CN102962770B - 热管砂轮工作状态监测装置与评价热管砂轮启动时间和换热性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于热管砂轮的工作状态监测装置与评价热管砂轮启动时间和换热性能的方法，其中监测装置包括：一砂轮回转试验机，包括一电动机和旋转轴，在该旋转轴上固定有一热管砂轮，在热管砂轮热端以及冷端的内外壁分别设置有测温热电偶；一高频感应加热装置，设置在热管砂轮热端外壁；一电刷集流环系统，包括集流环系统以及与之相对应的电刷系统；一压力传感器，设置在热管砂轮的热管内；一信号采集处理器，用于采集热电偶测温点及压力传感器输出的电势信号并转换成相应的温度或压力信号。本发明通过对热管砂轮热端和冷端内外壁温度的检测以及热管工作腔内压力的变化，实时监测热管砂轮的换热过程，可以有效模拟磨削过程中弧区热量在热管砂轮内部的传递。
Description
技术领域
本发明涉及一种热管砂轮的工作状态监测装置与方法，适用于评价热管砂轮的启动时间和换热性能，属于难加工材料高效磨削加工领域。
背景技术
随着航空航天技术的飞速发展，对诸如钛合金、高温合金等难加工材料零件的需求日益迫切，磨削加工由于可获得较高的零件表面质量，往往作为零件的最终加工工序。但对上述材料进行磨削加工时，由于材料本身的导热性能差，所消耗的能量大部分都以热能的形式积聚在磨削弧区，如果不能及时将这些热量疏导出去，磨削弧区的温度会急速上升，过高的磨削温度会导致工件表面的热损伤，此外，还造成砂轮工具磨损速度加快。因此，为保证上述难加工材料的加工质量，其磨削加工效率往往很低。为了降低弧区温度，常用的做法是向磨削弧区喷射大流量高压磨削液，但由于砂轮高速回转形成的气障有效阻碍了磨削液进入磨削弧区，实验结果发现其冷却效果并不理想。
在众多的传热组件中，热管的传热效率极高，有热的“超导体”美称。目前已有人将热管技术运用到磨削加工中的弧区强化冷却，并研制出一种新型磨具------热管砂轮，其核心是基于环形回转热管的传热原理，使磨削弧区的热量直接导入热管蒸发端并经热管迅速疏导出去，使冷却的重心由工件转向砂轮，以达到强化弧区换热效果，降低磨削温度目的，从而极大地提高难加工材料的材料去除率。
由于热管砂轮的启动时间与换热性能受到诸如砂轮转速、弧区热流密度、工质条件等多种因素的影响，为了准确评价热管砂轮在不同条件下的启动时间与换热性能，需要建立一套热管砂轮工作状态监测装置，该装置可定量模拟弧区热源并准确测量热管砂轮热端和冷端内外壁温度及热管工作腔内气压变化。
发明内容
本发明的目的是提供一种热管砂轮工作状态监测装置与方法，该装置通过模拟弧区热源，在热管砂轮中依次布置有测温热电偶，特别适用于不同影响因素（砂轮转速、弧区热流密度、工质条件等）条件下对热管砂轮的启动时间和换热性能进行评价。
为实现以上技术目的，本发明将采取以下的技术方案：
一种用于热管砂轮的工作状态监测装置，包括：
一砂轮回转试验机，包括一电动机和经一传动机构连接的旋转轴，在该旋转轴上固定有一热管砂轮，在热管砂轮热端以及冷端的内外壁分别设置有测温热电偶；
一高频感应加热装置，设置在所述的热管砂轮热端外壁；
一电刷集流环系统，包括集流环系统以及与之相对应的电刷系统，其中集流环系统包括与所述测温热电偶连接的导电环；所述的电刷系统包括轴向进给装置和电刷装置，该电刷装置包括与所述的导电环接触的石墨棒；
一压力传感器，设置在所述的热管砂轮的热管内；
一信号采集处理器，用于采集所述的热电偶测温点及压力传感器输出的电势信号并转换成相应的温度或压力信号。
所述热管砂轮包括砂轮基体、砂轮端盖、内密封圈、外密封圈、转接头以及堵头，且所述热管砂轮的外圆面为光滑面；所述砂轮端盖通过所述内密封圈、所述外密封圈以及两圈周向均布的内六角圆柱头螺钉与所述砂轮基体相连；所述转接头通过两个径向密封圈和一个端面密封圈安装在砂轮基体背面；所述堵头通过一个径向密封圈安装在转接头内。
所述高频感应加热装置采用交流电源，输入功率0~6.6KW，通过调节感应线圈电流，能够向与热管砂轮热端相对的外圆壁面提供0~100W/mm2的热流密度；所述感应线圈采用双回路方形紫铜管，与热管砂轮热端外壁间距为2mm。
所述轴向进给装置由丝杠、手动旋钮、垫块、固定板、螺纹套、导轨以及推杆组成，所述螺纹套与所述推杆通过螺纹连接，且推杆左侧开设有一圆孔，所述丝杠直径较大的一端装入该圆孔内且与圆孔底面有良好的贴合；所述推杆装入所述导轨内，所述固定板旋入所述丝杠上，并与所述导轨通过内六角圆柱头螺钉实现连接；另外，所述丝杠直径较小的一端铣成方形并通过所述垫块和开槽盘头螺钉固定在所述手动旋钮上。
所述电刷装置还包括胶木支架、铜导线、弹簧和定位螺钉，所述的石墨棒置于胶木支架内，所述弹簧的一端与所述定位螺钉的台阶面贴合，另一端与所述石墨棒的底面贴合；所述铜导线的两端分别锡焊在所述定位螺钉和所述石墨棒上。铜导线在焊接时应保证铜导线处于较为松弛的状态。
所述集流环系统还包括胶木环，所述胶木环由两圈周向均布的内六角圆柱头螺钉安装在砂轮基体槽内，且胶木环与基体端面相齐或略低于基体端面；所述黄铜环为五片，五片黄铜环安装在胶木环与之相应的五个槽内，每片黄铜环由四个周向均布的开槽盘头螺钉锁紧在胶木环上。
所述测温热电偶为康铜丝，五根康铜丝的另一端通过接线夹头分别与所述集流环上与每片黄铜环对应的开槽盘头螺钉相连。测温方法采用半人工热电偶法，其测量点包括热管砂轮热端外壁、与之相对的热端内壁、热管砂轮冷端内壁以及与之相对的冷端外壁，第五根康铜丝则焊在砂轮壁面上。另外，康铜丝安装前在其表面涂一层AB胶以保证彼此绝缘，并且在热管工作腔引出康铜丝用小孔及其周围涂上AB胶以保证热管良好的气密性。
所述压力传感器安装在砂轮基体的螺纹孔内，与热管工作腔连通，其上安装有可保证热管工作腔良好的气密性的一端面密封圈，其输入输出信号线在测量压力信号时也与所述集流环上与每片黄铜环对应的开槽盘头螺钉相连。
本发明的另一个技术目的是提供采用上述热管砂轮的工作状态监测装置进行评价热管砂轮的启动时间和换热性能的方法，包括以下步骤：
一、把热管砂轮通过法兰底座及法兰盖安装在砂轮回转试验机上；
二、调节电刷系统与热管砂轮的相对位置，使得石墨棒与旋转的热管砂轮端面安装的黄铜环表面实现良好贴合；
三、接通高频感应加热装置的电源，调节感应线圈电流以控制线圈输出的热流密度q，同时由四对测温热电偶分别测得该热流密度下热管砂轮热端外壁温度T1、与之相对的热端内壁温度T2、热管砂轮冷端内壁温度T3以及与之相对的冷端外壁温度T4，根据砂轮结构和材料性质可计算出该热流密度q对应的热管砂轮等效换热系数 ；
四、将压力传感器的四根输入输出信号线分别与集流环系统中与每片黄铜环对应的开槽盘头螺钉相连，接通高频感应加热装置的电源，重复获得步骤三所述线圈输出的热流密度q；同时由压力传感器测得每种热流密度下热管工作腔内气体压力P随时间t变化的曲线，由此判断热管砂轮的启动时间；
五、改变砂轮转速或者改变工质性质，重复步骤三和步骤四，可定量分析砂轮转速以及工质性质对热管砂轮启动时间和换热性能的影响。
根据以上技术方案，可实现以下有益效果：
1、本发明通过对热管砂轮热端和冷端内外壁温度的检测以及热管内压力的变化，实时监测热管砂轮的换热过程，可以有效模拟磨削过程中弧区热量在热管砂轮内部的传递。
2、所述发明装置中压力传感器可实时监测热管工作腔内气压变化，由此判断出热管砂轮在不同工作条件下的启动时间。
3、由于砂轮结构可反复拆装，通过本发明所述热管砂轮的工作状态监测装置与方法，可实现不同影响因素（砂轮转速、弧区热流密度、工质性质等）条件下对热管砂轮的换热性能进行评价。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图；
图2是热管砂轮的主视图；
图3是图2 的A-A向剖视图；
图4是图3的E部放大示意图；
图5是图3的B-B向剖视图；
图6是电刷集流环系统示意图；
图7是图6的C-C向视图；
图8是图6的D-D向视图；
图9是本发明P- t之间的对应关系图。
图中各标号的名称：热管砂轮1；法兰盖2；电刷系统3；高频感应加热装置4；砂轮回转试验机5；法兰底座6；外密封圈7；砂轮端盖8；内密封圈9；胶木环10；黄铜环11；压力传感器12；后端盖13；康铜丝14；砂轮基体15；堵头16；转接头17；垫块18；丝杠19；手动旋钮20；固定板21；螺纹套22；推杆23；导轨24；石墨棒25；铜导线26；弹簧27；定位螺钉28；胶木支架29，计算机30，信号采集卡31。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明内容作详细的描述。
如图1至图9所示，本发明所述热管砂轮的工作状态监测装置，用于评价热管砂轮的启动时间和换热性能。将热管砂轮1通过法兰底座6及法兰盖2安装在砂轮回转试验机5上，所述热管砂轮包括砂轮基体15、砂轮端盖8、内密封圈9、外密封圈7、转接头17以及堵头16，且所述热管砂轮的外圆面为光滑面。所述砂轮端盖8通过所述内密封圈9、所述外密封圈7以及两圈周向均布的内六角圆柱头螺钉与所述砂轮基体15相连；所述转接头17通过两个径向密封圈和一个端面密封圈安装在砂轮基体15背面；所述堵头16通过一个径向密封圈安装在转接头17内，转接头17和堵头16共同实现热管砂轮1的抽真空、注液与密封。在砂轮基体15前端面安装有所述集流环系统和电刷系统3，其中所述集流环系统还包括胶木环10和黄铜环11；所述胶木环10由两圈周向均布的内六角圆柱头螺钉安装在砂轮基体槽内，且胶木环10与基体端面相齐或略低于基体端面；所述黄铜环11为五片，五片黄铜环安装在胶木环10与之相应的五个槽内，每片黄铜环由四个周向均布的开槽盘头螺钉锁紧在胶木环10上（五片黄铜环11在安装前表面应用细粒度金相砂纸打磨，使得表面粗糙度Ra小于1.6）。与集流环系统相对应的是电刷系统3，且电刷系统3由轴向进给装置和电刷装置两部分通过内六角圆柱头螺钉相连接。所述轴向进给装置由丝杠19、手动旋钮20、垫块18、固定板21、螺纹套22、导轨24以及推杆23组成；所述螺纹套22与所述推杆23通过螺纹连接，且推杆左侧开设有一圆孔，所述丝杠19直径较大的一端装入该圆孔内且与圆孔底面有良好的贴合；所述推杆23装入所述导轨24内，所述固定板21旋入所述丝杠19上，并与所述导轨24通过内六角圆柱头螺钉实现连接；另外，所述丝杠19直径较小的一端铣成方形并通过所述垫块18和开槽盘头螺钉固定在所述手动旋钮20上。所述电刷装置还包括胶木支架29、铜导线26、弹簧27和定位螺钉28，所述的石墨棒25置于胶木支架29内，所述弹簧27的一端与所述定位螺钉28的台阶面贴合，另一端与所述石墨棒25的底面贴合；同时，弹簧27的压缩量应保证当电刷装置工作时在5~10mm，确保弹簧27能始终补偿石墨棒25的磨损量；所述铜导线26的两端分别锡焊在所述定位螺钉28和所述石墨棒25上，铜导线在焊接时应保证铜导线处于较为松弛的状态。调节电刷系统3中石墨棒25与集流环系统中黄铜环11的相对位置，使得两者一一对应，且两者表面在热管砂轮1高速旋转时处于良好贴合状态；由电刷系统3采集到的热电偶测温点及压力传感器输出的电势信号通过信号采集卡导入到计算机内，并转换成相应的温度或压力信号。
所述高频感应加热装置4采用交流电源，输入功率0~6.6KW，通过调节感应线圈电流，能够向与热管砂轮1热端相对的外圆壁面提供0~100W/mm2的热流密度；所述感应线圈采用双回路方形紫铜管，与热管砂轮热端外壁间距为2mm。
所述测温热电偶为康铜丝14，五根康铜丝的另一端通过接线夹头分别与所述集流环上与每片黄铜环11对应的开槽盘头螺钉相连。测温方法采用半人工热电偶法，其测量点包括热管砂轮热端外壁、与之相对的热端内壁、热管砂轮冷端内壁以及与之相对的冷端外壁，第五根康铜丝焊在砂轮壁面上。另外，康铜丝14安装前在其表面涂一层AB胶以保证彼此绝缘，并且在热管工作腔引出康铜丝用小孔及其周围涂上AB胶以保证热管良好的气密性。
所述压力传感器12安装在砂轮基体15的螺纹孔内，与热管工作腔连通，其上安装有可保证热管工作腔良好的气密性的一端面密封圈，其输入输出信号线在测量压力信号时也与所述集流环系统上与每片黄铜环11对应的开槽盘头螺钉相连。
本发明的另一个技术目的是提供采用上述热管砂轮的工作状态监测装置进行评价热管砂轮的启动时间和换热性能的方法，包括以下步骤：
一、把热管砂轮通过法兰底座及法兰盖安装在砂轮回转试验机上；
二、调节电刷系统与热管砂轮的相对位置，使得石墨棒与旋转的热管砂轮端面安装的黄铜环表面实现良好贴合，为了提高信号采集的稳定性，在试验开始前应让石墨棒与旋转的黄铜环对磨10~20s的时间；
三、接通高频感应加热装置的电源，调节感应线圈电流以控制线圈输出的热流密度q，同时由四对测温热电偶分别测得该热流密度下热管砂轮热端外壁温度T1、与之相对的热端内壁温度T2、热管砂轮冷端内壁温度T3以及与之相对的热管砂轮冷端外壁温度T4，根据砂轮结构和材料性质可计算出每种热流密度q对应的热管砂轮等效换热系数；
四、将压力传感器的四根输入输出信号线分别与集流环系统中与每片黄铜环对应的开槽盘头螺钉相连，接通高频感应加热装置的电源，重复获得步骤三所述线圈输出的热流密度q；同时由压力传感器测得每种热流密度下热管工作腔内气体压力P随时间t变化的曲线（见图9），由此判断热管砂轮的启动时间；
五、改变砂轮转速或者改变工质性质，重复步骤三和步骤四，可定量分析砂轮转速以及工质性质对热管砂轮换热性能的影响。
热管砂轮启动时间的判定方法为：接通高频感应加热设备电源的时间，记为；热管工作腔内工质蒸发，气压逐渐上升，直至工质的蒸发与冷凝到达动态平衡（即为稳态），此时时间记为，则热管砂轮的启动时间为。
下面是热管砂轮等效换热系数的计算方法。
考虑到电磁辐射以及感应线圈发热带来的热量损耗，由下式确定通过高频感应加热在砂轮外圆壁面产生的热量
（1）
式中：
为感应加热系数（0<<1）；
为线圈加热面积，由线圈截面尺寸决定。
已知热管砂轮热端壁厚，则热端壁面热传导为
（2）
由（1）和（2）可得热端导热系数
（3）
热管内部对流换热可由下式确定
（4）
式中：
为热管等效换热面积。其中，为热管内径；为热管外径；为热管宽度。
由（1）和（4）可得热管内部传热系数
（5）
已知热管砂轮冷端壁厚，则冷端壁面热传导为
（6）
式中：
为热管冷端换热面积。其中，为冷端内径；为冷端外径。
由（1）和（6）可得冷端导热系数
（7）
热管冷端外壁面与空气对流换热可由下式确定
（8）
式中：为室温。
由（1）和（8）可得冷端外壁面与空气间的传热系数
（9）
由表达式（3）、（5）、（7）、（9），可推导出热管砂轮的等效换热系数
（10）
热管砂轮换热性能的评价方法为：缩短启动时间，使热管快速地进入稳定运行状态，对热管砂轮的换热性能有着重要影响，因此，准确判断热管砂轮的启动时间对于我们研究热管砂轮的换热性能有着直接的指导意义。改变不同的影响因素（砂轮转速、弧区热流密度、工质性质等），根据测量出的温度可计算出每组参数条件下热管砂轮的等效换热系数，等效换热系数越高，说明热管砂轮的换热性能越好。
Claims (9)
1.一种用于热管砂轮的工作状态监测装置，包括：
——砂轮回转试验机，包括一电动机和经一传动机构连接的旋转轴，在该旋转轴上固定有一热管砂轮，在热管砂轮热端以及冷端的内外壁分别设置有测温热电偶；
——高频感应加热装置，设置在所述的热管砂轮热端外壁；
——电刷集流环系统，包括集流环系统以及与之相对应的电刷系统，其中集流环系统包括与所述测温热电偶连接的黄铜环；所述的电刷系统包括轴向进给装置和电刷装置，该电刷装置包括与所述的黄铜环接触的石墨棒；
——压力传感器，设置在所述的热管砂轮的热管内；
——信号采集处理器，用于采集所述的热电偶测温点及压力传感器输出的电势信号并转换成相应的温度或压力信号。
2.根据权利要求1所述热管砂轮的工作状态监测装置，其特征在于：所述热管砂轮包括砂轮基体、砂轮端盖、内密封圈、外密封圈、转接头以及堵头，且所述热管砂轮的外圆面为光滑面；所述砂轮端盖通过所述内密封圈、所述外密封圈以及两圈周向均布的内六角圆柱头螺钉与所述砂轮基体相连；所述转接头通过两个径向密封圈和一个端面密封圈安装在砂轮基体背面；所述堵头通过一个径向密封圈安装在转接头内。
3.根据权利要求1 所述热管砂轮的工作状态监测装置，其特征在于：所述电刷装置还包括胶木支架、铜导线、弹簧和定位螺钉，所述的石墨棒置于胶木支架内，所述弹簧的一端与所述定位螺钉的台阶面贴合；另一端与所述石墨棒的底面贴合；所述铜导线的两端分别锡焊在所述定位螺钉和所述石墨棒上。
4.根据权利要求1 所述热管砂轮的工作状态监测装置，其特征在于：所述集流环系统还包括胶木环，所述胶木环由两圈周向均布的内六角圆柱头螺钉安装在砂轮基体槽内，且胶木环与基体端面相齐或略低于基体端面；所述黄铜环为五片，五片黄铜环安装在胶木环与之相应的五个槽内，每片黄铜环由四个周向均布的开槽盘头螺钉锁紧在胶木环上。
5.根据权利要求4 所述热管砂轮的工作状态监测装置，其特征在于：所述五片黄铜环的表面粗糙度Ra 小于1.6μm。
6.根据权利要求1 所述热管砂轮的工作状态监测装置，其特征在于：所述测温热电偶为康铜丝，五根康铜丝的另一端通过接线夹头分别与所述集流环上与每片黄铜环对应的开槽盘头螺钉相连。
7.根据权利要求l所述热管砂轮的工作状态监测装置，其特征在于：所述压力传感器安装在砂轮基体的螺纹孔内，与热管工作腔连通，其上安装有可保证热管工作腔良好的气密性的一端面密封圈，其输入输出信号线在测量压力信号时也与所述集流环上与每片黄铜环对应的开槽盘头螺钉相连。
8.根据权利要求1所述热管砂轮的工作状态监测装置，其特征在于：所述高频感应加热装置采用交流电源，输入功率0～6.6KW ，通过调节感应线圈电流，能够向与热管砂轮热端相对的外圆壁面提供0～100w / mm2 的热流密度，所述感应线圈采用双回路方形紫铜管，与热管砂轮热端外壁间距为2mm。
9.一种采用权利要求1所述热管砂轮的工作状态监测装置进行评价热管砂轮的启动时间和换热性能的方法，其特征在于：包括以下步骤：一、把热管砂轮通过法兰底座及法兰盖安装在砂轮回转试验机上；二、调节电刷系统与热管砂轮的相对位置，使得石墨棒与旋转的热管砂轮端面安装的黄铜环表面实现良好贴合；三、接通高频感应加热装置的电源，调节感应线圈电流以控制线圈输出的热流密度q，同时由四对测温热电偶分别测得该热流密度下热管砂轮热端外壁温度Tl 、与之相对的热端内壁温度T2，热管砂轮冷端内壁温度T3以及与之相对的冷端外壁温度T4，根据砂轮结构和材料性质可计算出该热流密度q对应的热管砂轮等效换热系数λ；四、将压力传感器的四根输入输出信号线分别与集流环系统中与每片黄铜环对应的开槽盘头螺钉相连，接通高频感应加热装置的电源，重复获得步骤三所述线圈输出的热流密度q；同时由压力传感器测得每种热流密度下热管工作腔内气体压力P随时间t 变化的曲线，由此判断热管砂轮的启动时间；五、改变砂轮转速或者改变工质性质，重复步骤三和步骤四，可定量分析砂轮转速以及工质性质对热管砂轮启动时间和换热性能的影响。
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