王永璽，李 越，薛永強(qiáng)，馮麗麗，張 穎

（東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶163318）

1 多功能模塊化實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)理念

流動(dòng)原理是許多工科專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其原理抽象且復(fù)雜，要了解各種復(fù)雜的流體現(xiàn)象并掌握其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)通常是以老師為中心的模式，在較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行演示性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。顯然，這種模式在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力及解決實(shí)際問(wèn)題能力方面存在不足[1]。

與流體流動(dòng)原理相關(guān)的大部分實(shí)驗(yàn)，如沿程阻力實(shí)驗(yàn)、局部阻力實(shí)驗(yàn)、管路串并聯(lián)實(shí)驗(yàn)和雷諾現(xiàn)象模擬及測(cè)試實(shí)驗(yàn)等，這些實(shí)驗(yàn)所用裝置在工藝單元設(shè)備使用上具有一定的相似性，如均包括儲(chǔ)存裝置、管路、離心泵等。針對(duì)這一特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)多個(gè)流動(dòng)原理實(shí)驗(yàn)裝置的分析，將各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)裝置用的設(shè)備、儀表、管路和管路元件等按一定需求組合到一起，設(shè)計(jì)一種多功能模塊化流動(dòng)原理實(shí)驗(yàn)裝置。這種多功能模塊化的自由組裝的實(shí)驗(yàn)裝置，可以使學(xué)生得到很好的工程訓(xùn)練，突出了對(duì)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的培養(yǎng)。該實(shí)驗(yàn)裝置組裝搭建好之后不但可以進(jìn)行流動(dòng)過(guò)程的基本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，同時(shí)學(xué)生還可以自主構(gòu)思，進(jìn)行創(chuàng)新型、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。在此過(guò)程中可激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提高創(chuàng)新能力。

2 實(shí)驗(yàn)裝置的模塊化設(shè)計(jì)

依據(jù)功能劃分的模塊化設(shè)計(jì)方法[2]，多功能模塊化流動(dòng)原理實(shí)驗(yàn)裝置可分為四個(gè)功能模塊，即實(shí)驗(yàn)臺(tái)模塊、實(shí)驗(yàn)管路模塊、參數(shù)測(cè)量模塊和快接組件模塊。各功能模塊還可分出若干子模塊，具體設(shè)計(jì)思路及組成模塊如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置的組成模塊

2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)模塊的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)模塊包括水箱模塊、高位水槽模塊和管路支撐模塊。水箱模塊采用600 mm×360 mm×500 mm，壁厚為1.5 mm的鋁合金制成，既作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)的盛裝容器又作為裝置所有設(shè)備和零件的收納箱體。高位水槽模塊為316 mm×212 mm×500 mm，厚度為4 mm，由有機(jī)玻璃制成，可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)管路中流體壓力的恒定[3]，同時(shí)該水槽也起到儲(chǔ)物的作用。管路支撐模塊通過(guò)不同尺寸的工業(yè)鋁型材組裝而成，可為不同流動(dòng)原理實(shí)驗(yàn)提供支撐作用和各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)裝置組裝之后的管路管件支撐固定作用，實(shí)驗(yàn)臺(tái)模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)模塊結(jié)構(gòu)

2.2 實(shí)驗(yàn)管路模塊的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)管路模塊包括管件模塊、動(dòng)力循環(huán)模塊、閥門控制模塊。管件模塊是搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要模塊，管件模塊分為主管路管件和輔管路管件。主管路是用于完成各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目參數(shù)測(cè)量的管件。該模塊內(nèi)各管子的尺寸如表1所示，其材質(zhì)均為有機(jī)玻璃。

表1 主管路模塊管子尺寸表

輔管路管件是用于完成實(shí)驗(yàn)裝置搭建時(shí)管件長(zhǎng)度的補(bǔ)充的管件。動(dòng)力循環(huán)模塊主要包括DP-50直流泵，并配備12 V直流電源為泵提供電力。閥門控制模塊在整個(gè)實(shí)驗(yàn)管路流程中起到管路切換作用和流量調(diào)節(jié)作用，主要為DN15的球閥、閘閥、截止閥等。

2.3 參數(shù)測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)

參數(shù)測(cè)量模塊包括壓力測(cè)量模塊、溫度測(cè)量模塊、壓差測(cè)量模塊、流量測(cè)量模塊。壓力測(cè)量選用體積較小的wy-60溫度壓力一體表。為使流動(dòng)過(guò)程實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更便于觀察，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加直觀的展現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)人員的面前，選用了倒U型壓差計(jì)。流量測(cè)量選用具有精度高、重復(fù)性好、無(wú)零點(diǎn)漂移、大量程比等優(yōu)點(diǎn)的K24數(shù)字顯示渦輪流量計(jì)等。

2.4 快接組件模塊的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)不同測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)的快速搭建與拆裝，自主設(shè)計(jì)了一種新型直插式快接組件，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。這種快接結(jié)構(gòu)具有密封性好、穩(wěn)定性高、使用方便等特點(diǎn)。其零件中除Y型密封圈2、O型密封圈4和卡簧6外，其余零件都可以通過(guò)三維圖型文件建模，并將建好的模型導(dǎo)入3D打印機(jī)直接快速成型，提高了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的兼容性。

圖3 快接組件三維模型

3 實(shí)驗(yàn)裝置的應(yīng)用實(shí)例

按上述設(shè)計(jì)思路，制作、購(gòu)買相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置組件，并組裝完成。設(shè)計(jì)完成的多功能模塊化流動(dòng)原理實(shí)驗(yàn)裝置，集成40多個(gè)管路元件，可根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，完成相關(guān)的流動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。推薦進(jìn)行如下6個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：（1）沿程阻力實(shí)驗(yàn)；（2）局部阻力實(shí)驗(yàn)；（3）管路串并聯(lián)實(shí)驗(yàn)；（4）雷諾現(xiàn)象模擬及測(cè)試實(shí)驗(yàn)；（5）泵性能特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)；（6）流量計(jì)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。

下面以沿程阻力實(shí)驗(yàn)為例，對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置的使用進(jìn)行介紹。先將實(shí)驗(yàn)裝置按照沿程阻力測(cè)試實(shí)驗(yàn)流程圖進(jìn)行組裝，組裝完成后的沿程阻力損失實(shí)驗(yàn)裝置，如圖4所示。利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)模塊搭建起實(shí)驗(yàn)支撐結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)箱可起到水箱的作用，向其中充入適量高度的水，將直流泵的電源接線與直流電源的正負(fù)極相連，水在水泵提供的動(dòng)力下在實(shí)驗(yàn)管路中實(shí)現(xiàn)循環(huán)，管路中包含各種閥門和測(cè)量?jī)x表，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的控制以及具體數(shù)據(jù)的測(cè)量，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表2中[4]，方便后期的數(shù)據(jù)處理和分析。實(shí)驗(yàn)完成后將所有部件合理收納在實(shí)驗(yàn)箱中。

圖4 沿程阻力測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

表2 沿程阻力實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

該實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新之處在于，將多個(gè)流動(dòng)原理實(shí)驗(yàn)臺(tái)集成在一起，設(shè)計(jì)了一種多功能模塊化流動(dòng)原理測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，利用該套實(shí)驗(yàn)裝置，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求任意組裝流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)，操作性強(qiáng)，測(cè)量精度高，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯；裝置的設(shè)備、儀表、管路通過(guò)快接接頭連接，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)快速安裝和拆卸；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后各模塊拆分收納于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)箱體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)裝置的功能集成化和結(jié)構(gòu)小型化，達(dá)到了節(jié)約空間、方便實(shí)驗(yàn)、降低成本、方便攜帶的目的；可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、自己動(dòng)手搭建實(shí)驗(yàn)裝置、自己開(kāi)展實(shí)驗(yàn)測(cè)試的目的。