自循環多功能離心泵教學實驗臺研制與教學實踐

劉在倫,王仁忠,王東偉

(1.蘭州理工大學能源與動力工程學院,甘肅蘭州 730050; 2.松溪縣中等職業技術學校,福建松溪 353500)

自循環多功能離心泵教學實驗臺研制與教學實踐

劉在倫1,王仁忠2,王東偉1

(1.蘭州理工大學能源與動力工程學院,甘肅蘭州 730050; 2.松溪縣中等職業技術學校,福建松溪 353500)

介紹了自循環多功能離心泵教學實驗臺的結構及功能特點,從開拓學生視野、提高學生實驗興趣和實驗動手能力等角度出發,在實驗臺設計中解決了實驗臺的穩定性與精度、功能集成與小型化、指針式儀表與傳感器并存、同一參數用不同測量儀表測量等教學實驗中的問題,也為教師的科研成果緊密融入實驗教學中、自主研發高精確度、多功能實驗教學設備提供了值得借鑒的經驗。

離心泵;教學實驗臺;參數測量;教學實驗

高校實驗教學水平的提高,離不開先進的完善的實驗教學條件,其中實驗設備的更新改造尤為重要[1]。蘭州理工大學流體機械及工程專業是我國最早的水力機械專業,始建于1954年的哈爾濱工業大學,1965年該專業整建制(包括水泵、水輪機實驗室)遷至蘭州理工大學(原甘肅工業大學)。實驗室建有水泵的開式和閉式實驗臺、水輪機閉式實驗臺,開設的實驗項目有水泵性能實驗、水泵汽蝕性能實驗、水泵振動與噪聲測量、水輪機能量實驗,實驗臺在專業教學中發揮了重要作用。由于水泵實驗臺龐大、占地面積大、測試儀表分散、測量誤差較大,已越來越不能滿足不斷擴大的學生人數和提升教學質量的要求。為了突出工科人才的工程實踐能力與創新能力的培養,對實驗教學提出了更新、更高的要求[2-4]。將教師成熟的科研成果融入實驗教學中、自主研發高精確度多功能實驗教學設備勢在必行[5]。為此,在總結原實驗臺的優缺點和借鑒國內企業及高校的相關設備的基礎上,結合理論和實驗教學的要求,研制了自循環多功能離心泵教學實驗臺(以下簡稱實驗臺)。本文介紹在開拓學生視野、提高學生實驗興趣和實驗動手能力等方面,自循環多功能離心泵教學實驗臺設計中的一些做法。

1 實驗臺的結構及功能

實驗臺由機械管路系統和操作柜組成,如圖1所示。機械管路系統主要由2臺IS50-32-125型單級離心泵、智能渦輪流量計、轉速轉矩傳感器、壓力計、移動水箱及管路系統組成;操作柜由2臺電機的啟?？刂瓢粹o、3塊數顯電壓表、3塊數顯電流表和轉速轉矩儀組成。

圖1 自循環多功能離心泵教學實驗臺

離心泵1與電機直聯,離心泵2與電機之間裝有轉速轉矩傳感器。離心泵2的出水管設有一旁路,且與離心泵1的進水管路聯通。智能渦輪流量計安裝在總出水管路,其一端通過管路與集流穩壓罐聯通,另一端通過管路與調節閥聯通,與調節閥另一端聯通的總出水管路穿過實驗平臺伸到移動水箱量里。2臺離心泵的進水管路上都裝有水封閘閥,水封閘閥另一端與總進水管路聯通,總進水管路穿過實驗平臺伸到移動水箱量里,總進水管路的底部安裝有止回閥。通過切換閥門可實現如下功能:單臺離心泵的性能實驗和汽蝕性能實驗;2臺離心泵的并聯性能實驗和串聯性能實驗;泵的振動與噪聲測量。

2 參數測量方法

參數測量方法[6-8]簡述如下。

2.1 流量測量

在總出水管路上裝有一臺精度為0.5級的智能渦輪流量計,用于測量單臺泵或2臺泵聯合運行的流量,該流量計可就地顯示,具有4～20 m A輸出和RS232/ RS485串口。

2.2 壓力測量

2臺離心泵進、出口液體壓力通過壓力軟管引至穩壓罐,在穩壓罐上面裝有壓力表或真空表。精度為0.4級壓力表用于測量泵出口液體壓力,精度為0.4級真空表用于測量泵進口液體壓力。離心泵2出口液體壓力同時采用精度為0.5級、程量為0～0.7 Mpa電容式壓力傳感器測量,電容式壓力傳感器可就地顯示,具有4～20 m A輸出。

2.3 離心泵輸入功率和轉速的測量

因離心泵1與電機直聯,其輸入功率即為三相異步電機輸出功率。離心泵輸入功率為

式(1)中的三相異步電動機的功率因數cosφ和效率η可從電機銘牌獲取。三相異步電動機的功率因數和效率隨負載而變化情況可按表1進行估算。

表1 三相異步電動機的效率和功率因數與負載率的關系

在離心泵1的聯軸器外徑上沿周向貼黑白相間的反光條,采用反射式光電轉速傳感器測量離心泵1的轉速。離心泵2與三相異步電動機之間裝有輸入轉速轉矩傳感器,其輸入功率和轉速可從安裝在操作柜上的轉速轉矩儀直接讀出。轉速轉矩儀具有4～20 m A輸出和RS232/RS485串口。

2.4 離心泵振動與噪聲測量

備有CD-2型磁電式速度傳感器和GZ2六通道測振儀,測量離心泵振動的位移、速度和加速度;備有DN2精密聲級計測量的A聲級和頻譜。

3 解決教學問題的方法

(1)實驗臺嚴格按照GB/T3216—2005《回轉動力泵-水力性能驗收試驗》(2級)設計制造。選用了國內通用、先進、精度高的測量儀表,且在壓力計和流量計前設有穩壓罐,消除了壓力脈動引起的測量誤差。該系統穩定性好,測試精度高。先進的測試技術和精確的測試結果,提高了實驗教學質量,培養了學生嚴謹細致的科學作風。

(2)液體壓力測量采用指針式儀表與傳感器并存方式。2臺離心泵的輸入功率測量分別采用扭矩法和電測法測量,以便于比較,開拓了學生視野,讓學生體驗不同測試方法及技巧的效果。這些內容對激發學生學習興趣、調動學生實驗的積極性和主動性、培養學生的動手能力和實踐能力將發揮積極的作用。

(3)很好地解決了功能集成與小型化的問題。實驗臺體積為1 450 mm×550 mm×1 800 mm,移動水箱與實驗平臺分離,實驗臺管路系統和水箱為不銹鋼材質,外形美觀大方,實驗臺適宜1～3人操作。水泵實驗屬多參數測量的綜合性實驗,實驗臺設計仍采用人員操作與記錄實驗數據,可使每個學生在切實感受每個測試環節的同時,對測試的過程產生系統性認識,培養學生組織常規測試方案的能力。達到“人人動手、配合實驗、共享數據、系統認知”的教學目的,有利于培養學生動手能力和實踐能力,提高了實驗教學效率,提升了實驗室的形象。

4 應用效果

(1)學生受益面大,提高了學生的動手能力。水泵實驗室每年承擔600余名學生的實驗教學任務。通過本項目的實施,水泵實驗室構建了水泵開式實驗臺、水泵閉式實驗臺、6臺套自循環多功能離心泵教學實驗臺。水泵實驗室可容納30余名學生同時做實驗,完全能滿足本科實驗教學,也能兼做研究生教學和科學研究,達到了開放式實驗室的基本要求。水泵實驗原來5～6名學生才能完成的實驗,現在1～3名就能完成任何一項綜合性實驗。

(2)實驗教學質量高,教學效果好。我校每學期都要派專家組深入學院開展教學質量督查,對水泵實驗學生分組、實驗報告質量和實驗分析報告進行全面的檢查,水泵實驗教學質量得到了專家的肯定。水泵實驗成績優良率在80%以上。

(3)鍛煉師資隊伍,提升了教學水平。教師自主開發研制實驗教學使用的儀器設備,是將教師科研成果轉化到實驗室建設和學生的實驗教學中去的成果,提高了教師的系統知識水平。這對于人才培養、更新實驗手段、增加實驗教學內容、提高實驗開出率、節約資金等諸多方面起到了積極的作用,不僅提高了教學水平,也促進了科學研究工作。

5 結論

研發高精度、多功能實驗教學設備是提高實驗教學質量、滿足不同授課對象的重要措施。本文從開拓學生視野、提高學生實驗興趣和實驗動手能力等角度出發,在實驗臺設計中解決了實驗臺的穩定性與精度、功能集成與小型化、指針式儀表與傳感器并存、同一參數用不同測量儀表測量等教學實驗中的問題,也為教師將科研成果緊密融入實驗教學中,自主研發高精確度、多功能實驗教學設備提供了可供借鑒的經驗。4年使用效果表明,該教學實驗臺在提高教學質量、提升實驗室形象方面發揮了積極的作用。

References)

[1]周競學,楊雨生,倪世琦.實踐教學計劃是培養創新人才的重要保障[J].實驗技術與管理,2000,17(5):102-104.

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[3]馬菊蓮.大型綜合性流體機械與設備系統實驗裝置研制[J].實驗技術與管理,2011,28(3):195-197.

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[5]葉釗,邱挺將.科研與專業實驗教學嫁接,提高教學質量實驗室研究與探索[J].實驗技術與管理,2007,24(1):81-83.

[6]劉在倫,李琪飛.水力機械測試技術[M].北京:中國水利水電出版社,2009.

[7]劉在倫,車琴琴.基于RS485總線的離心泵性能測試[J].排灌機械,2007,25(5):47-50.

[8]劉在倫,梁森,呼艷芬.水泵自動測試軟件設計方法的探討[J].水泵技術,2007,178(6):15-17.

Development and teaching practice of teaching experimental bench for self-loop multifunctional centrifugal pump

Liu Zailun1,Wang Renzhong2,Wang Dongwei1
(1.College of Energy and Power Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China; 2.Songxi secondary vocational and technical school,Songxi 353500,China)

This paper introduces the structure and functional characteristics of teaching experimental bench for the self-loop multifunctional centrifugal pump.From the points of view of opening up students’horizons, improving their experimental interest,ability,etc.,the teaching experimental bench is built.Some teaching experimental problems such as the stability and precision,functional integration and miniaturization,coexistence of dial instruments and sensors,measuring the same parameter with different measuring instruments,etc.,are solved during the design of experimental bench.This paper is valuable for closely integrating teachers’mature achievement in scientific research into experimental teaching.In addition,this paper provides the experience which is worth learning for the independent research and development of high precision and multi-functional experimental teaching equipment.

centrifugal pump;teaching experimental bench;parameter measurement;teaching practice

TH311;G484

A

1002-4956(2015)4-0083-03

2014-08-26

國家自然科學基金資助項目(51269010);蘭州理工大學教學研究重點資助項目(JY201218)

劉在倫(1961—),男,甘肅景泰,教授,博士生導師,主要從事泵設計理論與測試技術研究.

E-mail:liuzl88＠sina.com