减量化加工制造技术

减量化加工制造技术（精选九篇）

减量化加工制造技术 篇1

1 超高强度钢的冷冲压工艺

使用超高强度钢不但减重, 而且提高碰撞安全性能, 降低车身制造成本, 提高车身疲劳强度, 其最大问题就是回弹, 和普通高钢相比, 超高强度钢在冲压过程中不仅会造成较大弯曲回弹和扭曲变形, 而且还会产生严重侧壁卷曲 (sidewall curl) , 这将严重影响冲压件的形状尺寸精度与整车装配。超高强度钢的回弹问题对冲压工艺提出了新的挑战, 成为汽车制造行业和学术界正在研究的一大热门课题。

为了控制回弹, 需要控制以下几个方面

1) 产品设计中的回弹控制, 通过在设计时加入三角筋、梯形筋等各种防回弹结构, 以保证零件的回弹量。

2) 模具型面的回弹补偿, 模具回弹补偿过程是基于零件设计要求形状的虚拟修模, 通过模拟和回弹计算分析, 得了板料成形回弹后形状, 进行模具回弹自动补偿, 得到模具修正后模具形状, 补偿后的模具再进行成形模拟和回弹计算分析, 将得到零件回弹计算后形状与设计要求形状进行比对, 直到得到符合设计误差要求的模具回弹补偿结果。

3) 变压边力法, 通过在不同变形特点的成形阶段设置不同压边力, 避免了在薄板成形过程中传统恒定压边力控制往往难以同时避免回弹缺陷。常压边力和变压边力对冲压件回弹的影响如下图:

2 超高强度钢 (硬化硼钢) 的热冲压工艺

热冲压是将钢板 (初始强度为500~600MPa) 加热至奥氏体状态, 在进行冲压并同时以20~300℃/s的冷却速度进行淬火处理, (保压一段时间以保证淬透) 以获得均匀马氏体组织的高强钢构件的成形方式, 热冲压分为两种:直接与间接热冲压。直接热冲压:半成品需要先加热, 再冲压, 随后在闭式模具内成型;间接热冲压则是多一个接近完整的预成型冷模。使用热冲压超高强度钢零件回弹极小, 成形精度好, 具有高延展率和高强度, 很好减轻重量, 还加强了车身防撞性能。现在许多车型的防撞梁及前柱等与车身防撞有关的零件均使用此方法成型。

3 激光拼焊板冲压成形工艺

激光拼焊板是将几块不同厚度或不同材质的钢材用激光对焊, 焊接成一块整板, 进行整体冲压成形以满足零部件对材料的不同要求。许多车型的车门内板、车底板和前后梁等都采用了激光拼焊板, 使用拼焊板能使汽车车身零部件的数量约减少25%, 车身重量减少约20%, 提高原材料利用率, 在碰撞有要求的部位, 通过使用高强钢板, 而要求低的地方, 使用低强钢或较薄的板, 从而大大提高了汽车车身抗碰撞的能力, 同时促进零部件的装配及制造公差标准化的改善, 降低整车的制造及装配成本, 减少汽车厂的成本和设备投入, 在回收阶段, 还可以获得更大的收益, 利于保护环境。同时拼焊板冲压成型也有其局限性:焊缝热影响区成型性能下降, 板料定位等。

4 液压成形工艺

液压成形是利用液体作为传力模具使板料成形的一种塑性加工技术。可加工复杂形状的零件, 降低加工成本, 提高零部件结构性能, 可减重15%-20%。一些车身复杂件如仪表板加强梁等结构件均使用此方法加工。

减量化加工制造技术 篇2

轻量化是制造业提高科技水平和竞争力的核心技术之一，高性能纤维增强复合材料是轻量化的有效途径。世界各国政府、企业和研究单位高度重视，“中国制造2025”规划也迫切需要轻量化技术。高性能纤维增强复合材料可以部分代替金属材料，而且近年来发展迅猛，正在推广应用到飞机、汽车、高铁、电力能源、机器人、建筑、化工与海洋工程等制造业各个领域，将显著提高制造业科技水平和竞争力。然而，汽车、高铁等行业缺少复合材料轻量化的技术、设计准则、评价方法、材料数据库等，制约了轨道交通轻量化技术的提升。

为了推动我国轻量化制造水平的提升，由中国化纤工业协会牵头拟成立高性能纤维与复合材料轻量化产业链公共服务平台，该平台旨在把高性能纤维与复合材料轻量化产业链上下游的企业、科研院所联合起来，共同进行跨学科、跨产业、产业链上下游协同创新。

会议还对公共平台建设、知识产权保护、资金投入、各自分工、利益共享、内容建设等进行了研讨。

（郝杰 文/摄）

重型桥壳轻量化制造工艺 篇3

随着全球能源危机的日益严峻,世界范围内的节能减排已经成为必须解决的重大课题。汽车作为能源消耗和二氧化碳排放的大户,制定切实可行的节能减排计划成为全球汽车企业必须面对的问题,而轻量化和新能源,成为汽车行业节能减排的两大方向。对于汽车产业,大家公认的最简单有效的手段之一就是汽车的轻量化,既减少了材料和能源消耗,又降低了污染物排放。研究显示,若汽车整车重量降低10%,燃油效率可提高6%-8%;汽车整车质量每减少100公斤,百公里油耗可降低0.3-0.6升,二氧化碳排放可减少约5克/公里,汽车重量降低1%,油耗可降低0.7%。

随着“国三”的强制推行和国家对超载超限的治理,目前重型汽车轻量化制造已经迫在眉睫的提上了议事日程。据统计资料[7],一般非断开式驱动桥的总重量,约占一般载货汽车底盘干重量的11%-16%(带轮边减速的驱动桥为16%),对于重型汽车,所占比例更大。而普通的非断开式驱动桥的质量在很大程度上取决于桥壳的结构,因此,减少驱动桥桥壳的质量是车辆轻量化的一条重要途径(以STR后桥为例,冲焊桥壳占整桥总量的20.5%,铸造桥壳占整桥重量的28.7%)。

1. 桥壳强度结构分析

驱动桥桥壳是汽车上重要的承载件和传力件,作为目前广泛应用在重型汽车上的非断开式驱动桥的桥壳不仅支承汽车重量,将载荷传递给车轮,而且还承受由驱动车轮传递过来的牵引力、制动力、侧向力、垂向力的反力以及反力矩,并经悬架传给车架、车身。在汽车行驶过程中,由于道路条件的千变万化,桥壳受到车轮与地面间产生的冲击载荷的影响,可能引起桥壳变形或折断。因此,驱动桥壳应具有足够的强度、刚度和良好的动态特性。

根据对桥壳建立有限元模型[7](如图1所示),利用有限元模型进行的强度结构分析的结论的可知,桥壳的危险点位于E、F、G、H(如图2所示)。

对应于STR桥壳上这些危险点就是方管与桥包爬坡处(E)、方圆过渡处(F)、轴头焊缝处(G)、和轴头R圆弧处(H)。从实际的桥壳断裂失效模式上看也是存在于上述位置。所以在进行桥壳制造工艺设计时必须首先考虑满足上述位置的强度要求。

2. 重型桥壳制造工艺简介

2.1 桥壳中段工艺简介

目前,桥壳中段的制造工艺主要有:

(1)铸造桥壳中段。这是汽车最早采用的结构型式,这种桥壳优点是可根据各截面灵活的确定为不等壁厚,具有刚性好、强度高、变形小、易铸成等强度梁。缺点是韧性及弹性差、重量大、铸造缺陷不易控制、成本较高,不适合整车进行轻量化及降成本设计。铸造桥壳从材料上又分为高强度球墨铸铁和高牌号铸钢桥壳。

(2)热冲焊桥壳中段。这是目前桥壳中段最主要的一种结构型式。具有工艺简单、材料利用率较高、质量小、韧性高、弹性好、成本低的优点。但由于板料感应加热过程中,材料失去了原有的状态致使强度有所降低,我公司生产的STR热冲焊桥壳中段利用桥壳淬火专利技术,很好的强化了桥壳钢板强度。

(3)钢管拉延(缩颈)胀形桥壳中段。这种桥壳目前有两种成型方式,一种是选用含碳量0.35%左右,具有较高强度的钢管,工艺上使中央部分扩张,两端滚压缩径,再加焊加强圈和三角板。这种制造工艺生产效率很高,而且桥壳的刚度和强度都比较好,材料利用率高,桥壳重量轻,焊接工作量少。但开发这种桥壳,需要扩张成型的专用设备及工装。

(4)冷冲焊桥壳中段。这是目前桥壳中段中最新的一种成型方式。采用新开发的专用桥壳材料,抗拉强度≥510MPa,而塑性和成形性非常好,从而板厚突破传统的10mm,可冷压14 mm以上后的半壳。这种桥壳中段具有热冲焊和拉延(缩颈)胀形这两种桥壳中段的共同优点,同时又克服了热冲焊桥壳对材料强度的影响和拉延胀形桥壳需要扩张成型的专用设备及工装的缺点。起强度和疲劳强度高,成本低,这种技术目前正处在推广应用阶段。

2.2 桥壳制造工艺简介

根据桥壳中段的不同和轴头焊接方式不同桥壳工艺可分为:

铸铁中段热压轴头工艺、铸钢中段热压轴头工艺、铸钢中段摩擦焊轴头工艺、冲焊桥壳中段CO2保护焊轴头工艺、冲焊桥壳中段电子束焊轴头工艺、冲焊桥壳中段摩擦焊轴头工艺、拉延胀形中段CO2保护焊轴头工艺、拉延胀形中段电子束焊轴头工艺、拉延胀形中段摩擦焊轴头工艺、冷冲焊桥壳中段摩擦焊轴头工艺。铸造中段类桥壳目前在轻量化方面一方面利用铸造桥壳的母材密度的不同来减重,例如采用球铁中段代替铸钢中段整体可减重10-20Kg,另一方面铸钢桥壳改热压轴头为焊接轴头来实现减重,例如我公司采用摩擦焊轴头的工艺实现减重15-25Kg。本文则重点讨论冲焊类桥壳和拉延胀形类桥壳的轻量化制造工艺。

3. 重型桥壳制造工艺对比

3.1 桥壳中段制造工艺对比

热冲焊桥壳中段工艺:半壳下料→板料加热→热压半壳→半壳抛丸→校正半壳落差→铣焊接面→点焊半壳→埋弧焊焊接中缝→气割琵琶孔→气割两端→碳弧气刨刨两端焊缝→补焊焊缝→焊加强焊缝→中段校正→中段机加工(如图3所示)。

拉延胀形桥壳中段工艺1:矩形管下料(切割机)→切割中段拉伸槽口→拉伸桥壳中间段成型→两端加热镦圆(冷镦)→焊接三角板→热处理调质(HRC20-25)→桥壳中段抛丸→中段校正→气割琵琶孔和两端→中段机加工(如图4所示)。

缩颈胀形桥壳中段工艺2:圆形管下料(切割机)→第一次缩颈→第二次缩颈→第三次缩颈→切割中段胀形槽口→第一次胀形→第二次胀形→热处理调质→桥壳中段抛丸→中段校正→割中琵琶孔和两端→中段机加工(如图5所示)。

3.1.2、桥壳中段制造工艺对比分析

从工艺对比分析上看拉延胀形桥壳中段工艺和缩颈胀形桥壳中段工艺没有本质的区别,是同一种工艺的两种不同方式,本文称做拉延(缩颈)胀形桥壳中段工艺。

3.1.2.1热冲焊中段与拉延(缩颈)胀形中段对比分析[1,2,8]

热冲焊中段目前普遍采用的是Q345B钢板,材料的利用率60%~62%。冲焊中段板料加热温度890~910℃,相当于一次正火。基体组织为P+F。拉延(缩颈)胀形桥壳中段目前多采用SMn735成型管材,材料利用率90%~93%。拉延(缩颈)胀形中段成形后热处理调质,HRC20-25。基体组织为回火S+F。从材料利用率上讲拉延(缩颈)胀形中段优于热冲焊中段。

从工艺的复杂程度上讲热冲焊中段工艺一方面比拉延(缩颈)胀形中段工艺多了铣焊接面、碳弧气刨刨两端焊缝、补焊焊缝、焊加强焊缝等四道工序;另一方面热冲焊中段中的半壳下料、铣焊接面较拉延(缩颈)胀形中段的下料、开槽口复杂。整体上热冲焊中段工艺拉延(缩颈)胀形中段工艺复杂,工艺成本高。

从中段上焊缝焊接量以及复杂程度上比较:热冲焊中段除去4段加强焊缝和8段补焊焊缝不算,仅4段中缝焊接长度也远大于拉延(缩颈)胀形中段4段三角板焊接长度;焊缝的复杂程度以及质量要求也高于三角版焊缝。

从中段成型的精度(外形尺寸以及扭曲变形)检测数据统计分析来看,同类桥壳同部位,尺寸误差及扭曲变形量如表1:

从表1可以看出,在成型的精度方面热冲焊中段明显的优于拉延(缩颈)胀形中段(在实际使用中会出现桥壳附件(垫压板、连接板)焊接时配合和贴附的问题从而影响到桥壳附件的焊接质量和焊缝强度)。

从热压前后钢板的力学性能对比数据[8](如表2所示)

说明在半壳加热成形过程中强度是有所下降,而由于拉延(缩颈)胀形中段调质处理的关系,其屈服强度与热冲焊中段的屈服强度σs之比为1.4,拉延(缩颈)胀形中段的力学性能优于热冲焊中段。3.1.2.2热冲焊中段与冷冲焊中段对比分析

从工艺的复杂程度、中段焊缝焊接量、材料利用率、中段成型的精度这四个方面上讲两者完全相同。从力学性能上冷冲焊中段介于拉延(缩颈)胀形和热冲焊中段之间。

3.1.2.3冷冲焊中段与拉延(缩颈)胀形中段对比分析

从工艺的复杂程度、中段焊缝焊接量、材料利用率这三个方面上拉延(缩颈)胀形中段优于冷冲焊中段。从中段成型的精度上冷冲焊中段优于拉延(缩颈)胀形中段。

3.1.2.4拉延(缩颈)胀形中段为轻量化、高强度桥壳提供依据桥壳中段矩形截面如图6所示。

弯曲截面系数[5]W=(BH3-bh3)/(6H),弯距M与应力σ之间有如下关系:M/W=σ.

如果桥壳方身矩形外尺寸宽B、高H不变,设计载荷弯矩M不变,满足使用的应力σ也不变。设计冲焊中段内宽为b1,高为h1,弯曲截面系数为:

拉延中段内宽为b2,高为h2,弯曲截面系数为:

根据前面拉延中段的屈服强度与冲焊中段σs之比大约为1.4倍,

即σ2/σ1=1.4,推算如下:

化简后得:b2h23>b1h13

由于矩形截面内尺寸b、h都大于1的正数,所以此式中拉延中段内宽b2、高h2大于冲焊内宽b1、高h1成立,也就是说在满足使用应力σ相同的条件下,拉延(缩颈)胀形中段壁厚可以减薄。

对同一型号某桥壳(中段方身矩形外尺寸相同)进行对比试验[3,4],试验安装方法如图7所示。

冲焊桥壳及拉延桥壳垂直弯曲刚性试验变形量数据见表3。

热冲焊中段板厚为16mm的桥壳、冷冲焊中段板厚为14mm的桥壳,垂直弯曲疲劳试验和垂直弯曲刚性台架试验结果都能满足设计使用要求,说明拉延(缩颈)胀形中段和冷冲焊桥壳中段工艺可以实现轻量化。冷冲焊中段板厚为14mm的某桥壳疲劳寿命试验见表4,桥壳垂直弯曲刚性试验见表5。

3.2 桥壳轴头焊接工艺对比

据实验资料分析轴头焊接采用电子束焊工艺的桥壳,由于电子束焊焊缝窄,热影响区小、焊缝缺陷少、焊缝质量特性容易检测等特点[6],在同等条件下桥壳在垂直刚性试验中其弯曲变形小于轴头焊接采用CO2气体保护焊的桥壳,其主要原因一方面是CO2气体保护焊焊缝宽,热影响区大,焊缝缺陷多且不易检测,另一方面是焊接前的预热受环境的影响不易控制。

根据轴头焊接的结构工艺性分析,轴头焊接采用电子束焊工艺的桥壳由于电子束焊采用嵌入环的结构和焊缝处中段外圆与轴头外圆等尺寸且同轴的的要求,造成桥壳中段焊缝处外圆和内孔必须同时进行加工,从而导致中段焊缝处壁厚减薄,以16mm板料的热冲焊桥壳为例,加工到焊接要求时壁厚一般会到12.7-13.5mm之间,使得焊缝处的母材强度大约损失9.3%。而采用摩擦焊工艺的桥壳除了具有焊缝窄,热影响区小、焊缝缺陷少的特点外,焊缝自身强度与电子书焊缝基本相当,并且不存在焊前加工中段外圆内孔的情况,没有焊缝处母材强度的损失。说明摩擦焊焊轴头的桥壳工艺具有桥壳板料减薄条件。

对某同一型号桥壳进行对比试验,热冲焊板厚为14mm摩擦焊轴头桥壳的垂直弯曲疲劳台架试验结果要优于电子束焊轴头的桥壳,摩擦焊轴头桥壳疲劳试验的平均寿命是电子束焊轴头桥壳平均寿命的1.25倍,说明摩擦焊轴头工艺可以实现轻量化。具体数据见表6

4. 结论

冷冲焊中段摩擦焊轴头工艺或拉延(缩颈)胀形中段摩擦焊轴头工艺都是目前理想的重型桥壳轻量化制造工艺,但由于拉延(缩颈)胀形中段其在成型精度方面存在精度差的缺点短时间内不可能得到解决,所以冷冲焊中段摩擦焊轴头工艺是目前最先进的重型桥壳轻量化制造工艺。

参考文献

[1]GB/T1591--94,低合金高强度结构钢[S].

[2]GB/T228--2002,金属材料室温拉伸试验方法[S].

[3]Qc/T534--1999,汽车驱动桥台架试验评价指标[S].

[4]QC/T533～1999,汽车驱动桥台架试验方法[S].

[5]刘惟信.汽车车桥设计[M].北京:清华大学出版社,2004:339—340.

[6]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册[M].北京:机械工业出版社,2001:416--698.

[7]李欣重型货车驱动桥桥壳结构分析及轻量化研究武汉理工大学硕士论文2006年

水稻综合量化节水灌溉技术 篇4

一、水稻的需水特点

水稻是喜水并对缺水敏感的作物，水是其正常生理活动和有机体形成的基础。水稻植株含水量在70%以上，叶片含水量为85%～96%，根系含水量为90%～95%，成熟种子含水量为13%～16%。

水稻不同生育期对水的需要量各不相同，即使同一生育期由于品种、栽培季节、栽植密度、施肥、土壤或成熟期等不同也有很大差异。研究表明，水稻不同生育期需水量占整个生育期需水量的比例为：移栽返青期双季早稻4%～8.2%，双季晚稻3.6%～11.4%；分蘖前期双季早稻6.4%～23.6%，双季晚稻7%～26.9%；分蘖后期双季早稻7.4%～23.8%，双季晚稻8.7%～25.5%；拔节孕穗期双季早稻15.3%～32.9%，双季晚稻14.1%～31%；抽穗开花期双季早稻10.2%～17.7%，双季晚稻7.2%～20.4%；乳熟期双季早稻7.7%～15.9%，双季晚稻7.4%～18.9%；黄熟期双季早稻7%～31.3%，双季晚稻3.1%～20%。

分蘖期保持浅水层（水层超过7厘米将抑制分蘖）或土壤湿润有利于分蘖并提高有效分蘖率，土壤持水量低于70%就会影响水稻分蘖。

稻穗分化和抽穗期需水最多，特别是花粉细胞减数分裂期对水尤为敏感。稻田土壤持水量低于50%时，稻穗分化等正常生理活动将受明显影响。此期应保持中水层，以利稻穗分化、抽穗和吸收肥水。

抽穗扬花期对水很敏感。如缺水，一是抽穗会受影响；二是花粉和雌蕊柱头枯萎，不能开花授粉，造成大量空粒。此期田间以保持5厘米水层为宜。

灌浆结实期保持田间土壤干干湿湿即可，这样有利于以水调温、以水调气、以水养根、以根健叶。

二、综合节水灌溉措施

1. 稻田防渗漏处理

倒塌的田埂应即时修复并夯实。田埂上有裂缝、鼠洞和渗漏处时，应及时用泥封堵并用脚踩实。田埂漏水严重又难以完全修复的，可在稻田一侧田埂压铺塑料薄膜，能彻底解决漏水问题。砂性重、保水差的稻田，在翻耕整田时掺入耕作层总土量10%～15%的黏性重的土壤，可明显提高保水性能。

2. 水稻栽插后至分蘖期节水灌溉方法

浅水插秧有利于浅插、插直、插稳稻株，提高栽插质量。秧苗栽插后要保持稻田深不没叶耳的浅水层，以利于秧苗成活早返青。旱育秧秧苗根系完整、活力强、损伤少，栽（抛）后几乎没有缓苗期，不需深水护苗，田间保持浅水层即可。干旱少雨和水源缺乏的稻田，插秧时要灌深水，用水护苗，以防因灌水困难而致田间干旱缺水。春季插秧时如遇连续多阴雨天气，要灌深水护苗，反之薄水增温。水稻分蘖期应浅水灌溉，灌1次水保持5～6天，让其自然落干，待田面无明水时保持土壤湿润几天再灌1次薄水，如此重复几次，可促进分蘖并提高有效分蘖率。高肥力、深泥和土壤黏重的稻田，分蘖期不要采用浅水灌溉，而应采用湿润灌溉，可提高土壤温度和田间的通透性。

稻田有效分蘖达到预期时，要适度晒田。晒田以轻度为宜，可控制无效分蘖，使土壤适度脱水干裂，提高土壤中的空气含量和微生物活性，加快有机物和有毒物质分解，增强根系活力，改善田间小气候，提高成穗率。晒好田最好的方法是在稻田开好围沟和十字沟，可实现稻田通畅灌排水，平衡晒田度和利于防病灭虫等工作。围沟、十字沟的开建方法是：围沟在距田埂1米左右的地方移开稻株，沟深13～15厘米、宽15～17厘米；十字沟据情在田中央纵横连通开挖并与围沟相连。当总苗数达到预期有效穗数80%～85%时应排水晒田，晒至土壤持水量为80%时，要灌第二次水，至倒4叶末期再晒田。稻田有效苗数提前达到预期的，晒田也应提前，反之则适当推迟。水稻倒3叶末期应终止晒田，进入倒2叶期田间必须灌浅水。晒田要适度，不能过头，以晒至田间土壤出现3～5毫米裂缝再复水为适。基、蘖肥施用量占总施肥量的70%～80%时，晒田要提早到总苗数达预期穗数65%～70%时进行；基、蘖肥施用量占总施肥量的40%～50%时，晒田要推迟至总苗数达预期穗数的85%～90%时进行。

3. 抽穗期节水灌溉方法

此期是水稻一生中需水量较多的时期，是根系生长、最后3片功能叶生长、肥水吸收和长穗的高峰期，也是决定每穗颖花数的关键期。本期田间要在上次灌水自然落干后2～3天再进行间歇性灌溉。稻株露出剑叶后应保持浅水层，直至抽穗前2～3天再排水轻晒田，可促稻穗抽生整齐并提高结实率。

4. 抽穗后至成熟期节水灌溉方法

此期以保持浅水层为佳。水稻抽穗后20～25天即进入黄熟期，此期宜采用湿润和间歇灌溉，直到收割前6～7天再断水。保水力差的稻田不能进行湿润灌溉，要始终保持浅水层，直至收割前3～4天再断水，否则极易因缺水而减产。

5. 时效性节水抗旱方法

机械化、自动化大型温室育秧，可高效精准供、用水（可用最少的水量快速培育大量优质、健壮秧苗），有条件的应推广使用。保水剂是高分子树脂性强吸水聚合物，可反复吸、释水，其吸水量可达自身重量的几十至几百倍，已广泛应用于水稻旱育秧等。将精选稻种在水中浸泡20～30分钟，捞出沥去多余水分，直至不滴水为止，然后按330～350克旱育秧保水剂均匀拌1千克稻种的量拌种，稍晾干后即可播种，保水抗旱效果显著。缺水较严重的地方，可推广水稻覆膜保水抗旱栽培。稻田整平后，据情在田面划成畦块，畦块之间开宽15～18厘米、深10～15厘米的相通畦沟，畦面覆盖厚0.005毫米微膜，将水稻破膜栽植于畦面，平时仅畦沟中保持水层即可，能节水50%～60%。严重干旱缺水时，如水稻植株上部出现叶片枯死，可割叶覆盖稻蔸，只要稻蔸不旱死，旱情过后遇水追1次肥就可促使腋芽形成新植株，成为再生稻并获较高产量。稻田平时要重视施用猪牛粪等腐熟有机肥，可明显改良土壤，增强土壤吸水、保水、保肥、防渗漏能力。缺水干旱时，对稻株喷洒1～2次0.2%～0.3%磷酸二氢钾溶液，可提高植株抗旱能力。

（作者联系地址：江西省奉新县畜牧水产局 邮编：330700）

轻量化阶梯孔结构电解加工试验研究 篇5

轻量化结构件在以减重、高性能为目标的航空航天和汽车交通等领域应用十分广泛[1]。据统计, 汽车质量每减少10%, 燃油消耗可降低6%~8%, 相应的排放下降5%~6%[2]。航空航天工业对减重的要求更是以克为单位, 轻量化结构件成形制造的能力水平和技术经济指标, 已经成为衡量一个国家的制造工业发展水平以及重大关键技术装备自主创新能力的主要标志之一[3,4]。

轻量化结构的表现形式多种多样, 阶梯孔结构为其中之一, 表现为内大外小, 且两孔间以圆角过渡。阶梯孔结构在满足机械性能的前提下, 可有效减轻该零件的重量, 对以减轻构件重量为第一目标的航空设计具有重要意义。常规机械加工方法更适用于内小外大式阶梯孔, 加工内大外小阶梯孔零件时较困难, 特别是当材料难切削或内外孔直径差较大、内孔较深时, 甚至无法加工。电解加工因不存在机械切削力且工具阴极无损耗等优点, 在此类轻量化结构的制造中显示了良好的应用前景。本文将电解加工应用于某型飞机起落架转轴内部轻量化阶梯孔的加工, 通过合理选择加工方案、优化设计夹具和阴极, 来实现此类零件的高效、低成本加工。

1 电解加工装置设计

1.1 加工方式的选择

图1所示为某飞机起落架转轴, 该类零件在结构上有以下特点: (1) 中心孔内大外小, 外孔直径d2=20mm, 内孔直径d1=28mm、30mm; (2) 内孔深度l1=66 mm、133 mm, 外孔深度l2=46mm; (3) 外孔与内孔过渡处及内孔底端以圆角过渡。

针对上述零件特点, 可考虑采用片状阴极移动式加工和整体式阴极固定加工两种方式进行加工。片状阴极移动式加工阴极结构简单、制造容易, 但加工效率低, 且由于本文所针对的加工对象外孔与内孔直径差达10mm, 内孔加工深度l1达133mm, 材料去除量大, 采用此方式加工效率太低, 难以满足其工业生产。整体式阴极固定加工需要较大容量的电源, 但加工效率高[5], 更适于上述零件的加工。

1.2 夹具设计

采用阴极固定方式加工图1所示零件时, 电解液流动形式可考虑正流式和反流式。反流式结构为收敛流, 流场均匀性较好, 进出口压力易于控制, 然而由于流程较长, 密封装置设计难度较大。本文采用正流式结构并加适当背压, 利用高速流动的电解液形成加工间隙流场, 能满足加工要求。在工艺试验中设计的正流式电解加工装置如图2所示 (电解液流向如箭头所示, 背压大小可通过调整密封圈压块松紧来控制) , 该装置主要由阴极导电板、阴极接杆、密封圈、密封圈压块、背压腔、工具阴极、支座、工件、工件导电板等组成。

1.3 阴极结构设计与优化

电解加工是建立在加工间隙中特定的电场、流场分布的基础上的, 因而电场、流场因素直接影响到加工间隙的分布状态, 进而影响到工具阴极的设计[6,7]。

1.3.1 阴极设计

针对图1所示零件的特点, 基于等间隙原则设计的阴极如图3所示, 包括加工部位和绝缘部位, 其中加工部位用于零件内孔的电解成形, 绝缘层用于保护外孔不受电解作用, 而阴极加工部位与绝缘层之间的过渡由于直接影响零件内外孔间过渡圆角的质量而显得尤其重要。为得到较佳的圆角质量, 设计了三种方案:方案1采用阶梯过渡, 同时考虑到阴极刚度, 绝缘层半径较阴极加工部位小0.2mm;方案2采用圆角过渡, 过渡区圆角半径0.2mm;方案3采用直线过渡, 即绝缘层直径等于阴极加工部位直径。

1.3.2 电场分析

为了掌握不同结构阴极加工时工件圆角过渡处的电场分布, 设计中利用comsol软件进行电场分析。图4为加工间隙分布图, 仿真用的电场模型如图5所示, 三种模型施加相同的边界条件 (阳极电势为10V, 阴极电势为0, 初始加工间隙0.3mm, 电导率7.2S/m) , 得到工件圆角附近 (图5中方框区域, 内外孔分界线左侧4mm, 右侧6mm, 用l表示) 电流密度i分布曲线, 如图6所示, 从图6中可知三种阴极结构对应工件圆角附近的电流密度均从48A/mm2左右开始下降至0, 下降速度顺序从高到低依次为方案2、方案1、方案3, 其中方案1和方案3相近, 轨迹近似为正弦曲线。由上述结果分析可知, 方案1和方案3能形成圆角, 而方案2将形成变圆角, 但由于三者相差较小, 故最终加工结果区别不大, 均能够满足本文零件加工需求。

Γ1-阴极边界Γ2-阳极边界Γ3-绝缘边界

1.3.3 流场分析

为了掌握加工间隙中流速分布, 设计中利用FLUENT软件进行流场分析。一般可认为, 电解液为理想状态液体, 不含气泡、固体颗粒;流体为不可压缩、恒定的牛顿流体;加工过程中忽略电化学反应导致的电解液温度变化及温度变化造成的能量耗散, 流体流动受质量守恒方程和动量守恒方程的约束[8,9]。

图7a为整个流道流速分布, 图7b为不同阴极结构工件圆角过渡处电解液流速分布, 其中, 进口处电解液压力为0.4MPa, 出液口处压力为0.1MPa, 由数值分析结果可知, 方案1和方案2加工间隙流速均在10m/s左右, 方案3整个流道流速在8.6m/s左右, 相比较而言, 方案1和方案2加工间隙内电解液更新较快, 更有利于电解加工的进行。然而, 方案1和方案2圆角过渡处存在不同程度的“死水区”, 电解产物易在此处聚集, 引起局部电解液电导率下降, 进而对圆角的形成造成影响。综合上述流场数值分析结果, 方案3最为合理。

1.3.4 试验验证

根据上述数值分析结果进行试验验证。试验结果如图8所示, 方案1工件大小二孔的过渡圆角半径已经明显偏大, 并存在一道“沟壑”, 方案2工件圆角质量相对方案1有很大改善, 但仍存在一道浅“沟壑” (方案1沟壑深近2mm, 方案2沟壑深近1mm) , 而方案3工件圆角过渡处加工效果良好。这与数值分析结果较为一致, 综合电场和流场数值分析和试验验证可知, 采用数值分析方法进行阴极结构设计, 能够缩短阴极设计周期, 且仿真结果与试验验证结果较为一致。综上分析, 考虑实际加工需要, 应采用方案3。

2 电源参数选择与优化

整体式阴极固定加工相对片状阴极移动式加工对电源的容量要求大得多, 合理选择其电源参数对工程应用具有重要意义。加工过程中工件蚀除速度va可按式 (1) 或式 (2) 计算:

将式 (3) 代入式 (2) 得

由式 (1) 和式 (4) 可得

式中, ηω为实际体积电化学当量, 可通过实验的方法测得;U为阴阳极间的电压;δE为阴阳极极化电位值之和, 或近似为分解电压;κ为电解液电导率;va为阳极 (工件) 溶解速度;Δt为加工间隙;It为加工电流;0为阴极直径;S为加工面积。

由式 (1) 可知, 采用恒压源模式加工时, 工件蚀除速度va与加工间隙Δt成双曲线关系, 初始阶段加工间隙Δt很小, 工件蚀除速度va很大, 如果电解液流速不够高, 极间电解产物和氢气将来不及时排出, 易发生结疤、短路等现象, 随着加工间隙Δt的逐渐变大, 工件的蚀除速度va越来越小, 由于加工初始阶段与加工最终阶段加工间隙Δt相差数十倍, 故加工最终阶段工件的蚀除速度va将非常缓慢, 整个加工过程的时间很长 (工件蚀除速度va随时间t的变化趋势如图9a所示) , 难以满足生产需求。

由式 (4) 可知, 采用恒流源模式时, 由于Δt相对0较小, 故整个加工过程中工件蚀除速度变化不大 (工件蚀除速度va随时间t变化趋势如图9b所示) 。然而, 根据式 (5) 可知, 由于最终加工阶段加工间隙很大, 此时加工电压很大, 易超出电源的容量, 若减小加工电流使加工电压降低又会大大影响加工效率。

综上所述, 采用恒压源模式加工存在加工时间长、加工过程工件蚀除速度变化大等缺点, 采用恒流源模式加工时, 整个加工过程工件的蚀除速度变化不大, 但为保证加工效率, 最终加工阶段对电源容量要求很高。为此, 本文采用变电压加工方法, 同时, 为方便控制, 实际加工时采用了图9c所示的阶梯式电压, 整个加工过程中电压阶梯式增大。初始阶段加工间隙Δt较小, 采用低电压, 电流值相对较小, 随着加工间隙Δt的逐渐变大, 逐步提高电压, 使电流控制在一定范围内, 对电源容量要求较低。此外, 由图9可以看出, 采用阶梯式电压加工时工件平均蚀除速度与采用恒流源模式加工接近。

同时, 由式 (1) ~式 (3) 可得

由式 (6) 可知, 在加工电压和电解液参数一定的情况下, 工件蚀除速度va与加工电流It成线性关系, 故当电流变化较慢时, 提高加工电压, 并通过式 (8) 判断何时达到加工要求。

3 加工试验

3.1 试验条件

轻量化阶梯孔电解加工试验在自行研制的电解加工机床上进行, 图10所示为电解加工试验现场。试验采用功率为90kW的直流电源, 选用了图9c所示的阶梯式电压进行加工, 电压参数如表1所示。试件材料为超高强度钢30CrMnSiNi2A;电解液为质量分数为12%的NaNO3溶液, 进口压力为0.4MPa, 出口压力为0.1MPa, 初始温度为30℃。

3.2 加工误差分析

使用上述加工参数, 采用圆柱阴极加工后的零件如图11所示, 表现0.8°的倒锥度。实际加工中, 考虑温度和气泡率影响, 电导率κ (x) 和加工间隙Δ (x) 由下式确定:

其中, Δ0为出口加工间隙, (1+ξ (T (x) -T0) ) 描述了温度的影响, (1-β (x) ) n反映了气泡率的作用。

从式 (9) 、式 (10) 可以看出, 气泡率和温度的综合作用影响电导率κ (x) , 从而影响加工间隙Δ (x) , 沿流程方向上, 温度逐渐升高, 则电导率增加而使加工间隙增大;但同时气泡率沿流程增加又使加工间隙减小。该零件加工中, 由于沿流程上温度升高对加工间隙的影响大于气泡率对加工间隙的影响, 故加工间隙Δ (x) 沿流程方向上逐渐变大, 反映到加工结果上即表现为一定的倒锥度。

3.3 阴极锥度修正

由上述分析可知, 在不改变加工装置的情况下, 要降低加工锥度须使沿流程方向上的电导率均匀, 即平衡气泡率和温升对加工间隙的影响。为实现上述目标, 修正阴极使阴极与工件在初始加工时就有一倒锥度 (如图12所示, 不含绝缘部位) , 采用修正后阴极 (阴极大端直径为19.7mm, 锥度为0.4°, 加工部分长度为129mm) , 用同样参数成功加工出最大处直径为27.87mm的内孔, 锥度小于0.05°, 且过渡处圆角平滑, 如图13所示, 满足加工要求。加工过程中电流随时间变化曲线如图14所示, 从图14可以看出, 加工初始阶段的电流较小, 在各个电压参数持续阶段, 曲线斜率相差不大, 由此可判断整个加工过程中工件蚀除速度较稳定, 与前期设计目的较为一致。

4 结论

电解加工因不存在机械切削力且工具阴极无损耗等优点在轻量化结构的制造中显示了良好的前景。通过上述飞机起落架转轴轻量化阶梯孔电解加工工艺试验研究可得到以下结论。

(1) 采用阴极固定式加工相比阴极移动式效率要高出许多, 是电解加工应用于此类零件加工的有效途径。

(2) 试验中采用的成形阴极及专用工装的设计方法, 能够满足此类零件的流场要求, 加工过程稳定 (已成功加工出合格件50根) 。

(3) 提出的阶梯式电压加工方法能够有效避免恒压源和恒流源模式加工时存在的不足, 满足实际生产需要。

参考文献

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[6]李志永, 朱荻.基于叶片电解加工电场和流场特性的阴极设计及工艺试验研究[J].中国机械工程, 2006, 17 (14) :1463-1466.Li Zhiyong, Zhu Di.Cathode Design and Experimental Study on Characteristics of Electric Field and Liquid Field[J].China Mechanical Engineering, 2006, 17 (14) :1463-1466.

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减量化加工制造技术 篇6

1.1 背景

随着国家对建筑绿色环保要求的提高,建筑领域对模板高利用率要求也更为迫切。青岛新机场航站楼标段二项目,采用基于BIM的柱端模板数字化设计及批量化加工技术对项目模板进行批量化加工,提高工效、节材环保。

1.2 工程概况

青岛新机场项目位于山东省青岛市所辖胶州市,建成后将成为主要面向日韩的国内大型区域性综合交通枢纽。青岛新机场航站楼工程标段二项目,地下1层,地上3层,建筑面积19.7万m2。工程圆柱数量较多(3585根),且与梁斜交多,梁柱节点形式多样,节点部位施工时,模板支设及加固困难。本工程利用BIM技术,通过定型化木模板的参数化设计,自主研发自动配模系统,指导材料采购、木模加工、现场周转管理,起到了良好效果。

2 BIM应用成果

2.1 三维模型直观展示

基于BIM的柱端模板批量化加工技术在节点深化设计过程中采用整体三维建模的方式进行深化设计,在整体建模过程中既检验了梁柱接头的精度和质量,也可直观地发现一些复杂梁柱接头的施工难度,及时反馈相关方,协调修改完善,为进一步结构深化设计施工提供依据。同时可将加工工艺流程、安装工艺流程反馈给工厂和施工现场人员,指导工厂加工和现场安装。

2.2 图纸自动生成

本项目设计圆柱数量大,与柱斜交梁多,复杂节点深化设计出图量非常大,在施工过程中图纸的修改在所难免,Revit等软件具有自动生成施工图纸的功能,为工程的顺利实施提供了有力的支持。

节点施工过程中涉及众多柱端模板裁剪定位及尺寸控制,若按草图绘制的传统做法,精度难以保证。另外,节点构造复杂,绘制施工图过程中容易出错,而利用BIM软件中自动生成构件加工图的功能则可解决这个问题,构件设计完成也意味着构件图完成,降低了出错率,提高了图纸质量和工作效率。

2.3 用料自动统计及工厂化加工

工厂加工制作前期非常重要的一项工作就是提供准确的材料清单交付采购部门进行材料订购。项目利用BIM技术,通过Revit软件建立各节点的木模族库,导入自动配模系统,各梁柱节点模板自动配置,实现工厂数字化、批量化加工,避免现场裁剪,方便指导工厂生产以及构件验收,大幅提高现场安全文明施工水平,同时满足绿色施工要求。

2.4 三维动画交底

组合结构节点一般较为复杂,施工操作较困难时,可通过对节点施工流程进行模拟,优化施工操作流程,并导出施工流程三维动画,用于指导组合结构节点施工。

3 适用范围

本技术适用于各类采用钢筋混凝土结构的柱端模板节点深化设计及批量化加工,特别是梁柱节点多且较为复杂的柱端模板节点深化设计。

4 工艺原理

基于BIM的柱端模板批量化加工技术是对传统钢筋混凝土结构柱端模板节点深化设计的改进,形成一种可视化、工厂化的深化设计方式,将以往的基于二维图纸的节点深化设计优化为基于BIM三维模型的深化设计。节点的整个深化设计过程都是基于三维模型进行,利用BIM软件的可视化功能,对节点中的梁柱交接位置模板进行优化,针对复杂节点的施工过程建立族库,降低现场加工节点施工难度,深化设计过程中自动统计相关工程量,为工厂批量化加工、用量统计提供依据。

5 工艺流程及操作要点

5.1 施工工艺流程

施工工艺流程如图1所示。

5.2 操作要点

5.2.1 施工图建模

根据施工图纸,深化设计人员在制定相关建模原则之后建立柱端模板模型及族库。模型及族库的创建是深化设计的基础,在建模过程中深化设计人员应严格把控建模质量,所建模型应全面准确反映图纸信息,包括各构件的名称、几何尺寸、型号信息等。

在利用Revit建模过程中,应选择合适的模板,模板中应包含原点位置、轴网及标高的设定,分开建模时不同建模人员应使用同一模板,确保轴网标高的唯一性。在建模过程中如果需要族库中不存在的构件,单体创建较复杂且后期出现频率较高,则应建立新的族,丰富模型族库,完成模型建立。若建模过程中遇到明显不合理的设计问题,应进行汇总,综合处理,完成建模后应将所建模型与原设计图纸进行校核,若建模与原设计不符,应进行修改,修改完成的信息应能全面反映设计信息。建模流程如图2所示。

5.2.2 深化设计

基于BIM的柱端模板批量化加工,对于柱端节点的深化设计任务是根据梁、柱的几何尺寸与构件相交的截面尺寸,设计柱端模板尺寸及切槽位置,并设计梁、柱相互穿插或连接的构造措施,使梁、柱位置模板拼缝满足设计规范要求。同时对深化设计完成的柱端模板按规格型号进行编号,相同型号柱端模板可周转至指定位置,重复利用。

利用Navisworks软件,可以优先进行各类型柱端节点碰撞检测,生成碰撞报告。根据碰撞报告进行结果检查和分析,然后进行优化(见图7,8)。

1)创建木模族库

利用BIM结构模型,输入梁、柱、板相应的参数信息,创建柱端模型族库,柱头定型木模采取圆柱空心剪切,多个槽口间采用角度参数联动。在设计过程中应保证模型中梁、柱、板交接位置不碰撞,模板间拼缝满足设计及规范要求(见图3)。

2)柱端模板深化

在模型中根据梁平法及柱图底图快速对齐、添加模型,完成定型木模的模型深化。在深化设计过程中,在斜梁、异形柱等非标准构件相交位置,应重点查看,不能影响模板拼装及加固。同时要避免节点错、漏、碰撞等现象。柱端模板节点深化如图4所示。

3)数据统计分析

利用Revit软件自动生成明细表,统计各类型模板数量、高度等信息,导入Excel中进行汇总、处理(见图5)。

4)柱端模板自动配置

如图6所示,通过将不同模板类型使用不同颜色进行标注区分,可直观表达不同型号模板的使用位置,利于统计,方便施工及管理人员查看模板的使用位置。

5.2.3 碰撞检查

由于在平面设计过程中很难想象构件在空间之间的关系,容易在设计梁、柱节点定型化模板裁剪的过程中忽略梁柱板的尺寸、位置关系等信息,进而形成碰撞、错漏,进行节点碰撞检查的主要目的是为了检查柱端模板裁剪的精确性,避免错漏。

5.2.4 施工模拟

柱端模板由于需求量大,配置及周转较杂乱,施工难度加大。在工程实际中,对每一类型的柱端模板进行单独编号,利用自动配模系统,对各柱端模板配置及周转方向进行施工模拟分析,确保顺利完成柱端模板拼装及周转。通过查看柱端模板拼装及周转模拟流程,充分考虑工作面的问题,校核施工顺序的合理性,对不合理的位置进行调整优化,最终完成柱端模板配置及周转的模拟,并制作施工模拟动画,用于交底演示(见图9)。

5.2.5 施工出图

深化设计图纸主要为柱端模板深化图。基于BIM的柱端模板节点深化设计及施工,可对节点构件工厂化加工相关数据进行提取,通过人为筛选确定所需数据以加工图或施工图的形式导出。当构件较简单时,利用软件的明细表功能进行构件参数统计,形成构件加工料表,用于简单构件的生产指导;当构件较复杂时,可以导出三维图纸,其流程如图10所示。

1)对模型图元的尺寸标注与注释说明

在Revit的尺寸标注中,对齐标注与线性标注、弧标注、高程标注十分明晰,在类型属性中可以设置标注样式。图元的注释与标记有自动标注和手动标注,全部标记命令容易出现标记重叠杂乱现象,应根据具体需要采用不同的标记类型。当系统自带的标记族文件缺少所需相关信息时,可根据需要修改“标记”族文件或新建族文件。

2)图层设置

主要包括管线、管线附件、机械设备边框及注释颜色设置,以及连接文件图层管理、图层名称管理和图层设置的保存与传递。

3)标准图纸创建

Revit中的图框以族的形式存在,要调用图框可根据需要对图框进行修改,以满足实际项目需要。

4)图纸目录的建立和整体布局

对于一个完整的模型文件,出图时往往要分各个专业,每个专业管线过于密集也可分系统出图,若模型绘制时不分开绘制,出图时可以使用过滤器,过滤器过滤条件要符合过滤要求,且各个专业图纸要有统一规则的命名。

5)导出三维图

所有设置完成且命名正确,保存出图,若需要可对导出的CAD图纸进行微调。导出的三维图如图11所示。

5.2.6 现场施工交底

本工法利用制作的三维模型进行技术交底。在交底过程中,先向施工人员讲述节点施工的相关技术要点、难点,以及在施工过程中需注意的问题,然后通过三维模型向施工人员展示节点完工后的概貌,让施工人员对施工对象有整体认识,最后通过三维动画展示节点施工的具体流程,特别是难点部位的施工流程,让施工人员能直观了解施工操作的过程,完成施工交底。现场操作如图12所示。

6 结语

1)基于BIM的柱端模板批量化加工施工技术优化了梁柱节点模板拼装及周转,在保证节点结构质量要求的前提下,减少了模板浪费。

2)基于BIM的柱端模板批量化加工施工技术对传统的施工交底进行变革,利用三维模型及演示动画进行交底,让施工人员更加直观了解施工过程,避免了因返工增加额外成本。

3)基于BIM的柱端模板批量化加工施工技术推动了BIM在建筑业的发展,保证了深化设计的质量,提高了施工过程的工作效率。

摘要：随着建筑业的发展,对建筑结构精细化施工要求越来越高,对常规钢筋混凝土结构的周转材料尤其是模板的合理化利用要求也越来越高。利用BIM技术,对梁柱接头模板数字化设计及批量化加工,可明显提高模板加工效率、减少模板裁剪、预控材料周转位置,达到增效、节材、节约成本等目的,在一定程度上提高模板利用率。

参考文献

[1]陈烨.BIM技术在超高层大型综合体设计中的应用[J].城市住宅,2015(11):6-10.

减量化加工制造技术 篇7

为了达到降低油耗, 减少环境污染以及节约有限资源的目标, 目前, 正进行两方面的研究, 一是电动汽车等新型能源汽车;二是汽车轻量化。减轻汽车自重是提高汽车的燃油经济性、节约能耗、减少污染的重要措施之一。一般汽车部件质量每减轻1%则可节油1%;运动部件质量每减轻1%则可节油2%。试验表明, 汽车质量每减轻10%, 油耗下降6%~8%, 排放下降4%。国外汽车自身质量同过去10年相比已减轻了20%~26%。预计在未来的10年内, 轿车自身的质量还将继续减轻约20%。另外, 从驾驶方面来讲, 汽车轻量化后加速性提高, 稳定性和噪声、振动方面也均有改善。从安全性考虑, 碰撞时惯性小, 制动距离减小, 另外发生碰撞时, 塑性材料对人的冲击小得多, 所以更加安全。汽车轻量化技术是有效降低油耗、减少排放和提升安全性的重要技术措施之一。因此, 汽车轻量化成为汽车工业界近期的研究热点之一。

现代汽车轻量化的技术内涵是:采用现代设计方法和有效手段对汽车结构进行优化设计, 或使用新材料、新工艺在确保汽车综合性能指标的前提下, 尽可能减轻汽车产品自重, 以达到减重、节能减排、安全的综合指标。目前, 国内外在汽车轻量化技术上取得了显著的成就, 这主要归功于新材料技术、成形工艺、创新结构的不断发展。首先, 高强度轻质材料的开发与应用, 正在逐步取代传统的钢铁制件;其次, 新的成形工艺, 如液压成形、激光焊接、发泡铝成形技术等的不断涌现使工件结构得到优化, 大大降低了材料消耗;再次, 新兴轻量化结构设计从汽车开发阶段就介入轻量化, 促进汽车向轻量化发展。

2 轿车轻量化技术研究

2.1 新材料技术

目前, 全球中型轿车平均质量约为1 200~1 400 kg, 汽车发达国家力争在2015年将中型轿车整车质量减轻到1 000 kg以下, 新环保材料 (材料本身具有环保性和可回收性) 将扮演愈来愈重要的角色。

与减轻汽车自身质量相对应, 汽车轻量化材料用量逐年增加。新材料的应用是实现汽车轻量化的主要途径之一。目前, 可用来减轻汽车自重的材料有两大类:一类是高强度材料, 如高强度钢和高强度不锈钢;另一类是轻质材料, 如铝合金、镁合金、钛合金、塑料及复合材料等。

(1) 高强度材料

a.高强度钢和超高强度钢

高强度钢按照ULSAB所采用的术语, 将屈服强度为210~550 MPa的钢定义为高强度钢 (HSS) , 屈服强度为550 MPa的钢定义为超高强度钢 (UHSS) , 而先进高强度钢 (AHSS) 的屈服强度介于HSS和UHSS之间的强度范围。高强度钢具有良好的低温韧性、成形性和焊接性。高强度钢在汽车上应用和作用见表1。

表1公式中, Ps为压溃强度, AE为压溃吸能, Pt为压痕抗力, P为微量变形抗力, σw为疲劳强度, σb为抗拉强度, t为板厚, σp为成形构件应变下的流变应力, ED为动负荷设计弹性模量, n为常数。

由表1中各类关系方程可以看出, 除疲劳强度外, 其他各性能均正比于板厚和相应的材料性能n次方的乘积, 因此高强度钢板能够大幅增加构件的变形抗力, 提高能量吸收能力和扩大弹性应变区。高强度钢板用于汽车零件上, 通过减薄零件来减轻质量。与铝、镁、复合材料等相比, 高强度钢板的制造相对容易, 具有经济性较好的优势。

国外高强度钢在轿车车身上的应用比例逐年增加, 目前大约为50%, 而我国汽车工业计划用3~5年的时间将目前低于20%的比例提高到40%以上。

b.除高强度钢和超高强度钢以外, 结构钢、高强度不锈钢、高强度铸铁和粉末冶金等高强度材料也都是未来发展的选项。

(2) 轻质材料

a.铝及铝合金

铝密度约为钢的1/3, 具有质量轻、加工性能良好、抗腐蚀性好、吸振性强等优点。铝材在汽车上应用见表2。

以铝制件代替钢件后减轻的质量见表3。从表3可得出, 汽车每使用1 kg铝, 可减轻自重2.25 kg, 减重效应高达125%, 在汽车整个使用寿命周期内可减少废气排放20 kg。此外, 铝回收简便, 是除钢铁以外能最大限度回收利用的材料, 几乎90%的汽车用铝可以回收并循环利用。铝具有良好的物理和化学性能, 工业生产中的铸、锻、冲工艺均能适用, 是可采用多种铸造工艺制造零件的少数几种金属材料之一, 最适于应用广泛的压力铸造工艺。但铝合金的成本仍高于钢铁材料。

b.镁及镁合金

镁的密度仅为铝的2/3, 采用镁制造汽车零件的轻量化效果更胜于铝, 它可在铝减重基础上再减轻15%~20%。一是它的质量轻, 是所有结构材料中最轻的金属, 比钢铁轻75%, 比铝轻33%。二是它的比强度高于铝合金和钢, 比刚度接近铝合金和钢, 能够承受一定的负荷, 具有高度的抗冲击性。三是它具有良好的铸造性和尺寸稳定性, 容易加工, 废品率低, 从而降低生产成本。四是它具有良好的阻尼系数, 减振量大于铝合金和铸铁。用于壳体可以降低噪声;用于座椅、轮圈可以减少振动, 提高汽车的安全性和舒适性。五是100%的可循环利用的原料资源。镁合金材料在汽车上得到了广泛的应用, 涉及到的各种汽车零部件见图1, 其成本偏高于铝合金。

kg

c.钛及钛合金

钛具有密度小 (4.5 g/cm3) 、强度高 (1 500 MPa) 、比强度高、耐高温、耐腐蚀等优良的特性, 在汽车的动力部分得到广泛的应用。世界几大汽车生产厂家都在一些车型中使用钛材。据专家介绍, 钛合金主要应用在汽车排气系统、发动机系统、传动与减振部分, 用于减振缓冲器、从动轴、驱动齿轮配件和传动连杆等部分。受环保、能源的影响, 汽车轻量化的需求越来越高, 钛材在汽车上的应用也越来越受到关注, 但因其价格高而主要用于赛车上。

d.塑料及复合材料

塑料及其复合材料是另一类重要的非金属车用轻质材料, 它不仅可减轻零部件约40%的质量, 而且还可使采购成本降低40%左右。近年来塑料在汽车中的用量迅速上升。据统计, 世界汽车平均每车用塑料量在2000年就已达105 kg, 约占汽车总质量的8%~12%。塑料在轿车中的用量较高, 如奥迪A2型轿车的塑料件总质量已达220 kg, 占总用材的24.6%。发达国家车用塑料现已占塑料总消耗量的7%~11%, 预计不久将达到10%~11%。

目前, 车用塑料居前7位的品种与所占比例大体见表4。

国外汽车的内饰件已基本实现塑料化, 如今塑料在汽车中的应用范围正在由内装件向外装件、车身结构件扩展, 今后的重点发展方向是开发结构件、外装件用的增强塑料复合材料、高性能树脂材料, 并对材料的可回收性予以高度关注。从品种上看, 聚烯烃材料因密度小、性能较好且成本低, 近来有把汽车内饰和外装材料统一到聚烯烃材料的趋势, 因此其用量会有较大的增长, 预计聚丙烯和聚氯乙烯今后分别可保持8%和4%的年增长率, 聚乙烯的增长势头也比较强劲。

e.其他材料

轻质材料除了比较常见的以上材料以外, 精细陶瓷、金属基复合材料、非金属基复合材料等都是未来发展的选项。

2.2 轻量化工艺技术

锻造、铸造、冲压、焊接、热处理等成形工艺是汽车的制造基础和核心技术, 需要不断发展与创新。此外, 新的成形工艺可实现零件及车身部件结构的简化和轻型化, 节约生产材料、提高工艺性能, 如剪裁毛坯、液压成形、零件轧制、发泡铝成形、激光焊接等, 因此还需要加强新轻量化成形工艺研究和应用。所谓工艺轻量化设计, 是指在满足正常工作各项要求, 特别是安全性的前提下, 设计质量最轻的工艺。

(1) 轻量化成形工艺

采用轻结构设计与创新制造工艺是相辅相成的, 主要通过自主开发与轻量化结构相适应的成形工艺与模具技术, 还有汽车用高强度钢、铝合金、镁合金、塑料等先进加工工艺。

目前的轻量化成形工艺技术, 在金属材料方面, 剪裁拼接、激光拼焊板、液压成形、发泡铝成形、涂装、零件轧制、半固态金属加工、喷射成形等新技术将推动汽车轻量化发展;在塑料和复合材料方面, 推广塑料/金属复合材料、低压反映注射成型、气体辅助注射成型等技术以满足汽车轻量化。其中, 液压成形及泡沫铝工艺在汽车轻量化中越来越得到广泛应用。

a.管件液压成形技术是用来制造空心轻体构件的制造技术, 工艺过程见图2。金属件主要采用液压成形中的内高压成形技术, 见图3。内高压成形件具有质量轻、刚度好等优点。而且碳钢、不锈钢、铝合金、钛合金、铜合金及镍合金等都可用该技术成形, 原则上适用于冷成形的材料均适用于内高压成形工艺。液压成形通过简化模具, 减少零件数, 一次成形中空复杂零件来促进汽车零部件轻量化。

目前, 应用液压成形的汽车零件大体为以下几类:发动机系统零件, 如进气歧管、齿轮轴等;车身结构件, 如侧门横梁等;其他类, 如散热器支架等。

b.发泡铝成形技术见图4。

发泡铝是空气与铝复合而成的材料, 它是一种在铝基体中均匀分布着大量连通或不连通孔洞的新型轻质多功能材料, 分为胞状铝 (闭孔泡沫铝) 和多孔铝 (通孔泡沫铝) 两类, 目前主要用于保险杠、纵梁、支柱等部件上。

(2) 结构件优化连接工艺

连接技术对汽车轻量化的发展有重要意义, 如粘接、铆接、翻边搭接、钎焊、螺纹连接等, 这些工艺对轻量化设计的意义见表5。

2.3 轻量化结构技术

(1) 采用最优化技术、模块化技术、细节化技术等设计方法对汽车结构进行优化设计, 即改进汽车结构, 减少零件数量, 使部件薄壁化、中空化、小形化、复合化, 对内饰、发动机及汽车底盘等所有汽车零部件进行结构改进。如车身结构的轻量化设计可以分为2种方法。a.在概念设计阶段将轻量化的思想融入到车身结构设计中, 设计出全新的轻量化车身。b.对现有车型进行轻量化改型设计。车身结构设计需要满足车身刚度、模态、碰撞安全性、疲劳寿命和NVH (振动噪声) 特性等诸多方面的性能要求和相关的法律、法规及标准, 进行轻量化设计也要满足上述性能的要求。而且, 对于车身结构设计, 车身结构的可制造性和生产成本也是不可忽视的重要因素, 尤其是对现有车辆的轻量化改型设计更重要。因此, 车身结构的轻量化设计就是应用优化设

计的方法, 减少零部件数量以及创造新的结构, 在保证车身结构性能要求的前提下, 提高材料的利用率, 减少冗余的材料, 从而达到车身结构轻量化的目的。

(2) 开发汽车车身、底盘、动力传动系统等大型零部件整体加工技术及相关的模块化设计、制造技术, 使节能型汽车从制造到使用的各个环节都真正实现节能、环保。研究常用汽车零部件模块化设计数据库及模块化方案, 常用和典型模块的参数化设计等, 建立模块化设计知识库和专家系统。

(3) 以计算机辅助工程 (CAE) 方法作为获取知识的手段, 建立轻量化汽车零部件性能数据库及成形工艺咨询库;建立常用车型材料在成形前、后及不同使用时间的参数库;建立吸能部件优化设计专家系统, 开发新一代汽车CAE软件系统。通过建立这些数据库和专家库, 大幅度提高我国汽车结构设计水平, 为快速进行汽车结构轻量化设计提供有力的手段和有效的工具。

3 轿车轻量化技术应用案例

3.1 国内某A企业的车型a

近年来, “A企业”重点开展了汽车轻量化专项研究, 从应用轻质新材料、采用新工艺和实施结构轻量化三方面着手, 并结合材料的高性能、易成形、可回收等要求, 已经把一些轻量化技术运用到新车型的开发中, 主要表现在系列新车型上已经开始运用高强度钢板、激光拼焊技术, 并在底盘、动力系统开始运用镁、铝合金;该车型大量运用高张力钢板、大量采用铝合金部件 (比如轮圈、变速器构件等) 等, 使得该“车型a”的整车质量 (1 040kg) 在同级车中达到最优, 实现了汽车减重10%~14%的初期目标, 2008年“企业A”汽车轻量化达到13%16%。

3.2 国内某B企业的概念车b

“B企业”依据国家科技部下发的863计划, 将车身减重这一技术成功地应用在新概念轿车“概念车b”上。“B企业”系统地将轻量化设计运用于“概念车b”的车身、发动机、悬架等各个领域, 实现了车身质量大幅减轻, 在保证整车高性能、舒适性和安全性的前提下, 达到显著降低油耗的目的。“概念车b”的车身采用承载式结构、紧凑型设计, 保证所有的钢梁都能够承重, 并采用铝合金、复合材料等新型材料, 在提高车身强度的同时大大减轻了车身的质量。另外, 某型号发动机气缸体为铝合金材质整体框架结构, 在减轻自身质量的同时, 又提高了冷却效率, 使之耐用、寿命长。在突出自重轻、低噪声, 低转速、高扭矩特性的同时保证了燃油的经济性。经过整车轻量化处理后, “概念车b”实际车重减轻了近百公斤。

3.3 国外某C企业的车型c

国外“C企业”于1 9 9 3年开始研制的“车型c”采用了铝质车架ASF (Aluminum Space Frame) 技术, 减轻车身质量15%, 油耗随之降低5%~8%, 大大改善了加速性和燃油消耗, 被评为1998年度“最豪华的车型”。1999年推出“车型c”的升级版, 整车铝外壳, 从前顶柱到行李箱边, 包括车把手都是铝冲压成形。整车质量比传统钢制车身减轻40%以上, 仅有895 kg。油耗降低3 L, CW (阻力系数) 值创纪录达到0.25。

4 讨论

4.1 新材料技术可行性、经济性和回收性

由于人们对安全性和舒适性要求的提高, 国家可持续发展政策出台, 汽车自重不断增加, 资源消耗严重, 油耗和污染亦随之增加。为降低油耗减轻污染, 节约资源, 推行可持续发展, 汽车轻量化势在必行。

据统计, 汽车高强度钢和轻质材料减重效果及经济性见表6。

目前, 高强度钢和超高强度钢在汽车制造中比例不断增大, 促进了汽车轻量化。由于钢铁材料在强度、塑性、抗冲击能力、回收使用及低成本方面具有综合的优越性, 其在汽车材料中的主导地位仍是不可动摇的。高强度钢和超高强度钢应用在汽车车身、底盘、悬架、转向等零部件上, 将会成为未来材料的中坚力量, 因此高强度钢是汽车钢铁材料今后的主要发展方向之一。

铝合金材料具有优良加工性能, 减重效果明显, 回收利用简便, 加之我国铝资源相对丰富, 是仅次于钢铁的结构材料, 铝将是汽车轻量化中经济适用和最有竞争力的材料。

镁合金材料在汽车上得到了广泛的应用, 涉及到汽车的各种零部件, 但从成本上看它仍然偏高于铝合金。镁合金是最轻的工程金属材料, 且100%的可循环利用, 镁合金将是本世纪最具开发前景的轻质结构材料。

目前, 钛合金连杆、弹簧、悬架弹簧、气门弹簧、气门等在汽车上已成功应用。疲劳寿命比一般钢车架高出5倍, 质量要略重于铝合金, 是制造车架的最佳材料。由于成本比较高, 目前钛主要应用在赛车上。

现代汽车的材料约10%以上由塑料构成, 塑料在汽车中的应用范围正在由汽车内部装饰扩展到汽车外部结构。除聚烯烃材料近来在汽车领域的应用量大增外, 聚氨酯、增强复合材料等在汽车行业的运用也日益增加, “以塑代钢”为塑料工业提供了更加广阔的发展前景。

目前, 由于轻质材料的价格成本普遍明显高于传统车用钢铁材料, 故如何降低轻质材料在汽车零部件应用中的综合成本, 将成为汽车轻量化技术发展的另一研究方向。

4.2 轻量化工艺可行性

液压成形, 特别是内高压成形技术, 简化了模具, 缩短产品周期, 而且能制造出其他工艺无法实现的复杂结构, 对提高汽车性能、减少零件数量和汽车轻量化有着十分重要的意义, 已获得广泛应用。

新的成形工艺以及和新型材料的结合, 如发泡铝、成形轧制、激光加工等技术在汽车轻量化中发挥着重要的作用, 但尚有成本高、工艺复杂等问题, 需尽快解决。

4.3 轻量化结构可行性

结构优化可从源头上促进轻量化。开发汽车车身、底盘、动力传动系统等大型零部件整体加工技术和相关的模块化设计和制造技术, 研究常用汽车零部件模块化设计数据库及模块化方案, 常用和典型模块的参数化设计等, 建立模块化设计知识库和专家系统, 能促进汽车从制造到使用的各个环节都真正实现轻量化、节能、环保。

4.4 轻量化技术安全性

首先, 汽车轻量化技术研究在保持汽车原有的性能不受影响的前提下, 既要有目标地减轻汽车自身的质量, 又要保证汽车行驶的安全性、耐撞性、抗振性及舒适性。其次, 汽车轻量化后, 碰撞时惯性小, 制动距离减小, 另外发生碰撞时塑性材料对人的冲击小, 所以更加安全。再次, 汽车轻量化后, 车辆行驶时会因底盘质量减轻而减少颠簸, 整个车身会更加稳定, 而轻量化材料对冲撞能量的吸收, 又可以有效提高碰撞安全性。

5 结论与展望

综上所述, 汽车轻量化主要有3种途径如下。

(1) 对汽车车身、底盘、发动机等零部件进行结构优化, 在结构设计上主要采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等方法。

(2) 在使用材料方面通过材料替代或采用新材料来使汽车轻量化。在替代材料方面, 可使用铝、镁合金等有色金属材料, 塑料聚合物材料, 陶瓷材料等密度小、强度高的轻质材料;或者使用同密度、同弹性模量而且工艺性能好的截面厚度较薄的高强度钢。

(3) 采用先进的制造工艺, 使用基于新材料加工技术而成的轻量化结构用材, 如连续挤压变截面型材、金属基复合材料板、激光焊接板材等。

污泥减量化技术研究进展及发展趋势 篇8

关键词：污泥减量化技术,污泥处理处置,研究进展

据统计,全世界每天因废水污染问题死亡的人数达到14 000 人。 对剩余污泥的处理处置是多年来困扰人们的问题。 而由于活性污泥法的广泛应用,剩余污泥的处置问题更加成为研究人员共同致力研究的课题[1]。

1 污泥处理处置概况

剩余污泥的体积远远小于污水体积。但是用于剩余污泥的处置花费可以占到甚至超越整个污水处理厂日常消耗的50%以上[2]。 并且,由于不同的污水处理厂所产生的剩余污泥不尽相同,生物污泥细胞内部包含了不同种类的污染物, 如重金属、有毒化合物等, 不适当的污泥处置方法会对空气、土壤、水体造成破坏和污染,因此仅追求处理量并不能根本解决剩余污泥的处置问题。

在此背景下, 污泥减量技术进入了人们的视线。污泥减量技术是对能够使处理相同量污水产生的污泥量降低的各种技术的统称,这类技术均不会影响污水处理效果[3]。

污泥处理与处置包括污泥减量化与减容化。污泥减容化是指通过减少生物污泥的含水率从而减少生物污泥整体的体积。其中的生物固体含量并没有实质性的降低;而污泥减量化是指通过一系列方法,使得生物固体的实际产生量降低,是在根本上减少污泥的产生量[4]。

污泥减量技术按作用阶段可分为原位污泥减量技术和后减量技术。原位污泥减量是在污水处理过程中进行的,在污水处理工艺当中通过调节水处理工艺参数或其他手段来达到预期的污泥减量效果。常见的原位污泥减量技术包括解耦联污泥减量技术、溶胞-隐形生长污泥减量技术、生物捕食污泥减量技术等。而后污泥减量技术则是在污水处理工艺之后,对反应器产生的污泥进行减量作用,通常包括污泥消化及污泥焚烧技术[5]。

2 污泥减量技术

2.1 解偶联污泥减量

解偶联代谢的原理是由于能量通过三磷酸腺苷(ATP)和二磷酸腺苷(ADP)之间的相互转化从而进行循环,又因为分解代谢和合成代谢分别是控制ATP分解和ADP转化为ATP的控制代谢步骤,分解代谢产生的能量满足了合成代谢所需,而分解代谢所需要的物质是由合成代谢来提供的。 因此,当微生物的分解作用产生出的能量不能通过氧化磷酸化反应贮存在三磷酸腺苷(ATP)中,合成代谢将被抑制,从而降低活性污泥产量。

2.1.1 投加解偶联剂

投加解偶联剂在所有解偶联原理的污泥减量技术中是最容易实现的。 常见的解偶联剂包括苯酚类化合物及其衍生物[6],如2,4-二硝基苯酚(d NP)[7]、对-硝基苯酚(p NP)、3,3’,4’,5-四氯水杨酰苯胺(TCS)[8]、五氯酚(PCP)和2,4,5-三氯苯酚(TCP)[9]等。

Chen等人[10]通过实验得出,当投入0.8~1.0 mg/L的3,3’,4’,5-四氯水杨酰苯胺(TCS)时,污泥产生量仅为原产量的60%。Tian等人[11]研究了2,4-二氯苯酚在长期污泥培养方面的效果,表明污泥减量达到40%。 Fang等人[12]向活性污泥中分别投加3 种解偶联剂即:五氯苯酚,邻氯苯酚,邻硝基苯酚。 重点研究这3 种解偶联剂对活性污泥的产率,沉降性能及氮去除效率指标。 研究结果表明,这3 种解偶联剂的浓度决定了胞外聚合物以及细胞内部储存的聚羟基丁酸酯的含量。 在3 种解偶联剂中,邻氯苯酚在活性污泥减量中有起到更好的作用。

2.1.2 高S0/X0比率

改变基质浓度(S0) 与混合液悬浮固体浓度(X0)的比率可以实现污泥减量。 当基质浓度上升或者是混合液悬浮固体浓度下降时,就可以导致合成代谢和分解代谢的解偶联,ATP过量积累。 通过热损失和热做功消耗掉了过量积累的ATP,这就意味着降低了用于合成代谢的ATP,因此,污泥产率降低。

Liu等人[13]通过研究发现,升高S0/X0的比率并达到某一特定数值之后,微生物群内部多发生解偶联生长。 但是,该实验条件的S0/X0值(>5 COD/MLSS(mg/mg))在实际情况下很难达到,因此该方法只是提供了理论性的可行性。

2.2 溶胞

细胞溶解是指通过外加效果, 使得细胞壁破裂,原本贮存于细胞内的物质被释放。 细菌利用细胞溶解所释放出的可利用的物质进行生长,这就是所谓隐形生长[9]。 因此,控制隐形生长就能实现污泥的减量化目标,而细胞溶解的程度则是整个隐形生长的控速阶段。 常用的溶胞方法有臭氧氧化、超声波裂解、机械破碎、光-Fenton试剂、水解酸化等。强氧化性的臭氧首先作用于细胞壁和细胞膜,导致其结构破坏,阻碍细胞的新陈代谢。 其次,当臭氧穿透细胞膜时破坏其结构中控制细胞通透性的内酯蛋白和脂多糖,细胞内基质被释放出来。 同时,污泥中的大分子难生物降解有机物被氧化。 因此在细胞回流过程中加入臭氧氧化装置能够提高回流污泥的可生化性能[14]。

Nie等人[15]研究了向连续流活性污泥反应器的污泥回流系统中添加臭氧氧化工艺,并同时检测内分泌干扰物及常规污染物的去除。 实验结果表明,当臭氧投量为100 mg O3g-1SS时,45 d内没有剩余污泥产生。 150 mg O3g-1RES (reduction of excess sludge,减量剩余污泥)是污泥减量系统设计优化的关键参数。 Pei等人[16]的研究发现,超声波和臭氧均可引起生物固体的溶解,但只有超声波能够使生物固体粒径的减小。 在厌氧生物降解方面,预处理改善了VSS和TCOD的去除率。 同时,较臭氧处理及未预处理的污泥,超声波作用后的污泥的产甲烷率上升了27%。 研究还表明,通过厌氧消化处理过的污泥生物毒性较未处理污泥降低。

Yang等人[17]研究了厌氧-缺氧-微好氧-好氧反应器与臭氧/超声波联用反应器(AAMA+O3/US)的应用。 认为在经济评估方面,当控制AAMA+O3/US反应器分别向厌氧和微好氧区回流15%经过臭氧/超声波预处理的污泥时的经济可行性更高,与对照反应器相比节省了14.04%的消耗。 除了经济评估之外, 当经过预处理的污泥回流率为30%时,污泥减量能够达到55.08%。 同时,微生物活性也得到部分提升, 因此AAMA+O3/US联合反应器是较经济的废水处理工艺之一。

Toumura等人[18]通过模拟反应器研究了光-芬顿试剂污泥减量方法的原理。 研究表明,芬顿试剂进行污泥减量分两步。 第一步,羟基破坏细胞壁释放出细胞内含物;第二步,芬顿试剂中的铁离子和过氧化氢氧化细胞破解释放的溶解的COD。 铁离子和过氧化氢浓度越高溶解COD去除率越高。 研究还发现,光能会影响污泥溶解,同时,过氧化氢的消耗遵循假零点动力学。

水解酸化可以使污泥中微生物细胞溶解,释放出细胞内含物。同时微生物利用释放出的内含物作为营养物质进行新陈代谢。这符合了隐形生长的原理,因此,水解酸化可起到污泥减量的作用。 Li Fang[19]通过接种成熟的水解酸化泥,达到了污泥减量的效果。

细胞溶解作为污泥减量方法虽然原理简单,处理效果较好,但细胞溶解方法常常伴随着有毒药品的使用,容易造成环境污染。 同时,细胞溶解技术通常有巨大的能量消耗。 因此,细胞溶解的污泥减量方法不宜应用于实际污水处理。

2.3 生物捕食

当高等级生命形式进行捕食时,能量通过被捕食动物传递入捕食者体内,但是捕食动物本身的生命活动会消耗部分吸收来的能量,因此,能够被其利用来进行合成代谢的能量,进而降低污泥产量[5]。

Zhang等人[20]研究向污泥中投加颤蚯蚓来实现污泥减量。由于市政废水的波动性较小,因此可以直接投加颤蚓进行污泥减量。 同时,研究表明,颤蚓的投加并不会影响生物污泥对COD等常规污染物的去除,相反,当颤蚓投加量提升之后总磷的去除率有部分提升。 原因可能是当颤蚓入侵时,通过捕食作用吸收大量的磷,之后通过消化作用排泄出体外,但由于排泄物多为难溶物质,因此起到除磷效果。

Zhu等人[21]的研究表明,寡毛类动物对污泥沉降性有很大的提升,它有一定的减少污泥体积的作用,但此研究并没有进一步研究减少污泥体积的原理。 此方法对污泥减量有工程实际应用性,然而实际应用前应当考虑到微生物的来源及回收和处置问题。

3 结论

目前的污泥减量方法大多只停留于实验室研究阶段,真正能应用到实际的并不多。 将实验室的方法应用于实际是污泥减量研究亟待解决的问题。

制约污泥减量方法应用于实际的主要因素是过多的能源消耗及较高的经济耗费。 因此,寻找能量消耗低的新型污泥减量技术或者是降低现有技术的能量消耗也是污泥减量技术面临的问题。

减量化加工制造技术 篇9

污泥是城市污水处理过程中的伴生物, 是污水中污染物的浓缩体, 是部分污染物从液态转移为固态的产物, 它具有“四高”特点:1) 含水率高;2) 有机物含量高, 很容易腐烂恶臭;3) 重金属含量较高;4) 病菌含量高, 含有大量的细菌、寄生虫、病毒。若不经过无害化处理, 任意弃置, 简单填埋具有相当大的环境危害。另一方面污泥也是一种有效的生物能源, 经过妥当处置后可以加以利用。如何合理有效地处理处置污泥困扰业内人士多年, 亟待解决。为此国家三部委于2009年专门颁布《城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策》, 对污泥处理处置方式进行了优先次序的指导, 明确了污泥首先进行减量化, 强调降低污泥含水率, 减少污泥体积, 从而降低污泥运输成本, 减轻后续污泥处置承担的过量污泥体积负荷, 改善污泥处置条件, 降低处置成本。

1 污泥特性分析

1) 污泥性质表征参数。

a.含水率与含固率。含水率是污泥中水含量的百分数;含固率是污泥中固体或干泥含量的百分数。污泥含水率在85%以上呈液态;65%~85%时呈塑态, 低于60%呈固态。

b.挥发性固体。挥发性固体 (用VSS表示) 是指污泥在600℃的燃烧炉中能被燃烧, 并以气体逸出的那部分固体, 反映污泥的稳定化程度。

c.污泥中的有毒有害物质。污水中的有毒物质重金属约50%转移到污泥中。另外污泥中还有病毒微生物和寄生虫卵等有害物质。

d.比阻抗值r。比阻抗值的物理意义是单位干重滤饼的阻力, 比阻抗值越大的污泥越难过滤, 其脱水性能也差。

e.毛细吸水时间 (CST) 。其值等于污泥与滤饼接触时, 在毛细管的作用下, 水分在滤饼上渗透1 cm长度所用的时间, 以秒 (s) 计。

2) 污泥水分组成特性。

污水处理厂污泥是由液体和固体两部分组成的悬浮液。污泥中水的存在形式可分为外部水和内部水。其中外部水分为间隙水 (游离水) 、毛细水、附着水。

a.间隙水 (游离水) 。即存在于污泥颗粒间隙的水, 占污泥水分的70%左右。这部分水一般通过浓缩在重力作用下可与泥粒分离。

b.毛细水。存在于污泥颗粒间的毛细管中, 占污泥水分的20%左右, 与污泥颗粒之间的结合力较强, 需要借助外力, 比如机械脱水装置进行分离。

c.附着水及内部水。粘附于污泥颗粒表面的附着水和存在于其内部 (包括生物细胞内的水) 的内部水, 占污泥中水分的10%左右。附着水通常采用干燥或者焚烧的方法来去除。内部水必须进行细胞破壁, 才能分离。

2 减量化技术分析

目前国内污水处理厂产生的污泥进行减量化处理主要是在污水厂内完成, 采用的技术主要为浓缩+机械脱水。其中浓缩有重力浓缩、机械浓缩以及气浮浓缩, 以前两者为主。主要分离污泥中的间隙水 (游离水) 。机械脱水主要采用带式脱水机、离心脱水机以及叠螺脱水机进行脱水。主要分离污泥中的毛细水。污泥经过浓缩脱水后, 含水率基本上在80%左右。污泥呈塑态, 水分是干污泥的4倍~5倍, 体积庞大, 给后续的污泥处置带来相当大的困难。如果经过好氧堆肥后进行土地利用, 需要掺加大量的辅料保证堆体的均匀供氧;如果直接加煤掺烧, 或者通过热源 (蒸汽或者烟气余热) 干化后进行焚烧, 不仅经济不合理 (每吨80%含水率的污泥, 成本为300元~500元) , 而且会消耗大量能源 (蒸发1 t水需要消耗0.2 t煤或者1.2 t蒸汽的汽化热) ;如果进行卫生填埋, 需要采用其他措施, 将污泥含水率降至60%以下, 方可达到填埋场进场要求;如果采用传统的污泥脱水方法进行污泥进一步减量化已形成技术瓶颈。污泥深度脱水技术应运而生将是破解这个瓶颈的行之有效的方法。

污泥深度脱水是指破坏细胞壁, 释放结合水、吸附水和细胞内部水, 改善污泥脱水性能, 使脱水处理后的污泥含水率降至60%以下的脱水方式, 主要的方法有:石灰稳定干化脱水、化学调质+高压压滤脱水、低温碳化 (裂解) 脱水、污泥电渗析深度脱水。

1) 石灰稳定干化脱水。

工艺原理核心是化合反应。脱水污泥 (含水率80%) 与固化材料混合搅拌后, 污泥中的水分与固化材料中的生石灰 (Ca O) 反应后生成熟石灰 (Ca (OH) 2) 并释放大量余热, 在处理过程中可以使污泥温度迅速上升至100℃以上, 蒸发水分, 达到干化及杀菌的目的。污泥经石灰稳定干化处理后, 含水率迅速降至40%以下, 堆量8 d后, 含水率可降至5%, 有机物含量可由45%降至8%, TN含量降至1%, 重金属得到钝化, 大肠杆菌彻底消除。

化学反应式:Ca O+H2O→Ca (OH) 2+热量。

工艺流程见图1。

脱水污泥与生石灰按照质量比4∶1进行混合。

该技术具有见效快、效果好的特点, 但是存在着诸多缺点。虽然污泥含水率下降, 但是含固量反而增加较大, 未能实现有效减量化。p H值发生变化, 碱性增强, 一般可达到10~13, 给后续的处置带来困难, 不宜进入垃圾填埋场进行混合填埋或作为覆盖土使用。北京小红门污水处理厂 (60万m3/d) 建成了日处理污泥 (80%含水率) 400 t的石灰稳定干化设施。

2) 化学调质+高压压滤脱水。

污泥的调质处理是污泥深度脱水的关键环节和核心技术。污泥通过掺加药剂调质, 破坏以蛋白质为基础的细胞壁, 释放污泥中的结合水和吸附水、细胞内部水, 克服污泥比阻, 大幅度降低污泥粘性, 提高污泥脱水效果。

工艺流程如图2所示。

污泥调理采用投加Fe Cl3加Ca O的调理方式, 在调理池中完成污泥调理。先后采用浓度为38%的Fe Cl3溶液和级配大于100目的Ca O进行调理。由加药泵投加Fe Cl3溶液, 使用电磁流量计来计量;由电子秤计量后自动投加Ca O。Fe Cl3的投加量约为污泥重量的0.5%~0.7%, Ca O的投加量约为污泥重量的1%~1.5%。投加Fe Cl3和Ca O还有钝化重金属和杀菌除臭的作用。

污泥高压压滤脱水主要采用高压隔膜箱式压滤机来完成。它由进泥系统、隔膜压滤系统、吹脱系统、卸泥系统组成。污泥脱水过程产生的滤液体积大约是污水量的0.3%~1%, 回流至生物池可为生物脱氮提供碱度和碳源。

该技术具有减量效果明显, 能源消耗低, 便于后续处置的特点, 将会在我国污泥处理处置方面充当主要角色, 成为主要技术途径。

3) 低温碳化 (裂解) 脱水。

污泥低温碳化是在低温 (300℃以下) 、中压 (10 MPa以下) 条件下, 将污泥中的细胞裂解, 释放细胞内部水。裂解后的污泥再次脱水, 污泥含水率可降至50%以下。

流程图如图3所示。

含水率约80%的污泥首先进行切碎, 然后通过高压泵注入到预热池和加热池进行升温, 升温后的污泥进入反应器, 在10 MPa的压力下, 污泥进行裂解, 15 min~20 min后进入冷却器后变成裂解液, 污泥从原来的塑体状态变成了液态。液态裂解液经过脱水装置可将其中大部分水分脱出, 使污泥含水率降至50%以下, 体积减小为原来的40%以下。如利用系统余热对脱水后的污泥进一步烘干, 可将污泥含水率降至30%以下, 可作为低热值燃料 (2 500 k Cal/kg~3 000 k Cal/kg) 。

该技术与传统的外加热源干化以及焚烧工艺相比, 技术简单, 工艺流程短, 投资成本低。另外工艺过程中不蒸发水分, 大幅减少所需能耗, 运行成本较低, 山西晋中市第二污水厂是国内第一个采用该技术对污泥进行处理处置的污水厂。

3 技术路线选择

山西省至2013年年底建成投入运行的城镇污水处理厂共134座, 处理能力达到304万m3/d。年产含水率80%左右的污泥为80万t, 折合干污泥为16万t/年。随着太原市、长治市、阳泉市等城市新建或扩建的污水厂在“十二五”期间建成投产运行后, 污泥产量将会在现有的基础上增加25%左右, 年产含水率80%的污泥约为100万t左右。除晋中第二污水厂对污泥进行了低温碳化深度脱水外, 其余污水厂都是将污泥脱水至含水率80%左右后外运填埋, 这种处置方式不仅降低了垃圾填埋场服务年限, 而且因为下一步对接纳污泥的含水率提出明确的要求 (即含水率必须降至60%以下) , 导致污泥随意弃置的现象时有发生。山西省作为一个中部地区省份, 经济相对落后, 许多污泥处理处置技术路线在山西应用受到制约。因此, 寻找一条适合山西的污泥深度减量化技术路线显得尤为重要。

山西省住建厅编制的“十二五”污泥处理处置规划, 欲在全省建设22个污泥处置中心集中处置污泥。目前规划落实比较缓慢, 其原因是各城市具体情况不同, 环保部门对污泥处置的执法受各种因素影响难以到位。

污泥的处置方式决定污泥的减量化技术路线的选择, 在处置前将污泥深度减量是目前急需首要解决的问题。

1) 一次脱水, 就近减量。超过10万m3/d的污水处理厂, 日产污泥量较大, 应考虑在污水厂内完成污泥深度脱水。技术路线可采用污泥经过浓缩后, 进行化学调质, 然后再进行高压压滤脱水, 脱水后的污泥便于运输, 可以送至污泥处置中心进行后续处置, 也可直接送至垃圾填埋场进行卫生填埋。该技术路线缩短了污泥脱水流程, 将两次脱水合并为一次深度脱水, 无论是建设费用和运行费用都是最合理的。相邻的小型污水处理厂80%含水率的污泥也可一同混合后进行深度脱水。目前无锡市就是采用该技术路线, 效果很好。该技术路线需要拆除现有的脱水系统。

2) 两次脱水, 集中减量。山西省县镇两级的污水处理厂处理规模都在4万m3/d以下, 规模更小的每日只有几千吨, 污泥产量较小, 不适宜改造成一次深度脱水, 并且这些污水处理厂大多已有污泥脱水系统, 脱水后污泥含水率为80%左右。可考虑将几个污水处理厂的脱水污泥集中在一座规模较大的污水处理厂进行二次深度脱水, 也可将脱水后的污泥送至污泥处置中心进行二次深度脱水, 具体采用哪种方式主要看后续的污泥处置方式。技术路线可采用化学调质+压滤脱水的方式, 也可采用低温碳化+压滤脱水的方法, 该技术路线可以避免所有的污水厂都进行技术改造, 具有规模效应和可操作性, 适合中小污水处理厂污泥深度脱水, 也适合污泥处置中心污泥深度脱水。

污泥电渗析深度脱水技术也属于二次脱水技术, 具有不改变污泥成分, 不需投加药剂的特点, 但是由于脱水设备价格昂贵, 并且主要依赖进口, 因此, 可考虑在经济条件较好的地区进行试点, 目前在我省尚不宜大规模推广。

4 结语

对污泥进行深度减量化是解决污泥处理和处置的首要条件, 适应了污水、污泥处理系统实现良性运行、防止二次污染、进一步增强环境效益的需求。在今后较长时间内, 污泥减量化还需要从原理、技术、设备等方面进行全方位系统的研究与比较, 以最终实现全面应用。

摘要：分析了污泥性质表征参数及其水分组成特性, 论述了石灰稳定干化脱水、化学调质+高压压滤脱水、低温碳化脱水等污泥深度脱水所采用的方法, 并对污泥的减量化技术路线的选择方式进行了研究, 以供参考。