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生物启发的运动策略 :在机器人和机构实验室开发的新型地面移动机器人 - 1 - 生物启发的运动策略： 在机器人 和机 构 实验室 开发 的新型地面移动机器人 摘要 一些地面移动机器人 ， 它们的发展 是 基于 弗吉尼亚理工大学机器人技术和 机械 实验室 ） 使用生物启发的 新型运动 策略。 我们 通过学习 自然 模型，然后模仿或 获取 来自这些设计和 进 程 中 的 灵感 ， 为移动机器人的 移动， 应用 和实 施了 新 的方式 。不同于大多数地面移动 机器人使用的常规手段的运动，如车轮或轨道，这些机器人展示独特的 移 动性 特点，使 在 某些环境下 运动困难 的常规地面机器人 变得适应 。这些新型的地面机器人，包括 ： 整个皮肤运动机器人 ，它从似变形虫的 运 动机 械受 到 启发； 三条腿的步行机 器人激 三足 动态实验 型 机器人） ， 利用 驱动的被动式运动 概念 ； 六足机器人 多附 加 的机器人系统）使用干粘合剂 “ 壁虎脚 ” 走在零重力的环境中 ； 人形机器人 态拟人 智能 机器人 ）使用动态 两足 步态 ；移 动性高的机器人 拥有积极会话系统的 智能 移动 平台 ）使用了一种新型车轮和 腿混合运动的策略。 对于 上述 每个机器 人 和所运用的 新型运动策略， 我们 随后将 对它 们的 性能 以及面临的 挑战 进行讨论 。 关键词 ，运动，移动机器人。 9 / 11 世界贸易中 心的惨剧 后， 在 归 零 地（ 911 恐怖袭击中倒塌的世界贸易中心遗址 ）， 国防部联合机器人计划秘书办公室 从机器人辅助搜索和 努力救援 中得到教训 ， 并 在 为此准备 的 一份报告 中指出， 机器人的 移 动性是指作为 目前 机器人技术 的 一个主要 限 制 性 内容就是完成搜索和救援 任务。该报告进一步指出，所有雇用机器人在 归 零 地 网站使用轨道驱动器一般都优于车轮 在 不平 坦 的 地面 ， 不过，其他更有效的运动 策 略必须作进一步调查。 不同与 空中或海上运输的车辆 在他们的旅行 区 域 内 几乎 可以达到任何一个目的地 ， 今天使用的 大部分生物启发的运动策略 :在机器人和机构实验室开发的新型地面移动机器人 - 2 - 地面车辆， 在 穿越 大障碍 和攀登陡 坡时有困难 ， 这是 由于 其有限的 移 动性，尤其是在非结构化环境 下 。 随着 机器人 智能技术 的进步，和 移动机器人 在 新的应用领域增加，机器人替 换基础 运动机 械的需要， 这可以 使 它 们 在被调遣到 复杂的非结构化地形 中时变得 至关重要。目前地面车辆的运动 的方法 是基于车轮，铁轨或两条腿，每一个 方法有其自 身 的长处和短处 。 为了使 移动机器人 适应 一个地区的复杂地形 ，一种 新的 运动 方法 是必要的。例如，为了能够找到被困在倒塌 大楼 中的人 ，将需要身 处 狭窄拐角 的 机器人能够 在瓦砾下或之间移动 。目前的 运动 方法， 可以做 到 这项工作的一部分，但 在实现所有这些功能 时， 他们却只有有限的成 功 。 我们 通 过学习 自然 模型，然后模仿或 获 取 来自这些设计和进程 中的 灵感 ，为移动机器人的 移动，应用 和实 施了 新 的方式 。在本文中，我们 呈现了 5 个地面移动机器人 ， 它们 的发展 是 基于 弗吉尼亚理工大学 的 机器人技术和机 械 实验室 ） 使用 的 生物启发的 新型 运动策略。不同于大多数地面移动机器人使用的常规手段的运动，如车轮或轨道，这些机器人展示独特的 移 动性特点，使 在 某些环境下 运动困难 的常规地面机器人 变得适应。 动的策略 似变形虫的运动机械受到启发的运动 整个皮肤运动 ） 是 指 一个生物，有一 细 长圆环 形状的身体 用来作为表面为牵引，皮肤是用 来 驱动 通过 循环的 收缩与扩张。 图 轴的 变形虫 的 动力机 构 这种 启发的 新型运动策略，来自某些单一 方式 的 细胞生物体， 例如 该变形虫 （巨变形虫） 的运动 。 这些生物体的 运动 是 由 细胞质 环 流 过程 （图 1 ） 所造生物启发的运动策略 :在机器人和机构实验室开发的新型地面移动机器人 - 3 - 成的 ， 液 态 形式 的细胞质 流 在 内 外质 管 中流动 ，并转化为 凝胶 状的 外质 前 端的表层 皮肤 ， 最后在 细胞质 的外 皮肤 后部 回复到液态的形式。这连续 细胞内外质的 转 化 是 该变形虫 向前运动 的 有 效 动力 。 如果不 可能的话， 直接 用 机器人 模仿这细胞质 环 流的过程是很困难的事。因此， 代替 使用细胞质 液 体凝胶转型的 过程 ， 用 一个灵活的长圆环形状的皮肤膜 。 这种 皮肤 可以拉长 ，然后 在一个单一连续 的运动 中随意内外旋转 ， 在变形虫外质 管 中 有效地生成整体的细胞质 环 流 运 动 （图 2 ）。 图 3 和图 4 显示 了一个 简单的实验， 它 使用一个灌满水 的 长 的有 弹性 的 有机硅皮肤环形 管 ，以 演 示运 动 机 构 的可行性。 图 2. 同心固 体 管 整个皮肤运 动 模型 通过 驱 动环的 收缩 （ 1a， 2a， 3a ）及扩大（ 1b，2b， 3b ） 产生的 反转运动 。 （ a ）在 （ b ）在 （ c ）在 图 力 弹性 皮肤模型 运动 的一系 列照片 生物启发的运动策略 :在机器人和机构实验室开发的新型地面移动机器人 - 4 - 图 4. 拉紧的绳索 驱动模型运动 的一系 列照片 机器人使用 整个皮肤运动 可以 在 与机器人 相接触的 环境 中的 任何表面 上 移动 ，不论是地面，墙壁或 两边的 障碍物，或 天花板 ，因为整个皮肤是用于运动。与一弹力 膜或网状的链接作为其外部皮肤，机器人可以 很 容易挤压 在 障碍之间或 在 倒塌的 天花板下 ，使用所有 的 接触面为牵引向前迈进，或 甚 至挤压本身 通过 直径小于其名义宽度 的孔。 用被动式运动驱动概念 的三足运动 图 5. 激 三足 动态实验 型 机器人 自激 三足 动态实验 型 机器人 ） 是一种新型的三足步行机 器 （图五） ，利用被动动力驱动的运动 概念 ，动态步行与高能源效率和最小控制使用其独特的 三足 步态（图 6 ）。不像其他的被动动态行走的机器，这种独特的 三生物启发的运动策略 :在机器人和机构实验室开发的新型地面移动机器人 - 5 - 足 运动机器人，是 以 三脚架 位置达到固有 的稳定 ， 它 可以改变方向， 和 比较容易 操作 ，使得它可 实际 地 应用于现实生活中 。 图 足 步态 图 6 显示单步 三足 步态 的概念 。从开始的位置（图 6 （ a ） ） ，机器人转变其 重 心 ，通过调整它的两个骨盆链接（图 6 （ b ） ，机器人 的身体 能在跌倒的方向垂直 于落地三角 （图 6（ c ） ） ， 绕 轴 线旋 转 定义 为 由两个支持的双腿。 正像 在 机器人跌倒 时 ，中 间的 腿 （摆动腿） 自然 摆 动 到 两 落地 腿 之间（图 6 （ d ） ） 防止跌倒 （图 6 （ e ） ） 。由于所有三腿接触地面，机器人重置姿态 通过激励其连接 ，储存 势能，为下次的步态（图 6 （ f ） ） 作准备 。三足 步态 的关键 是自然摆动 运动 的摆动腿， 和 机构关于 均衡 骨盆关节连接 的 两个 落地 腿。 适当的机械设计参数（质量和性能方面的联系） ， 用其 动态结构拓展 驱动被动动力运动概念， 以 最低限度的控制和 能源消耗进行 反复 运动。 步态 改变方向 是 在 一个相当有趣的方式 下执行 ：通过改变 选择 摆动腿 的序列 ， 三足 步态可以 在每一步 60 区间的方向 移动机器人（图 7 ） 生物启发的运动策略 :在机器人和机构实验室开发的新型地面移动机器人 - 6 - 图 7. 转变方向 的 步态战略 简单的三脚架配置和 三足 步态有很多优势超过其 它 腿式机器人 ：它有一个简单的运动结构（对 两足动物 ， 四足动物 ，或 六足动物 ）防止其双腿之间，一条腿和身体的 冲突， 相当 稳定（如照相机三脚架） ；简单 的控制（对两足动物 ） 正 因 该 运动 是一个 在预定方向 的简单 下降 及 控制其 下降 ；它又是高效能源， 在动力学 上 用其内置开发驱动被动动力运动概念 ;它重量轻，使它能发射 到难 以进入的领域 ，例如，它使 部署和定位传感器在高的位置进行监视 变得非 常理想。 图 骤 的三足 步态 的 实验装备 生物启发的运动策略 :在机器人和机构实验室开发的新型地面移动机器人 - 7 - 行在零重力环境 下 的干胶粘剂壁虎脚 灵感来自美国航天局喷气推进实验室的 器人（图 9 ） ，在弗吉尼亚理工 大学的机器人技术和 机械实验室 研制一种六足机器人的研究 平台 ，多肢运动 和操纵。如图 10 所示， 多附庸的机器人系统 ） 有 6 个 4 自由度 的肢体 轴对称 布置， 机器人本体与动球节点在肩膀上 有一个 大的工作空间。可互换 的末端执行器 /脚 允许 其 用于研究各种研究 方面 例如走 在非结构化环境，攀登，和灵巧的操控任务。 图 9. 美国航天局喷气推进实验室 的 多附庸的机器人系统 的六轴对称安排，四肢均连接到机构，由一个三自由度动球的联合提供了一个广泛的 运动 类似 于 肩髋关节。中途沿每个肢体是一种单自由度的联 合它 提供了一系列类似的 运动类似于 肘或膝关节。这 种 安排使每个肢体有广泛的工作空间。整个平台是大约 16 英寸，直径 10 英寸 ，身高与外表昆虫或 蜘蛛一样 。碳纤维复合体进行 铝聚 合物 电池， 单板电脑，以及可互换的传感器，包括立体视觉的 接口 相机。四肢 由 一个轻量级铝框架和碳纤维复合材料外骨骼皮肤建造 。每一联合 通过 转口货品中最大芯直流电动机通过分布 式可变 方式 控制 驱动。在 每个肢体端部 ， 可互 换 末端执行器 /脚允许 它用于各种实验和应用。 生物启发的运动策略 :在机器人和机构实验室开发的新型地面移动机器人 - 8 - 图 10. 附庸的机器人系统 与 其他的机器人设计方法 不同 ， 它 力求模仿生物学和工程两者 统一 ， 些 必要的生物分子 ;生物分子专门用于作为一个设计工具。 机器人的 目的 是沿着表面 结构 移动 ， 它的 灵感 来自于 沿着底部和岩石之间 移动的 多肢灵巧 的 海洋生物 。 马上可举的 例子 便 是 章鱼 和海星，其中 他们的 显著特点是 轴对称 ， 相对身体尺寸 来说 四肢 较 长。轴对称 机器人是全方位 的 ， 面对一个特定方向 的移 动或操纵 ， 节省 其 昂贵 运动。此外，长 的 四 肢 又能 产生一个 广阔 的工作 空间 。 其中 一个重要应用领域 是 在零重力 情况下自主地 在 太空中 检查 维修车辆和 结构 。使用 有 肢 的 机器人是最有前途的技术，例如 共聚物技术 ; 使用机器 腿 在 空间车辆或 结构的 外表面 爬行 检查和维修 操作 。不过，使用 有 肢 的 机器人在零重力的环境中创造了 一整 套新的问题和要求。 在零重力 环境中 运动 需要使用确保其 脚 步行 于 表面的方法 ， 这可能是 通过 抓住在表面上利用磁铁，吸杯 的 某些功能 来 完成 。 它的 灵感 来自 壁虎 在 垂直 墙壁 上 爬 行 和 在天花板 上下 步行 的能力 ，未来版本的 使用干胶粘剂 脚 在零重力的环境 下行走于 表面 ，因为这是最有前途的技术， 使 机器人 行走 表面 的 运动和操 作 过程变的 稳定 。 种新型车轮腿混合运动策略 智能平台的流动性与积极 语言 系统 是一种 非结构化环境无人系统 ， 新型高流动性运动平台 （图 11 ） 。利用 单独驱动 无框 车轮辐条， 它可以按照轮廓生物启发的运动策略 :在机器人和机构实验室开发的新型地面移动机器人 - 9 - 不均匀的表面 ，如 路轨 ，并 越过 大的障碍 ，如有 腿车辆 ，保留简单的车轮 （图12 ） 。 因为它缺乏复杂的腿和拥有一个大型有效的（轮） 直径，这个高度自适应 性 系统可以 轻易地 移 动 到极端的地形，同时保持 一定 的 运 行速度，从而 在 搜索和救援任务，科学探索，和 进行 反恐的 应用中 有很大的潜 力 。 图 版本 ， 使用 了 两个驱动车轮，并 进行 模拟 图 于移 动和适应地形 的 一些例子 我们分析了运 动学和模拟机器人 用两个驱动车轮 在平坦地形 上 的 运动，它们利 用每个车轮 结构 上 的 一个 ， 两个，三个点 相 接触 （图 13 ） 。这表明一个点生物启发的运动策略 :在机器人和机构实验室开发的新型地面移动机器人 - 10 - 接触模式有两个自由度 ，运动的 输出可以任意选定。这种模式将允许 机器人 移动，同时为 质量 中心保持恒定的高度 ，我们已经 通过 模拟 进行了 证明 。至于这个模式的结果表明，通过改变 方位 角 发生离散 ， 采取 措施改变 不同 的 长度 和 左右车轮。 两个点的 接触 方式显示有一个自由度， 选 择一 个 步长 ， 将 径向平 面 的中心轴 轨道视为 确定的 车轮角 度 函数 。这种 运动模式只 用 两个轮子 便 能 静态 地稳定行走， 还 可用于 承受 有效 重 载荷。 三 点接触 结构 显示为零的自由度， 但 是在固定的任务 中， 它 将 有 额外的稳定 性 ，让机器人 拥有更 广泛的 立足之地 。 图 驱动车轮及其自由度 的 不同 模式 的 运动 系统 图 关于 瞬态 转变的 概念 随后得到 开发 ，在逐渐转变过程中 有三个 接触 点 ， 迫使 基准线 与机器人 的 轴 线 斜交 （图 14 ）。深入了解此 结构 ， 通过在此 机构 中分析机器人获得 作为一个 空间机 构 。从空间分析 获得 的见解 能 形容一个更一般的运动 学模型可以用来分析 共面 基准 轴线和斜交 基准线的 两种情况 ，以及允许 分析 影响 驾驶两个驱动 轮辐车 轮 差异 。 图 动 的转向策略 生物启发的运动策略 :在机器人和机构实验室开发的新型地面移动机器人 - 11 - 要验证我们的 模型 分析和 在下一阶段项目 的概念 评估，我们已设计并制作了 第一 个轮辐车轮 驱动 的 样机 （图 15 ）将用于 图 动的 样机 足 运动的仿人机器人 态拟人机器人与情报）是一种仿人机器人能 两足行走 和表演 ，像人类 一样 ， 它已 发展成 一个 为研究机器人运动 的 研究平台 ， 同时 也 成 为弗吉尼亚理工大学的 首次进入 2007 年 机器人世 界杯 竞争 的 基础平台 （ 图 16， 17）。该 高 600 毫米 ，重 4 公斤的机器人有 21 个自由度 （ ， 每一 关节 通过分布式控制与可控 顺序的无 芯直流电动机 进行 驱动。利用计算机视觉系统对头部，在躯干 上的 惯性测量组合，和 在 脚 上的 多力传感器， 以 在超越障碍时完成 人类一样的步态 ， 能够 越过不 平坦 的复杂 地形， 完成复杂 行为，如踢足球。 图 统 图和 型 生物启发的运动策略 :在机器人和机构实验室开发的新型地面移动机器人 - 12 - 对 这 个 项目 的 持续 研究 的目标 是发展机器人平台，并研究 与 参加 2007 年机器人 世界杯 比赛 相关的问题，（ 产生 和 实现 一个动态 步态 ， 使用零力矩点控制 ，为了 智能运动规划和避障，基于视觉的控制， 在不 平坦地形下散步， 踢足球 的复杂 行为等 发展算法和策略 ） 。 图 17. 态拟人 智能 机器人 一个轻巧的铝骨骼结构与快速 成 型塑胶皮肤 表面 。 它的 胳膊和腿连接到机构由三自由度动球节点提供了广泛的 运动 ， 与 肩和髋关节 类似 。 每一关节 是 转口货品中最大芯直流电动机通过分布式控制与可变 原则 驱动。 该机器人有两个 2100 聚合物 电池作为其电源， 单板电脑处理，三率陀螺仪，跟踪 机体 的方向 和各种传感器包括一个 视觉接口 相机和 脚下 八 个 力传感器 。 目前 新版本的 在发展 ， 在弗吉尼亚理工大学 ，2007 年 机器人世界杯 正在设计 进行 中， 来自 机械工程 系和 建筑设计 学 院的 研究生和高级本科生 相互 协作 。 在本文中，我们 呈现 了 5 个独特的地面移动机器人 ， 在 发展下 ，在弗吉尼亚理工大学使用 了 新型运动 策 略 有 高度 的移 动性。作为证明， 为发展这些机器人 使用 生物灵感和仿生学 是关键 。通过学习 自然 模型，然后模仿或 获取来自这些设计和进程 中 的灵感 ， 为移动机器人在各种环境中具有独特 移 动性生物启发的运动策略 :在机器人和机构实验室开发的新型地面移动机器人 - 13 - 的 移动， 我们已 经 成功地应用和实施 了 新 方式 。 鸣谢 作者想 感谢美国国家科学基金会（ 、 海军 研究 办公 室（ 、 美国宇航局喷气推进实验室（美国航天局学院奖学金项目）以及弗吉尼亚理工大学办公室和副总统办公室 负责人的 研究（ 感谢他们对 军 队的 研究 和 开发 ， 感谢 工程司令部（ 继续支持这项工作 ， 通过弗吉尼亚理工大学联合无人 操作 系统 所做的 测试 、实验 及 研究（ 并感谢 作者 的 研究生道格 拉内 、 马克英格拉姆 、 马克肖瓦尔特 、 杰里米 西斯顿 和 卡尔 米艾克 就这些项目 所做的 工作。 - 1 - of By s we in (a it by a of 1. In a 1 of - 2 - on 9/11 at be to in As of to of on or of 2, 3. In to a an of a of is a a to be to do of in of 4. s or we to In we of - 3 - 2. 5, 6 is a a of a of an is as a is by 1. of a as of ( 1) at at at is of 7, 8. a is to do if of SL is by a in of a a of in a of - 4 - in 2). 2. by 1a, 2a, 3a) 1b, 2b, 3b) SL a to of (a) .0 (b) (c) 3. of of of 4. of of A of is in be it or on - 5 - or an or a of as or a or as 5. of 5. ( is a 5) 9 1, to ( 6). is to it to be - 6 - 6. 6 of 6 (a), as of by of 6 (b), of in to 6 (c), by As in 6 (d)6 (e). As by 6 (f). of of of is in a of of 0 7) - 7 - 7. a ( or a it is a it is to ( a a it is in it is to it is it at 8. a - 8 - PLs 12, 13 (9), is a in 0, ( ( at a it to be as in 9. PLs s a 3 a of to a of is a OF a of to a 16 in 0 of an or a - 9 - a s C it to be 10. to s 12; as a As is to of to is to a or a is of - 10 - is VA to on of in a of in of by on by of to on be to on in as is on ( a 14 16 ( 11). it of ( 12). a ( 11. of a a - 11 - up of 12. of We of a on a 13). It is of a is to by by of is by a of of in is as a of - 12 - is to of by a 13. of a of to be of 14). by in as a be to of as as of of 14. - 13 - of 15) to be 15. of ( a as a as s to 007 6, 17). 00 mm 4 Kg 1 a on in as r购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 科门类： 单位代码 ： 毕业设计说明书（论文） 制冷系统综合试验台设计 学生姓名 所学专业 班 级 学 号 指导教师 二 *年 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 设计（论文）开题报告 （学 生填表） 院系： 车辆与动力工程学院 20*年 4 月 12 日 课题名称 制冷系统综合试验台设计（量换热器及总体设计） 学生姓名 专业班级 课题类型 工程设计 指导教师 职称 课题来源 1. 设计（或研究）的依据与意义 依据：国际标准 冷压缩机的试验和国家标准 积式制冷压缩机性能试验方法”。，该试验台采用“第二制冷剂电量热器法”作为主测，其原理是利用量热器内充注的与被测压缩机制冷系统相隔离的第二 制冷剂作为热交换介质，将制冷系统产生的冷量与电加热器产生的热量相互交换，达到平衡时，通过测量加热电量而得出制冷量的一种间接试验方法；同时采用液体质量流量计法作为辅测，计算出它在规定工况条件下转换成气态所必须吸收的热量，即制冷量。换热器设计所遵循或参照的相应规定和标准：制冷装置用压力容器（ 6917单元式空气调节机组用冷凝器型式与基本参数（ 5444、钢制壳管式换热器（ 制冷设备通用技术规范（ 。设计的关键是蒸发器的大小，它影响制冷系统内 制冷剂的充注量。 意义：该综合性试验台采用第二制冷剂法以及数据自动采集系统通过控制系统调节节流阀的开启度和冷凝器冷却水阀的开启度达到设定工况时采集记录各工况参数，如，吸排气压力、过冷温度、量热器出口温度等，进而得出制冷量、输入功率、，进行对比分析各工况的这些量值，得出与压缩机相匹配的最佳工况，所以该试验台可以满足产品检测的需要。 在该试验台上通过改变各输入参数的变化得出各参数对压缩机或制冷系统其他部件性能的影响大小，对于影响大的，通过针对性的改善这些部件的某些部分从而使其性能得到改善，最终使部件的设 计优化，制冷系统的性能优化。 此外，可以进行不同制冷剂的变工况性能实验，得到各种性能参数随蒸发温度和冷凝温度的变化关系，得出各制冷剂的同工况下相应制冷量、输入功率、 等，进行比较找出最佳的制冷剂，为将来无氟技术的彻底实现提供参考。还可以在其上进行研究制冷剂充注量与各种工况的关系等多种科研过程。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 . 国内外同类设计（或同类研究）的概况综述 从二十世纪后半叶开始，随着制冷行业的发展，有关制冷系统的试验台作为各制冷系统部件的标准之一的体验与实现更是得到前所未有的高速发展，从手动到半自动，再到全自动。但综 述起来，其研究方向主要集中在以下几个方面。 1 模糊控制在制冷系统中的应用。随着电子计算机以及控制的发展，特别是模糊控制在制冷系统中的应用，制冷系统试验台实现了全自动控制，即借助与人们对量热器试验台长期受的手动控制的经验，也就是手动控制吸气温度，吸排气压力来调到规定工况下的参数值的经验，引入模糊控制理论，以语言形式定性描述这些参数的被控过程，来实现试验台的全自动控制。 2 计算机仿真技术在制冷系统研究与优化设计中的运用。自 20 世纪 60 年代，仿真技术在制冷领域中得到广泛应用，仿真技术是计算机技术的一种，它 的产生和发展有着浓厚的工程实际应用。计算机仿真就是在计算机上用数字形式表达实际系统的运动规律，具有以下特点： a，用对系统和过程的仿真模拟方法取代传统实验方法，可以节省大量人力，物力，同时还能提高开发效率，缩短开发时间； b，强了对过程特性的研究和分析，即逐步以动态分析法取代传统的静态分析法，使建立的数学模型更加接近实际的系统或过程，准确性提高； c，单个部件的仿真和对整个系统的仿真使得人们对部件特性和系统特性均能进行比较详尽的研究，可对产品开发和改进提供方向性指导； d，最优化 方法的广泛应用，包括最优化设计和最 佳工况调节和控制等，大大提高了系统设计和过程控制的质量； e，变以往典型工况设计为全过程工况设计，提高了系统的可靠性和系统运行的效率。 3 建模方法与仿真研究在复杂制冷系统中的运用。采用基于图形法的变频压缩机和膨胀阀的仿真模型以及分布参数法换热器和管路模型，使得模型可以用来分析系统制冷剂充注量，压缩机频率，连接管路结构，系统换热器结构，风量与环境温湿度条件对整个系统以及每个支路的影响，并具有较高的精度和计算效率。 相关文献有： 冷空调系统计算机仿真技术综述 邵 双全 石文星 陈华俊 李先庭 彦启森 清华大学建 筑技术科学系； 小型全封闭活塞式制冷压缩机稳态仿真 肖浩 胡益雄 中南大学长沙； 空调器制冷系统仿真技术实用化研究 陶建辛 春兰集团 孙庆宽 杨亚东 春兰电器研究所； 复杂制冷系统通用建模方法与仿真研究 邵双全 石文星 李先庭 清华大学建筑技术科学系。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 . 课题设计（或研究）的内容 设计用于测量 5下蒸汽压缩式制冷机在不同工况下的制冷量、消耗功率、能效比以及制冷系统各关键参数的综合性试验台。该性能试验台按照国际标准冷压缩机的试验和国家标准 积式制冷压缩 机性能试验方法”进行设计。主要试验方法采用第二制冷剂量热器法。校核实验方法采用水冷冷凝器量热器法。同时还可进行风冷冷凝器的试验，风冷冷凝器放置在一风洞，进风温度可调。主要技术参数如下： 1 系统工质： 2 第二制冷剂： 3 容量范围： 17504 试验工况范围：蒸发温度 5； 5 试验压缩机功率： 56 试验压缩机电源： 380V； 7 整机功率： 30 4. 设计（或研究）方法 根据第二制冷剂量热器发，设计试验台各种设备，并进行布置。 5. 实施计划 第 6 查阅相关资料，健硕国内外相关文献，明确课题内容和预期目标 第 8 详细分析计算风冷式和水冷式冷凝器的换热机理，以及量热器内部的流体流动与传热机理；然后绘制必要的加工制作图 第 13 绘制综合试验台的总体布置图，并现场参与安装 第 16周 对综合试验台的总体测控方案进行考虑，并写出控制原理 第 17周 翻译英文文献，撰写论文，进行毕业答辩。 指导教师意见 指导教师签字： 年 月 日 研究所（教研室）意见 研究所所长 （教研室主任）签字： 年 月 日 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 5 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 6 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 7 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 8 制冷系统综合试验台设计（量热器及总体设计） 摘 要 该试验台的设计是为了研究在不同工况下各输入参数的变化对压缩机或制冷系统综合性能的影响大小；或在不同制冷剂工质下，检验制冷系统的性能，并提出针对性的改善措施，最终使系统的性能得到优化。 该试验台采用“第二制冷剂电量热器法”，其原理是制冷系统产生的冷量与电加热器产生的热量相交换，达到平衡时，通过测量电加热量而得出制冷量的一种间接实验方法。校核实验方法采用水冷冷凝器量热 法。该试验台设置有数据自动采集系统，通过控制系统调节节流阀的开起度和冷凝器冷却水阀的开启度，达到在设定工况下采集记录各工况参数的目的。 本次设计的主要任务是对试验台的一个主要部件 量热器进行设计计算，并对该试验台进行总体布置。通过热力计算，得出制冷量等性能指标。再根据传热学和换热器设计等有关文献，计算出蒸发盘管的传热系数，从而得出所需蒸发盘管面积，并对其进行结构设计。同时还根据量热器设计压力，计算出量热器的壁厚，并对其进行强度校核。接下来，进行了制冷系统节流机构和附属设备的选型。 关键词 ：量热器，试验台 ，第二制冷剂，制冷系统 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 F F he of up to on of or of on or to of to of to is of to of by by of is up By of to of we of of is to is of we to of we of So we of of to I of I 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 X 目 录 第一章 前言 . 1 第二章 制冷系统的热力计算 . 3 环特征点的状态参数 . 3 算循环的各性能指标 . 4 第三章 量热器的结构设计与计算 . 5 于量热器 . 5 发盘管的计算与结构选取 . 5 外换热系数的计算 . 5 内换热系数的计算 . 6 传热系数的计算 . 6 热面积的计算 . 7 发盘管的面积校核 . 7 发盘管结构设计 . 8 热器壳体及封头设计计算 . 9 座的选择 . 12 温材料的选择 . 12 热系数的计算 . 13 第四章 节流机构和辅助设备的选择 . 16 流机构 . 16 助设备 . 17 分离器 . 17 液分离器 . 17 燥过滤器 . 18 磁阀 . 18 泵 . 18 液器 . 19 第五章 实验台操作规程 . 20 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 动前的准备工作 . 20 验台启动程序 . 20 验台运转中检测项目 . 20 机操作程序 . 21 第六章 试验中相关计算及 规定 . 22 的 . 22 验规定 . 22 验方法 . 23 二制冷剂量热器法 . 23 冷式冷凝器量热器法 . 25 入功率计算 . 26 动机输入功率 . 26 缩机输入功率计算 . 26 缩机单位功率制冷量 . 27 核试验和主要试验之间的偏差 . 27 第七章 结论 . 28 参考文献 . 29 致 谢 . 30 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 1 第一章 前 言 从二十世纪后半叶开始，随着制冷行业的发展，有关制冷系统的试验台作为各制冷系统部件的标准之一的检验与实现更是得到前所未有的高速发展，从手动到半自动，再到高精度全自动测试阶段，主要表现有模糊控制在制冷系统中的应用，计算机仿真技术在制冷系统研究与优化设计中的运用以及建模方法与仿真研究在复杂制冷系统中的运用。随着电子计算机以及控制的发展，特别是模糊控制在制冷系统中的应用，制冷系统试验台实现了全自动控制，即借助与人们对量热器试验台长期受的手动控制的经验，也就是手动控制吸气 温度，吸排气压力来调到规定工况下的参数值的经验，引入模糊控制理论，以语言形式定性描述这些参数的被控过程，来实现试验台的全自动控制。 另外计算机仿真技术以及建模方法与仿真研究在复杂制冷系统试验中的运用，使得对系统和过程的仿真模拟方法结合或取代传统实验方法，大大提高产品开发效率，缩短开发时间，节省大量人力、物力。同时采用动态分析法取代传统的静态分析法，使建立的数学模型更加接近实际的系统或过程，提高了准确性。另外计算机仿真技术能方便的变以往典型工况设计为全过程工况设计，提高了系统的可靠性和运行效率。 该试验台的设 计主要目的为了研究在不同工况下各输入参数的变化（如蒸发温度、冷凝温度、过冷温度、吸排气温度等）对压缩机或制冷系统综合性能的影响大小；同时也可以在不同制冷剂工质、不同制冷剂流量、充注量等条件下，检验、研究制冷系统的性能，并提出针对性的改善措施，进一步研究影响制冷系统性能的各种因素，最终使系统的性能得到优化。 该试验台采用“第二制冷剂电量热器法”作为主测，其原理是利用量热器内充注的与被测压缩机制冷系统相隔离的第二制冷剂作为热交换介质，将制冷系统产生的冷量与电加热器产生的热量相互交换，达到平衡时，通过测量加热电量 而得出制冷量的一种间接试验方法；同时采用液体质量流量计法作为辅测，计算出它在规定工况条件下转换成气态所必须吸收的热量，即制冷量。换热器设计所遵循或参照的相应规定和标准：制冷装置用压力容器（ 6917单元式空气调节机组用冷凝器型式与基本参数（ 5444、钢制壳管式换热器（ 制冷设备通用技术规范（ 。 对于该制冷系统综合性试验台，我们通过第二制冷剂量热器法以及数据自动采集系车辆与动力工程学院毕业设计说明书 2 统，通过控制系统调节节流阀的开启度和冷凝器冷却水阀的开启度达到设定工 况，同时采集记录各工况参数。如通过测得吸排气压力、过冷温度、量热器出口温度等参数，进而得出制冷量、输入功率、 。对比分析各工况的这些量值，从而得出与压缩机相匹配的最佳工况。 本次设计的主要任务是对试验台的一个主要部件 量热器进行设计计算，并对该试验台进行总体布置。由于量热器内部充有第二制冷剂的气液混合物，其内部压力较高，属于压力容器。因此有关量热器的设计与制造必须符合相关的压力容器设计规范，在设计计算过程中应参考有关的工程压力容器的设计与计算等标准。在第一章中进行了制冷系统的热力计算，得出了 制冷循环的各性能指标。在第二章中，根据传热学和换热器设计等有关文献，计算出蒸发盘管的传热系数，并根据第一章计算所得制冷量等参数，从而计算出所需蒸发盘管面积，并对其进行结构设计。同时还根据量热器设计压力，计算出量热器的壁厚，并对其进行强度校核。在接下来的第三章中，主要进行了制冷系统节流机构和附属设备的选型。在第四、第五章中介绍了有关试验台的操作规程和相关标准。 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 3 第二章 制冷系统的热力计算 在进行制冷系统设计过程中，首先要进行系统的热力计算，热力计算采用查压焓图确定各循环点的状态参数并计算各个过程的焓差 ，最后可得到系统的冷热负荷等重要参数。该设计用于测量 5下蒸汽压缩式制冷机在不同工况下的制冷量、消耗功率、能效比以及制冷系统各关键参数的综合性试验台。该性能试验台主要技术参数如下： 1 系统工质： 2 第二制冷剂： 3 容量范围： 1750 15000W； 4 试验工况范围：蒸发温度 15； 5 试验压缩机功率： 56 试验压缩机电源： 380V； 7 整机功率： 30 环特征点的状态参数 该设计所涉及的的制冷循环为单机压缩机单级压缩循环，其试验工况范围：蒸发温度 15，按标准工况计算。标准工况制冷系统温度参数如下： 蒸发温度 150 t 冷凝温度 30 吸气温度 15 过冷温度 25 系统采用的制冷剂为 冷循环的压焓图如图 2示。 根据 压焓图和热力性质表，得循环特征点的状态参数，如表 2示。 表 2环特征点的状态参数 图 2冷循环压 1 2 2s 3 4 h p 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 4 参 数 点号 P( t（ ） h（ kJ/ )/3 1 1 2 3 15 15 25 10 算循环的各性能指标 根据表 2环特征点的状态参数计算循环的各性能指 标，计算结果列于表 2。 表 2环的各性能 参数计算 参数 公式 计算结果 单位质量制冷量041 kJ/理论比功 0w 120 kW/ kW/2s 点的焓值)( 1212 kJ/单位冷凝热量kJ/单位制冷剂流量kg/制冷量0m 冷凝负荷 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 5 第三章 量热器的结构设计与计算 于量热器 量热器为该试验台中主要部件之一，内部包括被试验制冷系统的蒸发器、第二制冷剂、量热器底部的电加热器三部分。在试验台工作过程中，制冷剂在蒸发盘管内蒸发，对外输出冷量以冷却盘管外介质，即第二制冷剂。第二制冷剂充当热量由电加热器到蒸发器传递的媒介。首先第二制冷剂被装在量热器底部的电加热器加热蒸发成为气体，上升到在蒸发盘管处被蒸发器冷凝成为液体。调整电加热器的输入功率，将会找到一个动态平衡点，此时冷凝下来的第二制冷剂液体量与第二制冷剂液体在电加热器处的蒸发量相同，即第二制冷剂液体的液面保持不变。由能量守恒知，此时电加热器的输入电功率与制冷循环的制冷量相同。 由以上分析可知，有了量热器，通过调整电加热器的输入电功率，可以很方便的测量出制冷循环的制冷量。故量热器是制 冷系统综合性能试验得到顺利进行保证。 发盘管的计算与结构选取 外换热系数的计算 初选量热器的蒸发盘管为外径0厚 紫铜管，弯曲成螺旋状。选取制冷系统的第二制冷剂为 1、管外换热为第二制冷剂在管外冷凝换热，因此，应该从冷凝换热来考管外换热系数。计算公式为 1 4100230 )( （ 3 1） 2、确定 状态参数 蒸发温度为 管内外温差取 3，则 第二制冷剂温度为 管外壁温度近似取为 定性温度为第二制冷剂温度和管外壁温度的算术平均值，即为 对应于该定性温度时 和液体的物性参数： 密度 3k g / 3 5 ，导热系数 K)w /(7 ， 汽化潜热 ，粘度 s)k g/( 0 3 。 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 6 将以上数值代入式（ 3算得管外换热系数 K)w /( 7 1 20 内换热系数的计算 管 内换热过程是通过制冷剂在管内的相变来实现的。因此，应通过管内沸腾换热的计算公式来计算管内换热系数，如式（ 3示 1。 （ 3 2） 式中： 管子材质系数，对铜管取 C； F 管子表面状态系数，对普通管表面 F= 液体的质量流速， )sk g /( 对定性温度为 得在定性温度下的制冷剂的相关参数如下： 饱和液体的比热容 K)J/( 液体粘度 l ， 沸腾绝对压力K P M P 液 体 表 面 张 力 2N/ ， 液 体 导 热 系 数K)W /(l ，饱和液体密度 3kg/l 。将上面数值代入式（ 3计算得管内沸腾换热系数 K)W /( 5 6 2 i 。 传热系数的计算 管的总传热系数由管内沸腾换热系数、管外冷凝换热系数和管体导热系数三部分组成，其计算公式为 3 000 1113 3） 式中： d。 紫铜管外径， d ； 紫铜管内径， 管内热阻，)W/(m 2 ； 紫铜的导热系数， K)W /( 。 代入式（ 3算得总传热系数 k=m 2 。 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 7 热面积的计算 由以上的计算结果知当压缩机功率为 5制冷循环的制冷量为 Q ，则当压缩机的功率为 5所需传 热面积为 0(3 4) 计算中的传热温差取为 6，将制冷量 0Q 、传热系数 K 和传热温差 t 的数值代人式 (3传热面积 F=m 圆整为 3 2m ，则所需管长 L 为 0 （ 3 5） 将参数值代入式（ 3算得管长 L= 发盘管的面积校核 该试验台所能满足的试验工况的 蒸发温度 5， 为满足在整个试验工况范围下所需的传热面积，须对其进行校核，校核时，选取极限蒸发温度 行校核，即校核工况： 250 t 、 45 1540查 力性质表和压焓图，得循 环特征点的状态参数如表 3示。 图 3冷循环压 1 2 2s 3 4 h p 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 8 表 3循环特征点的状态参数 参数 点号 P(（ ） （ kJ/ )/3 1 1 2 3 25 40 计算循环的各性能指标如表 3 3环的各 性能指标 参数 公式 计算结果 单位质量制冷量041 kJ/理论比功 0w 120 kW/2 W/的焓值)( 1212 kJ/单位冷凝热量kJ/单位制冷剂流量kg/制冷量0m 冷凝负荷 蒸发盘管各相关参数如下 表 3发盘管各相关参数 管外传热系数 k)W/(m 2 管内传热系数 k)W/(m 2 总传热系数k)W/(m 2 传热面积 2m 管长 m 605 上面计算结果可知，在该工况下，所需蒸发盘管面积小于标准工况下所需面积，所以按标准工况下计算所得面积设计既能满足要求。 发盘管结构设计 考虑到 5以下压缩机兼容问题，采用两组大小不等的蒸发盘管，使用功率为车辆与动力工程学院毕业设计说明书 9 5大压缩机工作时，两组盘管同时使用，使用功率为 1 1下的压缩机工作时，只采用其中的一组盘 管即可。 大盘管 直径取 300盘管直径取 200层盘管间的间隔取为 4该大小盘 管均饶制 n 圈，则有 21 （ 3 6） 将 L、 1D 、 2D 的数值代入式（ 3 n= n=51 圈，则所需的盘管的高度为 0 1 ( （ 3 7） 将 n 值 代入得 H=12 热器壳体及封头设计计算 量热器内充注第二制冷剂 在冷凝压力为 用下，可能发生制冷剂泄露，属于类压力容器，设计时要对其进行强度计算与校核。压力容器的失效准则有强度失效准则和刚度失效准则两种，压力容器的破坏方式有延性断裂，脆性断裂和疲劳断裂三种。 1、计算依据：参考文献 7 2、材料选择：根据国标 取 强度较大，耐低温的 材料 16进行 热轧处理。常温强度指标： b， s，许用应力 170 3、桶体结构尺寸如图所示 图 3热器壳体 尺寸图 4、设计参数 设计压力：一般为最大工作压力的 ，在该设计中取设计压力 P= 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 10 设计温度：对于不加热或者冷却的壳体壁，取介质的最高温度或最低温度为设计温度，即 T=质温度），最高温度 T=00 。 5、壳体壁厚计算及液压试验、应力校核。 （ 1）桶体壁厚计算及液压试验、应力校核。 当满足 P 时，壁厚计算可采用下面公式 7 i 2(3 8) 式中： 焊缝系数，桶体纵焊缝系数采用双面焊， 100%无损探伤，故 ； 桶体内径， P 设计压力， P= 钢板许用应力， 由表 1得 。 M P P 将上面各参数值代入式（ 3算得 。 由于 轻微腐蚀，量热器桶体耐腐蚀等级 4 5 级，腐蚀速率不大于 般使用寿命 8 10 年。根据 蚀速率 年时 5，取钢板腐蚀裕度 C ，结合试验条件，本设计取 C ，钢 C 下文中的参数 1C ， 2C 取 值 相 同 ）。 故 桶 体 设 计 厚 m ，其中 先取名义厚度 n，则有效厚度 应力计算公式为 2 （ 3 9） 代入参数计算得 ，所以满足强度要求。 液压试验时，圆筒的薄膜应力按公式 P 2 )( （ 3 10） 其中 M P 静 将有关参数代入式（ 3算得 。 由文献 7，查得 345sT 以满足液压试验时强度要求。 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 11 （ 2）封头壁厚计算及液压试验时应力校核 采用标准椭圆形封头，其几何尺寸如图 3示。 封头壁厚计算公式 t i （ 3 11） 式中 ： K 标准椭圆形封头， K=1； 焊缝系数，对整体封头 1 。 将参数值代入式（ 3算得 根据 89
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