基于超声波高压磨料罐内磨料量在线监测研究

基于超声波的高压磨料罐内磨料量在线监测研究答辩人：***导师：***教授1内容提要2磨料量检测研究进展和主要研究内容

1磨料罐内磨料颗粒的运动特性研究超声波检测的相关理论磨料罐内磨料量检测方案设计实验及结果分析水射流分类3前混合磨料射流双罐供料系统工作原理4l-水箱

2-高压水泵

3-湿磨料箱

4-隔膜泵

5-磨料罐

6-高压水阀

7-磨料流态化水阀8-浆液磨料释放阀

9-磨料补充阀

10-低压水阀

11-冲洗水阀现行磨料罐中磨料量检测方法51人工经验估算法2重力传感器检测法易造成失误，影响切割进度，甚至造成工件损坏。对磨料罐稳定性要求较高，安装极其困难。超声波测距技术的发展6超声波回波测距原理本文将引入现行应用比较广泛的超声波测距技术。本文研究内容及方法7磨料罐内磨料颗粒的运动特性分析超声波检测的理论分析磨料罐内磨料量超声波检测方案设计搭建试验台实验及结果分析固体颗粒在流体中所受到的力8固体颗粒固体颗粒在流体中受力分析9固体颗粒在流体中的运动学方程可写成：许多力的实现需要满足相应条件，因此本文在分析时，只考虑颗粒的有效重力和阻力，则运动学方程可简写成：当固体颗粒所受到的力达到平衡状态时，颗粒开始处于静止或做匀速运动（上升或者下降），则有：磨料罐内流体速度分析10本文研究的磨料颗粒主要成分为石榴石，其密度大小为3.5-4.5×103kg/m3

,大于所用的流体清水的密度。因此，磨料颗粒在清水中的受力平衡时的临界速度可根据上述终端模型求得。本文欲使用超声波检测磨料罐内磨料量，即检测磨料颗粒的沉积层厚度，为获得较为清晰的磨料沉积界面，尽可能使磨料颗粒在受力平衡时处于静止或下降过程中，即vp≤0，则有：超声波检测的相关理论11声波的分类标准名称频率范围次声波0.1~2×10Hz可闻声波2×10~2×104Hz超声波2×104~2×1010Hz特超声波>1010Hz超声波检测的相关声学参数12超声波超声波界面检测方法13置于侧面置于顶部置于底部单探头双探头超声波换能器14超声波发生器压电式发生器磁致伸缩式发生器电磁式发生器机械式发生器

通过对超声波基本理论的深入了解，本文采用超声波反射法中的单探头检测法，选用产生超声波频率范围较广的压电式换能器。磨料罐内磨料量超声波检测方案15为提出较为可行的超声波检测方案，需了解被测对象所在容器磨料罐的基本特征：1整体材料为不锈钢；2由罐体和罐顶盖通过法兰连接组成；3罐体壁厚均匀约25mm，罐顶盖较厚约80mm。方案一16布置方式：

将两个超声波传感器分别贴于磨料罐外壁。优点：

易于实现，可靠性高，且利于参数调整和便于传感器的更换维修。不足：

只能判断出磨料-水界面相对于两个测试点的位置关系，无法实时地跟踪监测磨料量的变化情况。方案二17布置方式：将罐壁被测区域等分为数份，在每个等分点上放置超声波传感器。优点：

易于实现，可靠性高，且利于参数调整和便于传感器的更换维修，能够实时地监测磨料罐内磨料量的变化。不足：并非连续监测，测量精度主要取决于超声波传感器的布置数量，成本较高，且受超声波传感器自身尺寸的限制，无法实现较高精度。方案三18布置方式：将超声波传感器放置于磨料罐顶部。优点：能够连续监测磨料罐内磨料量的具体高度。不足：（a）顶盖较厚，信号损失严重；（b）罐内高压，打孔易造成安全隐患；（c）同样存在安全隐患，且不利于探头跟换和维修。界面高度表达式：式中，为磨料罐内磨料沉积高度；为超声波传感器到罐底的距离；为磨料罐顶盖的厚度；为超声波在水中的传播速度。方案四19布置方式：将超声波传感器放置于磨料罐侧壁，在磨料罐内放置一片具有高声阻抗率的反射板，反射板的板面垂直于超声波传感器入射方向所在的平面，且与水平面呈45°夹角。。优点：利于参数调整和便于传感器的更换维修，能够连续监测磨料罐内磨料量的具体高度。不足：仅为理论探索，尚需实验验证。界面高度表达式：式中，为磨料罐内磨料沉积高度；为超声波传感器到罐底的距离；为磨料罐罐壁的厚度；为超声波在水中的传播速度。为超声波传感器到反射板的水平距离；搭建试验台-系统20搭建试验台-实物21实验及结果分析-探头贴于顶盖22实验时，顶盖下易积攒空气，形成气泡。无气泡处回波波形有气泡处回波波形实验及结果分析-探头贴于罐壁23实验时，监测点处探头面临的情况主要有两种，分别是罐壁后是清水介质和罐壁后是磨料介质。清水介质磨料介质实验及结果分析-反射板对贴于罐壁探头检

测的影响24超声波探头入射方向与反射板斜面法方向所在垂面呈不同夹角进行检测，其检测结果随着夹角的变化呈一定的特征变化。β=80°β=30°β=0°回波1回波2回波3回波1回波2回波3回波4回波5回波1回波4回波5回波6实验及结果分析-界面高度表达式优化25优点：优化后的表达式中不存在超声波在罐壁和清水中的传播速度的变量，避免了声速设定不准确对测量结果的影响，使得结果更加准确可靠。只需测读出超声波回波1、回波4和回波5的回波信号历时，就可得出磨料-水界面的准确高度，而不必考虑声速对检测结果的影响。。在章节4.2中进行理论分析时，只考虑到存在图5-15（c）中的回波1和回波5，经试验证实还存在回波4和回波6，且回波4的信号非常清晰稳定，测读非常方便，界面高度表达式可优化为：式中，为磨料罐内磨料沉积高度；为超声波传感器到罐底的距离；为磨料罐罐壁的厚度。为超声波传感器到反射板的水平距离；实验及结果分析-测读数据结果处理26根据优化后的界面高度表达式，将HFD350超声波探伤仪的预设声速调整至正确位置，然后将双闸门分别设在回波4和回波5的信号首波处，对界面进行检测并记录数据，处理结果如下。不同流量装料过程卸料过程主要结论27理论研究实验研究方案研究基于液固流化基本理论，推导出具有适应范围更加广泛的颗粒运动方程，清晰地阐述了磨料颗粒在流体中受力平衡时的运动速度与流体速度、磨料密度和流体密度等相关参量之间的关系，得出使磨料颗粒不随清水上扬的临界速度。基于超声波的相关理论，结合前混合磨料水射流切割机双罐供料系统中磨料罐的特殊工况，筛选出四种可行的磨料监测方案，通过分析各种方案的优缺点，确定优选方案。搭建实验台，模拟系统的装料过程和卸料过程。比较分析不同流量下的检测结果，验证了将超声波探头贴于侧壁通过反射板反射监测罐内磨料量的方案是切实可行的，并比较分析了超声波测量的声程与通过米尺测读的真实界面高度存在误差的原因。展望28

在对磨料颗粒在流体中的运动状态进行理论分析时，忽略了颗粒与颗粒间碰撞的作用力对运动的影响，且假设颗粒始终处于匀速流动的流体中，而实际情况中，由于使