一種用於支承圓柱擠壓膜力測量的實驗裝置及方法與流程
2024-04-12 23:11:05
1.本發明涉及機械流體潤滑領域，具體涉及一種用於支承圓柱擠壓膜力測量的實驗裝置及方法。
背景技術：
2.管殼式換熱器多數由外殼、管板、管束、頂蓋等部件構成，在運行過程中管束會發生流致振動現象，與管板結構發生相對位移，從而誘發傳熱管與管板之間流體的流動，會對傳熱管產生流體力。當相對運動以擠壓為主時，產生的流體力稱為擠壓膜力。獲得擠壓膜力的表達式對傳熱管的設計以及安全評定具有積極的意義。
3.目前擠壓膜力的理論表達式極其複雜，且有相關係數需要確定，以最簡單的運動形式為例，如圖1所示，擠壓膜力的一般表達式如式(1)所示：
[0004][0005]
其中，f為傳熱管與管板之間的擠壓膜力，x、和分別為傳熱管與管板之間的位移、速度和加速度，f1(x)、f2(x)和f3(x)分別是關於x的函數，a、b、c為待定係數。
[0006]
針對式(1)所示擠壓膜力，亟需一種測量方法以及測量裝置來確定表達式中的待定係數。
技術實現要素：
[0007]
本發明為解決現有技術的不足，目的在於提供一種用於支承圓柱擠壓膜力測量的實驗裝置及方法，通過特定的實驗裝置，能用於測量擠壓膜力計算公式中待定係數。
[0008]
本發明通過下述技術方案實現：
[0009]
一種用於支承圓柱擠壓膜力測量的實驗裝置，包括實驗本體；
[0010]
所述實驗本體設於實驗容器內，所述實驗本體包括支承塊，所述支承塊上固設有貫穿所述支承塊兩側的支承軸；所述支承塊兩側設有固定於實驗容器內的主支承座，所述支承軸兩端均分別和兩個所述主支承座上滑動連接：所述支承軸能沿自身軸線滑動；所述支承塊上還固設有傳熱管，所述傳熱管垂直於所述支承軸的軸線；
[0011]
所述實驗容器外設有激振器，所述激振器的激振杆穿入所述實驗容器，並和所述支承軸任意一端連接；
[0012]
所述實驗容器內還設有管板模擬體，所述管板模擬體包括套設於所述傳熱管上的管體，所述管體兩側均固定設有滑動杆；所述管板模擬體兩側均設有固定於實驗容器內的副支承座，兩個所述滑動杆均分別和兩個所述副支承座滑動連接：所述滑動杆能沿自身軸線滑動；所述滑動杆一端和固定於實驗容器內的力傳感器連接；所述滑動杆的軸線垂直於所述管體軸線；
[0013]
所述支承軸、傳熱管和管體的軸心均位於同一水平面上。
[0014]
相對於現有技術中，需要測試並計算擠壓膜力的理論表達式中待定係數的問題，本方案提供了一種用於支承圓柱擠壓膜力測量的實驗裝置，具體方案中，包括實驗容器和
位於實驗容器之外的激振器，實驗容器內放置實驗本體，實驗本體包括有支承塊和管板模擬體，其中支承塊的兩側均設置有固定在實驗容器內的主支承座，並設有若干支承軸，優選為2根，便於導向，2根支承軸均貫穿兩個主支承座以及中間的支承塊，支承軸和支承塊固定連接，而和主支承座滑動連接，使支承軸和支承塊能沿支承軸軸線方向上位移，其中一根支承軸的端部和激振器的激振杆連接，從而在激振器的帶動下，使支承塊發生位移；在支承塊上還固定有傳熱管，管板模擬體中帶有套設於傳感管上的管體，其中管體的形狀多樣，並不限於圓形、梅花孔形，此處不做限制，從而可研究傳熱管在不同孔板內的擠壓膜力；在管體的兩側外壁上還帶有滑動杆，在管體的兩側還設有固定在實驗容器中的副支承座，滑動杆和副支承座滑動連接，且在滑動杆的一端連接有力傳感器，力傳感器固定不動。在具體工作過程中，支承塊發生位移時，會帶動傳熱管同步移動，而傳熱管則會對管板模擬體產生擠壓，使管板模擬體位移並作用於力傳感器，從而得到力傳感器信號數據，在此基礎上，可同步測量支承塊的位移和加速度，以此進行微分計算得到速度信號，從而計算擠壓膜力表達式中與位移、速度和加速度的相關項，再結合力傳感器信號，採用最小二乘法便可確定待定係數；其中，支承軸、傳熱管和管體的軸心必須位於同一水平面上，從而測出在一個水平面上的擠壓膜力。
[0015]
進一步優化，所述主支承座中開有通孔，所述通孔內固設有圓形直線軸承，所述支承軸和所述圓形直線軸承滑動連接；在主支承座中設置圓形直線軸承，通過圓形直線軸承能便於定位，並使支承軸平滑移動。
[0016]
進一步優化，所述滑動杆呈方形，所述副支承座上固設有和所述滑動杆滑動連接的方形直線軸承；便於安裝。
[0017]
進一步優化，所述實驗容器內還固設有傳感器固定支座，所述力傳感器通過固定支架和傳感器固定支座連接；通過傳感器固定支座固定力傳感器。
[0018]
進一步優化，所述滑動杆和所述力傳感器之間通過雙頭螺栓連接；通過雙頭螺栓實現管板模擬體和力傳感器之間的可拆卸連接。
[0019]
進一步優化，所述傳感器固定支座能調節所述力傳感器沿所述滑動杆軸線移動；用於研究不同運動工況下傳熱管的擠壓膜力。
[0020]
進一步優化，所述支承塊上還設有加速度計；通過加速度計測量支承塊的加速度。
[0021]
進一步優化，任意一塊所述主支承座上設有電渦流位移傳感器，所述電渦流位移傳感器的測量面位於靠近所述主支承座靠近所述支承軸的一側；通過電渦流位移傳感器測量支承塊的位移量。
[0022]
進一步優化，一種用於支承圓柱擠壓膜力測量的實驗裝置的實驗方法，包括以下步驟：
[0023]
s1：將液體灌入實驗容器內，使液面位於管板模擬體之上；
[0024]
s2：設置激振參數，並激活激振器對所述實驗本體進行激振，待運動穩定後同步採集傳熱管的位移和加速度，以及傳熱管對於管板模擬體的擠壓力；
[0025]
s3：根據位移，通過微分計算得到速度，並計算擠壓膜力表達式中與位移、速度和加速度的相關項，再結合擠壓力，採用最小二乘法確定待定係數。
[0026]
進一步優化，所述步驟s1還包括以下子步驟：
[0027]
在使液面位於管板模擬體之上後，通過調節管板模擬體沿其滑動杆軸線上的初始
位置，使傳熱管的軸心和管板模擬體中管體的軸心偏離至預設值。
[0028]
本發明與現有技術相比，具有如下的優點和有益效果：
[0029]
本發明提供一種用於支承圓柱擠壓膜力測量的實驗裝置及方法，能通過改變傳熱管的偏心值、激振方式、液體類型、管板模擬體形狀，可研究多種組合的傳熱管的擠壓膜力，對傳熱管的設計以及安全評定具有積極的意義。
附圖說明
[0030]
為了更清楚地說明本發明示例性實施方式的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對範圍的限定，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。在附圖中：
[0031]
圖1為圓柱擠壓模的示意圖；
[0032]
圖2為本發明提供的實驗裝置的結構示意圖；
[0033]
圖3為本發明提供的實驗本體的結構示意圖。
[0034]
附圖中標記及對應的零部件名稱：
[0035]
1-實驗本體，101-支承塊，102-支承軸，103-圓形直線軸承，104-主支承座，105-管板模擬體，106-傳熱管，107-方形直線軸承，108-副支承座，109-力傳感器，110-傳感器固定支座，111-加速度計，112-電渦流位移傳感器，2-實驗容器，3-激振器。
具體實施方式
[0036]
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合實施例和附圖，對本發明作進一步的詳細說明，本發明的示意性實施方式及其說明僅用於解釋本發明，並不作為對本發明的限定。
[0037]
實施例1
[0038]
本實施例1提供了一種用於支承圓柱擠壓膜力測量的實驗裝置，如圖2和圖3所示，包括實驗本體1；
[0039]
實驗本體1，實驗本體1設於實驗容器2內，實驗本體1包括支承塊101，支承塊101上固設有貫穿支承塊101兩側的支承軸102；支承塊101兩側設有固定於實驗容器2內的主支承座104，支承軸102兩端均分別和兩個主支承座104上滑動連接：支承軸102能沿自身軸線滑動；支承塊101上還固設有傳熱管106，傳熱管106垂直於支承軸102的軸線；
[0040]
實驗容器2外設有激振器3，激振器3的激振杆穿入實驗容器2，並和支承軸102任意一端連接；
[0041]
實驗容器2內還設有管板模擬體105，管板模擬體105包括套設於傳熱管106上的管體，管體兩側均固定設有滑動杆；管板模擬體105兩側均設有固定於實驗容器2內的副支承座108，兩個滑動杆均分別和兩個副支承座108滑動連接：滑動杆能沿自身軸線滑動；滑動杆一端和固定於實驗容器2內的力傳感器109連接；滑動杆的軸線垂直於管體軸線；
[0042]
支承軸102、傳熱管106和管體的軸心均位於同一水平面上。
[0043]
相對於現有技術中，需要測試並計算擠壓膜力的理論表達式中待定係數的問題，本方案提供了一種用於支承圓柱擠壓膜力測量的實驗裝置，具體方案中，包括實驗容器2和
位於實驗容器2之外的激振器3，實驗容器2內放置實驗本體1，實驗本體1包括有支承塊101和管板模擬體105，其中支承塊101的兩側均設置有固定在實驗容器2內的主支承座104，並設有若干支承軸102，優選為2根，便於導向，2根支承軸102均貫穿兩個主支承座104以及中間的支承塊101，支承軸102和支承塊101固定連接，而和主支承座104滑動連接，使支承軸102和支承塊101能沿支承軸102軸線方向上位移，其中一根支承軸102的端部和激振器3的激振杆連接，從而在激振器3的帶動下，使支承塊101發生位移；在支承塊101上還固定有傳熱管106，管板模擬體105中帶有套設於傳感管上的管體，其中管體的形狀多樣，並不限於圓形、梅花孔形，此處不做限制，從而可研究傳熱管106在不同孔板內的擠壓膜力；在管體的兩側外壁上還帶有滑動杆，在管體的兩側還設有固定在實驗容器2中的副支承座108，滑動杆和副支承座108滑動連接，且在滑動杆的一端連接有力傳感器109，力傳感器109固定不動。在具體工作過程中，支承塊101發生位移時，會帶動傳熱管106同步移動，而傳熱管106則會對管板模擬體105產生擠壓，使管板模擬體105位移並作用於力傳感器109，從而得到力傳感器109信號數據，在此基礎上，可同步測量支承塊101的位移和加速度，以此進行微分計算得到速度信號，從而計算擠壓膜力表達式中與位移、速度和加速度的相關項，再結合力傳感器109信號，採用最小二乘法便可確定待定係數；其中，支承軸102、傳熱管106和管體的軸心必須位於同一水平面上，從而測出在一個水平面上的擠壓膜力。
[0044]
請參閱圖3，作為一種便於定位的具體實施方式，設置為：主支承座104中開有通孔，通孔內固設有圓形直線軸承103，支承軸102和圓形直線軸承103滑動連接；
[0045]
可以理解的是，在主支承座104中設置圓形直線軸承103，通過圓形直線軸承103能便於定位，並使支承軸102平滑移動。
[0046]
請參閱圖3，由於實驗容器2內空間受限，管板模擬體105及副支承座108體積較小，因此，作為一種便於安裝的具體實施方式，設置為：滑動杆呈方形，副支承座108上固設有和滑動杆滑動連接的方形直線軸承107；
[0047]
可以理解的是，在副支承座108的頂部固定方形直線軸承107，並將滑動杆設置成方形，使滑動杆和方形直線軸承107滑動連接。
[0048]
請參閱圖3，作為一種固定力傳感器109的具體實施方式，設置為：實驗容器2內還固設有傳感器固定支座110，力傳感器109通過固定支架和傳感器固定支座110連接。
[0049]
作為一種可拆卸連接方式，設置為：滑動杆和力傳感器109之間通過雙頭螺栓連接；可以理解的是，通過雙頭螺栓實現管板模擬體105和力傳感器109之間的可拆卸連接。
[0050]
請參閱圖3，作為一種為研究不同運動工況下傳熱管106的擠壓膜力，設置為：傳感器固定支座110能調節力傳感器109沿滑動杆軸線移動；
[0051]
可以理解的是，傳感器固定支座110能調節力傳感器109的左右位置，通過力傳感器109位置的調節，從而能改變傳感管軸心和管板模擬體105的管體軸心相互偏移，獲得不同的偏移值，再加上可設置激振器3控制系統不同的激振方式，從而進一步研究不同運動工況下傳熱管106的擠壓膜力；其中，為實現力傳感器109的位置調節，傳感器固定支座110和力傳感器109之間的連接方式為現有技術中的多種常規連接方式，此處不做限制。
[0052]
作為一種測量支承塊101加速度的具體實施方式，設置為：支承塊101上還設有加速度計111。
[0053]
作為一種測量支承塊101的位移量的具體實施方式，設置為：任意一塊主支承座
104上設有電渦流位移傳感器112，電渦流位移傳感器112的測量面位於靠近主支承座104靠近支承軸102的一側。
[0054]
實施例2
[0055]
本實施例2在實施例1的基礎上進一步優化，提供了一種用於支承圓柱擠壓膜力測量的實驗裝置的實驗方法，包括以下具體步驟：
[0056]
s1：將液體灌入實驗容器2內，保證液面在管板模擬體105之上；
[0057]
s2：通過調節傳感器固定支架，將傳熱管106的軸心與管板模擬體105軸心偏離至預設值；
[0058]
s3：將激振器3與配套的控制系統(如信號發生器及功率放大器)連接；
[0059]
s4：將電渦流位移傳感器112、加速度計111和力傳感器109連接至數據採集系統中；
[0060]
s5：當採用信號發生器時，需設置信號發生器參數，即波形、頻率和振幅等，激活激振器3對實驗本體1進行激振，待運動穩定後同步採集電渦流位移傳感器112、加速度計111和力傳感器109信號；
[0061]
s6：將電渦流位移傳感器112信號進行微分計算得到速度信號，並計算擠壓膜力表達式中與位移、速度和加速度的相關項，再結合力傳感器109信號，採用最小二乘法確定待定係數。
[0062]
本實施例中，改變力傳感器的左右位置，即可使傳熱管106軸心與管板模擬體105軸心之間發生偏移，從而通過傳熱管106軸心與管板模擬體105軸心不同的偏移值，以及設置激振器3控制系統不同的激振方式，可研究不同運動工況下傳熱管106的擠壓膜力。
[0063]
本實施例中，可通過改變液體的類型，不限於水、油介質，可研究不同液體下傳熱管106的擠壓膜力。
[0064]
本實施例中，可通過改變管板模擬體105的形狀，不限於圓形、梅花孔形，可研究傳熱管106在不同孔板內的擠壓膜力。
[0065]
通過本實施例提供的一種用於支承圓柱擠壓膜力測量的實驗方法，在能測量擠壓膜力計算公式中待定係數的同時，還能通過改變傳熱管106的偏心值、激振方式、液體類型、管板模擬體105形狀，可研究多種組合的傳熱管106的擠壓膜力，對傳熱管106的設計以及安全評定具有積極的意義。
[0066]
以上所述的具體實施方式，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式而已，並不用於限定本發明的保護範圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。