Honeywell 51309204-125

可视化仿真是90年代崭新的技术领域。它是涉及计算机图象学、图形处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互技术等多个领域的一个崭新的技术领域。在工程设计领域，可视化仿真或科学计算可视化被定义为对科学计算或仿真计算所获得的数据进行可视化加工或三维图形和动画显示，并可通过交互的改变参数来视察计算结果的全貌及其变化。由于科学计算可视化对各门学科和工程技术的发展有极其重要的意义及实用价值，因而这种技术在它一开始出现就得到人们的极大重视。 

    实现科学计算的可视化具有多方面的重要意义。它可以大大加快数据的处理速度，使庞大的数据得到有效的利用；能把不能或不易观察到的工程现象变为使人们能发现并理解被设计和被研究对象所产生的物理机理，从而提出改进设计的具体措施；可以实现对计算过程的引导和控制，通过图形交互手段可方便**的改变设计和计算的原始数据和条件，并通过三维图形或动画来显示和观察改变原始数据对设计和研究对象基本特性的影响，来达到对象优化设计的目的。 来源:输配电设备网 

    低压电器的灭弧室一般由器壁 形成一个小室，电弧开断过程在灭弧室内进行，并且时间很短，很难用肉眼进行观察，特别是要定量地掌握和了解灭弧室内如电弧温度、离子浓度、气体压力，气流速度等物理参数变化，则难度更大。近年来，由于磁流体动力学（MHD）数值分析的进展，使人们依靠电弧的物理数学模型来模拟低压电器开断过程成为可能，如果把这种仿真算法和三维可视化技术结合起来，则可使灭弧室内电弧的开断过程在计算机屏幕上显示出来，让人们观察到电弧在灭弧室内运动情况，以及温度，流场等分布和变化情况，这对今后低压电器灭弧室的设计有重大意义。 

    目前图形及计算机技术得到极大的发展，使在微机上进行三维空间可视化仿真成为可能。本文以磁流体动力学为基础，综合流场、电磁场、温度场等计算，建立低压断路器开断电弧的动态数学模型。在Windows98平台上用Visual C++语言编制，利用基于Windows98的三维图形模块，形成了友好的人机界面，对开断中电弧的运动在三维空间进行显示，对温度，气流等参数以图形可视化方式表示，实现了低压断路器开断的可视化仿真软件系统。 

2　低压断路器开断电弧的数学模型 

    断路器中的开断电弧满足下列方程。质量连续性方程 

    动量守恒方程

:质量力； 
v：速度； 
P：压力； 

能量方程 

ρ：密度；h:焓；T：温度（K）；t:时间（s）;K：热传导系数；s：热源项 
在每一层每个单元的电流密度是： 

    其中G是电导，电导率由这一层元i,k的温度决定。 
    电弧辐射所发射出的能量是： 

    QR=A.ε.K.（T4-T40） 

    A：表面积；ε：辐射率；K：玻尔兹曼辐射常数；T：温度；T0：周围温度； 
磁场中的电弧等离子体受到磁场力的驱动：

    电弧等离子体在磁场中运动时，产生感应电流，受到磁场对它的作用力，与流体运动的方向相反，阻止流体的运动。 

3　电弧开断过程可视化仿真 

    可视化被定义为对科学计算或仿真计算所获得的数据进行可视化加工或三维图形和动画显示。本文研制的低压断路器开断的三维可视化仿真软件，系在Windows98平台上用Visual C++语言编制，利用基于系统的三维图形模块，在三维空间以动画方式显示的开断过程中电弧的运动情况，并绘出仿真计算的开断电压电流波形。 

    在低压断路器开断过程的仿真中，需要计算断路器模型所在的回路的电流，计算电弧的耦合场，从而掌握和了解灭弧室内如电弧温度、离子浓度、气体压力，气流速度等物理参数变化。模拟计算的电压电流波形图如图1所示，电弧电压逐渐上升，当电弧进入栅片时，电压迅速上升到一个较高的值，电流得到限制，然后出现了背后击穿，电弧电压跌落。计算结果与实验基本符合。在0.85ms时灭弧室内温度分布及流场如图2所示。 

    本可视化系统的实现基于数据库技术。随着自动化、集成化、智能化程度的不断提高，系统中的数据管理复杂。要求数据管理系统能支持应用程度之间数据的传递与共享，工程数据类型复杂，不仅有矢量、动态数组、常常要求处理有复杂结构的工程数据对象。工程对象在不同设计阶段，可能有不同的定义模式，因此就能根据实际需要，修改和扩充定义模式。要求有适应于工程特点的数据管理。因此采用了在Visual C++的MFC中提供的强大的数据库CDao类。MFC中基于DAO的数据类比基于ODBC的数据类功能更强大。基于DAO的数据类通过Microsoft Jet database engine来取得数据。它支持数据定义语言（DDL）的操作，比如创建数据库，在数据库中加入新的表或是在表中定义新的域。 

    三维图形可分为线框，表面及实体模型造型。实体模型是一种高级技术，现在已经有多个商品化的系统。它特别适合研究复杂机构的干涉和碰撞的检查、物体质量特性的计算，以及物体的逼真显示等情况。因此目前已经成为CAD系统中主要的几何造型手段。 

    Microsoft提出了在Windows98&NT以及X-Windows平台上通用的三维图形规范。但这套三维图形规范是面向底层操作的，只提供了对点、线、面的操作，这对于电器的可视化仿真CAD系统的研制是远远不够的。本可视化仿真系统需要实体显示，在系统中经常要进行三维绘图，因此用面向对象的编程技术，制作了适用于本系统的类库。 

    CGL Wnd类从MFC的视窗CWnd类继承，主要对绘图设备进行三维绘图所需要的初始化。 

    class CGLWnd:public CWnd 
    ｛…… 
    public: 
    void Init（）;对三维显示设备进行初始化 
    protected: 
    afx-msg void onMouseMove（UINT nFlags,CPoint point）；响应鼠标事件 
    ……｝; 

    CMcb类用于将断路器作为一个对象封装，其以下的成员函数负责可视化的显示。三维的计算对象法线矢量，材料的光亮度，决定光照强度，绘制有阴暗的实体表示。 

    void DrawT（）;断路器温度场分布的绘制；void DrawFlow（）;气流场的绘制； 

    void DrawI（）;断路器开断电流波形的绘制；void DrawU（）;开断电压波形的绘制； 

    void DrawArc（）;断路器开断中电弧的三维绘制；void Draw3D（）;断路器的三维绘制； 

    低压断路器开断时的三维仿真如图3所示，在0.14ms时电弧刚刚产生，当0.9ms时电弧已经充分发展，并且前进至灭弧栅片入口处；2.7ms时电弧又退出了灭弧室，背后击穿现象产生，电弧电压跌落。之后，电弧在灭弧室内较稳定的燃烧，直至熄灭。整个开断燃弧时间是4.8ms。 

4　结　论 

    本文讨论了可视化仿真系统，是综合计算机图象学、图象处理、计算机辅助设计、人机交互技术等多个领域的一个崭新的技术领域。指出了可视化仿真技术应用于低压电器产品设计中的重要意义。Visual C++实现了在Windows98平台上的低压断路器可视化仿真系统，基于磁流体动力学（MHD）建立电弧的物理数学模型模拟了低压电器开断过程，将这种仿真算法和三维可视化技术结合起来，使灭弧室内电弧的开断过程在计算机屏幕上显示出来，观察到电弧在灭弧室内运动情况，以及温度，流场等分布和变化情况。在低压电器产品设计中应用这种技术，可以大幅度提高低压电器的技术水平，促进我国低压电器的发展。

压缩机在运转过程中，难免会出现一些故障，甚至事故。故障是指压缩机在运行中出现的不正常情况，一经排除压缩机就能恢复正常工作，而事故则是指出现了破坏情况。两者往往是关联的，若碰到故障不及时排除便会造成重大事故。

　　压缩机是用来提高气体压力和输送气体的机械。从能量的观点来看，压缩机是属于将原动机的动力能转变为气体压力能的机器。随着科学技术的发展，压力能的应用日益广泛，使得压缩机在国民经济建设的许多部门中成为必不可少的关键设备之一。压缩机在运转过程中，难免会出现一些故障，甚至事故。故障是指压缩机在运行中出现的不正常情况，一经排除压缩机就能恢复正常工作，而事故则是指出现了破坏情况。两者往往是关联的，若碰到故障不及时排除便会造成重大事故。

常见故障及其原因和措施

　　排气量不足：

　　排气量不足是与压缩机的设计气量相比而言。主要可从下述几方面考虑：

　　1 进气滤清器的故障 ：积垢堵塞，使排气量减少;吸气管太长，管径太小，致使吸气阻力增大影响了气量，要定期清洗滤清器。

　　2 压缩机转速降低使排气量降低：空气压缩机使用不当，因空气压缩机的排气量是按一定的海拔高度、吸气温度、湿度设计的，当把它使用在超过上述标准的高原上时，吸气压力降低等，排气量必然降低。

　　3 气缸、活塞、活塞环磨损严重、超差、使有关间隙增大，泄漏量增大，影响到了排气量。属于正常磨时，需及时更换易损件，如活塞环等。属于安装不正确，间隙留得不合适时，应按图纸给予纠正，如无图纸时，可取经验资料，对于活塞与气缸之间沿圆周的间隙，如为铸铁活塞时，间隙值为气缸直径的0.06/100～0.09/100;对于铝合金活塞，间隙为气径直径的0.12/100～0.18/100;钢活塞可取铝合金活塞的较小值。

　　4 填料函不严产生漏气使气量降低。其原因首先是填料函本身制造时不合要求;其次可能是由于在安装时，活塞杆与填料函中心对中不好，产生磨损、拉伤等造成漏气;一般在填料函处加注润滑油，它起润滑、密封、冷却作用。

　　5 压缩机吸、排气阀的故障对排气量的影响。阀座与阀片间掉入金属碎片或其它杂物，关闭不严，形成漏气。这不仅影响排气量，而且还影响间级压力和温度的变化 ;阀座与阀片接触不严形成漏气而影响了排气量，一个是制造质量问题，如阀片翘曲等，第二是由于阀座与阀片磨损严重而形成漏气。

　　6 气阀弹簧力与气体力匹配的不好。弹力过强则使阀片开启迟缓，弹力太弱则阀片关闭不及时，这些不仅影响了气量，而且会影响到功率的增加，以及气阀阀片、弹簧的寿命。同时，也会影响到气体压力和温度的变化。

　　7 压紧气阀的压紧力不当。压紧力小，则要漏气，当然太紧也不行，会使阀罩变形、损坏，一般压紧力可用下式计算：p=kπ/4 D2P2，D为阀腔直径，P2为**气体压力，K为大于1的值，一般取1.5～2.5，低压时K=1.5～2.0，高压时K=1.5～2.5。这样取K，实践证明是好的。气阀有了故障，阀盖必然发热，同时压力也不正常。

　　排气温度不正常

　　排气温度不正常是指其高于设计值。从理论上进，影响排气温度增高的因素有：进气温度、压力比、以及压缩指数（对于空气压缩指数K=1.4）。实际情况影响到吸气温度高的因素如：中间冷却效率低，或者中冷器内水垢结多影响到换热，则后面级的吸气温度必然要高，排气温度也会高。气阀漏气，活塞环漏气，不仅影响到排气温度升高，而且也会使级间压力变化，只要压力比高于正常值就会使排气温度升高。此外，水冷式机器，缺水或水量不足均会使排气温度升高。

　　压力不正常以及排气压力降低

　　压缩机排出的气量在额定压力下不能满足使用者的流量要求，则排气压力必然要降低，所要排气压力降低是现象，其实质是排气量不能满足使用者的要求。此时，只好另换一台排气压力相同，而排气量大的机器。影响级间压力不正常的主要原因是气阀漏气或活塞环磨损后漏气，故应从这些方面去找原因和采取措施。

　　不正常的响声

　　压缩机若某些件发生故障时，将会发出异常的响声，一般来讲，操作人员是可以判别出异常的响声的。活塞与缸盖间隙过小，直接撞击;活塞杆与活塞连接螺帽松动或脱扣，活塞端面丝堵桧，活塞向上串动碰撞气缸盖，气缸中掉入金属碎片以及气缸中积聚水份等均可在气缸内发出敲击声。曲轴箱内曲轴瓦螺栓、螺帽、连杆螺栓、十字头螺栓松动、脱扣、折断等，轴径磨损严重间隙增大，十字头销与衬套配合间隙过大或磨损严重等等均可在曲轴箱内发出撞击声。排气阀片折断，阀弹簧松软或损坏，负荷调节器调得不当等等均可在阀腔内发出敲击声。由此去找故障和采取措施。

　　过热故障

　　在曲轴和轴承、十字头与滑板、填料与活塞杆等摩擦处，温度超过规定的数值称之为过热。过热所带来的后果：一个是加快磨擦副间的磨损，二是过热量的热不断积聚直致烧毁磨擦面以及烧抱而造成机器重大的事故。造成轴承过热的原因主要有：轴承与轴颈贴合不均匀或接触面积过小;轴承偏斜曲轴弯曲、扭;润滑油粘度太小，油路堵塞，油泵有故障造成断油等;安装时没有找平，没有找好间隙，主轴与电机轴没有找正，两轴有倾斜等。

压缩机的事故

　　断裂事故

　　曲轴断裂：其断裂大多在轴颈与曲臂的圆角过渡处，其原因大致有如下几种：过渡圆角太小，r为曲轴颈） ;热处理时，圆角处未处理到，使交界处产生应力集中;圆角加工不规则，有局部断面突变;长期超负荷运转，以及有的用户为了提高产量，随便增加转速，使受力状况恶化;材质本身有缺陷，如铸件有砂眼、缩松等。此外在曲轴上的油孔处起裂而造成折断也是可以看到的。

　　连杆的断裂：有如下几种情况：连杆螺钉断裂，其原因有：连杆螺钉长期使用产生塑性变形;螺钉头或螺母与大头端面接触不良产生偏心负荷，此负荷可大到是螺栓受单纯轴向拉力的七倍之多，因此，不允许有任何微小的歪斜，接触应均匀分布，接触点断开的距离**不得超过圆周的1/8即450 ;螺栓材质加工质量有问题。

　　活塞杆断裂：主要断裂的部位是与十字头连接的螺纹处以及紧固活塞的螺纹处，此两处是活塞杆的薄弱环节，如果由于设计上的疏忽，制造上的马虎以及运转上的原因，断裂较常

　　发生。若在保证设计、加工、材质上都没有问题，则在安装时其预紧力不得过大，否则使**作用力达到屈服极限时活塞杆会断裂。在长期运转后，由于气缸过渡磨损，对于卧式列中的活塞会下沉，从而使连接螺纹处产生附加载荷，再运转下去，有可能使活塞杆断裂，这一点在检修时应特别注意。此外，由于其它部位的损坏，使活塞杆受到了强烈的冲击时，都有可能使活塞杆断裂。

　　气缸、缸盖破裂：主要原因：对于水冷式机器，在冬天运转停车后，若忘掉将气缸、缸盖内的冷却水放尽，冷却水会结冰而撑破气缸以及缸盖，特别是在我国的北方地区，停车后必须放掉冷却水;由于在运转中断水而未及时发现，使气缸温度升高，而又突然放入冷却水，使缸被炸裂;由于死点间隙太小，活塞螺帽松动，以及掉入缸内金属物和活塞上的丝堵脱出等原因都会使活塞撞击缸盖，使其破裂。

　　燃烧和爆炸事故

　　有油润滑压缩机中往往产生积碳问题，这是我们所不希望的，因为积碳不仅会使活塞环卡在槽内，气阀工作不正常以及使气流信道面积减小增加阻力，而且在一定的条件下积碳会燃烧，导致压缩机发生爆炸事故。因此，气缸中的润滑油不能供给太多，不能让没有经过很好过滤，含有大量尘埃的气体吸入气缸，否则形成积碳与含有多量挥发物的气体接触导致爆炸。为要防止燃烧、爆炸发生，一定要计划检修，定期清洗储气罐和管道的油垢。

　　除此以外，引起压缩机燃烧和爆炸事故还有如下操作方面的原因：压缩机在用氢、氧、氮氢气负荷试车之前，没有用低压的氮气将空气驱除干净而引起爆炸。因缺乏操作知识，开车后没有打开压缩机到储气罐的阀门，致使排气压力急剧升高导致爆炸。因此，要防止这类事故发生，开车前必须熟悉操作规程，开车后，密切注意压力表数值。在一般中小型压缩机中，**将压缩机到储气罐这段管路上的闸阀取消，只留下逆止阀即可。此外，对压缩机操作工应进行上岗前的培训。

　　由于压缩机高压级气阀不严密，使高压高温的气体返回气缸，在排气阀附近产生高温，当有积碳存在时，即会引起爆炸。为避免事故，此时必须检修排气阀、检查漏气部位，消除故障。 压缩机在运转过程中，难免会出现一些故障，甚至事故。故障是指压缩机在运行中出现的不正常情况，一经排除压缩机就能恢复正常工作，而事故则是指出现了破坏情况。两者往往是关联的，若碰到故障不及时排除便会造成重大事故。

　　压缩机是用来提高气体压力和输送气体的机械。从能量的观点来看，压缩机是属于将原动机的动力能转变为气体压力能的机器。随着科学技术的发展，压力能的应用日益广泛，使得压缩机在国民经济建设的许多部门中成为必不可少的关键设备之一。压缩机在运转过程中，难免会出现一些故障，甚至事故。故障是指压缩机在运行中出现的不正常情况，一经排除压缩机就能恢复正常工作，而事故则是指出现了破坏情况。两者往往是关联的，若碰到故障不及时排除便会造成重大事故。