黃治偉，黃振峰＊，郭珊珊，陳 蕓，肖延安

（廣西大學(xué)a.機(jī)械工程學(xué)院；b.廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004）

0 引言

隨著超聲空化及空蝕研究的深入，其成果已應(yīng)用到了材料、醫(yī)學(xué)、化工、國(guó)防、軍事等多個(gè)領(lǐng)域。越來越多的研究者開始研究水力機(jī)械、高速涵洞、水翼、舵等設(shè)備在使用過程中被空蝕的現(xiàn)象。使用超聲波對(duì)金屬材料進(jìn)行超聲空蝕是近幾年興起的一種研究材料損傷的新方法，它通過大功率超聲波等介質(zhì)作用于樣品，可快速模擬試驗(yàn)樣品與液體接觸面的空蝕現(xiàn)象，從而分析材料的空蝕機(jī)理[1]。部分企業(yè)根據(jù)市場(chǎng)需求，生產(chǎn)了系統(tǒng)化的超聲空蝕試驗(yàn)機(jī)，但因缺少實(shí)際的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)在市面上出售的超聲空蝕試驗(yàn)機(jī)，其結(jié)構(gòu)都是超聲部件垂直放置、試件完全置于（浸泡于）空化介質(zhì)中，不利于探索空蝕過程的規(guī)律。聲發(fā)射技術(shù)作為一項(xiàng)新型的無損檢測(cè)技術(shù)，能有效規(guī)避地形、結(jié)構(gòu)和環(huán)境的影響，適用于多種復(fù)雜工況下的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷[2]。同時(shí)考慮到空蝕聲發(fā)射信號(hào)是最能反映空蝕程度的主要特征信號(hào)，因此將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于金屬材料的空蝕過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，顯然會(huì)更有助于了解金屬材料的空蝕過程及其空蝕機(jī)理。

針對(duì)以上情況，設(shè)計(jì)了一種基于聲發(fā)射技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)金屬材料空蝕過程的超聲空蝕實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置既能夠?qū)崿F(xiàn)金屬材料的超聲空蝕，空蝕速率快、空蝕效果明顯，又能夠通過聲發(fā)射傳感器實(shí)時(shí)采集金屬材料空蝕過程產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)被空蝕金屬的空蝕特性進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，為使用聲發(fā)射技術(shù)研究金屬材料的空蝕影響因素及其空蝕機(jī)理提供實(shí)驗(yàn)裝置。

1 總體方案的設(shè)計(jì)

1.1 總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了使金屬材料在短時(shí)間內(nèi)被空蝕，需要使用驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)生大功率高頻交流電，壓電傳感器在變交流電作用下伸長(zhǎng)或縮短，驅(qū)動(dòng)超聲波換能器工作將電源端的高功率信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)在經(jīng)過變幅桿的放大后傳輸?shù)焦ぞ哳^（工具頭是整個(gè)超聲振動(dòng)部件的最終端，將機(jī)械振動(dòng)傳輸?shù)娇瘴g介質(zhì)中，機(jī)械振動(dòng)在空蝕介質(zhì)中傳輸產(chǎn)生氣泡，氣泡在高壓區(qū)潰滅，連續(xù)潰滅的氣泡不斷作用在金屬材料表面致使其發(fā)生塑性扭曲、疲勞損傷，最終導(dǎo)致表面材料剝落）。將聲發(fā)射傳感器安裝在被空蝕的試件上，通過聲發(fā)射傳感器對(duì)聲發(fā)射源所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采集，將采集到的信號(hào)傳輸?shù)铰暟l(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析。雖然聲發(fā)射檢測(cè)對(duì)構(gòu)件的幾何形狀不敏感，但聲發(fā)射傳感器對(duì)構(gòu)件安裝環(huán)境有一定的要求，如大多數(shù)聲發(fā)射傳感器要求黏合界面為無水環(huán)境。

如圖1 所示，該裝置由金屬材料空蝕裝置和聲發(fā)射系統(tǒng)組成。超聲作用工具頭發(fā)射面與試件被空蝕面成90°，且以工具頭和試件為整體的部分與水平面成45°角布置，既保證超聲作用工具頭和試件的空化區(qū)完全置于（浸泡于）空化介質(zhì)中，又能使試件的另一端延伸出空化介質(zhì)液體界面，為安裝聲發(fā)射傳感器提供位置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)金屬材料空蝕過程的聲發(fā)射信號(hào)；另外，利用輔助移動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工具頭與試件之間的距離的可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；還設(shè)置了空化介質(zhì)循環(huán)和溫度控制系統(tǒng)，保證在長(zhǎng)時(shí)間的空化實(shí)驗(yàn)中空化介質(zhì)溫度恒定在氣蝕標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議ASTM G32-06 要求的25±2 ℃[3]。

圖1 一種采用聲發(fā)射實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)金屬空蝕過程的超聲空蝕實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

金屬材料空蝕裝置包含超聲波空蝕發(fā)生器和裝有空蝕介質(zhì)的玻璃容器。超聲波空蝕發(fā)生器包含智能數(shù)控超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿和工具頭，工具頭一端接在變幅桿上，另一端深入到玻璃容器的空蝕介質(zhì)內(nèi)。裝有空蝕介質(zhì)的玻璃容器與溫度控制系統(tǒng)一起實(shí)現(xiàn)空化介質(zhì)的循環(huán)及溫度控制。

聲發(fā)射系統(tǒng)包括聲發(fā)射傳感器和聲發(fā)射信號(hào)綜合分析系統(tǒng)。聲發(fā)射傳感器通過耦合劑與被空蝕金屬未浸入到空蝕介質(zhì)的部分黏合；聲發(fā)射信號(hào)綜合分析系統(tǒng)通過分析采集卡采集到的信號(hào)，對(duì)被空蝕金屬的空蝕特性進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。

1.2 工作原理

裝置原理圖如圖2 所示，金屬材料超聲空蝕系統(tǒng)包括超聲波空蝕發(fā)生器、恒溫裝置和盛有空蝕介質(zhì)的玻璃容器。超聲波空蝕發(fā)生器包括智能數(shù)控超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿和工具頭。智能數(shù)控超聲波發(fā)生器與換能器相連；換能器一端接在變幅桿上；變幅桿一端接在工具頭上；工具頭一端伸入玻璃容器內(nèi)，伸入到水面下的工具頭用于安裝測(cè)試被空蝕試件，超聲波空蝕發(fā)生器用工具頭驅(qū)動(dòng)被空蝕試件在水下高頻振動(dòng)，從而完成對(duì)金屬試件的空蝕實(shí)驗(yàn)。恒溫裝置用于保持玻璃容器內(nèi)水溫恒定，包括工業(yè)冷水機(jī)、連接軟管、外循環(huán)泵和玻璃容器。

圖2 一種采用聲發(fā)射實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)金屬空蝕過程的超聲空蝕實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

將空蝕試件安裝在螺旋壓板內(nèi)，開啟智能數(shù)控超聲波發(fā)生器，智能數(shù)控超聲波發(fā)生器開始工作，通過換能器、變幅桿和工具頭帶動(dòng)空蝕試件振動(dòng)。聲發(fā)射傳感器通過耦合劑與空蝕試件粘合，聲發(fā)射傳感器將收集到的信號(hào)傳遞到采集卡中進(jìn)行保存，計(jì)算機(jī)可以讀取采集卡中的數(shù)據(jù)并進(jìn)行綜合數(shù)據(jù)分析。空蝕實(shí)驗(yàn)和聲發(fā)射傳感器監(jiān)測(cè)同時(shí)進(jìn)行，在正常運(yùn)行過程中不會(huì)相互干擾。

2 細(xì)節(jié)方案設(shè)計(jì)

2.1 空化介質(zhì)循環(huán)和溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

當(dāng)氣泡在高壓區(qū)潰滅時(shí)會(huì)形成高強(qiáng)度的沖擊波或者微射流，沖擊波和微射流作用到試樣的表面就會(huì)產(chǎn)生大量的熱使得水溫升高，水溫的改變會(huì)影響空化氣泡的產(chǎn)生，因此，需要控制空化介質(zhì)的溫度在一定范圍內(nèi)，根據(jù)氣蝕標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議ASTM G32-06 最佳空蝕介質(zhì)溫度為25±2 ℃。從圖3 中可以看到，空化介質(zhì)循環(huán)和溫度控制系統(tǒng)主要由工業(yè)冷水機(jī)、連接軟管、外循環(huán)泵和玻璃容器組成。工業(yè)冷水機(jī)把水溫控制在25±2 ℃，連接軟管一端接在工業(yè)冷水機(jī)出水口，一端接在玻璃容器的入水口，將工業(yè)冷水機(jī)產(chǎn)生的25 ℃恒溫水通入玻璃容器內(nèi)。外循環(huán)泵一端接在玻璃容器的出水口，一端接在工業(yè)冷水機(jī)的入水口，把溫度升高的水送回工業(yè)冷水機(jī)進(jìn)行恒溫控制，從而實(shí)現(xiàn)空化介質(zhì)的循環(huán)和恒溫控制。

圖3 循環(huán)恒溫水控制系統(tǒng)

2.2 超聲作用部件移動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

盡管超聲空化效應(yīng)已在材料表面改性、超聲清洗、超聲治療等各個(gè)方面得到了應(yīng)用，但其在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受環(huán)境因素、設(shè)備參數(shù)和材料種類等多種影響。在眾多影響因素中，超聲工具頭作用面與材料被空蝕面的垂直距離對(duì)于金屬材料的超聲空蝕結(jié)果有重要的影響，因此設(shè)計(jì)了超聲作用部件移動(dòng)控制系統(tǒng)去控制工具頭與待空蝕試件的垂直距離，以便研究不同作用距離對(duì)金屬材料超聲空蝕的影響。從圖4 中可以看到，超聲作用部件移動(dòng)控制系統(tǒng)包括移動(dòng)裝置與夾持裝置。移動(dòng)裝置包括步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)固定座、聯(lián)軸器、滾珠絲桿固定端、滾珠絲桿、絲桿螺母、螺母座、導(dǎo)軌、導(dǎo)軌滑塊和滾珠絲桿固定端。步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器與滾珠絲桿連接帶動(dòng)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母座和絲桿螺母在滾珠絲桿上移動(dòng)。夾持裝置包括固定塊和支撐座，固定塊通過螺釘與導(dǎo)軌滑塊和螺母座連接在一起，支撐座通過螺釘與固定塊連接在一起，支撐座用于夾持超聲波換能器。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，滾珠絲桿上的螺母座和絲桿螺母在滾珠絲桿上移動(dòng)，螺母座帶動(dòng)固定塊移動(dòng)，固定塊帶動(dòng)導(dǎo)軌滑塊在導(dǎo)軌上移動(dòng)，進(jìn)一步，固定塊帶動(dòng)支撐座和超聲波空蝕發(fā)生器移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)超聲波空蝕發(fā)生器的工具頭與被空蝕試件的距離可自動(dòng)控制。

圖4 超聲作用部件移動(dòng)控制機(jī)構(gòu)

2.3 空蝕試件夾具的設(shè)計(jì)

從圖5 中可以看到，空蝕試件夾具裝置包括螺旋壓板、定位稍和球面墊圈，螺旋壓板把被空蝕的金屬試件壓在球面墊圈和支架上。球面墊圈對(duì)被空蝕試件起底端支撐固定作用，定位對(duì)被空蝕試件起側(cè)面固定作用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被空蝕試件的裝夾固定。

圖5 空蝕試件夾具機(jī)構(gòu)

3 結(jié)語

到目前為止，市場(chǎng)上的超聲空蝕試驗(yàn)機(jī)，其結(jié)構(gòu)都是超聲部件垂直放置、試件完全置于（浸泡于）空化介質(zhì)中，不便于對(duì)空蝕過程進(jìn)行探索。本設(shè)計(jì)不同于目前市場(chǎng)上的超聲空蝕試驗(yàn)機(jī)，該產(chǎn)品機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作靈活、空蝕效率高，可調(diào)節(jié)超聲作用部件與被空蝕試件的距離，且被空蝕試件有部分未浸入到空蝕介質(zhì)內(nèi)，為安裝聲發(fā)射傳感器提供了位置。在超聲空蝕的過程中，空蝕區(qū)所發(fā)生的變化會(huì)產(chǎn)生豐富的聲發(fā)射信號(hào)，利用聲發(fā)射技術(shù)可以提取超聲空蝕過程里所包含的大量信息。當(dāng)金屬試件在水中被超聲空蝕時(shí)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)以瞬態(tài)波的形式傳播到材料的表面，被聲發(fā)射傳感器接收到，然后將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。電信號(hào)經(jīng)過前置放大器放大后，被檢測(cè)系統(tǒng)接收，檢測(cè)系統(tǒng)處理、分析所傳遞信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)源特征、性質(zhì)、定位等分析，并做出金屬材料超聲空蝕特性的評(píng)價(jià)。這將為研究金屬材料的空蝕過程、分析金屬材料的空蝕機(jī)理提供新的實(shí)驗(yàn)裝置。