蔣 丹,任 聰，趙天揚(yáng)

(電子科技大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，四川 成都 611731)

液壓與氣動(dòng)技術(shù)課程作為機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)和電氣工程專業(yè)的專業(yè)選修課程，具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性[1-2]。課內(nèi)實(shí)驗(yàn)作為液壓與氣動(dòng)技術(shù)課程的補(bǔ)充，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力大有裨益。通過(guò)配備液壓和氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)或集中氣源設(shè)備[3-4]，同時(shí)增設(shè)測(cè)量氣動(dòng)噴嘴射流沖擊力的新實(shí)驗(yàn)，并開發(fā)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，以提高液壓與氣動(dòng)技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

文獻(xiàn)[5]對(duì)氣動(dòng)噴嘴進(jìn)行了研究，提出了著名的Zeuner-Rankin理論，這一理論是對(duì)噴嘴內(nèi)混合流體應(yīng)用動(dòng)量方程得到的，為后人對(duì)氣動(dòng)噴嘴的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[6-7]以空氣為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)，對(duì)簡(jiǎn)單的氣動(dòng)噴嘴系統(tǒng)進(jìn)行了分析和特性對(duì)比。文獻(xiàn)[8]在SX-1型專用氣流測(cè)試儀上，對(duì)節(jié)能型氣動(dòng)噴嘴與常用的3種氣動(dòng)噴嘴的流量進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，測(cè)試供氣壓力與流量的關(guān)系。文獻(xiàn)[9]研究了噴嘴內(nèi)部流道型線對(duì)射流流場(chǎng)的影響。文獻(xiàn)[10]以用于工件表面吹掃除雜的噴嘴為對(duì)象，提出了將氣動(dòng)噴嘴的連續(xù)氣流改為間歇?dú)饬鳌?/p>

利用現(xiàn)有氣動(dòng)元件及設(shè)備，以壓縮空氣為工作介質(zhì)，具有來(lái)源廣泛、成本低廉、清潔無(wú)污染等特點(diǎn)，將極大方便實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行；以氣動(dòng)噴嘴為研究對(duì)象，根據(jù)動(dòng)量方程給出氣動(dòng)噴嘴射流沖擊力理論值的計(jì)算公式，同時(shí)設(shè)計(jì)測(cè)量氣動(dòng)噴嘴射流沖擊力實(shí)驗(yàn)裝置，并通過(guò)試驗(yàn)加以驗(yàn)證。這樣，可以加深學(xué)生對(duì)動(dòng)量方程基本原理的理解，同時(shí)了解氣動(dòng)噴嘴的工作原理和應(yīng)用，并熟練掌握氣動(dòng)回路和測(cè)量回路的設(shè)計(jì)與搭建。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)過(guò)程

氣動(dòng)噴嘴作為常用的氣動(dòng)元件之一，能噴射出一束高速氣流，主要用于吹除工件、除塵、吹屑等[11]。利用現(xiàn)有的氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，以氣動(dòng)噴嘴為研究對(duì)象，完成測(cè)量氣動(dòng)噴嘴射流沖擊力實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與氣動(dòng)噴嘴射流沖擊力的分析。

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

設(shè)計(jì)的測(cè)量氣動(dòng)噴嘴射流沖擊力實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖如圖1所示。由于采用壓縮氣體為工作介質(zhì)，使得整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)整潔明了，方便實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行[12]。

空壓機(jī)用來(lái)產(chǎn)生壓縮空氣，儲(chǔ)氣罐用于儲(chǔ)存壓縮空氣，內(nèi)徑為6 mm的導(dǎo)氣軟管用于傳輸壓縮空氣。采用SMC公司的ISE30A-C4H-N-ML型壓力傳感器和PFM711S-C8-A-M型流量計(jì)分別測(cè)量導(dǎo)氣軟管中壓縮空氣的壓力和流量，直流電源為壓力傳感器和流量計(jì)供電。氣動(dòng)噴嘴用于控制射流方向并噴射出一束高速氣流，實(shí)驗(yàn)夾具用于固定導(dǎo)氣軟管和噴嘴，使得在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持噴嘴位置不變。本實(shí)驗(yàn)采用數(shù)字計(jì)重秤來(lái)測(cè)量射流沖擊力的大小。

1-空壓機(jī)；2-儲(chǔ)氣罐；3-導(dǎo)氣軟管；4-直流電源；5-流量計(jì)；6-壓力傳感器；7-三通接頭；8-噴嘴；9-夾具；10-計(jì)重秤。

圖1 測(cè)量氣動(dòng)噴嘴射流沖擊力實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

在本實(shí)驗(yàn)中，由噴嘴噴射出一束高速氣流，射流初始方向與數(shù)字計(jì)重秤平板保持垂直，氣體在吹擊數(shù)字計(jì)重秤平板后沿平板方向流動(dòng)，如圖2所示。

圖2 噴嘴射流沖擊力示意圖

根據(jù)工程流體力學(xué)原理，設(shè)豎直方向?yàn)閥方向，恒定總流動(dòng)量方程為[13]：

∑Fy=ρ3qv3β3v3y-ρ2qv2β2v2y

(1)

式中：Fy為作用在壓縮氣體上的外力在y方向的分量；ρ2和ρ3分別為噴嘴處2-2斷面和平板處壓縮氣體的密度，在本實(shí)驗(yàn)中ρ2和ρ3為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣的密度；β2和β3分別為入射流和出射流動(dòng)量修正系數(shù)；qv2和qv3分別為噴嘴處和平板處壓縮氣體的體積流量；v2y和v3y分別為入射流和出射流平均速度矢量在y方向分量。

壓縮氣體與原來(lái)射流方向成90°離開平板(v3y=0)，在y方向列動(dòng)量方程：

(2)

Fs=ρ2qv2β2v2y

(3)

流量傳感器上安裝有一個(gè)節(jié)流閥，可以控制壓縮氣體流速的快慢，氣動(dòng)噴嘴用實(shí)驗(yàn)夾具來(lái)控制射流方向。噴嘴的入口圓孔與導(dǎo)氣軟管相連，噴嘴出口直徑為3 mm。

在實(shí)驗(yàn)時(shí)，噴嘴軸線與計(jì)重秤臺(tái)面垂直，壓縮空氣以紊流方式從噴嘴口射出。射流在離開噴嘴后，一方面由于壓力降低，氣體向四周膨脹；另一方面射流空氣沿噴嘴軸線y方向流動(dòng)時(shí)，射流空氣與周圍空氣不斷地相互混雜，并進(jìn)行質(zhì)量和能量交換，帶動(dòng)周圍的靜止空氣一起運(yùn)動(dòng)，使得射流帶動(dòng)的質(zhì)量逐漸增多[13]。

不計(jì)重力，由氣體等熵能量方程，對(duì)1-1和2-2斷面：

(4)

式中：p1和p2分別為1-1和2-2斷面處的氣體壓力，其中，p1為壓力表上顯示讀數(shù)，p2為大氣壓；ρ1為1-1斷面處的壓縮氣體密度；γ為等熵指數(shù)，對(duì)空氣，γ取1.4。

對(duì)于氣體等熵流動(dòng)[13]有：

(5)

故

(6)

由質(zhì)量流量的連續(xù)性，有：

(7)

式中，d1為導(dǎo)氣軟管內(nèi)徑，d2為噴嘴內(nèi)徑。由此得到：

(8)

將式(6)和式(8)代入式(4)中，得到：

(9)

根據(jù)體積流量等于流速與相應(yīng)截面積之乘積，得：

(10)

同時(shí)，導(dǎo)氣軟管中壓縮氣體的體積流量qv1可表示為：

(11)

將式(9)和式(10)帶入式(3)，由此可以根據(jù)壓縮氣體在經(jīng)過(guò)噴嘴前的流量和壓力計(jì)算出氣動(dòng)噴嘴射流沖擊力的大小。同時(shí)，根據(jù)式(11)，可以計(jì)算得到1-1斷面的體積流量，其計(jì)算值將與流量計(jì)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比。

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

設(shè)計(jì)的測(cè)量氣動(dòng)噴嘴射流沖擊力實(shí)驗(yàn)裝置的目的包括根據(jù)流體動(dòng)量方程公式計(jì)算出射流沖擊力大小的理論數(shù)值，并與數(shù)字計(jì)重秤所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比；驗(yàn)證壓縮氣體為工作介質(zhì)條件下的動(dòng)量方程，加深對(duì)動(dòng)量方程基本原理的理解；根據(jù)氣體體積流量計(jì)算公式得到體積流量的計(jì)算值，同時(shí)與流量計(jì)測(cè)量值進(jìn)行比較。其實(shí)驗(yàn)有如下5個(gè)步驟。

1)按照實(shí)驗(yàn)要求連接管線，將導(dǎo)氣軟管與噴嘴相連，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)夾具固定，使得噴嘴口射流方向與數(shù)字計(jì)重秤的秤面相垂直，噴嘴口與秤面保持恒定距離。

2)打開直流電源，使得壓力傳感器和氣體流量計(jì)上電，檢查讀數(shù)是否正常。

3)一切正常后調(diào)定流量計(jì)處的節(jié)流閥，打開空氣壓縮機(jī)開關(guān)和數(shù)字計(jì)重秤開關(guān)，隨著壓縮空氣的進(jìn)入，壓力計(jì)示數(shù)和流量計(jì)示數(shù)不斷增長(zhǎng)；等兩者讀數(shù)穩(wěn)定，記錄流量計(jì)示數(shù)、壓力傳感器示數(shù)和數(shù)字計(jì)重秤示數(shù)。

4)通過(guò)調(diào)節(jié)流量傳感器上的節(jié)流閥改變流量大小，記錄流量計(jì)示數(shù)、壓力傳感器示數(shù)和數(shù)字計(jì)重秤示數(shù)的8組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

5)處理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)壓力傳感器數(shù)據(jù)求出體積流量的理論值，同時(shí)與流量計(jì)示數(shù)進(jìn)行對(duì)比；根據(jù)流量計(jì)和壓力傳感器數(shù)據(jù)求出氣動(dòng)噴嘴射流沖擊力的理論值，與數(shù)字計(jì)重秤所得數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)中，調(diào)節(jié)流量計(jì)上的節(jié)流閥開口大小，使管路流量逐漸增大，并依次讀取壓縮氣體流量、壓縮氣體壓力和數(shù)字計(jì)重秤的8組數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)照片如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

記錄的8組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。壓縮空氣在導(dǎo)氣軟管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)為紊流，選取動(dòng)量修正系數(shù)β2為1[13]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度情況，選取一個(gè)大氣壓下，20℃時(shí)的空氣密度為1.21 kg/m3，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為1.01×105Pa。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1(續(xù)表)

將流量計(jì)數(shù)據(jù)和壓力傳感器數(shù)據(jù)換算成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位后帶入式(9)、式(10)和式(3)，即可求出射流對(duì)數(shù)字計(jì)重秤沖擊力的理論值。根據(jù)式(11)，導(dǎo)氣軟管中體積流量的計(jì)算值與流量計(jì)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。

圖4 導(dǎo)氣軟管中體積流量的計(jì)算值與測(cè)量值對(duì)比圖

圖5 射流沖擊力理論值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比圖

根據(jù)數(shù)字計(jì)重秤數(shù)據(jù)求出射流沖擊力實(shí)驗(yàn)值，射流沖擊力的理論值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比如圖5所示，可以看出射流沖擊力的理論值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，驗(yàn)證其實(shí)驗(yàn)效果良好。

3 結(jié)束語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了測(cè)量氣動(dòng)噴嘴射流沖擊力的實(shí)驗(yàn)裝置，具有氣動(dòng)回路簡(jiǎn)單和實(shí)驗(yàn)成本低的特點(diǎn)；壓力傳感器、流量計(jì)以及數(shù)字計(jì)重秤的使用，使得實(shí)驗(yàn)參數(shù)的獲取更加簡(jiǎn)單便捷和形象直觀。在節(jié)省實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間的同時(shí)也使測(cè)量精度大大提高，鍛煉了學(xué)生通過(guò)利用流量計(jì)和壓力傳感器得到流體流動(dòng)參數(shù)的測(cè)量方法；考慮氣體流動(dòng)過(guò)程為等熵流動(dòng)，重新推導(dǎo)了氣動(dòng)噴嘴射流沖擊力理論值的計(jì)算公式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，理論值與實(shí)測(cè)值吻合較好，實(shí)驗(yàn)效果令人滿意。