CN114509030A - 圆柱形工件表面相对粗糙度和固有频率测量及清洗方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及圆柱形工件表面相对粗糙度和固有频率测量及清洗方法，包括以下步骤，将标准圆柱形工件固设于来流流速可控的流场中，分别测量尾部流场锁定区间的脱涡频率和解锁区间斯特劳哈尔数趋于稳定时的脱涡频率，获取待测量圆柱形工件固有频率参考值和表面相对粗糙度参考值；利用涡街对待测量圆柱形工件进行清洗，分别测量尾部流场锁定区间的脱涡频率和解锁区间斯特劳哈尔数趋于稳定时的脱涡频率，若锁定区间的脱涡频率在固有频率参考值范围内，则判定满足固有频率的使用要求；若稳定时的斯特劳哈尔数在表面相对粗糙度参考值范围内，则判定满足表面相对粗糙度的使用要求。能够一次性完成表面相对粗糙度测量、固有频率测量及外表面清洗。

Description

圆柱形工件表面相对粗糙度和固有频率测量及清洗方法
技术领域
本发明涉及测量技术领域，特别是涉及圆柱形工件表面相对粗糙度和固有频率测量及清洗方法。
背景技术
测量是按照某种规律，用数据来描述观察到的现象，即对事物作出量化描述。
工件不同的表面相对粗糙度影响着工件的耐磨性、配合的稳定性、疲劳强度、耐腐蚀性、密封性、接触刚度和测量精度等；合乎标准的外表面清洁度使得工件可以应用在有洁净要求、精度要求高的环境中，也提高了测量的准确性；此外，为了避免工件与周围环境发生共振而影响工作精度并产生疲劳损伤，人们常常需要测量工件的固有频率，选择固有频率远离周围环境激励频率的工件来保证设备安全稳定运行。
在某些配置有圆柱形工件的场景中，工作环境对圆柱形工件的表面相对粗糙度、固有频率和外表面的清洁程度有着严格的要求，因此需要先对这些工件进行测量和清洗，然后在测量结果的基础上进行筛选使用。
表面相对粗糙度是许多工件生产中的一种重要指标，目前测量表面相对粗糙度的方法主要有光切法、干涉法、触针法和印膜法等。这些测量方法的经济成本和时间成本较高。
工件的固有频率的测量是通过敲击使工件自由振动，然后分析固有频率，或者用ANSYS的动力学分析的模态分析来测定工件的固有频率，这些测量方法需要耗费大量人力，同时测量结果受人为因素影响较大。
工件的外表面清洁则通常采用清水清刷和毛巾擦拭，清洗过程费时费力。
现有技术中，上述圆柱形工件的表面相对粗糙度测量、固有频率测量和外表面的清洗，通常需要分开至少三个单独的工位来进行，不同工位的处理过程还可能产生不良的影响，比如采用敲击法测量固有频率时可能会影响表面相对粗糙度的测量精度。
综上所述，现有技术对圆柱形工件的测量和清洗过程比较烦琐，无法一次性完成所有测量和清洗全过程，特别是在批量生产过程中，难以快速筛选出满足使用要求的圆柱形工件。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供圆柱形工件表面相对粗糙度和固有频率测量及清洗方法，能够一次性完成圆柱形工件表面相对粗糙度测量、固有频率测量及外表面清洗，可以在批量生产过程中快速筛选出满足使用要求的圆柱形工件。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
圆柱形工件表面相对粗糙度和固有频率测量及清洗方法，包括以下步骤，将具有符合要求标准相对粗糙度值和标准固有频率值的标准圆柱形工件固设于来流流速可控的流场中，逐渐提高来流流速，分别测量尾部流场锁定区间的脱涡频率和解锁区间斯特劳哈尔数趋于稳定时的脱涡频率，并计算斯特劳哈尔数，根据锁定区间的脱涡频率与标准固有频率值以及稳定时的斯特劳哈尔数与标准相对粗糙度值的对应关系，获取待测量圆柱形工件固有频率参考值和表面相对粗糙度参考值；
将待测量圆柱形工件固设于所述流场中，逐渐提高来流流速，利用流动和涡街对待测量圆柱形工件进行清洗；分别测量尾部流场锁定区间的脱涡频率和解锁区间斯特劳哈尔数趋于稳定时的脱涡频率，并计算斯特劳哈尔数。比较锁定区间的脱涡频率与所述固有频率参考值，若脱涡频率在所述固有频率参考值范围内，则判定待测量圆柱形工件满足固有频率的使用要求；比较稳定时的斯特劳哈尔数与所述表面相对粗糙度参考值，若脱涡频率在所述表面相对粗糙度参考值范围内，则判定待测量圆柱形工件满足表面相对粗糙度的使用要求。
进一步，固有频率参考值的获取方式为，将标准圆柱形工件固设于来流流速可控的流场中，逐渐提高来流流速；当尾部流场的脱涡频率进入锁定区间时，标记此时的脱涡频率为与标准固有频率值对应的固有频率参考值；表面相对粗糙度参考值为斯特劳哈尔数参考值，获取方式为，当尾部流场的脱涡频率进入解锁区间后计算斯特劳哈尔数，当斯特劳哈尔数趋于稳定时，测量多个折合速度下的脱涡频率，计算斯特劳哈尔数并取平均值，标记此时的斯特劳哈尔数为与标准相对粗糙度值对应的斯特劳哈尔数参考值。
进一步，标准固有频率值为从频率上限值到频率下限值的区间，固有频率参考值为从固有频率参考上限值到固有频率参考下限值的区间，标准圆柱形工件包括第一标准圆柱形工件和第二标准圆柱形工件，第一标准圆柱形工件具有频率上限值，第二标准圆柱形工件具有频率下限值；
将第一标准圆柱形工件和第二标准圆柱形工件分别固设于来流流速可控的流场中，逐渐提高来流流速；当第一标准圆柱形工件尾部流场的脱涡频率进入锁定区间时，标记此时的脱涡频率为与频率上限值对应的固有频率参考上限值；当第二标准圆柱形工件尾部流场的脱涡频率进入锁定区间时，标记此时的脱涡频率为与频率下限值对应的固有频率参考下限值；
将待测量圆柱形工件固设于所述来流流速可控的流场中，当尾部流场的脱涡频率进入锁定区间时，若当前脱涡频率在固有频率参考下限值与固有频率参考上限值之间，则判定待测量圆柱形工件的固有频率符合要求。
进一步，固有频率参考上限值的测量方式为，当第一标准圆柱形工件尾部流场的脱涡频率在接近频率上限值时突增至频率上限值并锁定在频率上限值附近时，标记此时的脱涡频率为固有频率参考上限值；
固有频率参考下限值的测量方式为，当第二标准圆柱形工件尾部流场的脱涡频率在接近频率下限值时突增至频率下限值并锁定在频率下限值附近时，标记此时的脱涡频率为固有频率参考下限值。
进一步，标准相对粗糙度值为从相对粗糙度上限值和相对粗糙度下限值的区间，斯特劳哈尔数参考值为从斯特劳哈尔数参考上限值到斯特劳哈尔数参考下限值的区间，标准圆柱形工件包括第三标准圆柱形工件和第四标准圆柱形工件，第三标准圆柱形工件具有相对粗糙度上限值，第四标准圆柱形工件具有相对粗糙度下限值；
斯特劳哈尔数参考上限值和斯特劳哈尔数参考下限值的测量方式为，将第三标准圆柱形工件和第四标准圆柱形工件分别固设于来流流速可控的流场中，逐渐提高来流流速，当第三标准圆柱形工件尾部流场的脱涡频率从锁定区间进入解锁区间时计算斯特劳哈尔数，当斯特劳哈尔数趋于稳定时，标记为与粗糙度上限值对应的斯特劳哈尔数参考上限值；当第四标准圆柱形工件尾部流场的脱涡频率从锁定区间进入解锁区间时计算斯特劳哈尔数，当斯特劳哈尔数趋于稳定时，标记为与粗糙度下限值对应的斯特劳哈尔数参考下限值；
将待测量圆柱形工件固设于所述流速可控的来流中，当斯特劳哈尔数趋于稳定时，若当前斯特劳哈尔数位于斯特劳哈尔数参考上限值与斯特劳哈尔数参考下限值之间，则判定待测量圆柱形工件的表面相对粗糙度符合要求。
进一步，还包括以下步骤，
测量与待测量圆柱形工件规格相同的多个基础圆柱形工件，分别得到多个基础固有频率值；
将多个基础圆柱形工件固设于来流流速可控的流场中，分别测量得到多个锁定区间的脱涡频率；多个锁定区间的脱涡频率与多个基础固有频率值一一对应；根据多个锁定区间的脱涡频率与多个基础固有频率值的对应关系，通过线性化拟合，建立关于脱涡频率和固有频率的第一函数关系式；
将判定为满足固有频率使用要求的待测量圆柱形工件锁定区间的脱涡频率输入到第一函数关系式，计算得到待测量圆柱形工件的固有频率。
进一步，还包括以下步骤，
测量与待测量圆柱形工件规格相同的多个基础圆柱形工件，分别得到多个基础表面相对粗糙度值；
将多个基础圆柱形工件固设于来流流速可控的流场中，分别测量得到多个解锁区间的脱涡频率，并根据多个解锁区间的脱涡频率计算获取多个趋于稳定的斯特劳哈尔数；多个稳定时的斯特劳哈尔数与多个基础表面相对粗糙度值一一对应；根据多个解锁区间的斯特劳哈尔数与多个基础表面相对粗糙度值的对应关系，通过线性化拟合，建立关于斯特劳哈尔数和表面相对粗糙度的第二函数关系式；
将判定为满足表面相对粗糙度使用要求的待测量圆柱形工件解锁区间的脱涡频率输入到第二函数关系式，计算得到待测量圆柱形工件的表面相对粗糙度。
进一步，当出现涡街时，保持来流流速不变，持续利用流体流动、涡旋和涡激振动对待测量圆柱形工件进行清洗；清洗完成后提高来流流速以进行固有频率和粗糙度的测量。
进一步，标准圆柱形工件的标准相对粗糙度值利用光切法、干涉法、触针法或印膜法测量获得。
进一步，标准圆柱形工件的标准固有频率值通过敲击法或者采用动力学分析方法获得。
总的说来，本发明具有如下优点：
本发明利用涡街对待测量圆柱形工件进行清洗，比一般水流冲刷更有效，不会刮伤待测量圆柱形工件的表面，不会对表面相对粗糙度的测量造成不利影响。表面相对粗糙度和固有频率的测量不会对圆柱形工件造成损伤，测量结果不受人为因素影响。能够在一个工位一次性完成圆柱形工件外表面清洗、固有频率测量及表面相对粗糙度测量，可以快速筛选出满足使用要求的圆柱形工件，具有较高的可靠性、经济性和可操作性，尤其适合于批量生产的暴露在流体中的圆柱形工件。
附图说明
图1为本发明的流程步骤示意图。
图2为本发明的清洗过程和测量过程示意图。
图3为本发明的结构安装示意图。
图4为实施例2中低质量比情况下，固有频率和锁定时脱涡频率的线性拟合关系的第一函数关系示意图。
图5为实施例2中低质量比情况下，表面相对粗糙度和稳定时的斯特劳哈尔数的线性拟合关系的第二函数关系示意图。
具体实施方式
现有技术采用至少三个工位来分别进行待测量圆柱形工件的表面相对粗糙度测量、固有频率测量及外表面清洗，然后再从测量到的结果中筛选出符合表面相对粗糙度要求和固有频率要求的工件进行使用。然而这些测量过程和清洗过程都比较繁琐，难以快速筛选出符合要求的圆柱形工件，无法满足批量生产的要求。
研究表明，将圆柱形工件置入于来流流速可控的流场中，随着来流速度的增大，脱涡频率也会逐渐增大，当脱涡频率接近工件固有频率时，涡街将会与工件产生共振，此时脱涡频率呈迅速上升并锁定在工件的固有频率上，脱涡频率锁定的流速区间称为锁定区间。继续增大来流流速，随着雷诺数的增加，脱涡频率离开锁定区间进入解锁区间，斯特劳哈尔数将在明显的跳跃性增加后保持稳定。通过数值模拟和实验可以得出结论，工件的表面相对粗糙度越大，稳定时的斯特劳哈尔数也越大，在工件直径和来流流速不变的情况下，斯特劳哈尔数仅与脱涡频率相关。据此，通过测量脱涡频率，就可以测量获得工件的固有频率和表面相对粗糙度。
对于具有相同规格的多个工件的检测，其测量值通常只在标准值附近波动。已知脱涡频率与固有频率的关系以及斯特劳哈尔数与相对粗糙度的关系在标准值附近没有间隙、死区、不连续点等情况，所以在建立待测量工件的脱涡频率与固有频率的函数关系、斯特劳哈尔数与相对粗糙度的函数关系时，可以相对于这一点进行线性化处理，用线性函数进行分析，大大简化了测量和运算的复杂程度，减小了测量计算的工作量。当待测量工件的测量值位于标准值附近时，可以认为用所建立的线性函数关系计算得到的测量值可靠。
基于此，为了解决上述技术问题，本申请的发明构思是利用标准圆柱形工件尾部流场锁定区间的脱涡频率与标准固有频率值以及解锁区间的脱涡频率计算得的斯特劳哈尔数与标准相对粗糙度值的对应关系，获取待测量圆柱形工件固有频率参考值和表面相对粗糙度参考值，再分别对比待测量圆柱形工件尾部流场锁定区间的脱涡频率和固有频率参考值、解锁区间的脱涡频率计算得的斯特劳哈尔数和表面相对粗糙度参考值，即可快速筛选出符合要求的圆柱形工件。
另外，利用多个与待测量工件具有相同规格的、固有频率和表面相对粗糙度已知的基础工件测量得到多个尾部流场锁定区间的脱涡频率和解锁区间的脱涡频率，分别在标准值点上进行线性拟合，建立脱涡频率和固有频率、斯特劳哈尔数和表面相对粗糙度在标准值附近的函数关系式；然后将符合要求的待测量圆柱形工件固设于所述流场中，测量尾部流场锁定区间的脱涡频率和解锁区间的脱涡频率，并输入到上述建立的函数关系式，即可以快速计算得到待测量圆柱形工件的固有频率值和表面相对粗糙度值。
下面来对本发明做进一步详细的说明。
实施例1
如图1-图3所示，圆柱形工件表面相对粗糙度和固有频率测量及清洗方法，包括以下步骤：
根据圆柱形工件的工作环境，设定符合使用要求的标准相对粗糙度值和标准固有频率值，标准固有频率值应该远离工作环境的激励频率，以避免使用过程中圆柱形工件与工作环境发生共振而产生破坏或造成疲劳损伤。标准固有频率值可以高于或低于工作环境的激励频率。
利用现有技术测量至少一个圆柱形工件并记录测量结果，在测量结果中挑选出具有标准相对粗糙度值和标准固有频率值的圆柱形工件作为标准圆柱形工件。将标准圆柱形工件固设于流速可控的流场中，根据脱涡频率与标准固有频率值以及脱涡频率与标准相对粗糙度值的对应关系，分别获取待测量圆柱形工件固有频率参考值和表面相对粗糙度参考值。本实施例采用水流作为来流。具体过程为：
将标准圆柱形工件固设于流速可控的水流中，逐渐提高来流流速并测量工件尾部流场的脱涡频率。其中，脱涡频率的测量方式为，将标准圆柱形工件固设于水流中，在标准圆柱形工件的上下游分别设置压力传感器以检测流体压力，逐渐提高来流流速，测量上下游流体压力的压差变化频率，即为脱涡频率。
当脱涡频率在接近标准固有频率值时突增至标准固有频率值并锁定在标准固有频率值附近时，脱涡频率锁定的流速区间称为锁定区间，此时锁定区间锁定的脱涡频率即为标准圆柱形元件的固有频率，标记此时的脱涡频率为与标准固有频率值对应的固有频率参考值；当脱涡频率从锁定区间进入解锁区间后开始计算斯特劳哈尔数，当得到的斯特劳哈尔数趋于稳定时，标记此时的斯特劳哈尔数为与标准相对粗糙度值对应的斯特劳哈尔数参考值。斯特劳哈尔数利用公式Sr=f v* d/V测量计算，其中，Sr为斯特劳哈尔数，f v 为脱涡频率，d为标准圆柱形工件直径，V为来流流速。
获取待测量圆柱形工件固有频率参考值和表面相对粗糙度参考值后，将待测量圆柱形工件固设于所述来流流速可控的水流中并逐渐提高来流流速，利用涡街振动对待测量圆柱形工件进行清洗；分别测量尾部流场的锁定区间和解锁区间的脱涡频率，并将锁定区间的脱涡频率和稳定时的斯特劳哈尔数与测量参考值相比较，以此来判定待测量圆柱形工件是否满足固有频率和表面相对粗糙度的使用要求。其中，待测量圆柱形工件与标准圆柱形工件具有相同规格（外形尺寸）。具体过程为：
将待测量圆柱形工件固设于所述来流流速可控的流场中并逐渐提高来流流速，当尾部流场出现涡街时，利用流动、涡街和涡激振动对待测量圆柱形工件进行清洗；当脱涡频率进入锁定区间时，若当前脱涡频率在固有频率参考值范围内，则判定待测量圆柱形工件的固有频率符合要求，否则舍弃，选取下一个待测量圆柱形工件重新进行处理；继续提高来流流速，当脱涡频率进入解锁区间后开始计算斯特劳哈尔数，当得到的斯特劳哈尔数趋于稳定时，若当前斯特劳哈尔数在斯特劳哈尔数参考值范围内，则判定待测量圆柱形工件的相对粗糙度符合要求，否则舍弃，选取下一个待测量圆柱形工件重新进行处理。
本发明利用涡街对待测量圆柱形工件进行清洗，由于涡街的交替脱落和涡激振动，工件得到比一般水流冲刷更有效的清洁，清洗效果更好，由于无需对待测量圆柱形工件进行擦拭刷洗，因此不会刮伤待测量圆柱形工件的表面，不会对固有频率和表面相对粗糙度的测量造成不利影响。
本发明利用脱涡频率与固有频率以及脱涡频率与表面相对粗糙度的对应关系，来对待测量圆柱形工件的固有频率和表面相对粗糙度的测量作为判定依据，测量时无需敲击圆柱形工件表面，不会对圆柱形工件的表面造成损伤，也无需使用复杂的动力学分析的模态分析，测量结果不受人为因素影响。能够在一个工位一次性完成圆柱形工件外表面清洗、固有频率测量及表面相对粗糙度测量，可以快速筛选出满足使用要求的圆柱形工件，具有较高的可靠性、经济性和可操作性，尤其适合于测量批量生产的暴露在流体中的工件。
实施例2
本实施例与实施例1不同之处在于：标准固有频率值为从频率上限值到频率下限值的区间，固有频率参考值为从固有频率参考上限值到固有频率参考下限值的区间，标准圆柱形工件包括第一标准圆柱形工件和第二标准圆柱形工件，第一标准圆柱形工件具有频率上限值，第二标准圆柱形工件具有频率下限值。实际应用中，满足使用要求的圆柱形工件，其固有频率可以不止为一个固定的数值，而可以为一个合适的区间范围，只要该区间范围内的固有频率与圆柱形工件工作的激励频率不相近，不会产生共振即可。因此，本实施例将标准固有频率值扩展为从频率上限值到频率下限值的区间，并利用现有技术筛选出具有频率上限值的第一标准圆柱形工件和具有频率下限值的第二标准圆柱形工件，作为待测量圆柱形工件的固有频率测量判断基准。频率上限值到频率下限值的区间可以高于或低于工作环境的激励频率。
固有频率参考值相应扩展为从固有频率参考上限值到固有频率参考下限值的区间。
其中，固有频率参考上限值的测量方式为，当第一标准圆柱形工件尾部流场的脱涡频率在接近频率上限值时突增至频率上限值并锁定在频率上限值附近时，标记此时的脱涡频率为固有频率参考上限值；固有频率参考下限值的测量方式为，当第二标准圆柱形工件尾部流场的脱涡频率在接近频率下限值时突增至频率下限值并锁定在频率下限值附近时，标记此时的脱涡频率为固有频率参考下限值。
第一标准圆柱形工件和第二标准圆柱形工件可以在同一来流中先后测量，或设于同一来流中但相距较远、不会互相影响的情形下同时测量。实际应用中，由于高阶固有频率的存在，为了针对性的测量一阶固有频率，本实施例中，第一标准圆柱形工件的固有频率可以设为一个较大的数值。
然后，将待测量圆柱形工件固设于所述来流流速可控的流场并逐渐提高来流流速，当尾部流场的脱涡频率进入锁定区间时，若当前脱涡频率在固有频率参考下限值与固有频率参考上限值之间，则判定待测量圆柱形工件的固有频率符合要求，否则判定为不符合要求。
通过第一标准圆柱形工件和第二标准圆柱形工件分别对应符合要求固有频率范围的固有频率参考上限值与固有频率参考下限值，扩展了可接受的固有频率范围，因此能够更快速地筛选出符合固有频率使用要求的圆柱形工件。
标准相对粗糙度值为从相对粗糙度上限值和相对粗糙度下限值的区间，标准圆柱形工件包括第三标准圆柱形工件和第四标准圆柱形工件，第三标准圆柱形工件具有相对粗糙度上限值，第四标准圆柱形工件具有相对粗糙度下限值。
实际应用中，满足使用要求的圆柱形工件，其表面相对粗糙度可以不止为一个固定的数值，而可以为一个合适的区间范围。因此，本实施例将标准相对粗糙度值扩展为从相对粗糙度上限值和相对粗糙度下限值的区间，并利用现有技术筛选出具有相对粗糙度上限值的第三标准圆柱形工件和具有相对粗糙度下限值的第四标准圆柱形工件，作为待测量圆柱形工件的相对粗糙度测量判断基准。
斯特劳哈尔数参考值相应地扩展为从斯特劳哈尔数参考上限值到斯特劳哈尔数参考下限值的区间。
其中，斯特劳哈尔数参考上限值和斯特劳哈尔数参考下限值的测量方式为，将第三标准圆柱形工件和第四标准圆柱形工件分别固设于来流流速可控的流场中，逐渐提高来流流速，当第三标准圆柱形工件尾部流场的脱涡频率从锁定区间进入解锁区间时开始计算斯特劳哈尔数，当斯特劳哈尔数趋于稳定时，标记为与粗糙度上限值对应的斯特劳哈尔数参考上限值；当第四标准圆柱形工件尾部流场的脱涡频率从锁定区间进入解锁区间时开始计算斯特劳哈尔数，当斯特劳哈尔数趋于稳定时，标记为与粗糙度下限值对应的斯特劳哈尔数参考下限值。
然后，将待测量圆柱形工件固设于所述流速可控的流场中，逐渐提高来流流速并计算斯特劳哈尔数，当斯特劳哈尔数趋于稳定时，若当前斯特劳哈尔数位于斯特劳哈尔数参考上限值与斯特劳哈尔数参考下限值之间，则判定待测量圆柱形工件的粗糙度符合要求。
在某些场景中，标准相对粗糙度值的区间可以是大于相对粗糙度上限值的无限范围，或者是小于相对粗糙度下限值的无限范围，由具体的工作场景要求决定。
通过第三标准圆柱形工件和第四标准圆柱形工件分别对应符合要求相对粗糙度范围的斯特劳哈尔数参考上限值与斯特劳哈尔数参考下限值，扩展了可接受的相对粗糙度范围，因此能够更快速地筛选出符合粗糙度使用要求的圆柱形工件。
另外，在筛选出固有频率和表面相对粗糙度均符合要求的圆柱形工件后，为了测量其固有频率和表面相对粗糙度的具体数值，可首先通过测量多个基础圆柱形工件分别建立脱涡频率和固有频率、斯特劳哈尔数和表面相对粗糙度的函数关系式，再将符合要求的圆柱形工件的测量结果分别导入函数关系式，即可直接计算得到其固有频率值和相对粗糙度值。
因此，本实施例还包括以下步骤，
测量与待测量圆柱形工件规格相同的多个基础圆柱形工件，分别得到多个基础固有频率值；
将多个基础圆柱形工件固设于来流流速可控的流场中，分别测量得到多个锁定区间的脱涡频率；多个锁定区间的脱涡频率与多个基础固有频率值一一对应；根据多个锁定区间的脱涡频率与多个基础固有频率值的对应关系，通过在标准固有频率值点上线性化拟合，建立脱涡频率和固有频率的第一函数关系式；
将判定为满足固有频率使用要求的待测量圆柱形工件锁定区间的脱涡频率输入到第一函数关系式，计算得到待测量圆柱形工件的固有频率。
测量与待测量圆柱形工件规格相同的多个基础圆柱形工件，分别得到多个基础表面相对粗糙度值；
将多个基础圆柱形工件固设于来流流速可控的流场中，分别测量得到多个解锁区间的脱涡频率，并根据多个解锁区间的脱涡频率计算获取多个趋于稳定的斯特劳哈尔数；多个稳定时的斯特劳哈尔数与多个基础表面相对粗糙度值一一对应；根据多个稳定时的斯特劳哈尔数与多个基础表面相对粗糙度值的对应关系，通过在标准表面相对粗糙度值点上线性化拟合，建立斯特劳哈尔数和表面相对粗糙度的第二函数关系式；
将判定为满足表面相对粗糙度使用要求的待测量圆柱形工件解锁区间的脱涡频率输入到第二函数关系式，计算得到待测量圆柱形工件的表面相对粗糙度。
如图3-图5所示，下面以长度L为8m，直径d为0.05m，壁厚δ为0.035m的钢管工件作为圆柱形工件置于水流中清洗和测量为例。
清洗和检测步骤：
（1）测量标准圆柱形工件，获取测量判断参考值。
根据实际应用场景的要求，设定符合使用要求的固有频率合格范围为0.90Hz到1.274Hz，表面相对粗糙度ε/d合格范围为3.6×10-3到1.2×10-2。
利用现有技术的测量方法，分别筛选出固有频率为1.274Hz的第一标准圆柱形工件、固有频率为0.90Hz的第二标准圆柱形工件、相对粗糙度为1.2×10-2的第三标准圆柱形工件和相对粗糙度为3.6×10-3的第四标准圆柱形工件。
测量用的水箱宽度D为10m，高度H为20m，尾部联通外流，首部连通流速可调的稳定来流，将任一标准圆柱形工件浸入水箱中后，在标准圆柱形工件的上下游分别放置两个压力传感器以测量来流压力差ΔP和计算脱涡频率f v 。可以观察到脱涡频率随着来流速度的增加逐渐上升，在接近标准圆柱形工件标准固有频率值时突增至标准固有频率值后马上锁定在标准固有频率值附近，观察到锁定区间的脱涡频率并不是完全锁定在固有频率附近，而是随来流速度增加有微小的增加。这是由于本实施例中测量用的流体为水，使得质量比过低导致的。因此需要先测量标准圆柱形工件来消除流体密度、温度、黏度和阻力等因素的影响，作为后续准确判断待测量圆柱形工件是否合格的依据。
测量开始，将第一标准圆柱形工件浸入水箱中，提高来流速度，记录脱涡频率。观察到脱涡频率随着来流速度的增加逐渐上升，在接近1.274Hz时突增至1.274Hz后马上锁定在1.274Hz附近，随着来流速度的增加缓慢增加。记录此时的脱涡频率为1.288Hz，标记为固有频率参考上限值。
将第二标准圆柱形工件浸入水箱中，提高来流速度，记录脱涡频率。观察到脱涡频率随着来流速度的增加逐渐上升，在接近0.90Hz时突增至0.90Hz后马上锁定在0.90Hz附近，随着来流速度的增加缓慢增加。记录开始锁定的脱涡频率为0.90Hz，标记为固有频率参考下限值。
将第三标准圆柱形工件浸入水箱中，提高来流速度，当脱涡频率从锁定区间进入解锁区间后开始计算斯特劳哈尔数，随着来流速度的增加，在来流速度大于1.5m/s后，观察到斯特劳哈尔数趋于稳定。继续增加来流速度，取多点的脱涡频率和来流速度计算斯特劳哈尔数并取平均值。记录此时的斯特劳哈尔数为0.25，标记为斯特劳哈尔数参考上限值。
将第四标准圆柱形工件浸入水箱中，提高来流速度，当涡频率从锁定区间进入解锁区间后开始测量斯特劳哈尔数，随着来流速度的增加，在来流速度大于1.5m/s后，观察到斯特劳哈尔数趋于稳定。继续增加来流速度，取多点的脱涡频率和来流速度计算斯特劳哈尔数并取平均值。记录此时的斯特劳哈尔数为0.22，标记为斯特劳哈尔数参考下限值。
（2）建立函数关系式。
将多个固有频率和表面相对粗糙度真实值已知的、与待测量圆柱形工件具有相同外形尺寸的基础圆柱形工件置入于水流中，用同样的方法分别测量得到多个锁定区间的脱涡频率和多个斯特劳哈尔数趋于稳定时解锁区间的脱涡频率，将多个锁定区间的脱涡频率分别与多个固有频率真实值对应导入计算机拟合，并在标准固有频率值点上线性化，建立得到标准固有频率值附近固有频率f n 和锁定时脱涡频率f v 的线性拟合关系的第一函数关系式为f n =0.83f v +0.087(Hz)。
将多个解锁区间的脱涡频率分别与多个表面相对粗糙度真实值对应导入计算机拟合，并在标准表面相对粗糙度值点上线性化，建立得到标准表面相对粗糙度值附近表面相对粗糙度和稳定时的斯特劳哈尔数的线性拟合关系的第二函数关系式为ε/d=0.28×Sr-0.058，其中，Sr=f v* d/V。
由于基础圆柱形工件与待测量圆柱形工件具有相同外形尺寸，且生产工艺相同，因此其测量值通常在标准值附近，故本发明所建立的第一函数关系式和第二函数关系式均具有较小的误差，计算结果较为可靠。
（3）待测量圆柱形工件清洗。
将待测量圆柱形工件浸入水箱中，逐渐提高来流速度。大约在雷诺数Re=4时，待测量圆柱形工件后出现一对驻涡，大约在雷诺数Re=40时，也就是来流速度约为1.04×10-3m/s时，涡旋出现不稳定的摆动，大约在雷诺数Re=60时，也就是来流速度约为1.56×10-3m/s时，涡旋交替脱落。由于涡街的交替脱落和涡激振动，待测量圆柱形工件得到比一般水流冲刷更有效的清洁。
（4）判定并测量待测量圆柱形工件的固有频率。
继续提高来流速度，记录来流脱涡频率。观察到脱涡频率随着来流速度的增加逐渐上升，在接近0.90Hz时突增至0.90Hz后马上锁定在0.90Hz附近，随着来流速度的增加缓慢增加。记录到此时的脱涡频率为0.992Hz，落在0.90Hz和1.288Hz的区间内，因此判定该待测量圆柱形工件的固有频率符合要求，可以进入下一步表面相对粗糙度测量。利用第一函数关系求得其固有频率为0.91Hz。如果记录到此时的脱涡频率在0.90Hz和1.288Hz的区间外，则判定该待测量圆柱形工件的固有频率不符合要求，选取下一个待测量圆柱形工件重新开始清洗和测量。
（5）判定并测量待测量圆柱形工件的表面相对粗糙度。
固有频率测量合格后，继续增大来流速度，计算斯特劳哈尔数，随着来流速度的增加，在来流速度大于1.5m/s后，观察到斯特劳哈尔数趋于稳定。继续增加来流速度，取多点的脱涡频率和来流速度计算斯特劳哈尔数并取平均值，记录得到斯特劳哈尔数平均值为0.225。该数值落在0.22和0.25的区间内，因此判定认为该待测量圆柱形工件的表面相对粗糙度符合要求。利用第二函数关系式可求得其相对表面相对粗糙度为5×10-3。如果记录到此时的斯特劳哈尔数在0.22和0.25的区间外，则判定该待测量圆柱形工件的表面相对粗糙度表面相对粗糙度不符合要求，选取下一个待测量圆柱形工件重新清洗和测量。
实施例3
本实施例与实施例1不同之处在于：当出现涡街时，保持来流流速不变，持续利用涡街振动对待测量圆柱形工件进行清洗，清洗完毕后，再提高来流流速以对待测量圆柱形工件进行固有频率测量和表面相对粗糙度的测量。
待测量圆柱形工件一直浸入于来流中，整个过程其实都处于清洗中。但由于待测量圆柱形工件外表面的清洁程度可能会影响固有频率和表面相对粗糙度的测量精度，因此，本实施例在涡街出现时，保持来流流速一段时间不变，持续利用涡街快速且充分地将待测量圆柱形工件的外表面清洗。清洗时间根据外表面的洁净程度而定。在进行外表面清洗后再进行固有频率测量和表面相对粗糙度测量，使得后续固有频率和表面相对粗糙度的测量更加准确。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.圆柱形工件表面相对粗糙度和固有频率测量及清洗方法，其特征在于：
包括以下步骤，
将具有符合要求标准相对粗糙度值和标准固有频率值的标准圆柱形工件固设于来流流速可控的流场中，逐渐提高来流流速，分别测量尾部流场锁定区间的脱涡频率和解锁区间斯特劳哈尔数趋于稳定时的脱涡频率，根据锁定区间的脱涡频率与标准固有频率值以及稳定时的斯特劳哈尔数与标准相对粗糙度值的对应关系，获取待测量圆柱形工件固有频率参考值和表面相对粗糙度参考值；
将待测量圆柱形工件固设于所述流场中，逐渐提高来流流速，利用流动和涡街对待测量圆柱形工件进行清洗；分别测量尾部流场锁定区间的脱涡频率和解锁区间斯特劳哈尔数趋于稳定时的测量脱涡频率，比较锁定区间的脱涡频率与所述固有频率参考值，若脱涡频率在所述固有频率参考值范围内，则判定待测量圆柱形工件满足固有频率的使用要求；比较通过解锁区间的脱涡频率计算得的稳定时的斯特劳哈尔数与所述表面相对粗糙度参考值，若稳定时的斯特劳哈尔数在所述表面相对粗糙度参考值范围内，则判定待测量圆柱形工件满足表面相对粗糙度的使用要求。
2.按照权利要求1所述的圆柱形工件表面相对粗糙度和固有频率测量及清洗方法，其特征在于：固有频率参考值的获取方式为，将标准圆柱形工件固设于来流流速可控的流场中，逐渐提高来流流速；当尾部流场的脱涡频率进入锁定区间时，标记此时的脱涡频率为与标准固有频率值对应的固有频率参考值；表面相对粗糙度参考值为斯特劳哈尔数参考值，获取方式为，当尾部流场的脱涡频率进入解锁区间后计算斯特劳哈尔数，当斯特劳哈尔数趋于稳定时，测量多个折合速度下的脱涡频率计算斯特劳哈尔数并取平均值，标记此时的斯特劳哈尔数为与标准相对粗糙度值对应的斯特劳哈尔数参考值。
3.按照权利要求2所述的圆柱形工件表面相对粗糙度和固有频率测量及清洗方法，其特征在于：标准固有频率值为从频率上限值到频率下限值的区间，固有频率参考值为从固有频率参考上限值到固有频率参考下限值的区间，标准圆柱形工件包括第一标准圆柱形工件和第二标准圆柱形工件，第一标准圆柱形工件具有频率上限值，第二标准圆柱形工件具有频率下限值；
将第一标准圆柱形工件和第二标准圆柱形工件分别固设于来流流速可控的流场中，逐渐提高来流流速；当第一标准圆柱形工件尾部流场的脱涡频率进入锁定区间时，标记此时的脱涡频率为与频率上限值对应的固有频率参考上限值；当第二标准圆柱形工件尾部流场的脱涡频率进入锁定区间时，标记此时的脱涡频率为与频率下限值对应的固有频率参考下限值；
将待测量圆柱形工件固设于所述来流流速可控的流场中，当尾部流场的脱涡频率进入锁定区间时，若当前脱涡频率在固有频率参考下限值与固有频率参考上限值之间，则判定待测量圆柱形工件的固有频率符合要求。
4.按照权利要求3所述的圆柱形工件表面相对粗糙度和固有频率测量及清洗方法，其特征在于：固有频率参考上限值的测量方式为，当第一标准圆柱形工件尾部流场的脱涡频率在接近频率上限值时突增至频率上限值并锁定在频率上限值附近时，标记此时的脱涡频率为固有频率参考上限值；
固有频率参考下限值的测量方式为，当第二标准圆柱形工件尾部流场的脱涡频率在接近频率下限值时突增至频率下限值并锁定在频率下限值附近时，标记此时的脱涡频率为固有频率参考下限值。
5.按照权利要求2所述的圆柱形工件表面相对粗糙度和固有频率测量及清洗方法，其特征在于：标准相对粗糙度值为从相对粗糙度上限值和相对粗糙度下限值的区间，斯特劳哈尔数参考值为从斯特劳哈尔数参考上限值到斯特劳哈尔数参考下限值的区间，标准圆柱形工件包括第三标准圆柱形工件和第四标准圆柱形工件，第三标准圆柱形工件具有相对粗糙度上限值，第四标准圆柱形工件具有相对粗糙度下限值；
斯特劳哈尔数参考上限值和斯特劳哈尔数参考下限值的测量方式为，将第三标准圆柱形工件和第四标准圆柱形工件分别固设于来流流速可控的流场中，逐渐提高来流流速，当第三标准圆柱形工件尾部流场的脱涡频率从锁定区间进入解锁区间时计算斯特劳哈尔数，当斯特劳哈尔数趋于稳定时，标记为与粗糙度上限值对应的斯特劳哈尔数参考上限值；当第四标准圆柱形工件尾部流场的脱涡频率从锁定区间进入解锁区间时计算斯特劳哈尔数，当斯特劳哈尔数趋于稳定时，标记为与粗糙度下限值对应的斯特劳哈尔数参考下限值；
将待测量圆柱形工件固设于所述流速可控的来流中，当斯特劳哈尔数趋于稳定时，若当前斯特劳哈尔数位于斯特劳哈尔数参考上限值与斯特劳哈尔数参考下限值之间，则判定待测量圆柱形工件的表面相对粗糙度符合要求。
6.按照权利要求1所述的圆柱形工件表面相对粗糙度和固有频率测量及清洗方法，其特征在于：还包括以下步骤，
测量与待测量圆柱形工件规格相同的多个基础圆柱形工件，分别得到多个基础固有频率值；
将多个基础圆柱形工件固设于来流流速可控的流场中，分别测量得到多个锁定区间的脱涡频率；多个锁定区间的脱涡频率与多个基础固有频率值一一对应；根据多个锁定区间的脱涡频率与多个基础固有频率值的对应关系，通过线性化拟合，建立关于锁定时的脱涡频率和固有频率的第一函数关系式；
将判定为满足固有频率使用要求的待测量圆柱形工件锁定区间的脱涡频率输入到第一函数关系式，计算得到待测量圆柱形工件的固有频率。
7.按照权利要求1所述的圆柱形工件表面相对粗糙度和固有频率测量及清洗方法，其特征在于：还包括以下步骤，
测量与待测量圆柱形工件规格相同的多个基础圆柱形工件，分别得到多个基础表面相对粗糙度值；
将多个基础圆柱形工件固设于来流流速可控的流场中，分别测量得到多个解锁区间的脱涡频率，并根据多个解锁区间的脱涡频率计算获取多个趋于稳定的斯特劳哈尔数；多个稳定时的斯特劳哈尔数与多个基础表面相对粗糙度值一一对应；根据多个稳定时的斯特劳哈尔数与多个基础表面相对粗糙度值的对应关系，通过线性化拟合，建立关于斯特劳哈尔数和表面相对粗糙度的第二函数关系式；
将判定为满足表面相对粗糙度使用要求的待测量圆柱形工件解锁区间的脱涡频率输入到第二函数关系式，计算得到待测量圆柱形工件的表面相对粗糙度。
8.按照权利要求1所述的圆柱形工件表面相对粗糙度和固有频率测量及清洗方法，其特征在于：当出现涡街时，保持来流流速不变，持续利用流体流动、涡旋和涡激振动对待测量圆柱形工件进行清洗；清洗完成后提高来流流速以进行固有频率和粗糙度的测量。
9.按照权利要求1所述的圆柱形工件表面相对粗糙度和固有频率测量及清洗方法，其特征在于：标准圆柱形工件的标准相对粗糙度值利用光切法、干涉法、触针法或印膜法测量获得。
10.按照权利要求1所述的圆柱形工件表面相对粗糙度和固有频率测量及清洗方法，其特征在于：标准圆柱形工件的标准固有频率值通过敲击法或者采用动力学分析方法获得。
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