CN109100267B - 一种含固体颗粒液压油高压空化空蚀试验装置及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含固体颗粒液压油高压空化空蚀试验装置及其试验方法，特点是包括首尾依次连接形成循环回路的液压油储罐、增压泵、冷却器、加热器、流量调节阀、液固混合室、收缩喷嘴、可视化试验段、旋液分离器和压力控制阀，所述的增压泵上连接有二位五通电磁阀，所述的二位五通电磁阀上分别连接有用于控制所述的二位五通电磁阀的换向的第一气源和用于驱动所述的增压泵的第二气源，所述的第一气源的出口依次通过气动过滤器和第一电气比例阀与所述的二位五通电磁阀连接，所述的第二气源通过第二电气比例阀与所述的二位五通电磁阀连接，优点是能实现高温高压且颗粒进料量连续可调。
Description
技术领域
本发明涉及一种液压油高压空化空蚀试验装置，尤其涉及一种含固体颗粒液压油高压空化空蚀试验及其试验方法。
背景技术
高压、高速、大功率已经成为现代液压技术的发展趋势。随着液压元件进口压力的提升，液压油的流速随之增加，导致压力迅速降低。当液压元件内的局部压力低于液压油在该温度下的饱和蒸气压时，会产生空化现象。当空化气泡随液压油流动至压力恢复区时，流场外部压力高于其内部压力，则会发生空泡溃灭。大量的空泡溃灭会产生振动、噪声等等一系列不良后果，更会导致空蚀，加剧材料的损伤，严重影响液压元件和系统的运行可靠性。在日常运行中，液压油中的少量污染物往往以颗粒形式的存在。因此，受固体颗粒的影响，液压元件内的空化现象会更加复杂，空蚀更为剧烈。因此，针对含固体颗粒液压油的高压空化空蚀现象还有待于进一步研究和探索。
现有液压油空化空蚀试验装置，主要存在以下缺陷：1）多数只能在室温条件下开展空化空蚀试验研究，无法对液压油的油温进行调节和控制；2）没有涉及到固体颗粒对液压油空化、空蚀的影响；3）试验段进口压力普遍低于6.0 MPa，高压条件下的空化空蚀试验无法进行；4) 液压油空化、空蚀试验主要采用在同一个试验段中分布开展或两个试验段中分别开展，难以在同一个试验段中实时测试空化流动对空蚀的影响规律；因此，对高压条件下含固液压油空化流动规律的研究，以及建立空化、空蚀间的关联关系造成了很大的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能实现高温高压且颗粒进料量连续可调的含固体颗粒液压油高压空化空蚀试验装置及其试验方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
1、一种含固体颗粒液压油高压空化空蚀试验装置，包括首尾依次连接形成循环回路的液压油储罐、增压泵、冷却器、加热器、流量调节阀、液固混合室、收缩喷嘴、可视化试验段、旋液分离器和压力控制阀，所述的增压泵上连接有二位五通电磁阀，所述的二位五通电磁阀上分别连接有用于控制所述的二位五通电磁阀的换向的第一气源和用于驱动所述的增压泵的第二气源，所述的第一气源的出口依次通过气动过滤器和第一电气比例阀与所述的二位五通电磁阀连接，所述的第二气源通过第二电气比例阀与所述的二位五通电磁阀连接。
所述的流量调节阀与液固混合室之间的管路通过固体颗粒流量计连接有固体颗粒加料器。
所述的收缩喷嘴与所述的可视化试验段之间依次设置有温度传感器和进口压力传感器，所述的可视化试验段与所述的旋液分离器之间设置有出口压力传感器，所述的收缩喷嘴的缩扩比范围为（1:1.5）-（1:5）。
所述的旋液分离器的底部设置有颗粒回收罐。
所述的可视化试验段包括变截面管道、高速摄影仪、不锈钢框架和有机玻璃面板；所述的不锈钢框架的固定表面包覆有机玻璃面板，所述的变截面管道水平位于所述的不锈钢框架内，所述的高速摄影仪位于所述的有机玻璃面板外周，所述的变截面管道的扩张段黏贴有铝膜。
所述的液固混合室的流通截面积为管道截面积的2倍，所述的液固混合室的流动长度为所述的可视化试验段横截面高度的10倍；所述的变截面管道的进、出口分别连接变截面管道10倍公称直径长度的直管段；所述的温度传感器和所述的进口压力传感器的安装位置距所述的变截面管道的进口均不超过变截面管道5倍公称直径；所述的出口压力传感器的安装位置距所述的变截面管道的出口不超过变截面管道5倍公称直径。可通过改变截面管道内收缩段和扩张段的面积比，改变其内部的空化和空蚀强度。
2、一种利用上述装置进行含固体颗粒液压油高压空化空蚀试验的方法，步骤如下：
（1）将液压油送入液压油储罐，液压油自液压油储罐流出，经增压泵、冷却器、加热器和流量调节阀送入液固混合室；其中第一气源中的压缩空气先后流经气动过滤器、第一电气比例阀，最终进入二位五通电磁阀的控制端，通过控制二位五通电磁阀的开启和闭合，实现增压泵的相应的起动和停止；第二气源中的压缩空气依次流经第二电气比例阀的进口端和增压泵的进口，通过调节第二电气比例阀控制增压泵的出口压力；
（2）将固体颗粒送入固体颗粒加料器，固体颗粒自固体颗粒加料器的出口流出，流经固体颗粒流量计送入液固混合室，在液固混合室中和来自流量调节阀5中的液压油混合，形成液固两相流；
（3）将液固两相流经缩扩比范围为（1:1.5）-（1:5）的收缩喷嘴，送入可视化试验段，进行空化和空蚀测试后，进入旋液分离器，液压油和固体颗粒在旋液分离器中被分离得到固体颗粒和液压油，分离得到的固体颗粒从旋液分离器的底部流出，进入颗粒回收罐，分离得到的液压油经压力控制阀返回液压油储罐。
所述的第一气源和所述的第二气源中压缩空气的进口压力为1.0 MPa；所述的第一电气比例阀和所述的第二电气比例阀出口压力的可调节范围为0.05-1.0MPa；所述的气动过滤器的公称通径为50 mm，过滤精度为10 μm；所述的二位五通电磁阀的切换时间不超过 20ms；所述的增压泵的增压比为1:20，所述的增压泵调节可视化试验段的进口压力的连续可调范围为0.1-20MPa。
所述的可视化试验段的上游依次装有温度传感器、用于测试可视化试验段进口压力的进口压力传感器；所述的可视化试验段的下游装有用于测试可视化试验段出口的压力的出口压力传感器，当温度传感器的温度低于设定温度时，关闭冷却器，提高加热器的功率，通过液压油在试验回路中的循环流动提高温度，直至温度升高至设定值时进行空化空蚀试验；当温度传感器的温度高于温度控制系统的设定温度时，开启冷却器，降低加热器的功率，通过液压油在试验回路中的循环流动降低温度，直至温度降低至设定值时进行空化空蚀试验。
所述的冷却器的功率为1000 kW，所述的加热器可调节功率范围为500 kW -2000kW，所述的液压油的温度可调节范围为10℃- 90℃；所述的温度传感器的测量范围为0-100℃，测试精度为±1%；所述的进口压力传感器和所述的出口压力传感器的工作温度范围为0-90℃，精度范围为0-30 MPa；所述的高速摄影仪的拍摄频率为5万帧每秒；所述的钢化玻璃面板厚度为5 mm，最大承压不低于40 MPa；所述的铝膜的厚度0.5 mm-1.0mm；所述的变截面管道中的窄截面面积和宽截面的面积比为（1:1.5）-（1:5）；所述的流量调节阀的流量控制范围为0-50 m3/h，精度等级为±5%R；所述的收缩喷嘴的缩扩比范围为（1:1.5）-（1:5）；所述的压力控制阀的压力控制范围为0-10 MPa，控制精度为0.1 Mpa；所述的固体颗粒加料器加料速率的可调节范围为0-6.0 kg/min，控制精度为0.1 kg/min；所述的固体颗粒流量计的测试范围为0-10 kg/min，精度为1%；所述的旋液分离器的分离效率为95%，所述的液固混合室的流通截面积为管道截面积的2倍，所述的液固混合室的流动长度为所述的可视化试验段横截面高度的10倍。
冷却器和加热器的功率设置是确保实验装置在较短时间内的加热和冷却能力，能够实现在0~90℃温度范围内测量含固体颗粒液压油的空化和空蚀；加热器的可调节功率范围设置是为了能够在测试过程中选择不用的加热功率，实现0~90℃范围内温度连续可调；进口压力传感器和出口压力传感器的工作温度范围和精度范围设置是为了在全温度范围内，保证高压条件下的压力测试精度，更准确地观测进、出口压力对空化现象的影响。钢化玻璃面板厚度和最大承压设置是为了在保证试验安全的同时，提高可视化效果；铝膜的厚度设置是在降低铝膜对局部流场影响的同时，保证空蚀的测试效果；变截面管道中的窄截面面积和宽截面的面积比的设置是为了调节变截面管道内空化、空蚀的位置和强弱；流量调节阀的流量控制范围和精度的设置是为了准确地控制装置中液压油的流量，并满足对高压、高速空化的测试要求；固体颗粒加料器加料速率的可调节范围和控制精度的设置是为了满足试验对液压油中颗粒质量浓度的要求，同时更准确地研究颗粒质量浓度对液压油空化和空蚀的影响；旋液分离器的分离效率的设置是为了有效地将颗粒从液压油中分离出来，实现连续性测试；液固混合室的流通截面积和流动长度的设置是为了保证颗粒和液压油在进入可视化试验段前能够混合均匀，避免颗粒快速沉降和局部沉积现象。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明一种含固体颗粒液压油高压空化空蚀试验装置及其试验方法，该装置包括液压油循环系统、液压增压系统、温度控制系统、固体颗粒进料和回收系统以及空化空蚀测试系统，优点如下：
1、通过气源，驱动增压泵进行增压，能够实现高压条件下液压油的空化和空蚀试验；同时，第一气源后接二位五通电磁阀的控制端，具有响应快速的特点，可准确控制增压时间；第二气源后依次连接第二电气比例阀的进口端和增加泵的进口，可连续调节并维持增压泵的出口压力，保持增压效果。
2. 在高压条件下，增设收缩喷嘴，可提高试验段入口的液压油流速，并通过改变收缩喷嘴的缩扩比，调节进入试验段的液压油流速；增压泵与收缩喷嘴相互配合，能更好的实现液压油流速的调节；另外收缩喷嘴的缩扩比范围设置是为了控制并调节变截面管道的进入液压油的流速，在高压条件下获得更加明显的空化现象，缩扩比范围为（1:1.5）-（1:5），若缩扩比范围低于1:1.5，则易导致流速过低，在高压工况下，难以在试验段内形成空化；若缩扩比范围高于1:5，则易导致局部流速过高，喷嘴出口处从不可压缩流动转化为可压缩流动，无法准确测量流量、压力等参数。
3. 增加了颗粒进料和回收装置，用于测试在含固体颗粒条件下，高压液压油的空化和空蚀，可以研究在不同颗粒质量流量、颗粒粒径等因素对液压油空化和空蚀的影响，并且颗粒的存在也会加速空化和空蚀进程和效果；另外，在高压条件下，使用颗粒进料装置进行进料，能够控制颗粒在液压油中的滞留时间，增强颗粒与液压油的混合效果。并且，当颗粒进入试验段后，在高压条件下液压油驱动颗粒加速，可在短时间内获得较好的加速效果。
综上所述，本发明一种含固体颗粒液压油高压空化空蚀试验装置及其试验方法，其可在高压条件下观测含固液压油的非稳态空化现象，同时测试由空化脱落导致的空蚀。本发明具有液压油的温度、流量、试验段进、出口压力、颗粒进料量连续可调的优点，并且可在试验段内的变截面管道，同步完液压油高压空化和空蚀的测量。
附图说明
图1为本发明含固体颗粒液压油高压空化空蚀试验装置的结构示意图；
图2为本发明可视化试验段的结构示意图；
图中各标注如下：1、液压油储罐，2、增压泵，3、冷却器，4、加热器，5、流量调节阀，6、液固混合室，7、收缩喷嘴，8、可视化试验段，9、旋液分离器，10、压力控制阀，11、第一气源，12、第二气源，13、气动过滤器，14、第一电气比例阀，15、第二电气比例阀，16、二位五通电磁阀，17、固体颗粒加料器，18、固体颗粒流量计，19、颗粒回收罐，20、温度传感器，21、进口压力传感器，22、出口压力传感器，23、变截面管道，24、高速摄影仪，25、不锈钢框架，26、有机玻璃面板，27、铝膜。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
具体实施例一
一种含固体颗粒液压油高压空化空蚀试验装置，如图1所示，包括首尾依次连接形成循环回路的液压油储罐1、增压泵2、冷却器3、加热器4、流量调节阀5、液固混合室6、收缩喷嘴7、可视化试验段8、旋液分离器9和压力控制阀10，增压泵2上连接有二位五通电磁阀16，二位五通电磁阀16上分别连接有用于控制二位五通电磁阀16的换向的第一气源11和用于驱动增压泵2的第二气源12，第一气源11的出口依次通过气动过滤器13和第一电气比例阀14与二位五通电磁阀16连接，第二气源12通过第二电气比例阀15与二位五通电磁阀16连接。
在此具体实施例中，流量调节阀5与液固混合室6之间的管路通过固体颗粒流量计18连接有固体颗粒加料器17。收缩喷嘴7与可视化试验段8之间依次设置有温度传感器20和进口压力传感器21，可视化试验段8与旋液分离器9之间设置有出口压力传感器22，收缩喷嘴7的缩扩比范围为（1:1.5）-（1:5）。旋液分离器9的底部设置有颗粒回收罐19。
在此具体实施例中，如图2所示，可视化试验段8包括变截面管道23、高速摄影仪24、不锈钢框架25和有机玻璃面板26；不锈钢框架25的固定表面包覆有机玻璃面板26，变截面管道23水平位于不锈钢框架25内，高速摄影仪24位于有机玻璃面板26外周，变截面管道23的扩张段黏贴有铝膜27。液固混合室6的流通截面积为管道截面积的2倍，液固混合室6的流动长度为可视化试验段8横截面高度的10倍；变截面管道23的进、出口分别连接变截面管道10倍公称直径长度的直管段；温度传感器20和进口压力传感器21的安装位置距变截面管道23的进口均不超过变截面管道23的5倍公称直径；出口压力传感器22的安装位置距变截面管道23的出口不超过变截面管道23的5倍公称直径。可通过改变截面管道23内收缩段和扩张段的面积比，改变其内部的空化和空蚀强度。
具体实施例二
一种利用上述具体实施例一装置进行含固体颗粒液压油高压空化空蚀试验的方法，如图1和图2所示，步骤如下：
（1）将液压油送入液压油储罐1，液压油自液压油储罐1流出，经增压泵2、冷却器3、加热器4和流量调节阀5送入液固混合室6；其中第一气源11中的压缩空气先后流经气动过滤器13、第一电气比例阀14，最终进入二位五通电磁阀16的控制端，通过控制二位五通电磁阀16的开启和闭合，实现增压泵2的相应的起动和停止；第二气源12中的压缩空气依次流经第二电气比例阀15的进口端和增压泵2的进口，通过调节第二电气比例阀15控制增压泵2的出口压力；
（2）将固体颗粒送入固体颗粒加料器17，固体颗粒自固体颗粒加料器17的出口流出，流经固体颗粒流量计18送入液固混合室6，在液固混合室6中和来自流量调节阀5中的液压油混合，形成液固两相流；
（3）将液固两相流经缩扩比范围为（1:1.5）-（1:5）的收缩喷嘴7，送入可视化试验段8，进行空化和空蚀测试后，进入旋液分离器9，液压油和固体颗粒在旋液分离器9中被分离得到固体颗粒和液压油，分离得到的固体颗粒从旋液分离器9的底部流出，进入颗粒回收罐19，分离得到的液压油经压力控制阀10，返回液压油储罐1。
上述第一气源11和第二气源12中压缩空气的进口压力为1.0 MPa；第一电气比例阀14和第二电气比例阀出口压力的可调节范围为0.05-1.0MPa；气动过滤器13的公称通径为50 mm，过滤精度为10 μm；二位五通电磁阀16的切换时间不超过20ms；增压泵2的增压比为1:20，增压泵2调节可视化试验段8的进口压力的连续可调范围为0.1-20MPa。通过调节第二电气比例阀15的出口压力，控制增压泵2的出口压力，进而调节可视化试验段8进口压力。
上述可视化试验段8的上游依次装有温度传感器20、用于测试可视化试验段8进口压力的进口压力传感器21；可视化试验段8的下游装有用于测试可视化试验段8出口的压力的出口压力传感器22，当温度传感器20的温度低于设定温度时，关闭冷却器3，提高加热器4的功率，通过液压油在试验回路中的循环流动提高温度，直至温度升高至设定值时进行空化空蚀试验；当温度传感器20的温度高于温度控制系统的设定温度时，开启冷却器3，降低加热器4的功率，通过液压油在试验回路中的循环流动降低温度，直至温度降低至设定值时进行空化空蚀试验。其中冷却器3的功率为1000 kW，加热器4可调节功率范围为500 kW -2000 kW，液压油的温度可调节范围为10℃- 90℃；温度传感器20的测量范围为0-100℃，测试精度为±1%；进口压力传感器21和出口压力传感器22的工作温度范围为0-90℃，精度范围为0-30 MPa；通过调节冷却器3和加热器4的功率，调节进入可视化试验段8内液压油的温度。
上述高速摄影仪24的拍摄频率为5万帧每秒；钢化玻璃面板26厚度为5 mm，最大承压不低于40 MPa；铝膜27的厚度0.5 mm-1.0 mm；变截面管道23的中的窄截面和宽截面的面积比为（1:1.5）-（1:5）；高速摄影仪24正对钢化玻璃面板26，用于拍摄变截面管道23内的空化流动；不锈钢框架25表面安装钢化玻璃面板26，采用螺栓或卡扣方式固定；变截面管道23的后侧覆盖有铝膜27，空蚀形成的蚀坑范围和密度可在铝膜27的表面进行观测。上述流量调节阀5的流量控制范围为0-50 m3/h，精度等级为±5%R；收缩喷嘴7的缩扩比范围为（1:1.5）-（1:5）；压力控制阀10的压力控制范围为0-10 MPa，控制精度为0.1 Mpa；固体颗粒加料器17加料速率的可调节范围为0-6.0 kg/min，控制精度为0.1 kg/min；固体颗粒流量计18的测试范围为0-10 kg/min，精度为1%；旋液分离器9的分离效率为95%，液固混合室6的流通截面积为管道截面积的2倍，液固混合室6的流动长度为可视化试验段8横截面高度的10倍。液压油储罐1的容积为50 mm3，内设保温层。通过调节流量调节阀5的开度，可以控制液压油循环系统中介质的流量，通过调节收缩喷嘴7的缩扩比，可以控制可视化试验段8进口的流速，可根据不同的出口流速选用不同缩扩比的喷嘴；通过调节压力控制阀10的开度，可以控制可视化试验段8出口的压力，通过调节的固体颗粒加料器17的加料速率，调节颗粒进料量。
上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种利用含固体颗粒液压油高压空化空蚀试验装置进行含固体颗粒液压油高压空化空蚀试验的方法，其特征在于：所述的含固体颗粒液压油高压空化空蚀试验装置包括首尾依次连接形成循环回路的液压油储罐、增压泵、冷却器、加热器、流量调节阀、液固混合室、收缩喷嘴、可视化试验段、旋液分离器和压力控制阀，所述的增压泵上连接有二位五通电磁阀，所述的二位五通电磁阀上分别连接有用于控制所述的二位五通电磁阀的换向的第一气源和用于驱动所述的增压泵的第二气源，所述的第一气源的出口依次通过气动过滤器和第一电气比例阀与所述的二位五通电磁阀连接，所述的第二气源通过第二电气比例阀与所述的二位五通电磁阀连接，所述的流量调节阀与液固混合室之间的管路通过固体颗粒流量计连接有固体颗粒加料器，所述的收缩喷嘴与所述的可视化试验段之间依次设置有温度传感器和进口压力传感器，所述的可视化试验段与所述的旋液分离器之间设置有出口压力传感器，所述的收缩喷嘴的缩扩比范围为1:1.5-1:5，所述的旋液分离器的底部设置有颗粒回收罐，所述的可视化试验段包括变截面管道、高速摄影仪、不锈钢框架和有机玻璃面板；所述的不锈钢框架的固定表面包覆有机玻璃面板，所述的变截面管道水平位于所述的不锈钢框架内，所述的高速摄影仪位于所述的有机玻璃面板外周，所述的变截面管道的扩张段黏贴有铝膜
步骤如下：
(1)将液压油送入液压油储罐，液压油自液压油储罐流出，经增压泵、冷却器、加热器和流量调节阀送入液固混合室；其中第一气源中的压缩空气先后流经气动过滤器、第一电气比例阀，最终进入二位五通电磁阀的控制端，通过控制二位五通电磁阀的开启和闭合，实现增压泵的相应的起动和停止；第二气源中的压缩空气依次流经第二电气比例阀的进口端和增压泵的进口，通过调节第二电气比例阀控制增压泵的出口压力；
(2)将固体颗粒送入固体颗粒加料器，固体颗粒自固体颗粒加料器的出口流出，流经固体颗粒流量计送入液固混合室，在液固混合室中和来自流量调节阀中的液压油混合，形成液固两相流；
(3)将液固两相流经缩扩比范围为1:1.5-1:5的收缩喷嘴，送入可视化试验段，进行空化和空蚀测试后，进入旋液分离器，液压油和固体颗粒在旋液分离器中被分离得到固体颗粒和液压油，分离得到的固体颗粒从旋液分离器的底部流出，进入颗粒回收罐，分离得到的液压油经压力控制阀返回液压油储罐。
2.根据权利要求1所述的一种含固体颗粒液压油高压空化空蚀试验的方法，其特征在于：所述的第一气源和所述的第二气源中压缩空气的进口压力为1.0MPa；所述的第一电气比例阀和所述的第二电气比例阀出口压力的可调节范围为0.05-1.0MPa；所述的气动过滤器的公称通径为50mm，过滤精度为10μm；所述的二位五通电磁阀的切换时间不超过20ms；所述的增压泵的增压比为1:20，所述的增压泵调节可视化试验段的进口压力的连续可调范围为0.1-20MPa。
3.根据权利要求1所述的一种含固体颗粒液压油高压空化空蚀试验的方法，其特征在于：所述的可视化试验段的上游依次装有温度传感器、用于测试可视化试验段进口压力的进口压力传感器；所述的可视化试验段的下游装有用于测试可视化试验段出口的压力的出口压力传感器，当温度传感器的温度低于设定温度时，关闭冷却器，提高加热器的功率，通过液压油在试验回路中的循环流动提高温度，直至温度升高至设定值时进行空化空蚀试验；当温度传感器的温度高于温度控制系统的设定温度时，开启冷却器，降低加热器的功率，通过液压油在试验回路中的循环流动降低温度，直至温度降低至设定值时进行空化空蚀试验。
4.根据权利要求1所述的一种含固体颗粒液压油高压空化空蚀试验的方法，其特征在于：所述的冷却器的功率为1000kW，所述的加热器可调节功率范围为500kW-2000kW，所述的液压油的温度可调节范围为10℃-90℃；所述的温度传感器的测量范围为0-100℃，测试精度为±1％；所述的进口压力传感器和所述的出口压力传感器的工作温度范围为0-90℃，精度范围为0-30MPa；所述的高速摄影仪的拍摄频率为5万帧每秒；钢化玻璃面板厚度为5mm，最大承压不低于40MPa；所述的铝膜的厚度0.5mm-1.0mm；所述的变截面管道中的窄截面面积和宽截面的面积比为1:1.5-1:5；所述的流量调节阀的流量控制范围为0-50m3/h，精度等级为±5％R；所述的压力控制阀的压力控制范围为0-10MPa，控制精度为0.1Mpa；所述的固体颗粒加料器加料速率的可调节范围为0-6.0
kg/min，控制精度为0.1kg/min；所述的固体颗粒流量计的测试范围为0-10
kg/min，精度为1％；所述的旋液分离器的分离效率为95％，所述的液固混合室的流通截面积为管道截面积的2倍，所述的液固混合室的流动长度为所述的可视化试验段横截面高度的10倍。
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