基于超聲波的高壓磨料罐內(nèi)磨料量在線監(jiān)測(cè)研究

1、基于超聲波的高壓磨料罐內(nèi)磨料量在線監(jiān)測(cè)研究答辯人：*導(dǎo) 師：* 教授1內(nèi)容提要2磨料量檢測(cè)研究進(jìn)展和主要研究內(nèi)容磨料量檢測(cè)研究進(jìn)展和主要研究內(nèi)容 1磨料罐內(nèi)磨料顆粒的運(yùn)動(dòng)特性研究磨料罐內(nèi)磨料顆粒的運(yùn)動(dòng)特性研究2超聲波檢測(cè)的相關(guān)理論超聲波檢測(cè)的相關(guān)理論3磨料罐內(nèi)磨料量檢測(cè)方案設(shè)計(jì)磨料罐內(nèi)磨料量檢測(cè)方案設(shè)計(jì)4實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析5水射流分類3水射流連續(xù)射流空化射流脈沖射流按射流壓力按有無磨料分類按射流周圍介質(zhì)純水射流磨料射流磨料漿體射流磨料水射流低壓射流高壓射流超高壓射流淹沒射流非淹沒射流本文磨料水射流前混合磨料射流雙罐供料系統(tǒng)工作原理4l-水箱 2-高壓水泵 3-濕磨料箱 4-隔膜泵 5

2、-磨料罐 6-高壓水閥 7-磨料流態(tài)化水閥 8-漿液磨料釋放閥 9-磨料補(bǔ)充閥 10-低壓水閥 11-沖洗水閥現(xiàn)行磨料罐中磨料量檢測(cè)方法51人工經(jīng)驗(yàn)估算法2重力傳感器檢測(cè)法易造成失誤，影響切割進(jìn)度，甚至造成工件損壞。對(duì)磨料罐穩(wěn)定性要求較高，安裝極其困難。超聲波測(cè)距技術(shù)的發(fā)展6超聲波回波測(cè)距原理本文將引入現(xiàn)行應(yīng)用比較廣泛的超聲波測(cè)距技術(shù)。本文研究內(nèi)容及方法7磨料罐內(nèi)磨料顆粒的運(yùn)動(dòng)特性分析超聲波檢測(cè)的理論分析磨料罐內(nèi)磨料量超聲波檢測(cè)方案設(shè)計(jì)搭建試驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析固體顆粒在流體中所受到的力8固體顆粒有效重力附加浮力阻力附加質(zhì)量力Basset力Magnus升力Saffman升力固體顆粒在流體中受力分

3、析9eafdaBMsdvFFFFFFFmdt 固體顆粒在流體中的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可寫成： 許多力的實(shí)現(xiàn)需要滿足相應(yīng)條件，因此本文在分析時(shí)，只考慮顆粒的有效重力和阻力，則運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可簡(jiǎn)寫成：eddvFFmdt 當(dāng)固體顆粒所受到的力達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，顆粒開始處于靜止或做勻速運(yùn)動(dòng)（上升或者下降），則有：2311086edpfdfpfpppfFFdC vvvvd g磨料罐內(nèi)流體速度分析10 本文研究的磨料顆粒主要成分為石榴石，其密度大小為3.5-4.5103kg/m3 ,大于所用的流體清水的密度。因此，磨料顆粒在清水中的受力平衡時(shí)的臨界速度可根據(jù)上述終端模型求得。 本文欲使用超聲波檢測(cè)磨料罐內(nèi)磨料量，即檢測(cè)磨

4、料顆粒的沉積層厚度，為獲得較為清晰的磨料沉積界面，盡可能使磨料顆粒在受力平衡時(shí)處于靜止或下降過程中，即 vp0，則有：413pffpfdvd gC超聲波檢測(cè)的相關(guān)理論11聲波的分類標(biāo)準(zhǔn)名稱頻率范圍次聲波0.1210Hz可聞聲波2102104Hz超聲波210421010Hz特超聲波1010Hz超聲波檢測(cè)的相關(guān)聲學(xué)參數(shù)12超聲波振幅頻率波形聲速聲壓聲強(qiáng)聲阻抗率超聲波界面檢測(cè)方法13介質(zhì)A介質(zhì)B介質(zhì)A介質(zhì)B介質(zhì)A介質(zhì)B介質(zhì)A介質(zhì)B介質(zhì)A介質(zhì)B介質(zhì)A介質(zhì)B置于側(cè)面置于頂部置于底部單探頭雙探頭超聲波換能器14超聲波發(fā)生器壓電式發(fā)生器磁致伸縮式發(fā)生器電磁式發(fā)生器機(jī)械式發(fā)生器 通過對(duì)超聲波基本理論的深入了解

5、，本文采用超聲波反射法中的單探頭檢測(cè)法，選用產(chǎn)生超聲波頻率范圍較廣的壓電式換能器。磨料罐內(nèi)磨料量超聲波檢測(cè)方案15 為提出較為可行的超聲波檢測(cè)方案，需了解被測(cè)對(duì)象所在容器磨料罐的基本特征：1整體材料為不銹鋼；2由罐體和罐頂蓋通過法蘭連接組成；3罐體壁厚均勻約25mm，罐頂蓋較厚約80mm。方案一16布置方式： 將兩個(gè)超聲波傳感器分別貼于磨料罐外壁。水磨料12優(yōu)點(diǎn)： 易于實(shí)現(xiàn)，可靠性高，且利于參數(shù)調(diào)整和便于傳感器的更換維修。不足： 只能判斷出磨料-水界面相對(duì)于兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)的位置關(guān)系，無法實(shí)時(shí)地跟蹤監(jiān)測(cè)磨料量的變化情況。方案二17布置方式： 將罐壁被測(cè)區(qū)域等分為數(shù)份，在每個(gè)等分點(diǎn)上放置超聲波傳感器。

6、優(yōu)點(diǎn)： 易于實(shí)現(xiàn)，可靠性高，且利于參數(shù)調(diào)整和便于傳感器的更換維修，能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)磨料罐內(nèi)磨料量的變化。不足： 并非連續(xù)監(jiān)測(cè)，測(cè)量精度主要取決于超聲波傳感器的布置數(shù)量，成本較高，且受超聲波傳感器自身尺寸的限制，無法實(shí)現(xiàn)較高精度。水磨料1n2n-10h方案三18布置方式：將超聲波傳感器放置于磨料罐頂部。優(yōu)點(diǎn)：能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)磨料罐內(nèi)磨料量的具體高度。不足：（a）頂蓋較厚，信號(hào)損失嚴(yán)重；（b）罐內(nèi)高壓，打孔易造成安全隱患；（c）同樣存在安全隱患，且不利于探頭跟換和維修。Lhd水磨料水磨料水磨料21()2TThLdc界面高度表達(dá)式：式中，h為磨料罐內(nèi)磨料沉積高度；L為超聲波傳感器到罐底的距離；d為磨料罐頂

7、蓋的厚度；c為超聲波在水中的傳播速度。acb方案四19布置方式：將超聲波傳感器放置于磨料罐側(cè)壁，在磨料罐內(nèi)放置一片具有高聲阻抗率的反射板，反射板的板面垂直于超聲波傳感器入射方向所在的平面，且與水平面呈45夾角。 。優(yōu)點(diǎn)：利于參數(shù)調(diào)整和便于傳感器的更換維修，能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)磨料罐內(nèi)磨料量的具體高度。不足：僅為理論探索，尚需實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。界面高度表達(dá)式：式中，h為磨料罐內(nèi)磨料沉積高度；L為超聲波傳感器到罐底的距離；m為磨料罐罐壁的厚度；c為超聲波在水中的傳播速度。磨料水Lhlm21()2TThLlmc l為超聲波傳感器到反射板的水平距離；搭建試驗(yàn)臺(tái)-系統(tǒng)20球閥B球閥C磨料罐隔膜泵球閥A超聲波傳感器反射板

8、水池A水池B接氣源搭建試驗(yàn)臺(tái)-實(shí)物21實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析-探頭貼于頂蓋22實(shí)驗(yàn)時(shí)，頂蓋下易積攢空氣，形成氣泡。無氣泡處回波波形有氣泡處回波波形實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析-探頭貼于罐壁23 實(shí)驗(yàn)時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處探頭面臨的情況主要有兩種，分別是罐壁后是清水介質(zhì)和罐壁后是磨料介質(zhì)。清水介質(zhì)磨料介質(zhì)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析-反射板對(duì)貼于罐壁探頭檢 測(cè)的影響24 超聲波探頭入射方向與反射板斜面法方向所在垂面呈不同夾角進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果隨著夾角的變化呈一定的特征變化。反射板磨料罐超聲波探頭=80=30=0回波1回波2回波3回波1回波2回波3回波4回波5回波1回波4回波5回波6實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析-界面高度表達(dá)式優(yōu)化25優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)化后的表達(dá)式

9、中不存在超聲波在罐壁和清水中的傳播速度的變量，避免了聲速設(shè)定不準(zhǔn)確對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，使得結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。只需測(cè)讀出超聲波回波1、回波4和回波5的回波信號(hào)歷時(shí)，就可得出磨料-水界面的準(zhǔn)確高度，而不必考慮聲速對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。 。 在章節(jié)4.2中進(jìn)行理論分析時(shí)，只考慮到存在圖5-15（c）中的回波1和回波5，經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)還存在回波4和回波6，且回波4的信號(hào)非常清晰穩(wěn)定，測(cè)讀非常方便，界面高度表達(dá)式可優(yōu)化為：式中，h為磨料罐內(nèi)磨料沉積高度；L為超聲波傳感器到罐底的距離；m為磨料罐罐壁的厚度。l為超聲波傳感器到反射板的水平距離；5441()TThLlmTT實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析-測(cè)讀數(shù)據(jù)結(jié)果處理26 根據(jù)優(yōu)化

10、后的界面高度表達(dá)式，將HFD350超聲波探傷儀的預(yù)設(shè)聲速調(diào)整至正確位置，然后將雙閘門分別設(shè)在回波4和回波5的信號(hào)首波處，對(duì)界面進(jìn)行檢測(cè)并記錄數(shù)據(jù)，處理結(jié)果如下。不同流量裝料過程卸料過程主要結(jié)論27理論研究實(shí)驗(yàn)研究方案研究 基于液固流化基本理論，推導(dǎo)出具有適應(yīng)范圍更加廣泛的顆粒運(yùn)動(dòng)方程，清晰地闡述了磨料顆粒在流體中受力平衡時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度與流體速度、磨料密度和流體密度等相關(guān)參量之間的關(guān)系，得出使磨料顆粒不隨清水上揚(yáng)的臨界速度。 基于超聲波的相關(guān)理論，結(jié)合前混合磨料水射流切割機(jī)雙罐供料系統(tǒng)中磨料罐的特殊工況，篩選出四種可行的磨料監(jiān)測(cè)方案，通過分析各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，確定優(yōu)選方案。 搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)，模擬系統(tǒng)的裝料過程和卸料過程。比較分析不同流量下的檢測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證了將超聲波探頭貼于側(cè)壁通過反射板反射監(jiān)測(cè)罐內(nèi)磨料量的方案是切實(shí)可行的，并比較分析了超聲波測(cè)量的聲程與通過米尺測(cè)讀的真實(shí)界面高度存在誤差的原因。展望28 在對(duì)磨料顆粒在流體中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行理論分析時(shí)，忽略了顆粒與顆粒間碰撞的作用力對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，且假設(shè)顆粒始終處于勻速流