模拟常规柱塞泵运动规律及空化现象的可视化实验装置

摘要

本发明涉及一种模拟常规柱塞泵运动规律及空化现象的可视化实验装置，包括：可视化实验组件：包括可视化的单杆柱塞泵泵体和活塞推杆单元，单杆柱塞泵泵体包括泵体外壳，以及安置在泵体外壳内的内嵌套，该内嵌套中带有两段连通的流道，其中截面积较大的一段为与活塞推杆单元配合的运动段流道，另一段截面积较小的流道则为形成空化现象的空化段流道；正弦驱动组件：连接并驱动活塞推杆单元在单杆柱塞泵内做正弦往复运动；油箱：通过进出油管路与单杆柱塞泵泵体的油进出口连接。与现有技术相比，本发明通过设计流通面积不同的内嵌套来达到低转速驱动模拟高流速空化环境的效果，模拟柱塞泵的常规工况，通过全透明空化段流道获得高速、满幅、全过程的空化现象观测效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种空化实验装置，尤其涉及一种模拟常规柱塞泵运动规律及空化现象的可视化实验装置。

背景技术

当一定温度的液体内部局部压力降低到空气分离压时，液体内部的空气会析出，当压力进一步降低到液体的饱和蒸气压时，就会产生汽化，形成气泡(又称空泡，空穴)，当气泡随液流运动到压力较高的地方后，泡内的蒸汽重新凝结，气泡溃灭。这种液流内的空泡产生、发展、溃灭的过程，以及由此产生的一系列物理和化学变化过程称为空化。空化的发生往往会导致机器效率下降并引起振动、噪声和材料表面破坏等问题，严重时会使机器不能正常工作。

柱塞泵在工程中应用极广，多适用于高压大流速场合，因此空化现象十分严重。针对柱塞泵的空化研究早在上个世纪就已经开始，其中空化可视化研究尤其重要。但由于柱塞泵内部结构复杂，流速高压力大，给柱塞泵内部空化现象可视化观测带来了很大的困难。

一个观测效果良好的可视化实验装置对柱塞泵空化研究有很重要的意义，之前已经有很多学者设计过柱塞泵的可视化实验装置。有一种是采用透明管道观测柱塞泵吸油口的空化现象，但无法观测柱塞泵腔体内部的空化过程；另一种是使用高速摄像机通过观测孔拍摄柱塞泵配油盘内部的空化图像，但因为小孔光照强度不足，所拍摄空化图像尺度与清晰度受限。

学者筑地澈浩通过设计制造部分透明的柱塞泵来进行柱塞腔内部的空化观测，在实验和模拟方面都取得了不错的成果。但是透明材料由于本身的刚度问题无法承受柱塞泵常规工况时的运转速度，进而无法模拟出常规工况下的空化现象。另外这种装置采用侧面光源，光强不均匀，并且有折射现象，拍摄出的空化图像存在失真。并且这种装置采用完整的九柱塞结构，拍摄时柱塞腔处于高速运动状态，因此高速摄像机捕捉到的只是柱塞腔运动到镜头前那一瞬间的空化图像，不完整，不连续。

上述设计都有各自的缺陷，为了消除缺点并完善设计，需要重新构思，设计新的实验装置。

柱塞泵的可视化实验装置主要是为了观测柱塞泵的内部空化，因此新装置要想办法在已有前提下尽量模拟出柱塞泵常规工况下的空化环境。在常规的液压环境中，空化数可以直接表征空化程度，保证空化数相似可以模拟出相应的空化环境。空化数是研究空化时涉及到的一个参数，它由压力差、流体密度以及流速决定，而类似的柱塞泵可视化实验装置往往由于透明材料的刚度问题无法达到柱塞泵的常规转速，相应的流速也会降低，因此在保证压力差和流体密度两项不变的情况下，流速成为影响空化条件的重要因素。如果某个可视化装置能够模拟出相应的流速，就可以近似模拟出柱塞泵常规工况下的空化环境。假设某个装置整体透明，其所能承受的运转速度相对较，但是可以通过流道设计提升其内部液体的流速，进而保证空化数相似，模拟出相应的空化环境，使用这种方法可以处理上述日本学者的装置遇到的难题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种使用低速单杠柱塞泵模拟常规柱塞泵运动规律及空化现象的可视化实验装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种模拟常规柱塞泵运动规律及空化现象的可视化实验装置，包括：

可视化实验组件：包括可视化的单杆柱塞泵泵体和活塞推杆单元，所述的单杆柱塞泵泵体包括泵体外壳，以及安置在泵体外壳内的内嵌套，该内嵌套中带有两段连通的流道，其中截面积较大的一段为与所述活塞推杆单元配合的运动段流道，其用于提供活塞推杆单元运动的空间，另一段截面积较小的流道则为形成空化现象的空化段流道，其还接通所述单杆柱塞泵泵体的油进出口；

正弦驱动组件：连接并驱动所述活塞推杆单元在单杆柱塞泵内做正弦往复运动；

油箱：通过进出油管路与所述单杆柱塞泵泵体的油进出口连接。

进一步的，所述的泵体外壳和内嵌套均采用透明材料制成，使得单杆柱塞泵泵体侧面完全透明可视化。

进一步的，所述的泵体外壳一端开口，内部带有用于安装内嵌套的中空空腔，所述的内嵌套插入所述泵体外壳中后，采用泵体封盖与泵体外壳固定并封住开口。这样内嵌套采用可更换的方式放置在泵体外壳中，可根据实验要求，在泵体内放入带相应的面积比的流道的内嵌套，以完成空化模拟实验。

进一步的，所述的泵体封盖内还设有供活塞推杆单元穿过的通孔，该通孔内置用于径向定位活塞推杆单元运动方向的直线轴承，在泵体封盖的外端面还设有用于固定直线轴承的轴承挡盖。可以有效的保证活塞推杆单元的运动按设定方向运动，而不会发生偏转，进而避免对较为脆弱的泵体与内嵌套等造成损坏。

进一步的，所述的正弦驱动组件包括驱动电机和正弦传动单元，其中，正弦传动单元分别连接驱动电机的输出轴和活塞推杆单元，并用于将驱动电机的输出功传递给活塞推杆单元，并使其在单杆柱塞泵内做正弦往复运动。使用正弦驱动组件驱动柱塞正弦运动，替代了常规柱塞泵的斜盘或斜轴结构，简化了实验结构。

更进一步的，所述的正弦传动单元包括传动轴、正弦轮、变量滑块和滚轮，其中，所述的传动轴的一端通过联轴器与驱动电机的输出轴连接，另一端固定连接正弦轮的圆心点，所述的变量滑块垂直安装在所述正弦轮上，在变量滑块的端部位置还装有滚轮；

所述的活塞推杆单元上还带有垂直于正弦往复运动方向并与所述滚轮匹配的滚轮滑槽，滚轮随正弦轮转动的同时，沿滚轮滑槽上下运动，并使与滚轮滑槽连接的活塞推杆单元按正弦规律往复运动。

更进一步的优选方案，所述的正弦轮上还设有距圆心距离不同的多个安装点，所述变量滑块以可拆卸的方式安装在所述安装点上，使得变量滑块距圆心的距离可调。变量滑块到圆心的距离可调，使得活塞推杆单元的正弦运动行程等可变，进而可以改变单杆柱塞泵的排量。

更进一步的优选方案，所述的活塞推杆单元包括活塞推杆，活塞推杆置于所述内嵌套中的一端上设有与运动段流道匹配的柱塞，在活塞推杆上还垂直安装有所述滚轮滑槽。

进一步的，在进出油管路上还设有阀组，该阀组的一端连接单杆柱塞泵泵体的油进出口，另一端引两条油路连接所述油箱，所述的两条油路上分别设有一个流向相反的单向阀。通过两个单向阀的开合动作，可配合单杆柱塞泵的运动实现吸油排油过程。

进一步的，所述的可视化实验装置还包括用于安装所述可视化实验组件、正弦驱动组件和油箱的底盘，在底盘的边缘位置还设有沟槽，所述的底盘上还放有实验防护罩。实验防护罩的设置可以有效的防止泵体爆裂和高压油泄露喷溅等危险情况危及实验者的安全。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明的一种使用低速单杠柱塞泵模拟常规柱塞泵运动规律及空化现象的可视化实验装置，采用固定的单缸柱塞泵结构，运行过程中只有活塞在运动，柱塞腔位置并不会发生变化，保证了使用高速摄像机所拍摄的图像是连续的和完整的。

(2)本发明的一种使用低速单杠柱塞泵模拟常规柱塞泵运动规律及空化现象的可视化实验装置，柱塞腔结构整体透明，可以在柱塞腔对面安置强光源对镜头直射。本装置提供的光线来自于镜头对面光源的直射，不会因折射使空化图像失真，避免了探头内置或局部开窗观测带来的光源强度不够、拍摄速度不够的问题。

(3)本发明的一种使用低速单杠柱塞泵模拟常规柱塞泵运动规律及空化现象的可视化实验装置，采用了不同面积比的内嵌流道结构，避免了低刚度有机玻璃柱塞泵实验时转速低带来的流速不足问题，保证了实验装置与真实金属柱塞泵的内部流动空化数相似。内嵌套结构的可更换设计，更方便进行不同流速的空化观测。

(4)本发明的一种使用低速单杠柱塞泵模拟常规柱塞泵运动规律及空化现象的可视化实验装置使用正弦机构驱动活塞正弦运动，替代了常规柱塞泵的斜盘或斜轴结构，以较为简单的结构复现真实的柱塞泵空化过程。

附图说明

图1为本发明的可视化试验装置的整体结构示意图；

图2为本发明的正弦传动单元的结构示意图，其中，图(a)和图(b)分别为两个不同视角的视图；

图3为本发明的单杆柱塞泵泵体的结构示意图；

图4为本发明的阀组的结构示意图；

图中，1-底盘，2-油箱，3-驱动电机，4-正弦传动单元，5-传动轴支架，6-活塞推杆单元，7-横板，8-单杆柱塞泵泵体，9-阀组，401-传动轴，402-正弦轮，403-变量滑块，404-滚轮，405-滑块螺钉，406-联轴器，801-泵体外壳，802-内嵌套，803-泵体封盖，804-直线轴承，805-轴承挡盖，806-封盖螺钉，901-阀块，902-吸油单向阀，903-排油单向阀，904-安全阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种模拟常规柱塞泵运动规律及空化现象的可视化实验装置，其结构如图1所示，包括：

可视化实验组件：包括可视化的单杆柱塞泵泵体8和活塞推杆单元6，单杆柱塞泵泵体8包括泵体外壳801，以及安置在泵体外壳801内的内嵌套802，该内嵌套802中带有两段连通的流道，其中截面积较大的一段为与活塞推杆单元6配合的运动段流道，其用于提供活塞推杆单元6运动的空间，另一段截面积较小的流道则为形成空化现象的空化段流道，其还接通单杆柱塞泵泵体8的油进出口；

正弦驱动组件：连接并驱动活塞推杆单元6在单杆柱塞泵内做正弦往复运动；

油箱2：通过进出油管路与单杆柱塞泵泵体8的油进出口连接。

泵体外壳801和内嵌套802均采用透明材料制成，使得单杆柱塞泵泵体8侧面完全透明可视化。

作为一个优选的实施方案，如图3所示，泵体外壳801一端开口，内部带有用于安装内嵌套802的中空空腔，内嵌套802插入泵体外壳801中后，采用泵体封盖803与泵体外壳801固定并封住开口。泵体封盖803内还设有供活塞推杆单元6穿过的通孔，该通孔内置用于径向定位活塞推杆单元6运动方向的直线轴承804，在泵体封盖803的外端面还设有用于固定直线轴承804的轴承挡盖805，轴承挡盖805与泵体封盖803均通过封盖螺钉806实现固定。上述定位装置的设置可以有效的保证活塞推杆单元6的运动按设定方向运动，而不会发生偏转，进而避免对较为脆弱的泵体与内嵌套802等造成损坏。

作为一个优选的实施方案，正弦驱动组件包括驱动电机3和正弦传动单元4，其中，正弦传动单元4分别连接驱动电机3的输出轴和活塞推杆单元6，并用于将驱动电机3的输出功传递给活塞推杆单元6，并使其在单杆柱塞泵内做正弦往复运动。使用正弦驱动组件驱动柱塞正弦运动，替代了常规柱塞泵的斜盘或斜轴结构，简化了实验结构。

上述方案中更进一步的细化如图2所示(包括图2a、图2b)，正弦传动单元4包括传动轴401、正弦轮402、变量滑块403、滚轮404和横板7，其中，横板7主要是为了给传动轴401和活塞推杆等提供合适的安装位置，传动轴401通过传动轴支架5支撑安装，传动轴401的一端通过联轴器406与驱动电机3的输出轴连接，另一端固定连接正弦轮402的圆心点，变量滑块403垂直安装在正弦轮402上，在变量滑块403的端部位置还装有滚轮404；

活塞推杆单元6上还带有垂直于正弦往复运动方向并与滚轮404匹配的滚轮滑槽，滚轮404随正弦轮402转动的同时，沿滚轮滑槽上下运动，并使与滚轮滑槽连接的活塞推杆单元6按正弦规律往复运动。活塞推杆单元6包括活塞推杆，活塞推杆置于内嵌套802中的一端上设有与运动段流道匹配的柱塞，在活塞推杆上还垂直安装有滚轮滑槽。

在上述细化方案中还可以进一步优选为，正弦轮402上还设有距圆心距离不同的多个安装点，变量滑块403通过滑块螺钉405安装在安装点上，使得变量滑块403距圆心的距离可调。变量滑块403到圆心的距离可调，使得活塞推杆单元6的正弦运动行程等可变，进而可以改变单杆柱塞泵的排量。

进一步的优选方案，在进出油管路上还设有阀组9，其结构如图4所示，阀组9包括阀块901，阀块901的一端连接单杆柱塞泵泵体8的油进出口，另一端引两条油路连接油箱2，两条油路上分别设有一个流向相反的单向阀，分别为吸油单向阀902和排油单向阀903，阀块901上还设有安全阀904，安全阀904通过旁通管路接通油箱2。通过两个单向阀的开合动作，可配合单杆柱塞泵的运动实现吸油排油过程。

进一步的优选方案，可视化实验装置还包括用于安装可视化实验组件、正弦驱动组件和油箱2的底盘1，在底盘1的边缘位置还设有沟槽，底盘1上还放有实验防护罩。实验防护罩的设置可以有效的防止泵体爆裂和高压油泄露喷溅等危险情况危及实验者的安全。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。