CN107677448B - 一种用于液压孔口和/或缝隙高、低温流体力学实验的一体化实验模块 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于液压孔口和/或缝隙高低温流体力学实验的一体化实验模块以及应用该模块的测控系统。该模块采用一体化设计原理将油液、供油机构、被试阀及传感器集成在一个小的实验模块内，整个模块可以放置在高低温箱内，可以方便、有效、准确解决对被试阀温度控制的问题。被试阀包括被测试的液压孔口和/或缝隙，可以根据不同的实验要求进行准备与更换。应用该一体化实验模块的自动测控系统，不但能自动控制被试阀的温度、供油量，还能自动测试被试阀的油温、压力、流量等物理量，并将测试数据进行后处理、保存和输出。

Description

一种用于液压孔口和/或缝隙高、低温流体力学实验的一体化 实验模块

技术领域

本发明涉及一种能针对常见液压孔口和/或缝隙，在高、低温环境下进行流体力学实验的一体化实验模块及自动测控系统，属于液压实验仪器设备、液压实验技术领域。

背景技术

随着现代社会的发展，人类日益要求车辆、移动机械、航空航天、海洋工程等各种高端装备能在极端高、低温或高低温交替的环境下服役，而液压技术是这些装备驱动的关键技术之一，因此对高端装备中各种液压元器件的性能也提出了高的要求。譬如：现代高铁可能要求在一天内从高寒地区(-40℃以下)运行到高温地区，那么包括液压元件在内的核心零部件都必须具有优良的高低温特性，以保障高铁安全、可靠、舒适地运营。

液压孔口和/或缝隙流体力学是各种液压元器件设计制造的理论基础，但这些理论基础以及对这些理论的实验研究，过去一般是都在常温环境下进行的。下面举几个例子予以说明。

(1)薄壁小孔的流量-压力特性方程为：

式中：q为流量，m³/s；Δp为孔前、后压差，MPa；A为孔通流面积，m²；ρ为流体密度，kg/m³； C_d为流量系数。

现有技术关于(式1)的研究都是默认在常温下进行的，那么在高低温、特别是在低温条件下，薄壁小孔流量系数C_d是否还遵循常温下的规律？薄壁小孔流量-压力特性是否真的不受温度影响？这些问题并没有得到实验的验证。事实上，式1中的流体密度ρ肯定是受温度影响的。

(2)细长孔的流量-压力特性方程为：

式中：d为孔直径，m；l为孔长度，m；μ为流体动力粘度，Pa·s。

(3)平行圆盘间隙的流量-压力特性方程为：

式中：δ为平行圆盘之间的间隙，m；r、R分别为平行圆盘之间环状密封带的内、外半径，m。

(4)圆环缝隙的流量-压力特性方程为：

式中：d为圆环缝隙内侧直径，m；l为圆环轴向长度，m；δ为内、外圆同心时在半径上的缝隙值，m；ε为内、外圆偏心率，ε＝e/δ，其中e为内、外圆的偏心距，m。

现有技术关于(式2)、(式3)、(式4)在高低温、特别是在低温条件下的特性并没有进行实验研究。

为了研究以上问题，必须针对常见液压孔口、缝隙进行高低温流体力学实验。

现有关于液压孔口和/或缝隙在常温环境下的流体力学实验原理一般都是采用包括液压泵、各种液压阀、蓄能器在内的一整套液压系统向被试液压孔口或缝隙(以下统一称被试阀) 供油，通过压力传感器测量被试阀前后压差，通过流量传感器或者量杯测量通过被试阀的流量，从而获得被试阀的流量-压力特性的。

以上实验方式在常温下是可行的，但在高低温、特别是在低温条件下运用上述方法是不可行的。因为在低温、譬如-30℃以下时，一般液压泵已不能有效吸油，很多液压阀、管路不能正常工作，更不用说有效、准确地进行相关实验了；再者，在高、低温实验中，对整个液压系统液压油进行温度控制，既不方便也不准确。

发明内容

为了研究液压孔口和/或缝隙的高低温流体力学特性，采用常规液压系统向被试阀供油的实验方法不可行，因此必须发明全新的实验原理和实验装置、自动测控系统，从而具体解决以下技术问题：

(1)最好采用一体化设计原理将油液、供油机构、被试阀及部分传感器集成在一个小的实验模块内，整个模块可以放置在高低温箱内，这样就可以方便、有效、准确解决对被试阀温度控制的问题。

(2)在高温或低温条件下，新的实验装置能通过机械、液压或气压驱动方式简单、可靠地向被试阀供油，且供油量可以被控制、改变。

(3)新的实验装置要便于组成自动测控系统，不但能自动控制被试阀的温度、供油量，还能自动测试被试阀的油温、压力、流量等物理量，并将测试数据进行处理、保存和输出。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：一种用于液压孔口和/或缝隙高低温流体力学实验的一体化实验模块，包括活塞杆、防尘圈、螺盖、骨架油封、导承组件、导承排气板、压力缸筒、储油缸组件、液压油、活塞阀组件、活塞组件、底阀组件、压力缸筒垫片、底阀垫片、导油板组件、磁铁、活塞排气板、内六角花型沉头螺钉、回油组件。

所述储油缸组件包括外缸筒、储油缸端部联结件，二者通过焊接形成一个整体容器；所述导油板组件包括底座、肋板，导油板组件放置在储油缸组件底部；所述底阀垫片放置在导油板组件的底座上。

所述底阀组件包括螺盖、塔簧、阀片和阀体，螺盖穿过塔簧和阀片，通过其底部的外螺纹和阀体上的内螺纹咬合，形成一个整体组件，底阀组件放置在底阀垫片之上。

所述压力缸筒垫片放置在底阀阀体上环形槽内，压力缸筒垫片一般采用比钢软的金属材料，如铜；所述压力缸筒放置在压力缸筒垫片之上，当压力缸筒被外力压紧时，压力缸筒垫片起密封作用。

所述导承组件包括导承体、被试阀、安全阀、压力传感器、压力传感器端面密封圈、温度传感器、温度传感器端面密封圈、导向耐磨环、格莱圈。

所述被试阀包括调节螺盖、螺盖防松密封环、调节垫片、弹簧、阀芯和阀座。阀座的下部外圆柱体和导承体安装孔为紧配合，阀座一般通过专用工具被压入安装孔；阀芯放置在阀座上部，可以在安装孔内滑动；弹簧放置在阀芯上部的弹簧座内，在弹簧和阀芯之间放置有调节垫片；调节螺盖放置在弹簧之上，在调节螺盖和弹簧之间放置有调节垫片；调节螺盖的外螺纹和导承体安装孔内螺纹咬合，转动调节螺盖可以调节弹簧的预压缩量；螺盖防松密封环一般采用橡胶类材料，套在调节螺盖外圆周上，起防松、密封的作用。通过改变阀芯的结构和参数，以及在阀芯和阀座之间添加支撑垫片，被试阀可以分别模拟各种液压孔口流动、平行圆盘间隙流动、同心圆环缝隙流动和偏心圆环缝隙流动等不同流动方式。

所述安全阀除了采用被试阀模拟平行圆盘间隙流动时的阀芯、阀芯和阀座之间无垫片之外，其余结构和原理与被试阀完全一样。在实验中，安全阀一般不会打开，只是在特殊工况如压力超标情况下开启，起保护作用。

所述压力传感器、温度传感器均通过其端部外螺纹和导承体内螺纹咬合而固定在导承上；所述压力传感器端面密封圈处于压力传感器和导承体之间，所述温度传感器端面密封圈处于温度传感器和导承体之间，它们均起密封作用。

所述导向耐磨环、格莱圈分别放置在导承体内圆的环形槽内，分别起导向耐磨和密封作用。

导承组件可通过其外圆周上的外螺纹和储油缸组件外缸筒上的内螺纹咬合而上下运动，其下部端面和压力缸筒上部端面配合。当向下紧固导承组件时，压力缸筒被压紧在导承组件和底阀组件之间，此时压力缸筒内部形成了工作容腔，压力缸筒外部和储油缸组件外缸筒之间形成了储油腔。

所述导承排气板一般采用比钢软的金属材料，如铜；导承排气板被压紧在导承组件和压力缸筒之间，一是起密封作用，二是起隔离气泡、防止气体被带入导承组件特别是被试阀之中。

所述活塞杆下部穿过活塞阀组件的挡盖、波形弹簧和阀片，通过其外螺纹与活塞组件内孔的内螺纹咬合，从而将活塞杆、活塞阀组件和活塞组件组成一个整体；所述活塞组件包括活塞、格莱圈和导向耐磨环，活塞外圆和压力缸筒内壁配合，活塞可沿着压力缸筒内壁上、下滑动，格莱圈和导向耐磨环被放置在活塞外圆和压力缸筒内壁之间，分别起密封和导向耐磨的作用；所述活塞杆上部穿过导承组件内孔、骨架油封、螺盖和防尘圈后而伸出；所述骨架油封起对活塞杆刮油和密封作用，防尘圈防止灰尘被活塞杆带入实验模块，螺盖通过其上的外螺纹和导承上的内螺纹咬合，对骨架油封和防尘圈起固定作用；所述液压油被充满工作容腔和一般情况下三分之二以上的储油腔。

活塞组件将压力缸筒里面的工作容腔分隔成上工作容腔和下工作容腔；所述活塞排气板通过内六角花型沉头螺钉被固定在活塞下部，可起隔离气泡、防止气体从下工作容腔被带入到上工作容腔。

当活塞杆被外力驱动上、下运动时，由活塞杆、活塞阀组件和活塞组件组成的整体便成为了一个向导承组件里面被试阀供油的机械式供油机构，控制供油机构上下运动速度，即可控制供油流量；通过压力传感器、温度传感器可分别检测出被试阀的进油压力和温度；被试阀和安全阀的出油均可通过导承里面的回油通道流回储油腔；活塞杆上、下运动时，活塞阀组件和底阀组件相互配合，使得液压油在工作容腔和储油腔之间循环流动。

所述回油组件包括回油密封圈、挡圈、回油管接头和回油管。回油密封圈放置在挡圈之上，回油密封圈和挡圈通过其内圆与压力缸筒外圆配合而固定在压力缸筒上；回油管接头固定在挡圈的孔上；回油管上部固定在回油管接头上，下部插入回油组件的肋板内。

回油组件将系统回油直接引导进入储油缸底部，避免了液压油和储油缸上部空气的混合；所述磁铁被放置在回油组件的底部和肋板侧壁，可吸附系统回油中的金属颗粒物。

本发明还涉及一种用于液压孔口和/或缝隙高低温流体力学实验的自动测控系统，包括实验台架、一体化实验模块、驱动装置、位移传感器组件、测控柜、强电柜、测控信号及弱电电缆和强电电缆。

所述实验台架主要由底座、立柱、高低温箱支架、高低温箱、位置可调整横梁、横梁紧固件、一体化实验模块上端和下端接头构成。底座一般采用铸铁或钢结构，重量较大，是整个台架的基础；立柱是台架的主要承力件，其下部通过插销或螺栓和底座连接，实验台架一般采用两柱或四柱结构的形式；位置可调整横梁可以在立柱上上下滑动，当横梁位置调整好以后，可以通过紧固件将横梁在立柱上固定；高低温箱支架下部和底座连接，上部和高低温箱连接，将高低温箱固定在底座上。

所述一体化实验模块可竖直放置在实验台架的高低温箱内，其上部和下部杆件均可通过箱体上的通孔伸出高低温箱，在通孔和杆件之间的间隙处，一般设有不妨碍相对运动的隔热、密封物体；一体化实验模块的一端通过接头与驱动装置连接，另一端通过接头与实验台架连接。

所述驱动装置一般采用电机驱动一套机械机构上下运动，从而控制一体化实验模块的拉伸或者压缩；或者采用伺服液压缸或伺服气动缸直接驱动一体化实验模块，实现其拉伸或者压缩运动，如采用这两种驱动方式则还需要设置专门的液压源或气源。

驱动装置一般可以安装在实验台架的位置可调整横梁上，从而在上方驱动一体化实验模块；驱动装置也可以安装在实验台架的底座上，从而在下方驱动一体化实验模块。

所述位移传感器组件包括位移传感器、连接件。位移传感器的下部与实验台架的位置可调整横梁连接，上部通过连接件和驱动装置连接，当驱动装置驱动一体化实验模块上下运动时，便可以检测出一体化实验模块中活塞杆的位移。

所述测控柜主要包括柜体、显示器、按钮与显示灯面板、键盘盒、打印机、工控机、电源及二次仪表。测控柜是所述自动测控系统中的传感器信息输入、控制信号输出以及测试结果处理、保存和输出的装置，各种工控元器件、设备均安装、布置在测控柜柜体上。

所述强电柜主要包括柜体、电压表、电流表、空气开关模块和变频器。强电柜是所述自动测控系统中的电力输入、输出的装置，各种电力和工控元器件均安装、布置在强电柜柜体上。

所述一种用于液压孔口和/或缝隙高低温流体力学实验的自动测控系统在硬件上采用模块化设计、集成方法，其在宏观上可分为三个模块：实验台架集成模块、测控柜和强电柜，其中实验台架集成模块是实验台架、驱动装置和位移传感器组件的集成体；所述三个模块之间仅通过可插拔型强电电缆、测控信号及弱电电缆相互连接，如需移动装备，只需拔掉电缆即可。

所述一种用于液压孔口和/或缝隙高低温流体力学实验的自动测控系统基于现代计算机测控原理，采用传感器、信号调理模块将压力、温度和位移信号输入工业控制计算机系统或嵌入式计算机系统里面的工控板卡，同时将按钮操作、急停操作等开关量信号也输入到工控板卡，计算机CPU通过信息处理后，一方面通过工控板卡对系统中的硬件进行控制，如变频器、接触器、指示灯、报警器等，另一方面可以通过人机界面、打印机进行信息输出；针对电源的按钮操作和急停操作在对电源进行直接控制的情况下，同时可将操作信息输入计算机系统。

所述一种用于液压孔口和/或缝隙高低温流体力学实验的自动测控系统的软件采用通用计算机语言进行编制，软件系统接受人工参数设定和控制指令，经过逻辑处理后，一方面可对测控系统中的硬件进行控制，另一方面将结果等信息保存、或通过人机界面、打印机进行信息输出。

采用本发明的技术方案可以产生如下技术效果：

(1)采用一体化设计原理将油液、供油机构、流体力学测试阀及部分传感器集成在一个小的实验模块内，这样整个一体化实验模块可以被放置在高低温箱内进行实验，使得针对液压孔口和/或缝隙在高、低温环境下的流体力学实验变得方便、准确、可行；另一方面能通过机械、液压或气压方式驱动一体化实验模块，简单、可靠地向被试阀供油，且供油量可以被控制和改变。

以上方法是一种全新的实验原理和方法，有效解决了采用复杂液压系统向被试阀供油的方法不能有效地或不能在高、低温环境下进行实验的问题。

(2)基于一体化实验模块的自动测控系统，在功能上不但能自动控制被试阀的温度、供油量，还能自动测试被试阀的油温、压力、流量等物理量，并将测试数据进行处理、保存和输出，使得针对液压孔口和/或缝隙在高、低温环境下的流体力学实验变得方便、准确。

(3)基于一体化实验模块的自动测控系统，在硬件上由于采用了模块化设计、集成方法，系统各模块之间仅通过可插拔型强电电缆、测控信号及弱电电缆相互连接，使得安装调试、移动和管理设备非常方便。

附图说明

图1是本发明中一种用于液压孔口和/或缝隙高低温流体力学实验的一体化实验模块的结构示意图。

图2是所述一体化实验模块里面导承组件的结构示意图。

图3是图2的C-C剖面示意图。

图4是图2的D-D剖面示意图。

图5是图3中当被试阀模拟液压孔口流动时的结构示意图。

图6是图3中当被试阀模拟平行圆盘间隙流动时的结构示意图。

图7是图3中当被试阀模拟同心圆环缝隙流动时的结构示意图。

图8是图3中当被试阀模拟偏心圆环缝隙流动时的结构示意图。

图9是图4中安全阀的工作原理图。

图10是所述一体化实验模块的工作原理图。

图11是本发明中一种用于液压孔口和/或缝隙高低温流体力学实验的自动测控系统的结构示意图。

图12是本发明中所述自动测控系统里面实验台架的结构示意图。

图13是图12的A向示图。

图14是图12的B向示图。

图15是本发明中所述自动测控系统里面实验台架中驱动机构的结构示意图。

图16是本发明中所述自动测控系统的测控原理图。

图17是本发明中所述自动测控系统的软件结构示意图。

图中各标号表示：

1、活塞杆；2、防尘圈；3、螺盖；4、骨架油封；5、导承组件；51、导承体；52、被试阀；521、调节螺盖；522、调节螺盖防松密封环；523、调节垫片；524、被试阀弹簧；525、被试阀模拟“液压孔口流动”时的阀芯；526、被试阀阀座；527、被试阀模拟“平行圆盘间隙流动”时的阀芯；528、被试阀模拟“平行圆盘间隙流动”时的阀芯垫片；529、被试阀模拟“同心圆环缝隙流动”时的阀芯；5210、被试阀模拟“同心圆环缝隙流动”或“偏心圆环缝隙流动”时的阀芯垫片；5211、被试阀模拟“偏心圆环缝隙流动”时的阀芯；53、导承导向耐磨环；54、导承格莱圈；55、压力传感器端面密封圈；56、压力传感器；57、安全阀； 571、安全阀调节螺盖；572、安全阀调节螺盖防松密封环；573、安全阀调节垫片；574、安全阀弹簧；575、安全阀阀芯；576、安全阀阀座；58、温度传感器端面密封圈；59、温度传感器；6、导承排气板；7、压力缸筒；8、储油缸组件；81、外缸筒；82、储油缸端部联结件； 9、液压油；10、活塞阀组件；101、活塞阀挡盖；102、活塞阀波形弹簧；103、活塞阀阀片； 11、活塞组件；111、活塞；112、活塞格莱圈；113、活塞导向耐磨环；12、底阀组件；121、底阀螺盖；122、底阀塔簧；123、底阀阀片；124、底阀阀体；13、压力缸筒垫片；14、底阀垫片；15、导油板组件；151、导油板底座；152、导油板肋板；16、磁铁；17、活塞排气板； 18、内六角花型沉头螺钉；19、回油组件；191、回油密封圈；192、挡圈；193、回油管管接头；194、回油管；20、实验台架；201、实验台架底座；202、立柱；203、高低温箱支架； 204、高低温箱；205、位置可调整横梁；206、横梁紧固件；207、一体化实验模块上端接头； 208、一体化实验模块下端接头；21、驱动装置；211、驱动丝杆；212、带内螺纹的涡轮；213、蜗杆；214、驱动电机；215、齿轮箱；216、齿轮箱紧固件；22、位移传感器组件；221、位移传感器；222、位移传感器连接件；23、测控柜；231、测控柜柜体；232、显示器；233、按钮与显示灯面板；234、键盘盒；235、打印机；236、工控机；237、电源及二次仪表；24、强电柜；241、强电柜柜体；242、电压表；243、电流表；244、空气开关模块；245、变频器； 25、测控信号及弱电电缆；251、测控柜与强电柜连接测控信号及弱电电缆；252、测控柜与实验台架连接测控信号及弱电电缆；26、强电电缆；261、测控柜与强电柜连接强电电缆；262、测控柜与实验台架连接强电电缆。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

1、图1至图10示出了本发明一种用于液压孔口和/或缝隙高低温流体力学实验的一体化实验模块的一种实施例。该一体化实验模块包括活塞杆1、防尘圈2、螺盖3、骨架油封4、导承组件5、导承排气板6、压力缸筒7、储油缸组件8、液压油9、活塞阀组件10、活塞组件11、底阀组件12、压力缸筒垫片13、底阀垫片14、导油板组件15、磁铁16、活塞排气板 17、内六角花型沉头螺钉18和回油组件19。

(1)本实施例中，导承组件5包括导承体51、被试阀52、导承导向耐磨环53、导承格莱圈54、压力传感器端面密封圈55、压力传感器56、安全阀57、温度传感器端面密封圈58 和温度传感器59。

本实施例中，被试阀52包括调节螺盖521、调节螺盖防松密封环522、调节垫片523、被试阀弹簧524、被试阀模拟液压孔口流动时的阀芯525(图5)和被试阀阀座526。被试阀阀座526的下部外圆柱体和导承体51上的安装孔为紧配合，阀座可通过专用工具被压入安装孔；阀芯525放置在阀座526的上部，可以在安装孔内滑动；被试阀弹簧524放置在阀芯525上部的弹簧座内，在弹簧524和阀芯525之间放置有调节垫片523；调节螺盖521放置在弹簧524之上，在调节螺盖521和弹簧524之间放置有调节垫片523；调节螺盖521的外螺纹和导承体51安装孔内螺纹咬合，转动调节螺盖521可以调节弹簧524的预压缩量；调节螺盖防松密封环522一般采用橡胶类材料，套在调节螺盖521外圆周上，起防松、密封的作用。当被试阀模拟液压孔口流动时(图5)，设通过孔口的流量为Q₁，通过改变孔口直径d和长度L，可以获得不同长径比L/d液压孔口的流体力学特性。

本实施例中，当被试阀52采用模拟平行圆盘间隙流动时的阀芯527和在阀芯和阀座之间添加支撑垫片528时，被试阀52可以模拟液压平行圆盘间隙流动(图6)。设通过平行圆盘间隙的流量为Q₂，通过改变支撑垫片528的厚度δ₂，可以获得不同挤压油膜厚度下的流体力学特性。

本实施例中，当被试阀52采用模拟同心圆环缝隙流动时的阀芯529和在阀芯和阀座之间添加支撑垫片5210时，被试阀52可以模拟液压同心圆环缝隙流动(图7)，阀芯529下部的圆柱体和阀座526同心，所以它们之间形成了一个间隙量为δ₃的同心圆环缝隙。设通过同心圆环缝隙的流量为Q₃，通过改变阀芯529下部的圆柱体的直径，即改变间隙量δ₃，可以获得不同间隙量下同心圆环缝隙的流体力学特性。

本实施例中，当被试阀52采用模拟偏心圆环缝隙流动时的阀芯5211和在阀芯和阀座之间添加支撑垫片5210时，被试阀52可以模拟液压偏心圆环缝隙流动(图8)，阀芯5211下部的圆柱体和阀座526形成偏心，所以它们之间形成了一个偏心距为e的偏心圆环缝隙。设通过偏心圆环缝隙的流量为Q₄，通过改变阀芯5211下部圆柱体的偏心量，即改变偏心距e，可以获得不同偏心距下偏心圆环缝隙的流体力学特性。

本实施例中，安全阀57(图9)除了采用被试阀模拟平行圆盘间隙流动时的阀芯527，阀芯和阀座之间无垫片之外，其余结构和原理与被试阀52完全一样。在实验中，安全阀一般不会打开，只是在特殊工况如压力超标情况下才开启，对一体化实验模块起保护作用。

本实施例中，压力传感器56、温度传感器59均通过其端部外螺纹和导承体51内螺纹咬合而固定在导承上；压力传感器端面密封圈55处于压力传感器56和导承体51之间，温度传感器端面密封圈58处于温度传感器59和导承体51之间，它们均起密封作用。

本实施例中，导承导向耐磨环53、导承格莱圈54均放置在导承体51内圆的环形槽内，分别起导向耐磨和高压密封作用。

(2)本实施例中，储油缸组件8包括外缸筒81、储油缸端部联结件82，二者通过焊接形成一个整体容器；导油板组件15包括导油板底座151、导油板肋板152，导油板组件15放置在储油缸组件8的底部；底阀垫片13则放置在导油板组件15的底座151之上。

(3)本实施例中，底阀组件12包括底阀螺盖121、底阀塔簧122、底阀阀片123和底阀阀体124。螺盖121穿过塔簧122和阀片123，通过其底部的外螺纹和阀体124上的内螺纹咬合，形成一个整体组件，底阀组件12放置在底阀垫片13之上。

(4)本实施例中，压力缸筒垫片13采用铜材，放置在底阀阀体124上环形槽内，压力缸筒7放置在压力缸筒垫片13之上，当压力缸筒7被外力压紧时，压力缸筒垫片13起密封作用。

导承组件5可通过其外圆周上的外螺纹和储油缸组件8的外缸筒81上的内螺纹咬合而上下运动，其下部端面和压力缸筒7上部端面配合。当向下紧固导承组件5时，压力缸筒7被压紧在导承组件5和底阀组件12之间，此时压力缸筒7的内部便形成了一个工作容腔，压力缸筒7的外部和储油缸组件8的外缸筒81之间便形成了一个储油腔；液压油9被充满工作容腔和一般情况下三分之二以上的储油腔。

导承排气板6采用铜材，被压紧在导承组件5和压力缸筒7之间，一是起密封作用，二是起隔离气泡、防止气体被带入导承组件5特别是被试阀52之中。

(5)本实施例中，活塞阀组件10包括活塞阀挡盖101、活塞阀波形弹簧102和活塞阀阀片103；活塞组件11包括活塞111、活塞格莱圈112和活塞导向耐磨环113，活塞111的外圆和压力缸筒7的内壁配合，活塞111可沿着压力缸筒7的内壁上、下滑动，活塞格莱圈112 和导向耐磨环113被放置在活塞111的外圆和压力缸筒7的内壁之间，分别起高压密封和导向耐磨的作用；活塞杆1的下部按顺序穿过活塞阀组件10的挡盖101、波形弹簧102和阀片 103后，通过其外螺纹与活塞组件11内孔的内螺纹咬合，从而将活塞杆1、活塞阀组件10和活塞组件11组成一个整体。

活塞杆1的上部穿过导承组件5的内孔、骨架油封4、螺盖3和防尘圈2后而伸出；骨架油封4起对活塞杆刮油和密封的作用，防尘圈2防止灰尘被活塞杆1带入实验模块，螺盖 3通过其上的外螺纹和导承体51上的内螺纹咬合，对骨架油封4和防尘圈2起固定作用。

活塞组件11将压力缸筒7里面的工作容腔分隔成上工作容腔和下工作容腔；活塞排气板 17通过内六角花型沉头螺钉18被固定在活塞111下部，可起隔离气泡、防止气体从下工作容腔被带入到上工作容腔。

(6)本实施例中，回油组件19包括回油密封圈191、挡圈192、回油管管接头193和回油管194。回油密封圈191放置在挡圈192之上，回油密封圈191和挡圈192通过其内圆与压力缸筒7的外圆配合而固定在压力缸筒上；回油管接头193固定在挡圈192的孔上；回油管194上部固定在回油管管接头193上，下部插入导油板组件15的肋板152内。

(7)本实施例中，当活塞杆1被外力驱动向上运动时(图10中实线箭头所示方向)，活塞 111上的通孔由于被活塞阀阀片103密封住，活塞111上方的工作容腔便形成了高压；同时底阀阀片123由于活塞111的上抽作用而向上运动，造成底阀阀体124上的通孔被打开，储油缸组件8里面的液压油被吸入(图10中实线箭头E1)到活塞111下方的工作容腔，起体积补偿作用。

因此，此时由活塞杆1、活塞阀组件10和活塞组件11组成的整体便成为了一个向导承组件5里面被试阀52供油的机械式供油机构，压力油9通过被试阀52、经过导承体1里面的回油孔(图10中实线箭头E2)流出；回油组件19将系统回油直接引导进入储油缸组件8底部，避免了液压油和储油缸上部空气的混合；磁铁16被放置在回油组件19的底部和肋板侧壁，可吸附系统回油中的金属颗粒物。如果安全阀57被打开，其出油也是经过导承体1里面的回油孔和回油组件19流回储油腔。

控制供油机构的运动速度，即可控制供油流量；通过压力传感器56、温度传感器59可分别检测出被试阀52的进油压力和温度。

当活塞杆1被外力驱动向下运动时(图10中虚线箭头所示方向)，底阀阀片123由于活塞 111的下压作用而将底阀阀体124上的通孔关闭，同时活塞阀阀片103向上运动，活塞111 上的通孔被打开，造成活塞111下方工作容腔里面的液压油被压入到其上方工作容腔(图10 中虚线箭头C1)，因此活塞111的上、下工作容腔都形成了高压。

同样，压力油9通过被试阀52、经过导承体1里面的回油孔(图10中实线箭头C2)流出，然后经过回油组件19流回储油腔底部。如果安全阀57被打开，其出油也是经过导承体1里面的回油孔和回油组件19流回储油腔底部。

2、图11至图17示出了本发明一种用于液压孔口和/或缝隙高低温流体力学实验的自动测控系统的一种实施例。该实施例包括前述一体化实验模块实施例、实验台架20、驱动装置 21、位移传感器组件22、测控柜23、强电柜24、测控信号及弱电电缆25和强电电缆26。

(1)本实施例中，实验台架20主要由实验台架底座201、立柱202、高低温箱支架203、高低温箱204、位置可调整横梁205、横梁紧固件206、一体化实验模块上端接头207和下端接头208构成。底座201采用铸铁结构，重量较大，是整个台架的基础；立柱202是台架的主要承力件，其下部通过螺栓和底座201连接，实验台架采用两柱结构的形式；位置可调整横梁205可以在立柱202上上下滑动，当横梁205位置调整好以后，可以通过紧固件206将横梁205在立柱202上固定；高低温箱支架203下部和底座201连接，上部和高低温箱204 连接，将高低温箱固定在底座201上。

前述一体化实验模块竖直放置在实验台架20的高低温箱204内，其上部和下部杆件均可通过箱体上的通孔伸出高低温箱204，在通孔和杆件之间的间隙处，设有不妨碍相对运动的隔热、密封物体；一体化实验模块上端通过上端接头207与驱动装置21连接，下端通过下端接头208与实验台架20连接。

(2)本实施例中，驱动装置21包括驱动丝杆211、带内螺纹的涡轮212、蜗杆213、驱动电机214、齿轮箱215和齿轮箱紧固件216。电机214驱动蜗杆213旋转，从而带动涡轮 212在与蜗杆213垂直的平面内旋转；由于驱动丝杆211和涡轮212的内孔螺纹是相互啮合的，而涡轮212和蜗杆213均被固定在齿轮箱215上，它们的位置和相对位置不变，所以丝杆211被动力驱动而上、下运动。改变电机214的方向和转速，即可控制驱动丝杆211的运动方向和速度。

驱动装置21通过齿轮箱紧固件216与实验台架20上的位置可调整横梁205连接，从而通过丝杆211在上方驱动一体化实验模块。在准备实验时，可以根据一体化实验模块的长度、现场情况和设定驱动行程，调整可调整横梁205的位置。

(3)本实施例中，位移传感器组件22包括位移传感器221和位移传感器连接件222。位移传感器221的下部与实验台架20的位置可调整横梁205连接，上部通过连接件222和驱动装置21中的驱动丝杆211连接。当驱动装置21驱动一体化实验模块上下运动时，便可以检测出一体化实验模块中活塞杆1的位移。

(4)本实施例中，测控柜23主要包括测控柜柜体231、显示器232、按钮与显示灯面板 233、键盘盒234、打印机235、工控机236和电源及二次仪表237。测控柜是本发明一种用于液压孔口和/或缝隙高低温流体力学实验的自动测控系统中的传感器信息输入、控制信号输出以及测试结果处理、保存和输出的装置，各种工控元器件、设备均安装、布置在测控柜柜体上。

(5)本实施例中，强电柜24主要包括强电柜柜体241、电压表242、电流表243、空气开关模块244和变频器245。强电柜是本发明一种用于液压孔口和/或缝隙高低温流体力学实验的自动测控系统中的电力输入、输出的装置，各种电力和工控元器件均安装、布置在强电柜柜体上。

(6)本实施例中，一种用于液压孔口和/或缝隙高低温流体力学实验的自动测控系统在硬件上采用模块化设计、集成方法，其在宏观上可分为三个模块：实验台架集成模块、测控柜 23和强电柜24，其中实验台架集成模块是实验台架20、驱动装置21和位移传感器组件22 的集成体。

测控柜23通过测控信号及弱电电缆251、强电电缆261和强电柜24连接，实验台架集成模块通过测控信号及弱电电缆252、强电电缆262和测控柜23连接。所述三个模块之间仅通过可插拔型测控信号及弱电电缆、强电电缆相互连接，如需移动装备，只需拔掉电缆即可。

(7)本实施例中，一种用于液压孔口和/或缝隙高低温流体力学实验的自动测控系统基于现代计算机测控原理(图16)，将压力、温度和位移传感器信号，经过信号调理模块调理后，输入工业控制计算机系统236里面的AD/DA板卡，同时将按钮操作、急停操作等开关量信号也输入到DIO板卡，计算机CPU通过信息处理后，一方面通过这些工控板卡对系统中的硬件进行控制，如通过变频器245控制驱动电机214的方向和转速，通过中间继电器、接触器控制强电电源启闭，通过中间继电器控制指示灯、报警器动作等，另一方面可以通过软件人机界面、打印机进行信息输出；针对电源的按钮操作和急停操作在对电源进行直接控制的情况下，同时可将操作信息输入计算机系统。

(8)本实施例中，所述一种用于液压孔口和/或缝隙高低温流体力学实验的自动测控系统的软件系统基于Visual Studio.Net的Visual C++环境、与NI公司的MeasurementStudio for VC++联合编程开发，其主体思想是基于VC++的开放环境，结合MeasurementStudio提供的丰富的图形仪表控件、Analysis和Common等类提供的丰富的分析函数联合进行开发，使程序代码量小、运行速度快、可靠性高。软件系统结构(图17)宏观包括：硬件标定与维护模块、数据采集模块、各控制模块、数据后处理模块和数据库模块。

通过人机界面接收输入设定、指令，譬如实验日期时间、实验员、实验类别、实验自动还是手动控制等，实验完成后向外界输出实验结果(显示、打印)以及将结果写入数据库。

数据后处理模块主要包括对实验数据的误差分析、插值分析、图形曲线绘制和实验报告的处理输出；实验数据库文件可以以标准DATA文件或者Excel文件输出，供其它专业软件进行更为复杂的数据分析。

Claims (6)

1.一种用于液压孔口和/或缝隙高、低温流体力学实验的一体化实验模块，该模块包括活塞杆、防尘圈、螺盖、骨架油封、导承组件、导承排气板、压力缸筒、储油缸组件、液压油、活塞阀组件、活塞组件、底阀组件、压力缸筒垫片、底阀垫片、导油板组件、磁铁、活塞排气板、内六角花型沉头螺钉、回油组件，所述导承组件包括导承体、被试阀、安全阀、压力传感器、压力传感器端面密封圈、温度传感器、温度传感器端面密封圈、导向耐磨环、格莱圈；

所述活塞杆下部穿过活塞阀组件的活塞阀挡盖、活塞阀波形弹簧和活塞阀阀片，通过其外螺纹与活塞组件内孔的内螺纹咬合，从而将活塞杆、活塞阀组件和活塞组件组成一个整体；活塞外圆和压力缸筒内壁配合，格莱圈和导向耐磨环被放置在活塞外圆和压力缸筒内壁之间；所述活塞杆上部穿过导承组件内孔、骨架油封、螺盖和防尘圈后而伸出；所述导承排气板被压紧在导承组件和压力缸筒之间；所述压力缸筒垫片放置在底阀阀体上环形槽内；活塞排气板通过内六角花型沉头螺钉被固定在活塞下部；所述回油组件包括回油密封圈、挡圈、回油管接头和回油管，回油密封圈放置在挡圈之上，回油密封圈和挡圈通过其内圆与压力缸筒外圆配合而固定在压力缸筒上；

所述储油缸组件包括外缸筒、储油缸端部联结件，二者通过焊接形成一个整体容器；所述导油板组件包括底座、肋板，导油板组件放置在储油缸组件底部；所述底阀垫片放置在导油板组件的底座上；所述底阀组件包括底阀螺盖、底阀塔簧、底阀阀片和底阀阀体，底阀螺盖穿过底阀塔簧和底阀阀片，通过其底部的外螺纹和底阀阀体上的内螺纹咬合，形成一个整体组件，底阀组件放置在底阀垫片之上；所述磁铁被放置在回油组件的底部和肋板侧壁；

所述压力传感器、温度传感器均通过其端部外螺纹和导承体内螺纹咬合而固定在导承组件上；所述压力传感器端面密封圈处于压力传感器和导承体之间，所述温度传感器端面密封圈处于温度传感器和导承体之间；

所述被试阀包括调节螺盖、螺盖防松密封环、调节垫片、弹簧、阀芯和阀座；阀座的下部外圆柱体和导承体安装孔为紧配合，阀座通过专用工具被压入安装孔；阀芯放置在阀座上部，可以在安装孔内滑动；弹簧放置在阀芯上部的弹簧座内，在弹簧和阀芯之间放置有调节垫片；调节螺盖放置在弹簧之上，在调节螺盖和弹簧之间放置有调节垫片；调节螺盖的外螺纹和导承体安装孔内螺纹咬合，转动调节螺盖可以调节弹簧的预压缩量；所述螺盖防松密封环套在调节螺盖外圆周上；

其特征在于所述被试阀包括以下几种工作模式：当阀芯上开有阻尼孔、阀芯和阀座密封配合时，被试阀为液压孔口流动；当所述阀芯上无阻尼孔、阀芯和阀座之间有支撑垫片和间隙时，被试阀为液压平行圆盘间隙流动；当所述阀芯上有与阀座同心的配合圆柱、阀芯和阀座之间有支撑垫片和间隙时，被试阀为液压同心圆环缝隙流动；当所述阀芯上有与阀座偏心的配合圆柱、阀芯和阀座之间有支撑垫片和间隙时，被试阀为偏心圆环缝隙流动。

2.一种用于液压孔口和/或缝隙高低温流体力学实验的自动测控系统，包括实验台架、如权要求1所述的一体化实验模块、驱动装置、位移传感器组件、测控柜、强电柜、测控信号及弱电电缆和强电电缆，所述驱动装置包括驱动丝杆、带内螺纹的涡轮、蜗杆、驱动电机、齿轮箱和齿轮箱紧固件；所述驱动丝杆和涡轮的内孔螺纹相互啮合，所述涡轮和蜗杆固定连接在齿轮箱上。

3.如权利要求2所述的自动测控系统，其特征在于：所述实验台架主要由底座、立柱、高低温箱支架、高低温箱、位置可调整横梁、横梁紧固件、一体化实验模块上端和下端接头构成；底座采用铸铁或钢结构，重量较大，是整个台架的基础；立柱是台架的主要承力件，其下部通过插销或螺栓和底座连接，实验台架采用两柱或四柱结构的形式；位置可调整横梁可以在立柱上上下滑动，当横梁位置调整好以后，可以通过横梁紧固件将横梁在立柱上固定；高低温箱支架下部和底座连接，上部和高低温箱连接，将高低温箱固定在底座上；一体化实验模块放置在实验台架的高低温箱内，所述一体化实验模块两端的杆件均通过箱体上的通孔伸出高低温箱，在通孔和杆件之间的间隙处，设有不妨碍相对运动的隔热、密封物体；一体化实验模块的一端通过接头与驱动装置连接，另一端通过接头与实验台架连接。

4.如权利要求2所述的自动测控系统，其特征在于：所述驱动装置采用电机驱动，即一套机械齿轮机构上、下运动，从而控制一体化实验模块的拉伸或者压缩；或者采用伺服液压缸或伺服气动缸直接驱动一体化实验模块，实现其拉伸或者压缩运动，采用这两种驱动方式则还需要配置专门的液压源或气源；驱动装置安装在实验台架的位置可调整横梁上，从而在上方驱动一体化实验模块；或者，驱动装置安装在实验台架的底座上，从而在下方驱动一体化实验模块。

5.如权利要求2所述的自动测控系统，其特征在于：所述位移传感器组件包括位移传感器、连接件，位移传感器的下部与实验台架的位置通过可调整横梁连接，上部通过连接件和驱动装置连接；驱动装置驱动一体化实验模块上下运动时，位移传感器检测出一体化实验模块中活塞杆的位移。

6.如权利要求2所述的自动测控系统，其特征在于：在硬件上采用模块集成化设计，其在宏观上可分为三个模块：实验台架集成模块、测控柜和强电柜，其中实验台架集成模块是实验台架、驱动装置和位移传感器组件的集成体；所述三个模块之间仅通过可插拔型强电电缆、测控信号及弱电电缆相互连接，如需移动装备，只需拔掉电缆即可。