一种圆形阀芯底面不平衡力矩测量装置及测量方法

摘要

本发明公开了一种圆形阀芯底面不平衡力矩测量装置及测量方法，包括渐扩式异型管、水箱、透明管、弹簧测力计、激光源、圆形阀芯、阀芯底面附加层、高速相机和摄影支架。所述装置圆形阀芯外侧均布有内钩环和激光源，弹簧测力计与内钩环和透明管内壁上均布的外钩环相连，透明管外壁上有定位刻度。所述测量方法通过高速相机架设在摄影支架从不同方位对圆形阀芯在水流冲击下形成的不平衡状态进行记录，读出激光源在外壁上所对的刻度以及弹簧测力计的拉力，计算圆形阀芯对应某一特定对称轴的扭矩。本发明结构简单，制造容易，可进行广泛推广应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种实验测量装置及测量方法，尤其涉及一种用于圆形阀芯底面不平衡力矩的测量装置。

背景技术

在水平布置的阀门中，其活塞式圆形阀芯下底面可明显看到压强分布并不均衡，大压强区域向右侧(靠近出流方向)偏移。而由于活塞式圆形阀芯上表面压强分布是均衡的，因此上下面的压差形成的压差合力会偏离活塞式阀芯的中心轴线，产生一个不平衡力矩，并导致活塞式阀芯壁面对密封副产生挤压，不仅增加驱动能耗、影响密封性能，在大流量工况下甚至会影响阀门的泄漏失效。针对该现象，需要提出一种测试圆形阀芯底面不平衡力矩的装置来对圆形阀芯底面不平衡力矩进行研究，以探究其形成的机理以及消除该现象的方法。

目前国内市面上还不存在一款专门针对圆形阀芯底部不平衡力矩的测量装置。中国发明专利CN103115706B公开了平面涡卷弹簧扭矩检测装置及其检测方法，该装置设有旋转芯轴上套设有弹簧定位套，待检测弹簧套设于弹簧定位套上，弹簧定位套与刻度盘之间装配有杠杆和指针，杠杆端部与所述测力计连接，旋转芯轴端部与一手柄组件连接，手柄组件包括弹簧拨杆和指针拨杆，弹簧拨杆与待检测弹簧卡接，指针与所述指针拨杆相接触。该装置系统较为完整，但无法测量在流场冲击下圆形阀芯的扭矩。

在目前市面上测量力或者力矩的工具中，较为常见的是使用弹簧来进行测量。中国发明专利CN104778880A公开了一种弹簧测力计，该装置中包含支撑台、弹簧测力计和重物；支撑台包括主支撑架、副支撑架和辅助支撑架。该装置解决了副支撑架与辅助支撑架之间的固定以及支撑问题，但无法应用于流场测量圆形阀芯所受的冲力。

发明内容

本发明针对目前市面上缺乏测量圆形阀芯底面不平衡力矩的实验装置，且现存的测量扭矩或者力的装备结构复杂，制造困难，不适用于在流场中使用。为实现较为准确地测量圆形阀芯底面不平衡力矩，提出了一种圆形阀芯底面不平衡力矩测量装置，并提出针对该装置的不平衡力矩测量方法。

为实现上述目的，本发明具体采用如下技术方案：

一种圆形阀芯底面不平衡力矩测量装置，其包括渐扩式异型管、水箱、透明管、弹簧测力计、激光源、圆形阀芯以及高速相机；

所述的圆形阀芯置于垂直的透明管内，透明管外壁上沿程标记有定位刻度；圆形阀芯侧壁的同一高度上周向等角度均布有若干个内钩环，且圆形阀芯侧壁上在每个内钩环正上方还固定有一个激光源；每个内钩环正上方的激光源均位于圆形阀芯侧壁的同一高度处，且每个激光源的激光发射方向所在直线均穿过所有激光源所在的圆形阀芯横断面的圆心；所述透明管内壁上同一高度周向等角度均布有与内钩环数量相等的外钩环，内钩环与外钩环两两成对，且每对内钩环与外钩环通过一个张紧的弹簧测力计相连；在圆形阀芯与透明管的中轴线重合，没有发生倾斜扭转的情况下，所有弹簧测力计呈中心对称分布，每条弹簧测力计的拉力方向与其正上方的激光源的激光发射方向平行；

所述的渐扩式异型管的渐缩端作为进水口，渐扩端与透明管底部平滑连通；

所述的高速相机放置于透明管外部，用于绕透明管周向，在不同方位对圆形阀芯及弹簧测力计在管内的姿态进行成像。

优选的，所述的弹簧测力计、外钩环、内钩环和激光源的数量均为20。

优选的，所述的渐扩式异型管呈圆弧型布置，水平进水，垂直向上出水。

优选的，所述透明管内径应大于两个弹簧测力计的长度以及圆形阀芯直径之和。

优选的，所述的圆形阀芯底面设有若干螺栓孔，用于固定阀芯底面附加层。

优选的，所述的高速相机架设于摄影支架上。

优选的，所述的透明管顶部连通水箱。

优选的，所有弹簧测力计的型号、尺寸均相同，在圆形阀芯与透明管的中轴线重合，没有发生倾斜扭转的情况下，所有弹簧测力计对圆形阀芯施加相同的拉力。

优选的，所述的透明管为亚克力管。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述任一方案所述测量装置的圆形阀芯底面不平衡力矩测量方法，其步骤如下：

1)将待测量的圆形阀芯安装于测量装置中，使圆形阀芯在所有弹簧测力计的拉力下悬空于透明管中，且保证圆形阀芯与透明管的中轴线重合，没有发生倾斜扭转；

2)保持所有弹簧测力计位于同一水平面上，记录当前状态下所有弹簧测力计的示数F₀；

3)通过渐扩式异型管向透明管中进水对圆形阀芯底面进行水流冲击，待圆形阀芯达到稳定状态时，利用高速相机以水平正对圆形阀芯的高度，绕透明管周向在不同方位对圆形阀芯及弹簧测力计在管内的姿态进行成像；同时记录每条弹簧测力计的示数F′_n，以及每个激光源发射的激光在透明管外壁上定位刻度示数b_n；

4)从不同方位的高速相机成像中，测量得到每条弹簧测力计与竖直方向的夹角β_n；同时从成像中选取两个位于圆形阀芯横截面中一条直径两端的两个激光源，将这两个激光源连线与阀芯中轴线相交的点水平移至透明管管壁读出读数a；

5)找出与a差值最大的b_n记为b_max,以拍摄得到b_max的方位作为圆形阀芯发生扭转的方位，在该方位对应的高速相机成像中，测量得到所有内钩环所在的圆形阀芯横断面的圆心O到透明管外壁的距离l，再通过公式(1)得到圆形阀芯的扭转角度α，该扭转角度α小于90°：

6)根据公式(2)计算出每根弹簧测力计竖直方向方向上的分力F_1n：

F_1n＝F_n×cosβ_n>

其中，F_n＝F′_n-F₀；

7)测出与每根弹簧测力计所在半径与圆形阀芯的扭转中心轴之间的夹角γ_n，夹角γ_n小于90°，所述每根弹簧测力计所在半径为与这根弹簧测力计相连的内钩环与所述圆心O的连线；根据公式(3)计算出每根弹簧测力计到扭转中心轴所在的竖直平面的垂直距离L_n：

L_n＝R×sinγ_n×cosα>

其中R为圆形阀芯的横截面半径；

8)根据公式(4)将扭转中心轴同一侧每根弹簧测力计所产生的的扭矩相加，得到圆形阀芯的总扭矩：

T＝F₁₁×L₁+F₁₂×L₂+...+F_1n×L_n>

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明所述的圆形阀芯底面不平衡力矩测量装置，将阀芯底面抽象的力矩分布情况巧妙地通过阀芯的翻转角度以及阀芯外侧不同位置的拉力大小间接反应出来，再通过受力分析以及计算公式计算出圆形阀芯关于某条扭转中心轴的扭矩。

(2)本发明所述的圆形阀芯底面不平衡力矩测量装置，针对性强，结构紧凑，制造简单，造价便宜。

附图说明

为使本发明的内容更容易被理解，下面结合附图和实施案例对本发明作进一步详细说明，其中：

图1为圆形阀芯底面不平衡力矩测量装置的示意图。

图2为无水流冲击时装置中圆形阀芯部分的俯视图和主视图，(a)为俯视图，(b)为俯视图。

图3为水流冲击时装置中圆形阀芯部分的俯视图和主视图，(a)为无不平衡力矩作用下圆形阀芯部分主视图，(b)为受不平衡力矩作用下圆形阀芯部分主视图，(c)为受不平衡力矩作用下圆形阀芯部分俯视图。

图中：1、透明管；2、弹簧测力计；3、外钩环；4、圆形阀芯；5、阀芯底面附加层；6、渐扩式异型管；7、摄影支架；8、高速相机；9、内钩环；10、水箱；11、激光源。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，在本实施例中，一种圆形阀芯底面不平衡力矩测量装置包括渐扩式异型管6、水箱10、透明管1、弹簧测力计2、激光源11、圆形阀芯4以及高速相机8。

透明管1为透明的亚克力管，能够直接观察到管内的情况。透明管1垂直水平面放置，待测量的圆形阀芯4置于垂直的透明管1内。且透明管1的主体部分管径均匀，内壁光滑，避免产生水流波动。透明管1外壁上沿程标记有定位刻度。一般设置5mm为一个刻度，方便测定圆形阀芯4翻转时外侧激光源在透明管1上所投射的位置。圆形阀芯4成圆柱形，圆形阀芯4侧壁的同一高度上周向等角度均布有20个内钩环9，且圆形阀芯4侧壁上在每个内钩环9正上方还固定有一个激光源11，共20个激光源11。相邻内钩环9、相邻激光源11之间间隔均为18°。每个内钩环9正上方的激光源11均位于圆形阀芯4侧壁的同一高度处，且每个激光源11的激光发射方向所在直线均穿过所有激光源11所在的圆形阀芯4横断面的圆心，激光发射方向所在直线与圆形阀芯4的中轴线垂直。在实际测量过程中，将激光源11电源打开。当圆形阀芯4与透明管1的中轴线重合，没有发生倾斜扭转的情况下，每个激光源11的激光发射方向均是水平的，此时不同激光源11的激光打在定位刻度上形成的读数应当是相同的。而当圆形阀芯4出现倾斜扭转时，相应的激光源11的激光发射方向也会随之出现倾斜，进而改变激光打在定位刻度上形成的读数。通过各激光源11前后读数的变化，可以还原出圆形阀芯4的扭转方向和扭转角度。

另外，计算不平衡力矩还需要计算力的大小，该装置中通过弹簧测力计2来实现。具体如图2所示，透明管1内壁上同一高度周向等角度均布有与内钩环9数量相等的外钩环3，内钩环9与外钩环3两两成对，且每对内钩环9与外钩环3通过一个张紧的弹簧测力计2相连。透明管1内径应大于两个弹簧测力计2的长度以及圆形阀芯4直径之和，以便于安装。在圆形阀芯4与透明管1的中轴线重合，没有发生倾斜扭转的情况下，所有弹簧测力计2呈中心对称分布，每条弹簧测力计2的拉力方向与其正上方的激光源11的激光发射方向平行。当然，由于圆形阀芯4本身具有一定的重量，因此弹簧测力计2会存在一定的倾斜角才能克服圆形阀芯4的重力使其悬浮。但只要弹簧测力计2足够多，或者弹簧测力计2的弹性系数足够大，该倾斜角度几乎可以忽略，所有弹簧测力计2可以近似视为处于同一水平平面上。本发明中，弹簧测力计2、外钩环3、内钩环9和激光源11的数量均为20，可以满足使用要求，当然如有需要也可以适当调整具体数量。此时，每条弹簧测力计2的延长线均穿过所有内钩环9所在的圆形阀芯4横截面的圆心。所有弹簧测力计2的型号、尺寸均相同，在圆形阀芯4与透明管1的中轴线重合，没有发生倾斜扭转的情况下，所有弹簧测力计2对圆形阀芯4施加相同的拉力。

透明管1的两端具有进水口和出水口，进水口在下，出水口在上，进水以上升流形式流经圆形阀芯4，形成冲击阀芯底面的水流，水流对圆形阀芯4底面产生水流推动。当圆形阀芯4底面存在不平衡力矩时，会导致底面不同位置水流推力不均，形成使圆形阀芯4翻转的力矩。透明管1的进水是通过渐扩式异型管6实现的，渐扩式异型管6的渐缩端作为进水口，渐扩端与透明管1底部平滑连通。而且，为了防止进水对圆形阀芯4造成扰动，渐扩式异型管6呈近似90°的圆弧型布置，水平进水，垂直向上出水。透明管1顶部通过一个180°的弯弧形管道连通水箱10，将从下往上冲上来的水流排入水箱10。本实施例中，渐扩式异型管6大口径端的管径为300mm，用来连接亚克力管；小口径端的管径为100mm，用来往亚克力管里加水。圆形阀芯4直径为100mm。

高速相机8放置于透明管1外部，用于绕透明管1周向，在不同方位对圆形阀芯4及弹簧测力计2在管内的姿态进行成像。高速相机8可以架设于摄影支架7上，摄影支架7的高度最好可调。

另外，圆形阀芯4底面设有若干螺栓孔，用于固定阀芯底面附加层5，其目的是为了后续研究如何减小阀芯底面不平衡力矩的产生而对阀门底面结构做出改变。

上述装置在进行圆形阀芯4底部不平衡力矩测试时，水从渐扩式异型管6小口径端口进入，接着进入亚克力管1，往上涌冲击圆形阀芯4底部形成不平衡力矩。附图3(a)所示，圆形阀芯4受到水流冲击首先向上平移，弹簧测力计2受力均匀。受不平衡力矩影响，圆形阀芯4发生扭转，附图3(b)和3(c)所示，弹簧测力计2受力不均匀，不同方位激光源11在亚克力管1外壁上所留下的刻度不同。水流流经圆形阀芯4后，进入水箱10。

利用该装置进行圆形阀芯底面不平衡力矩测量的过程如下：将摄影支架7放置于透明管1周向，根据圆形阀芯4外侧20个内钩环所对的角度以阀芯圆点O为圆心，进行环形同心圆布置。将一台高速相机8架在摄影支架7上依次对不同方位下圆形阀芯4在水流冲击下形成的不平衡状态进行记录，读出激光源11在外壁上所对的刻度以及弹簧测力计2上的拉力；对高速相机8拍来的照片中圆形阀芯4倾斜角度进行测量，并结合不同方位激光源11在外壁上所对的刻度判断出圆形阀芯4在哪个方位发生扭转；对高速相机8拍来的照片中各个方位弹簧测力计2的角度进行测量，并计算出其竖直方向上的分力；最后结合圆形阀芯4倾斜角度、每根弹簧测力计2竖直分力以及每根弹簧测力计2到扭转中心轴的垂直距离，计算出圆形阀芯4关于这条扭转中心轴的扭矩。

下面详细叙述该圆形阀芯底面不平衡力矩测量方法，具体步骤如下：

1)将待测量的圆形阀芯4安装于测量装置中，使圆形阀芯4在所有弹簧测力计2的拉力下悬空于透明管1中，且保证圆形阀芯4与透明管1的中轴线重合，没有发生倾斜扭转；

2)保持所有弹簧测力计2位于同一水平面上，记录当前状态下所有弹簧测力计2的示数F₀；

3)通过渐扩式异型管6向透明管1中进水对圆形阀芯4底面进行水流冲击，待圆形阀芯4达到稳定状态时，利用高速相机8以水平正对圆形阀芯4的高度，绕透明管1周向在不同方位对圆形阀芯4及弹簧测力计2在管内的姿态进行成像；同时记录每条弹簧测力计2的示数F′_n，以及每个激光源11发射的激光在透明管1外壁上定位刻度示数b_n；

4)从不同方位的高速相机8成像中，测量得到每条弹簧测力计2与竖直方向的夹角β_n；同时从成像中选取两个位于圆形阀芯4横截面中一条直径两端的两个激光源，将这两个激光源连线与阀芯中轴线相交的点水平移至透明管管壁读出读数a；

5)然后需要判断圆形阀芯4在水流冲击下在哪个方位发生偏转。当圆形阀芯4底部收到水流冲击时，首先水平上移，接着在不平衡力矩的作用下，在某个方位上发生扭转。通过不同方位拍摄到的圆形阀芯4不平衡状态记录圆心在亚克力管1外壁上的刻度a，并根据记录不同方位最外侧激光源11在亚克力管1外壁上的刻度，找出与a差值最大的b_n记为b_max,以拍摄得到b_max的方位作为圆形阀芯4发生扭转的方位，进而可以确定扭转中心轴所在位置，即b_max的对应的高速相机拍摄方向。在该方位对应的高速相机8成像中，测量得到所有内钩环9所在的圆形阀芯4横断面的圆心O到透明管1外壁的距离l，再通过公式(1)得到圆形阀芯4的扭转角度α，该扭转角度α小于90°：

6)根据公式(2)计算出每根弹簧测力计2竖直方向方向上的分力F_1n：

F_1n＝F_n×cosβ_n>

其中，F_n＝F′_n-F₀；

7)测出与每根弹簧测力计2所在半径与圆形阀芯4的扭转中心轴之间的夹角γ_n，夹角γ_n小于90°；所述每根弹簧测力计2所在半径为与这根弹簧测力计2相连的内钩环9与所述圆心O的连线；根据公式(3)计算出每根弹簧测力计2到扭转中心轴所在的竖直平面的垂直距离L_n：

L_n＝R×sinγ_n×cosα>

其中R为圆形阀芯4的横截面半径；

8)整个圆形阀芯被扭转中心轴分成左右两半，右侧所有的弹簧扭矩相加的值应与左侧所有弹簧扭矩相加的值相同。因此，根据公式(4)将扭转中心轴同一侧(可选择任何一侧进行计算)每根弹簧测力计所产生的的扭矩相加，得到圆形阀芯4的总扭矩：

T＝F₁₁×L₁+F₁₂×L₂+...+F_1n×L_n>