空蚀磨损试验装置及其数据处理系统.pdf

2007年8月农业机械学报第38卷第8期空蚀磨损试验装置及其数据处理系统3陈丰陈次昌张涛【摘要】设计了一套空蚀磨损水洞试验装置,为了实现数据的实时采集处理,采用VisualC+610作为开发平台,介绍了空蚀磨损试验台流场参数控制及数据实时采集处理系统的组成,软件设计及试验结果验证,表明该系统完全可以实现流场参数的有效调节和数据的实时采集处理。关键词:空蚀磨损试验装置微机控制数据采集数据处理中图分类号:TV131163；TP274文献标识码:AExperimentalSystemofWear-cavitationandSystemofDataReal-timeDisposalChenFeng1,2ChenCichang2ZhangTao2(1.AnhuiScienceandTechnologyUniversity2.SouthwestPetroleumUniversity)AbstractExperimentalsystemofwatertunnelofwear2cavitationwasdesigned.Inordertorealizethedatareal2timecollectionanddisposal,VisualC+6.0wasappliedatthecourseofdesigningandconstructingexperimentalsystemofabrasionandcavitation.Thecomposingofsystemofflowparameterscontrollinganddatareal2timecollectionanddisposal,thedesigningofsoftware,appliedresultofexperimentwereintroduced.Theresultindicatedthesystemcouldrealizeflowparametereffectualcontrollinganddatareal2timecollectionanddisposal.KeywordsAbrasionandcavitation,Experimentsystem,PCcontrolling,Datacollection,Datadisposal收稿日期:2006-05-083国家自然科学基金资助项目(项目编号:90410013)陈丰安徽科技学院工学院讲师硕士生(西南石油大学),233100蚌埠市陈次昌西南石油大学副校长教授博士生导师,610500成都市张涛西南石油大学石油工程学院讲师博士生引言空蚀是水力机械常见的破坏方式,我国河流中泥沙含量较高,空蚀常常与泥沙磨损联合作用,导致水轮机过流表面快速损坏,不仅会降低水轮机运行效率,严重时甚至危及部件的结构安全。尽管对空蚀、磨损的研究取得了较大的进展,但由于问题的复杂性和研究手段的制约,目前对空蚀、磨损双重作用下的水轮机过流表面快速损坏机理的认识还不足以得到实用性强的水力抗磨蚀优化设计方法,很大程度上制约了水轮机磨蚀问题的解决12。按照传统的方法,在进行空蚀磨损及材料抗磨蚀性能试验研究时,为缩短试验时间及有效地对材料破坏状况进行测量,通常采用磁振动仪和旋转圆盘试验装置进行试验。这些试验装置有很大的局限性,不能反映试件上不同位置流动情况的差别,同时也不能反映材料破坏与流场参数间的真实作用机理,故而难以真正揭示空蚀磨损破坏的机理34。闭式循环水洞即空蚀磨损试验系统的建立有效地解决了这个问题,其流场参数(流速、空化数及粒子含率等)可以在一定范围内任意调节,完全可以满足空蚀磨损试验的需要。但空蚀磨损试验系统要测量的数据众多,同时需要使用多种高新技术设备对空蚀磨损破坏的微观过程进行观测,因而数据的实时采集和处理就显得非常重要。本文就空蚀磨损试验系统流场参数的调节、数据的实时采集和处理等关键技术开展讨论,建立一套比较完备的参数控制和数据实时采集处理系统。1空蚀磨损试验装置111空蚀磨损试验装置结构试验装置示意图如图1所示。主体结构主要由多级离心泵机组、进出口主管道系统、储水罐、调节闸阀及试验段等组成。电动机带动多级离心泵,水从泵的进口经泵加压后,从泵的出口经过出水主管道、调节闸阀、试验段及储水罐,再流入进口主管道,形成闭式循环。图1空蚀磨损水洞试验装置示意图Fig.1Watertunnelofwear2cavitationassemblydrawing1.电动机2.扭矩仪3.多级离心泵4.进口管道5.电磁流量计6.试验段7.手动闸阀8.储水罐9.进水管10.冷却系统11.出口管道12.冲沙管道112空蚀磨损试验系统功能空蚀磨损试验系统还配有加热、冷却、加压、加沙及搅拌等装置,可以保证试验在恒定温度和各种流场参数下进行。试验系统可以对水力机械叶片简单翼型试件进行清水单纯空蚀、浑水单纯磨损、浑水空蚀磨损联合作用的对比试验。采用高速摄影机观测翼型试件在空蚀磨损情况下的微观破坏过程；采用PIV测定翼型表面流场速度,以揭示含沙水流中水轮机过流表面快速损坏的机理。该试验系统还可以开展泵的性能试验和汽蚀试验；阀门、管道附件等阻力件的流阻试验；流体内部流场的试验研究等。为承担其他的试验任务留有足够的余地。113磨蚀水洞主要性能指标分析磨蚀水洞的主要性能指标有能量比、初生空化数、试验段流速分布、紊动度和采集数据精度等5。能量比ER为试验段动能与所配置的电动机输出功率之比,即ER=v20(2g)Ni(v2i(2g),因为A0v0=Aivi,所以ER=1Ni(A0Ai)。其中v0、A0为试验段喉部的流速和截面积；vi、Ai为任意分段的流速和截面积；Ni为任意分段水头损失系数。水洞能量比的大小反映整个水洞系统的水头损失。通过优化管道的结构参数使得ER达到最佳值。水洞试验段未设置试验物体时,空水洞的初生空化数Ri愈小表示水洞的性能愈好,在任意流线型试验物体发生水流空化以前,水洞本身不至于先发生水流空化现象。该水洞采用控制流场参数如流速,压力等来使初生空化数达到最小值,同时可以使试验翼型置入时控制合理的空化数,进行空蚀磨损试验。水洞收缩段的设计是确保试验段流速分布均匀性的关键。收缩段曲线的合理设计,其要领是使水洞流速在收缩段沿程单调上升或压力单调下降,避免逆向压力梯度及水流与边界分离和产生局部扰动等现象。通过不断优化,使收缩段的面积收缩比达到17,这样管嘴出流接近于势流,其流速分布比较均匀。水流的紊动度T可表示为T=1U13(u2+v2+w2),式中U为试验段平均流速,u、v、w分别为沿3个正交坐标轴的脉动速度。若为同性紊流,则紊动度为T=1Uu2,通过选用合理的收缩比,以及提高边壁的粗糙度,使该磨蚀水洞的紊动度达到最小。通过合理选用传感器及测量位置的合理设置可以得到采集变量数据满意的精度等级,如流量、压力、扭矩等参数的测量精度都达到10-3。2数据采集硬件组成空蚀磨损试验台流场参数控制及数据实时采集处理系统组成如图2所示。该系统由IPC610型工控机和研华PCL-1710型多功能数据采集卡等组成。水泵的轴功率和转速的测量是通过ZJ型转矩转速传感器转换成模拟电压信号输入JW-1B型微机扭矩仪,然后通过微机扭矩仪进行数据处理,以ASCII码形式串行输出转矩、功率、转速信息,最后工控机通过COM1接口以中断方式读取微机扭矩仪输出49农业机械学报2007年的数据78。流场参数控制台可以对多极离心水泵进行控制,进而控制试验段的流量、流速、压力和空化数等参数。图2数据采集硬件组成框图Fig.2Hardwareconstitutionaldiagramofdatacollection3实时数据采集的实现311软件结构软件结构流程图如图3所示,软件设计中,以操作简便、功能齐全、数据处理准确为目标。系统的主要特点有:界面友好,实时存取；自动校零；人工、人机混合数据处理；结果数据分析；全部测试值、计算值、结果数据显示、打印并绘制曲线。程序采用模块化设计,主要分为:主菜单、参数设置、数据采集、数据库、数据分析处理、帮助等5个模块,其中每个模块又由若干小模块组成。以上模块的实现均采用目前流行的Windows操作系统和功能强大的VisualC+610进行。312功能模块(1)主菜单模块其主要功能是建立系统人机交互界面,方便初始参数的输入和数据浏览。(2)参数设置模块该模块的主要功能是设置在系统运行时硬件的工作状态,包括AD板的通道选择,采用放大器放大倍数设置,数据的采样点数设置及间隔设置。(3)数据库管理模块该模块实现对采样数据的保存、删除、打开和查询等管理功能。(4)图形显示数据报表生成打印模块该模块功能是对所采集的数据以及变化趋势以曲线、图形的直观形式或是在建立起数据库并使之运行且输入一定量数据之后,将数据库中已有信息以报表的形式在CRT或打印机上输出。(5)数据采集模块该模块是数据采集系统的核心部分。它通过调用动态链接库(dynamiclinklibrary,简称DLL)中的读(bytefromport)写(bytetoport)函数,对IO通道进行读写操作,完成通道选择,启动AD转换,判断AD转换是否结束和读取数据4个步骤以完成AD转换,获得最终的采样数据。数据采集程序框图如图4所示。图3软件结构流程图Fig.3Softwareconstructionflowchart图4数据采集程序流程图Fig.4Datacollectionflowchart313软件关键技术分析31311试验段流场参数控制材料受空蚀磨损破坏的影响因素众多,有材料本身的组织结构性能,有流场参数如流速、压强、空化数、粒子含量及温度等。为了得到水力机械真实流场状况的试验条件,试验系统必须能在一定范围内任意调节流场参数,以满足不同工况的要求。为此,从流体力学的角度出发,建立起水泵转速、试验段入口流速、空化数、粒子含量及压力之间关系模型,并将其封装到系统中,通过变频器调节水泵转速和试验段前后闸阀可以得到不同的工况,同时各流场参数可实时反映到系统界面,方便控制和观测。调节水泵转速,通过电磁流量计可以测得试验段流量,由v=QA可以得到试验段入口流速,进而由R=2(p0-pV)Qv20可以得到试验段空化数,这样可获得不同压力和转速下的流速和空化数变化曲线。31312数据的后处理数据采集系统对传感器输出的信号进行自动采集,待调试合适后将测试的各参数自动保存到由59第8期陈丰等:空蚀磨损试验装置及其数据处理系统Access2000制作的磨蚀试验系统数据库中。数据库中的数据可以调入Origin软件进行分析,并可拟合成相应曲线。314试验为了测试试验系统的整体效果,进行了试验验证。图5为泵的流量-扬程曲线图,可见系统可以进行泵的性能测试试验。图6为铝合金翼型空蚀试验的SEM图,空蚀破坏明显。图7为试验装置试验段图5泵的流量-扬程曲线图Fig.5Flowrate2headgraphofthepump图6翼型空蚀SEM图Fig.6SEMchartofYixingcavitation图7磨蚀水洞试验段Fig.7Watertunnelofwear2cavitationexperimentpart实物图。图8为没有发生空蚀的试验图片(侧面观测),即可以进行清水单纯磨损试验。图9为发生空蚀的试验图片(顶面观测),空泡结构合理,周期明显,由此说明系统可以很好地开展空蚀磨损方面的全部试验。图8无空泡磨损试验图片Fig.8Wearexperimentofnocavitation图9有空泡空蚀试验图片Fig.9Cavitationexperiment4结束语为了能更全面真实地揭示水力机械空蚀磨损的破坏机理,设计了磨蚀试验台及数据实时采集处理系统,通过试验实测表明,该系统完全可以满足磨蚀试验的各项要求,达到了磨蚀水洞要求的性能指标,数据采集系统具有良好的用户界面,操作简单,报表全面、清晰,曲线绘制效果好,工作可靠。参考文献1段生孝.我国水轮机空蚀磨损破坏现状与对策J.大电机技术,2001(6):5664.2顾四行.我国有关水机磨蚀研究和防护措施J.水力发电学报,1991(2):7880.3薛伟,崔约贤,杨德庄,等.水轮机过