CN102169071A

CN102169071A - 一种基于挠性转子的旋转圆盘空蚀试验台

Info

Publication number: CN102169071A
Application number: CN 201110023815
Authority: CN
Inventors: 蒋书运
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2031-01-21
Also published as: CN102169071B

Abstract

基于挠性转子的旋转圆盘空蚀试验台涉及一种基于挠性转子，用于材料抗空蚀性能试验的旋转圆盘空蚀试验台；其中，立柱（17）的下部固定在底座（18）上，立柱（17）的上部固定支架（2），在支架（2）上固定有调速电机（1），角接触球轴承（8）位于轴承座（7）中，轴承座（7）通过支架固定在支架（2）上；调速电机（1）的输出轴通过上联轴器（3）和下联轴器（4）与主轴（5）连接，主轴（5）的上端固定在角接触球轴承（8）上，下端固定圆盘（13）并位于水罐（11）中，水罐（11）通过托盘（16）固定在立柱（17）上。这种试验台结构简单运转平稳，空蚀强度可连续调节，空蚀诱发物与试件的距离可调，试件夹持方式特殊，试验操作简单，测试材料抗空蚀性能效果较好。

Description

一种基于挠性转子的旋转圆盘空蚀试验台

技术领域

本发明涉及一种基于挠性转子，用于材料抗空蚀性能试验的旋转圆盘空蚀试验台，属于摩擦学技术领域。

背景技术

空蚀是在一定的环境温度条件下，液体介质中因局部压力变化导致空泡形成和溃灭，材料连续受高压、高速冲击波和微射流冲击作用产生的表面破坏。长期以来，空蚀严重影响泄水建筑物、水力机械(水泵、水轮机、闸门)、船舶螺旋桨的性能和使用寿命。空蚀涉及众多的领域，例如宇航、国防、航海、化工、原子能甚至生物和医学等，成为这些领域遇到的难题之一。研究材料的抗空蚀性能通常有两种方式，一种是对某种材料进行现场原型实验，但试验历时较长，也不经济。同时由于现场环境的复杂性，困难较大；另一种是利用室内试验设备进行室内试验，也称为“快速空蚀试验”，在有条件时将其结果与现场资料进行对比。

旋转圆盘空蚀设备(简称为转盘装置)是常用的室内空蚀试验设备之一，这种设备原理与特点如下：

转盘的边缘上有贯穿转盘厚度的小孔或嵌在转盘上的凸体等空蚀诱发物，当转盘置于水罐中的试验水内高速转动时，在小孔或凸体后将产生尾流空化，其中的游移型空泡将在尾流末端沿盘面溃灭，嵌入盘面空泡溃灭处的试样表面将产生空蚀破坏。该设备的优点是在其不同半径处设置空蚀诱发物便可形成所需流速下的空蚀强度，并且其空蚀能力高于文德里管型空蚀设备，大致与振动型空蚀设备所获得的空蚀率相仿；其缺点为设备中的水流流态比文德里管型空蚀设备复杂。

除上述旋转圆盘空蚀试验设备之外，还有磁致伸缩仪、文德里管型空蚀设备、水滴冲击设备和往复式活塞型空蚀设备等。从空蚀率来看，旋转圆盘空蚀设备与磁致伸缩仪空蚀率最大，且旋转圆盘空蚀设备可以模拟实际水轮机、水泵或闸门槽等流速对材料空蚀的影响，能较好地预估原型的空蚀破坏程度，广泛应用于各种材料或涂料的相对抗空蚀性能研究。但是目前国内外旋转圆盘空蚀设备一般存在如下的缺点：目前国内外的旋转圆盘空蚀设备为了获得某一流速下的空蚀强度，在转盘不同半径处设置空蚀诱发物，以便形成所需流速下的空蚀强度，这种利用在转盘不同半径处设置空蚀诱发物获得不同空蚀强度的方式局限在于只能在有限几种不同半径上设置空蚀诱发物，空蚀诱发物的数量有限，导致所需流速不可无极连续调节，空蚀强度选择因此也不可连续调节；空蚀诱发物与试件的距离不可调，无法在相同转速情况下是获得不同的空蚀强度，也无法找到某个转速下，获得最大空蚀强度时，空蚀诱发物离试件的最佳距离；转盘和电机采用刚性连接，导致电机的振动传递到旋转圆盘空蚀设备，或者电机主轴和旋转圆盘转子系统主轴由于安装误差存在的不同轴度引起旋转圆盘空蚀设备的振动；试验时操作复杂，试件拆装麻烦；水罐中没有设置隔板，转盘带动水转动，既增加电机的功率耗散，又减小水与转盘的相对转速，减小空蚀时试件中心相对水的线速度，影响空蚀强度。

发明内容

技术问题：针对目前国内外旋转圆盘空蚀设备存在的不足，本发明提出一种基于挠性转子的旋转圆盘空蚀试验台。这种试验台结构简单运转平稳，空蚀强度可连续调节，空蚀诱发物与试件的距离可调，试件夹持方式特殊，试验操作简单，测试材料抗空蚀性能效果较好。

技术方案：本发明的基于挠性转子的旋转圆盘空蚀试验台，包括：包括调速电机、支架、上联轴器、下联轴器、主轴、端盖、轴承座、角接触球轴承、水罐、圆盘、绕流体、隔板、托盘、立柱、底座、试件安装孔、绕流体安装孔；其中，立柱的下部固定在底座上，立柱的上部固定支架，在支架上固定有调速电机，角接触球轴承位于轴承座中，轴承座通过支架固定在支架上；调速电机的输出轴通过上联轴器和下联轴器与主轴连接，主轴的上端固定在角接触球轴承上，下端固定圆盘并位于水罐中，水罐通过托盘固定在立柱上。

所述的水罐内的下部设有隔板。所述的圆盘的圆周边对称设有试件、绕流体。

上联轴器、下联轴器采用柔性钢丝绳连接。主轴为悬臂细长挠性转子，调速电机转速大于该挠性转子的一阶临界转速。在所述的水罐上设有上盖，上盖安装在支架上，上盖底面周围粘贴有一圈弹性密封圈。圆盘上面试件夹持方式是径向的螺钉压紧方式。

本发明的一种基于挠性转子的旋转圆盘空蚀试验台，其工作过程为：试验开始前将托盘移动到立柱的最下方，根据试验需要，将不同水质、水中微粒的水注入水罐中。装夹清洗好的试件，根据试验强度需要在不同绕流体安装孔中安装绕流体，将托盘移动到立柱的上部，使水罐压紧上盖的密封圈。根据试验转速需要在变频器上设置频率，开启电机，开始试验。

有益效果：本发明提出的一种基于挠性转子的旋转圆盘空蚀试验台，电机转速可控，空蚀时试件线速度可控，空蚀强度可连续调节；采用挠性转子的结构使得圆盘旋转平稳，振动小；空蚀诱发物与试件的距离可调，可以获得相同转速下不同的空蚀强度；试验操作简单，试件夹持方式特殊，不会损伤试件表面，影响试验精度；隔板可以有效地防止圆盘带动水跟着旋转，既可以减少电机的功率耗散，又增加水与转盘的相对转速，增加空蚀时试件中心相对水的线速度，可以提高空蚀的强度与效率；试验台可以同时夹持四个试件进行试验，可以在相同的试验条件下比较不同试件抗空蚀的性能。

附图说明

图1是本发明的旋转圆盘空蚀试验台总体结构原理图。

图2是图1中旋转圆盘部分的结构示意图。

图3是图2A-A的剖视结构示意图。

图4是图1中转子系统的一阶振型图。

图5是图1中转子系统的二阶振型图。

以上的图中有：调速电机1、支架2、上联轴器3、下联轴器4、主轴5、端盖6、轴承座7、角接触球轴承8、弹性密封圈9、上盖10、水罐11、试件12、圆盘13、绕流体14、隔板15、托盘16、立柱17、底座18、试件安装孔19、绕流体安装孔20。

具体实施方式

本发明的旋转圆盘空蚀试验台主要部件构成：

调速电机1通过变频器控制，选用西门子SINAMICS G110型单相交流变频器，由西门子（中国）有限公司制造，

电机：三相异步电动机，型号YS90L2，南京南华大方电机有限公司。

角接触球轴承8：角接触陶瓷球轴承7002C，大友公司。

调速电机1通过支架2安装在立柱17上，电机主轴上安装上联轴器3，旋转圆盘空蚀试验台主轴5上安装下联轴器4，上联轴器3与下联轴器4用柔性绳连接。主轴5上端安装一对面对面角接触球轴承8，通过端盖6给定一定的预紧力。轴承座7安装在支架2上。轴承座7还起到支撑主轴5和圆盘13重量的作用。上盖10安装在支架2上，上盖10底面周围粘贴一层弹性密封圈9。圆盘13安装在主轴5的最下端。圆盘13边缘的试件安装孔19、绕流体安装孔20用于安装试件12和绕流体14。隔板15安装在水罐11底部。托盘13可以沿立柱14上下运动，行程略大于水罐12的深度。

调速电机的转速由变频器控制，可以实现无级变速，空蚀强度因此也可连续调节；电机与主轴采用柔性的联轴器连接，可以防止电机振动传递到旋转圆盘空蚀试验台，也可以防止电机转轴与旋转圆盘转子系统主轴的不同轴度引起旋转圆盘空蚀试验台的振动，从而能够减小旋转圆盘空蚀试验台的振动。

主轴是悬臂的细长轴，一阶临界转速通过传递矩阵方法求解约为1400r/min，二阶临界转速约为28000r/min。工作时电机最高转速是2800r/min，为典型的挠性转子。转子迅速越过一阶临界转速，达到自动定心，此时转子运转平稳。

圆盘边缘均部4组试件和绕流体安装孔，试验台可以同时夹持四个试件进行试验，可以在相同的试验条件下比较不同试件抗空蚀的性能。在圆盘0°，90°，180°和270°方向各有一个试件安装孔，距离每个试件安装孔不同位置处每组有4个绕流体安装孔，可以根据绕流体安装孔与试件的距离选择安装绕流体，来达到最佳的空蚀效果，或者在同一个转速下，选择不同位置安装绕流体，获得不同的空蚀强度。试件中心线速度最高可达35m/s，空蚀效果较为明显。

试件的夹持方式是采用径向方向的螺钉压紧的方式，试件加工成短圆柱形状，安装时，试件裹上生料带放入圆盘上的孔中，然后旋紧螺钉，压紧试件。这样既可以方便有效地固定试件，又可以防止螺钉直接压紧试件，导致试件便面变形或损伤等，影响试验精度。

水罐内安装一个十字架形状的隔板，试验时圆盘旋转，圆盘与水之间的粘滞力带动水跟着圆盘旋转，隔板可以有效地防止圆盘带动水跟着旋转，这样既可以减少电机的功率耗散，又增加水与转盘的相对转速，增加空蚀时试件中心相对水的线速度，可以提高空蚀的强度与效率。

水罐安装在托盘上，托盘可上下运动，托盘运动的行程略大于水罐的高度。试验时托盘移动到立柱的上部，使水罐压紧上盖的密封圈，这时圆盘沉在水罐的底部，圆盘距离隔板很近，可以有效地防止水跟着圆盘旋转。试验后托盘移动到立柱的下部，这时圆盘在水罐的外面，方便试件的装拆。

Claims

1.一种基于挠性转子的旋转圆盘空蚀试验台，其特征在于该试验台包括调速电机（1）、支架（2）、上联轴器（3）、下联轴器（4）、主轴（5）、端盖（6）、轴承座（7）、角接触球轴承（8）、水罐（11）、圆盘（13）、绕流体（14）、隔板（15）、托盘（16）、立柱（17）、底座（18）、试件安装孔（19）、绕流体安装孔（20）；其中，立柱（17）的下部固定在底座（18）上，立柱（17）的上部固定支架（2），在支架（2）上固定有调速电机（1），角接触球轴承（8）位于轴承座（7）中，轴承座（7）通过支架固定在支架（2）上；调速电机（1）的输出轴通过上联轴器（3）和下联轴器（4）与主轴（5）连接，主轴（5）的上端固定在角接触球轴承（8）上，下端固定圆盘（13）并位于水罐（11）中，水罐（11）通过托盘（16）固定在立柱（17）上。

2.根据权利要求1所述的基于挠性转子的旋转圆盘空蚀试验台，其特征在于所述的水罐（11）内的下部设有隔板（15）。

3.根据权利要求1所述的基于挠性转子的旋转圆盘空蚀试验台，其特征在于所述的圆盘（13）的圆周边对称设有试件（12）、绕流体（14）。

4.根据权利要求1所述的基于挠性转子的旋转圆盘空蚀试验台，其特征在于上联轴器（3）、下联轴器（4）采用柔性钢丝绳连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于挠性转子的旋转圆盘空蚀试验台，其特征在于主轴（5）为悬臂细长挠性转子，调速电机（1）转速大于该挠性转子的一阶临界转速。

6.根据权利要求1所述的一种基于挠性转子的旋转圆盘空蚀试验台，其特征在于在所述的水罐（11）上设有上盖（10），上盖（10）安装在支架（2）上，上盖（10）底面周围粘贴有一圈弹性密封圈（9）。

7.根据权利要求1所述的一种基于挠性转子的旋转圆盘空蚀试验台，其特征在于圆盘（13）上面试件（12）夹持方式是径向的螺钉压紧方式。