鍛件冷卻裝置性能測試

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劣，與冶金過程生產質量、生產效率密切相關。影響噴嘴冷卻特性的因素很多，噴嘴的結構設計、加工精度是決定性因素，而噴嘴在使用過程中，因使用溫度、冷卻介質中的雜質、磨損、機械碰撞等因素也可能造成噴嘴性能失效。因此，對噴嘴特性進行準確的測試，保證實際生產中所使用噴嘴的性能達到設計要求，對冶金生產過程十分重要。

關鍵詞：鍛件;冷卻;性能測試

1.1 現狀情況

為了評價噴嘴是否滿足鍛件冷卻區對噴嘴性能的要求，用噴嘴性能測試指標來表示。噴嘴性能測試系統由冷態性能測試和熱態性能測試兩部分組成。冷態性能測試內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。測試系統由動力供給、水流量控制、噴嘴夾持升降、水流密度測試等子系統組成。其中水流密度和沖擊壓力的分布測試是冷態性能測試中十分重要的部分。目前對水流密度測試的常規方法為固定噴嘴，在噴嘴的下方布置大量試管采集噴射水，然后逐個讀取試管中的水量，若用人工讀取，需要時間長，耗用人工強度大且數據精度不高;若采用自動測量裝置讀取，則需要大量的傳感器，使設備投資大大提高，維護工作增加，數據精度和可比性也受到影響，因此開發新型的冷態性能測試系統意義重大。熱態性能測試主要是測試不同水流量下的傳熱系數，傳熱系數測定裝置是由噴淋系統、加熱系統、控制系統和數據采集處理系統組成。

1.2 原噴嘴冷態性能測試裝置

本實驗室原噴嘴冷態性能測試裝置由水路系統、氣路系統、噴嘴支撐機構、集水管和水流擋板組成。水路系統和氣路系統供給噴嘴冷態性能測試系統所需要的冷卻水和壓縮空氣，并使水量和氣量達到一定的范圍，該部分主要由儲水罐、水泵、空壓機和儲氣罐及相應的管道、控制閥組成。噴嘴支撐機構可以調節噴嘴的安裝高度和實現不同噴嘴的更換。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試結果，并控制定時器的啟停。

此裝置水流密度的測試方法為：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，到一定時間后，關閉水流擋板，噴射水量采集完成。讀取采集瓶中的水量，根據采集水量和采集的時間就可以計算各采集點的水流密度。把每一個采集點的水流密度連接起來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試噴射范圍內各點的水流密度，但也有不足之處：人工讀取集水管中的水量，效率低，耗時長，且誤差較大;通過水流擋板的打開、關合來控制定時器確定采集時間誤差也較大，影響水流密度的精度。

1.3 新型噴嘴冷態性能測試系統

新研制的冷態性能測試系統采用移動噴嘴，定測試點的方法來測試噴嘴不同噴射位置的水流密度和沖擊壓力。本系統采用機電一體化的設計，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，步進電機驅動噴嘴在這兩點間移動。移動的同時，計算機定時間步長采集噴射水量的增量和沖擊壓力，根據水重的增量可以計算出噴射范圍內各采集點的水流密度。整個測試過程都可以由計算機控制進行，控制測試儀驅動噴嘴自動回到測試點，自動進入測試狀態，自動采集數據進行計算，大大提高了操作的自動化程度，一個人就可以完成測試。本系統不僅提高了測試效率，還由于測試過程減少了人為因素的影響，提高了測試的精度，同一噴嘴測試結果的偏差可以控制在 3%以內。

新開發的噴嘴冷態性能測試系統包括水路系統、氣路系統和綜合測試柜。水路系統和氣路系統與原裝置相同，綜合測試柜由智能控制儀、噴嘴三軸運動機構、沖擊壓力測試裝置、水流密度測試裝置和測試箱組成。測試柜內部裝置示意圖如圖1。

圖中A點為沖擊壓力測試點，壓力傳遞桿的上端平面接受噴射水，經傳遞桿把壓力傳遞到下端的壓力傳感器，測試噴射水的沖擊壓力。為了防止噴射水打在測試箱底板噴濺對壓力測試的影響，在壓力傳遞桿的周圍加一擋水欄，屏蔽水的噴濺。B 點為水流密度測試點，集水槽采集到的噴射水流流入盛水器皿中，底部的電子天平測量盛水器皿中采集的水量。 噴嘴三軸運動機構可以控制噴嘴在三維空間內移動。其中 X 軸方向的運動由步進電機自動控制，電機驅動轉軸使噴嘴從 A 測試點向 B 測試點移動，測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 軸方向的運動由手動控制，Z 軸方向調節噴嘴的噴射高度，Y 軸方向調節噴嘴與測試點的相對位置，即對中或偏移一定的距離。 測試控制儀與計算機組成的 DCS 控制系統作為下位機的控制儀是連接上位計算機和測試裝置的樞紐，它可以設置不同的運行速度控制噴嘴沿 X軸方向運動;設定不同的采集時間步長采集沖擊壓力和水流密度測試裝置的測試數據。控制儀對測試的操作和參數設置既可以通過與上位計算機通訊，按上位機的參數設置和控制來進行測試;也可以脫離上位機直接在控制儀的面板上設置參數進行獨立的測試，測試所得數據保存在儀器上，然后直接讀取或連接到上位機進行數據分析。

參考文獻

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