总体结构分析

总体结构分析（精选十篇）

总体结构分析 篇1

关键词：铺管船,锚机,双行星齿轮减速器,多刹车系统,排绳机构

目前,海洋油气主要存在两种输送方式:一种是通过油轮把海洋油气运输到陆地上来;另外一种是利用海底管道,将油气输送到地面的目的地。显然,后一种方法更加高效。目前,海底油气管道的铺设主要是通过大型的铺管船把管道铺设到海底。

恒张力锚机是浅水铺管船上的重要设备,大功率的恒张力锚机一直由国外公司垄断[1,2,3,4,5,6],我国只能设计制造小功率的恒张力锚机。例如2001年建造的蓝疆号起重铺管船,虽然铺管水深仅为60-150m,其恒张力锚机共有12台/套,单台/套的最大拉力为50.5t,但都是由AMCLYDE公司生产的。型号:AMCLYDE6000-M2,使用的钢缆规格为76.2×2200mm,锚缆末端封树脂胶,最大速度280m/min,最大刹车力390t,阻尼刹车额定负荷119t/96m/min,驱动方式:交流变频驱动,绞车功率860kW。

我国在近年才具有设计制造大功率恒张力锚机的能力,但其中仍有许多问题值得探讨。本文设计的恒张力锚机,就是为铺管水深可以达到300m以浅的铺管船而配套的,其单台/套的最大拉力可达到110t。

1 铺管工艺及锚机的功用

铺管船在铺设管道的过程中,要按照既定的轨道前进,并配合铺管的速度,尽量保持船的平稳行走,以提高铺管的质量。深水铺管船的行进速度和方向靠的是动力定位,而浅水铺管船则靠的是布置在船艏舱和船艉舱的8-12台/套恒张力锚机。

铺管作业时,需要多台恒张力锚机控制船的运动方向和速度,同时还需要管道输送系统的配合。

浅水铺管船上的管道输送系统由装卸吊车、管道存贮站、动力输送滚筒(包括单向输送滚筒支架、可升降滚筒支架和可升降驱动调整型滚筒支架)、链传送中间转换站、自适应支撑架(支撑滚轮),以及控制系统等组成,见图1。其工作过程为:由装卸起重机从运输船上将管子输送到存储站,由辅助塔吊将管子分根(也可以预制成长管)依次送到由动力滚筒支架组成的输管支架上,并通过可升降支架将管子送到链式输送带上,再经可升降驱动调整型支架将管子送入焊接站,但是管子在送入焊接站前,一定要注意与上根管子之间的距离达到对焊所需要的缝隙要求,再由胀紧装置固定,以实现稳定准确定位,为下一步的管道对中、焊接做好准备。焊接完毕后,进行检测和防腐处理。再经过自适应调整支架,进入张紧器,张紧器一般由2台串联使用。管道再经过自适应调整支架就可以通过托管架入水,从而完成全程的管子输送任务。

在管子输送过程中,由于焊接、检验和送管的需要,船要根据送管情况进行实时的停止、前进、速度控制和轨迹控制。船的这些运动完全靠铺管船上多台锚机的配合和协调控制。

铺管船上安装有12台锚机,船头和船尾各有6台锚机。在船头有两个船艏舱,在船尾有两个船艉舱,每个船舱里有3台锚机。见图2。

为了空间布置的合理性,锚机的减速器可以布置在锚机的左侧(L型),也可以布置在锚机的右侧(R型),给锚机附属零件的布置留出空间。根据钢丝绳出船方向的不同,锚机所采用的排绳机构也分为双轮形式(下出绳)和单轮形式(上出绳)。

在图2中所标示的3、4、9和10号4台锚机为单轮形式的锚机,其余8台是双轮形式锚机。1、2、4、7、11、12为L型锚机,其余6台为R型锚机。每台锚机除了有机旁控制柜外,在中央控制室还有远程控制台,以实现联动协调控制。

2 锚机的总体结构

锚机主要由电机、减速器、滚筒、底座、排绳机构、压绳机构等组成,而由高速制动器、变速制动器1、变速制动器2、阻尼制动器、低速制动器、棘轮机构等组成了锚机的刹车系统。锚机总体结构图如图3所示。

电机通过齿式联轴器带动减速器输入轴(第一根轴)转动,经过多级减速后,由减速器的第三根轴输出,减速器输出轴端安装了开式小齿轮,由开式小齿轮带动滚筒上的开式大齿轮转动,从而带动滚筒转动。为了防止乱绳,在钢丝绳进出卷筒的前方设置了排绳机构。压绳机构可以使钢丝绳在滚筒上可靠压紧,防止出现松动混乱的现象。底座是整个锚机的安装基础和底架。

3 具有双行星齿轮的减速器

减速器是锚机重要的组成部分,为了达到大扭矩、宽传动比地将电机的功率传递给滚筒的目的,减速器采用了两种传动比,但必须在结构上实现两种传动比的自动转换,为此,设计了一种具有双行星齿轮的减速器。锚机的传动结构原理图见图4。

由图4可以看出,减速器第一根轴系有两组相对独立的行星减速机构,一组由Z1、Z2、Z3、Z4组成,称为行星机构2;另一组由Z6、Z7、Z8、Z4组成,称为行星机构1。这两组行星机构配合变速制动器1和变速制动器2的状态,可以使减速器达到如下的工作要求:

(1)变速制动器1制动,变速制动器2松开时,锚机处于高速工作状态。

(2)变速制动器1松开,变速制动器2制动时,锚机处于低速工作状态。

(3)变速制动器1、变速制动器2同时松开时,电机为空运转状态。

(4)紧急情况下,所有制动器全部制动,以保证工作安全。

4 锚机的刹车系统

刹车系统是锚机的重要组成部分,在锚机工作过程中至关重要。由图3和图4可以看出,锚机的刹车系统主要由高速制动器、变速制动器1、变速制动器2、阻尼制动器、低速制动器、棘轮机构等组成。

(1)高速制动器。在主电机输出轴附近安装了一个高速盘式推力制动器,必要时实现主电机的高速制动。盘式推力制动器依靠推动器中的辅助电动机,使封闭腔内的液压油增压,输出的推力将通过杠杆带动钳盘工作。

(2)变速制动器1和变速制动器2。在行星齿轮减速机的第一根轴系上安装了两个制动盘,每个制动盘上有两个液压盘式制动器,主要用于减速器传动比的转换。

(3)阻尼制动器。在行星齿轮减速箱输出轴的外侧安装了伊顿公司生产的气动水冷式多盘刹车(辅助刹车),主要用于放绳时给滚筒增加一定的阻力。阻尼制动器保证了钢丝绳始终处于一定的张力状态,以防止钢丝绳产生松动、工作不稳定。

(4)低速制动器。在滚筒远离减速箱的一侧安装了6组液压盘式制动器。它是锚机的主刹车。

(5)棘轮机构。在滚筒靠近减速箱的一侧采用了棘轮机构,用于驻车。正常工作时不使用。

5 锚机的排绳机构

排绳机构用于在滚筒旋转时,使钢丝绳在左右方向上,按顺序在滚筒上缠绕,不会发生绕绳错乱。双轮式排绳机构见图5,主要由两个双向螺旋槽螺杆、排绳滚轮、滚轮架、支架等组成。双向螺旋槽螺杆带动滚轮架在左右方向上移动。为了保证滚轮架在左右方向上的移动距离与钢丝绳在滚筒上左右排移的距离具有同步性,滚筒与双向螺旋槽螺杆之间用链轮进行传动,以保证两者之间有准确的传动关系。

螺杆螺距的确定:如果滚筒上链轮(主动链轮)的齿数为Z,螺杆上链轮(从动链轮)的齿数为3Z,传动比为3;即当滚筒转3圈时,排绳器的螺杆转1圈,因此如果钢丝绳的直径为d,钢丝绳每圈之间的间隙设为δ,钢丝绳在滚筒上缠绕n圈,在则螺杆的螺距为3(d+δ)。

6 结语

在分析浅海铺管船铺管工艺和锚机的功用的基础上,完成了锚机的总体结构设计,并对其主要部件:减速器、刹车系统、排绳机构等进行设计和分析。设计了具有双行星齿轮的减速器,该减速器配合两个变速制动器可以实现减速器两种传动比的顺利转换,利于滚筒在宽转速范围内运转。多组刹车构成的锚机刹车系统可以保证锚机在各种工作状态下可靠地工作。具有双向螺旋槽的丝杆,使排绳滚轮架在左右方向上的移动距离与钢丝绳在滚筒上左右排移的距离具有同步性。锚机达到了所要求的功能。

参考文献

[1]周志宏,郑小平,孔凡忠.铺管船锚机滚筒轴的有限元分析及优化设计[J].石油机械,2002,30(7):24-26.

[2]姚定钊.从锚机故障的排除所想到的[J].航海技术,1995(2):68-69.

[3]胡甫才,周勇,向阳,杨建国.锚机机座有限元分析与试验研究[J].船海工程,2007,36(4):53-56.

[4]刘嵬辉,曾宝,程景彬,等.国内外铺管船概况[J].油气储运,2007,26(6):11-15.

[5]李含苹,闵兵,康为夏.铺管船前景及船型开发[J].船舶,2009(4):1-4.

总体结构分析 篇2

构现状分析

继国土资源部后，人社部等7部门、国家安监总局及国家煤监局、一行三会日前陆续发文强力支持钢铁煤炭行业化解过剩产能实现脱困发展。

4月18日，国家安全监管总局、国家煤矿安监局发布《关于支持钢铁煤炭行业化解过剩产能实现脱困发展的意见》。这是煤炭去产能第三份配套文件。

发改委称煤炭钢铁去产能8个专项配套政策文件正在陆续印发，随后，国土资源部就出台了《关于支持钢铁煤炭行业化解过剩产能实现脱困发展的意见》，人社部、发改委等7部门发布《人力资源社会保障部国家发展改革委等七部门关于在化解钢铁煤炭行业过剩产能实现脱困发展过程中做好职工安置工作的意见》。不难发现，政府对此轮煤炭钢铁去产能的态度颇为坚决，后续其余5个专项配套文件预计也将于近期出台，一、煤炭企业区域分布结构

从企业集中的区域结构来看，西南地区企业数量最多，2014年占全国的比例为32.63%;其次是华北地区，企业数量占全行业的24.96%;华中地区位居第三，企业数量占比为17.22%;其余地区企业数量所占比重均在11%以内，华南地区最少，占比仅为0.25%。

图表1：2012-2014年中国煤炭行业各区域企业数量情况(单位：%)注：从上至下依次为：西北地区、西南地区、华南地区、华中地区、华东地区、东北地

区、华北地区。

资料来源：国家统计局前瞻产业研究院整理

二、煤炭行业资产区域分布结构

从行业的资产规模来看，华北地区的企业资产总计在全国各区域中的比例最大，2014年资产所占比重为47.12%;其次为华东地区，2014年资产所占比重为19.50%;西北和西南地区资产所占比重分别为13.09%和8.43%;其余地区资产所占比重均在8%以内。

图表2：2012-2014年中国煤炭行业各区域资产总计情况(单位：%)

注：从上至下依次为：西北地区、西南地区、华南地区、华中地区、华东地区、东北地

区、华北地区。

资料来源：国家统计局前瞻产业研究院整理

三、煤炭行业销售收入区域分布结构

前瞻产业研究院《2016-2021年中国煤炭行业发展前景与投资战略规划分析报告》数据显示，华北地区销售收入在所有的区域里占有绝对的优势，2014年销售收入所占比重为48.23%;其次是华东地区，其所占比重为17.53%;华中地区销售收入所占比重位列第三，为2 11.96%;其余地区销售收入所占比重均在10%以内。

图表3：2012-2014年中国煤炭行业各区域销售收入情况(单位：%)

注：从上至下依次为：西北地区、西南地区、华南地区、华中地区、华东地区、东北地

区、华北地区。

本文作者：郑嘉宝（前瞻网产业研究员、分析师）

今年结构性票据业务总体向好 篇3

2008年金融危机使得部分结构性票据遭受一定亏损，使某些在此方面实力较弱的银行退出了市场。吹尽黄沙始到金，2009年开始，只有数家实力较强的银行发行此类产品。

发行：外资银行有绝对优势

去年，结构性票据共发行了55款，发行量较2010年进一步回升，但仍未达到2007年和2008年水平。结构性票据发行回暖，首先是因为银行加强了对投资者的风险教育；其次是经过之前的磨合，发行银行逐渐了解了国内目标客户的风险偏好，在产品设计方面不再像以前那样激进，降低了产品的风险；最后，随着2008年金融危机阴霾逐渐散去，海外金融市场的复苏提升了结构性票据的业绩表现。

从发行机构方面看，仅有花旗银行发行了5款，渣打银行发行了50款。与2010年之前的市场格局形成鲜明对比。这种格局的形成，说明了外资银行在此方面有绝对优势。

从投资管理上讲，结构性票据与债券和货币市场类理财产品管理方法明显不同。结构性票据最重要的是设计或选择好产品的收益结构，而债券和货币市场类理财产品则要求发行银行能把握住产品存续期间债券与货币市场的投资机会。发行结构性票据的银行都是外资银行，印证了外资银行在结构性票据定制、引进与设计等方面较国内银行存在明显的优势。

期限：1年期以下产品居多

从期限上看，去年发行的结构性票据集中在1年以下。其中，6个月及以下的产品占到了23.64%，6个月～1年的产品占到了61.82%。产品的短期化趋势一方面使得票据挂钩标的观察期缩短，从而减少票据的投资风险；另一方面也能与国内理财产品短期化相适应，便于与中资银行在吸引优质客户方面展开有力竞争。

业绩：惊喜不断

去年共有72款结构性票据到期，但公布了到期收益的仅有49款，仅有花旗银行和渣打银行公布了到期收益情况。公布收益的49款产品平均设计期限为441.04天，平均存续期限为318.80天，平均到期收益率为11.99%，远高于非结构性产品的收益。从机构上看，渣打银行产品平均到期收益率为14.59%，花旗银行产品平均到期收益率为3.98%。

从终止情况来看，共有17款产品到期终止，32款产品提前终止。渣打银行提前终止的有31款。而按照渣打银行结构性票据的设计，提前终止会获得较高收益，故此类产品业绩较好。到期产品收益率排名前十的均为渣打银行的QDSN系列产品，最高的为“QDSN10049I”和“QDSN10024I”，年化到期收益率分别为20.38%和20.00%。

49款产品中，共有2款产品获得零收益，只有1款产品即花旗银行的“美元代客境外理财产品—1年期挂钩指数和基金美元票据”获得负收益，到期收益率为-3.22%，相比之前的结构性票据而言，亏损额度减小了不少。“高风险”的帽子，似乎并不适合于去年的结构性票据。

今年展望：进一步回暖

去年，结构性票据业绩向好，就到期数据分析，该类产品的投资风险正在减少，从这点出发，今年结构性票据的发行将进一步回暖。另一方面，经过前几年的“大浪淘沙”，已经形成较稳定的市场，参与的银行机构数量并不会急剧增加，但不排除其他银行进入或重新进入。

从海外市场上看，全球经济可能正在另一个衰退边缘逡巡。预计今年全球经济将继续维持疲弱的增长，并且将拖累发展中国家的经济增长。在这种背景下，贵金属、大宗商品将会有个回调的过程，买入这些资产看跌期权的结构性票据将会有较好的业绩表现。由于买入看跌期权是买入方付出期权费，当挂钩标的下跌时，可以高于市场价格的约定价格卖出挂钩标的，故在标的资产下跌时，买入看跌期权会获得较高收益，从而使相关结构性票据获得较高收益。

总体结构分析 篇4

关键词：管棚,斜交箱涵顶进,粘砂结构土壤,工艺流程,工程总体布置

1 前言

在工程建设过程中, 经常遇到立体交叉问题, 如待建工程与河流、道路等既有自然物或工程相交叉。为满足各种建设要求, 不影响既有工程的正常功能, 常常采取架桥、设置渡槽、下穿隧洞等各种立体穿越方法;其中下穿方法又有掘进和顶进两种方式, 顶进方式对交叉工程影响最小, 成本也在我国国民经济持续快速发展和工程技术迅猛进步的形势下逐步降低, 经济技术性比较好。所以, 在工程建设中的应用也越来越多。

在具体的工程应用中, 斜交顶进比正交顶进更为复杂, 被顶进工程实体受到影响因素更多更复杂, 从而对工程总体布置提出了更高的要求。本文结合具体的南水北调工程中常见的中小型斜交箱涵顶进工程实例, 探析工程总体布置在这类工程建设过程中的作用和影响, 以期对同类工程建设提供一种新的思路和方法。

2 工程概况

位于河南省鹤壁市浚县境内的南水北调受水区供水干线工程与多条公路相交, 为不影响公路正常交通, 采用管棚箱涵顶进建设方案, 输水管道架设其中。预制箱涵采用钢筋砼结构, 其中一个典型箱涵断面外部尺寸6.6m*6.5m (宽*高) , 箱涵孔内断面净尺寸5.5m*5.3m (宽*高) , 内设倒角。箱涵顶高程为56.76m, 箱涵底高程为50.26m, 箱涵顶距路面厚度为3.24m。箱涵顶进长度65m, 共设4节, 节长16.25m, 砼浇筑量915m3。

穿越处公路路面宽度为28m, 与管道交叉角度为108°, 穿越的省道运营桩号为68+150。交叉地点的管道埋深5.65m, 管径为3m, 管壁厚度0.22m, 输水主管线的管内工作压力为1.0MPa。

地质勘察区地貌单元属黄卫冲积平原, 地势平坦, 地面高程60.2~60.5m, 路面宽约28m, 建设场地开阔, 交通便利。场区地层结构为粘砂双层结构。地层岩性主要为第四系全新统冲洪积层 (a alpl Q42) 细砂、低液限粉土、低液限粘土和 (alpl Q41) 低液限粉土、低液限壮土。

工程水文地质条件一般, 场区地质结构为粘砂双层结构。建基面位于第 (1) 层低液限粉土、 (2) 层低液限粘土、 (3) 层低液限粉土 (alpl Q42) 中。勘察期间地下水位高程为43.80m, 位于建基面以下, 不存在建设降排水问题。地基承载力相对较低。低液限粉土、低液限粘土工程分级为Il类土。工程场区土壤对钢结构腐蚀等级为中~强腐蚀性。

3 工程建设方案

综合工程各种情况, 充分考虑到斜交角度、场区地质结构等特定因素, 制定了工程建设方案。箱涵顶进长度65m, 采用两端分别设始发坑和接受坑, 箱涵在始发坑的滑板上预制、养护, 再从由始发坑向接受坑顶进, 箱涵顶进采用“管棚箱涵顶进”建设方案。在完成箱涵预制工作等工程准备事项完成后, 正常的箱涵顶进工艺流程依次为始发坑、接受坑开挖支护→管棚施设→箱涵内土方分段开挖→箱涵分段顶进→泥浆拌制、回填灌浆→顶进、管道安装→箱涵两端砌砌封挡→场地恢复。

3.1 管棚建设

管棚箱涵顶进断面周边线80cm布设成“门型”, 工艺流程依次为测控管棚轴线→管棚施设→搭建工作平台、架设轨道、定位、钻机调试、钻机就位→冲洗液循环、回次打尺、钻水平导向孔→扩孔 (1~2次) →入洞→管节连接、顶管至设计位置→浆液制备、注浆 (管内、管周) 、废浆沉淀外运→管端砼封堵。

管棚管顶进利用钻机的冲击和推力将钢管分节推进至已扩孔的孔内, 管节间采用丝扣连接。在管棚管顶进的同时, 用水泥浆弃填管道的环状间隙, 再用细石砼封堵管两端。

3.2 箱涵顶进

箱涵顶进建设工艺流程依次为始发坑开挖、支护→砼生产及运输、滑板浇筑、箱涵预制→顶进设备安装调试→洞内挖土、箱涵顶进→收尾工作。箱涵在基坑内进行制作, 所以必须先挖好基坑并作必要的安全防护。滑板是箱涵预制的基础条件, 需承受箱涵自重和箱涵顶进时克服滑板与箱涵间摩阻力而产生的拉力, 因此必须有足够的拉力强度。防止箱涵顶进拉断滑板, 造成箱涵顶进围难。滑板采用25cm厚C25砼现浇, 滑板面层铺设φ6@250双向筋, 以增强其抗能力。为了尽量减小箱涵与滑板产生的摩阻力, 所以表面必须满足一定的平整度要求, 在滑板表面并涂上润滑剂。采用粗制黄色石腊涂刷表面。箱涵的预制按照设计要求和顶进顺序依次在始发坑内滑板上进行。

3.2.1 准备工作

箱涵顶进所需要的后背根据箱涵顶进所需最大的顶力来设计、制作。后背需承受箱涵顶进最大顶力和一定的变形量, 进行设计后背的强度和刚度。一般后背的后座力是利用土体的被动土压力抵消后背的后反力来设计后背。在必要时, 为了满足后背的足够稳定, 可以加高后面的土体高度以增加在后背的被动土压力。为控制箱涵在滑板上顶进方向, 在滑板上设置导向墩进行导向控制, 防止箱涵顶进过程中, 箱涵左右平面移动。导向墩采用槽钢制作, 预埋到设计位置。

根据箱涵顶进、顶力计算, 采用最大的顶力值, 配备千斤顶的吨位和台数, 千斤顶的平面布置应根据均匀 (下转第81页) 和便于操作维修来考虑。计算箱涵顶进阻力, 配备千斤顶和顶杆, 箱涵顶进总阻力一般按以下公式计:

单节箱涵总重*最大摩阻系数= (229m3*2.5t/m3) *1.5=960t

单节箱涵顶进需克服960t的摩擦阻力才能实现顺利顶进。为减少箱涵顶进后背总负荷, 计划在箱涵顶进时, 在每节箱涵间设中继间, 期内设200t千斤顶4台。箱涵顶进长度不能一次到位, 所以必须利用接长杆传递顶力。接长杆必须满足相应承受千斤顶的顶力, 所以必有足够的强度和相应的刚度, 本工程顶杆采用φ400mm钢管制作。还有采取相应的测控定位纠偏措施。根据工程受力分析及实际情况, 选取FDP-15B水平定向钻机、英国386定向仪作为管棚钻孔设备;选取选用多台200t液压千斤顶及其控制系统作为箱涵顶进设备。

3.2.2 顶进控制

箱涵内土方开挖采用人工开挖正面土体, 每次开挖一个顶程长。严格控制正面和两侧的挖土量和挖土顺序, 严禁地板以下土体超挖和欠挖, 防止箱涵叩头和抬头。因箱涵顶进阻力过大, 使后背设计, 千斤顶备置均有困难.将箱涵沿长度方向分成若干段, 在每段连接处, 设置中继间, 安放千斤顶形成中间接力形式, 可以减少后背推力而使箱涵分段逐段顶进。顶进顺序的确定:先顶第1节箱涵, 再顶第2节、第3节箱涵, 最后顶第4节箱涵, 如此循环顶进到一定长度安装接长杆, 将箱涵顶到设计位置。第2~4节顶进时, 先用千斤顶、卷扬机等, 将其横移到正对第1节的顶进位置, 再按第1节的方法顶进。

对于顶进过程中产生大量的泥浆, 使用泥浆沉降池, 通过泥浆输送机将泥浆输送到坑外沉降池中, 沉淀后生成湿土与清水。湿土使用卡车外运, 清水可再利用。顶进工程的套管顶进、检测、换浆完成后, 拆除箱涵顶进设备、后背铁等设备, 保留始发坑内原箱涵顶进用导轨, 以便利用其作为钢管对口焊接的平台, 始发坑及接受坑内的支撑不拆除, 下钢管时继续作保护支撑。

3.2.3 收尾工作

箱涵顶进到达设计位置和标高后, 拆除千斤顶和接长杆。箱涵顶进完成后, 进行供水干线与之相连接的前后端引槽建设, 与整个供水工程连接贯通。箱涵内管道安装后, 砌筑箱涵两端封挡, 回填始发坑和接受坑, 恢复地面高程。

4 质量控制措施

百年大计, 质量第一。工程质量直接决定着是否有效发挥工程设计效益, 至关重要。在建设过程中, 应组建工程项目现场领导管理机构, 配备合格的工程技术管理人员;建立以项目技术负责人为首的质量管理体系建立健全质量责任制度, 严格做好原材料、半成品、成品的进场试验及抽检工作, 制定确保工程质量技术措施、操作规程和质保手册。

5 结语

斜交箱涵顶进技术在铁路工程建设中应用较多, 但在水利工程中比较少, 相关文献资料也比较缺乏。本文以南水北调工程中常见的中小型斜交箱涵顶进工程为例, 探析了在粘砂结构土壤环境下的钢筋砼结构箱涵顶进工程的总体布置和工艺流程, 希望对同类工程建设提供一种新的思路和方法。

参考文献

[1]王宝国.斜交钢筋砼框构箱涵顶进法施工技术.科技资讯.2006, 8.

[2]丁文其.袁森林.杨宏伟.张贵婷.管棚-箱涵工法中管棚作用分析与设计方法研究.结构工程师, 2008, 2.

[3]杨炳勋.斜交49°箱涵顶进施工方法.铁道标准设计.2001, 8.

[4]谭立清.斜交箱涵下穿高速公路顶进施工技术研究.北方交通, 2010, 3.

网络教学平台的体系结构与总体设计 篇5

余胜泉、陈天、何克抗 ysq@elec.bnu.edu.cn

北京师范大学现代教育技术研究所（100875）

网上教学支持系统设计的基本出发点在于：我们认为网上教学不仅仅是将教学材料在网上发布，而更多的是学生与教师之间、学生与学生之间的充分沟通与交流，由于远程教学教师与学生之间在空间上的分离，这种沟通与交流就显得尤为重要，另外，传统教学过程中一些保证教学质量的关键环节，如作业、考试、图书馆、笔记记录等，都应该能够在网上得到很好的支持。所有的沟通与交流以及关键教学环节的支持，都需要一些专用的工具来支持，而现有Internet技术并没有提供这些工具，因此需要进行工具开发。此外网上交互式的程序设计，是一般非计算机专业教师所难以做到的，因此，我们开发了一套网上的教学支持平台，为教师在网上实施教学提供全面的工具支持，屏蔽了程序设计的复杂性，使得教师能够集中精力于教学，也使得网上教学从简单的教学信息发布变成一个充满交互与交流的虚拟学习社区。

一、设计的基本构想

1．一体化管理

网络教学支持系统应该与教学内容紧密集成，应该实施一体化管理，而不是相互分离的系统。目前，Internet上的一些现成工具，如电子邮件、WEB、新闻组等，都有一定的教学功能，还有一些大学也开发了一些教学支持工具，如用户注册系统、讨论组、聊天室等，但这些工具都是与教学内容相分离的，是一些相对独立的系统，对教学的紧密性要求支持不够，象某些系统，要学习几门课程，就需要登录几次，使用起来很不方便。一体化管理就是要使教学支持系统真正符合教学的要求，在一个统一的系统中可以完成教学（学习）过程中的各种活动，而不需要来回在几个系统之间切换，降低操作的复杂度及学习的难度。

2．完全开放

远程教学所涉及的行业范围大，学习者的数量多，教学内容的形态需求复杂，这就要求系统具有完全的开放性，能够容纳各种形态的网上教学内容，不能仅仅限于支持某些专用工具开发的教学内容，不能只是支持某些文件格式。本系统将采用开放的文件存储格式，支持所有能够在网上运行（包括需要插件的文件）的课程内容与文件格式，不对课程开发工具作限定要求，只要求该工具开发出的课程内容能够在网上运行即可。

3．简化交互式教学设计的复杂性

我们认为，网上教学不仅仅是将教学内容在网上发布，更为重要的是教师与学生、学生与学生、教师与教师之间的充分沟通与交互，从而打破了传统课堂的授课模式。由于师生在物理空间的分离，师生之间的交互显得更加重要，可以说，这种交互的广度与深度，是决定网上教学质量的关键性因素。网上教学包括一些基本的教学环节：教学内容的发布、作业、答疑、考试、讨论（同步／异步）、作笔记等等，而现有Internet工具并不能很好地支持这些活动，需要教师进行复杂的交互性程序设计，这对大部分教师来说，是无法完成的。教学支持平台就是要解决这些交互式工具支持问题，使得教师无需花费大量的精力去开发程序，就可以很方便获得很好的交互性支持，从而可以专注于教学内容与教学活动。教学支持平台的首要功能就是降低实施网上教学的技术难度，提供方便实用的教学工具，简化交互式教学设计的复杂性。

4．支持多种教学策略

网上教学完全打破了传统课堂授课的模式，改变了传统教学中教师与学生之间的关系，教 师从知识的传授者和教学的组织者转变为学习的帮助者和引导者，学习者已经成为学习过程的主体，加上教师与学生在地理空间上的分离，形成了一种全新的师生关系，在这种新的关系下，传统教学过程所采用的教学策略相当一部分已经不再适用，网上教学是一种新型的教学方式，在新的教学环境中，它不能完全沿袭传统的教学方式，而是要引进新的思想、新的教学方法。教学支持平台必须能够充分体现这些新思想与新方法，必须能够支持探索式学习、协作式学习、角色扮演式学习、辩论式学习等适合网络学习环境的新教学策略，应该提供实施这些教学策略的实用工具。

二、Vclass的体系结构与功能

一个完整地支持基于Web教学的支撑平台应该由四个系统组成：网上课程开发系统、网上教学支持系统、网上教务管理系统和网上教学资源管理系统四个子系统，其体系结构如下图所示。

网络教学管理系统网络教学系统注册认证学生学籍档案管理教师档案管理行政公文管理辅导答疑系统信息查询数据统计与分析作业评阅系统师生交流工具讨论组聊天室电子邮件邮件列表新闻组适应性学习系统学习管理个别辅导协作监控疑难解答成绩管理学习进度管理学生模型虚拟实验系统远程考试系统网络题库系统流媒体课件点播系统计费管理系统配置与管理网络课程开发工具专业管理网络课程开发模板库课程管理网 络 课 程学 科 教 学 资 源 库 管 理 系 统学科媒体素材库学科题库学科案例库音频、视频、动画、图形、文本学科课件库学科文档资料库CERNET、卫星电视教育网、Internet、Intranet网络支撑平台 图1 远程教学支撑系统结构示意图

远程教学支撑平台是建立在通用的Internet/Intranet基础之上的，专门为基于双向多媒体通信网络的远程教学而提供全面服务的软件系统，它包括资源管理、网络课程开发、网络教学、网络教务管理四个方面的服务，在丰富的学科资源的基础之上，学科教师根据教学要求与教学计划，并根据自己的教学特色，开发网络教学课程，借助于网络教学的一些支持工具，开展双向的远程教学，教学管理系统可以保障这种教学更加高效，也更加规范化。

2.1网络教学系统

网络教学系统是一整套提供远程教学服务的系统软件，它以网络课程为核心，在教学管理系统的支持下，合理有效地利用学科教学资源，为实施全方位的现代远程教学提供服务，它将网络课程与学校的远程教学服务进行了有机的集成。网络教学系统不仅是先进计算机科学和技术水平的体现，更重要的是要符合现代化教育的一般规律，能够为远程教育提供一个真正高效的现代化教育手段。其主要目的是：

（1）通过提供各种现代远程教育教学辅助手段，保证现代远程教育得以顺利实施；（2）并提供给各个学校或办学点一套切实可用的远程教育支撑软件工具，以支持远程教学活动的各个环节。

（3）通过各种先进的教育技术，最大限度地用计算机替代教师的劳动，并节约大量的教育投资；

（4）形成现代远程教育完整、统一的学习界面，减少因需要熟悉各种不同的学习系统而给学习者带来的不便；

（5）通过给学习者提供包括学习导航、答疑、查询、讨论、作业布置、自测等手段，提高远程教育学习者的学习效果；

（6）通过提供方便的网络课程构建工具，可以大大提高网络课程的建设效率，减少大量的重复劳动，提高网络课程的建设质量；

（7）通过提供标准化的题库与考试系统，保证远程教育的教学质量。

（8）提供多种最能体现网络特色的学习策略，打破传统单一的讲授式学习模式，每一种学习策略都提供多种教学设计模板，以便于教师进行教学设计。

网上教学支持系统的功能包括课程的网上发布，教学过程中对教师教的支持和对学生学的支持，以及对教学活动的管理。

1．在线发布网上课程

网上教学第一步要做的就是将教学内容在网上发布，一般一门课程都有很多文件，如何将这些文件内容很方便的发布到网上，并自动配置相关的教学支持工具，是个很重要的一个环节。系统应该提供多个文件一次性上载的功能，或者生成FTP帐号，供教师通过FTP上载。另外为了保护课程内容的版权，网上课程开发系统要用数据库管理所开发的课程，具体课程页面的显示根据向数据库提交的查询来确定，在这种情况下，课程访问速度、允许同时访问的人数将是网上教学支持系统性能的重要评判指标，一般要求是应允许至少200个学生同时使用同一课程。此外，能否提供高质量文本和图形、高质量的视频和音频也是基本的质量要求。

2．教学活动设计和管理

网上教学支持系统应该为教师提供一系列的实用工具，帮助教师进行教学活动设计和管理，（1）评估系统

网上教学支持系统所提供的评估系统包括测验试卷的生成工具、测试过程控制系统和测试结果分析工具。测验试卷的生成工具可以根据教师输入的一些组卷参数，自动生成所需的测验试卷，另外，还可以为每个学生产生不同的试卷，以防作弊。测试过程控制系统主要完成对网上测试过程的控制，如在需要时锁定系统，不允许学生进行与测试无关的浏览，控制测试时间，到时自动交卷等。测试结果分析工具一般是根据每道题中的知识点和学生的答题情况，对具体 学生给出诊断，对下一步学习提出建议。有些网上教学支持系统还可以根据考试测验的统计数据，运用教育评估理论分析题目的质量，如区分度、难度等。

对客观题测验还就提供自动批改和即时反馈功能，应根据学生的答案提供个性化的反馈内容。有些系统允许教员通过对一些问题加权，进一步控制测试环境。

（2）学生管理系统

网上教学支持系统应该支持教员根据教学需要，设定学生的行为权限，如可以做什么，不可以做什么，如是否可以查看成绩等。

由于网上教学非常适合于小组合作解决问题，分组学习、协同工作将是未来网上教学的重要组织形式。网上教学支持系统应该为老师给学生分组提供方便，比如老师只要设定分组条件（如按成绩），系统就自动将学生分组，同时自动产生相关的一系列设施设定，如小组的主页、小组讨论园地、邮件列表等。老师可以以小组为单位，为这组成员布置特别的教学任务。

（3）学习管理工具

对于教师来说，管理一个在线课程很花时间和精力，而网上教学又特别强调一个老师所教的学生数量，因此自动实现一些课程管理工作是十分必要的，使教师可以集中精力于学生的学习辅导。比如提供自动记分系统，在学生作完测验系统自动判分之后，自动将成绩登录，进一步系统还可以自动提供反馈信息，自动建议学生下一步的学习内容；再比如提供邮件分类系统，对发到教师课程邮箱的信件进行分类，自动区分哪些是学生递交的作业，记录学生递交的时间是否及时，再进一步提供智能系统，自动分析邮件内容，进行归类，或自动解答或提供给老师统一解答。

学生信息跟踪：在进行网上教学时，教师的角色已从讲课者变成学生学习的引导者和服务者，为此老师需要监控学生的学习情况，了解学生的学习进展，已取得的学习成就，及时地发现问题，加以引导。

通过学生信息跟踪，教师可以了解到某个学生何时进入课程，花了多长时间阅读某页内容，做了什么练习，对几题，错几题，是怎么做的，有些产品还可以向教员提供学生曾经访问过的站点的地址。总之，学生跟踪系统可以为教员提供详细的学生进展报告，利用这些数据不仅可以有针对性地因材施教，还可以改进和提高课程的质量。

学习管理：应提供个别辅导、协作监控、讨论组管理、疑难解答、试卷管理、作业管理、成绩管理、学习进度管理等。

3．学习和探索

网上教学支持平台通过为学生提供一系列辅助学习工具支持学生在网上的学习和探索。笔记本：在学习过程中，随时记录自己感兴趣的内容，通过记录学习内容，学生自己建构自己的知识体系。

书签：学生可以标记所感兴趣的内容，以后再看，有些系统是直接利用浏览器的书签功能，但是浏览器的书签功能在显示页面是多帧的情况下往往不能正确标记。

搜索工具：搜索工具也是很有用的学习工具，有的搜索工具只能搜索本课程内容，或者搜索本课程的讨论内容，但也有一些系统允许学生在他所选的所有课程内容中搜索。

学生学习记录：重视教学理论的网上教学支持系统都很在意对学生个性的尊重，对学生学习的激励，如支持学生在课程内容上加注，允许学生去查看自己的作业完成情况，了解自己和班上其他同学的差距等。有些系统为了鼓励学生多做练习，允许学生多次完成同一套作业，只在成绩单上记录最好成绩，不过学生每次作业完成情况都会记录下来，老师可以查阅，发现学生的问题，提供适当的帮助。

学生工作区：有些产品还支持学生自己建主页，用以张贴小组工作成果，或个人的项目介 4 绍，并提供对学生主页的统一管理。

4．讨论和协作

网络学习是一种地理空间分离分散式的学习，学习群体与教师的交流与协作至关重要，网上教学支持系统应该为师生提供方便实用的交流工具。

同步/异步讨论园地：网上教学支持系统大多都提供了若干种支持学生之间、师生之间交换信息和讨论的工具，如公告栏，聊天室等。许多教师发现异步多线程讨论或基于EMAIL的讨论更适合于专题研讨和课堂作业处理。有些产品提供聊天历史的记录功能。已经有一些网上教学支持系统开始提供实时视频或音频会议系统功能。另外一个很有用的讨论工具是电子白板，可以可视地表示公式及问题求解的过程，电子白板常与同步聊天系统、可视会议系统一起使用。课程电子邮箱：在网上上过课的教师都有这样的体验，邮箱很快就被学生的问题邮件填满，当同时讲授多门网上课程时，区分管理这些邮件是很烦琐的事情。所以现在一些网上教学支持系统就为师生按课程建立单独的邮箱帐户，这样可以将不同课程的信件和私人信件区分开来。协同工作：使用计算机协同工作是计算机会议系统的功能，还没有成为网上教学支持系统的标准功能，但有这样的发展趋势。协同工作的意思是，在不同地方的人可以用同一种软件对同一文件一起编辑修改，每个用户都可以看到文件被实时编辑的过程。网上协同机制使不同地方的学生可以象现在的同班同学一样合作完成某个作业，一起做项目。

2.2网络教务管理系统

远程教学的目标是培养合格的人才，完成既定的教学任务和实现国家规定的教学目标，远程教育机构要达到这些目标，教学管理居于一个至关重要的地位，它起着调配教学资源、组织教学活动、总结教学数据等重要作用。教学管理系统使得教学能够顺利实施，也可实现整个教学管理过程的现代化和管理的规范化，另外还能及时、准确地反映教学现状，分析教学效果。整个远程教学管理系统可划分为四个相对独立的模块：课程管理、教务管理、学习管理和系统管理，它为学生、教师、管理人员提供全面的服务。学生可以通过管理系统保存自己的个人档案，及时获取教学机构发布的最新信息，得到教师的帮助与辅导等；教师可通过管理系统设置课程与教学计划，查看学生的学习档案，提供有针对性的帮助；管理者可管理教师档案、学生档案、发布最新信息、对远程教学系统进行管理和维护等。网络教学管理系统的功能结构如下图所示：

网络教学管理系统课程管理教务管理系统管理专业设置管理课程设置管理课程内容发布教学计划发布选课管理注册认证学生学籍档案管理教师档案管理信息查询数据统计与分析行政公文管理教师评价管理学生学习评价管理系统配置与管理计费管理安全管理数据备份管理

图2 网络教学管理系统的功能结构

1．教务管理系统

注册认证：该系统接受用户的注册，保留学生的档案数据，包括学生每次测试的成绩，修得学分，已修课目等教学过程中动态生成的信息。注册系统还应提供授权认证功能，只有正式注册过的学生才能进入教学支持系统。

学生学籍档案管理：学生的学籍管理覆盖学生从入学申请到毕业的各个环节，如入学申请，选课、学习、考试、毕业等。学生、教师和相关的管理者能够对相应的信息进行修改和添加等操作，学籍管理以学生为单位。

教师档案管理：教师管理包括对教师的档案管理、教师的资格审查、教师的业绩考核以及对于教师任课的管理。

数据统计与分析：将各个教学环节中的数据收集起来，定期整理、统计，并在此基础上，进行一定的智能推理，并将结果通过报表、Email等形式反馈给学生、教师或相关人员，以帮助学生更好的学习、教师更好的改进教学、管理人员更加科学的决策。

信息查询：学生、教师、管理人员以及一般的浏览者均可通过Internet，在相应的权限范围内，浏览相应的信息，如学生对专业、课程情况的查询，学生对考试成绩的查询，教师对学生信息的查询等。

行政公文管理：为了更好地进行教学管理，需要进行教务信息的发布，以及相关部门间需要有大量的公文以及报表流通，因此，我们需要建立比较完善的行政公文管理系统。以实现各类信息、公文的发布、管理以及查询功能。

教师评价管理：对教师的教学情况作综合评价，它包括三个方面的评价：教师的自我评价：教师对自己的教学工作做出主观评价，以量化指标的形式体现；学生对教师的评价：通过在网上发布教师教学情况的评价表来收集学生对教师教学情况的评价信息，综合所有学生的意见后，以量化指标的形式体现；系统评价：教学系统自动记录教师通过远程教学平台来进行教学的过程信息，如布置作业、批改作业的数量，作针对性辅导的次数，上网的时间等等，这些数据最终也以量化指标的形式体现；最后的评价结果将以这些量化指标作加权评分。

学生学习评价管理：包括学生选择学习内容的深浅程度评价；学生的作业情况评价；学生的答疑情况评价；学生的讨论情况评价；学生的考试情况评价：试题难度、考试信度、考试成绩评价；学生参与的态度评价；最后通过加权评分作综合评价。

2．专业与课程管理

专业、课程的管理：包括专业的设置、管理，专业课程的设置、管理，培养计划的制定和调整。要求教师和相关管理人员均可在允许权限内进行访问、修改等操作。

课程管理：包括设立课程，指定课程相关人员（如开发人员、授课人员、助教人员和学生）的权限和口令，分配建立与课程相关的设施，如邮箱、讨论区、网址等。课程管理还可以提供灵活的数据库报表功能，为教员和管理人员提供有关课程的各种统计信息。

课程内容发布：将教师开发的课程内容，上载到相应的远程教学系统，在网上发布，实施网上教学。

教学计划发布：发布某门课程的教学计划，提供查询、修改、删除等功能。

选课管理：学生可以在已有的网络课程中，选择某些课程进行学习，选课系统自动为学生配置课程学习的资源，并记录本课程学习的过程。

3．系统管理

系统设置、维护功能：它负责系统的日常维护，参数设置、数据备份和恢复。系统的安全性和数据的完整性、一致性主要由本模块来保证。

网络计费管理：提供采集计费源数据的功能；计费功能可能分布在教学活动的各个环节，如学生在注册入学时应缴注册费，补考应缴补考费等，提供计费项目的管理功能包括：学习内容、学习时间、多媒体信息流量、传输的区间、使用的服务方式等项目；按时或实时自动更新用户费用；提供帐单的查询和统计功能（以报表形式或其它形式）；提供计费的数据分析和数据挖掘功能。

权限控制：将系统用户划分为不同的角色，不同的角色指定不同的功能、不同的权限。对 6 于不同权限的用户，只提供他所能访问的功能界面，控制无关信息的显示。

数据备份：定期对系统关键数据进行备份，并对备份档案作详细记录，一旦出现意外，系统能够根据备份数据和备份记录数据进行恢复。

系统评估：跟踪记录用户行为数据，并以此为依据进行分析和统计，发现系统隐含的问题，对系统作出定量评估；通过问卷调查的方式，收集用户的反馈及评价意见，对系统作出非定量评估；根据评估意见，不断修订完善系统。

安全管理：提供权限控制、用户认证、恶意攻击监测等功能。

网络性能管理：收集影响网络性能的数据；提供对历史数据的分析、统计和挖掘功能；提供调整网络拓扑结构和配置的功能。

网络配置管理：硬件平台满足前述的规范要求；硬件平台的可扩充性要求；动态维护网络配置数据库。

2.3网络课程开发工具

通用的多媒体写作工具都是为商务用途而设计的，相对于教育领域的特殊需求针对性不够，特别是缺乏资源的支持，更增加了用户开发多媒体网络课件的难度。网络课程开发工具就是要让非计算机专业人员（普通教师）能够方便地构建网络课程和相关内容（备课、考试等），该工具可简化教师开发网络课程和备课的过程，降低课程开发对教师计算机技能的要求，使一般教师易于学习掌握。另外，该工具能够与远程教学系统进行紧密的配合，可直接将开发的网络课程发布到实施远程教学的因特网站点上。

网络课程工具可以针对不同性质学科的特点，将该学科的教学模式抽象为多个可以直接套用的模板，并给与相应资源库的支持，有了丰富的资源和使用简单的教学设计模板，就可方便地完成多媒体课件对交互性的要求。在课件编写过程中，从总体的教学设计到具体的教学方法，从版面设置到对象属性设置，由于每一步都有模板和提示支持，经过较短时间的学习，普通教师就可以轻松地完成课件的编写工作。教师不必再为缺乏素材而发愁，也不必再学习抽象繁琐的代码设计，可以大大减小制作多媒体课件的难度。

网络课程开发工具主要完成网上课程内容的表示，支持基本教学逻辑的设计，其基本特色是：（1）支持网络多媒体开发功能，能够进行多媒体素材的导入、抓取和制作，通过直观方便的拖动连接、简单易行的课程管理和动态调整等制作手段，能够快速高效地生成网络课程；（2）提供素材库与素材库管理软件，简化教师开发网络课程时的素材制作负担；（3）提供针对具体学科的网络课程模板和向导库，并提供一些模板化的网络课程，可方便和加速网上课程的开发。

1．教学内容的表示：多媒体集成工具

随着技术的发展，网上信息的内容和种类已基本不受技术条件的制约，课程内容的开发可以根据需要，选择合适的媒体形式，如文字、图形、图像、动画、音频、视频等。一般来说，这些基本媒体素材的制作创建都可以利用相关的专用软件，如文字图形可以用字处理软件产生，图像可以用图像处理软件加工，动画可以用动画制作工具生成。

作为网络课程开发工具，对教学内容表示的支持主要是提供对各种素材的集成功能，这与传统的教学软件开发平台的功能是一样的，与传统教学软件开发平台的差别是所产生的最终结果必须能够在网上浏览，如可以转换为HTML格式的文件。

因此，网上课程开发系统每一新版本的推出，都是体现再对哪些格式数据的集成提供支持，在现有带宽条件下如何提高了流媒体播放的效果，特别是在支持教学交互性方面又有了哪些进展等。

考虑到带宽条件的限制，开发系统在产生课程页面的时候还应自动提醒开发者设置出最简易环境下界面的布局，如不显示图形时，在该图形位置应该用什么文字表示要显示的内容；如果有可能的话，网络课程开发工具所开发的课程还考虑到有视力障碍的学生。2．教学逻辑的设计：课程内容结构图

教学逻辑体现了教学内容的层次和相互间的关联。网上教学和课堂教学的差别在于，在教室里，课程内容层次性的展现是由老师通过讲述一步一步完成的；在网上教学时，老师需要将这些关联通过内容的组织立体地揭示，引导学生自己去体会，同时还要注意不要影响学生对课程主干框架的认识，不能使学生感到内容混乱。

因此，网上课程开发工具要为开发课程的教师提供课程内容的建设框架，提供方便老师针对不同学生设计不同教学路径的功能。目前这一功能的实现有两种做法：一是提供内容的层次树，另一种是提供内容的关联图。具体课程内容的切换可以通过设置按钮、热区和超媒体链接方式实现，但要注意提供界面友好的逻辑性强的导航系统。

目录树生成与修改：由经验丰富的老师编写好课件脚本后，课件制作工具可以采用自动与人工相结合的方式，生成树型结构的课程章节目录。教师可以随便对这样的目录树进行调整。此外，有些系统还提供了自动索引工具和自动建词汇表的工具。索引和词汇表是学生学习很有用的信息检索工具。

3．课程的快速生成：模板和向导

网上课程的质量，不仅取决于教学内容的质量、教学内容的表现形式，还取决于教学方法的合理运用、教学策略的具体实施，因此开发网上课程需要综合运用教育学、心理学、计算机科学和各课程学科多方面的知识，这对于网上课程的开发者来说要求太高了，因此，网上课程开发系统就必须提供“低门槛”，在保证开发课程方便快捷的同时，保证所开发的课程具有合理界面布局，有助于学生的学习、记忆和掌握。具体的做法是提供模板或开发向导。

模板主要是某种类型页面设计的框架，向导可以引导教师完成教学模型或课程框架及页面的设计。使用模板和向导，教师只要按照要求填写有关的参数，系统就可以自动生成所需要的页面。

模板简化了设计一个好的WEB课程的过程，提供了一致的外观，保证满足某个界面设计标准。模板还可以产生一些教师可能没有考虑到，但对教学有用的功能设施，实现一些对于教师来说不知如何实现的教学功能，如讨论组等。在有些情况下，模板还可以为拨号用户减少服务器下载和访问时间。

4．素材的组织与生成

网络课程开发工具应能够充分利用教学单位或教师提供的现有各类素材来构建新的网络课程或新教学功能模块。教师可以通过该工具抓取素材库中的素材来构建网络课程或网络教学模块。通过该工具构建的网络课程，能直接在网络上运行。具体功能描述如下：

素材的搜集与利用：网上有大量丰富的教学素材，资源管理系统可将资源统一、规范地存放在数据库中以方便共享。教师能通过网络课程制作工具方便地访问这些资源，还可以进行分类查询。这样可以避免重复劳动，缩短研制开发周期。

素材的制作：教师一方面可以用其他的工具如Powerpoint等生成图片，幻灯片和声音等素材，然后通过制作工具载入利用，另一方面也可以利用制作工具提供的编辑功能，方便地生成自己需要的素材，然后保存到相应的素材库中以便再利用。

这里应特别提出的是，某些课程如物理化学都有其特殊的符号表示，给教师书写教案带来很大的不便。我们可以把特殊符号作为一种素材放在素材库中，通过制作工具提供的编辑功能可以让教师方便地添加一个符号并多次利用。

教学内容添加：将素材库中的素材拖动到目录树的叶节点中，在上下两个相邻的两个素材间可以方便地插入一些衔接性的文本和语音，以便承上启下。

连续播放和预览：提供连续播放和预览等功能，让教师随时看到课件的效果。

课件输出：最后将制作好的课件内容输出，自动生成网页形式的网上课程。5．网络化学习模式：多学习策略支持

网络课程开发不应只是能够开发传授式的课程内容，还应能够设计可充分体现网络特色的，充分发挥学生认知主体作用的学习策略与学习方式，如协作式学习、发现式学习、角色扮演学习、问题解决学习、基于资源的学习等等，并支持生成这些学习策略所需要的内容。

6．制作视频课件：流媒体教学内容的生成

提供教师一个有效的制作工具，用于将教师在课堂教学的实况录制下来，进行数字化后，编码成流媒体格式，在网上以课件的形式发布。对于有讲稿的教学录像，还可以将已经数字化的视频数据和他所使用的PowerPoint或HTML的讲稿利用Javascript语言关联起来，以便客户端点播时的同步播放。教师只需要提供资源的存放地址（可以是URL）地址，和同步播放关系（例如播放的前后次序等等），利用本工具可以自动生成对应的Javascript脚本，并上传到服务器的指定目录中。同时，在指定的HTML文件中自动生成一条点播链结。

网络课程开发工具基本的开发思想是：通过与资源库系统和题库系统集成，利用资源库和题库中已有的媒体素材和各种类型的题目，教师可根据需要在教学模板库中选择合适的教学模板，在学生模板库中选择合适的学习者模板，通过写作模块编制出教学微单元，存放在教学微单元库。在编制的过程中，基本的教学内容通过教师与写作工具的交互输入。在使用这些教学单元时，教师或学习者通过浏览器从教学微元库中点播。

2.4教学资源管理系统

远程教学的基础是教学资源，为了更好地发挥网络远程教育的优势，将优秀教学资源划分成各种素材，进行系统化、科学化的分类，并以多媒体化的电子信息形式存储于各种数据库中，构建成统一的教学资源库，形成数字化的电子图书馆，为学习者提供内容丰富的优秀教学资源，使远程教育建立在丰富的教育资源基础之上，减轻任课教师建立大量教育资源的负担，减少学校之间的重复开发。

教学资源包括媒体素材库、试题素材库、案例库、网络课件库、网络课程库、文献资料库等。所有上述资源都分别建有其索引信息，以便快速地查询、浏览和存取，另外，资源的收集、编辑、修订等都是资料库能否得到充分利用的关键因素，需要一个强大的资源管理系统对它进行管理和支持。

教学资源管理系统主要功能是对各种教学资源进行采集、管理、检索和利用。它需要收集与管理五种类型的教学资源：媒体素材（包括文本、图形、音频、视频、动画）、试题素材、案例素材、课件素材、文档资料素材。教学资源库首先是按照学科来组织，其次按照素材类型来组织，每种类型的素材都需要标记不同的属性，便于归类存储和检索。

管理员教师学生系统管理资源审核资源发布资源检索系统管理用户管理计费管理学科课程资源管理试题案例媒体素材课件文献资源管理统计与分析试题素材管理案例素材管理媒体素材管理网络课件管理文献资料管理用户信息访问记录试题库案例库媒体素材库音频、视频、动画图形、文本网络课件库文献资料库 图3 资源管理系统结构示意图

1、资源服务

用户在客户端通过浏览器访问系统资源，系统应为用户提供如下功能： 资源检索：输入查询条件，查询出所需资源，使用资源。资源发布：通过网络上载资源，将资源在网上在线发布。

资源审核：对用户所上载的资源作审核处理，保留合理内容，删除不合适的资源。系统管理：对资源的使用情况作跟踪记录，对资源的访问与使用情况作统计与分析，对收费内容自动计算收费记录。用户管理也是系统管理内容，由于共用教学管理系统中的用户模块，所以在上图中以虚线表示。

2．系统管理

系统既要实现对资源的管理，还要实现对用户的管理。其功能分别如下：

用户管理功能：具备用户注册、添加用户、删除用户、设置用户权限等多项功能，但共用教学管理系统中的用户模块，也就是说，Vclass系统中的注册用户能够自动使用本资源库。计费管理：计费管理系统可实现计费系统运行管理，以及系统和用户帐单的查询与统计，包括：支持多种计费源的数据处理以及计费功能，例如基于教学内容（网络课程、素材内容、考试等）的计费、基于学习时间的计费、基于多媒体流量的计费、针对电话拨号的计费、电子邮件系统的计费、Proxy系统的计费功能等；

计费系统关系重大，必须考虑系统可运行多个计费版本，系统配置灵活，支持对计费项目、折扣策略、计费源、计费时间段，传输区间等主要计费参数的定义和更改；设计分布式的各数据源自动数据获取、分析和预处理，并采用必要的系统备份；用户费用需要逐步做到实时自动更新和控制等。

统计与分析：用户的各种帐号、资源的使用情况以及计费信息均保存在数据库中，并提供多种数据报表，方便用户自我服务，同时也方便管理员进行各种评估、分析，如使用频率最高的资源、使用资源最多的用户等等。

3．资源管理

各种资源按照其物理形态分类存储，并进行不同的属性标注。按资源类型划分，可分为媒体素材、试题、网络课件、案例、文献资料等多个管理模块。资源管理系统的主界面如下图所示：

图4 资源管理系统主界面

尽管这些模块的具体数据形态与属性不尽相同，但基本功能与实现是相似，都具有如下功能：

（1）使用资源

浏览：信息呈现的方式是决定用户能否方便地浏览信息并迅速找到自己所需要信息的关键因素。由于资源库涉及到的资源种类很多，且每一种类又包括不同的学科类型，所以用户不可能同时浏览本系统中的所有信息资源，为了解决这个问题，我们采用了信息分级呈现的方式，即用户先选择所要浏览的信息类型（如网络课件、媒体素材），然后选择信息的子类型（如视频、动画等）。对本系统来说，浏览其实也是一种查询，对不想输入任何检索词的用户，选择浏览方式就可直接查询数据库的内容。

资源下载：用户可将自己需要的信息从资源库下载到本地计算机的硬盘上。使用跟踪：系统自动记录资源的使用情况，如浏览次数、下载次数等。（2）检索资源

单键查询：对于文本素材，也就是关键词的全文检索功能；对于其它类型的素材，则以布尔逻辑查询所有类型匹配的属性字段。

检索引擎：素材检索引擎功能还包括：布尔查询、关联查询的段落定位查询、精确查询、模糊查询并支持通配符。

多媒体检索：多媒体素材应集成多媒体音频影像查询技术，例如可采用“关键帧捕获”技术，根据多媒体资料中场景的变化自动选择出关键帧，用于预览或建立索引。

导航与预览：系统要具备良好的导航结构。检索出的资源，可以进行在线预览。（4）资源录入与发布

资源批量入库：一次将多个具有相同属性的资源加入资源库中。

资源单个入库：一次将一个经过审核的临时库中的资源加入正式资源库中。远程提交：用户可远程提交素材（用户可通过互联网络远程上载素材）。（5）资源的搜集与整理：

资源自动搜集：系统可根据管理员的信息检索要求，自动在Internet网上搜集信息。资源自动整理：系统可对收集到的信息进行自动文摘、自动提取关键词、自动建立索引。（6）资源审核

审核：查看用户上载的资源，并标记不合格的资源，确认合格的资源。删除和修改资源：允许管理员删除和修改资源库中不合格的记录。

三、用户功能与主控界面

本系统针对三类用户，一是学生，二是教师，三是系统管理人员，每类人员在本系统中所能使用的功能如下图所示：

注册认证学生浏览课程内容设自置适多应重学学习习内容1设置适应机制点播流媒体课程2接受视频广播制作流媒体课程设置广播对象远程组卷联机考试联机判卷联机自测布置作业提交作业批阅作业设添统置加计组试与卷题分策析略学习进度管理个别辅导协作监控疑难解答成绩管理课堂笔记本管理个人学习情况查询提出疑问检索问题答案解答问题管理问题资源345参与同步or异步讨论管理讨论话题做虚拟实验设计虚拟实验发布课程内容开发课程内容制作课程模板制作课程素材检索课程素材加入课程素材素材库管理6789教师专业设置管理课程设置管理课程内容发布教学计划发布选课管理学生学籍档案管理教师档案管理信息查询数据统计与分析行政公文管理教师评价管理学生学习评价管理系统配置与管理计费管理安全管理数据备份管理注释1.适应性学习系统2.流媒体授课系统3.测评系统4.学习管理系统5.自动答疑系统6.师生交互工具101112注释7.虚拟实验系统8.网络课程开发工具9.教学素材管理系统10.专业与课程管理11.教务管理12.系统管理管理员

图5 用户功能结构示意

学生登录进本系统后，其主控界面如下图所示：

图6 学生主控界面

学生点击课程名称，便可以进入课程学习主界面，左侧是教学系统提供的功能菜单，右侧是课程内容学习界面。

图7 课程学习主界面

图8 教师主控界面

教师登录到本系统后，其主控界面如图8所示。

浮空器设备挂架结构总体设计 篇6

如今,随着航空材料和工艺技术的不断进步,浮空器越来越受到人们的青睐。浮空器是指轻于空气的航空器,主要是指以系留气球和飞艇为空中平台的航空产品。它可搭载不同的电子设备,在侦察预警、电子对抗、超视距通讯、打击效果评估、气象侦察、空间拦截和反恐缉私等方面都得到了广泛的应用[1]。

浮空器设备挂架(以下简称设备挂架)是浮空器的一个重要部件,尺寸较大,结构复杂,承受静载荷和冲击载荷都较大,是各种需搭载的电子设备与浮空器间的连接结构,承担着将电子设备的集中载荷传递到浮空器上的作用。它对于排除各种复杂环境对设备的干扰,保证电子设备安全、稳定、可靠的工作,提高电子设备的操作使用效率以及增加电子设备安装、维护的方便性等方面起到重要的作用。

由此可见,浮空器挂架在浮空器和搭载设备之间起着承上启下的连接作用。它的设计不仅关系到浮空器的总体性能和飞行安全,还关系到搭载设备的正常定位和安全工作。

1 设计思路及原则

设备挂架通常位于浮空器的气囊下部,主要用于安装任务系统、电源系统以及测控系统等电子设备,并将上述设备的集中载荷向气囊均匀扩散。挂架的结构设计涉及到材料、力学、维修、静平衡、稳定性、运输性及和囊体的连接性能等方面,需要进行全面考虑。

1.1 贯彻执行“三化”

设备挂架在结构总体设计过程中贯彻执行通用化、模块化(组合)、系列化设计思想,设计成若干个组合体,合理布局,有机组合,确保设备安装可靠,维修方便。

1.2 轻型化设计

航空用设备对结构的尺寸和重量要求苛刻,设备挂架质量的增加将直接导致其有效载重的减少,同时也必然对浮空器的系统性能产生重要影响。因此挂架的设计应大量采用新材料、新工艺及合理的结构形式,从结构形式、材料选择等方面贯彻轻型化设计思想[2]。

1.3 先进性和机动性设计

设备挂架在满足战技指标的同时应满足先进性、机动性要求。设备挂架在运输时,可以根据需要分解为几个运输单元,满足车载的要求(各个部分可以分开独立进行运输,能够解决运输超限的问题),到达阵地后可以进行快速组装[3]。

1.4 先进的设计手段

采用先进的计算机设计手段和分析软件, 进行设备挂架力学分析和验证。

2 设备挂架结构设计

下面将以某浮空器设备挂架为例来进行具体结构设计。

某浮空器挂架需搭载的设备组成如下:

(1)任务系统(G=220 kg):综合分机、通信分机、发射机、稳定平台、任务天线等

(2)电源系统(G=70 kg):变压器、配电箱、电涌保护器等

(3)测控系统(G=20 kg):光端机、球控分机、GPS、应答机等

为了方便设备挂架运输,提高整个系统的机动性,将挂架设计成可分离式结构,即挂架由吊篮和托架组成。其中吊篮用于安装任务系统和其他电子设备,托架用来与气囊连接,并将吊篮和其上搭载的电子设备的集中载荷均匀扩散到囊体上。

2.1 吊篮结构设计

吊篮是航空产品结构部件,主要用于承载球上的电子设备,要求具有足够的强度和刚度,同时又要求结构重量尽可能小,因此需进行结构轻型化设计,从而使挂架以最小的自重承载球上电子设备。

如今吊篮的结构型式很多,主要有钣金结构、钢型材结构和铝型材结构三种形式[4]。

钣金结构吊篮主要利用弯曲工艺,将型材、板材经过折弯成一定角度再进行焊接或用螺钉组装,构成一个完整的吊篮。此种结构灵活多样、用料品种少、生产周期短、结构强度与刚度好。但是该结构外形尺寸公差大,钣金工水平要求高,必须有一定的工装模具,工艺复杂,成本高。

钢型材结构吊篮和铝型材结构吊篮都是采用多种不同截面形状的型材通过铆接、螺栓连接等方式构成吊篮框架。在框架外面覆以腹板(可以采用冲裁、弯曲或机加工制成),借助铆钉或螺钉连接组装成吊篮。这两种结构简单,变化灵活,内部结构易于处理,并且具有足够的强度和较好的刚度,加工工艺简单,生产周期短。铝型材结构较钢型材结构具有重量轻、美观、接地电阻小的特点,非常适合制作各种机载和球载的搭载平台。

由于航空设备要求重量轻、强度好、高导热性、高导电性、易加工、耐腐蚀和良好的表面涂覆性能, 因而设备挂架应在保证具有足够的强度和刚度等性能下尽可能选用轻型材料, 比较各种材料的综合性能, 铝合金兼备以上各项要求, 是航空设备应用较广泛的金属材料[5]。因此吊篮采用铝型材结构是最佳的选择方案。

吊篮设计成框架结构形式,主承力件选用“[”型槽型材和“L” 型铝型材,采用铆接和螺栓连接成一个长方体框架式结构。框架分为上下两层,上下两层作为主要的承力机构均采用槽型材,中间通过L角型材连接成一个整体。槽型材和槽型材之间均采用加装转接头实现对接,从而提高吊篮框架整体的刚强度。吊篮框架具体结构形式见图1所示。

铝型材材料选用航空常用铝合金材料2A12—T4,这是高强度铝合金,具有较大的强度重量比(具体参数见表1所示)。

吊篮内的设备布置是整个设备挂架设计的关键部分。考虑到吊篮的稳定性,吊篮内的设备布置应遵循对称配置的格局特征,这里的对称布置不仅仅指的是尺寸或距离的对称,更重要的是重量分配的对称。否则整个吊篮将处于静不稳定状态,容易在吊篮的某些点形成应力集中,导致吊篮快速破坏。

参照上述原则,根据需安装设备的实际尺寸和安装要求对吊篮进行结构布置,确定吊篮外形尺寸。为了保证任务天线的稳定性及正常运转,将稳定平台安装在设备挂架的中心,任务天线安装在稳定平台的下方,稳定平台四周的设备分配均匀对称,保证稳定平台和任务天线处于吊篮的重心点。吊篮的结构型式和各设备在吊篮上的位置布置如图2所示。

按设备安装需要在框架结构的相应位置布置纵向和横向加强角材,形成可承载的立体骨架,从而将设备载荷均匀地传递至主要承力构件,最终通过托架向囊体均匀扩散。这种结构形式的优点是结构简单,传力直接,并可最大限度地利用吊篮内部空间安装设备。

2.2 托架结构设计

托架是用来连接囊体和吊篮的重要部件,主要将吊篮的集中载荷有效地向囊体扩散。为了将吊篮的集中载荷传递至更大面积的囊体上,使单位面积囊体所受的载荷力最小,托架设计成上大下小的结构形式,即托架与囊体的接触面积远大于下端托架与吊篮的接触面积。

根据重量要求,考虑结构零件的加工工艺性,以及在同样的载荷作用下构架式结构比腹板式结构重量轻等特点,托架采用刚性构架式结构。

托架设计成由管材与管材焊接而成的空间构架(具体形式见图3所示),其主要由横向撑管1、横向撑管2、纵向撑管1、纵向撑管2和加强管组成。

托架上部与气囊下部耳片绑扎固定,从而使挂架和设备的集中载荷向气囊均匀扩散。为避免撑管头部的尖锐结构压迫和损伤囊体,横向撑管1弯曲成型并圆滑过渡,与纵向撑管1铆接形成封闭的框架结构,从而改善托架结构刚度和囊体的受力形式。

托架的下端与吊篮连接,其由横向撑管2、纵向撑管2、加强管和横向撑管1焊接而成,从而使托架的下端吊挂端面形成网状结构,提高了托架的整体强度和刚度。

为了贯彻轻型化设计的思想,在满足强度和刚度情况下,通过分析比较将托架的管材材料选择为5A06-H112,这是一种高强度防锈铝,具有很好的焊接性能。具体参数见表2所示。

2.3 吊篮与托架对接

为了实现吊篮与托架的可靠、快速对接,在吊篮两侧沿平台航向各布置6个单叉耳接头,同时相对应地在托架的相应位置焊接双叉耳接头,通过快卸止动销将吊篮上的单叉耳接头与托架上的双叉耳接头对接,从而组装成一个完整的设备挂架(具体见图4所示)。这种对接方式方便快速,减少挂架安装的时间,提高了系统的机动性[6]。

3 力学分析

设备挂架是浮空器搭载设备的承载结构,它的刚度及强度关系到搭载设备的正常工作和整个系统的安全可靠性能。为了保证系统的安全性,需要对设备挂架进行有限元力学分析[7]。

为保证整个系统的安全可靠,依据系留气球系统安全性设计规范(Q/AA 171—2007)将结构过载系数取2,结构的安全系数为1.5。为了搭载设备的正常工作,对挂架的刚度要求:极限载荷下整体结构纵向最大位移不超过20 mm。

根据设备挂架上所安装设备的分布和重量,以及上述安全系数的要求,形成了挂架的力学分析模型,如图5所示。通过有限元分析计算可得出如下结论。

3.1 刚度校核

极限载荷作用下,结构纵向最大位移云纹图如图6所示,最大纵向位移为14 mm,满足刚度要求。

3.2 强度校核

极限载荷作用下,梁的最大合应力云纹图如图7所示,最大应力为224 MPa,满足强度要求。

3.3 管材强度校核

极限载荷作用下,管材最大合应力为33.6 MPa(见图8),满足强度需要。

通过上述分析,得出设备挂架整体强度和刚性均能满足使用要求。

4 刚强度试验

为了验证设备挂架的结构强度和刚度能否满足要求,模拟设备挂架的实际使用情况对设备挂架进行静强度试验。

首先模拟设备挂架在球体上的捆绑形式,将设备挂架捆绑于钢管上,如图9所示;然后在挂架吊篮内部相应位置对应放置配重来演示设备,完成之后将钢管固定在试验室桁吊上;最后在挂架底部挂载平台处用手拉葫芦模拟相应任务载荷的过载,施加的载荷及总体形变量如表3所示。

从表3中可以看出,试验中测得的设备挂架总体刚度形变量满足设计使用要求,同时设备挂架在试验后没有产生永久变形[8]。

设备挂架在试验后进行探伤检查,挂架没有产生任何损伤。

本试验成功演示了设备挂架的实际受力情况及过载情况,验证了该设备挂架达到了设计要求。

备注:稳定平台及任务天线总重110 kg。

5 结论

现代科技的发展,使得浮空器应用的重要性日益突出,各种任务设备的使用对搭载装置的设计和使用提出了更高的要求。正是在此背景下,本文针对某浮空器的重要部件—设备挂架,进行了详细的结构总体设计、结构强度计算和实验验证等方面的研究,并对相关的一些问题进行了详细分析和讨论。

参考文献

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[2]陈竹梅.机载电子设备结构轻型化设计与应用.电子机械工程,2000;88(6):3—5

[3]张莉.某大型车载电子设备结构总体设计.电子机械工程,2002;18(4):5—8

[4]生建友,王明月,李卫忠.电子设备机箱设计.电讯技术,2005;2:173—177

[5]付高嵩.舰载电子机柜结构轻型化设计探讨.舰船电子工程,2007;24(4):195—197

[6]洪涛.野外密闭机柜的结构设计.电子机械工程,2009;25(2):27—30

[7]覃小雄.有限元接触分析及其在飞机投放挂架中的应用.西安:西安电子科技大学,2007

总体结构分析 篇7

航空发动机的热结构、燃烧机理及相关非接触测量技术的基础研究是其研发技术的难点[1,2], 建造先进航空发动机燃烧试验平台研究上述问题是最常用的手段[3,4]。王枫等[5]采用液氧煤油高压补燃法对发动机高频燃烧不稳定性进行了研究, 杨阳等[6]为了研究发动机的燃烧室性能建立了直连式脉冲燃烧高温风洞。上述研究存在燃烧室压力振荡大、流场均匀性较差或燃烧时间不长等问题。

本文针对航空发动机发展的需要, 建造一套流场均匀性好、能长时间运行的试验平台, 其研发的难点是在高温且长时间运行条件下热结构的设计及氢氧易燃易爆的控制。介绍试验平台的工作原理, 研究结构总体方案和管道阀门选型及布局。采用热分析方法, 对燃烧室、混气段、喷管段结构进行了创新设计。同时给出了调试结果。

1 试验平台工作原理

试验平台由主体设备、气源系统、冷却系统、测控系统组成。

试验平台工作原理图如图1所示, 高温高压气流采用氢氧燃烧产生。通过调节氢氧配比, 实现试验气流中的氧气含量与大气含量一致, 尽可能接近真实大气的试验效果, 同时, 参混一定量的高压空气, 将气流总温度和总流量调节至设计值。

2 试验平台结构总体方案设计

试验平台结构部分包含主体设备、气源系统、冷却系统。最高工作压力为5.4 MPa, 最高气流温度为1 650 K。

主体设备由进气段、燃烧室、混气段、稳定段、喷管段等部段组成。采用直连式结构, 整体安装在滑轨上, 设备在温度剧烈变化情况下可以自由伸缩。高温部段为夹套水冷结构, 如图2所示。

气源系统由氢气、氧气、空气、氮气和点火器阀门管道供给系统组成。根据功能和安全要求, 各气体供给系统配置了气动球阀、减压阀、调压阀、单向阀、安全阀、排气阀和快速阀。

氢氧阀门管道供给系统安全设计的关键是保证氢气、氧气安全使用。由于氢气、氧气泄漏、流速过高、遇到铁屑、静电产生火花等均可能产生爆炸的严重后果, 因此氢氧阀门管道施工时, 应严格按照规程对阀门管道进行清洗、脱脂处理, 同时将氢氧阀门管道接地, 防止静电产生火花, 管道布局严格按照使用规范布局。同时在氢氧供气管道上设置快速截断阀、止回阀, 防止点火不成功或阀门失效带来的危险, 在氢气排气阀及安全阀出口配置阻燃器, 防止排气时发生燃烧, 排气管道引到室外安全排放。

阀门设计中的关键是氢氧调压阀。试验时氢氧管道压力高, 气源压力波动范围大, 阀后氢气流量很小, 这就对调压阀的精度要求很高。为解决这个问题, 在氢氧调压阀前安装一个减压阀, 以减小调压阀入口压力及其波动, 氢氧调压阀采用电动高压抛物面阀芯低噪声单座笼式控制阀, 由专业的调压阀厂家根据要求进行针对性设计, 其阀门调节精度高、运动速度快, 且密封可靠, 可以满足要求。

冷却系统包括冷却水池、软化水装置及管路阀门等。该试验平台需要冷却的部段有燃烧室、稳定段、混气段、圆方过渡段、喷管段。在冷却水入口处安装自来水软化装置, 管道上还需安装过滤器, 确保主体设备长期安全运行。

3 燃烧室、混气段、喷管段热结构创新设计

本试验平台单次试验运行时间长、温度高, 长时间的烧蚀对结构设计带来了严峻挑战。通过传热计算、结构创新设计, 完成了燃烧室、混气段、喷管段的设计, 如图3 所示。

试验时燃烧室、混气段、喷管段将产生1 000℃以上的高温, 壳体将承受5.4 MPa的压力, 而且长时间运行。为保证设备能在高温高压下长时间正常运行, 需采取特殊热结构设计及考虑冷却[7]。

燃烧室采用夹套水冷结构, 内壳外壁开纵向水槽, 用高压循环冷却水冷却内壳体, 水槽截面尺寸3 mm×3 mm, 内壳体最小厚度为1 mm。燃烧室使用1Cr18Ni9Ti材料, 通过传热计算, 保证内壳体壁温不高于使用材料的许用温度值, 冷却水出口温度不高于80℃, 确保设备安全运行。

混气段采用外壳、夹套、内壳结构型式, 截面为圆形, 出入口直径均为160 mm, 中间最小直径仅为24 mm, 试验时此处热流量最大, 若开纵向水槽冷却, 势必在此处产生大量的热量, 满足不了要求。为此, 特将混气段采用环形水槽, 同时采用传热性能更好的TU1和H62材料, 再在混气段后段采用流速高的冷气体冷却内部结构, 以传热计算确定内壁厚度。通过以上措施, 解决了混气段热结构问题。

喷管段也采用外壳、夹套、内壳结构型式, 喷管段截面为方型。由于传热需要, 内壳材质选用TU1, 其焊接性能较差, 且此处压力较高, 吸取以前焊接结构带来的较大变形的教训, 此次内壳采用整体加工成型, 在其外壁开环形水槽。喷管总长300 mm, 喷管喉道最小空间为4.94 mm, 精度为0.05 mm, 整体加工难度较大, 拟采用电火花加工, 辅以专用刀具, 解决加工难题。

4 试验平台调试及分析

试验平台建成后, 完成了试验平台分系统调试、联合调试及点火燃烧调试。

4.1 各系统联合调试结果

为保证试验的安全进行及试验的精准度, 在点火试验前必须先进行联合调试, 本文重点介绍阀门性能调试和各集气室、燃烧室压力调试结果。

由于氢氧的危险性, 联合调试时利用氮气代替了氢气和氧气, 测试了各阀门的性能、动作时间和稳定性。调试发现原来管路中设置的减压阀稳压性能不好、截断阀一定程度上会引起气流的波动等问题, 根据调试结果对管路阀门配置进行了优化改造。图4给出了氢气管路的压力闭环控制曲线, 其中编号为Hp03的压力测点值为调压阀阀后压力。由于氢气管路流量很小, 调压阀阀前压力在4.5~5.0 MPa之间时, 调压阀开度在20%~80%的范围内;阀前较小的压力变化就会引起较大的开度改变, 控制难度相对较大, 且重复性不太好, 但阀后压力基本能满足该状态试验的需求。氧气和空气管路的压力控制稳定性和重复性要好很多。

表1给出了冷调时主体设备不同位置的设计计算压力与试验测试压力的比较。

可见富氧空气集气室和燃烧室的压力与设计计算值符合较好。造成氢气压力波动较大的原因是由于调试条件的限制, 替代氮气气源不足, 压力下降较快, 调压阀的反应速度无法完全满足调压需求。只要试验时增加氢气气瓶数目, 提供充足的氢气气源, 氢气的控制精度应该能够满足设计要求。

4.2 点火燃烧调试结果

点火燃烧调试是对各系统最严酷的考核。开展了多次点火燃烧调试, 从调试结果看, 流场均匀性较好, 下面给出喷管出口马赫数为2.5、总压2.0MPa、总温1650K的部分调试结果。

图5给出了主体设备上氢气集气室 (Tfp03) 、富氧空气集气室 (Tfp04) 和燃烧室 (Tfp05) 的压力变化情况。氢气集气室的压力曲线有三个尖峰, 第一个尖峰为试验开始时吹扫氮气产生的, 第二个尖峰为高压氢气冲入集气室产生的, 第三个尖峰为试验结束时吹扫氮气产生的。点火器在氢气喷入集气室前2s开始工作, 氢气刚进入燃烧室即成功燃烧, 主体设备的压力立即跳跃至燃烧水平。

表2给出了点火调试时不同位置的设计计算压力与试验测试压力的比较。

在该次试验中, 主体设备的设计计算压力与实测压力偏差比冷调时大, 约为5%, 可见喷射盘的设计计算方法可靠。

4.3 喷管出口压力、温度调试结果

选取喷管出口马赫数为2.5状态进行喷管出口压力、温度调试。

图6给出了喷管出口压力分布。采用5点总压排架测试, 排架水平摆放, 从左至右依次为测点1、2、3、4和测点5。由图可知, 出口压力的波幅为3%左右;与燃烧室压力相比, 出口总压损失约为0.1 MPa。水平方向上的压力靠近壁面区域较高、中心区域较低, 不均匀性约为3%。

图7给出了喷管出口的两点测温曲线。喷管出口平均温度约为1 000 K, 比燃烧室的温度降低了约240 K, 这是主体设备冷却水带走了大量的热量所致。按照主体设备内壁和冷却水之间传热核算出来的燃烧气体温降约为180 K, 与测试值比较接近。两个测温点将出口截面长度等分为3段, 两点温度曲线重合, 可见出口温度场均匀性较好。

5 结论

1) 试验平台是一个由多个分系统组成的复杂系统, 且使用氢氧燃烧, 危险性很高。调试结果表明, 试验平台经受了高温、高压、氢氧燃烧恶劣工况的考验。

2) 主体设备热结构及冷却方案、调压性能、氢氧管道供给系统安全设计合理, 达到了预期设计目的。

3) 目前设备已经进入了正常运行阶段, 流场均匀, 运行稳定可靠, 使用方便, 第一期试验已经圆满完成。

参考文献

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[6]杨阳, 刘伟雄, 乐嘉陵, 等.直连式脉冲燃烧高温风洞的设计[J].西南交通大学学报, 2008, 43 (3) :387-391.

立磨机总体结构设计与液压系统研究 篇8

立磨机是一种高效节能的粉磨设备, 与Isa磨机、SMD磨机是目前世界范围内应用较为广泛的三种细磨、超细磨加工工艺设备[1]。立磨机最早出现于日本, 研制者为河端重胜, 并与1953年成功生产处第一台塔磨机[2]。而我国在立磨机的研制方面起步较晚, 在80年代有多家单位开展了相关的研究工作, 并经过多年的改进, 已成功地应用于工业生产, 取得了突破性的成果。

立磨机具有细磨效率高、节能幅度大、噪音低等诸多显著优点, 因此被广泛应用于冶金、化工、建材、轻工、材料等行业[3]。鉴于立磨机的广泛应用, 本文对立磨机的总体结构进行了设计, 并分析其工作原理, 进而讨论液压工作过程, 这对提高加工效率, 降低生产成本具有重要意义。

2 立磨机工作原理分析

2.1 工作过程分析

立磨机研磨工作过程原理图如图1所示。物料通过原料入口经过锁风阀、导料槽进入磨盘中间;在减速器主轴的带动下, 磨盘开始转动, 辊轮在摩擦力作用下也开始转动。物料在离心力状态下向磨盘边缘移动, 并被送入辊轮与磨盘间进行粉磨, 而磨辊由液压系统进行增压、减压以满足粉磨要求, 并根据物料硬度进行调整。

物料颗粒受到挤压之后, 将在磨盘的运动轨道上会形成料床, 而颗粒之间的相互挤压和磨擦又引起棱角和边缘的再次剥落, 这就起到进一步粉碎物料的作用。物料在研磨过程中逐渐向盘边运动, 直至被推向边缘, 此时, 热气流从喷口环自下而上高速带动溢出的粉磨物料上升, 较大的颗粒重新返回到磨盘进行再次粉磨, 而符合要求的较小颗粒则在热气流的带动作用下进入选粉器内。选粉器内有多排叶片, 并在电动机带动下旋转, 从而合格的成品被收集起来, 并从粉磨出口排出。特别难研磨的料块及其它杂质可通过刮板和出渣口排出磨盘之外, 并经过分选后由提升装置重新送入物料入口, 进行下一轮的物料。在整个研磨过程中, 物料与热气流的相互接触时可被烘干, 达到所要求的产品水分。

2.2 物料受力原理分析

基于上述分析, 立磨机在工作过程中, 物料的研磨粉碎是比较关键的。如果磨盘的转速太低, 则立磨机的工作效率较低, 但如果转速太高, 则物料会因过大的离心力而不经过磨辊研磨便直接甩出磨盘, 从而降低立磨机的产量, 同时电耗升高, 增加生产成本。因此, 应控制适当的转盘转速, 使处于磨盘边缘位置的物料能在离心力的作用下滑入研磨槽内, 进而使物料获得合理的接触面积而发生粉碎。

3 液压系统原理分析

立磨机的辊轮是在摇臂的控制下保持与辊盘的工作间隙的, 而摇臂则是在液压缸的驱动下完成相应的动作。整个液压系统是以液压油作为驱动力工作, 立磨机辊压力的大小与液压缸的规格以及液压油压力等因素有关, 并可通过液压控制实现物料粉碎过程。立磨机液压系统原理图如图2所示, 其主要由液压站, 电磁阀、单向阀、溢流阀等控制阀以及液压缸, 蓄能器等部分组成。

根据立磨机实际工作过程, 可将液压系统工作原理分为辊轮加压过程、辊轮保压过程以及辊轮卸压过程。 (1) 辊轮加压过程。立磨机主电源接通后, 在主程序的控制下, 液压油泵电动机3启动, 同时, 三位四通电磁换向阀7左位回路接通。液压油经油箱1、滤油器2、普通单向阀5、电磁换向阀7以及提动式单向阀8进入液压系统。进入系统的液压油最终分别打入到液压缸9, 10中去, 此时液压缸活塞在液压油的推动下前进, 并通过摇臂对辊轮进行加压, 当达到系统设定的压力时, 先导性溢流阀6开始溢流, 加压过程结束。另外, 液压缸前进过程中, 蓄能器11逐渐进行蓄能, 而液压缸另一腔的液压油则经三位四通电磁换向阀7流回油箱。

(2) 辊轮保压过程。当液压系统压力达到溢流阀的设定压力后, 三位四通电磁换向阀7断电, 即中位回路接通, 在单向阀5的作用下, 液压油不能回流。同时, 液压缸的回流通路也被截止, 系统进入保压过程, 即开始进行物料粉碎研磨作业。在粉磨过程中会收到物料对辊轮间歇性的外力作用, 并产生振动和冲击, 此时蓄能器11可相应的增压或减压, 起到缓冲作用, 提高整个系统的工作稳定性。除此之外, 液压缸回路的液压油可通过提升式单向阀8进行压力补偿, 补偿液压缸另一腔在工作过程中的压力损失, 保持液压缸两腔压力的平衡。

(3) 辊轮卸压过程。粉磨结束后, 三位四通电磁换向阀7的右位接通, 液压油进入液压缸的后退腔, 并推动液压缸后退, 前进腔的液压油由提升式单向阀8回流至油箱, 此时单向阀8的卸压回路被打开。当系统压力恢复正常后, 卸压完毕, 完成整个辊轮卸压过程。

4 结论

本文主要对立磨机的总体结构进行了设计, 并阐述了各组成部分的作用。基于所设计的总体结构和工作过程示意图, 研究了立磨机的整体工作流程及粉磨加工原理。

参考文献

[1]郑描, 刘威.VTM立磨机在银山选矿厂的应用[J].有色设备, 2013 (2) :38-42.

[2]伍宏斌.立磨机的研究与应用[J].湖南有色金属, 1998, 3 (2) :11-13.

上下料机械手的总体结构设计及建模 篇9

机械手是工业自动化发展和科技进步的必然产物, 为制造业提供重要的技术装备, 尤其在流水作业的自动化生产线和相对恶劣的环境中, 机械手具有人类所不具有的超精准的定位性能、较高的加工精度、高生产率等优势。

本课题研究的自动化生产线上下料机械手, 具有运动平稳性和连续性, 满足生产线产品质量和生产率的要求, 具体技术参数:手臂升降的最大运动范围500 mm;手臂回转运动的最大范围180°;沿手臂臂长方向的伸缩运动最大范围500 mm;手腕旋转运动的最大角度为180°;手指的开合运动等4个自由度。

1 机械手的整体结构

机械手主要由机体、手臂、腕部、手部等主要部分构成。

机体采用圆形结构, 满足强度和平衡性要求, 通过在其联接支撑板, 承载整个机械手的运动和受力, 是主要受力部件。为满足其强度要求, 在设计中通过有限元分析的手段, 对其进行受力分析, 进行结构优化设计。

手臂的伸缩运动由液压驱动, 通过内壁、外壁的相互配合运动在满足伸缩长度技术要求的前提下, 力求结构尺寸的最小化原则。

手臂的升降运动则通过丝杠、螺母间啮合的相互运动, 将转动变为移动。在结构设计中为保证整机的效率, 在合理设计螺纹结构参数的基础上, 增加双导向平衡装置, 力求运动过程的稳定性, 避免在运动中由于偏置力矩的存在, 导致运动不连续或卡死现象。

腕部采用凸缘式结构, 在执行回转动作时, 凸缘结构外伸, 液压驱动在0°~180°范围内回转。

手部是动作的执行部分, 通过手指的开合运动完成工件的夹持功能。将两个手指在手腕处, 利用铰链式销轴连接, 形成转动副, 通过小臂的伸缩运动带动手指绕其回转销轴, 实现开合运动。本设计手指采用V型块结构, 也可以采用引导式楔角结构、圆弧外抱式结构、直行防滑垫式结构, 可以根据工件的形状和夹持力的大小进行更换, 降低使用成本, 增加其通用性。整体结构如图1所示, 各部分具体结构如图2所示。

该机械手的机身设计成可移动圆形底座式, 这样机械手可以是独立的、自成系统的完整装置, 便于随意安放和搬动, 也可与其它行走装置装配使用, 形成便携式机械手。

考虑稳定性和原动件的驱动电机的安装, 采用在圆形底座上, 通过铰制孔螺纹连接, 半凸缘式空心座套, 其上装配圆形套盖, 在套板上安装支撑板, 形成稳定的机身结构。

2 丝杆的尺寸设计及校核

丝杆是机械手完成升降运动的原动件, 依据刚度条件, 确定丝杆的主要尺寸和参数, 进行稳定性和自锁条件的校验。本课题采用单头梯形螺纹式丝杆, 考虑承载能力和经济性, 采用45钢, 螺母采用整体式铸造青铜, 技术参数如下:d2=37 mm;d1=33 mm;螺距p=6 mm;螺纹的工作高度h=0.5p, h=3 mm;螺纹牙底宽度b=0.65p, b=3.9 mm;丝杠许用强度[σ]=σs/ (3~5) =40 MPa;螺纹牙许用剪切[τ]=35 MPa;螺纹许用弯曲强度[σb]=50 MPa;旋合圈数Z=H/p=15, 剪切强度τ=F/ (πd1b Z) =200×9.8÷ (π×0.033×3.9×15) ×10-3=0.323 MPa<[τ]=35 MPa;弯曲强度σb=3Fh/ (πd1b2Z) =3×200×9.8×3×1 000÷ (π×0.033×3.92×15) =7.46 MPa<[σ]=40 MPa。经校核丝杆强度合格。

3 手部实体建模

采用底层设计的方法, 根据设计零件配合要求, 将生成的零件插入装配体, 生成三维实体模型。

3.1 抓取机构手爪的建模

进入系统的装配模块, 从中选择上手爪零件, 并将其放置于装配界面中, 选择插入零部件按钮, 将V型块调出, 选取两个配合平面, 以同心的两个圆作为配合基准, 完成手指和手掌的装配, 如图3所示。

3.2 手部与腕部机构的装配

在装配模块的对话框中将“腕部连接装配体”、“手部装配体”以及零件“手部驱动油缸”放置在装配界面中, 如图4所示。

在配合管理器中, 选择腕部装配体和手部驱动油缸, 腕部驱动油缸和腕部装配体, 分别确定两个需要配合的基准装配轴曲面, 完成手部与腕部驱动构件的装配, 如图5所示。

3.3 手部实体运动仿真

进入动画制作界面, Motion Management管理器中选择动画向导管理器, 利用旋转运动基准轴、转动方向和旋转循环次数。在时间轴左侧的关系树中选择配合的距离, 完成手部动作的模拟。运动非常直观, 易于修改, 可以及时地发现干涉, 大大减少损失和制造成本, 如图6所示。

4 结语

应用三维实体建模对本课题所设计的上下料机械手整机结构进行实体装配及运动仿真, 检验运动干涉, 在满足运动功能的前提下, 对主要工作部件进行强度校核, 在圆形可移动式底座上装配组合型立板结构可以满足设计技术参数要求。

参考文献

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总体结构分析 篇10

1 个性化电子商务网站系统的实现过程

个性化电子商务网站的实现过程包括客户数据采集、数据分析和个性化服务三个主要步骤:

1)客户数据采集。收集客户数据是提供个性化服务的基础。收集客户数据主要有两种方式。第一种方式是通过客户注册来获得,这种方式可以得到客户基本的信息,如出生日期、性别、学历、收入、职业等;第二种方式是通过客户在网站上的行为来分析判断客户的兴趣爱好等特点,从而获得客户数据。如客户经常浏览网站上某类产品或相关广告,我们就知道客户对这类产品感兴趣。

2)数据分析与挖掘。一个受客户欢迎的个性化电子商务网站应该能够在对客户数据透明的情况下,对客户的数据、行为进行分析与挖掘,并尽量不影响客户的页面处理时间,对于耗时较多的分析与挖掘、分类处理应放在网站相对空闲或客户退出网站的时候来处理,提高客户的满意度。

3)个性化服务。根据客户的类型推荐相应的页面给客户,达到个性化服务的目的。为开展个性化的服务,在构建电子商务网站时还应以自身情况为基础,切勿盲目地模仿别人,否则将浪费大量人力、物力和时间,最终无功而返。所以,网站一定要做好前期定位、策划工作,充分考虑其自身的条件和发展规划,量体定制出适用电子商务网站的个性化服务。

2 个性化电子商务网站系统的总体架构

借鉴国内外比较成功的个性化电子商务网站的设计,并参考淘宝网整个网络交易的体系,一个完整的个性化电子商务网站至少要包括三个层次:交易界面、智能推荐系统、商品资源。个性化电子商务平台模型主要由数据收集与预处理模块、个性化分析处理模块、智能重组模块三个部分组成,如图1所示。

3 个性化电子商务网站系统功能模块

3.1 客户信息收集(数据收集和预处理)模块

本模块是个性化电子商务网站的基础,负责对客户信息进行收集,收集到的所有原始数据都被存储在原始数据库中,为个性化分析处理模块提供数据,为分析客户个性特征做准备。收集的基本信息包括:静态信息和动态信息。

静态信息主要是指客户必要的个人信息,如姓名、性别、年龄、教育程度、消费水平等,可以通过客户者第一次登录时填写调查问卷获得。这类信息不会随着客户者的交易过程而改变。

动态信息包括商品分类情况的信息、商品推荐情况的信息(如推荐的理由、次数等)、商品特征情况的信息(如各商品的价格、功能情况)、商品关联情况的信息等,可以通过网络通信技术对客户的消费活动进行实时追踪,记录上述所有与交易相关的信息。

收集到的信息送到个性化分析进行进一步处理。对于客户来说,一旦登陆电子商务网站进行购物,在购物过程中的大部分行为都将被数据收集模块所收集,用来进行客户的个性分析。

数据预处理模块包括数据清理、数据集成和变换、数据归约。数据清理可以去掉数据中的噪声,纠正不一致;数据集成将数据由多个源合并成一致的数据存储;数据归约可以通过聚集、删除冗余特性或聚类等方法来压缩数据,从而建立适应数据挖掘的目标数据集———客户个性化消费记录数据仓库,这样可以提高数据挖掘的质量,降低实际数据挖掘所需要的时间。

3.2 个性化分析处理模块

个性化分析处理模块,利用各种不同的数据挖掘算法基于客户个人消费记录数据仓库进行挖掘,从而形成客户个性化数据仓库(数据挖掘库)。

个性化分析处理模块的主要任务是选择合适的数据挖掘算法(如关联规则、分类与聚类等),从客户个人信息数据库中发现一些知识(即个性化消费生成的规则)。例如,如果一个客户在推荐系统中对于某个商品的相关特征点击次数较多,那么个性化分析处理模块就将及时发现并记录到客户个性化信息库中,在该客户再次进入推荐系统中时,个性化分析处理模块将通知智能重组模块组织该商品的相关特征内容提供给该客户进行消费。

3.3 智能重组模块

智能重组模块主要将某个客户的特征与指定的规则进行匹配,得出适合该客户的消费清单,并从商品资源库中选择相应的商品对象,生成个性化页面,并呈现给客户。

根据经过个性化分析处理后形成的客户个性化数据仓库中所记录的数据,对各商品资源进行调度。对不同消费水平的客户提供价格不同(商品质量相同)的商品信息,对客户后续商品的消费进行预测以及合理推荐。同时,通过跟踪客户的交易过程,把客户在交易过程中的个性活动信息反馈给个性化分析处理模块,由个性化分析处理模块进行加工,更新客户个性化数据仓库。智能重组模块接收来自个性化分析处理(数据挖掘)的规则,根据客户的喜好及消费水平在商品资源库中进行取舍、组织,动态调整推荐商品,推荐适合其消费能力的相关商品,生成动态的商品推荐网页,对其消费过程中的的忽视特征进行有针对性的解释,使推荐的商品能适合客户。

3.4 模块间信息流程

如图2,当客户登录到系统,通过身份确认后,用户信息收集模块开始收集客户请求,跟踪客户的行为,收集客户交易过程中的消费形式及时间、内容和评价的过程和结果等一些主要信息。收集到的信息送到客户原始信息库进行信息的预处理和归一化形成客户个性化特征数据库。然后个性化分析处理模块根据最新采集的原始数据结合客户个性数据库进行个性分析、产生结果,更新客户个性数据库,并把结果送往智能重组模块,智能重组模块根据个性化信息和客户请求对商品资源库发出调度命令,把最适合客户的商品页面推荐给客户。

4 结束语

传统的电子商务网站,大多以网站自身为中心,没有充分考虑客户的个体差异,要求客户适应网站而不是网站去适应客户,没有充分根据客户的消费特点来进行商务活动,网站的效果也并不是很理想。随着客户越来越重视网站个性化的服务,个性化电子商务网站将成为以后的发展方向。

摘要：随着全球网络技术的普及与推广,网络已成为新的商务平台,电子商务网站就成为了网络商务平台的载体。通过对网站系统的个性化设计,可以为今后更多的电子商务网站提供个性化服务起到借鉴作用。

关键词：个性化电子商务网站,数据挖掘,客户信息,模块

参考文献

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