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盾构推进液压系统阀块试验台,实验室流动化学

发布时间:2019-09-18 07:22编辑:化学科学浏览(86)

    实验室流动化学整体解决方案 1概述: 近年来,随着微反应连续化学技术的普及,不少单位已经采购了各类微反应器并开始尝试进行相关实验,在实验过程中已经总结了不少的经验,同时也遇到了不少的问题,对此,欧世盛公司针对流动化学的实验室硬件及软件做了大量的了解和开发工作,现将具体工作简单总结如下。 流动化学实验室其主要功能应着重考虑它的效率、安全及便捷性,针对这个思路我们通过与国内外相关单位的大量交流、实验,将流动化学实验室的设备组成分解如下:

    介绍了盾构推进液压系统分区工作原理, 设计了推进液压系统阀块试验台, 详细阐述了其测试原理和测试方法。对试验台系统中的主要参数进行了设计计算, 并对其主要元器件进行了选型。测试结果和现场推进表明所设计的试验台系统可满足推进液压系统集成阀块功能的检测; 同时也表明所设计的集成阀块是可靠的, 能成功应用于推进液压系统中, 满足现场盾构施工的要求。

    图片 1

    盾构机是集多学科技术于一体的专用于地下隧道开挖的大型工程装备。它具有开挖速度快、质量高、人员劳动强度小、安全性高、对地表沉降和环境影响小等特点,与传统的钻爆法隧道施工相比具有明显的优势[1、2]。

    型号

    推进系统承担着整个盾构机的顶进任务, 要求完成盾构机的转弯、曲线行进、姿态控制、纠偏以及同步运动, 使得盾构机能沿着事先设定好的路线前进, 是盾构机的关键系统。考虑到盾构机具有功率大、变负载和动力远距离传递及控制等特点, 其推进系统都采用液压系统来实现动力的传递、分配及控制[3]。

    DP-S10

    由于盾构推进系统的工作环境恶劣, 并且工作空间有限, 要求控制系统阀块均采用集成技术, 并要具有高的可靠性。本文主要对推进系统阀块试验台的工作原理和设计计算进行介绍, 为推进系统阀块的性能检测提供一个测试平台。

    DP-M10

    1 推进液压系统阀块试验台原理设计

    DP-P10

    为了对设计的推进系统阀块进行性能测试, 根据阀块的测试要求设计了 1 个试验台。该试验台可以实现以下几个方面的测试: 1) 阀块密封性能测试; 2) 比例压力阀调压性能测试; 3) 比例流量阀调速性能测试; 4) 液控单向阀保压性能测试; 5) 插装阀控制测试。

    DP-F10

    图 1 为所设计的推进系统阀块试验台原理图。图中序号 12~22 所示为被测试的推进系统集成阀块原理图。推进液压系统采用带电比例溢流阀的恒压变量泵作为动力源, 向 4 个分区同时供油, 由于采用了分区控制, 4 个分区只是在盾构截面的分布位置不同, 其控制方式和工作原理则完全相同[4]。如图所示, 比例溢流阀 14 调节液压缸推进压力, 与压力传感器检测的压力构成压力闭环反馈控制, 实时控制推进压力; 比例调速阀 22 调节进入系统的流量,与安装在液压缸内的内置式位移传感器检测到的位移构成速度闭环反馈控制, 实时控制推进速度。插装阀 12 和二位三通电磁换向阀 13 可短路比例调速阀22, 实现推进液压缸的快速运动, 从而减少液压油进入液压缸的沿程压力损失。插装阀 21 和二位三通电磁换向阀 15 则用来实现推进液压缸快速回退, 减小液压油回程阻力。三位四通电磁换向阀 20 用来完成工作状态的切换, 可实现推进液压缸的前进、后退和停止状态。溢流阀 18 用来实现系统过载保护, 推进瞬间液压缸进油口会出现瞬时过载, 此时溢流阀 18立即开启形成短路, 进、回油路自循环, 使过载油路得到缓冲。二位二通电磁换向阀 17 用来实现故障停机时液压缸卸载检修, 可减小卸载中的压力冲击。二位二通电磁换向阀 17 前的阻尼孔可防止二位二通电磁换向阀 17 卸载时产生的压力冲击。插装阀 12、21 前的阻尼孔用来调节插装阀的开启速度, 改变插装阀的静动态特性和减小液压冲击。阻尼孔直径根据经验值一般取 0.8~2.5 mm。

    流量范围

    根据推进系统集成阀块的工作原理, 试验台系统测试原理及测试方法如下:

    0.001-10.000mL/min

    ⑴首先, 给测试阀块加压, 检验阀块密封性能,同时检验阀块回路是否畅通。

    耐压

    ⑵二位四通阀 7 调置为左位, 三位四通阀 20 置于左位, 比例调速阀 22 置于最大开口, 节流阀 11 置于某一开口, 启动液压泵, 调节比例溢流阀 14, 通过压力表读数可以检验阀块比例溢流阀调节功能是否正常。

    40MPa

    ⑶二位四通换向阀 7 调置为左位, 三位四通换向阀 20 置于左位, 比例溢流阀置于最大值, 加载节流阀 11 置于最大开口, 启动液压泵, 调节比例调速阀 22, 通过压力表读数可以检验阀块比例调速阀调节功能是否正常。

    40MPa

    ⑷二位四通换向阀 7 调置为右位, 启动液压泵,关闭比例调速阀 22, 关闭加载节流阀 11, 给阀块加压到一某值, 关闭液压泵, 可以检测液控单向阀 16和插装阀 21 的保压性能。打开加载节流阀 11, 可以同时检测三位四通换向阀 20 的密闭性。调节溢流阀18, 可以检测溢流阀 18 的过载卸荷能力。给二位二通换向阀 17 上电, 检测是否有压力冲击声音, 从而选择合适的阻尼孔, 减小压力冲击。

    30MPa

    ⑸二位四通换向阀 7 调置为左位, 三位四通换向阀 20 置于右位, 比例溢流阀 14 置于最大压力, 比例调速阀 22 和加载节流阀 11 置于某一开口, 启动液压泵, 给二位三通换向阀 13 和 15 通断电, 通过压力表读数可以检验阀块插装阀通断功能是否正常。

    2MPa

    2 测试系统主要参数计算

    泵材料

    根据推进系统要求, 测试系统压力应大于或等于推进系统设计压力。推进系统最大工作压力为21.5 MPa, 那么测试系统压力可取 22 MPa。

    316L

    2.1 系统流量的确定

    Monel k-500

    推 进 系 统 执 行 元 件 液 压 缸 的 尺 寸 为Φ200/Φ160×1 900 mm, 系统要求每区液压缸回退时的最大速度 v 为 1.4 m/min, 其中下位区有 10 个液压缸, 回退时所需流量为

    PEEK

    上位区有 6 个液压缸, 其回退所需流量为 95L/min, 左、右区各有 8 个液压缸, 其回退所需流量为126.6 L/min。

    PTFE

    本测试系统主要对推进系统集成阀块压力控制性能进行相关测试, 流量控制性能可以模拟上位区即 6 个推进液压缸流量控制性能研究, 因此系统流量确定为 95 L/min。

    流量准确度

    2.2 主驱动泵的参数计算及选型

    ±0.5%

    根据计算出的流量和系统压力选取主驱动液压泵。选择时, 泵的额定流量应与计算所需流量相当,不要超过太多。但泵的额定压力可以比系统工作压力高出 25% 或更高些。根据泵流量公式得出泵的排量为

    流量重复性

    式中: Vg——液压泵理论排量(mL/r)

    RSD≤0.3%

    q1——系统需要流量(L/min), q1=95 L/min

    进口管路

    n——电机转速(r/min),n =1 500 r/min

    OD 1/8" ID 1/16" PFA 管

    ηv——液压泵容积效率, ηv=0.9

    出口管路

    根据计算, 液压泵选取德国 Rexroth 产品, 型号为 A10VO71DR。该泵为变量泵, 应用于开式系统。其额定压力为 28 MPa, 峰值压力为 35 MPa, 理论排量为 71 mL/r, 可满足系统工作要求。

    OD 1/16" ID 0.03" PFA/316L/F276管

    2.3 电机功率计算及选型

    控制方式

    根据公式得电机功率为

    3.1" OLED液晶屏、PC软件管理系统

    式中: N——所需电机功率( kW)

    通信接口

    qp——泵的额定流量(L/min)

    RS232、RS485、LAN、蓝牙、Wifi

    Vg——泵的排量( mL/r) , Vg=71 mL/r

    尺寸(深×宽×高)mm

    n——电机转速(r/min),n =1 500 r/min

    310×215×140

    ηm——泵的机械效率, ηm=0.9

    输入电压

    ηv——泵的容积效率, ηv=0.9

    AC 198V-242V 80W

    △p——系统压力差( MPa) , △p =22 MPa

    型号

    根据计算, 选取 ABB 公司的 Y2- 250M- 4- B35型电机, 其功率为 55 kW, 满足系统要求。

    DP-S50

    2.4 油箱设计

    DP-M50

    油箱采用开式油箱, 箱内液面与大气相通, 在油箱顶部设置空气滤清器, 并兼作注油口用。油箱有效容积一般为泵每分钟流量的 3~7 倍, 泵的每分钟的流量为

    DP-F50

    油箱有效容积应为 95.8×7=670.6 L, 按有效容积为 80% 计算油箱的总容积为 840 L。可初步定油箱三边的尺寸为 1000 mm×1000 mm×850 mm。

    流量范围

    2.5 辅助元件计算选型

    0.001-50.0mL/min

    过滤器是液压系统中的重要元件。它可以消除液压油中的污染物, 保持油液清洁度, 确保系统元件工作的可靠性。根据其要求, 系统压力管路过滤器选用温州黎明公司的 ZU- H250×10DFP。

    耐压

    根据油箱的有效容积为 670.6 L 和系统最大流量 95 L/min, 选用黎明公司的滤清器 EF7- 100。其加油流量为 110 L/min, 空气流量为 1 055 L/min。按照吸油管路流速 v 为 0.5~1.5 m/s, 确定吸油管路内径:

    25MPa

    取标准软管通径内径 Ф50 mm,可满足要求。

    25MPa

    按照液压油管路流速 v为 4~7 m/s, 确定液压油管路内径:

    2MPa

    取标准软管通径 Ф19 mm, 可满足要求。

    泵材料

    3 泵站及试验台三维设计及实物图

    316L

    为了提高系统设计的准确性, 以及试验台系统各部件整体组装的结构紧凑性和密封性, 采用了三维参数化设计软件 Pro/E 建立的三维实体,能够完全再现各个实物零件的真实特征, 从而方便、直观地进行实体虚拟装配和运动分析。通过观察装配体的各个部位, 检查设计的正确性、合理性和准确性, 使各种问题在设计阶段就被发现解决, 提高了设计效率[5]。图 2 为采用 Pro/E 设计的系统泵站及试验台三维布置图。图 3 为所要测试的推进系统集成阀块图, 图4 为推进系统集成阀块试验台。

    Monel k-500

    4 调试结果及现场推进

    PTFE

    通过在试验台上调试发现, 集成阀块和各个元件之间的密封性能好, 回路也畅通, 可长时间在系统工作压力 22 MPa 下工作, 并可承受最大峰值压力35 MPa, 满足系统密封性能要求。调节比例阀的放大板电流, 比例调速阀和比例溢流阀可在标定范围内0~100%无级调速, 也能满足系统工作要求。同时插装阀的通断功能、溢流阀的过载卸荷能力以及换向阀的压力冲击均符合设计要求。

    流量准确度

    ±1%

    流量重复性

    RSD≤0.5%

    进口管路

    OD 1/8" ID 1/16" PFA 管

    出口管路

    OD 1/16" ID 0.03" PFA/316L/F276

    控制方式

    3.1" OLED液晶屏、PC软件管理系统

    通信接口

    RS232、RS485、LAN、蓝牙、Wifi

    尺寸(深×宽×高)mm

    330×230×150

    输入电压

    AC 198V-242V 150W

    型号

    DP-S200

    DP-M200

    DP-F200

    流量范围

    0.1-200mL/min

    耐压

    15MPa

    15MPa

    2MPa

    泵材料

    316L

    Monel k-500

    PTFE

    流量准确度

    ±2%

    流量重复性

    RSD≤1%

    进口管路

    OD 1/8" ID 1/16" PFA 管

    出口管路

    OD 1/16"或1/8”,ID 0.03" 或1/16 PFA/316L/F276

    控制方式

    3.1" OLED液晶屏、PC软件管理系统

    通信接口

    RS232、RS485、LAN、蓝牙、Wifi

    尺寸(深×宽×高)mm

    420×295×195

    输入电压

    AC 198V-242V 500W

    型号

    DP-S500

    DP-M500

    DP-S1000

    DP-M1000

    流量范围

    1-500.0mL/min

    1-1000mL/min

    耐压

    10MPa

    10MPa

    2MPa

    2MPa

    泵材料

    316L

    Monel k-500

    316L

    Monel k-500

    流量准确度

    ±2%

    流量重复性

    RSD≤1%

    进口管路

    OD 1/4" ID 3/16" PFA 管

    出口管路

    OD 1/8" ID 1/16" 316L管

    控制方式

    3.1" OLED液晶屏、PC软件管理系统

    通信接口

    RS232、RS485、LAN、蓝牙、Wifi

    尺寸(深×宽×高)mm

    430×310×210

    输入电压

    AC 198V-242V 500W

    但该泵对粘度高、微粒溶液体系等并不适用,还由于很多原料体系并不十分纯净,恒流泵的机械单向阀结构会导致其长期供液时流量精度不准的情况,高压恒流输液泵由于单向阀结构的限制,会出现如下情况不能处理长时间输送格式试剂、有机锂试剂、高浓度盐溶液(盐析出影响单向阀开启闭合,大大降低了流量精度)高压体系下输送物料精度下降不能输送粘性液体。高压输液泵的这些特性限制了其在连续化学中进一步的广泛应用。 欧世盛为解决这一痛点在国内推出了无阀双头高压连续注射泵,双注射泵无脉动交替运行,无机械单向阀。该泵在连续反应输送物料过程中具有显著的优势可输送高浓度盐溶液输送高粘度液体无机械单向阀输送精度与体系压力无关可输送纳米颗粒及悬浮液兼容高压恒流泵物料输送能力。目前欧世盛提供两型HP-高压注射泵和LP-低压注射泵,流量范围0.001-100mL可选,可提供0-3Mpa的泵送压力。

    图片 2

    型号

    HP-S10

    HP-S50

    HP-S100

    驱动方式

    双注射泵

    流量范围

    0.01-10.0mL/min

    0.01-50.0mL/min

    0.01-100.0mL/min

    泵体材料

    316L

    316L

    316L

    耐压

    3MPa

    3MPa

    3MPa

    长期工作压力

    0.01-3MPa

    0.01-3MPa

    0.01-3MPa

    每步注射量

    0.8μm

    小速度

    0.15mm/min

    大速度

    320mm/min

    流量准确度

    ±0.5%

    流量重复性

    RSD≤0.3%

    进口管路

    OD 1/8" ID 1/16" PFA 管

    出口管路

    OD 1/8" ID 1/16"或OD 1/16" ID 0.03"316L/F276管

    控制方式

    3.1" OLED液晶屏、PC软件管理系统

    通信接口

    RS232、RS485、LAN、蓝牙、Wifi

    尺寸(深×宽×高)mm

    410×260×360

    输入电压

    AC 198V-242V 200W

    LP-低压注射泵性能参数:

    型号

    LP-2

    LP-10

    LP-20

    LP-50

    流量范围

    0.001-2mL/min

    0.005-50mL/min

    0.01-20mL/min

    0.1-50mL/min

    单注射器内体积

    1mL

    5mL

    10mL

    20mL

    每步注射量

    0.006μL

    0.03μL

    0.06μL

    0.12μL

    驱动方式

    双注射泵

    泵材料

    玻璃/PTFE/FEP

    耐压

    0.6MPa

    长期工作压力

    <0.3MPa

    小速度

    0.06mm/min

    大速度

    120mm/min

    流量准确度

    ±0.5%

    流量重复性

    RSD≤0.3%

    进口管路

    OD 1/8" ID 1/16" PFA 管

    出口管路

    OD 1/8" ID 1/16"PFA管

    控制方式

    3.1" OLED液晶屏、PC软件管理系统

    通信接口

    RS232、RS485、LAN、蓝牙、Wifi

    尺寸(深×宽×高)mm

    320×190×380

    输入电压

    AC 198V-242V 120W

    2.2微反应器 目前在国内有多家制作加工微反应器的企业,样式有板式、管式,材料有碳化硅、不锈钢、哈氏合金等多种规格,但在流动化学中,微反应器的关键在于设计,不同反应类型需要配置不同的微反应器。欧世盛公司已跟多家微反应器供应商建立联系,公司的应用部门可协助用户选择一款更适合的微反应器。并可以协助联系国内流动化学研究团队,协助工艺开发。 2.3压力控制模块---全自动背压调节器 在连续化反应过程中,体系压力需要通过调节背压阀来进行控制。在应用过程中需要调节压力的反应包括高温高压反应、气体参与的反应(氢化反应、氧化反应、插羰反应、氯化反应、氨化反应)、有气体生成的反应(吲哚合成反应、重氮反应)、低沸点溶剂高温反应。 目前实验室采用手动调压阀进行体系压力控制,存在体系压力控制不准、手动调节频繁、压力数据无法追踪的问题。基于目前实验室应用现状,欧世盛公司在国内设计开发出一款智能全自动背压阀。其具有显著的特点内置自学习功能,通过自学功能,可在3秒内可快速实现压力调节,提率课远程电脑控制设定压力梯度。该自动部件的出现提高了工艺开发效率,配合在线检测器及样品采集器,为工艺开发提供了有力工具。

    图片 3

    型号

    BP –A/100/250/500/1500/3000/6000

    压力控制范围

    0-100/250/500/1500/3000/6000psi

    接触介质材料

    316L

    控制精度

    ±1%

    阀响应时间

    ≤3S

    使用温度

    -40oC-70oC

    进液出液口螺纹

    10-32UNF

    控制方式

    3.1" OLED液晶屏、PC软件管理系统

    通信接口

    RS232、RS485、Wifi

    尺寸(深×宽×高)mm

    300×105×110

    允许环境温度

    5oC -50oC

    输入电压

    AC 198V-242V 150W

    2.4在线检测模块 目前在实验室,合成反应中样品检测都需要借助单独的检测设备,如:HPLC、MS(LCMS,GCMS)、NMR进行检测。此过程包括了反应淬灭,样品前处理,样品配置,样品检测,样品回收及后处理。对于监测正在进行中的反应,其存在着诸多弊端:不能真实反应体系中各组份的真实含量;无法实时监测连续反应合成实验的反应变化情况;操作复杂,检测结果受人为影响;时间成本高,分析效率低下等。 连续流合成反应与连续在线检测的组合在流动化学应用中是结合,有效的在线检测将对反应体系进行持续的监测和瞬时检测,包括反应物、瞬态中间产物和终产物。在实际应用中,有几种分析检测技术如NIR、拉曼光谱、UV,HPLC、GC、MS已经成功应用于连续流动化学反应。欧世盛公司根据流动化学实际应用需求,在业界推出UV-Vis、NIR、拉曼光谱三款在线检测器仪器,以适用于制药、化工领域的在线检测。 在线UV-Vis检测器 具有较好的选择性和较高的灵敏度,而且对环境温度、流动相组成变化和流速波动不敏感。适用范围氢化反应、显色反应、染料合成、中药等。 性能指标:

    型号 UV-Vis-950
    波长范围 200-950nm
    波长准确度 ±1nm
    噪声 ±0.00bs
    信噪比 1000:1
    光谱带宽 8nm、4nm可选
    池体积 20μL、10μL可选
    浸出液接口规格 10-32UNF
    通信接口 USB
    尺寸(深×宽×高)mm 300×105×110
    允许相对湿度 80%
    输入电压 AC 198V-242V 10W

    在线NIR检测器 近红外光谱仪在常规光纤中有良好的传输特性,且分析速度快、非破坏性、多组分多通道同时测定等特点。适合绝大多数的有机化学反应。 性能参数:

    型号 NIR-2500
    波长范围 1350-2500nm
    光谱分辨率 8/16nm@1550nm
    波长准确度 ±1.5nm@1400nm
    波长重复性 ±0.1nm@1400nm
    光度准确度 ≤0.001Abs
    稳定性 ≤1.0%T (@0Abs, 30min)
    噪声 ±0.0001AU 3s测量时间
    接收器 inGaAs
    流通池体积 20μL、10μL可选
    流通池光程 3nm、10nm可选
    近红外光源寿命 >2000h
    进出液接口规格 10-32UNF
    通信接口 USB
    尺寸(深×宽×高)mm 300×105×110
    允许环境温度 5oC -50oC
    允许相对湿度 80%
    输入电压 AC 198V-242V 50W

    在线拉曼检测器 每种物质都有其特征的拉曼光谱,利用拉曼光谱可以鉴别和分析样品的化学成分和分子结构,可进行未知物质的无损鉴定。拉曼光谱技术现已广泛应用于化工、化学、医药、生命科学等领域,因此在线拉曼光谱将成为流动化学为重要的在线检测器之一。 性能参数:

    型号 RAMAN-1000
    激光波长 785nm
    频移范围 100 ~ 3200cm-1
    分辨率 8 cm-1
    波长准确度 ±0.5nm
    波长重复性 <0.1nm
    噪声 ±0.003Abs
    积分时间 5ms –60s
    进出液接口规格 10-32UNF
    通信接口 USB
    尺寸(深×宽×高)mm 300×105×110
    允许环境温度 5oC -50oC
    允许相对湿度 80%
    输入电压 AC 198V-242V 10W

    2.5样品采集模块 目前流动化学实验室样品分析都是由人工定期采集样品,拿到实验室用HPLC、GC、MS等常规检测手段进行检测,以判断流动化学所合成样品,是否满足要求。此种方式,存在效率低,误差大,占用大量人工,耗时耗力,且无法做到检测结果的溯源。欧世盛公司针对此需求设计开发了样品采集器,可与HPLC、GC、MS检测做到无缝对接,根据不同收集需求,提供了时间间隔收集、体积收集、与在线检测器联用实现阈值收集、斜率收集等多种收集方式,同时可与高压恒流输液泵、微反应器温度、系统压力自动调节、在线检测器联动,为优化流动合成结果提供有效的数据基础。样品采集器的成功应用,能够在有效提高工作效率的同时降低过程操作误差,极大减少了人工工作量。

    图片 4

    型号

    AS - 100

    收集样品容量

    2 ×50样品盘

    采样环体积

    100 μL

    注射器体积

    2.5mL

    样品收集小间隔时间

    2min

    收集针定位精度

    <0.6mm

    采集方式

    全定量环采集

    采集样品重复性

    <0.3%

    采集样品残留

    <0.1%

    进出液接口规格

    1/4-28UNF

    通信接口

    RS232、RS485、wifi

    允许环境温度

    5oC -50oC

    允许相对湿度

    80%

    输入电压

    AC 198V-242V 150W

    软件管理软件: 流动化学工艺的反应类型有成百上千种,反应条件的设置也极其复杂,一款整体系统管理控制软件变得至关重要。基于此需求欧世盛推出了一款全新流动化学专用软件,此软件采用模块化、积木搭建模式,用户可完全根据自身流动化学工艺应用特点,在软件中自由搭建流动化学各模块单元及数量,包括高压恒流输液泵、反应体系加热制冷装置、压力控制模块,在线检测模块,样品采集模块等等,同时可通过离线仿真模式,模拟流动化学整个系统工作情况。软件采用项目管理方式,用户通过向导,指导用户一步步搭建流动化学系统,同时通过交互式界面,形象反映出各模块单元的工作状态,如流速、压力、温度、检测图谱、收集结果等。软件有两种工作模式可供选择,即专业模式,专家模式等,针对不同用户需求,如专业模式,软件会提供一些基本组建流动化学素材及一些简单使用案例,用户可参考其提供信息,熟悉了解流动化学,并逐步开始更加深入的应用;专家模式,提供了系统参数优化方案,通过大数据分析协助用户提高工艺开发进程,将流动化学各模可优势发挥到。

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