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钢轨表面传热性能实验台

时间:2016/6/6 20:21:52

钢轨表面传热性能实验台

实验台的设计以真实列车每小时360公里(即每秒100米)的运行速度为参考标准。以相似原理为依据,为了使实验台能准确的模拟实际列车的运行工况,以便将实验结果能充分的拓展到实际实验台选取实际的CRH5型动车组相邻两节车体占有的钢轨长度l为参照对象。

实验系统总装如图1所示。该实验系统包括动力系统、控制系统、测试系统以辅助系统。动力系统就是电机。控制系统包括SPD直流电源和ALPHA6000系列变频器,SPD直流电源用来控制和调节其对测试段轨道的加热量,ALPHA6000系列变频器用来控制和调节模拟轮转速。测试系统由数据采集器、速度传感器以及智能测速仪构成。辅助系统包括集流环计算机等实验时通过调节电机来达到改变转臂速度的目的继而由传动比求得模拟轮的转速,同时,用霍尔速度传感器监测模拟的转速。通过控制系统的调节来改变电机的转速和实验段的加热功率,从而测得不同转速下轨道表面温度的变化值。

钢轨表面传热性能实验台

1 实验总装图

实验台的工作原理如图2所示,用均匀布置在测试段轨道表面的15根铜—康铜热电偶来测量其表面的温度。通过Keithley数据采集器采集所需数据,并对实验测得的各项数据进行整理分析和计算,从而获得测试段钢轨表面的对流换热系数h

钢轨表面传热性能实验台

2 实验台工作原理

1、模拟车轮

基于对实验台结构合理优化的设计,对实验所需轮径进行模拟。

2、测试段轨道组成

测试轨道段的结构如图3所示。测试轨道段的主要目的是使轨道表面的温度和周边的环境温度有一定的差值,保证能够获得轨道表面的对流换热系数。测试段轨道内的通孔装有螺旋电阻丝,实验时,经调节电阻丝的加热电流继而改变加热功率(最大加热功率为30 W),为防止所加的热量从其他方向扩散,用绝热保温材料将除测试段轨道两端头的其他各个表面进行包裹,达到保持良好的绝热的效果,让热量仅沿着轨道径向方向传递至测试段轨道的外表面。测试段轨道表面布置有如图所示的15个温度测点,用来测量测试段轨道表面的温度。

钢轨表面传热性能实验台

3测试段轨道及其加热图(单位:mm

实验时测试轨道段安装位置如图4所示

钢轨表面传热性能实验台钢轨表面传热性能实验台

4 测试段轨道及安装位置图 (单位:mm)

实验时模拟轮和模拟圆周轨道的组装如图5所示。

钢轨表面传热性能实验台

5 模拟轮与模拟轨道组装图

3 实验步骤

①安装并调试实验台:

为了保证实验台能准确顺利的工作,在每次实验开始前,先检查实验系统中的各个零部件是否完好、各个紧固件和密封件(如螺栓、螺母及垫片等)是否有松动,如出现螺栓等松动的现象,应及时紧固,否则在模拟轮高速旋转的过程中,或许会出现螺栓及垫片飞出实验台的状况,对工作人员的人身安全是一种威胁。

②对测试段钢轨进行加热:

选定加热时的电流和电压,给定加热功率对测试段轨道进行加热。并通过观察LabView控制软件界面显示的波形图,判断实验系统是否达到热平衡状态,通过观察,发现从加热开始至系统达到热平衡状态的时间在40分钟—1小时。

实验时,电流I=0.38 A,电压U=6.7 V,对应的加热功率Q=2.546 W。整个实验过程中此加热功率保持不变。通过初期的实验测试,我们发现当加热功率较大时,测试段轨道表面的温度与周围环境的温度的差值较大,导致实验结果的误差会变大。所以为了减小实验误差,实验时要求加热功率较低。

③当实验系统达到热平衡状态时,发动电机使模拟轮在每个工况下以一定的转速在圆周轨道上连续运行1小时,实验过程中记录各项实验数据,如模拟轮的转速等。

④通过调节变频器转为另一个工况,此时模拟轮会以另一个固定转速连续运转。此后就重复①、②、③、④实验步骤。

实验过程中,一定要保证测温热电偶放入的冷端的冰水混合物中有足量的小碎冰块,冰块的量要能保证一个实验流程的顺利完成,而且尽量避免在实验的过程中加冰块,否则会对实验结果产生影响。在实验过程中还要定期检查测温热电偶是否有脱落,碾断或损伤等状况发生。

4、温度的测定

在钢轨表面传热性能实验中,测试段轨道表面温度的测量是判断实验结果好坏的决定性因素。我们经常应用两种类型的测温方式有:接触式测量温度方式以及非接触式测量温度方式。

1)接触式测温

热力学第零定律表明:当若干个系统达到热平衡状态时,这几个系统肯定具有一个共同的且数值大小相等的状态参量,而这个状态参量就是温度。这是判断系统是否处于或达到热平衡状态的非常重要的依据,此种测量温度的方法准确性较高。例如,我们日常生活中最常见的用温度计来测量人的体温,就是利用热平衡的原理来测量温度。再如,本实验中用热电偶来测量测试段轨道表面的温度,也是利用热平衡的原理,之后有详细的说明。

2)非接触式测温

非接触式测量温度的意思就是指测温仪器或设备不与被测温物体表面直接接触而对其进行测温的方法。

经过对往期实验的分析总结以及本次实验初期的温度测试,本实验台测试段钢轨表面的温度范围在50 °C以下,所以我们选择了接触式测温方法中的热电偶测温。

热电偶具有结构简易,测温探头小及质量轻等优点,同时我们也可以根据实验的具体要求来自己制造热电偶。热电偶还具有测温范围广的优点,高温可以测量到2800 ℃,低温可测量至-270 ℃,而且热电偶测温准确度较高,一般情况下,它的准确度可达到±0.01 K

热电偶的测温原理是:将含有不同材料成分的两根合金丝或者金属丝焊接而形成闭合回路。将已焊接好的两个结点放置于冷端和热端中时,此闭合回路中就会有电流通过,对应的两个结点处则会产生电动势。这个电动势又称作热电动势或者温差电动势。

根据标定热电偶时得到的温度—热电动势的关系,可获得热电偶温度与电压的计算式,继而进行温度的换算。

本实验中的冷端是装在保温桶内的冰水混合物(冰块要很小的碎块),热端(温度较高的一端)是通过调节直流电源的电流和电压来连续加热的测试段钢轨表面。如图6为实验台热电偶的布置。

钢轨表面传热性能实验台

6 实验台热电偶布置图

本实验选用铜—康铜热电偶。

铜—康铜热电偶是近几年来应用最多的热电偶,测温可高达350 [38],而且这种热电偶材料成分比较均匀,能产生很稳定的热电势,灵敏性好,测量准确性很高,且物美价廉。

实验时对测试段轨道表面的温度Tw进行测定时,在测试段轨道的正表面沿弧长方向的中心线上等间距的布置了15根铜康铜热电偶来测量测试段轨道表面的温度Tw。由于模

拟轮沿圆周轨道高速滚动,如果将热电偶直接平铺在测试段轨道表面,则热电偶会很容易的被高速滚动的车轮压断,所以选择在测试段轨道正表面开了15个小槽,将热电偶埋在槽内同时用电烙铁将其焊在轨面上,之后再用细砂纸打磨平焊点,以保证轨道的平整度。用数据采集器采集用热电偶测得的测试段轨道表面的温度值,且实时将数据保存到计算机。

对环境温度Tf进行测定时,在靠近模拟圆周轨道内侧的正上方及正下方各布置了1根铜康铜热电偶来测定模拟轮高速滚动时周围的环境温度,在处理实验数据时,取2根热电偶测得的温度算术平均值做为环境温度Tf的值。测试段轨道采用定功率加热,通过KE2700数采控制系统界面所显示的数值观察轨表面温度和周围环境温度的上升趋势,当温升趋于稳定时(加热1小时左右)用已测得的表面各测点温度Tw周围环境温度Tf的差值ΔT来判断系统是否达到热平衡状态如果ΔT到达一恒定后没有随系统运行而改变说明系统处于热平衡状态,这时所记录的各测点温度才有效

实验进行时模拟轮沿圆周轨道处于高速滚动状态,会产生很大的噪声,而且模拟轮在高速旋转过程中,紧固模拟轮的一些螺栓及垫片等容易松动,有时会随着轮子的转动而飞出实验台,比较危险,因此在确保工作人员能准确采集实验数据的同时尽量远离实验台,所以,在采集温度的电信号的时候,我们选用了LabView控制软件和Keithley2700型数据采集器,通过二者的结合,可确保完成实验数据的实时采集、自动存储及实时显示温度值。同时,通过观察LabView控制软件界面显示的波形图,我们可以了解在实验过程中布置在测试段轨道表面的测温热电偶是否有损坏的状况,方便我们及时进行热电偶的修补和替换。

5、模拟车轮速度的测定

实验中采用如图7所示的HAL12速度传感器以及SQK05T200智能测速仪对实验系统中的8个模拟轮的转速进行监测和显示。

HAL12速度传感器的工作原理是感应磁性材料输出的信号。当具有一定磁场强度的磁性材料接近该传感器时,即可输出一个信号;当磁钢远离传感器时,接收不到信号。所以实验中我们在模拟轮的一侧面开一个小孔用来安装磁钢,配套此传感器,即可对模

拟轮的转速进行监测。本实验台配套的HAL12速度传感器外形尺寸总长62 mm,外螺纹M12 mm×1 mm,螺纹有效长度为45 mm。配套的磁钢尺寸Ф5 mm×3 mm,安装磁钢时,要将磁钢黑色的一面露在外面(如果另外一面露在外面,则配套的HAL12速度传感器感应不到磁场强度,就不会输出信号,也监测不到速度)。

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7 速度传感器及智能测速仪                 8 传感器的安装位置

SQK05T200智能测速仪的优点是构造精巧,能灵活安装与拆卸,功能强大,既可以作为频率、转速和流量等的显示仪器,又可以用于频率及电流转换,广泛应用于化工及电子等行业。因为这类型的工作环境温度为0-50 ℃,而本实验台的工作环境温度在30 ℃左右,所以更适合本实验所用。

如图8所示为HAL12霍尔速度传感器在模拟轮端部的安装位置,安装时镶嵌在模拟轮内的磁钢与传感器的距离应小于4 mm,以确保HAL12霍尔速度传感器能准确的探测到磁场强度。

因实验台装有8个模拟车轮,因此对每个工况下(本实验测了9个工况)模拟轮的转

速取8个模拟轮转速(n1n8)的算术平均值。

本实验台需要用到多个HAL12霍尔速度传感器和SQK05T200智能测速仪,因此引线较多,为了防止引线在模拟轮高速旋转的过程中受到损坏,因此我们采用GC12型集流环。实验系统中用到的集流环如图9所示。

钢轨表面传热性能实验台

9  GC12型集流环

环也叫导电环、集流环等。它能够应要求实验台连续旋转的同时,能够满足从固定位置到旋转位置电源和信号传输。集流的应用,不仅使实验系统结构简单化更提高了实验系统的结构性能,同时在实验运行过程中又会防止导线受到损伤。

6、加热功率的控制

实验时,选取总长为4 m、直径是0.23 mm、材料成分为康铜的电阻丝,并加工成总长为0.16 m、螺旋外径为0.003 m的螺旋状电阻丝。将此螺旋电阻丝安装在开过通孔的测试段钢轨内,值得注意的是,在安装螺旋电阻丝的时候,一定要保证在测试段钢轨两端各保留一小段长度的引线,实验开启前,将两引线分别与直流电源的红、黑线连接来对测试段钢轨进行加热。引线的长度约占螺旋电阻丝总长度的0.75%。由于SPD-3606型直流电源具有输出稳定及抗干扰能力强[39]等优点,因此实验选取直流电源作为电源输出。

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