开题报告-特种车辆空气滤颗粒污染物监测装置设计.doc

中 北 大 学 毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院：机械与动力工程学院专 业：车辆工程设计(论文)题目：特种车辆空气滤颗粒污染物监测装置设计指导教师: 2017 年 3 月 3 日毕 业 设 计 开 题 报 告一、选题依据：1、研究意义空气滤清器是特种车辆动力系统非常重要的配套附件之一1，它可以滤除空气中的硬质灰尘颗粒，向发动机提供清洁空气，防止灰尘造成发动机缸套、活塞环、气门、轴瓦等主要零部件的强烈磨损及发动机润滑油的污染2，从而延长发动机的使用寿命。使用经验证明，使发动机产生早期磨损的所有情况中，75以上均为尘土所致3。为了避免发动机的早期磨损，须对空气滤清器的颗粒污染物监测装置给予高度重视。工程机械、收获机械及在工地上担负运输工作的各种车辆4，作业环境较为恶劣，尤其在干燥天气时，空气中含尘量可达0.30.5g每平方米。在这种条件下使用的空滤器一方面要求要有较好过滤效率，另一方面还要求空滤器要有足够长的滤芯保养周期5。2、选题依据大量灰尘的吸入将使发动机各部位如活塞环等产生严重的磨损67,使发动机功率迅速下降，甚至使发动机报废。因此，特种车辆进气系统随车无损检测是非常必要的8，便于及时险测进气系统是否失效，提醒驾驶员保证进气系统正常工作，保证发动机良好运转，提高整车动力9。目前特种车辆发动机的功率越来越大,进气量也随之越来越大，且发动机价格也越来越昂贵，所以各国对特种车辆进气系统越来越重视10。行驶在各种复杂路面上的特种车辆比其它各种车辆如汽车、拖拉机和矿山车等工作环境恶劣的多，因此特种车辆的空气进气系统中的主要部件-空气滤清器就面临着严酷的使用环境11。所以我认为设计一套合理的空气滤颗粒污染物监测装置有很大的实用价值。空滤目前的检测手段主要是压差报警器1213，更多的是对于纳污容量进行监测，对于实际使用的空气滤清器过滤效率尚没有有效地监测手段。压差报警器是专门为过滤器设计的用监测过滤器的使用状况，提供精确的目视指示信号，以便于采取及时有效的维护措施，保工作系统免受颗粒污染而降低使用寿命。该指示器性能稳定可靠、安装方便，任何应用场合都能实现对过滤器稳定的监控。可用于机械控制系统，为滤芯更换提供准备时间，改善设备的监控能力。3、国外研究概况美国Neslon为试验台测量需要建立了连续粉尘监测数控系统来确定对于不同的粉尘颗粒粒径的滤清效率,其操作原理为连续悬浮颗粒监测14。数控系统应用近前射光散射原理来测定经过光敏传感器的悬浮颗粒质量浓度和尺寸分布,该系统应用了光度学(监视一团小粒子)和单个颗粒的组合来确定质量浓度和质量分布与颗粒尺寸的关系。POYCO公司研制一光学粉尘传感器标准台阶模型,由试验台检查和试验，该装置工作原理是向前的光散射原理,包含一白炽光源、合成树脂制成的聚光用的透镜和一光电二极管传感器都安装在专用光屏蔽、光栅极和蔽光框的光学台阶上，该装置非常灵敏和1-40mv输出来激发起警报指示器,该装置对空气中的小灰尘颗粒是很敏感的。美国Donaldson公司为M60和M113研制了一种过滤型粉尘探测器15,该探测器是关于探测并发出空气进气系统粉尘漏泄信号的一连续空气取样装置,并发现在给定的浓度下重复性很好,在0.39mg/SCF浓度下,响应变化在平均值的6%之内,并随高的粉尘吸入速度,其敏感度则增加并很快发出警告,其敏感度可由传感器元件上孔直径的变化来调节。Xiong等利用离线检测方法对管道内粉尘进行了研究16；Olszowski等对利用光学颗粒粒度仪器对常压下管道内粉尘进行了在线检测研究17。4、国内研究概况 我国特种车辆进气系统随车无损检测系统为使用空气滤清器阻力报警器,其操作原理为：当空气滤清器的进气阻力达到预定的阻力值时,就接通报警线路,激发起报警器报警，以便提醒驾驶员空气滤清器已达到极限容量，空气滤清器需要清洗或进行空滤更换。中国石油大学付松广等基于静压零位等速采样原理研制了高压天然气管道内固体颗粒物离线采样检测装置。在管道内固体颗粒物含量较低的情况下，该离线检测装置取样时间较长，且需等到采样结束、分析化验后才可得到检测结果，不能及时反映管道中固体颗粒物含量的变化情况。离线检测所用Coulter粒度分析仪的原理是通过测量分散在电解液中的颗粒经过小孔时产生的电压脉冲信号对脉冲信号计数、测量电压幅值得到测试样品中颗粒数目及粒径分布，该测量方法不受颗粒外形和折射率等因素的影响，能较真实地反应粒径分布。中国石油大学张星等研制了一套高压天然气管道内固体颗粒物在线检测装置1819，该装置可以在线实时检测天然气管道内固体颗粒物含量变化情况，检测结果准确度高，但需要先利用减压装置将高压天然气的压力降低到常压后，再用在线粒径谱仪进行检测，减压装置体积庞大，操作繁琐，且在减压装置的实际应用过程中由于节流作用会使得高压天然气管道中有液滴析出20，影响在线测量结果。中国石油大学（北京）过滤分离实验室研发了一套可以直接对高压天然气管道内固体颗粒物进行在线检测的装置，该装置去除了减压装置并提高了检测仪的耐压能力，整体结构简单可靠。在线检测基于Mie散射理论的光学粒径谱仪，采用90散射光并带有光学测量体，氙灯发出色温4300k的白色光，通过一系列镜片和T型孔，形成光学测量体，单个粒子进入位于气溶胶导管中部的光学测量体中就会被测量，单个颗粒的90散射光通过光电放大器转换为电脉冲。通过测量脉冲的高度和数目就可得到粒径分布及颗粒物浓度。在线检测仪采用光散射原理，如图1所示。该仪器对颗粒的折射率较为敏感，使用中一般采用标准聚苯乙烯小球在常温常压空气环境中对Welas3000型在线粒径谱仪进行标定，当被测颗粒物折射率与1.59相差较大时，测量结果会产生较大误差，需对测量结果进行修正。 图1 在线监测装置流程图参考文献1王志强.空气滤清器过滤性能实验台的研制D. 天津：天津大学，2007：8-10. 2谭永南.空气滤清器的仿真分析与试验研究D. 浙江：浙江大学，2010：48-50.3况作尧.内燃机车检修M.北京:中国铁道出版社，20134王秉才，刘文生.装甲坦克车辆空气滤清器的研究.兵器工业第201所.学术论文，第二集5姜仁强，叶淑霞.提高柴油机空气进气质量的措施 J.内燃机车，2005 (10 )：47486曼牌滤清器技术专栏之汽车行业中的过滤技术(十)J. 汽车与配件,2004，37：35.7王全富,单梅梅,高标.由汽车国排放法规确定对柴油滤清器的要求J. 现代车用动力, 2008(04)：39-41+45. 8唐敬麟，张禄虎，除尘装置系统及设备设计选用手册，北京：化学工业出版社，2004. 9黄实，陆际清，张华，等；沙漠车发动机抗磨损研究，清华大学学报，1997，37(8):8790.10惠秀美,雷银霞.机车柴油机防风沙技术的研究J.内燃机车,2006,(11):22-25.11吴江生,许建忠,贺兴铁等.提高DF4B机车空气滤清器性能的措施J.机车车辆工艺,2001,(3):20-21.12胡长松, 陈凌珊,王 键.柴油机尾气颗粒捕集气固两相流模拟研究J. 小型内燃机与摩托车, 2009(05)：6-8. 13陈孝树，空气滤清器堵塞后出现的异常现象，浙江农村机电，2003：14. 14张宝凯,包学志.防风沙型内燃机车空气滤清器J.内燃机车,2004,(5):28-29,31. 15张发.风沙地区内燃机车滤清系统的改进研究J.铁道机车车辆,2006,26(3):33-36.16付松广,陈友方，陈红生,等.用于高压天然气管道的粉尘检测装置J.石油机械,2007,35（2）:36-3817郭建堂，陈在学，黄荣光，等GB3836.1-2000 爆炸性气体环境用电气设备S.北京：中国标准出版社，200018张星，姬忠礼，陈鸿海，等.高压天然气管道内粉尘在线检测系统性能分析J石油机械，2010,38（9）：38-4419张星，姬忠礼，陈鸿海，等高压天然气管道内粉尘在线检测方法J化工学报，2010,61（9）：2334-233920黄步余，李丽华.SH3005-1999石油化工自动化仪表选型设计规范S北京：中国标准出版社,1999 二、研究方案利用非接触式测量技术，设计空气滤清器管道内颗粒质量浓度和颗粒尺寸分布的测试方案与测试装置，以便及时检测进气系统是否失效，提醒驾驶员保证进气系统正常工作，保障发动机良好运转。1、传感器的选型与设计 完成监测传感器选型； 参考相关设计标准及管道接口尺寸、测试压力与气体流量进行机械部分的工程设计； 给出设计报告和图纸；2、 电路部分的设计 结合车用滤清器特点，通过对比现有管道内颗粒物浓度与尺度的测试方法，以实用性为前提设计监测方案（检测分辨率10m）进行检测方法的选择和方案设计。 信号采集模块的设计； 控制单元的设计； 显示模块的设计； 电源模块的设计。3、机械结构的设计 完成管道、滤清器等部分的机械结构设计，装配并绘制图纸。 特种车辆空气滤颗粒污染物监测装置设计电路部分的设计 机械结构的设计传感器的选型与设计 管道显示模块的设计控制单元的设计信号采集模块的设计电源模块的设计光路部分工程设计监测传感器的选型气路部分工程设计 出气口 传感器 滤清器