專利名稱：固液兩相流中磨粒在不同位置碰撞壁面的概率分布測(cè)試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及軟性磨粒流精密加工領(lǐng)域，是一種固液兩相流中磨粒在不同位置碰撞壁面的概率分布測(cè)試裝置。
背景技術(shù)：
模具是工業(yè)生產(chǎn)的基本工藝設(shè)備，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，如今我國(guó)已經(jīng)成為了模具生產(chǎn)和消費(fèi)的大國(guó)。隨著汽車、電機(jī)、儀表、電器、電子、通信、家電、輕工等領(lǐng)域的迅速發(fā)展，對(duì)模具的要求越來越迫切，精度要求越來越高，結(jié)構(gòu)要求也越來越復(fù)雜，模具生產(chǎn)技術(shù)的高低，已成為衡量一個(gè)國(guó)家產(chǎn)品的制造水平的重要標(biāo)志。在模具制造過程中，為了消除模具表面所殘留的機(jī)械加工痕跡，光整加工技術(shù)已經(jīng)成為了必要的工藝環(huán)節(jié)，占整個(gè)模具制造時(shí)間的50%以上。面對(duì)模具制造中所涉及的溝、槽、孔、棱柱、窄縫等異型表面(本文將其定義為結(jié)構(gòu)化表面)，利用現(xiàn)階段借助工具接觸或靠近待加工表面進(jìn)行加工會(huì)在模具表 面留下痕跡。軟性磨粒流是由松散顆粒和液體混合而成，形成的具有弱黏性的液固兩相流在被加工工件的結(jié)構(gòu)化表面形成湍流流動(dòng)，并配以約束模塊，在加工工件表面形成約束流道，驅(qū)動(dòng)磨粒對(duì)壁面進(jìn)行多角度的微切微削作用，最終實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化表面的無工具化精密加工。軟性磨粒流結(jié)構(gòu)化表面的結(jié)束流道內(nèi)，由于流體相的驅(qū)動(dòng)作用，磨粒與磨粒之間，磨粒與壁面之間發(fā)生碰撞，從而使得磨粒不斷沖刷壁面，壁面受到顆粒的多角度切削作用而發(fā)生磨損。結(jié)構(gòu)化表面的加工效果跟壁面碰撞的頻率和壓力直接有關(guān)，通過對(duì)軟性磨粒流磨粒碰撞壁面的位置分析，可以很方便分析出磨粒作用壁面的具體位置以及磨損情況，從而為分析軟性磨粒流加工提供理論依據(jù)。在實(shí)際加工過程中，約束流道不但復(fù)雜而且狹窄，并且磨粒頻繁高速碰撞壁面，無法真實(shí)觀測(cè)顆粒作用壁面的概率分布情況，而現(xiàn)階段的軟性磨粒流加工主要集中于理論分析和實(shí)驗(yàn)仿真，在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)軟性磨粒流碰撞結(jié)構(gòu)化表面方面研究還比較薄弱。鑒于軟性磨粒流在結(jié)構(gòu)化表面進(jìn)行精密加工中起到的重要作用，設(shè)計(jì)出一種固液兩相流中磨粒在不同位置碰撞壁面的概率分布觀測(cè)裝置及方法對(duì)軟性磨粒流的進(jìn)一步研究具有其深遠(yuǎn)的意義。
發(fā)明內(nèi)容為了克服已有固液兩相流的流道中無法真實(shí)測(cè)試磨粒碰撞壁面的概率分布的不足，本實(shí)用新型提供一種能比較精確地測(cè)量磨粒碰撞壁面的概率分布的固液兩相流中磨粒在不同位置碰撞壁面的概率分布測(cè)試裝置。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種固液兩相流中磨粒在不同位置碰撞壁面的概率分布測(cè)試裝置，所述概率分布測(cè)試裝置包括固液兩相流循環(huán)系統(tǒng)和壓力傳感器；所述固液兩相流循環(huán)系統(tǒng)模型包括潛水泵、磨料箱、攪拌器、軟管、具有結(jié)構(gòu)化表面的約束流道和防止軟性磨粒流溢出的溢流管；所述的磨粒箱中放置潛水泵，所述的潛水泵通過所述的進(jìn)口軟管與所述的具有結(jié)構(gòu)化表面的約束流道入口連接，所述的具有結(jié)構(gòu)化表面約束流道出口與所述的出口軟管相連，所述的出口軟管與所述的磨料箱連接，所述磨粒箱中置有攪拌器，所述磨料箱下部側(cè)面設(shè)有所述溢流管；所述壓力傳感器包括應(yīng)變片矩陣和預(yù)處理電路，所述應(yīng)變片矩陣由一系列應(yīng)變片
密封粘結(jié)在金屬薄片的下表面構(gòu)成，并貼于具有結(jié)構(gòu)化表面的約束流道的壁面上。進(jìn)一步，所述具有結(jié)構(gòu)化表面約束流道截面進(jìn)口大出口小，所述具有結(jié)構(gòu)化表面的約束流道置于實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)上，所述具有結(jié)構(gòu)化表面的約束流道左右兩側(cè)分別連接進(jìn)口軟管和出口軟管，所述進(jìn)口軟管連通所述潛水泵和所述具有結(jié)構(gòu)化表面的約束流道，所述出口軟管連通所述具有結(jié)構(gòu)化表面的約束流道和所述磨料箱。再進(jìn)一步，所述預(yù)處理電路包括惠更斯電橋、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器和處理器，所述的應(yīng)變片矩陣與所述的惠更斯電橋連接，所述惠更斯電橋經(jīng)過所述的放大器與A/D轉(zhuǎn)換器連接，所述A/D轉(zhuǎn)換器與存儲(chǔ)器連接，所述存儲(chǔ)器與所述處理器連接。本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思為該測(cè)試裝置由固液兩相流循環(huán)系統(tǒng)、壓力傳感器以及計(jì)算機(jī)后處理系統(tǒng)三部分組成。固液兩相流循環(huán)系統(tǒng)中，潛水泵將含有磨粒的固液兩相流通過入口軟管打入具有結(jié)構(gòu)化表面的約束流道，形成湍流。磨粒流在湍流的驅(qū)動(dòng)作用下，與粘于結(jié)構(gòu)化表面的應(yīng)變片矩陣的金屬片上表面發(fā)生不同角度頻繁碰撞作用，使金屬片在磨粒流撞擊作用下發(fā)生變形，應(yīng)變片將金屬片不同位置的應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻的變化，預(yù)處理電路把應(yīng)變片電阻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，經(jīng)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)，而由存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的電壓信號(hào)包括金屬片受到磨粒碰撞壁面的形變和水壓引起的形變，去除水流壓力作用的形變電壓信號(hào)才是我們測(cè)試所需要的。其中，磨粒作用在內(nèi)壁面上的壓力是由碰撞產(chǎn)生的。一個(gè)磨粒和內(nèi)壁面的碰撞時(shí)間是極其短暫的，它施于內(nèi)壁面的作用力是不連續(xù)的，但大量磨粒頻繁地碰撞器壁，從宏觀上看，可以認(rèn)為磨粒對(duì)內(nèi)壁面的作用力是持續(xù)的、均勻的。從單個(gè)磨粒角度來看，磨粒的質(zhì)量越大，速度越大，即磨粒的平均動(dòng)能越大，每個(gè)磨粒撞一次內(nèi)壁面對(duì)內(nèi)壁面的作用力越大，而單位時(shí)間內(nèi)磨粒撞擊器壁的次數(shù)越多，對(duì)器壁的總壓力也越大，而撞擊次數(shù)又取決于單位體積內(nèi)磨粒數(shù)(磨粒的密集程度)和平均動(dòng)能。所以磨粒作用于內(nèi)壁面的壓力決定于磨粒的平均動(dòng)能和密集程度。在此基礎(chǔ)上，后處理分析軟件通過計(jì)算機(jī)串口從預(yù)處理電路的存儲(chǔ)器中讀取數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行分析處理。后處理分析軟件根據(jù)壓力值在檢測(cè)時(shí)間內(nèi)的積分，定性地揭示檢測(cè)時(shí)間內(nèi)在所述的應(yīng)變片矩陣中每個(gè)應(yīng)變單元對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)與所述的內(nèi)壁面發(fā)生碰撞時(shí)的磨粒的平均動(dòng)能、密集程度及水壓。對(duì)應(yīng)變片矩陣內(nèi)每個(gè)應(yīng)變單元對(duì)應(yīng)的區(qū)域的壓力值進(jìn)行積分，得到應(yīng)變片矩陣內(nèi)不同位置磨粒碰撞內(nèi)壁面的平均動(dòng)能、密集程度及水壓共同作用的壓力分布，后處理過程將所述的fluent數(shù)值仿真中已經(jīng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分的每個(gè)區(qū)域的壓力均值作為該處的壓力信號(hào)基值，從對(duì)應(yīng)位置的壓力信號(hào)中濾去，最終得到固液兩相流中磨粒在不同位置碰撞壁面的壓力分布，并用云圖的形式顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。本實(shí)用新型的有益效果在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷；在無法肉眼觀測(cè)磨粒碰撞壁面的情況下，能夠?qū)?shí)際加工過程中磨粒在不同壁面碰撞概率分布進(jìn)行測(cè)試，準(zhǔn)確判斷出固液兩相流中磨粒的加工效果，為研究固液兩相流進(jìn)行無工具精密加工提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，為進(jìn)一步分析固液兩相流中磨粒對(duì)不同壁面的加工效果奠定基礎(chǔ)。
圖I是本實(shí)用新型裝置的部件構(gòu)成圖。圖2是本實(shí)用新型裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本實(shí)用新型裝置的流道內(nèi)應(yīng)變片矩陣安裝位置示意圖。圖4是本實(shí)用新型裝置的應(yīng)變片矩陣結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本實(shí)用新型裝置預(yù)處理電路原理圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。參照?qǐng)DI 圖5，一種固液兩相流中磨粒在不同位置碰撞壁面的概率分布測(cè)試裝置及方法，包括固液兩相流循環(huán)系統(tǒng)I和壓力傳感器2，所述固液兩相流循環(huán)系統(tǒng)I包括潛水泵11、磨料箱12、攪拌器15、進(jìn)口軟管14、出口軟管17、具有結(jié)構(gòu)化表面的約束流道18和溢流管16，所述壓力傳感器2包括應(yīng)變片矩陣21和預(yù)處理電路22，所述應(yīng)變片矩陣21由一系列應(yīng)變片211密封粘結(jié)在金屬薄片212的下表面構(gòu)成,并貼于具有結(jié)構(gòu)化表面的約束流道18的壁面上，所述預(yù)處理電路包括惠更斯電橋、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器和處理器。所述計(jì)算機(jī)后處理系統(tǒng)3包括具有存儲(chǔ)運(yùn)算功能的計(jì)算機(jī)31和具有后處理功能的分析軟件。所述的磨粒箱中放置潛水泵11，所述的潛水泵11通過所述的進(jìn)口軟管14與具有結(jié)構(gòu)化表面的約束流道18入口連接，具有結(jié)構(gòu)化表面約束流道18出口與所述的出口軟管17相連，所述的出口軟管17與所述的磨料箱12連接。所述磨粒箱12中置有攪拌器15，所述攪拌器15確保固液兩相流磨粒分布均勻，所述磨料箱12下部側(cè)面設(shè)有防止軟性磨粒流溢出的溢流管16。所述具有結(jié)構(gòu)化表面約束流道18截面進(jìn)口大出口小，所述具有結(jié)構(gòu)化表面的約束流道18置于實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)上，所述具有結(jié)構(gòu)化表面的約束流道18左右兩側(cè)分別連接進(jìn)口軟管14和出口軟管17，所述進(jìn)口軟管14連通所述潛水泵11和所述具有結(jié)構(gòu)化表面的約束流道18，所述出口軟管17連通所述具有結(jié)構(gòu)化表面的約束流道18和所述磨料箱12。所述的應(yīng)變片矩陣21能夠?qū)⒐桃簝上嗔髦心チＴ诓煌恢门鲎脖诿娴膲毫D(zhuǎn)化為電阻的變化，所述的惠更斯電橋?qū)⑺龅膽?yīng)變片矩陣的電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，并經(jīng)過所述的放大器和A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，存儲(chǔ)于所述的存儲(chǔ)器中。所述的后處理分析軟件3通過所述的計(jì)算機(jī)串口從所述的存儲(chǔ)器中讀取數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行分析處理，后處理過程將所述的fluent數(shù)值仿真中已經(jīng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分的每個(gè)區(qū)域的壓力均值作為該處的壓力信號(hào)基值，從存儲(chǔ)器中得到的壓力信號(hào)中濾去，最終得到固液兩相流中磨粒在不同位置碰撞壁面的壓力分布。本實(shí)施例的測(cè)試裝置由固液兩相流循環(huán)系統(tǒng)I、壓力傳感器2以及計(jì)算機(jī)后處理系統(tǒng)3三部分組成。固液兩相流循環(huán)系統(tǒng)I中，潛水泵11將含有磨粒的固液兩相流通過入口軟管打入具有結(jié)構(gòu)化表面的約束流道18，形成湍流。磨粒在湍流的驅(qū)動(dòng)作用下，與粘于結(jié)構(gòu)化表面的應(yīng)變片矩陣21的金屬片212上表面發(fā)生不同角度頻繁碰撞作用，使金屬片212在磨粒撞擊作用下發(fā)生變形，應(yīng)變片211將金屬片212不同位置的應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻的變化，預(yù)處理電路22把應(yīng)變片211電阻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，經(jīng)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)。而由存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的電壓信號(hào)包括金屬片212受到磨粒碰撞壁面的形變和水壓引起的形變，去除水流壓力作用的形變電壓信號(hào)才是我們測(cè)試所需要的。其中，磨粒作用在內(nèi)壁面上的壓力是由碰撞產(chǎn)生的。一個(gè)磨粒和內(nèi)壁面的碰撞時(shí)間是極其短暫的。它施于內(nèi)壁面的作用力是不連續(xù)的，但大量磨粒頻繁地碰撞器壁，從宏觀上看，可以認(rèn)為磨粒對(duì)內(nèi)壁面的作用力是持續(xù)的、均勻的。從單個(gè)磨粒角度來看，磨粒的質(zhì)量越大，速度越大，即磨粒的平均動(dòng)能越大，每個(gè)磨粒撞一次內(nèi)壁面對(duì)內(nèi)壁面的作用力越大，而單位時(shí)間內(nèi)磨粒撞擊器壁的次數(shù)越多，對(duì)器壁的總壓力也越大，而撞擊次數(shù)又取決于單位體積內(nèi)磨粒數(shù)(磨粒的密集程度)和平均動(dòng)能。所以磨粒作用于內(nèi)壁面的壓力決定于磨粒的平均動(dòng)能和密集程度。在此基礎(chǔ)上，后處理分析軟件通過計(jì)算機(jī)串口從預(yù)處理電路22的存儲(chǔ)器中讀取數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行分析處理。后處理分析軟件根據(jù)壓力值在檢測(cè)時(shí)間內(nèi)的積分，定性地揭示檢測(cè)時(shí)間內(nèi)在所述的應(yīng)變片矩陣21 壓。對(duì)應(yīng)變片矩陣21內(nèi)每個(gè)應(yīng)變單元對(duì)應(yīng)的區(qū)域的壓力值進(jìn)行積分，得到應(yīng)變片矩陣內(nèi)不同位置磨粒碰撞內(nèi)壁面的平均動(dòng)能、密集程度及水壓共同作用的壓力分布，后處理過程將所述的fluent數(shù)值仿真中已經(jīng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分的每個(gè)區(qū)域的壓力均值作為該處的壓力信號(hào)基值，從對(duì)應(yīng)位置的壓力信號(hào)中濾去，最終得到固液兩相流中磨粒在不同位置碰撞壁面的壓力分布，并用云圖的形式顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。本說明書實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對(duì)實(shí)用新型構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍的不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施例所陳述的具體形式，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實(shí)用新型構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
權(quán)利要求1.一種固液兩相流中磨粒在不同位置碰撞壁面的概率分布測(cè)試裝置，其特征在于所述概率分布測(cè)試裝置包括固液兩相流循環(huán)系統(tǒng)和壓力傳感器； 所述固液兩相流循環(huán)系統(tǒng)模型包括潛水泵、磨料箱、攪拌器、軟管、具有結(jié)構(gòu)化表面的約束流道和防止軟性磨粒流溢出的溢流管；所述的磨粒箱中放置潛水泵，所述的潛水泵通過所述的進(jìn)口軟管與所述的具有結(jié)構(gòu)化表面的約束流道入口連接，所述的具有結(jié)構(gòu)化表面約束流道出口與所述的出口軟管相連，所述的出口軟管與所述的磨料箱連接，所述磨粒箱中置有攪拌器，所述磨料箱下部側(cè)面設(shè)有所述溢流管； 所述壓力傳感器包括應(yīng)變片矩陣和預(yù)處理電路，所述應(yīng)變片矩陣由一系列應(yīng)變片密封粘結(jié)在金屬薄片的下表面構(gòu)成，并貼于具有結(jié)構(gòu)化表面的約束流道的壁面上。
2.如權(quán)利要求I所述的固液兩相流中磨粒在不同位置碰撞壁面的概率分布測(cè)試裝置，其特征在于所述具有結(jié)構(gòu)化表面約束流道截面進(jìn)口大出口小，所述具有結(jié)構(gòu)化表面的約束流道置于實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)上，所述具有結(jié)構(gòu)化表面的約束流道左右兩側(cè)分別連接進(jìn)口軟管和出口軟管，所述進(jìn)口軟管連通所述潛水泵和所述具有結(jié)構(gòu)化表面的約束流道，所述出口軟管連通所述具有結(jié)構(gòu)化表面的約束流道和所述磨料箱。
3.如權(quán)利要求I或2所述的固液兩相流中磨粒在不同位置碰撞壁面的概率分布測(cè)試裝置，其特征在于所述預(yù)處理電路包括惠更斯電橋、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器和處理器，所述的應(yīng)變片矩陣與所述的惠更斯電橋連接，所述惠更斯電橋經(jīng)過所述的放大器與A/D轉(zhuǎn)換器連接，所述A/D轉(zhuǎn)換器與存儲(chǔ)器連接，所述存儲(chǔ)器與所述處理器連接。
專利摘要一種固液兩相流中磨粒在不同位置碰撞壁面的概率分布測(cè)試裝置，包括固液兩相流循環(huán)系統(tǒng)、壓力傳感器以及計(jì)算機(jī)后處理系統(tǒng)；固液兩相流循環(huán)系統(tǒng)模型包括潛水泵、磨料箱、攪拌器、軟管、具有結(jié)構(gòu)化表面的約束流道和防止軟性磨粒流溢出的溢流管；壓力傳感器包括應(yīng)變片矩陣和預(yù)處理電路，所述應(yīng)變片矩陣由一系列應(yīng)變片密封粘結(jié)在金屬薄片的下表面構(gòu)成，并貼于具有結(jié)構(gòu)化表面的約束流道的壁面上。本實(shí)用新型能比較精確地測(cè)量磨粒碰撞壁面的概率分布。
文檔編號(hào)G01N15/00GK202599792SQ20122014268
公開日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2012年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月6日
發(fā)明者計(jì)時(shí)鳴, 王嘉琦, 譚大鵬, 張鶴騰, 張微, 周龍兵, 李宜燃 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)