（机械电子工程专业论文）除鳞喷嘴计算机辅助测试系统的研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 高压水除鳞喷嘴是除鳞设备的关键零件。高压除鳞喷嘴喷口的形状、结构和布置方式 对水射流的形状，出流速度，打击力大小及其分布有着重要的影响因而高压水除鳞喷嘴 的特性性能好坏将严重影响了除鳞效果和除鳞效率。而作为喷嘴生产企业，在目前的材料 工艺下，不断改进喷嘴的制造加工工艺方法，完善喷口形状，改善喷嘴使用寿命，不仅可 以给客户节约大量的资本，提高资源利用率，而且有利于提高自身的竞争力，是企业谋求 更大发展的最好途径。 本文在总结国内外大量文献资料的基础上，并结合相关实验，提出了一套可靠的特性 测试方法，在此基础上，利用水压技术、高压水射流技术、自动控制、运动控制、以及计 算机辅助设计，研制了一套高压水除鳞喷嘴特性测试试验台，具体的研究内容如下： 1 、提出了高压水除鳞喷嘴喷射特性测试试验台的总体构成，分别从水压部分，电气 控制部分、计算机监测控制部分三个方面进行详细设计说明，其中包括系统原理设计、关 键元件选型与设计、软件实现等，最后提出并解决了在实际应用中的几个关键问题。 2 、运用水射流的基本理论，推导出水射流特性参数计算公式，然后比较国内外的打 击力测试方法的优缺点，提出了一套更精确可靠的测试方法，在此基础上，进行了喷射打 击力测试实验，证明了测试方法的可行性，最后利用m a t l a b 引擎技术实现了打击力三维 分布图形显示。 3 、为解决步进运动控制失步、振荡的现象，运用步进电机的基本理论，分别从步进 电机的启动频率、停止频率、加减速控制三个方面进行了分析和计算，在此基础上，进行 了步进电机启动频率、加减速控制特性测试，分析了步进电机启动频率、加减速控制与电 机振荡，失步的关系，进而合理的选择了步进电机启动频率、启动加减速。提出了步进电 机运动控制的实现方式。 关键词：高压水除鳞喷嘴，特性测试，水射流，步进电机 第页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t h j g h p r e s s u r ew a t e rd e s c a l i n gs p r a yn o z z l ei s t h ec r u c i a le l e m e n to fd e s c a l i n ge q u i p m e n t t h es h a p e ，s t r u c t u r ea n da r r a n g i n gw a yo fh i g h - p r e s s u r ew a t e rd e s c u l i n gs p r a yn o z z l eh a v e i m p o r t a n ti n f l u e n c et ot h es h a p eo fw a t e r - j e t ，c u r r e n tv e l o c i t y ，h i t t i n gp o w e ra n di t sd i s t r i b u t i o n t h e r e f o r et h ep r o p e r t yo fh i g h - p r e s s u r ew a t e rd e s c a l i n gs p r a yn o z z l ew i l la f f e c tt h ee f f e c ta n d e f f i c i e n c yo fd e s c a l i n gs e r i o u s l y u n d e rt h ep r e s e n tm a t e r i a l st e c h n o l o g y ，t h ep r o d u c t i o n e n t e r p r i s eo fs p r a yn o z z l ei m p r o v e sm a n u f a c t u r i n g a n dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , n o z z l e c o n f i g u r a t i o na n ds e r v i c el i f eo fs p r a yn o z z l ec o n t i n u o u s l y i tn o to n l ys a v ep l e n t yo fc a p i t a l s f o rc u s t o m e r s , r a i s er e s o u r s eu t i l i z a t i o nr a t i o ，b u ta l s oi sh e l p f u lt or a i s ec o m p e t i t i v ep o w e ra n di s t h eb e s tw a yf o re n t e r p r i s et og e tg r e a t e rd e v e l o p m e n t o ns u m m a r i z i n gp l e n t yo fd o c u m e n ti n f o r m a t i o nb o t hd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l ，a n d c o m b i n i n gr e l a t e de x p e r i m e n t , as e to fr e l i a b l ep r o p e r t yt e s i n gm e t h o di sp r e s e n t e d o nt h e f o u n d a t i o no ft h i s , m a k i n gu s eo fw a t e rh y d r a u f i c s , h i g h - p r e s s u r ef l u i d i e a ，a u t o m a t i cc o n t r o l ， k i n e t i cc o n t r o la sw e l la sc a d ，as e to fe x p e r i m e n tt a b l ef o rt e s t i n gh i g h - p r e s s u r ed e s c a l i n g n o z z l ep r o p e r t y t h es p e c i f i cr e s e a r c hc o n t e n ti sa sf o l l o w s 1 、e x p e r i m e n tt a b l eo v e rc o n s t i t u t i o nf o rt e s t i n gh i g h - p r e s s u r ed e s c a l i n gn o z z l ep r o p e r t yi s p r e s e n t e d i ti se x p l a i n e da n dd e s i g n e dd e t a i l l y i nt h r e ea s p c a 2 t s t h e s ea r ew a t e rp r e s s u r e ， e l e c t r i c a lc o n t r o la n dc o m p u t e rm o n i t o ri nw h i c hi n c l u d i n gs y s t e mp r i n c i p l ed e s i g n ，l e c t o t y p e a n dd e s i g no fc r u c i a le l e e m e n t , s o f t w a r ea n ds o0 1 1 a tl a s t , s e v r a lp r o b l e m si np m t i c a l a p p f i c a t i o n h a v eb e e np r o v i d e da n ds o l v e ds u c c e s s l y l 2 、u s i n gt h eb a s i ct h e o r yo fw a t e ri e t d e d u c et h ec h a r a c t e r i s t i cf o r m u i no fw a t e rj e t t h e n c o m p 岫gt h eg o o da n db a dp o i n t so fh i t t i n gp o w e rt e s t i n gm e t h o d sb o t hd o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a l ，as e to fm o r er e l i a b l ea n dc c c u r a t et e s t i n gm e t h o di sp u tf o r w a r d o nt h e f o u n d a t i o no ft h i s ，h i t t i n gp o w e ri st e s t e d t h er e s u l tp r o v e st h a tt h et e s t i n gm e t h o di sf e a s i b l e f i n a l l y ，t h r e e d e m e n s i o n a ld i s t r i b u t i o ng r a p ho fh i t t i n gp o w e ri ss h o w e du s i n gm a t l a be n g i n e t e c h n o l o g y 3 、i no r d e rt os o l v et h eo u t - o f - s t e pa n dt h ev i b r a t i o no fs t e p p i n gc o n t r o l ，u s i n gt h eb a s i c t h e o r yo fs t e p p i n gm o t o r , a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o na r ec a r r i e do u tf r o mt h r e ea s p e c t sw h i c ha r e s t a r tf r e q u e n c y , s t o pf r e q u e n c ya n da c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o nc o n t r o lo fs t e p p i n gm o t o r a s t h eb a s i so fi t ，s t a r tf r e q u e n c e , a c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t ic o n t r o lp r o t e r t yo fs t e p p i n gm o t o ri s t e s t e e t h er e l a t i o nb e t w e e ns t a r tf r e q u e n c y , a c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t ic o n t r o la n dc o n c u s s i o n , l o s i n go fm o t o ri sa n a l y z e d a n ds t a r tf r e q u e n c ya n ds t a r ta c c e l e r a t i o na r ec h c o s e dr e a s o n a b l y t h em e t h o do fm o t o rk i n e t i cc o n t r o li sp r e s e n t e d k e y w o r d ：h i g l l p r e s s u r ew a t e rd e s c a l i n gs p r a yn o z z l e ，p r o t e r t yt e s t i n g , w a t e rj e t , s t e p p i n gm o t o r 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 本课题的来源和研究意义 i i 1 课题来源 高压除鳞喷嘴是除鳞设备的关键零件高压除鳞喷嘴喷口的形状、结构和布置方式对 水射流的形状，出流速度，打击力大小及其分布有着重要的影响。因而严重影响了除鳞效 果和除鳞效率此外，由于材料工艺和喷嘴制造加工工艺的限制，喷嘴的使用寿命受到了 严重影响，因而大大影响了企业的生产进度，增加了企业的生产成本“1 。 目前国产喷嘴的质量和寿命与进口喷嘴相比尚有较大差距。在制造工艺上主要表现在 孔形尺寸精度和表面粗糙度的控制方面。此外，制造喷嘴的材料生产工艺也严重影响了喷 嘴的使用特性作为喷嘴生产企业，在目前的材料工艺下，不断改进喷嘴的制造加工工艺 方法，完善喷口形状，改善喷嘴使用寿命，不仅可以给客户节约大量的资本，提高资源利 用率，而且有利于提高自身的竞争力，是企业谋求更大发展的最好途径啪。 基于以上原因，武汉科技大学流体传动与控制研究所与湖北江北机械有限责任公司合 作，研制高压水除鳞喷嘴检测试验台，并开发特性检测软件平台以及仿真软件平台。由于 该公司生产包括除鳞喷嘴、冷却喷嘴在内的各种水喷嘴。此试验台在研制过程中综合考虑 了各种因素，可作为多功能试验台使用，对该公司生产的各种喷嘴的特性性能进行检测和 实验。本论文正是基于此项目的试验台研制以及的测试方法实现。 1 3 2 课题意义 在整个高压水除鳞设备中，水流经过喷嘴由高压低速转化成低压高速射流冲击钢坯表 面，从而将氧化铁皮击碎带走。喷嘴的形状、结构和布置方式对除鳞效果的影响十分显著。 喷嘴的使用寿命短，不仅仅增加了生产成本，而且严重影响了企业生产进度 目前在国内外生产高压除鳞喷嘴的企业很多，国外大部分企业建立了喷嘴测试和检测 试验台，开发了整套完善的仿真、优化和开发平台，如德国l _ 七c h l e r 公司，美国的h a g o 公 司等。在国内众多的喷嘴生产企业中，鞍山太阳仪表阀门有限公司与清华大学合作，建立 了比较完善的除鳞喷嘴检测中心；江苏博际喷雾系统有限公司也已经建立了一套用于高压 除鳞喷嘴喷射实验和检测的实验系统，能够测试喷嘴流量压力曲线，和喷嘴的打击力。但 是二者均为建立完善的仿真优化平台，在喷嘴的改善和新品开发方面与国外企业存在着一 定的差距脚 本课题可以通过实验检测喷嘴的喷射面积、冲击力的分布情况，并生成直观的三维立 体分布图，为喷嘴的合理布置提供参考；同时可以对生产的喷嘴进行检测，提供合理的产 品特性性能曲线。从而为改善喷嘴形状和结构、延长喷嘴的使用寿命提供合理建议，迸一 步提高喷嘴质量和使用效率，并且达到节能的目的。 高压水除鳞喷嘴试验台及仿真平台的建立，不仅能够为企业提供更现实的检测手段， 而且为企业改进老产品，开发新产品提供检测依据。对提升企业整体实力，提高企业竞争 力具有十分积极的意义。为企业的长足发展打下坚实基础。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 1 2 高压水射流技术的发展及国内外研究现状 1 2 1 国外高压水射流技术的发展简史与研究现状 国外对高压水射流技术的研究起步较早。1 9 世纪中期，在北美洲第一次靠水力的冲击 力开采非固结的矿床，这是水射流技术最早、也是最初级技术的应用；2 0 世纪5 0 年代， 前苏联和我国利用水射流采煤；6 0 年代，出现了高压力的柱塞泵和增压器：日本研制出 1 7 0 0 m p a 增压器，前苏联研制出5 6 0 0m i n 脉冲增压器；7 0 年代，世界发达国家对水射流 基础理论和技术研究日趋重视，因而将水射流技术的发展推向一个新阶段，开始出现高频 冲击射流、共振射流和磨料射流；进入8 0 年代，空化射流、气水射流，自振射流和磨料 射流得到进一步的发展，同时各国学者也开始对各种射流的基础理论和切割机理等方面进 行研究，水射流技术的应用范围也由采矿工业扩大到航空、石油，化工、冶金、国防、交 通、市政、建筑、机械、医药等领域，相应不同用途的水射流设备相继投入市场。国际上 从事水射流加工技术研究和应用的国家已超过四十个：主要有美国、俄罗斯、日本、德国、 瑞士、英国、法国、加拿大、澳大利亚、印度、韩国、新加坡等国啪 目前，在美国、日本、英国成立射流行业协会，定期举办国际交流，出版刊物，制定 标准，积极促进这项技术的标准化。中国劳动保护科学技术学会水射流技术专业委员会秘 书处设立在石油大学。迄今为止，世界上的水射流技术组织有：英国流体技术研究协会 ( b h r g ) ；日本水射流协会( i s w j t ) ；美国水射流技术协会( w j t a ) 等行业组织：主办刊物有 j e t n e w s i n t e r n a t i o n a l j o u r n a l o f w a t e r j e t t e c h n o l o g y 等。许多有关水射流技术的手册，技术 资料、数据库和标准不断完善。国际上还举办了二十几次的国际射流学术会议，为国际问 对射流技术的交流和发展创造了机会嘲。脚。其中著名的交流活动有： ( 1 ) 美国水射流会议。由美国水射流技术协会主办，1 9 8 1 年起每两年召开一次，是国际 上规模较大的水射流技术会议； ( 2 ) 环太平洋地区水射流技术国际会议。第一届在北京举行，会议由中国、日本及国际 水射流技术协会主办。每三年召开一次 ( 3 ) 日本水射流会议。由日本水射流协会主办。会议内容丰富并具有实用意义。我国学 者经常提交论文并参加。 上世纪7 0 年代，高压柱塞泵和增压器的诞生，大大促进了高压水射流技术的研究和 发展。现在国际上已经能够生产4 5 0 m p a 的柱塞泵和1 1 0 0 m p a 的增压器。 另外，社会的需求永远是开发科研的推动力。水射流的商业化应用越来越广泛。目前， 从事射流行业的主要的大公司有：a c c u r a t i o ns y s t e m si n e ；a m e r i c a nc l i m f l e xc r o p ； a r a m s t r o n g b l u mm g f c o ：a s e ar o b o t i c s ：s e i k oi n s t r u m e n t s ；f l o ws y s t e m ；i n g e r s o l l l a n d ； r a j a xs y s t e m s ：j c te d g cc r o p ；p o w e r j e ti n e ；t r m w o o dc r o p ；k l c r ；k o c h 等。 在高压喷嘴方面，由于国外较好的加工工艺和冶金技术，其生产的高压喷嘴工艺好， 加工精密，使用寿命普遍高于国内，受到了广泛的应用。主要有美国的h a g o 公司，b e t e 公司，s p r a y i n g s y s t e m s 公司；新加坡w i l s o n 公司；德国l e c h l e r 公司；意大利p n r 公司； 日本i k e u c h i 株式会社等。这些公司都建立了完善的设计、工艺加工，具有一流的检测设 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 备，在保证质量的同时不断改进现有喷嘴，逐步实现节能和效率的统一 目前，国际上高压水射流技术的应用已经比较成熟，超高压软管、超高压动密封、进 出水阀组和控制阀的研制也取得了可惜的成果今后的研究方向主要是高压水射流技术的 智能化、资源的节约化已经进一步提高水射流的效率等 1 2 2 国内高压水射流技术的发展简史与研究现状 我国对高压水射流技术的研究起步较晚，我国的水射流技术起步于上世纪5 0 年代， 主要用于采矿业。到1 9 8 0 年以后，开始引进超高压水射流设备，进行仿制和自主的研究 开发，用于航空复合材料的切割。同时，在船舶工业，水射流主要用于清洗、除锈。1 9 9 3 年我国正式推出第一台国产高压( 最大压力3 9 2 m p a ) 磨料水射流切割设备。随着国际上水 射流理论的成熟和成功的商业化，国内对这项技术的认识也不断地加深，很多的专家学者 对此开展了大量的研究和探讨，把国内的高压水射流技术不断推进。新型射流的应用和研 究得到很快的发展，在落煤、破岩、船舶除锈、喷射钻井、轧钢除鳞、机场除胶和除漆等 得到极为迅速的推广通过几年来的发展，我国高压水射流技术的研究和应用，取得了许 多令人瞩目的成绩。通过全国性学术交流和许多学者的努力，我国的水射流理论水平也不 断提高在很多国际水射流会议上，都有中国学者参加提交论文。1 9 8 1 年我国举办第一次 全国高压水射流技术讨论会，以后每两年举办一次。 国内的清华大学、大连理工大学，石油大学、中国矿业大学、南京理工大学、哈尔滨 工程大学、北京科技大学、沈阳建筑工程学院等几所大学和机械部济南铸造锻压机械研究 所、机械部通用机械研究所、航空工艺研究所、长沙矿业研究所等研究机构，先后开展了 水射流技术的研究并取得了一定的成果。 自上世纪9 0 年代开始，我国的高压水射流设备发展很快，从小功率到大功率、从单 机到成套设备、从高压到超高压，从通用设备到专用设备，新产品不断开发，促进了高压 水射流技术在国内的应用。但是我们应该看到，近二十年来，国内对高压水射流技术的研 究主要集中在为数不多的高等院校内。目前我国水射流交流活动，无论从规模、内容、收 录的论文，以及国外学者参加的人数上与日本、美国相比有很大的差距。国内能够生产先 进性能的高压水射流设备的专业厂家屈指可数，与国外相比，规模小、技术水平低；在产 品化、商品化方面还很薄弱。在关键技术上还存在如下的问题棚： 1 、机理研究不够深入 2 、超高压动密封、进出水阀组和控制阀、喷嘴的使用寿命问题。 3 、超高压软管的研制。 4 、所需金属材料尚不能满足要求。 5 、机械制造加工水平不高。 6 、国外的水射流技术已经向智能化发展，我国与世界存在差距。 7 、理论创新不足。 目前国内应用高压水射流技术的主要行业和用途见表1 - 1 。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 表1 1 高压水射流技术的主要行业及用途 行业用途压力( m p a ) 石油、化工、换热器、蒸发器、反应釜、管道、锅炉 3 5 1 4 0 医药 油田贮罐、采油油( 水) 管、钻杆等3 5 1 0 0 冶金钢( 钧 3 5 1 0 0 材料除鳞、设备表面、铸件清砂、 管道、高炉 矿山矿车清底、设备除垢、管线疏通3 5 7 0 电力锅炉、管线、换热设备、 2 0 1 0 0 蒸发器、气轮机叶片 市政工程下水道疏通面清洗、水处理厂 3 5 5 0 船舶船体表面海生物、漆锈清除、 7 0 2 5 0 a 船内设备清洗、除垢 国防弹药处废、火箭固体推进剂清除 3 5 7 0 交通油罐、油槽车油脂油污清除、机车清洗 3 5 5 0 航空机场跑道除胶 7 0 9 0 1 3 国内外高压水除鳞技术的发展现状 1 3 1 高压水除鳞技术的发展现状 国外在线高压水除鳞技术起步较早。经历了近5 0 年的发展，在线高压水除鳞技术已 经相当成熟由于高压水除鳞装置除鳞效果明显，设备相对简单，投资少，几乎所有的钢铁 产品热轧生产中都采用了高压水除鳞装置来去除氧化铁皮，以提高热轧产品的表面质量。如 荷兰的米塔尔钢铁公司( m i t t a ls t c c l ) 、日本的新日制铁公司( n i p p o ns t e e l ) ，美国的美国 钢铁公司( u ss t e e l ) 、英国的科勒斯公司( c o r n s ) 、卢森堡的安赛乐公司( a r c e l o r ) 等。 在高压水除鳞成套设备方面，意大利意诺普( i n o x i h p ) ，美国喷雾系统公司、德国 施乐普流体控制公司的产品在全世界得到了广泛应用，并得到了用户一致好评。 在高压水除鳞喷嘴方面，美国s p r a y i n gs y s t e m s 公司有多种喷嘴可提供设计者选择。 莱克勒( i 上c h l e 0 高压水除鳞喷嘴和欧洲p n r 高压水除鳞喷嘴都是世界上最知名的除鳞喷 嘴，其喷嘴以性能稳定，可重复性好，使用寿命长而著称( 在同等的使用条件，比其他同 类型除鳞喷嘴使用寿命长2 0 左右) ，而且还具有不容易堵塞，效率高，经济实用等优点， 己成为各大型热轧厂生产高表面质量产品的保证。国际上著名冶金设备制造商如西马克 德马克、达涅利、奥钢联已把欧洲p n r 除鳞喷嘴作为其除鳞系统的首选喷嘴，国内除鳞系 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 统集成商也已经将欧洲p n r 除鳞喷嘴作为他们的标准配套件脚 1 3 2 国内高压水除鳞技术的发展现状 在国外，由于高压水除鳞装置效果明显，设备相对简单，投资少，几乎所有的钢铁产品热 轧生产中都采用了高压水除鳞装置来去除氧化铁皮，以提高热轧产品的表面质量。近几年， 这项新兴技术在国内也得到了快速应用和发展。鞍钢、太钢、武钢、宝钢、包钢等钢铁企 业安装和改造了高压水除鳞设备，取得了较好的使用效果。单从包钢集团公司来讲，目前已 在多个轧钢生产厂中使用了在线高压水除鳞设备，如包钢轨梁厂，高速线材厂，包钢4 0 0 无缝 厂，1 8 0 无缝厂，薄板坯连铸连轧生产厂等，取得了良好的经济效益和社会效益嘲。 在高压水除鳞成套设备方面，目前国内还没有专门的生产企业。辽宁营口高中压阀门 总厂有限公司、本溪水泵有限公司、鞍山太阳仪表阀门有限公司等结合自己的产品，向一 些钢铁企业提供高压水除鳞成套装置，取得了一定的使用效果。 在高压喷嘴方面，目前国内做的比较好的有：德阳市杰特公司、鞍山太阳仪表阀门有 限公司。北京帆宏液压喷嘴有限公司，江苏博际喷雾系统有限公司，四川什邡东润制造有 限公司、斯普瑞喷雾系统( 上海) 有限公司、上海汇思机电有限公司等。尽管国内在喷嘴 制造工艺方面技术已经比较成熟，但是在喷嘴喷射特性测试系统与高压喷嘴参数化设计软 件开发等方面却比较的薄弱。就国内而言，清华大学与鞍山太阳仪表阀门有限公司合作， 建立了比较完善的除鳞喷嘴检测中心；江苏博际喷雾系统有限公司已经建立了一套用于喷 嘴喷射试验和检测的试验系统。但是在关键技术上还存在如下的问题n ”： ( 1 ) 如何提高测试试验台的控制精度，测试方法还需进一步优化。 ( 2 ) 要彻底清除氧化铁皮，高压水除鳞压力、喷嘴距钢坯的喷射距离、喷嘴的倾斜角度 应如何确定? ( 3 ) 高压喷嘴参数化设计软件的开发还处于初级阶段，有待进一步研制。 1 4 本论文的研究内容 本文是在湖北某喷嘴制造公司的产品生产需求下，结合国内外厂商的一些设计经验和 数据，设计制造的- 套高压水除鳞喷嘴特性测试试验台，其主要研究内容如下： ( 1 ) 主要介绍高压水除鳞特性测试试验台的总体方案设计。其设计主要包括水压部分设 计、电气部分设计、监测软件设计。其水压部分主要包括管路设计、水箱设计、吸 水过滤器设计以及关键元件泵组、压力传感器、电动调节阀的选择等；电气部分设 计主要包括p l e 控制部分、电机启停控制部分、二维平台控制部分。p l e 控制部分包 括压力的给定以及电动调节阀电流的给定，二维平台控制部分主要包括元件的选型 的控制方法。监测软件设计主要由数据采集模块、数据监测模块、数据管理模块、 特性绘制模块以及参数设计模块组成。其中包括各模块的软件设计流程以及图形界 面实现。最后就信号提取、信号传输、信号通讯等几个关键问题提出了解决方案。 ( 2 ) 阐述了射流特性的基本理论，对射流的基本参数进行计算和分析。然后就喷射打击 力测试试验台的研制方法作出理论探讨和分析，提出合理科学的测试方法，并进行 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 喷射特性测试实验，分析打击压力一测试压力、打击压力一靶距、压力一流量、打击压 力水平分布位置的之间的关系。最后提出打击力三维分布图的实现方法。 ( 3 ) 描述步进电机运动的基本理论，然后就步进运动控制的启动频率、加减速控制方法 作出理论计算和分析，并进行步进电机运动控制的实验，提出加减速控制、启动频 率和失步、振荡的关系。最后提出步进电机控制的实现方法。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 第二章高压水除鳞喷嘴喷射特性测试试验台的总体设计 本文所研究的试验台是受湖北江北机械有限责任公司委托，武汉科技大学流体传动与 控制研究所为其研制的高压水除鳞喷嘴喷射特性测试试验台。本章主要介绍本试验台的实 验原理和基本结构 2 1 高压水除鳞喷嘴喷射特性测试试验台的总体构成 2 1 1 试验台的总体构成和基本原理 本试验台主要由水压控制系统、电气控制系统、以及计算机监测控制系统所组成 其中水压系统主要为系统提供被试件喷嘴( 除鳞喷嘴和冷却喷嘴) 提供高压或低压 水源。电气控制系统主要负责控制电机的启停、系统报警、流量控制以及计算机通讯计 算机监测控制系统主要实现适时采集现场数据，显示系统流量、压力等状态，并具有绘图、 数据库保存和报表打印等功能。 图2 1 试验台系统组成框图 系统的主要构成如图2 1 所示。系统的工作原理为：首先通过计算机数据采集模块或 p l c 控制系统给定4 - 2 0 m a 电流信号至水压系统中的电动调节阀中，当系统压力达到拨码 开关设定压力时，计算机数据采集模块或p l c 控制系统停止给定电流信号，同时将系统压 力和流量通过压力传感器和流量传感器传输到计算机数据采集模块中，然后通过计算机运 动控制模块或电控操作台给定二维运动控制平台脉冲和方向信号，按照预先设定的运行轨 迹运动，从而测试喷嘴在喷射范围内各点的喷射打击力，同时将喷射打击力通过低压传感 器传输到计算机运动控制模块中。最后我们通过计算机监测系统图形绘制模块中，能获取 喷嘴的压力一流量特性曲线、打击力三维分布图以及打击面积分布图“小“” 2 1 2 高压水除鳞喷嘴喷射特性测试试验台的基本功能 ( 1 ) 流量在1 0 0 l m i n ，压力为2 0 m p a 条件下，测试扇型除鳞喷嘴的打击力，打击面积等压 力特性，并绘制相关图形曲线，计算打击角度。 ( 2 ) 流量在2 0 0 l m i n ，压力为3 m p a 条件下，测试扁平冷却喷嘴的打击力，打击面积等压力 特性，并绘制相关图形曲线，计算打击角度。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 通过调节电动调节阀来改变试验流量，测试喷嘴的压力流量特性曲线。 2 2 水压控制系统 2 2 1 水压控制系统的基本原理 水压系统的主要元件基本参数为： 高压泵组：3 d 2 s 厶6 5 2 5 型号泵， 低压泵组： 高压压力传感器： 低压压力传感器： 压力表： 电接点压力表： 流量传感器： 电动调节阀： 允许工作压力为2 5 m p a ，排量为6 5 w m m ； 3 d 1 s 二1 0 5 3 型号， 允许工作压力为3 m p a ，排量为1 0 5 u m i n ； 量程啦2 5 m 耽精度0 5 f s ； 量程m p a 精度0 5 f s ； 肌2 5 m p a 精度1 5 f s ； 肌2 5 m p a ，精度1 5 f s ； 量程1 2 1 2 m 3 & ，精度0 5 f s ，工作压力为2 0 m p a ； 允许调节压力为2 0m p a 图2 2 高压水除鳞喷嘴喷射特性测试试验台水压原理图 卜水箱# 2 - 高压泵组；3 - 低压泵组；4 - 蓄能器；5 - 止回趣；6 _ 截止阎；7 一电接点压力表 8 - 压力表；9 - 压力传感嚣；l o - 流量表；1 1 - 安全阀；1 2 一电动调节阎；1 3 一空气滤清器1 4 一喷嘴 该水压试验台的水压原理图系统原理如图2 2 所示。水压部分主要为喷嘴提供试验高 压水源。高压泵组2 含电机、水泵、过滤器、溢流阀，额定压力为2 5 m p a ，最大流量为 6 5 咖i n 。溢流阀的设定压力为2 0m p a 。在泵组的出口安装止回阀5 ，防止水流倒流于泵 组中而损坏泵组， 此外，泵组出口还装有截止阀6 ，其主要作用是保障系统安全，防止发生事故；在低 流量测试情况下，可单泵组工作，以减少泵组的磨损，提高能源利用率；在大流量测试情 况下，可双泵或三泵工作，满足系统对流量的要求。为了吸收柱塞泵工作时由流量脉动引 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 起的压力脉动，减少系统压力冲击保持系统压力的稳定性，在泵组的出口分别安装了容积 为4 l 的蓄能器4 。 此外，在截止阀的出口端，分别安装电接点压力表7 ，其作用是当系统压力达到泵组 安全阀设定压力时，发送数字量信号传送给p l c 控制系统，泵组停止工作，并报警。 为绘制被测元件的压力流量特性曲线，在旁路上安装了屯动调节阀1 2 。系统通过计 算机的数据采集模块或电控操作台向水压系统中的电动调节阀传输4 2 0 i n a 电流信号，来 调节电动调节阀的阀位开度，从而改变系统流量；通过在喷嘴入口处安装的高压压力传感 器和流量传感器，分别测量系统的测试压力和流量，并传送给计算机监测控制系统的数据 采集模块，在计算机监测控制系统图形绘制模块中，可绘制出压力流量特性曲线“”一 i s o 2 2 2 关键元件的选择 ( 1 ) 高压泵组的选择 应用于高压水除鳞系统的高压水泵，主要有两大类：一种是多柱塞泵，另一种是多级 离心泵。对于实际检测用户而言，可选用多柱塞高压水泵。因为多柱塞泵具有工作压力高、 抗冲击、寿命长、控制精度高、泄漏小、噪声低等优点，同时柱塞泵在空运转时，电机空 程时的电耗量只有满负荷的1 0 左右，可节约能源消耗，降低生产成本“” ( 2 ) 低压传感器的选择“” 根据德国莱克勒l e c h l e r 公司的测试数据，在测试压力为2 4 m p a , 流量为6 9 o l m i n ， 喷射靶距为1 5 0 r a m 测试条件下，喷嘴的平均打击力为0 5 3 2 n m m 2 , 即0 5 3 2m p a 在实验 测试中，我们发现在系统的干扰信号和理论压力测试值具有可比性，所以应该选用量程较 低的传感器，在此测试试验台中，选用量程为i m p a 的低压传感器，此外，电流信号适合 远距离传输信号，并不容易受外界信号干扰，我们选用4 - 2 0 m a 的电流信号作为输入信号。 ( 3 ) 流量调节阀的选择 根据客户要求，测试台具有喷嘴一流量特性测试的功能，为实现对系统的流量的无级 调速，同时为保证系统能在空载状态下启动，我们采用具有4 - 2 0 m a 的电流信号作为控制 输入端的电动调节阀作为流量调节作用，而且可以实现远程控制和当前阀位监测功能“”。 2 2 3 关键元件的设计与计算 ( 1 ) 水压系统管道通径的计算 为防止测试系统长期被水腐蚀而产生泄露现象，采用不锈钢材料钢管。根据系统总流 量，应该选取合适通径的管道和阀门。根据流量公式： “厚 v 删 ( 2 1 ) 式中g 系统总流量，l r a i n ； d 管道直径，m m ； v 通过管道的水流速，m s 在这里，根据机械设计手册，我们首先确认吸水口的流速不大于为1m s ，压水口的流 速为不大于2 5m s 。回水口流速为不大于2 5m s ，集水管流速为1m s 。根据以上的设定 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 和公式，可以得到各管道的公称通径以及管道外径，其参数如下表2 1 所示。 表z 1 水压系统各管道通径值 管道名称 公称通径( m m )钢管外径( m m ) 总吸水管道7 99 0 高压泵组吸水管道 3 2 6 3 低压泵组吸水管道 4 6 6 3 总压水管道 4 66 3 高压泵组压水管道 2 03 4 低压泵组压水管道 2 93 4 总溢流管道 4 66 3 高压泵组溢流管道 2 03 4 低压泵组溢流管道 4 6 6 3 电动调节阀管道 4 6 6 3 集水管道 3 55 0 ( 2 ) 水箱的设计 对于本试验台在测试过程中，电机的功率能耗主要从高压泵组和低压泵组的溢流阀、 电动调节阀、管道转化为流体的热能，以及从喷嘴喷出流体具有的动压能。对于水压元 件来说，水的温度过高将严重影响水压元件的密封性能，但为保证测试系统的连续性和长 期性，即工作时间，那么就需要足够的水流量来完成测试过程根据以上的能量转化，可 建立以下关系式： c m a t + m v 2 2 p t ( 2 2 ) 式中c 卜水的比热，4 1 9 1 0 3 j ( k g ) ； n r 水的质量，k g ； r 一水的温度变化，； p 一电机功率，w ； v 一水的流速，m m i n 在这里，我们假设常温为2 0 ，温度变化最大值为5 0 c ，即温差为3 0 。两台高压 泵同时工作时电机的总功率为6 0 k w ，对于水的出口速度，可以根据公式( 3 4 ) ，取工作 压力为p = 2 0 m p a ，则出口速度约为2 0 0 m m i n ，同时假定当水流量为1 - 1 矿k g ，可以得出测 试系统的工作时间为t = 5 2 m i n ，那么当系统在保证温度不必过高的条件下，能保证试验台正 常工作半天( 6 个小时) ，系统所需要的水量为7 1 0 3r , g 。另外，为保证水箱能有3 0 的 余量，则所需的水流量为l o t 。估可设计水箱尺寸长宽高为3 0 0 0 1 5 0 0 2 2 0 0 。由于水箱的 尺寸较大，根据现场环境要求，可在户外挖制水箱，从而达到要求，这样不仅可以节省控 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 制室空间，而且节约成本。 ( 3 ) 吸水过滤器的设计 由于水箱户外放置，那么水箱不可避免被环境污染。如果不在水箱吸水口处安装吸水 过滤装置，被污染的水将会严重影响系统的运行。鉴于在泵组里还有一个过滤器作为二次 过滤，因此本吸水过滤器主要作为一次过滤，除掉颗粒较大的杂质，所以采用网式过滤器 作为吸水过滤器。 lj 7 j , l y 朋j f z 4 哆，j 爿 r1 图2 3 罔式过滤器的外部结构 ( 1 下盖板2 上盖板3 支撑杆4 锁紧螺母5 内骨架6 铜丝网7 外骨架) 吸水过滤器的外部结构如图2 3 所示。它主要由下盖板、上盖板、支撑杆、锁紧螺母、 内骨架、铜丝网、外骨架组成。网式滤芯是在周围开有很多孔的金属筒形内外骨架中，包 着多层铜丝网6 ，然后将上下盖板1 、2 通过四个支撑杆3 锁紧，然后上盖板连接带有法兰 的回水口过滤器的精度为8 0 i i 。此过滤器结构简单，清洗方便，通水能力大，而且相应 的节约成本，适用性较强。 ( 4 ) 传感器接受装置的设计 传感器接受装置的外部结构如图2 4 所示，它主要由下连接板、护套、低压压力传感 器、接受装置、硬质合金组成。压力传感器与接受装置螺纹连接，然后通过四个螺钉固定 在护套上，整体焊接在下连接板上，使其可以固定安装在二维测试控制平台上这样传感 器能够按照给定的运动轨迹进行测试。 接受装置作成契型结构，对射流进行缓冲，在上端冲压一直径为l o m m ，中间钻有直 径为1 砌小孔的硬质合金，从而保护接受孔在高压水射流的冲击下不被损坏。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 图2 4 传感器接受装置的结构图 ( 1 下连接板2 护套3 低压压力传感器4 接受装置5 硬质合金) 2 3 电气控制系统 电气控制系统由动力配电、顺序控制、设备的状态检测、极限报警和自动保护等组成。 电气控制系统的作用有以下几点：对系统实现顺序控制，与电机的联锁保护：实现对系统 的状态与参数的实时监测，便于操作人员掌握测试系统的运行情况：提高系统的自动化程 度，减少操作人员的劳动强度。为了有效实现以上功能，设计采用了上、下位机的系统结 构，下位机采用p l c ，上位机采用计算机。上位机和下位机采用数据采集卡的数字量作为触 发通讯m ，。 在本试验台中，电气控制系统主要由电机启停控制部分( 强电) 、步进电机运动控制 部分以及p l c 控制( 弱电) 三部分组成。 2 3 1 p 【c 控制系统 在工业控制中，西门子$ 7 - 3 0 0 具备高电磁兼容性和强抗振动，抗冲击性，更使其具有 最高的工业环境适应性。此外，s 7 3 0 0 系列还具有模块点数密度高，结构紧凑，性价比 高，性能优越，装卸方便等优点。在确定p l c 所需要的模块之前，我们对控制对象和控制 任务进行了分析和统计，具体的控制框图如图2 5 所示，根据系统要求，需确定以下不同 的l o 点嘲： 数字量输入点( d i ) ：3 9 点，其中8 点用于连接拨码开关压力设定，1 2 点用于控制电 机的启动停止，6 点用于平台控制选择和运动控制，4 点用于电动调节阀控制选择和运动 控制，9 点用于报警输入控制以及试灯和确认输入。 数字量输出点( d 0 ) ：2 0 点，其中7 点用于p l c 传给数据采集卡的触发信号，8 点用 于控制电机启动停止的输入继电器，5 点用于故障报警输出。 模拟量输入( a d ：5 点，其中两点接压力和流量传感器信号，两点接电动调节阀的输 入和反馈信号，一点接流量数显表的反馈信号。 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 模拟量输出( a o ) ：8 点，其中4 点接数显表，3 点接数据采集卡，1 点接电动调节阀 的输入信号 图2 5 电气控制系统的控制框图 ( 1 ) 拨码开关的设定嘧 在测试系统中，测试压力是由电控操作台上的拨码开关设定的，由于系统高压传感器 的量程为0 - 2 5 m p a ，模拟量输入模块的量程为4 - 2 0 m a ，转换后的数字为0 - 2 7 6 4 8 ，设拨码 开关设定值为p ，转换后的数字为n ，则转换公式为： - 2 7 6 4 8 p 2 5 ( 2 3 ) 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 值得注意的是，在运算时一定要先乘后除，否则会损失原始数据的精度。系统设定压 力值保存在d b l d b w 0