高压喷嘴性能测试系统研制

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自19世纪中叶，中厚板都是不经除鳞生产。经过 10年之久才发现铁皮压入钢板表面后，表面质量受损极大，直接影响到用户的使用。直到 1930年，才开始使用高压水除鳞技术。目前，高压除鳞技术已经普遍被国内钢厂采用。在除鳞系统中，保证系统稳定的压力和流量很重要，高压除鳞工艺关键是高压喷嘴冲击域的-致性。高压喷嘴冲击力对中厚钢板表面质量有着直接的影响∩见，在高压水除鳞设备中形成射流的高压喷嘴的性能极为关键。

检测并提升高压喷嘴的性能对除鳞设备的改进，提升中小企业钢产品的表面质量与生产效益非常重要 。

喷嘴应该能够形成像刀片-样的射流，要能够完成上述工作，喷嘴的以下几个因素非常重要。包括打击力、打击域、总流量、喷射流量、水压力等。

下面将着重分析喷射流量、水压力、打击域与打击力和相应系统的研制。

1 主要参数及测试方法1.1 喷射流量 ，系统压力2012年 9月 11日收到，10月 10 Et修改 南京工业职业技术学院重点科研基金项目(YK10-01-06)、江苏十青蓝工程资助第-作者简介：队军(1963-)，男，江苏姜堰人，南京工业职业技术学院副教授，高级工程师。研究方 向：机电-体化，自动化生产线 ，喷嘴检测成套设备研究等。

在现场应用中，喷嘴距工件很近，所以形成的射流短而快，计算时可以忽略空气阻力，据动量定理得：Fs：mVs：Qsps ：Q s QS： 。

，15 n S其中，F 为射流总打击力；Q 为喷射流量；P 为水的密度； 为射流速度；In为液流质量。A 为射流出口截面积。

因为水压与喷射流量可用下述表达式表示：Q sC A s√2P s/p s o其中，c 为流量系数，P 为喷嘴人15处喷射压力(系统压力)。所以，改变了通过喷嘴的水压就同时改变了入口流量，反之亦然。在设计系统时，在泵供水总流量 Q与喷嘴流量之间加-个电动流量调节阀用于调节进入喷嘴的高压水流量。

水压可以通过电动流量调节阀来调节，压力设定为0～20 MPa。水压的大小由压力变送器变为0～ 20 mA的电信号，再传送到单片机。入口流量由流量变送器变为0～20 mA的电信号，再传送到单片机。二者信号再由通信拈传送到上位计算机，并分别作为横坐标与纵坐标即可得到水压.流量曲线。通过与理论曲线的对比来分析喷嘴效率。

1.2 喷射打击力P喷嘴-般在集管上布置如图1所示。把它简化成喷射数学简图，可得图2。其中， 为喷嘴喷射4期 队军，等 ：高压喷嘴性能测试系统研制角，B为射流宽度， 为倾角， 为喷嘴与集管轴线的偏角， 为喷嘴的散射角， ：为喷嘴口至钢坯表明平均距离。

图 1 喷嘴布置图图2 喷射数学简图F1图2计算喷射域面积 为：A：[h2tan(2 h2tan(2-卢 。tan詈。

由上式可得单位面积上打击力为：P ：Fs Qan(詈卢) tan(詈- ) tan南上式分析可知，喷射流量最能影响打击力P，他们是平方的关系。所以要显著提升除鳞效果应选用喷射流量大的喷嘴。

要使高压喷嘴能够形成像刀片-样的射流关键在于打击力，所以准确测量并获得喷射打击力及打击力域、流量-水压图形是评判-个高压喷嘴性能测试设备的关键，也是设备性价比的关键。

下面将从拈化、实用性、技术易推广性、低成本等为出发点研制测试设备。

2 测试系统方案为了准确测试喷嘴流量、系统压力和喷射打击力等参数 ，并参照 LECHLER公司走之”字的单点测力原理，结合低成本解决方案，按照拈化划分，系统包括供水系统、下位机控制系统、计算机软件系统三个部分。其部件组成的原理图如图3所示。

1 计舅.机；2～弱电控制盒；3-传感器与测压盘；4-喷嘴：5-压力传感器；6-压力表；7-流量传感器；8-电动调节阀；9～电接点压力表；10-高压泵及附件；11-排水LI；12-水箱；13-十字滑台；14-高度调节脚图 3 系统组成原理图供水系统由高压泵及附件 10，喷嘴4，压力传感器 5，压力表 6，流量传感器7，电动调节阀8，电接点压力表 9，排水口11，水箱 12组成。

下位机控制系统包括弱电控制盒 2、十字滑台13、及各种传感器、继电器、接触器等。

计算机软件系统由图中的计算机1实现。能够完成和弱电控制盒进行通信，实现十字滑台控制、特性监测、压力-流量曲线绘制、打击力分布图形绘制、测试报告及打印等功能。

科 学 技 术 与 工 程 13卷系统由弱电控制盒 2进行相关继电器、步进电机的控制和采样数据处理及向计算机传输。采用十字滑台l3带动喷嘴 4进行之”字形运动，安装在传感器与测压盘3下的压力传感器均匀采集喷嘴喷射范围内打击力。这样设计既能完成之”字形采样，又使水箱 12中只有传感器器件，增加了整个系统的使用性能与可维护性。

3 供水系统供水系统由高压泵、储能器、过滤器、止回阀等组成。其功能是向高压除鳞喷嘴提供流量和压力。

高压泵输出的高压水为 25 MPa，通过电动调节阀8调节，调整喷嘴4入口处压力和流量，设定所需的压力，高压水通过喷嘴喷射出层流状态高压水打击在传感器与测压盘 3上。安装在传感器与测压盘3下压力传感器均匀采集喷嘴喷射范围的内打击力。

供水系统的压力由电接点压力表 7检测，当压力达到设计最大压力时，压力表7发送信号传送给弱电控制盒 2，单片机检测到相应信号后，发出信号做报警与泵组停机处理。

4 下位机控制系统下位机控制系统的功能主要包括：供水系统的高压报警与停机控制，电动调节阀的控制，喷嘴打击力和打击域、流量、水压数据的采集，与上位机的通信等。

单片机根据本身的运动轨迹程序和上位机设定的X、Z的运动速度和范围，输出输出脉冲信号，经过光电隔离、步进电机驱动器，控制十字滑台二台步进电机进而实现之”字运动轨迹，采集被测喷嘴喷射的打击力，水压系统故障报警等∝制框图如图4所示。

图4中单片微机拈包括单片机芯片、晶振、三路用于输入的4～20 mA/1～5 V转换电路、-路用于输人的1～5 V/4-20 mA转换电路，上述转换电路-方面起到电压电流转换作用，另-方面也起到信号隔离作用。

单片微机选用宏晶科技生产的 STC12C5A60S2系列单片机，单片机有36个通用 I/O口，可在线编程，片上集成UART口，8路A/D转换，2路PWM可作为 A/D使用，具有很高的性价比。

打击力传感器 流量传感器 水压传感器V V I 压力表 单片微机H通信拈 H c J帚 Y按钮f 光电隔离 电动调节阀审 I继电器 继电器 步进电机x轴驱动器接触器 报警器 步进电机 z轴驱动器 泵电机 z轴步进电机 x轴步进电机图4 F位机控制系统框图打击力传感器检测的信号输入到单片微机模块中的第-路4-20 mA/1～5 V转换电路，进而输入的单片机的 ADC1进行处理，流量传感器检测的信号输入到单片微机拈中的第二路4～20 mA/1～5 V转换电路，进而输入的单片机的 ADC2进行处理，水压传感器检测的信号输入到单片微机拈中的第三路 4～20 mA/1～5 V转换电路，进而输入的单片机的ADC3进行处理。单片机把处理的数据通过通信拈送到计算机进行进-步处理。

单片机把控制数据通过DAC1转换成控制电压并传到用于输入的 1～5 V/4-20 mA转换电路，4～2O mA电流信号用来调节电动调节阀的阀口开度，电流越大开度越小，则通过喷嘴的流量越大。

光电隔离拈则可以有效避免现场电磁信号的干扰。按钮拈用于控制检测系统，如启动、停止等。其通过与单片机连接。单片机根据检测到的信号、计算机的控制数据通过光电隔离拈控制泵电机、报警器、步进电机驱动器。Pc通过通信模块向单片机传送控制数据接受信息数据，包括： 和轴的运动轨迹、电动调节阀参数、流量、水压、打击力、供水系统故障码等。

单片机要完成上述任务，其程序流程图如图5所示1028 科 学 技 术 与 工 程 13卷23(3)：11 1[Abstract]Performance of awu Shi-xun ，LIU Xi-yang ，ZHANG Jin.feng ，TAN Chun。qing(Institute of Engineering Thermophysics，Chinese Academy of Sciences ，Beijing 100190，P.R.China；University of Chinese Academy of Sciences ，Beijing 100049，P.R.China；China National South Aviation Industry CO.LTD ，Zhuzhou 412000， P.R.China)The numerical simulation of three-dimensional viscous flow was carried out to investigate the efectsof different diffuser stagger angle on flow field and performance of a high-speed c.entrifugal compressor.The numeri。

cal results indicated that the influence of different stagger angles on flow filed and perform ance of the centrifugalcompressor is great.Too small stagger angle will cause flow channel blockage and Laval nozzle efect which greatlyreduce the compressor eficiency.As the stagger angle which is in a appropriate range increases， the compressorgtotal pressure ratio and isentropic eficiency increased，but its surge margin is gradually reduced. In short.the stag。

ger angle of vaned difuser should be determ ined by efficiency， pressure ratio and surge margin。

[Key words] centrifugal compressor vaned difuserp (上接第 1023页)2 吴伊蓝.高压水除鳞技术在热轧带钢生产上的应用.浙江冶金，2002；(4)：27-293 卢云丹，陈 兵.高压除磷喷嘴性能测试系统设计.流体传动与控制，2010；(3)：14-154 陈奎生.液压与气压传动 .武汉：武汉理工大学出版社，2001stagger angle Laval nozzle efect) p )5 LECHLER公司.高性能除鳞喷嘴”产品说明书.北京：北京市北三环东路 2号，20106 申 娟，曾良才，王 毅，陈新元.新型高压除鳞喷嘴性能监测系统的设计与开发.机械设计与制造 ，2008；(6)：112-l14The Design and Development of High-pressure SprayNozzle Testing SystemDING Jia-jun，ZHEN Jiu-jun(Colege of Mechanical Engineering，Nanjing Institute of Industry Technology，Nanjing 210046.P.R.China)[Abstract] According to high-PreSSure spray nozzle performance characteristic，the test。f the main parametersand method are analyzed and the testing system of high-pressure spray nozzle is designed. System flow.pressurecurve is drawn and ejecting hiting power and hiting area are obtained through PC and SCM working together.Thesystem is modularization，practical，low cost，and the technology is easy to promote. [Key words] high-pressure spray nozzle testing hydraulic system electrical systern