CN112781782A - 基于slm成形的多向异形管道局部压力损失测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于SLM成形的多向异形管道局部压力损失测量装置及方法，其包括铝合金管、接头、异形管道、压力测量组件和O型密封圈。铝合金管的两端分别设有梯形沟槽，O型密封圈位于梯形沟槽内部，铝合金管第一端的铝合金外螺纹和接头的第一端固连，接头的第二端和异形管道第一端的异形管道外螺纹固连，异形管道的外表面设有测压孔，测压孔的正上方设有安装孔，压力传感器通过安装孔内螺纹和安装孔固连，铝合金管的内径和异形管道的内径相等。本测量方法通过位于异形管道的压力测量组件，测量异形管道的局部压力损失，并将测得信号传递给下位机。本发明保证了流体在进入SLM成形多向异形管道时为湍流状态，提高了局部压力损失测量的准确性。

Description

基于SLM成形的多向异形管道局部压力损失测量装置及方法

技术领域

本发明涉及液压传动控制领域，特别涉及一种基于SLM成形的多向异形管道局部压力损失测量装置及方法。

背景技术

在增材制造日益发展的背景下，各种金属3D打印技术日趋成熟，在基于选择性激光熔化(SLM)的技术下，可以实现传统加工工艺所难以实现的设计方案，其对于液压系统复杂管道和液压集成块内部管道的成形、轻量化、降低压力损失具有非常重要的意义。在传统加工工艺下制造的多向管路、液压集成块内部管道等零件，其存在的直角弯和工艺孔都会极大的增加流体流经这些地方的局部压力损失，因此采用SLM技术则可以设计制造出多向异形管道来减小局部压力损失过大的问题。

多向异形管道的主要压力损失取决于局部压力损失，而改变异形管道的形状也会影响局部压力损失的变化，因此局部压力损失测量可以为多向异形管道的设计做出指导意义，目前几乎没有可供多向异形管道局部阻力尤其是SLM 成形的多向异形管道局部压力损失相关机理探究的实验方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于SLM成形的多向异形管道局部压力损失测量装置及方法，主要是通过铝合金管来保证流体在进入 SLM成形多向异形管道时，使其流动状态为湍流状态，从而减少影响流体质点的撞击、出现涡旋、二次流以及流动的分离及再附壁等现象的剧烈程度，从而减少局部压力损失的变化，具有重要的实际的工程意义。

本发明提供了一种基于SLM成形的多向异形管道局部压力损失测量装置，其包括铝合金管、接头、异形管道、压力测量组件、O型密封圈、变频电机、液压泵、油箱、溢流阀、换向阀、节流阀和下位机。所述铝合金管的两端分别设有梯形沟槽，所述O型密封圈位于所述梯形沟槽内部，所述铝合金管第一端的铝合金外螺纹和所述接头的第一端固定连接，所述接头的第二端和所述异形管道第一端的异形管道外螺纹固定连接，所述异形管道的外表面设有测压孔，所述测压孔的正上方设有安装孔，所述压力测量组件通过安装孔内螺纹和所述安装孔固定连接，所述铝合金管在试验中能承受一定的高压流体。所述变频电机的输出轴和所述液压泵的第一端固定连接，所述液压泵的第二端和所述溢流阀的第一端并联连接，构成整个测量装置的进油口，所述进油口和所述换向阀的第一端连接，所述换向阀的第二端和所述铝合金管第二端的铝合金外螺纹连接，所述压力测量组件和所述供油管路并联连接，所述单向阀和所述流量传感器串联连接，构成第一出口，所述节流阀和所述流量传感器串联连接，构成第二出口，所述第一出口和所述第二出口并联连接，构成整个测量装置的回油口，所述异形管道第二端的异形管道外螺纹和所述回油口的第一端连接，所述回油口的第二端和所述比例溢流阀的第一端连接，所述比例溢流阀的第二端通过回油管路和所述油箱的回油口连接，所述液压泵的第三端、所述溢流阀的第二端和所述换向阀的第三端分别与所述油箱的回油口连接，所述变频电机、所述压力测量组件、所述比例溢流阀、所述节流阀和所述流量传感器的控制端分别通过线缆与所述下位机连接。

可优选的是，所述异形管道上安装的多个压力测量组件，其沿异形管道的轴线方向布置。

可优选的是，所述铝合金管的长度大于流体处于稳定湍流状态区域的长度。

可优选的是，所述铝合金管的内径和所述异形管道的内径相等。

可优选的是，所述O型密封圈的外径和所述梯形沟槽的外径相等。

本发明的另一方面，提供一种前述基于SLM成形的多向异形管道局部压力损失测量方法，所述方法包括以下步骤：

S1、根据实际情况，选取合适长度的铝合金管：根据铝合金管长度至少等于流体形成稳定湍流发展区域的长度，流体由层流向湍流转变的发展区域长度 L由Langhaar HL(拉格哈尔公式)公式确定，具体表达式为：

L≈0.058D*Re

其中，L为发展区域的长度，D为流体流经发展区域管道的内径，Re为雷诺数；

湍流发展区域长度L由经验公式确定，具体表达式为：

L≈(25～40)D

其中，D为流体流经发展区域管道的内径；

根据上述两个公式，得知所述铝合金管的长度应大于上述两个公式计算的最大值；

S2、安装多向异形管道局部压力损失测量装置，将铝合金管第一端的铝合金外螺纹通过接头和所述异形管道第一端的异形管道外螺纹固定连接，并在异形管道测压孔正上方的安装孔内，安装压力测量组件；

S3、通过下位机，启动变频电机，变频电机驱动液压泵，将油箱的流体介质通过换向阀进入到铝合金管内部；

S3、流体介质通过铝合金管后形成湍流进入异形管道内，通过改变节流阀的阀口开度来调节异形管道的分流比，并记录与异性管道安装孔连接的压力测量组件的示数；

S4、用比例溢流阀来模拟负载，通过压力测量组件和流量传感器测得流体在不同流量、不同压力以及不同分流比下，通过异形管道的局部压力损失，并将测得信号传递给与之连接的下位机，下位机将信号转换传递至上位机，上位机根据信号做出相关的控制。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明对影响SLM成形的多向异形管道的局部阻力相关机制进行探究，铝合金管保证了流体在进入SLM成形多向异形管道时为湍流状态，可以尽最大可能提高对于局部压力损失测量的准确性，并为设计基于SLM成形的多向异形管道提供指导意义。

附图说明

图1为本发明基于SLM成形的多向异形管道局部压力损失测量装置及方法的液压原理图；

图2为本发明基于SLM成形的多向异形管道局部压力损失测量装置及方法中测量装置的等轴测图；

图3为本发明基于SLM成形的多向异形管道局部压力损失测量装置及方法中测量装置的水平剖视图；

图4为本发明基于SLM成形的多向异形管道局部压力损失测量装置及方法中异形管道的结构图；

图5a为本发明基于SLM成形的多向异形管道局部压力损失测量装置在液压系统压力为5MPa下的局部压力损失与分流比变化关系曲线；

图5b为本发明基于SLM成形的多向异形管道局部压力损失测量装置在液压系统压力为10MPa下的局部压力损失与分流比变化关系曲线；

图5c为本发明基于SLM成形的多向异形管道局部压力损失测量装置在液压系统压力为15MPa下的局部压力损失与分流比变化关系曲线；

图5d为本发明基于SLM成形的多向异形管道局部压力损失测量装置在液压系统压力为5MPa、10Mpa和15MPa下的局部总压力损失与分流比变化关系曲线；

图6a为本发明基于SLM成形的多向异形管道局部压力损失测量装置在液压系统压力为5MPa下的局部压力损失与直径变化关系曲线；

图6b为本发明基于SLM成形的多向异形管道局部压力损失测量装置在液压系统压力为10MPa下的局部压力损失与直径变化关系曲线；

图6c为本发明基于SLM成形的多向异形管道局部压力损失测量装置在液压系统压力为15MPa下的局部压力损失与直径变化关系曲线；

图6d为本发明基于SLM成形的多向异形管道局部压力损失测量装置在液压系统压力为5MPa、10Mpa和15MPa下的局部总压力损失与直径变化关系曲线；

图7为本发明基于SLM成形的多向异形管道局部压力损失测量装置及方法的方法流程图。

主要附图标记：

铝合金管1，接头2，异形管道3，压力测量组件4，铝合金管外螺纹5， O型密封圈6，梯形沟槽7，测压孔8，安装孔内螺纹9，安装孔10，异形管道外螺纹11，变频电机12，液压泵13，溢流阀14，换向阀15，比例溢流阀 16，单向阀17，流量传感器18，节流阀19，下位机20，油箱21。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

基于SLM成形的多向异形管道局部压力损失测量装置，如图1所示，包括铝合金管1、接头2、异形管道3、压力测量组件4、O型密封圈6、变频电机12、液压泵13、油箱21、溢流阀14、换向阀15、节流阀19、下位机20 以及与接头2相配合的铝合金管外螺纹5和异形管道外螺纹11。

如图2和3所示，由传统加工工艺制造的铝合金管1，作为流体形成稳定湍流的发展区域，其两端分别设有梯形沟槽7；接头2为传统加工工艺制造，接头2确保铝合金管1和异形管道3的准确连接。

为了确保铝合金管1与异形管道3具有良好的密封性，且密封后不会对流体流经贴合处造成影响，需要在梯形沟槽7中安装O型密封圈6，在铝合金管 1与异形管道3通过接头2连接时，会将O型密封圈6压紧，进而确保良好的密封性。

铝合金管1第一端的铝合金外螺纹5和接头2的第一端固定连接，接头2 的第二端和异形管道3第一端的异形管道外螺纹11固定连接，在垂直于异形管道3轴线的壁面处开有测压孔8，测压孔8同轴处开有安装孔10，用于压力测量组件4的安装，压力测量组件4通过安装孔内螺纹9和安装孔10固定连接，铝合金管1在试验中可承受高压流体。

如图1所示，变频电机12的输出轴通过联轴器和液压泵13的第一端固定连接，液压泵13的第二端和溢流阀14的第一端并联连接，构成整个测量装置的进油口，进油口和换向阀15的第一端连接，换向阀15的第二端和铝合金管 1第二端的铝合金外螺纹5连接，压力测量组件4和供油管路并联连接，用来测量异形管道3分叉处的局部压力，单向阀17和流量传感器18串联连接，构成第一出口，节流阀19和流量传感器18串联连接，构成第二出口，第一出口和第二出口并联连接，构成回油口，异形管道3第二端的异形管道外螺纹11 和回油口的第一端连接，回油口的第二端和比例溢流阀16的第一端连接，比例溢流阀16的第二端通过回油管路和油箱21的回油口连接，液压泵13的第三端、溢流阀14的第二端和换向阀15的第三端分别与油箱21的回油口连接，变频电机12、压力测量组件4、比例溢流阀16、节流阀19和流量传感器18 的控制端分别通过线缆与下位机20连接。

变频电机12为液压泵13提供动力；溢流阀14为安全阀，主要为限压作用，当测量装置整个系统正常工作时，溢流阀14处于关闭状态，当测量装置整个系统的压力超过溢流阀14调定的压力后，流体介质会从溢流阀14溢流，保护测量装置的整个系统，对系统起过载保护作用；换向阀15控制测量装置整个系统中主油路的通断；单向阀17与节流阀19在整个系统中起到单向节流的作用，控制流体流经异形管道3的分流比，速度以及流量大小；比例溢流阀 16起到模拟负载的作用，调节负载压力变化，为整个系统提供动态的负载变化；油箱21为液压泵13提供介质，并作为溢流阀14和比例溢流阀16的回流介质储存装置，起到提供介质，散热，沉淀杂质的作用；下位机20接受压力测量组件4、比例溢流阀16、节流阀19、流量传感器18的信号，并将信号处理输送给上位机。

如图2所示，异形管道3上安装的多个压力测量组件4，压力测量组件4 沿异形管道1的轴线方向布置。如图4所示，异形管道3的三个端口处各具有结构相同的异形管道外螺纹11。

进一步，为了保证减少影响流体质点的撞击、出现涡旋、二次流以及流动的分离及再附壁等现象的剧烈程度，铝合金管1的长度至少大于流体处于稳定湍流状态区域的长度。

具体而言，由于SLM成形工艺的尺寸限制，在流体流经异形管道3前，必须确保流体为稳定的湍流状态，所以在异形管道3的端口处另接一段材质相同的铝合金管道1作为流体成形稳定湍流的发展区域，而不能直接成形出满足流体形成稳定湍流区域长度要求的管道。因此铝合金管1的内径和异形管道3 的内径相等，并通过接头2来连接，以确保铝合金管1和异形管道3的轴线同轴，确保铝合金管1端口面与异形管道3端口面准确贴合，避免两者之间产生配合误差，用来确保流体保持好稳定湍流状态，进而确保在异形管道3中局部压力损失测量结果的准确。

O型密封圈6的外径和位于铝合金管1两端的梯形沟槽7的外径相等。

基于SLM成形的多向异形管道局部压力损失测量方法，其包括以下步骤：

S1、根据实际情况，选取合适长度的铝合金管1：根据铝合金管1长度至少等于流体形成稳定湍流发展区域的长度，流体由层流向湍流转变的发展区域长度L由Langhaar HL(拉格哈尔公式)公式确定，具体表达式为：

L≈0.058D*Re

其中，L为发展区域的长度，D为流体流经发展区域管道的内径，Re为雷诺数；

湍流发展区域长度L由经验公式确定，具体表达式为：

L≈(25～40)D

其中，D为流体流经发展区域管道的内径；

根据上述两个公式，可知铝合金管1的长度应大于上述两个公式计算的最大值。

S2、安装多向异形管道局部压力损失测量装置，将铝合金管1第一端的铝合金外螺纹5通过接头2和异形管道3第一端的异形管道外螺纹11固定连接，并在异形管道3上测压孔8正上方的安装孔10内，安装压力测量组件4。

S3、通过下位机20，启动变频电机12，变频电机12驱动液压泵13，将油箱21的流体介质通过换向阀15进入到铝合金管1的内部。

S3、流体介质通过铝合金管1后形成湍流进入异形管道内，通过改变节流阀19的阀口开度来调节异形管道3的分流比，分流比的改变会使得流体介质通过异形管道3的局部阻力不同，并记录与异性管道3上安装孔10连接的压力测量组件4的示数。

S4、用比例溢流阀16来模拟负载，可以提高整个测量装置的压力，通过压力测量组件4和流量传感器18测得流体在不同流量、不同压力以及不同分流比下，通过异形管道3的局部压力损失，并将测得信号传递给与之连接的下位机20，下位机20将信号转换传递至上位机，上位机根据信号做出相关的控制。

本发明测量装置的原理，将流体流经铝合金管过渡发展成稳定湍流状态，经由异形管道，由数个压力测量组件对异形管道分岔处的局部压力损失进行测量，所选用的连接方式中，压力测量组件的位置既确保了实验的合理性，又最大限度的确保了对于局部压力损失测量的准确性，进而根据局部压力损失来探究SLM成形的多向异形管道影响局部压力损失的因素。

以下结合实施例对本发明一种基于SLM成形的多向异形管道局部压力损失测量装置及方法做进一步描述：

S1、根据实际情况，选取合适长度的铝合金管1：根据铝合金管1长度至少等于流体形成稳定湍流发展区域的长度，流体由层流向湍流转变的发展区域长度L由Langhaar HL(拉格哈尔公式)公式确定，具体表达式为：

L≈0.058D*Re

其中L为发展区域的长度，D为流体流经发展区域管道的内径，Re为雷诺数；

湍流发展区域长度L由经验公式确定，具体表达式为：

L≈(25～40)D

其中，D为流体流经发展区域管道的内径；

根据上述两个公式，可知铝合金管1的长度应大于上述两个公式计算的最大值。

S2、安装多向异形管道局部压力损失测量装置：

首先，将铝合金管1第一端的铝合金外螺纹5通过接头2和异形管道3 第一端的异形管道外螺纹11固定连接，然后将铝合金管1的铝合金管外螺纹 5、异形管道3的第二端和第三端的异形管道外螺纹11分别与测量装置中液压测试台连接，其中铝合金管1的外端口作为进油口，异形管道3的第二端和第三端作为出油口；最后，在异形管道3上测压孔8正上方的安装孔10内，安装压力测量组件4，压力测量组件4采用压力传感器，根据经验，测压孔8的直径φ范围最好为0.5mm左右，最大不超过1.5mm，深度最好为(3～10)φ；考虑到沿程压力损失的影响，压力传感器中均靠近异形管道3的分岔处，在分岔处的局部压力损失是在异形管道3中沿程压力损失的数十倍，甚至百倍以上，以保证沿程压力损失的影响尽量地小，进而不影响局部压力损失的测量的准确性。

S3、通过下位机20，启动变频电机12，变频电机12驱动液压泵13，将油箱21的流体介质通过换向阀15进入到铝合金管1的内部。

S3、流体介质通过铝合金管1后形成湍流进入异形管道3内，部分液压油经测压孔8进入安装孔10，进入压力传感器，流体介质稳定后，经压力传感器读取相关压力数值，即可测得局部压力损失，通过改变节流阀19的阀口开度来调节异形管道3的分流比，分流比的改变会使得流体介质通过异形管道3 的局部阻力不同，并记录与异性管道3上安装孔10连接的压力测量组件4的示数。

S4、在固定比例溢流阀16的阀口开度后，调节节流阀19改变流体介质的速度及流体介质通过异形管道3的分流比，由压力传感器读取压力数值，在固定节流阀19阀口开度后，调节比例溢流阀16的阀口开度，测量流体介质在不同压力下通过异形管道3的局部压力损失，并将测得信号传递给与之连接的下位机20，下位机20将信号转换传递至上位机，上位机根据信号做出相关的控制，压力传感器测得的局部压力损失与分流比、不同压力以及不同直径的关系如图5a至图5d和图6a至图6d所示。

通过对图5a至图5d进行分析，不同压力条件、相同流量下，同一异形管道3对应的局部压力损失几乎相同，局部压力损失随分流比的增大先减小后增大，且在分流比为0.5左右时达到最小，在SLM成形的多向异形管道3的设计时，要考虑两端出口流量尽量相同，从而减少异形管道3的局部压力损失。

通过对图6a至图6d进行分析，不同压力条件、相同流量下，同一异形管道3对应的局部压力损失几乎相同，局部压力损失随流道直径增大而减小，且在流道直径在大于10mm时，局部压力损失变化缓慢，在直径小于10mm时，二次流、涡旋的影响逐渐增加，可以为探究二次流、涡旋对局部压力损失的影响机理提供基础。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于SLM成形的多向异形管道局部压力损失测量装置，其包括铝合金管、接头、异形管道、压力测量组件、O型密封圈、变频电机、液压泵、油箱、溢流阀、换向阀、节流阀和下位机，其特征在于，

所述铝合金管的两端分别设有梯形沟槽，所述O型密封圈位于所述梯形沟槽内部，所述铝合金管第一端的铝合金外螺纹和所述接头的第一端固定连接，所述接头的第二端和所述异形管道第一端的异形管道外螺纹固定连接，所述异形管道的外表面设有测压孔，所述测压孔的正上方设有安装孔，所述压力测量组件通过安装孔内螺纹和所述安装孔固定连接，所述铝合金管在试验中能承受一定的高压流体；

所述变频电机的输出轴和所述液压泵的第一端固定连接，所述液压泵的第二端和所述溢流阀的第一端并联连接，构成整个测量装置的进油口，所述进油口和所述换向阀的第一端连接，所述换向阀的第二端和所述铝合金管第二端的铝合金外螺纹连接，所述压力测量组件和所述供油管路并联连接，所述单向阀和所述流量传感器串联连接，构成第一出口，所述节流阀和所述流量传感器串联连接，构成第二出口，所述第一出口和所述第二出口并联连接，构成整个测量装置的回油口，所述异形管道第二端的异形管道外螺纹和所述回油口的第一端连接，所述回油口的第二端和所述比例溢流阀的第一端连接，所述比例溢流阀的第二端通过回油管路和所述油箱的回油口连接，所述液压泵的第三端、所述溢流阀的第二端和所述换向阀的第三端分别与所述油箱的回油口连接，所述变频电机、所述压力测量组件、所述比例溢流阀、所述节流阀和所述流量传感器的控制端分别通过线缆与所述下位机连接。

2.根据权利要求1所述的基于SLM成形的多向异形管道局部压力损失测量装置，其特征在于，所述异形管道上安装的多个压力测量组件，其沿异形管道的轴线方向布置。

3.根据权利要求1所述的基于SLM成形的多向异形管道局部压力损失测量装置，其特征在于，所述铝合金管的长度大于流体处于稳定湍流状态区域的长度。

4.根据权利要求1所述的基于SLM成形的多向异形管道局部压力损失测量装置，其特征在于，所述铝合金管的内径和所述异形管道的内径相等。

5.根据权利要求1所述的基于SLM成形的多向异形管道局部压力损失测量装置，其特征在于，所述O型密封圈的外径和所述梯形沟槽的外径相等。

6.一种根据权利要求1-5之一所述的基于SLM成形的多向异形管道局部压力损失测量装置的多向异形管道局部压力损失测量方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1、根据实际情况，选取合适长度的铝合金管：根据铝合金管长度至少等于流体形成稳定湍流发展区域的长度，流体由层流向湍流转变的发展区域长度L为：

L≈0.058D*Re

其中，L为发展区域的长度，D为流体流经发展区域管道的内径，Re为雷诺数；

湍流发展区域长度L由经验公式确定，具体表达式为：

L≈(25～40)D

其中，D为流体流经发展区域管道的内径；

根据上述两个公式，得知所述铝合金管的长度应大于上述两个公式计算的最大值；

S2、安装多向异形管道局部压力损失测量装置，将铝合金管第一端的铝合金外螺纹通过接头和所述异形管道第一端的异形管道外螺纹固定连接，并在异形管道测压孔正上方的安装孔内，安装压力测量组件；

S3、通过下位机，启动变频电机，变频电机驱动液压泵，将油箱的流体介质通过换向阀进入到铝合金管内部；

S3、流体介质通过铝合金管后形成湍流进入异形管道内，通过改变节流阀的阀口开度来调节异形管道的分流比，并记录与异性管道安装孔连接的压力测量组件的示数；

S4、用比例溢流阀来模拟负载，通过压力测量组件和流量传感器测得流体在不同流量、不同压力以及不同分流比下，通过异形管道的局部压力损失，并将测得信号传递给与之连接的下位机，下位机将信号转换传递至上位机，上位机根据信号做出相关的控制。

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