一种模拟叶轮叶片与颗粒碰撞的实验装置及试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种机械实验装置及试验方法。目的是提供一种模拟叶轮叶片与颗粒碰撞的试验台和一种模拟叶轮叶片与颗粒碰撞的试验方法，该试验台应能定量模拟单颗粒与叶轮叶片的碰撞滑移反弹过程。技术方案是：一种模拟叶轮叶片与颗粒碰撞的试验台，包括底板；其特征在于：所述底板上通过升降机构定位一发射颗粒的颗粒承载释放装置，颗粒承载释放装置的下方设置一用于与所发射的颗粒进行撞击的试样板旋转装置，另配置有对颗粒撞击情况进行摄影的高速摄像系统；所述颗粒承载释放装置包括可水平滑动地定位在升降机构上且由气缸驱动的气动滑台、固定在气动滑台上用于携带颗粒的圆筒以及为气泵提供动力的气源。

An experimental device and method for simulating impeller blade-particle collision

【技术实现步骤摘要】
一种模拟叶轮叶片与颗粒碰撞的实验装置及试验方法
本专利技术涉及一种机械实验装置及试验方法，具体涉及一种模拟叶轮叶片与颗粒碰撞的试验台，同时也涉及一种模拟叶轮叶片与颗粒碰撞的试验方法。
技术介绍
研究叶轮与颗粒碰撞对于减少磨损，提高流体机械叶轮部件寿命有重要意义。现有文献提及的碰撞反弹试验台多是运动颗粒与静止试样碰撞，虽然能测得材料的恢复系数，但不能真实反映叶轮流道内的碰撞状态。旋转叶轮与颗粒碰撞时，不是简单的相对运动，而是会附加科里奥利力，碰撞情况会比静止试样更复杂。然而叶轮流道内真实的碰撞情况又难以直接观察和测量。为了能进一步研究叶轮流道内碰撞反弹现象，故需要有一种新的试验方案解决上述问题。
技术实现思路
专利技术目的是克服上述
技术介绍
的不足，提供一种模拟叶轮叶片与颗粒碰撞的试验台，该试验台应能定量模拟单颗粒与叶轮叶片的碰撞滑移反弹过程。本专利技术还提供了一种模拟叶轮叶片与颗粒碰撞的试验方法。为达到上述目的，本专利技术提供了以下的技术方案：一种模拟叶轮叶片与颗粒碰撞的试验台，包括底板；其特征在于：所述底板上通过升降机构定位一发射颗粒的颗粒承载释放装置，颗粒承载释放装置的下方设置一用于与所发射的颗粒进行撞击的试样板旋转装置，另配置有对颗粒撞击情况进行摄影的高速摄像系统；所述颗粒承载释放装置包括可水平滑动地定位在升降机构上且由气缸驱动的气动滑台、固定在气动滑台上用于携带颗粒的圆筒以及为气泵提供动力的气源；所述试样板旋转装置包括由伺服电机驱动的蜗轮蜗杆传动机构、在蜗轮蜗杆传动机构带动下进行摆动的试样板。所述升降机构包括竖直固定在底板上的支撑座、定位在支撑座上且可绕竖直轴线转动的丝杆、与丝杆配合且可沿支撑座的板面竖直滑动的螺母滑块以及驱动丝杆的步进电机。所述气动滑台包括水平安装在升降座上的导轨、安装在升降座上的气缸、可滑动地定位在导轨上的气动滑块，所述圆筒固定在气动滑块上。所述气源通过气管连通气缸，气管上安装有控制用的电磁阀。所述试样板通过T形杆固定在蜗轮蜗杆传动机构的输出轴上。所述输出轴水平布置。所述高速摄像系统包括光源、高速相机以及围在试样板周边且与水平面成一定角度的反光镜组。所述高速相机镜头轴线与光源轴线垂直。本专利技术提供的试验方法如下：一种模拟叶轮叶片与颗粒碰撞的试验方法，包括如下步骤：第一步：确定实验参数主轴(试样板)角速度ω(rad/s)、撞击角度γ(rad)、颗粒初速度v1(m/s)，颗粒撞击速度v2(m/s)，撞击点到主轴轴线的距离d(m)。第二步：详细计算所需参数，过程如下：1)根据公式(1.1)计算颗粒下坠高度h。2)根据公式(1.2)、(1.3)、(1.5)、(1.6)确定主轴启动时间t，正值为颗粒释放后ts启动主轴，负值为主轴启动后ts释放颗粒。其中t1为颗粒飞行时间，主轴转动时间t2，α为主轴转动角度，β为颗粒撞击速度与水平面的夹角。α＝γ-β(0.4)t＝t1-t2(0.6)3)根据公式(1.7)、(1.8)确定颗粒释放点与主轴中心水平距离x(限位块位置)，颗粒释放点与主轴中心竖直距离H(滑台高度)。x＝v1t1-dcos(γ-β)(0.7)H＝h+dsin(γ-β)(0.8)第三步：调整气源气压，试运行气动滑台，测得滑台从启动到碰撞停止所需时间t3。以电磁阀启动为零时刻，伺服电机启动为t4时刻。t4＝t+t3(0.9)第四步：根据计算结果设置好相应的距离、启动时间和主轴转速。参数计算的目的是为了提供控制所需要的参数，将颗粒撞击时的速度、撞击角、试样板转角限定在一定范围，精确的实验结果应通过处理高速相机拍下的图片获得。第五步：安放颗粒，调整高速摄像设备。启动试验台，颗粒加速释放在预定位置撞击试样板，完成实验。第六步：记录实验过程，取下试样板作其他分析及收集颗粒。本专利技术的有益效果是：本专利技术选择伺服电机作为动力，可以方便地控制转速和旋转定位；电机输出轴驱动蜗轮蜗杆传动机构(蜗轮蜗杆传动具有自锁特性，可以抵抗颗粒对试样板的冲击力，避免试样板逆行程影响实验结果)；试样板通过T型杆固定在蜗轮主轴上(试样板用螺栓固定在T型杆上)，采用螺栓连接可以方便更换试样，适应多种材料的实验要求。蜗轮蜗杆与伺服电机结合可以方便地定位在任意角度，作为常规的静止试样板碰撞反弹试验台使用。本专利技术提供的试验方法，给出了本专利技术试验台模拟叶轮叶片与颗粒撞击的具体过程和必要的参数计算公式，能在一定程度上定量的模拟单颗粒与叶轮叶片的碰撞滑移反弹过程。附图说明图1是本专利技术的总体结构示意图(图中省略气源及气路部分元器件)。图2是本专利技术中颗粒释放承载装置及气源的连接结构立体示意图。图3是本专利技术中圆管的立体结构示意图。图4是安装有圆管的气动滑块立体结构示意图。图5是未安装圆管的气动滑块示意图。图6是本专利技术中升降机构的立体结构示意图。图7是本专利技术中反光镜组的立体结构示意图。图8是本专利技术中安装有试样板的T型杆的立体结构示意图。图9是本专利技术的另一角度的总体结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施例作进一步说明。图1所示的模拟叶轮叶片与颗粒碰撞的试验台，包括气源25、颗粒承载释放装置(气缸13、气动滑块14、限位块15、导轨16)、升降机构(丝杆9、步进电机7、下支座8、螺母滑块10、上支座28)、伺服电机1、试样板旋转装置(蜗杆4、蜗轮5、主轴6、试样板12、T型杆11)、高速摄像系统(光源22、高速相机23和反光镜组17)。还包括轴承、轴承座、标尺18和底板19。底板是整个试验台的基底，标尺上设有刻度用于辅助实验。本实施例与常规的自由落体释放颗粒不同，为了使颗粒获得足够的初速度，采用水平抛射的形式释放颗粒(推荐采用钢质颗粒)。如图3所示，颗粒放置在内径略大于颗粒直径的圆管26内，圆管朝前运动的一端开口，另一端封闭且带有凸边31(作为优选，所述圆管内径略大于颗粒，长度控制在颗粒的3倍左右)。如图4与图5所示，圆管通过法兰直接固定在气动滑台14一侧的槽中，可以很方便地更换不同内径的圆管，但又能约束圆管的运动。如图2所示，板状升降座29的一面安装着导轨16，气动滑台14和限位块15安装在导轨16上；导轨两侧开有槽道30，限位块15两侧设有螺纹孔，限位块可以通过螺栓螺母固定在导轨槽道范围内的任意位置，方便调节颗粒释放位置。气动滑台14与气缸13的活塞杆连接，气源(一般是压缩空气储气罐)启闭由电磁阀控制。气缸在高压气体的驱动下推动气动滑台向前快速运动，直至撞击限位块15后停止，位于圆管内的颗粒则在惯性作用下以碰撞时具有的速度水平抛出。通过标定气源内压力与颗粒速度的对应关系可以实现控制颗粒射出速度的目的。结合图1、图9，所述试样板旋转装置包括伺服电机1、电机支座2、联轴器3、蜗杆4、蜗轮5、主轴6、T型杆11、试样板12。伺服电机1安放在电机支座2上，电机支座固定在底板19上。伺服电机1输出轴通过联轴器3连接蜗杆4，蜗杆4与蜗轮5啮合，蜗轮安装在主轴6上。参考图8，T型杆11一端有环装结构，用于安装在主轴6上,；试样板12固定在T型杆上。根据Sondergaard(桑德加德；美国人)等人的实验结果，颗粒的恢复系数会随着壁面厚度和粒径的比值(D/b)的增大而增大，直到D/b>4之后，恢复系数才趋于稳定。为确保实验结果，试样厚度应大于1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟叶轮叶片与颗粒碰撞的试验台，包括底板(19)；其特征在于：所述底板上通过升降机构定位一发射颗粒的颗粒承载释放装置，颗粒承载释放装置的下方设置一用于与所发射的颗粒进行撞击的试样板旋转装置，另配置有对颗粒撞击情况进行摄影的高速摄像系统；所述颗粒承载释放装置包括可水平滑动地定位在升降机构上且由气缸(13)驱动的气动滑台、固定在气动滑台上用于携带颗粒的圆筒(26)以及为气泵提供动力的气源；所述试样板旋转装置包括由伺服电机驱动的蜗轮蜗杆传动机构、在蜗轮蜗杆传动机构带动下进行摆动的试样板(11)。

【技术特征摘要】
1.一种模拟叶轮叶片与颗粒碰撞的试验台，包括底板(19)；其特征在于：所述底板上通过升降机构定位一发射颗粒的颗粒承载释放装置，颗粒承载释放装置的下方设置一用于与所发射的颗粒进行撞击的试样板旋转装置，另配置有对颗粒撞击情况进行摄影的高速摄像系统；所述颗粒承载释放装置包括可水平滑动地定位在升降机构上且由气缸(13)驱动的气动滑台、固定在气动滑台上用于携带颗粒的圆筒(26)以及为气泵提供动力的气源；所述试样板旋转装置包括由伺服电机驱动的蜗轮蜗杆传动机构、在蜗轮蜗杆传动机构带动下进行摆动的试样板(11)。2.根据权利要求1所述的模拟叶轮叶片与颗粒碰撞的试验台，其特征在于：所述升降机构包括竖直固定在底板上的支撑座(20)、定位在支撑座上且可绕竖直轴线转动的丝杆(9)、与丝杆配合且可沿支撑座的板面竖直滑动的螺母滑块(10)以及驱动丝杆的步进电机(7)。3.根据权利要求2所述的模拟叶轮叶片与颗粒碰撞的试验台，其特征在于：所述气动滑台包括水平安装在升降座(29)上的导轨(16)、安装在升降座上的气缸、可滑动地定位在导轨上的气动滑块，所述圆筒固定在气动滑块上。4.根据权利要求3所述的模拟叶轮叶片与颗粒碰撞的试验台，其特征在于：所述高速摄像系统包括光源(22)、高速相机(23)以及围在试样板周边且与水平面成一定角度的反光镜组(17)。5.根据权利要求4所述的模拟叶轮叶片与颗粒碰撞的试验台，其特征在于：所述气源通过气管连通气缸，气管上安装有控制用的电磁阀。6.根据权利要求5所述的模拟叶轮叶片与颗粒碰撞的试验台，其特征在于：所述试样板通过T形杆(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昳，唐臻吉，宿向辉，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33