氣動元件流量特性測試自動化系統(tǒng)研究

司 冀

（中國飛機強度研究所，陜西 西安 710065）

0 引 言

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了流量特性的表示和測定的國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 6358標(biāo)準(zhǔn)）《氣壓傳動——使用可壓縮流體的元件——流量特性的測定》，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了氣壓傳動元件流量特性的測試方法，用聲速流導(dǎo)C和臨界壓力比b作為表述氣動元件流量特性的兩個參數(shù)。通過試驗，可測定出氣動元件的C值和b值，即可得到氣動元件完整的流量特性曲線[1,2]。

ISO 6358標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試系統(tǒng)需要人工不斷調(diào)節(jié)上游減壓閥使上游壓力p1恒定，調(diào)節(jié)下游調(diào)速閥開度來改變下游壓力p2，手工記錄測試結(jié)果不僅費時費力耗費能源，而且測量精度較低。為消除這些弊端，本文對ISO 6358測試系統(tǒng)進行了有效改進，使其自動化程度更高、省時省力、自動記錄實驗數(shù)據(jù)。

1 ISO 6358標(biāo)準(zhǔn)簡介

1.1 測試方法

壓縮空氣流過氣動元件時，按定常流法測定額定流量下氣動元件上下游的壓力降，作為該元件的流量特性指標(biāo)。測試裝置原理如圖1所示，圖中d為上下游管道內(nèi)徑。

圖1 測試氣路

采用圖1方法測出的氣動元件流量特性曲線與理想氣體流過收縮噴管的流量特性曲線相似，如圖2所示。從實用性角度考慮，流量特性曲線的橫坐標(biāo)取為被測元件下游和上游管道內(nèi)的靜壓之比。

圖2 氣動元件的流量特性曲線

聲速流導(dǎo)C反映了折算成標(biāo)準(zhǔn)溫度下處于臨界狀態(tài)的氣動元件單位上游壓力所允許通過的最大體積流量。該值越大，說明氣動元件的流量性能越好。b值反映氣動元件達到臨界狀態(tài)所必需的條件，在相同流量條件下，b值越大，說明氣動元件上產(chǎn)生的壓力降越小[3]。

保持元件上游管道內(nèi)的壓力p1和溫度T1一定，當(dāng)p2/p1≤b時，元件內(nèi)處于壅塞流態(tài)，即元件內(nèi)最小截面處流速為聲速，通過元件的質(zhì)量流量qm也保持不變，記為qm*，則有：

式中：為壅塞流態(tài)通過元件的質(zhì)量流量（kg·s-1）；C為聲速流導(dǎo)（m3·s-1·Pa-1）；ρa為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣密度（1.185 kg·m-3）；p1為被測元件上游管道內(nèi)靜壓力（Pa）；T1為氣動元件上游管道內(nèi)的靜溫度（K）；p2為氣動元件下游管道內(nèi)的靜壓力（Pa）；b為臨界壓力比，一元等熵流動時b=0.528。

當(dāng)1≥p2/p1≥b時，元件內(nèi)處于亞聲速態(tài)，國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6358假設(shè)通過元件的質(zhì)量流量qm與壓力比p2/p1之間的關(guān)系曲線近似于四分之一橢圓關(guān)系，則可建立：

即

ISO 6358標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，用聲速流導(dǎo)C和臨界壓力比b作為表述氣動元件流量特性的兩個特性參數(shù)。通過實驗，得到C值和b值，按照式（1）和（3）可計算出氣動元件在任何壓差下的質(zhì)量流量[4,5]。

1.2 試驗意義

如圖2所示，氣動元件的流量特性曲線大致分為兩段：一段是當(dāng)p2/p1≤b時的聲速流；另一段是當(dāng)1≥p2/p1≥b時流量曲線近似于四分之一橢圓的亞聲速流。在精密機械系統(tǒng)中，多數(shù)氣動元件的動作過程均包含以上兩種過程，建立氣動元件流量曲線測試方法，可得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)并可優(yōu)化系統(tǒng)執(zhí)行器的設(shè)計。

2 新測試系統(tǒng)介紹

ISO6358規(guī)定的測試方法實驗效率低且耗費能源。本文設(shè)計開發(fā)了一種自動測試系統(tǒng)，具有自動化程度高、省時省力、自動記錄實驗數(shù)據(jù)等功能。

2.1 原理圖

新測試系統(tǒng)的原理圖如圖3所示。

圖3 新測試系統(tǒng)原理圖

2.2 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)由研華610工控機，研華PCL812PG數(shù)據(jù)采集卡，端子流量、溫度、壓力傳感器等設(shè)備組成。系統(tǒng)所需的傳感器和氣動元件表見表1所列。

2.3 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

采用NI公司研發(fā)的LabVIEW作為軟件開發(fā)平臺，編寫的程序前控制面板如圖4所示[6,7]。

圖4中各區(qū)域功能如下：

區(qū)域1：上游壓力比例閥PID調(diào)節(jié)模塊圖，指定調(diào)節(jié)參數(shù)，控制壓力比例閥恒定于設(shè)定的固定壓力值；

區(qū)域2：上下游壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器標(biāo)定模塊圖，用于將采集到的電信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)數(shù)值；

區(qū)域3：流量特性測試的設(shè)定模塊，用于指定測試壓力、調(diào)節(jié)精度及測定點個數(shù)；

區(qū)域4：顯示采集過程中流量大小是否符合采集條件，燈為綠色為符合，表明可以采集；為紅色，表示不符合條件，需要繼續(xù)調(diào)節(jié)節(jié)流閥，使流量符合采集條件；

區(qū)域5：采集數(shù)據(jù)保存路徑，可以隨意預(yù)設(shè)，方便存儲。

表1 流量特性測試系統(tǒng)所需元器件列表

圖4 流量特性測試系統(tǒng)軟件前面板圖

另外，四個曲線顯示圖表分別顯示氣動元件上游和下游壓力、氣體瞬時溫度和流過元件的瞬時流量隨時間的曲線圖以及下上游壓力比和流量的關(guān)系曲線。如圖5所示，通過程序計算，并用點線方式通過LabVIEW的XY圖表將下上游壓力比和流量的關(guān)系顯示出來。測試系統(tǒng)軟件部分程序框圖如圖6所示[8,9]。

3 基于新測試系統(tǒng)的實驗結(jié)果

根據(jù)改進的系統(tǒng)搭建試驗平臺，測試換向閥閥芯在不同開度、不同上游壓力下，下上游壓力比p2/p1與流過閥腔的流量Q間的關(guān)系，如圖7所示。

圖5 下上游壓力比與流量關(guān)系圖

圖6 內(nèi)部程序部分框圖

圖7 不同開度和壓力下?lián)Q向閥流量曲線圖

4 結(jié) 語

本文對ISO 6358測試系統(tǒng)進行改進，并以直角邊換向閥為對象做了測試，結(jié)論如下：

（1）依據(jù)ISO 6358標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對其規(guī)定的測定元件流量特性的系統(tǒng)進行改進，編寫了測試系統(tǒng)軟件，可方便高效地得到特性參數(shù)C，b值。

（2）改進的測試系統(tǒng)可高效、快速地繪制出氣動元件的流量特性曲線，并自動記錄試驗數(shù)據(jù)，給出被測氣動元件的流量特性參數(shù)。

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