节点设计论文范文

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1．前言

1994年1月17日发生在美国加州圣费南多谷地的北岭地震（NorthridgeEarthquake）和正好一年后1995年1月17日发生在日本兵库县南部地区的阪神地震(Hyogoken-NanbuEarthquake)是两次陆域型强震，都导致了焊接钢框架梁-柱附性连接节点的广泛破坏。震后两国进行了大量的调查和研究，揭示了破坏的原因，在此基础上提出了改进钢框架节点设计的技术措施。两国在此期间都发表了不少论文，所作的讨论开拓了人们的眼界，提供了对钢框架的节点设计的更多了解，对今后钢框架节点设计有深远的影响。我们受中国建筑科学研究院抗震所委托，对有关资料进行了搜集、整理和归纳，现将其主要内容在此作一介绍。

2．美日两国钢框架节点的破坏情况

两国钢框架破坏情况的报导，主要集中在梁柱混合连接节点上，因此本文也以梁柱混合连接为主要对象。混合连接是一种现场连接，其中梁翼缘与柱用全熔透坡口对接焊缝连接，梁腹板通过连接板与柱用高强度螺栓连接。美国惯常采用焊接工字形柱，日本则广泛采用箱形柱，仅在一个方向组成刚架时采用工字形柱。在梁翼缘连接处，工字形柱腹板上要设置加劲肋(美国称为连续板)，在箱形柱中则要设置隔板。

美、日两国梁杠混合连接节点的典型构造。在节点设计上，两国都采用弯矩由翼缘连接承受和剪力由腹板连接承受的设计方法，美国还规定，当梁翼缘承受的弯矩小于截面总弯矩的70％或梁腹板承受的弯矩大于截面总弯矩的30％时，要将梁腹板与连接板的角部用角焊缝焊接。日本则规定腹板螺栓连接应按保有耐力即框架达到塑性阶段时的承载力设计，螺栓应设置2-3列，也是为了考虑腹板可能承受的的弯矩。梁翼缘处的柱加劲肋，美国过去根据传力的需要由计算确定，其截面较小。日本根据构造要求采用，其截面较大。

2.1美国北岭地震后对刚框架节点破坏的调查

从70年代以来，美国采用高强螺栓联接钢框架已很普遍，北岭地震后出现破坏的有100多幢[3](有的报导说90多幢[7]、150多幢[1]或200多幢[5])。为了弄清破坏的原因，北岭地震后不久，在美国联邦应急管理局(FEMA)资肋下，有加州结构工程协会(SEAOC)、应用技术研究会(ATC)和加州一些大学的地震工程研究单位(CU)等组成了被称为SAC和联合动机构，对此开展了深入调查和研究，以便弄清破坏原因和提出改进措施。

美国的钢框架梁-柱连接，在50年代多采用铆钉连接，60年代逐步改用高强度螺栓连接。为了评估栓焊混合连接的有效性，曾进行过一系列试验，这种由翼缘焊缝抗弯和腹板螺栓连接抗剪的节点，美国以前规定其塑性转角应达到O．015rad(≈1／65)，但大量试验表明，塑性转角的试验结果很离散，且出现了早期破坏，总的说来性能很不稳定。北岭地震前，德州大学教授Engelhardt就曾对这种连接在大震时的性能产生疑问，指出在大震时要密切注意，对它的的设计方法和连接构造要进行改进[7]。

北岭地震证实了这一疑虑，为此SAC通过柏克莱加州大学地震工程研究中心(EERC)等4个试验场地，进行了以了解震前节点的变形响应和修复性能为目的的足尺试验和改进后的节点试验。对北岭地震前通常做法的节点及破坏后重新修复节点的试验表明全部试验都观察到了与现场裂缝类似的早期裂缝，试验的特性曲线亦与以前的试验结果相同，梁的塑性转动能力平均为0.05弧度，是SAC经过研究后确定的目标值0．03弧度的1／6，说明北岭地震前钢框架节点连接性能很差，这与地震中的连接破坏是吻合的。而且破坏前没有看到或很少看到有延性表现，与设想能发展很大延性e6钢框架设计意图是违背的。焊接钢框架节点的破坏，主要发生在梁的下翼缘，而且一般是由焊缝根部萌生的脆性破坏裂纹引起的。裂纹扩展的途径是多样的，由焊根进入母材或热影响区。一旦翼缘坏了，由螺栓或焊缝连接的剪力连接板往往被拉开，沿连接线由下向上扩展。最具潜在危险的是由焊缝根部通过柱翼缘和腹板扩展的断裂裂缝。

从破坏的程度看，可见裂缝约占20-30％，大量的是用超声波探伤等方法才能发现的不可见裂纹。裂纹在上翼缘和下翼缘之间出现的比例为1：5-1：20，在焊缝和母材上出现的比例约为1：10到1：100。一般认为，混凝土楼板的组合作用减小了上翼缘的破坏，也有人认为上翼缘焊缝根部不象下翼缘那样位于梁的最外侧，因此焊根中引起的应力较低，减少了上翼缘破坏的概率[1]。

美国斯坦福大学Krawinkler教授对北岭地震中几种主要连接破坏形式作了归纳，由下翼缘焊缝根部开始出现的这样或那样的破坏，最多的是沿焊缝金属的边缘破坏，另有沿柱翼缘表面附近裂开的剥离破坏，也有沿腹板板切角端部开始的梁翼缘断裂破坏，或从柱翼缘穿透柱腹板的断裂破坏。

北岭地震虽然没有使钢框架房屋倒塌，也没有因钢框架节点破坏引起人身伤亡，但使业主和保险公司支付了大量的修复费用。仅就检查费用而言，不需挪动石棉时为每个节点800-1000美元，需挪动石棉时为每个节点1000-2000美元，对于有石膏抹灰和吊顶的高级住宅，每个节点达2000-5000美元，修复费用更高211。更重要的当然是对过去长期沿用的节点在抗震中的安全问题提出了疑问，必须认真研究和解决。

2．2日本贩神地震后对钢框架节点破坏的调查

阪神地震后，日本建设省建筑研究所成立了地震对策本部，组织了各方面人士多次参加的建筑应急危险度和震害的调查，民间有关团体也开展了各类领域的震害调查，但因钢结构相对于其它结构的震害较少，除新发现了钢柱脆断或柱脚拔起外，钢框架节点的破坏主要表现在扇形切角(scallop)工艺孔部位，但因结构体被内外装修所隐蔽，一般业主、设计或施工人员对此震害调查不太积极，对钢框架系统震害的调查遇到一定困难。仅管如此，日本学者还是就腹板切角工艺孔方面的问题进行了探索，如日本建筑学会结构连接委员会和钢材俱乐部等单位，专就工艺孔破坏状态等问题作了系统深入的研究。

日本对于混合连接的研究，早在1978年以后的石油危机中，就曾利用建筑处于低潮机会结合自屏蔽电弧焊的出现和应用，系统地开展过。进入90年代后，随着高层、超高层和大跨度钢结构建筑的增多，梁柱截面增大，若采用过去的梁悬臂段形式，由于运输尺寸上的限制，悬臂长度大致不能超过1m；另一方面，由于梁翼缘板厚增大，拼接螺栓增多，结果梁端至最近螺栓的距离只有500mm左右，截面受到很大削弱，对保证梁端塑性变形很不利。这样，在大型钢结构工程中，现在较多采用梁与柱的混合连接。图1是采用箱形柱时的混合连接示意图梁翼缘与箱形柱隔板直接焊接[7]。

日本在美国北岭地震前不久，曾对此种连接进行了试验研究，结果表明，梁端翼缘焊缝处的破坏几乎都是在梁下翼缘从扇形切角工艺孔端开始的，没有看到象在美国试验中和地震中出现的沿焊缝金属及其边缘破坏的情况，通过试验和版神地震观察到的梁端工艺孔处的裂缝发展情况。

日本钢材俱乐部研究了扇形切角工艺孔带衬板及底部有焊缝的两种节点试验。

美、日两国钢框架在地震中的梁柱节点破坏形式是有区别的，北岭地震中的裂缝多向柱段范围扩展，而阪神地震中的裂缝则多向梁段范围发展。对两国节点破坏情况的这种差异与其与构造差异的关系，还有待进一步探讨。

3．节点破坏原因与分析

北岭地震后，美日两国学者就节点破坏原因，通过现场调查、室内试验和现场检验，进行了结构响应分析、有限元分析、断裂力学分析等，还作了很多补充试验，结合震前研究，对节点破坏原因提出了一些看法。首先认为节点破坏与加劲板、补强板腹板附加焊缝等的变动，并没有什么直接关系，也并不是仅由设计或施工不良所能说明的，而是应从节点本身存在根本性缺陷方面去找原因。有以下几方面因素，被认为是决定和和影响节点性能而导致了破坏。

3．1焊缝金属冲击韧性低[3]

美国北岭地震前，焊缝多采用E70T-4或E70T-7自屏蔽药芯焊条施焊，这种焊条提供的最小抗拉强度480MPa，恰帕冲击韧性无规定，试验室试件和从实际破坏的结构中取出的连接试件在室温下的试验表明，其冲击韧性往往只有10-15J，这样低的冲击韧性使得连接很易产生脆性破坏，成为引发节点破坏的重要因素。在北岭地震后不久所作的大型验证性试验，对焊缝进行十分仔细的操作，做到了确保焊接质量，排除了焊接操作产生的影响。焊缝采用E70T-4型低韧性焊条，尽管焊接操作的质量很高，连接还是出现了早期破坏，从而证明了焊接缝金属冲击韧性低,是焊接破坏的因素之一。

3．2焊缝存在的缺陷[3]

对破坏的连接所作调查表明，焊接质量往往很差，很多缺陷可以看出明显违背了规范规定的焊接质量要求，不但焊接操作有问题，焊缝检查也有问题。很多缺陷说明，裂缝萌生在下翼缘焊缝中腹板的焊条通过孔附近，该处的下翼缘焊缝是中断的，使缺陷更为明显。该部位进行超声波检查也比较困难，因为梁腹板妨碍探头的设置。因此，主要的连接焊缝中由于施焊困难和探伤困难出现了质量极差的部位。上冀缘焊缝的施焊和探伤不存在梁腹板妨碍的问题，因此可以认为是上翼缘焊缝破坏较少的原因之一。

3．3坡口焊缝处的衬板和引弧板造成人工缝[4]

实际工程中，往往焊接后将焊接衬板留在原处，这种做法已经表明，对连接的破坏具有重要影响。在加州大学进行的试验表明，衬板与柱翼缘之间形成一条未熔化的垂直界面，相当于一条人工缝，在梁翼缘的拉力作用下会使该裂缝扩大，引起脆性破坏。其它人员的研究也得出相同结果。

1995年加州大学Popov等所作的试验，再现了节点的脆性破坏，破裂的速度很高，事前并无延性表现，因此破坏是灾难性的。研究指出,受拉时切口部位应力最大，破坏是三轴应力引起的，表现为脆性破坏，外观无屈服。他们还通过有限元模拟计算，得出最大应力集中系数出现在梁缘焊接衬板连接处中部，破坏时裂缝将从应力集中系数最大的地方开始,此一结论已为试验所证实。研究表明：大多数节点破坏都起源于下部衬板处。引弧板同样也会引发裂缝。

3.4梁翼缘坡口焊缝出现的超应力[3]

北岭地震后对震前节点进行的分析表明，当梁发展到塑性弯矩时,梁下翼缘坡口焊缝处会出现超高应力。超应力的出现因素有：当螺栓连接的腹板不足以参加弯矩传递时，柱翼缘受弯导致梁翼缘中段存在着较大的集中应力；在供焊条通过的焊接工艺孔处，存着附加集中应力；据观察，有一大部分剪力实际是由翼缘焊缝传递，而不是象通常设计假设的那样由腹板的连接传递。梁翼缘坡口焊缝的应力很高，很可能对节点破坏起了不利影响。Popov[4]采用8节点块体单元有限元模拟分析发现，节点应力分布的最高应力点，是在梁的翼缘焊缝处和节点板域，节点板域的屈服从中心开始，然后向四周扩散。岭前进行的大量试验表明,当焊缝不出现裂纹时，节点受力情况也常常不能满足坡口焊缝近处梁翼缘母材不出现超应力的要求。日本利用震前带有工艺孔的节点，在试验荷载下由应变仪测得的工艺孔端点翼缘内外的应变分布，应变集中倾向出现在翼缘外侧端部，内侧则在工艺孔端部，最大应变发生在工艺孔端点位置上.应变集中的原因,不仅大于工艺孔造成的不连续性，还在于工艺孔部分梁腹板负担的一部分剪力由翼缘去承担了，使翼缘和柱隔板上产生了二阶弯曲应力。这些试验与分析均指出，今后对节点性能的改进，不仅应改善焊缝，而且还应降低梁翼缘坡口焊缝处的应力水平。

3．5其它因素[3]

有很多其它因素也被认为对节点破坏产生潜在影响，包括：梁的屈服应力比规定的最小值高出很多；柱翼缘板在厚度方向的抗拉强度和延性不确定；柱节点域过大的剪切屈服和变形产生不利影响；组合楼板产生负面影响。这些影响因素可能还需要一定时间进行争论,才能弄清楚。

4．改进节点设计的途径

4．1将塑性铰的位置外移[2][3][4]

在北岭地震之前，美国UBC和NEHRP两本法规对节点设计的规定，都是根据在柱面产生塑性铰的假定提出的。由于在北岭地震中发现梁在柱面并没有产生塑性变性，却出现了裂缝。切口处的破坏是由三轴应力引起的，从而导致了脆性破坏。过去采用的焊接钢框架节点标准构造，不能提供可靠的非弹性变形。试验表明，其节点转动能力不超过O．005rad，大大小于SAC建议的最小塑性转动能力0．03rad。另一方面，从受力情况看，塑性铰出现在柱面附近的梁上，还可能在柱翼缘的材料中引起很大的厚度方向应变，并对焊缝金属及其周围的热影响区提出较高的塑性变形要求，这些情况也可能导致脆性破坏。因此，为了取得可靠的性能，最好还是将梁柱连接在构造上使塑性铰外移。将塑性位置从柱面外移有两种方法，一种是将节点部位局部加强，一种是在离开柱面一定距离处将梁截面局部削弱。钢梁中的塑性铰典型长度约为梁高的一半，当对节点局部加强时，可取塑性铰位置为距加强部分的边缘处梁高的1／3。节点局部加强固然也可使塑性铰外移，但应十分注意不要因此出现弱柱，有背强柱弱梁的原则。

也有一部分专业技术人员认为，在构造上采取某些措施仍可使塑性铰出现在柱面附近，这些措施包括限制构件的截面，控制梁柱钢材的有关强度，使母材和焊缝金属有足够的冲击韧性，在节点构件上消除缺口效应等。但是由于没有足够的研究来肯定这些建议，使得这种建议在美国迟迟未能落实。而将塑性铰自柱面外移的建议，试验已表明是可行的和行之有效的。目前，美国对节点局部加强及梁截面减弱，都已提出了若干构造方案。实际上，将梁截面减弱使塑性铰外移的方法，早在北岭地震以前即有学者提出过，北岭地震后又作了研究，在技术上己较成熟[4]，从近期在美国盐湖城建造的25层办公楼中采用的犬骨式(dog-bone)连接，就可以看到它的构造细节。目前，美国虽未提出今后在抗震框架中推荐采用何种节点形式，但从实际情况看，上述犬骨式连接已成为主导形式[3]。因它制作方便、省工，由美国公司设计的我国天津国贸大厦钢框架中也已采用了这种节点形式。

日本阪神地震后，没有象美国采用将塑性铰外移的方案。日本1996年发表的《钢结构工程技术指针》和1997年发表的《钢结构技术指针》JASS6等，仅提出了钢框架梁柱连接节点的构造改进形式，对节点构造特别是扇形切角工艺孔作了不少规定，目的也是消除可能出现的裂缝，保证结构的非弹性变形。也就是说，日本与美国分别采用了不同的避免脆性破坏的途径。

4.2梁冀缘焊缝衬板缺口效应的处理[11][6]

在北岭地震前，美国钢框架节点施工中，通常将衬板和引弧板焊接后留在原处，这种做法，如前所述存在缺口效应，会导致开裂，现在则在焊后将下翼缘的衬板和引弧板割除，同时对焊缝进行检查[11]。正如前面曾指出的，在下翼缘的焊缝中部由于焊条通过切角困难，焊接和探伤操作都要被迫中断，通常存在缺陷，割除衬板后可以目视观察，从而减少在此部位不易查看到的裂纹。衬板和引弧板可用气刨割除后再清根补焊，但费用较高，操作不慎还可能伤及母材。研究表明，衬板也可不去除，而将衬板底面边缘与柱焊接，缺点是无法象去除衬板后能对焊缝进行仔细检查。

由于上翼缘焊缝处衬板的缺口效应不严重，而且它对焊接和超探也没有妨碍，出于费用考虑，割除上翼缘衬板可能不合算，如果将上翼缘衬板边缘用焊缝封闭，试验表明并无利影响，因此美国现时做法是上翼缘衬板仍然保留并用焊缝封口。

坡口焊缝的引弧板，在上下翼缘处通常都切除，因为引弧和灭弧处通常都有很多缺用气切切除后还需打磨，才能消除潜在的裂缝源。

在消除衬板的缺口效应方面，日本是非常重视的。在阪神地震后发表的技术规定中,对采用H型钢梁、组合梁，以及采用组合梁时梁预先焊接或与衬板同时装配，不论是否切角，均采用衬板，对其构造包括引弧板，分别作了详细规定。

4．3扇形切角构造的改进[8][9]

在日本阪神大地震中，由于扇形切角工艺孔的端部起点存在产生裂缝的危险，是否设置形切角以及如何设置，已成为关系到抗震安全的一项重要问题。日本震后发表的技术规范中，对扇形切角的设置也提出一系列规定，包括不开扇形切角和开扇形切角两大类，并规定扇形切角可采用不同形状；对于柱贯通形和梁贯通形节点分别规定了不同的构造形式。柱贯通型节点的扇形切角形式有两种，其特点是将扇形切角端部与梁翼缘连接处圆弧半径减小，以便减少应力集中。日本早就研究不设扇形切角以提高梁变形能力的方案，在最近公布的技术规定中，根据目前的焊接技术水平已将此种方案付诸实施[8][9]。

4．4选用有较高冲击韧性的焊缝[2][6]

如前所述，焊缝冲击韧性不足会引起节点破坏。那么焊缝究竟要有多大的冲击韧性才能防止裂纹出现呢?美国提出，焊缝的恰帕冲击韧性(CVN)最小值取-29℃时27J(相当于-200F时20ft-1bs)是合适的，可以发展成为事实上的标准。在最近美国的实际工程中，采用E71T-8型和E70TG-K2型焊条的普通手工焊电弧焊已表明焊缝最小冲击韧性可满足上述要求，而采用E7018型药芯焊条的''''贴紧焊''''焊缝冲击韧性值更高，但都必须按AWS规定的焊接和探伤方法操作。

4．5将梁腹板与柱焊接[3]

美国SAC在采用犬骨式连接时建议：将以往的腹板栓接改为焊接，用全熔透坡口焊缝将梁腹板直接焊在柱上或通过较厚连接板焊接。在北岭地震前，就已有很多研究指出腹板焊接比栓接性能好，它能更好地传力，从而减小梁冀缘和翼缘坡口焊缝的应力。日本在阪神地震前的研究也已指出，梁端腹板用高强度螺栓连接时，与焊接相比抗弯能力变小，塑性变形能力有明显差异，但在日本新规定中尚未看到与美国提出的相类似的要求。

5.美、日节点构造的比较、根据美、日钢框架梁-柱节点构造及震后的改进情况，可以看到下列差异：

1)美国认为梁端不能产生塑性变形，采取了将塑性铰外移的基本对策，提出将节点局部加强或将梁局部削弱的方法，虽然目前尚无定论，但从实际发展情况看，因削弱梁截面的方法省工、效果好，已在某些工程中采用。但日本却没有采用将塑性铰外移的方法，而是采取在原构造的基础上消除裂缝的病灶的方法。

2)两国都注意到了梁翼缘坡口焊缝的焊接衬板边缘存在的缺口效应所带来的严重后果，在北岭地震和阪神地震后都采取了相应对策。美国SAC建议，下翼缘焊缝的衬板宜割除，然后清根补焊；考虑上翼缘焊缝缺陷一般较少，受力条件较有利以及费用等原因，可对衬边缘用焊缝封闭。而日本则对H型钢梁和焊接组合梁(包括梁先焊好和梁与衬板同时装配两种情况)以及节点为柱贯通型或梁贯通型时衬板的设置，作了详细规定。

3)美国在梁腹板端部衬板通过处采用矩形切角(端部呈半圆形)，而不象日本采用圆弧形切角，由于腹板受弯矩较大时将连接板与腹板焊接，从有关震害情况报导看，没有发现这种形式的切角引发多少裂缝。日本为消除梁端扇形切角端部的应力集中，作出一系列规定，包括不作扇形切角、梁腹板用直线切剖不设扇形切角的方法以及允许采用不同形式的切角等，如在与梁翼缘连接处将曲率半径变小和采用类似美国采用的切角形式。

4)美日两国都规定，节点按翼缘连接受弯矩和腹板连接受剪力的要求设计。美国附加规定了当梁翼缘的受弯承载力小于截面受弯承载力的70％或梁腹板受弯承载力大于截面受弯承载力的30％时，在柱连接板角部应将梁腹板与连接板焊接。日本过去在梁端混合连接中，采用弯矩由翼缘连接承受，剪力由腹板连接承受的设计方法，螺栓一般配置一列。在94年的文献[5]中指出，"现在该处的连接必需满足保有耐力连接的条件，考虑腹板高强螺栓连接也要部分地承受弯矩，要求布置2列到3列，与以前的连接相比，抗弯承载力储备提高了，这是结构设计上的一个特点。"这些都是北岭和阪神地震前的情况，震后基本上没有改变。只是北岭地震后，美国建议将梁腹板直接与柱焊接或与连接板焊接，以便减小梁翼缘焊缝处的焊缝应力，日本则尚无此规定。

5)与梁翼缘对应位置的柱加劲肋(美国叫做连续板)，日本一贯规定应比对应的梁翼缘厚度大一级，认为这是关键部位，为此多用一点材料是很值得的。美国过去根据传递梁翼缘压力的需要确定，考虑一部分内力由柱腹板直接传递，加劲肋厚度显著小于梁翼缘厚度。而且曾有一些设计规定，例如可取厚度等于梁翼缘厚度的一半。有的文献认为，太厚了可能产生较大残余应力，最好用试验确定。北岭地震中，有些加劲肋屈曲了，有的学者己提出改为与梁翼缘等厚的建议。

6)美国强调焊缝冲击韧性的重要性，规定了节点翼缘焊缝的冲击韧性指标，严格焊接工艺的探伤要求。日本一贯重视焊接质量，还没有看到在这方面有什么新的规定。

7)美国认为，钢材屈服点高出标准值较多是钢框架震害的重要原因之一，这也许在美国特别突出。美国钢材屈服点超过标准值很多，过去就有报导，如低碳钢A36的屈服强度可高达48ksi，抗拉强度可高达701Csi，它使连接实际要求的承载力大大提高，当按设计不能满足时，就要出现破坏。根据美国型钢生产商研究会所作调查和建议，AISC于97年规定将框架连接计算中的强度增大系数由过去的1.2提高到1.5(对A36)和1.3(对A572)，其它钢号仍保留1.2，强柱弱梁条件式中柱的抗弯承载力也作了相应提高。

6．我国采取的对策

我国早期的高层建筑钢结构基本上都是国外设计的，我国的设计施工规程是在学习国外先进技术的基础上制订的。由于日本设计的我国高层钢结构建筑较多，我国的设计、制作和安装人员对日本的钢结构构造方法比较熟悉，设计规定特别是节点设计，大部分是参照日本规定适当考虑我国特点制订的，部分规定吸收了美国的经验。美国北岭地震和日本阪神地震后所发表的报导，对我们有很大启示，在我国抗震规范中对高层钢结构的节点设计拟提出如下建议：

1)将梁截面局部削弱，可以确保塑性铰外移，这种构造具有优越的抗震性能。根据美国报导，梁翼缘削弱后可将受弯承载力降至0．8Mp，因钢材用量要增多，结合我国情况作为主要形式推广将难以接受，可将此方案列入了条文说明，必要时可参考采用。

2)参考日本新规定，将混合连接上端扇形切角的上部圆弧半径改为10-15mm，与半径35mm的切角相接；同时，规定圆弧起点与衬板外侧焊缝间保持10-15mm的间隔，以减小焊接热影响区的相互影响。至于日本采用的不开切角以及直通式不设切角的构造，因为我们没有经验，不敢贸然采用，有持今后对其性能进行验证后再作取舍。

3)在消除衬板的缺口效应方面，考虑割除衬板弄得不好会伤及母材，且费用较高，故采用角焊缝封闭衬板边缘的方法。上翼缘衬板影响较小，暂不作处理。下翼缘衬板边缘建议用6mm角焊缝沿下翼缘全宽封闭。因仰焊施工不便，角焊缝最多只能做到6mm；为了更好地消除缺口效应，应要求焊沿翼缘全宽满焊。

4)在翼缘焊接腹板栓接的混合连接中，按照弯矩仅由翼缘连接承受和剪力仅由腹板连接承受的原则设计时，在某些情况下是不安全的，因为当腹板的截面模量较大时，腹板要承受一部分弯矩。抗震规范修订草案除规定腹板螺栓连接应能承受梁端屈服时的剪力外，还规定当梁翼缘截面模量小于梁截面模量70％时，腹板螺栓不得少于2列，每列的螺栓数不得少于采用一列时的数量。

5)我国在梁翼缘对应位置设置的柱加劲肋，从一开始就注意到了日本的经验，规定了与梁翼缘等厚，北岭地震表明这样规定是适合的。

6)翼缘焊缝的冲击韧性要满足-30℃时27J的要求，这种试验我国过去没有做过，对于我国钢结构制作单位是否可以做到，需待调查后再确定是否列入。

这时要附带说明，美国SAC的有关规定是适用于美国3、4类地区，大体相当于7度强、8、9度地区，我国6度地区可适当放宽。

参考文献

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3.M．D．Engelhardtandt．A.Sabot，Seismic-resistantsteelmomentconnections：deVelopmentsincethel994Northridgeearthquake，ConstructionResearchCommunicatonsLimited，1997ISSN，1365-0556

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9.日本建筑学会，铁骨工事技术指针--工场制作编，5.16新技术·新工法介绍，1996

篇2

双向端口操作 接口部分采用地址和数据总线复用的方式以减少所需要的端口引脚数。当传输数据时低位地址保持在一个锁存器中，“Data1”用作数据输入总线输出总线和部分地址总线，对总线的复用需要对端口的配置进行动态改变使端口按需要设置为输入或输出。为了将一个端口引脚配置为输入，必须将其相应的端口配置寄存器位（PRTnCF.x）设置为“0”使其输出方式为“漏极开路”，寄存器锁存位（Pn.x）必须设置为“1”，使其输出状态为高阻态。例如下面的代码将端口0的所有引脚配置为输入：movPRT0CF，#00h；漏极开路输出方式movP0，#0ffh；高阻抗下面的代码将端口0的所有引脚配置为推挽输出方式：movPRT0CF，#0ffh；推挽输出方式SRAM_Read子程序（见程序代码部分）给出改变端口方向的一个例子，在程序执行的前一阶段“DATA1”口被配置为输出，将低字节地址输出到端口锁存器，在程序执行的第二阶段“DATA1”口被配置为输入，从外部SRAM读取数据。

二、接口电路程序控制实现

该程序控制系统由初始化SRAM接口逻辑程序、读外部SRAM程序、写外部SRAM程序等组成，功能是通过该接口电路程序实现硬件间的有效连接，实现稳定的通信，从而实现对记录盘的各种配置以及对记录数据进行精确管理。程序代码中的主程序概述了如何对该外部128KBSRAM的每一个字节进行读写，该程序向外部SRAM写入一个字节，再从写入的地址读回，然后比较回读的值与写入的值是否一致，程序接着处理下一个地址，直到整个64K的存储块写完，一旦低存储块写完，程序将“A16位”置1（见示例代码中“常数和声明”一节），切换到高存储块。程序将接着对高存储块的每个字节进行同样的读、写和校验操作。

篇3

（2）滚筒体有限元模型的边界条件有限元分析中的边界条件分为力约束和位移约束。本文只对滚筒体进行模态分析，所以只有位移约束。电动滚筒滚筒体可以沿着轴向旋转（绕着轴旋转），定义的约束必须要限制滚筒体其他5个自由度。所以要在2个端盖的轴孔内表面设置铰链约束，约束它3个方向的平动和2个方向的转动。

（3）滚筒体的网格划分SolidWorksSimulation提供了3种网格划分方式：四面体实体单元、三角形壳体单元和混合网格，本文采用三角形壳体单元作为划分单元。整个滚筒体模型共生成15623个节点，划分为13682个单元如图3所示。

（4）滚筒体的模态分析模态分析用于分析结构的振动特性，即确定结构的固有频率和振型。SolidWorksSimulation是一款基于有限元技术的设计分析软件，可以进行模态分析。由有限元法进行求解分析，得到滚筒体的前5阶固有振动频率和振型图如图4所示。其中第1阶模态频率0.0024595Hz是刚体的转动模态，没有实际参考意义；第2阶模态频率1369Hz，节点最大变形位移214.7mm，振型为扭曲形式；第3阶模态频率2043.1Hz,节点最大变形位移245.3mm，振型为弯曲形式；第4阶模态频率2043.9Hz，节点最大变形位移246.1mm，振型为弯曲形式；第5阶模态频率2048Hz，节点最大变形位移383.2mm，振型为弯曲形式。由振型图可以看出，随着频率的增加，滚筒体以弯曲振动为主且变形越来越大，最危险节点的变形位移也越来越大且总是在滚筒体的中心位置。在设计筒体时，可以通过加厚筒体或改善支承条件来抑制其变形。

在一定输入转速条件下，各齿轮的齿数决定了齿轮的啮合频率。设计滚筒内部的封闭行星齿轮传动机构时，确定各齿轮齿数及其他参数，要避开滚筒体的振动频率，以免发生共振。

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2铝-空气电池系统的结构

根据上述思路，确定铝-空气电池系统的总体结构，见图1。本文所述铝-空气电堆至少是由两个彼此以电串联的单体铝-空气电池连接成的电堆，以此获得较大的输出功率和稳定的输出电能。在电堆的下方设有两个液流配置室，上方则是配液器。各单体铝-空气电池经各自的出液管与液流配置室相通，而该液流配置室经其各自的输液管与泵液腔、液流泵相通，该液流泵的送液管与上述配液器相通。配液器通过各进液管与位于其下方的各单体铝-空气电池相联通，从而构成完整的液流回路。铝-空气电池系统运行时，调节与液流配置室相连接的出液管开关，控制电池组的电解液交替流入两液流配置室之一，电解液在该液流配置室、泵液腔、配液器和电池组之间循环，而另一液流配置室则处于电解液静置、沉淀物沉降处理过程中。位于该电堆外侧的电能输出端分别与电堆的空气电极集流板和铝合金电极集流板相连通，并对外供电。

2.1铝-空气单体电池电堆铝-空气电池电堆设计成由若干个铝-空气电池单体串联而成。单体铝-空气电池具有腔体结构，如图2所示，主要包括以下三部分：进液分割室、电池反应室和出液分割室。电解液经进液管流至进液分割室，再经该分割室下部的进液管流入电池反应室。在该进液分割室上方，装有进液切割器，流进该分割室的电解液恰好注入转动的进液切割器栅格上，被该进液切割器的栅格斩断后流入电池反应室。电池反应室侧壁为空气电极，铝合金电极位于电池反应室内。空气电极与铝合金电极同时处于电解液中。铝合金电极和空气电极分别与铝合金电极集流板和空气电极集流板连接以输出电池反应的电流。出液分割室分隔为汇流区和出液区，通过汇流管连通。电池反应室内的电解液经溢流槽流入汇流区，经汇流管流入其下部的出液区。在出液区内装有出液切割器，由汇流管流出的电解液恰好注入该出液切割器的栅格上，即该电解液是被该出液切割器的栅格斩断后才流进该出液区。铝-空气单体电池中设计的进液切割器和出液切割器，可在电解液冲击下自行转动来斩断流过的电解液液流，来解决电堆中单体电池间液流短路的问题。

2.2液流配置室铝-空气电池系统运行期间，会有氧化铝等沉淀物生成。形成于单体铝-空气电池内的氧化铝若不及时移除，会覆盖在铝阳极和空气阴极的表面，降低铝阳极放电效率，堵塞空气电极的进气孔道，增大电池电阻，进而影响铝-空气电池系统的正常运行。为了将形成的氧化铝沉淀物及时排出单体电池，设计了完全对称的液流配置室。当其中一个液流配置室工作时，另一个液流配置室用于沉降和排出沉淀物，这样可以保持铝-空气电池长时间不间断地工作，又能保证沉淀物的及时排出。液流配置室的内部结构如图3所示。液流配置室通过出液管与铝-空气电池电堆相连接。当出液管流出的电解液撞击液流挡板后流进液流配置室中，沉淀物会在配置室底部沉积，通过沉淀物排出管排出铝-空气电池系统。

2.3配液器铝-空气电池系统的电堆由铝-空气电池单体串联而成，为保证电解液在单体电池内均匀分配，本系统设计了配液器，结构如图4所示，配液器为中空结构，通过送液管与液流泵相连，电解液经送液管进入配液器，在配液器中均匀分配电解液。并通过若干个出液管与每个铝-空气电池单体相通，将电解液均匀地分配到各个单体铝-空气电池中，结构如图5所示。

2.4液流泵液流泵和泵液腔使电解液不断循环，带出反应中各个单体所产生的沉淀及产生的热量。并且生成的沉淀也能在泵液腔中沉积，通过出液管将沉淀排出。液流泵的出液口与配液器的进液口相连，使电解液能源源不断地在铝-空气电池系统中循环。

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2电力隧道结构设计

2．1电力隧道地层荷载研究

当前，作用在隧道结构上的荷载主要为以下三种:主要荷载、特殊荷载和附加荷载。主要荷载指的是一种具有长期作用的荷载，包含地层的压力和自身的重力等，而附加荷载指的是不经常作用的一种荷载，其包含施工荷载等，主要是由一些施工操作过程中出现的问题而造成的。最后是特殊荷载，其指的是一些由于特殊的原因，像自然灾害等造成的荷载。以上所说的荷载是所有的隧道建设过程中都存在的，除此之外，还有像地层的压力等都会对隧道形成一定的荷载。为了能够更好的解决这些问题，人们随着对这些问题认识的深入，逐渐发现这些问题主要是由周边的围岩和支护结构两个部分造成的，两者之间存在着相互作用。而对于周边围岩主要有两个作用:一个是作用在结构上，承担一定的荷载;另一个作用是作为结构的一部分。根据当前国际上比较流行的模型设计，可以将地下结构的设计模型分为以下几种:首先是经验设计法，这种方法主要是利用过去的设计经验，然后比对当前的建筑工程进行相应的隧道建设，另一种是约束法，其主要是根据现场的数据测量，将测量数据作为基础进行地下隧道的设计，第三种是作用和反作用模型，在这种模型中，通过弹性地基圆环计算公式等，对需要进行建设的隧道结构进行计算，得到最佳的设计方案，最后一种是连续介质模型，这种模型中包含了解析法和数值法两种，通过这两种计算方法的结合，得到最佳的隧道设计方案。本文主要介绍的是荷载—结构模型的设计方法，在这种方法中，将支护和围岩分开进行考虑，其中，作为承载主体的是支护结构，而地层仅仅是在地下结构上产生一定的荷载，然后通过一定的计算方法，在荷载作用的基础上，形成一定的内力和变形。在进行设计时，将围岩按照一定的标准进行分级，然后通过弹性支撑实现对支护结构的变形约束，而对于围岩的承载能力，则需要在围岩的压力和弹性支撑约束能力确定后再进行考虑。在这种模型中，围岩所能承载的能力越大，支护结构所需要承担的压力则越小，相应的，弹性约束支护结构的变形反弹力就越大，总的来说，支护结构的作用就显得越小。

2．2电力隧道断面的选择

电力隧道在进行建设时，会涉及到各种各样的地形，因此，会出现各种不同的电力隧道断面，每种断面的用途和优势各有不同，为了选择最合适的隧道断面设计方法，需要对各种电力隧道断面进行数据测量和整合，从而找到最佳的受力情况。电力隧道断面的形式主要分为七种，分别是直墙无仰拱形式和直墙仰拱形式等，为了能够得到不同断面的数据，需要利用AB-SYS14．0软件对电力隧道进行相应的模拟，然后根据荷载的计算方法得到相应的隧道断面图。通过对电力隧道断面进行对比，我们可以找到最佳的断面。根据数据显示发现，圆形断面和上下层断面形式具有更小的弯矩，因此，在建设过程中出现的变形较小，具有较大的安全性，更加适合于浅埋暗挖电力隧道的建设，因此，在进行该种隧道的建设时，需要优先考虑这种断面，能够增加电力隧道运行过程中的安全性。此外，在电力隧道的运行过程中，容易对电缆进行维修工作，在电缆出现故障时，能够更加便捷的进行维护，保障了电力的正常传输。

2．3平面线路的规划

电力隧道线路的规划需要根据中心城区的电网分布情况等进行确定，尤其是对于中心城区的电力隧道受地下建筑等的影响较大，在进行电力隧道的建设时，需要同各个相关部门进行协商，寻找合适的线路走向。在路径规划基础上，隧道内电缆的合理布置也尤为重要。电力隧道在进行选择时，一般会沿着城市中路幅宽且长度较长的主要干道，这样在电力隧道内的电缆出现问题时，能够更加方便的进行维修。如在路电力隧道中，北起新疆路，南至复兴中路的电力隧道，有一段隧道会穿越南京路地下行人通道和苏州河，然后通过一些著名的建筑物，对于顶管轴线的平面直径最小要求在300m以上。通过这些事例可以发现，电力隧道在建设过程中会受到较多的阻碍，这时，可以通过设立一些工作井来减小建设过程中隧道的转弯半径，从而满足线路的走向改变。为了减小建设过程中的难度，需要遵循以下几点原则:首先，在进行线路的选择时，需要将规划的道路网作为基础，然后选择合适的隧道走向，在走向选择完成后，将其进行统一的建设和规划。其次，电力隧道应尽量选择在市政道路的下方一侧，且方向一致，在进行建设时需要距离道路5m～10m，这样能够保证工作井的位置同高层的建筑物之间存在一定距离，保护建筑物的安全。最后，隧道的建设是一项非常耗费财力的工程，因此，在进行线路的选择时，需要选择尽量简短的路径，这样既能保证线路沿着直线进行，同时，还能保证电力隧道周边建筑物的安全，降低建设成本。

2．4电力隧道设计的新技术研究

随着电力隧道的作用被发现，其在建设中的设计受到越来越多的关注，各种新技术层出不穷，当前，双孔电力隧道以其断面的巨大优势，使用越来越广泛。通过对其模拟数据的分析可以发现，其结构更加适合电力设施的运行，在进行开挖过程中，地层的变化和地表的沉降均能满足该技术的应用。其中，整体式的双孔电力隧道能够更加充分的利用进站道路地下空间，从而使地下的建筑物不再需要进行迁改，这样大大节约了工程的投资，也保证了设备运输的安全性。

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智能家庭要求家用电器经网络（总线）实现互联、互操，总线协议是其精髓所在。目前，国际上占主导地位的家庭网络标准有：美国的X10[1]、消费总线（CEBus）[2]、日本的家庭总线（HOMEBUS）[3]、欧洲的安装总线(EIB)[4]。

消费总线使用五种类型的介质(电力线、无线、红外、双绞线和同轴电缆)，其中以电力线的应用最为广泛。消费总线得到IBM、Hownywell、Microsoft、Intellon、Lucent、Philips、Siements等大公司的支持，1992年成为美国电力工业协会的标准（EIA600、EIA721）。1997年，EIA600成为美国ANSI标准；2000年6月，微软和CEBus委员会共同宣布支持CEBus的简单控制协议SCP。SCP是未来微中UPNP协议的子集。

1CEBus电力线物理层

鉴于家庭中电力线载波通讯的特殊性，CEBus采用价格低廉、简单易行的线性调频（chirp）扩频调制技术。摒弃了传统电力线载波通常应用的直接序列扩频、调频扩频、跳时扩频等设备复杂、价格昂贵的扩频调制技术。

图2通用通讯模块的原理图

消费总线的物理层有四种码，分别是:“0”、“1”、“EOF”和“EOP”。均为扫频信号，正弦信号载波，从203kHz经过19个周期线性地变为400kHz，再经过1个周期变为100kHz，然后在5个周期中变为203kHz，整个过程用时100μs，也就是1个UST(Unitsymbletime，在消费总线中用多少个UST来度量时间)。其波形如图1所示。

chirps扫频载波需经过放大耦合到电力线上，放大后的幅度应适中。幅度太低，给接收电路带来困难；幅度太大，又会对电力线上的设备产生干扰。CEBus的规定如表1[5]所示。

表1不同条件下的载波幅度值

设备工作电压最小幅值最大幅值负载范围

～120V2.5Vpp7Vpp10Ω～2kΩ

～240V5Vpp14Vpp39Ω～8.2kΩ

表2不同条件下的设备输入阻抗值

设备工作电压设备输入阻抗（在频率20kHz～50000kHz）载波幅值

～120V>150Ω6Vpp

～240V>300Ω12Vpp

同时也规定了电器设备对信号的阻抗。如果阻抗很小，就会将信号吸收从而无法传送国。规定如表2[5]所示。

线性调频技术实现宽带低功率密度传输，从而大大提高抗干扰性能和传输距离。同时，chirps具有很强的自相关性和自同步性。这种自相关决定了所有连接在网络上的设备可以同时识别从网上任意设备发出的这种特殊波形。

2通讯模块的设计

根据P89C51RD2和P300的芯片手册[6][7]，设计的通用通讯模块的原理图如图2所示。P89C51RD2和P300之间采用SPI接口通讯，用模拟的I2C总线和串行EEPROM通讯。这样，中断口、串口和有足够的I/O口可以用于实际设备的设计。

3通讯模块电力线接口电路的设计

从P300输出的信号幅度小、驱动能力弱而且还有高次谐波，因此必须经过滤波和放大，然后才能通过耦合电路将信号调制到电力线上。耦合电路将高压和低压隔离开，防止高压击穿通讯电路。另一方面，从电力线来的载波信号又要由P300接收，而电力线上的干扰很大也很不确定，所以需要一个带通滤波器，通过100kHz～400kHz之间的信号，再送到P300的接收端。电路的方框图如图3所示。

其中左边的3根线来自P300，TS是数字信号，控制收发转换。实际上P300的收发类似半双工方式，因为当它在“发送”劣态的时候，实际上并没有输出信号。因此，这个时候它可以处于接收状态，如果接收到了优态，就表示发生了竞争。

3.1滤波电路

输入滤波器电路如图4所示。

这个滤波器有6阶，对高频干扰有很好的抑制，图5是它的频率响应曲线。在高频段400kHz处衰减为3dB。高于400kHz的平均衰减为3dB，高于400kHz的平均衰减为128dB/dec，可以有效地过滤干扰信号。

P300输出的信号包含丰富的高次谐波，为了减小对电网的干扰，先经过带通滤波器再进行放大。滤波器也采用无源电路，原理与上面类似，这里不再多述。

3.2放大电路

P300的输出信号经过滤波之后，其内阻很大，没有驱动能力，而且电压幅度不符合消费总线的要求，必须放大后才能够驱动电力线。放大电路不仅要有强有力的输出能力，还需有禁止输出功能，这样才能使P300接收其它节点发出信号。

电网的性能不确定，有时是容性负载，有时是感性负载。这样就给末级电路采用反馈带来很大困难。因为当负载的阻抗特性变化时，输出的信号相位会发生变化，最终有可能是负反馈变成了正反馈，从而引起振荡。

图6电力载波放大电路

设计的电力载波放大电路如图6所示，虚线的左边的原理图，右边是实现电路图。可以看出，这个电路有两个输入，一个输出。输入信号来自P300的电力载波，输出使能控制放大器运行。图6的左半部分，T1和T2接成互补式OTL输出，它们的偏置电压来自电阻R1、R2的分压。来自P300的信号经过运放U1放大达到期望的幅度，然后通过电容耦合到T1和T2的基极。如果开关S1和S2合上，则T1和T2正常输出电信，P300可以发送数据；如果S1和S2都断开，那么T1和T2的基极都处于悬空状态，输出端也成为悬浮状态，从而不会吸收由电力线传来的信号，P300可以接收信号。

在图6的右边，开关S1和S2也被T7和T8取代,T1和T2被复合管取代，其中的电阻R11用来消除三极管漏电电流的影响。采用复合管是为提高放大倍数，这样可以尽量减小级间耦合，即使输出信号发生了畸变，也不会影响到前级而发生振荡。实际证明这种做法是很可行的。其对容性负载、感性负载以及纯电阻的负载都有较稳定的输出，输出阻抗小于2Ω。

图7P300与电力线的耦合电路

3.3耦合电路及保护措施

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2改进的并行扰码与解扰电路

前面已经提到，协议规定的扰码与解扰模块位于数据传输层和数据链路层之间，在传输层数据成帧的过程中，发射器为了与接收器之间达到同步会在用户数据前发送编码数据同步序列和初始通道校准序列，协议要求在这两种序列发送的过程中是不能进行扰码的，在此过程中扰码器和解扰器处于非工作状态。另一方面，在用户数据到达后，扰码器和解扰器要开始工作，如果此时扰码器与解扰器中移位寄存器的初始状态值不同，会导致接收端不能正确恢复用户数据前两个字节值［4］。为了避免前两个字节值的丢失，在扰码器与解扰器的移位寄存器同步之前，用户数据前两个字节可以在无扰码操作的情况下传输，两个字节之后，扰码器与解扰器移位寄存器的状态就会由用户数据的前两个字节所确定，这时能够保证达到同步状态。基于以上考虑，提出一种带使能信号的改进扰码与解扰电路结构［4］，如图3所示。此时扰码器和解扰器都加入了一个使能控制信号。当en信号为低电平时，输入不经扰码直接输出;同理在接收端也不用解扰。两个字节之后，扰码器和解扰器移位寄存器中的状态都是由输入决定的确定值，此时可将en信号电平拉高，进行正常的扰码与解扰操作。

3仿真结果

用MODELSIM软件对设计的并行扰码和解扰电路进行了功能仿真。把扰码电路和解扰电路串联起来进行了仿真，仿真结果如图4和图5所示。由仿真结果看出，无论是8位并行扰码还是16位并行扰码，前两个字节都没有被扰码，当然也没有被解扰，此时扰码器的输出和解扰器的输出是相同的。从第3个字节开始，扰码器和解扰器就进行了正常的扰码与解扰。这样的输出结果正是协议的规范和要求。而解扰器的输出与扰码器的输入是完全相同的，从而证明了电路扰码和解扰功能的正确性。用DesignCompiler软件对设计进行综合，得到电路在面积、动态功耗、弛豫时间等方面的结果，如表1所示。由以上综合结果可以看出，该电路功耗很低，至少可以运行于较高频率，满足协议对加扰电路的速度要求。

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2无人机载光电平台升降结构的设计思路

由于无人机在飞行过程中容易受到飞行阻力，从而影响到无人机的飞行时间。随着科学技术的发展进步，为了提高无人机的飞行时间，研发出了一种结构简单、易操作的无人机载光电平台升降结构。无人机载光电平台升降结构的工作过程就是：当无人机载光电平台在正常工作的时候，升降结构可以伸出机外；当无人机载光电平台结束工作的时候，升降结构收入机腹，以减小无人机的飞行阻力。无人机载光电平台升降结构的质量问题，也影响着无人机的续航能力，目前，升降结构使用碳纤维铝蜂窝夹层的复合材料代替传统的铝合金材料，质量减轻了几千克，使无人机的续航能力得到了一定程度上的提高。无人机载光电平台的升降结构是无人机工作系统中的一项重要的设备，它的操作简单，却是整个工作系统中必不可少的，假如升降结构出现问题，无人机的工作将会受到严重的影响，甚至无法开展工作。因此，无人机载光电平台升降结构的设计思路是十分重要的。

2.1无人机载光电平台升降结构的工作原理

目前无人机载光电平台升降结构的类型主要有：连杆机构、链轮机构等等，在无人机中使用的光电平台升降结构的设计原理也是特别简单的，只要满足稳定性强、刚度强就可以。升降结构的工作原理就是：当电机轴开始旋转，电机轴上的齿轮也会随之旋转，从而大齿轮和丝杠也开始转动，丝杠上的丝母沿着丝杠的轴做直线运动，升降盘和丝母连接在一起，通过丝母的运动，升降盘也得以升降。无人机载光电平台升降结构的工作原理简单，功能简单，除了工作时间，升降结构只需稳定就行，因此，无人机载光电平台升降结构的设计思路应该满足：稳定性强、坚固等等。

2.2无人机载光电平台升降结构的设计思路

由无人机载光电平台升降结构的工作原理可知，升降结构在设计过程中应该首先满足稳定性强、坚固的要求。此外，由于无人机对质量方面的要求是极其严格的，无人机载光电平台升降结构的质量应该尽可能的轻。这样说来，无人机载光电平台升降结构的自身承重应该尽可能增强，自身质量要尽可能减轻，研究表明升降结构的自身质量约为承重质量的0.17，这就表明升降结构的设计应该采用一种特殊的方法来满足。在升降结构的设计过程中，不应采用传统的设计方法，而是采用了四根丝杠，这样当电机通过齿轮旋转带动丝杠转动时候，也带动另外三根丝杠同步旋转，从而带动升降盘上下运动，四根丝杠的设计思路是每一根丝杠都既可以起到承重的作用，又可以起到导向的作用。四根丝杠的设计方法，不仅仅增强了无人机载光电平台升降结构的稳定性，同时又减轻了升降盘的质量，这样比传统的两根丝杆升降结构更加稳定。丝杠的设计上，采用了梯形的螺旋纹，这样以来可以减小因摩擦造成的缝隙。此外，为了保证丝母的锁定功能，还要采用单头的螺纹。升降盘的设计应该采用一种质量较轻的材料，目前一般是由碳纤维复合材料，这样的材料承重能力强而且自身质量较轻。

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2供料机构设计

供料机构是为秤体加料这种需求而设计的。其底部是加料闸板，向秤体加料时，闸板首先由全关状态变为全开，当加料量达到足量的百分之八十左右时，关闭，但不是全关，其关闭程度是使闸板的边缘的豁口继续漏料，以细流补充不足，当秤体内的物料的重量达到期望值时，闸板进一步关闭，达到全关的位置。由全开到全关的两个过程，是靠两个气缸对顶串联的方式实现的，全开时两个气缸全部伸出，当加料量达到足量的百分之八十左右时，串联的两个气缸中行程较长的气缸收缩，完成进料时，较短的气缸，再收缩，完成一次测量的全部加料。这种结构中的存料部分，即插板以下进料闸板以上的部分，储料量应为供料量的百分之七十到八十。只要将此部分加人到秤体内，就可以关闭粗门开始细料流的控制，因此可以减少时间，提高称量速度。

3卸料机构设计

将底门设计成对称的两扇门，其动作由气缸伸缩来控制，以实现关闭和打开动作。气缸是经过改造了的。将两气缸的缸体对顶安装成为一体，两端的阀杆在气源的作用下同时伸缩，将这种组合气缸水平安装于秤体的侧面，当其伸缩动作时，在水平方向上不产生位移，实现了对称运动。克服了秤体的摆动，确保了测量的快速性。并形成专利，并由中华人民共和国国家知识产权局颁发了实用新型专利证书，专利号ZLO32026862。结构示意见图l底「1(卸料翻门)的搭口结构保证了在称量粉类物料时也不会出现漏料现象。，‘仕楠件/‘;县;本图1结构示意图1石结构优化设计二•二。”，小。二结构优化设计主要体现在对物料人口及出风口面积的匹配设计、供料箱结构尺寸的合理选择、供料翻门一门实现粗流、细流两种功能的设计、卸料翻门搭口结构设计、实现供料及卸料动作的机构设计等。所有这些优化保证了整机的优良胜能。称重精度为0.巧%;称重速度为1000袋/小时(单秤);采样速率:25000次/秒。

4技术特点

儿3000型自动电子计量秤的称量精度达到0.巧%，速度达到1000袋/小时(单称)，并提高使用寿命达到2年免维护，并实现自动标定。称重出厂合格率达到100%，满足国家标准的要求。JL3000型自动电子计量秤结构优化设计与应用，并将此发明应用在大庆石化公司塑料厂、大庆石化公司化工三厂成品包装线上使用。经实际运行证明，称量精度高，称重速度快，无漏料现象，这些结构优化设计，保证了整机性能，效果好实用性强。

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2设计要点

2.1可编程逻辑控制器性能

本次设计采用西门子S7-200CN型可编程逻辑控制器，本机集成8输入/6输出共14个数字量输入/输出点，可连接2个扩展模块。6K字节程序和数据存储空间。4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。24V直流输入，24V直流输出，100～230V交流电源，24V直流输入继电器输出。

2.2PLC外接电路设计

该附加系统外接电路需接入线圈电压为DC24V的继电接触器两个，起动按钮一个及停止按钮一个。其中K1、K2为两个外加线圈电压DC24V的继电接触器，线圈电路中分别串联K2、K1常闭触点实现互锁功能，防止程序时间间隔设计或操作过程中的误操作而导致K1、K2同时接通,出现试验系统主电路短路事故。试验中，通过控制接触继电器K1、K2线圈的通断电，利用其常开触点的接通与分断，控制可逆起动器接触器线圈的通断电，实现可逆起动器接触器的接通与分断。启动按钮给可编程逻辑控制器提供触发信号，可编程逻辑控制器开始运作。停止按钮实现中止功能，可随时中止试验。

2.3试验系统与可逆起动器的连接

可逆起动器主电路与控制电路分开。在原接通通断试验系统变压器与阻抗柜（电阻、电感调节控制柜）的基础上调试试验所需电压及电流，接入可逆起动器主电路。试验系统提供与可逆起动器的断路器线圈电压相对应的电源单独给断路器线圈供电。KM1、KM2为可逆起动器两断路器线圈，分别串联于接触继电器K1、K2常开点，通过控制接触继电器K1、K2常开点的交替合分实现可逆起动器两断路器线圈的交替接通与分断。

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1.1变压器变压器节能可以从效率、容量选择、运行方式等几方面考虑。由于现目前用电负荷高，变压器一般有很多台，单台容量一般都在1600KVA以上，因此，变压器长期运行的话，损耗将是非常庞大的数字。比如，某品牌S10就较S9在80%负载率情况下课每年节能约0.48万KVH.所以选择合适的变压器室非常重要的。尽管可能在前期投入上会相对较多，但是从长期来看，绝对是划算的。同时，应该根据所载负荷的大小及成本，选择合适的变压器容量以及数量。以及根据实际运行情况调整多台变压器的主备用状态。

1.2电容补偿设备电容器是用来补偿系统的功率因素，提高系统效率的。其内部一般都有放点电阻，其作用就是当电容器从系统撤出时，电压能迅速至安全电压。但是投入系统时则有放电损耗。而电子式放电容器能避免这种损耗。进行供配电系统方案设计时，我们应该选择技术先进的节能型设备，减少设备自身损耗，提高节能效果。以及上面讲到的合理选择供电模式、降低导线用量；合理选择导线截面和敷设方式，降低配电线路损耗。设计中也应尽可能地考虑系统的功率因素，积极治理谐波干扰。

1.3无功功率的补偿无功功率的补偿能够有效的提高配电系统的功率因素，而提高功率因素的意义有以下几点：（1）能够提高供电设备的利用率，使其可以带更多有功负载，节约设备投资，达到间接节能。（2）提高输电效率，当有功功率一定时，若供电电压不变，功率因素越大，则电流越小，损耗也就越小。（3）可改善供电质量，提高输电安全。电流小，线路电压损耗小，发热量也小，输电线路安全性也得到提高。

2谐波治理

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二、电气节能技术在石化企业工程设计中的应用

1电力系统节能

电力系统节能要从变压器选型、系统功率因素提高、线路功率损耗、减少高次谐波这四个方面论述：

1.1变压器选型。

变压器是在电力系统中是较为常用且较为普遍的电气设备，尤其在石化企业中，大量的变压器投入使用。7×24小时运行，其消耗电能量也是相当之大。通常我们在选择变压器时，需要根据变压器的负载率这一指标来进行选择。Pf是变压器的额定负载有功损耗；Qf是变压器的额定负载漏磁功率；β是变压器的负载率；Ud%是短路电压的百分比值。当变压器的负载率β处于40%～60%之间的时候，可以使得变压器的额定负载有功损耗PL取得极小值，那么我们在实际选择变压器时，应尽量使得其负载率处于40%～60%之间。另外，为了提高石化企业的经济效益，减少生产过程中的能源消耗，建议在工程设计的时候对变压器的选择采用国家新型的、高效节能的产品。

1.2系统功率因数的提高。

在电力系统中，功率因数占据着举足轻重的地位。如果能够提高功率因数，那么就意味着能源的利用率会得以提高，同时生产和电力成本、线路电压都会相应减少，而设备的利用率会大大改善。石化企业就会以最小的投资得到最大的经济收益。大多数用电设备均是根据电磁感应原理工作的，如配电变压器、电动机等，它们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率，在功率三角形中，有功功率P与视在功率S的比值，称为功率因数cosφ，其计算公式为：cos()//()1/222PSPPQ在实际运转的电网中，功率因数cosφ反映了电源输出的视在功率的利用率，cosφ是一个大于0小于1的数，那么，当电气系统的功率因素无限趋向于1时，电路中的无功功率就越小，意味着视在功率的利用率越高，从而电能输送的功率就越大，这样就可以通过提高功率因素来降低电路损耗。一般的，功率因数有两种方式来提高，分别是自然提高和人工补偿。自然提高功率因数比较简单，主要是电动机的选型上，选择合适的电动机和变压器，避免电机的空载运行。第二种人工补偿方式主要采用同步电动机补偿、动态无功功率补偿、并联电容器补偿的方式。

1.3减少线路的功率损耗。

根据公式P=I2R可知，只要电流经过有电阻的介质就会产生能量消耗。那么在一个大的工程中，有成百上千的设备以及设备线路，减少线路的功率损耗对于电气节能的贡献是相当可观的。根据R=ρL/S可以得出，在工程设计中应当合理地设计电气线路的走向，减少线路的长度L以及合理地选择线路的粗细S能够有效地降低线路损耗。

1.4降低高次谐波。

在我国使用的交流电的频率为50Hz，当正弦波受到外界干扰时就会发生畸变，畸变越严重，高次谐波分量越大，基波的分量越小。在具有高次谐波电压和电流的电网系统中，对电动机的正常运行起作用的仅是电网的电压和电流的基波部分，而系统中的高次谐波电流和电压部分，则只能产生有功损耗和额外的无功损耗。同时，高次谐波会产生过电压、过电流直接影响到工作的可靠性。解决电网高次谐波主要是采用无源滤波技术（电容、电感组成的滤波器吸收高次谐波）和有源滤波技术（由先进的电子控制和电力电子设备组成，通过探测系统瞬间的畸变波形，并产生与之相反的畸变波形与其抵消，从而输出标准的正弦波）。

2稳定电压节能

稳定供电电压至额定电压，系统供电效率最高。电压的不稳定，高电压和低电压都不能形成高效供电。绝大多数的用电设备，它在额定电压工况下效率最高。如果供电电压高于额定电压，就会产生过高的空载电流，造成能源的浪费。如果供电电压低于额定电压，负载不变时就会产生过大的负载电流，造成线损的增加，也会造成能源的浪费。要选择合适的供电电压，如果压力变化过大，可使用带有有载调节开关的变压器。

3照明系统节能

在满足正常照明需求的前提下，优先选取发光效率高、能源消耗小的节能灯、电磁感应灯、LED灯等。这些灯的寿命长、能耗小，可以满足节能的要求。在我国，电网的标准电压是220V，但是存在一个电压的-10%～-7%的电压偏差。过高的电压经过照明系统会产生大量的热量，同时也会影响到照明设备的寿命。通过控制照明系统中回路电压，能够起到节约用电和延长照明设备使用寿命的功能。

4电子设备节能

在石化企业中，电子设备节能主要包含工作计算机、打印机、复印机的节能和工业使用的PID控制系统节能。在日常工作中，企业的每一位员工需要养成顺手关闭计算机显示器、下班后关闭计算机的习惯，在使用操作系统时尽量设置为省电模式。另外打印机、复印机在不使用的时候选择待机或直接关机减少耗电量。工业使用PID控制系统设计时选择低功耗的模块。