CN106337110A - 一种提升水泵叶轮抗汽蚀磨损性能的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于激光空化提升水泵叶轮抗汽蚀磨损的装置，包括激光空化装置、水槽、蓄水池、水泵、气泵和计算机，水槽内的底部装有夹紧机构；水槽的下部连接有三维移动平台；水槽和蓄水池之间通过进水管和出水管构成循环水路，进水管上安装有水泵；气泵连接输气管，输气管的末端深入水槽的液体内；激光空化装置、水泵和气泵均与计算机连接；三维移动平台连接仿形装置，所述仿形装置与计算机连接。本发明利用激光照射水槽中液体在水泵叶轮表面产生空化泡，通过空化泡溃灭时产生的冲击波和射流形成残余压应力层，从而提升水泵叶轮的抗汽蚀磨损性能以及耐腐蚀性能；通过调整水槽液体中的含气量，以使水泵叶轮表面达到最佳强化效果。

Description

一种提升水泵叶轮抗汽蚀磨损性能的装置及方法
技术领域
本发明属于水泵叶轮技术领域，尤其是涉及一种基于激光空化提升水泵抗叶轮汽蚀磨损的装置及方法，用于提高水泵叶轮材料的抗汽蚀磨损性能，实现高效强化加工过程。
背景技术
长期以来，水泵过流部件的抗汽蚀问题一直是困扰水泵运行质量的重要因素，同时也严重影响水泵的安全和寿命。汽蚀现象的出现将会改变流体在水泵过流部件中的速度和压力分布，引起水泵机组的不稳定运行，进而使泵的流量、扬程、效率和轴功率明显下降，严重时将引起机组振动，使泵中的液体断流；另一方面汽蚀现象中气泡的溃灭，将会致使水泵部件表面出现麻坑、蜂窝状等痕迹，严重时将会造成水泵叶片或前后盖板穿孔，甚至叶轮破坏，造成重大的损失，这些都是亟待需要解决的问题。
目前提高水泵过流部件抗空蚀性、耐磨性能的主要方法有喷涂强化、表面胶粘涂层等，如专利号为CN CN200410006227.3提供了一种水泵部件金属表面激光强化工艺方法；但这些方法易引起水泵叶轮变形，且使用过程中易产生脱落，影响水泵的整体性能。然而研究表明激光空化强化技术不仅能够提高水泵材料的力学性能，大幅度提高材料的疲劳寿命以及抗应力腐蚀性能，同时被激光空化强化的材料表面也不易产生宏观变形。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于激光空化提升水泵抗叶轮汽蚀磨损装置及方法，利用激光空化提升水泵叶轮的抗汽蚀磨损性能以及耐腐蚀性能。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于激光空化提升水泵叶轮抗汽蚀磨损的装置，包括激光空化装置、水槽、蓄水池、水泵、气泵和计算机，所述水槽内的底部装有夹紧机构；所述水槽的下部连接有三维移动平台；所述水槽和蓄水池之间通过进水管和出水管构成循环水路，所述进水管上安装有水泵；所述气泵连接输气管，所述输气管的末端深入水槽的液体内；所述激光空化装置、水泵和气泵均与计算机连接。
进一步的，所述三维移动平台连接仿形装置，所述仿形装置与计算机连接。
进一步的，所述仿形装置包括仿形头、信号处理器和水泵叶轮样件；所述仿形头与水泵叶轮样件接触，所述仿形头和三维移动平台均与信号处理器连接，所述信号处理器连接至计算机。
进一步的，所述激光空化装置包括透镜组、全反镜，YAG固体激光器和YAG激光器控制器，所述YAG激光器控制器与计算机相连，所述YAG固体激光器发出的激光束经过所述全反镜和透镜组后在所述夹紧机构表面上方聚焦。
进一步的，所述全反镜为45°全反镜。
一种基于激光空化提升水泵叶轮抗汽蚀磨损的方法，包括如下步骤：
S1：将与水泵叶轮相同材料的小试样固定在夹紧机构上；
S2：通过计算机打开水泵使蓄水池中的液体通过进水管输至水槽中，直至液体漫过水槽中的小试样，然后通过控制水泵的排量使水槽中液体循环并保持容量恒定；
S3：通过计算机打开气泵使气体经输气管进入水槽中，控制气泵的排量使水槽中液体的含气量保持恒定；
S4：通过计算机打开YAG激光器控制器控制YAG固体激光器发出激光束，该激光束通过全反镜和透镜组聚焦在小试样表面上方，对小试样表面进行空化强化；
S5：取出小试样，并对小试样进行残余应力分析；随后改变水泵和气泵的排量以调整水槽中液体的含气量，再次将小试样放入水槽中进行空化强化，直至得到小试样抗汽蚀磨损性能最佳时液体的含气量；
S6：保持步骤S5中所述抗汽蚀磨损性能最佳时水泵和气泵的排量不变，将小试样取出，水泵叶轮安装在夹紧机构上；通过计算机打开YAG激光器控制器和仿形装置，保持仿形头一直与水泵叶轮样件的表面直接接触，YAG固体激光器发出激光束对水泵叶轮表面作空化强化处理。
本发明的有益效果：
本发明所述基于激光空化提升水泵抗叶轮汽蚀磨损装置及方法，利用激光照射水槽中液体在水泵叶轮表面产生空化泡，通过空化泡溃灭时产生的冲击波和射流形成残余压应力层，从而提升水泵叶轮的抗汽蚀磨损性能以及耐腐蚀性能；通过对气泵和水泵排量的控制，调整水槽液体中的含气量，以使水泵叶轮表面达到最佳强化效果；通过设置仿形装置，实现了对水泵叶轮曲面的完整强化加工；在加工过程中，使用计算机实时控制，保证了加工效率以及强化加工的精确性。
附图说明
图1为本发明所述提升水泵叶轮抗汽蚀磨损性能装置的结构图。
附图标记说明如下：
1-计算机；2-信号处理器；3-仿形头；4-水泵叶轮样件；5-水泵叶轮；6-空化泡；7-夹紧机构；8-水槽；9-三维移动平台；10-蓄水池；11-出水管；12-进水管；13-水泵；14-输气管；15-气泵；16-透镜组；17-全反镜；18-YAG固体激光器；19-YAG激光器控制器。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，一种提升水泵叶轮抗汽蚀磨损性能的装置，包括激光空化装置、水槽8、蓄水池10、水泵13、气泵15、三维移动平台9、仿形装置和计算机1；
所述水槽8内的底面装有夹紧机构7，用于夹紧小试样或者待加工的水泵叶轮5；所述激光空化装置包括透镜组16、全反镜17、YAG固体激光器18和YAG激光器控制器19，所述YAG激光器控制器19与计算机1相连，所述YAG固体激光器18发出的激光束经过所述全反镜17和透镜组16后在所述水泵叶轮5表面上方聚焦，产生空化泡6，通过空化泡6溃灭时产生的冲击波和射流在水泵叶轮5表面形成残余压应力层，从而提升水泵叶轮5的抗汽蚀磨损性能以及耐腐蚀性能，其中，所述全反镜17为45°全反镜。所述水槽8和蓄水池10之间通过进水管12和出水管11构成循环水路，所述进水管12上安装有水泵13；所述气泵15通过输气管14连接水槽8，所述输气管14深入水槽8的液体内；通过对气泵15和水泵13排量的控制，调整水槽8的液体中的含气量，进而控制产生空化泡6的形态、大小，以使水泵叶轮5表面达到最佳强化效果；
所述水槽8的下部连接有三维移动平台9；所述仿形装置包括仿形头3、信号处理器2和水泵叶轮样件4；所述仿形头3与水泵叶轮样件4直接接触，所述仿形头3和三维移动平台9均与信号处理器2连接；在加工过程中仿形头3与水泵叶轮样件4保持接触，通过信号处理器2带动三维移动平台9移动，从而确保空化泡6和水泵叶轮5的距离不变，实现对水泵叶轮5曲面的完整强化加工；所述YAG激光器控制器19、水泵13、气泵15和信号处理器2均与计算机1相连接，保证了加工效率以及强化加工的精确性。
利用该装置加工操作时，包括如下步骤：
S1：将与水泵叶轮5相同材料的小试样固定在夹紧机构7上；
S2：通过计算机1打开水泵13使蓄水池10中的液体通过进水管12输至水槽8中，至液体漫过水槽8中的小试样，然后通过控制水泵13的排量使水槽8中液体循环并保持容量恒定；
S3：通过计算机1打开气泵15使气体经输气管14进入水槽8中，控制气泵15的排量使水槽8中液体的含气量保持恒定；
S4：通过计算机1打开YAG激光器控制器19以控制YAG固体激光器18发出激光束，该激光束通过全反镜17和透镜组16聚焦在小试样表面上方的液体中，产生空化泡6，使空化泡6对小试样产生强化作用；
S5：取出小试样，并对小试样进行残余应力分析；随后改变水泵13和气泵15的排量，调整液体中的含气量，再次将小试样放入水槽8中进行空化强化，直至得到该种材料抗汽蚀磨损性能最佳也就是残余应力最大时液体的含气量；
S6：保持步骤S5中所述抗汽蚀磨损性能最佳时水泵13和气泵15的排量不变，即保持液体的含气量不变，将小试样取出，水泵叶轮5安装在夹紧机构7上；通过计算机1打开YAG激光器控制器19和仿形装置，保持仿形头3一直与水泵叶轮样件4的表面接触，所述仿形头3相对水泵叶轮样件4的运动被转换成电信号，电信号经信号处理器2处理后控制三维移动平台9进行相应坐标的伺服进给，使空化泡6与水泵叶轮5曲面间的距离保持不变，进而完成激光空化强化处理。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进-替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于激光空化提升水泵叶轮抗汽蚀磨损的装置，其特征在于，包括激光空化装置、水槽(8)、蓄水池(10)、水泵(13)、气泵(15)和计算机(1)，所述水槽(8)内的底部装有夹紧机构(7)；所述水槽(1)的下部连接有三维移动平台(9)；所述水槽(8)和蓄水池(10)之间通过进水管(12)和出水管(11)构成循环水路，所述进水管(12)上安装有水泵(13)；所述气泵(15)连接输气管(14)，所述输气管(14)的末端深入水槽(8)的液体内；所述激光空化装置、水泵(13)和气泵(15)均与计算机(1)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光空化提升水泵叶轮抗汽蚀磨损的装置，其特征在于，所述三维移动平台(9)连接仿形装置，所述仿形装置与计算机(1)连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光空化提升水泵叶轮抗汽蚀磨损的装置，其特征在于，所述仿形装置包括仿形头(3)、信号处理器(2)和水泵叶轮样件(4)；所述仿形头(3)与水泵叶轮样件(4)接触，所述仿形头(3)和三维移动平台(9)均与信号处理器(2)连接，所述信号处理器(2)连接至计算机(1)。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光空化提升水泵叶轮抗汽蚀磨损的装置，其特征在于，所述激光空化装置包括透镜组(16)、全反镜(17)，YAG固体激光器(18)和YAG激光器控制器(19)，所述YAG激光器控制器(19)与计算机(1)相连，所述YAG固体激光器(18)发出的激光束经过所述全反镜(17)和透镜组(16)后在所述夹紧机构(7)表面上方聚焦。
5.根据权利要求4所述的一种基于激光空化提升水泵叶轮抗汽蚀磨损的装置，其特征在于，所述全反镜(17)为45°全反镜。
6.一种基于激光空化提升水泵叶轮抗汽蚀磨损的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将与水泵叶轮(5)相同材料的小试样固定在夹紧机构(7)上；
S2：通过计算机(1)打开水泵(13)使蓄水池(10)中的液体通过进水管(12)输至水槽(8)中，直至液体漫过水槽(8)中的小试样，然后通过控制水泵(13)的排量使水槽(8)中液体循环并保持容量恒定；
S3：通过计算机(1)打开气泵(15)使气体经输气管(14)进入水槽(8)中，控制气泵(15)的排量使水槽(8)中液体的含气量保持恒定；
S4：通过计算机(1)打开YAG激光器控制器(19)控制YAG固体激光器(18)发出激光束，该激光束通过全反镜(17)和透镜组(16)聚焦在小试样表面上方，对小试样表面进行空化强化；
S5：取出小试样，并对小试样进行残余应力分析；随后改变水泵(13)和气泵(15)的排量以调整水槽(8)中液体的含气量，再次将小试样放入水槽(8)中进行空化强化，直至得到小试样抗汽蚀磨损性能最佳时液体的含气量；
S6：保持步骤S5中所述抗汽蚀磨损性能最佳时水泵(13)和气泵(15)的排量不变，将小试样取出，水泵叶轮(5)安装在夹紧机构(7)上；通过计算机(1)打开YAG激光器控制器(19)和仿形装置，保持仿形头(3)一直与水泵叶轮样件(4)的表面直接接触，YAG固体激光器(18)发出激光束对水泵叶轮(5)表面作空化强化处理。
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