李世超 劉鵬 于傳琳 高祿爽 劉秉承

摘要：鍛件冷卻裝置特性的優(yōu)劣，與冶金過(guò)程生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)效率密切相關(guān)。影響噴嘴冷卻特性的因素很多，噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工精度是決定性因素，而噴嘴在使用過(guò)程中，因使用溫度、冷卻介質(zhì)中的雜質(zhì)、磨損、機(jī)械碰撞等因素也可能造成噴嘴性能失效。因此，對(duì)噴嘴特性進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)試，保證實(shí)際生產(chǎn)中所使用噴嘴的性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對(duì)冶金生產(chǎn)過(guò)程十分重要。

關(guān)鍵詞：鍛件;冷卻;性能測(cè)試

1.1 現(xiàn)狀情況

為了評(píng)價(jià)噴嘴是否滿足鍛件冷卻區(qū)對(duì)噴嘴性能的要求，用噴嘴性能測(cè)試指標(biāo)來(lái)表示。噴嘴性能測(cè)試系統(tǒng)由冷態(tài)性能測(cè)試和熱態(tài)性能測(cè)試兩部分組成。冷態(tài)性能測(cè)試內(nèi)容主要包括噴嘴的流量特性，水流密度和沖擊壓力的分布以及噴射角的大小。測(cè)試系統(tǒng)由動(dòng)力供給、水流量控制、噴嘴夾持升降、水流密度測(cè)試等子系統(tǒng)組成。其中水流密度和沖擊壓力的分布測(cè)試是冷態(tài)性能測(cè)試中十分重要的部分。目前對(duì)水流密度測(cè)試的常規(guī)方法為固定噴嘴，在噴嘴的下方布置大量試管采集噴射水，然后逐個(gè)讀取試管中的水量，若用人工讀取，需要時(shí)間長(zhǎng)，耗用人工強(qiáng)度大且數(shù)據(jù)精度不高;若采用自動(dòng)測(cè)量裝置讀取，則需要大量的傳感器，使設(shè)備投資大大提高，維護(hù)工作增加，數(shù)據(jù)精度和可比性也受到影響，因此開發(fā)新型的冷態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)意義重大。熱態(tài)性能測(cè)試主要是測(cè)試不同水流量下的傳熱系數(shù)，傳熱系數(shù)測(cè)定裝置是由噴淋系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成。

1.2 原噴嘴冷態(tài)性能測(cè)試裝置

本實(shí)驗(yàn)室原噴嘴冷態(tài)性能測(cè)試裝置由水路系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、噴嘴支撐機(jī)構(gòu)、集水管和水流擋板組成。水路系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)供給噴嘴冷態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)所需要的冷卻水和壓縮空氣，并使水量和氣量達(dá)到一定的范圍，該部分主要由儲(chǔ)水罐、水泵、空壓機(jī)和儲(chǔ)氣罐及相應(yīng)的管道、控制閥組成。噴嘴支撐機(jī)構(gòu)可以調(diào)節(jié)噴嘴的安裝高度和實(shí)現(xiàn)不同噴嘴的更換。集水管采集噴嘴的噴射水流。水流擋板防止集水管中的水溢出影響測(cè)試結(jié)果，并控制定時(shí)器的啟停。

此裝置水流密度的測(cè)試方法為：垂直安裝的噴嘴下方布置大量的集水管，噴嘴噴水后，打開水流擋板，集水瓶開始采集噴嘴的噴射水流，到一定時(shí)間后，關(guān)閉水流擋板，噴射水量采集完成。讀取采集瓶中的水量，根據(jù)采集水量和采集的時(shí)間就可以計(jì)算各采集點(diǎn)的水流密度。把每一個(gè)采集點(diǎn)的水流密度連接起來(lái)就得到了噴嘴的水流密度分布曲線。此裝置雖然可以直接測(cè)試噴射范圍內(nèi)各點(diǎn)的水流密度，但也有不足之處：人工讀取集水管中的水量，效率低，耗時(shí)長(zhǎng)，且誤差較大;通過(guò)水流擋板的打開、關(guān)合來(lái)控制定時(shí)器確定采集時(shí)間誤差也較大，影響水流密度的精度。

1.3 新型噴嘴冷態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)

新研制的冷態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)采用移動(dòng)噴嘴，定測(cè)試點(diǎn)的方法來(lái)測(cè)試噴嘴不同噴射位置的水流密度和沖擊壓力。本系統(tǒng)采用機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)，在儀器中沿水流噴射的方向在兩端固定壓力傳感器和電子天平，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)噴嘴在這兩點(diǎn)間移動(dòng)。移動(dòng)的同時(shí)，計(jì)算機(jī)定時(shí)間步長(zhǎng)采集噴射水量的增量和沖擊壓力，根據(jù)水重的增量可以計(jì)算出噴射范圍內(nèi)各采集點(diǎn)的水流密度。整個(gè)測(cè)試過(guò)程都可以由計(jì)算機(jī)控制進(jìn)行，控制測(cè)試儀驅(qū)動(dòng)噴嘴自動(dòng)回到測(cè)試點(diǎn)，自動(dòng)進(jìn)入測(cè)試狀態(tài)，自動(dòng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，大大提高了操作的自動(dòng)化程度，一個(gè)人就可以完成測(cè)試。本系統(tǒng)不僅提高了測(cè)試效率，還由于測(cè)試過(guò)程減少了人為因素的影響，提高了測(cè)試的精度，同一噴嘴測(cè)試結(jié)果的偏差可以控制在 3%以內(nèi)。

新開發(fā)的噴嘴冷態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)包括水路系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)和綜合測(cè)試柜。水路系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)與原裝置相同，綜合測(cè)試柜由智能控制儀、噴嘴三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、沖擊壓力測(cè)試裝置、水流密度測(cè)試裝置和測(cè)試箱組成。測(cè)試柜內(nèi)部裝置示意圖如圖1。

圖中A點(diǎn)為沖擊壓力測(cè)試點(diǎn)，壓力傳遞桿的上端平面接受噴射水，經(jīng)傳遞桿把壓力傳遞到下端的壓力傳感器，測(cè)試噴射水的沖擊壓力。為了防止噴射水打在測(cè)試箱底板噴濺對(duì)壓力測(cè)試的影響，在壓力傳遞桿的周圍加一擋水欄，屏蔽水的噴濺。B 點(diǎn)為水流密度測(cè)試點(diǎn)，集水槽采集到的噴射水流流入盛水器皿中，底部的電子天平測(cè)量盛水器皿中采集的水量。 噴嘴三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以控制噴嘴在三維空間內(nèi)移動(dòng)。其中 X 軸方向的運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)控制，電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸使噴嘴從 A 測(cè)試點(diǎn)向 B 測(cè)試點(diǎn)移動(dòng)，測(cè)試不同位噴射位置的水流密度和沖擊壓力。噴嘴在 Y 軸和 Z 軸方向的運(yùn)動(dòng)由手動(dòng)控制，Z 軸方向調(diào)節(jié)噴嘴的噴射高度，Y 軸方向調(diào)節(jié)噴嘴與測(cè)試點(diǎn)的相對(duì)位置，即對(duì)中或偏移一定的距離。 測(cè)試控制儀與計(jì)算機(jī)組成的 DCS 控制系統(tǒng)作為下位機(jī)的控制儀是連接上位計(jì)算機(jī)和測(cè)試裝置的樞紐，它可以設(shè)置不同的運(yùn)行速度控制噴嘴沿 X軸方向運(yùn)動(dòng);設(shè)定不同的采集時(shí)間步長(zhǎng)采集沖擊壓力和水流密度測(cè)試裝置的測(cè)試數(shù)據(jù)?？刂苾x對(duì)測(cè)試的操作和參數(shù)設(shè)置既可以通過(guò)與上位計(jì)算機(jī)通訊，按上位機(jī)的參數(shù)設(shè)置和控制來(lái)進(jìn)行測(cè)試;也可以脫離上位機(jī)直接在控制儀的面板上設(shè)置參數(shù)進(jìn)行獨(dú)立的測(cè)試，測(cè)試所得數(shù)據(jù)保存在儀器上，然后直接讀取或連接到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

參考文獻(xiàn)

[1]樊東黎，徐躍明，俘曉輝，等.熱處理工程師手冊(cè)網(wǎng).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2]盧銀德.大型鍛件的熱處理工藝[[J].金屬熱處理，2004，（4）.

[3]張義帥，孫紅星，劉華，等.關(guān)于大型鍛件鍛造開裂的研究方法[J].大型鑄鍛件，2013（ 5） ： 38-41.