变化曲线(见图8),局部放大(见图9),最大冲击载荷为-20.8kN,作用时间为0.12s,过载系数为9.35倍。

3 人体冲击试验方法及测试结果

3.1 试验方法

不同重量的人从离床板上表面150mm高的位置,用力向床板坐下去,通过测力传感器和数据采集系统记录此冲击过程中的载荷变化曲线。

3.2 试验过程及测试结果

3.2.1 50kg人体冲击试验

当重量为50kg(0.49kN)的人体用力坐向床板时,冲击过程的载荷变化曲线(见图10),最大冲击载荷的局部放大(见图11),最大冲击载荷为-1.2kN,作用时间为0.319s,过载系数为2.45倍。

3.2.2 60kg人体冲击试验

当重量为60kg(0.59kN)的人体用力坐向床板时,冲击过程的载荷变化曲线(见图12),最大冲击载荷的局部放大(见图13),最大冲击载荷为-1.7kN,作用时间为0.168s,过载系数为2.89倍。

3.2.3 90kg人体冲击试验

当重量为90kg(0.88kN)的人体用力坐向床板时,冲击过程的载荷变化曲线(见图14),最大冲击载荷的局部放大(见图15),最大冲击载荷为-2.3kN,作用时间为0.23s,过载系数为2.61倍。

4 模拟质量块与人体冲击载荷差异分析

试验数据显示模拟质量块最大冲击载荷过载系数为8.96~9.35,人体冲击试验的过载系数为2~3。模拟质量块冲击时的过载系数远远高于人体从相同高度突然坐下时的过载系数。模拟质量块过载系数远大于人体可能由下面原因造成:(1)质量块的密度远远大于人体密度;(2)人体的骨骼、关节、肌肉、脂肪等组织都具有较好的缓冲、弹性和吸能作用,冲击作用时间比模拟质量块冲击的时间长。

5 动态载荷试验新方法3倍静载荷替代法

为减少采用大型动态载荷测试设备,同时又能更真实模拟人体突然落座时的冲击力,基于前述人体动载荷测试结果,人体冲击试验的过载系数为2~3,因此采用3倍额定载荷的静载荷试验方法可替代动载荷试验。

图16显示一款销往美国市场的CT诊疗床采用这种新试验方法的试验实例。具体步骤如下:(1)诊疗床处于患者上、下床的最低高度状态;(2)床板上垫60mm厚、300mm300mm接触面积的软材料(见图1),放于床板前、后最远端;(3)一根具有足够长度的大梁被支撑在软材料上,大梁的两端吊装2个具有足够强度和容积的箱体,箱体内放置所需重物;(4)大梁、箱体、箱体内放置的所有重物之和等于诊疗床额定载荷的3倍,本试验所用重量为227kg3=681kg;(5)加上全部载荷后,保持1min。

试验后,检查诊疗床的所有零部件,无任何损坏。

6 结论

试验结果显示医疗诊疗床的人体跌落载荷过载系数是额定载荷的2.45~2.89倍,模拟质量块跌落载荷过载系数过大为8.96~9.35倍。本文提出3倍额定载荷的静载荷试验法,可以模拟人体落座时的冲击载荷。采用此法研制的产品已通过美国FDA认可的ITS相关测试,销往美国市场,证明该方法有效且诊疗床能减少使用大型试验设备,避免诊疗床过强度设计,从而降低成本,对各种医疗诊疗床都有一定的参考价值。

摘要：国际电工委员会推出国际标准IEC60601-1第三版,其中对医疗诊疗床部分,新增模拟病人落座时的动态载荷测试要求。本文针对这一新要求,对模拟质量块和人体跌落在诊疗床上所产生的动态载荷进行试验,发现模拟质量块跌落的动态载荷过载系数远远高于人体跌落的过载系数,同时分析2种试验方法动态载荷过载系数差异大的原因,进而提出一种新的静载荷试验替代方法,给出一款医疗诊疗床静载荷试验替代法的试验实例。采用这种新的静载荷试验替代方法,可以模拟人体落座时的动态载荷,减少采用模拟质量块跌落试验所需要的大型设备试验费用,且避免过强度设计,从而降低诊疗床成本,对各种医疗诊疗床都有一定的参考价值。

关键词：医疗诊疗床,动态载荷,跌落试验,IEC,医疗设备,国际电工委员会国际标准

参考文献

[1]GB9706.1-2007医疗电气设备第一部分:安全通用要求[S].

[2]GB9706.18-2006医疗电气设备第二部分:X射线计算机体层摄影设备安全专用要求[S].

[3]International standard IEC60601-2-44:2005,medical electricalequipment[S].

[4]International standard IEC60601-2-44:1990,medical electricalequipment[S].

[5]International standard IEC60601-1:1990,medical electricalequipment[S].