液壓孔口高低溫流體力學實驗裝置的研制*

孔 新,吳永明,徐佳兵,王文林

(1.廣東工業(yè)大學 機電工程學院,廣東 廣州 510006;2.桂林市啄木鳥醫(yī)療器械有限公司, 廣西 桂林 541004;3.東莞理工學院 機械工程學院,廣東 東莞 523808)

0 引 言

隨著現(xiàn)代社會和科技的發(fā)展,人類日益要求各種高端裝備能在極端高、低溫或高低溫交替的環(huán)境下服役,而液壓技術(shù)是這些裝備驅(qū)動的關(guān)鍵技術(shù)之一,因此對高端裝備中各種液壓元器件的性能也提出了更高的品質(zhì)要求。譬如:我國南北線的高速列車,要求能在高、低溫交替環(huán)境中服役,那么其液壓元器件等關(guān)鍵零部件必須具有優(yōu)良的環(huán)境適應性[1-2]。液壓孔口流體力學是各種液壓元器件設計制造的理論基礎,因此研究液壓孔口在高低溫(尤其是低溫)條件下的出流特性具有重要意義。

目前,關(guān)于液壓孔口特征,如孔口長徑比、孔口形狀、流體流動狀態(tài)以及出口壓力等因素對孔口出流特性的影響研究[3-7],幾乎都是默認在常溫條件下進行的,那么在高低溫、特別是在低溫條件下,各種液壓孔口的流量系數(shù)是否還遵循常溫下的規(guī)律，薄壁小孔的流量-壓力特性是否真的不受溫度影響,這些問題并沒有得到實驗的驗證。事實上,液壓油等流體介質(zhì)的粘度、密度等物理特性肯定是受溫度影響的[8-9]。

為了研究以上問題,必須針對常見液壓孔口進行高低溫流體力學基礎實驗研究。現(xiàn)有關(guān)于液壓孔口在常溫環(huán)境下的流體力學實驗原理一般都是采用包括液壓泵、各種液壓閥、蓄能器在內(nèi)的一整套液壓系統(tǒng)向被試液壓孔口供油,通過壓力傳感器測量被試閥前后壓差,通過流量傳感器或者量杯測量通過被試閥的流量,從而獲得被試閥的流量-壓力特性的。以上實驗方式在常溫下是可行的,但在高低溫、特別是在低溫條件下運用上述方法是不可行的。因為在低溫譬如-30 ℃以下時,一般液壓泵已不能有效吸油,很多液壓閥、管路不能正常工作,更不用說有效、準確地進行相關(guān)實驗;再者,在本文所涉及的高、低溫實驗中,如果采取對整個[10-12]液壓系統(tǒng)液壓油進行溫度控制的方法,顯得既不節(jié)能也不方便。

本文前期提出一種適合于進行液壓孔口高低溫流體力學實驗的一體化實驗模塊[13],該模塊將油液、機械式供油機構(gòu)、被試液壓孔口和各種傳感器進行巧妙集成,由于體積小、集成度高,該一體化實驗模塊能夠被直接放置在高低溫箱中進行實驗。

在此基礎上,本文對基于該模塊的液壓孔口高低溫流體力學實驗裝置進行研制,包括一體化實驗模塊設計、實驗裝置總體設計、機械臺架設計、電器和測控系統(tǒng)設計以及測控軟件的開發(fā)。

1 總體設計

1.1 一體化實驗模塊的結(jié)構(gòu)設計

在工程流體力學中,流經(jīng)薄壁、厚壁孔口的流量q與其孔口前后壓差ΔP之間的基本關(guān)系式為:

(1)

式中:Cd—孔口流量系數(shù);A0—孔口通流截面積,m2;ρ—油液密度,kg/m3。

由式(1)可見,一般被試液壓孔口的通流截面積A0是已知的,各種溫度下油液的密度ρ也可以事先通過專門實驗測試獲得。因此,實驗過程中,如果能夠通過傳感器直接測試或者經(jīng)過換算獲得通過孔口的流量q和孔口前后壓差ΔP,則被試液壓孔口在各種溫度下的流量系數(shù)Cd便可以獲得。

實驗過程中,通過壓力傳感器測得一體化實驗模塊內(nèi)、外缸筒的壓力P1、P2,則孔口前后的壓力差為ΔP=P1-P2。

如果忽略泄漏,則通過液壓孔口的流量q可以用以下公式計算，即拉伸行程時為:

(2)

式中:v—活塞的速度,m/s;D—內(nèi)缸筒的內(nèi)徑,m;d—活塞桿直徑,m。

壓縮行程時為:

(3)

實驗過程中,通過位移傳感器測得活塞的位移,結(jié)合測控系統(tǒng)的采集時間即可獲得活塞的速度v,然后根據(jù)式(2,3),計算獲得通過孔口的流量q。

根據(jù)以上測試原理,筆者設計了一體化實驗模塊,如圖1所示。

圖1 一體化實驗模塊1—活塞桿;2—被試閥;3—活塞組件;4—底閥組件;5—外缸筒壓力傳感器;6—溫度傳感器;7—內(nèi)缸筒壓力傳感器;8—儲油缸

由圖1可見,一體化實驗模塊在借鑒普通雙筒式鐵道車輛油壓減振器主體結(jié)構(gòu)的基礎上,在其導座組件結(jié)構(gòu)中嵌入或集成了被試閥、安全閥、溫度傳感器和壓力傳感器。

一體化實驗模塊中的導座組件如圖2所示。

圖2 一體化實驗模塊中的導座組件

被試液壓孔口被設計在一個阻尼閥的閥座之中,因此實驗過程中,只要取出阻尼閥、更換具有不同液壓孔口參數(shù)的閥座,即可模擬不同液壓孔口的流體流動。此外,筆者還設計了一個安全閥,以便在壓力太大時溢流,從而對實驗模塊和實驗設備起保護作用。

溫度傳感器用于測量流經(jīng)被試液壓孔口的流體的實時溫度,2只壓力傳感器分別用來測試內(nèi)、外缸筒的壓力,即被試液壓孔口兩端的壓力,從而能獲得被試液壓孔口的壓差。

1.2 實驗裝置總體設計

整個實驗裝置也采用模塊化設計思路進行設計,主要包括一體化實驗模塊、實驗臺架集成模塊、測控和電氣系統(tǒng)模塊。實驗臺架集成模塊是實驗裝置的主體,包括機械臺架、驅(qū)動裝置、高低溫箱;測控和電氣系統(tǒng)模塊是實驗裝置的數(shù)據(jù)采集和控制終端,包括強電和弱電部分。

其設計思路是:將一體化實驗模塊放置于一個高低溫箱中,以便準確控制實驗溫度,采用一套變頻電機控制螺母絲杠的驅(qū)動裝置,控制實驗模塊中的活塞運動,進而控制油液流動,達到對被試閥進行機械式供油的目的;組建一個實時測控系統(tǒng),一方面可以控制電機轉(zhuǎn)速從而控制絲桿驅(qū)動速度,另一方面通過實時采集溫度、壓力、位移、載荷等數(shù)據(jù),從而獲得液壓孔口在不同溫度下的壓力-流量等流動特性。

液壓孔口高低溫流體力學實驗裝置的總體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 實驗裝置總體技術(shù)參數(shù)

2 實驗裝置的研制

2.1 機械臺架設計

在宏觀上,實驗裝置機械臺架結(jié)構(gòu)由一體化實驗模塊、臺架本體和驅(qū)動裝置3部分組成。

臺架本體主要包括底座組件、立板組件、橫梁組件、導向組件、彈簧平衡器、連接軸、高低溫箱密封板和高低溫箱支架組件。

驅(qū)動裝置則由變頻電機和螺母絲杠升降機組成,其安裝在高度可調(diào)的橫梁上。電機與蝸桿連接,電機轉(zhuǎn)動帶動蝸桿旋轉(zhuǎn),從而使得蝸輪旋轉(zhuǎn),由于絲桿螺母與蝸輪是一體的,絲桿螺母與蝸輪同步旋轉(zhuǎn),絲桿在絲桿螺母的驅(qū)動下進行上下運動。當一體化實驗模塊活塞桿通過活塞桿連接軸和導向組件與絲桿鏈接,即可實現(xiàn)活塞的上下運動,改變電機的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向,即可改變一體化實驗模塊活塞的運動速度和方向,從而控制被試閥的供油量。

2.2 測控與電氣系統(tǒng)設計

2.2.1 測控系統(tǒng)設計

測控系統(tǒng)主要包括傳感器、繼電器、數(shù)據(jù)采集卡、變頻器、工控機等硬件。

測控系統(tǒng)的主要硬件組成如表2所示。

表2 測控系統(tǒng)主要硬件組成

測控系統(tǒng)基于研華數(shù)據(jù)采集卡PCI-1716、變頻器及虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW設計[14]。

測控系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 測控系統(tǒng)原理圖

圖3中,外部傳感器將壓力、溫度、力和位移轉(zhuǎn)化為電信號,經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸入接口傳入測控軟件,再通過軟件程序?qū)㈦娦盘栟D(zhuǎn)化為對應測試量,并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示和儲存。變頻器與工控機基于MODBUS RTU協(xié)議進行串口通信,可通過測控軟件對變頻器參數(shù)讀取和設置,從而控制電機的運行。

2.2.2 電氣系統(tǒng)設計

實驗裝置電路由主電路、控制電路和數(shù)據(jù)采集電路3部分組成。主電路是強電電路,主要包括變頻器、電機、散熱風扇、電源指示燈、報警指示燈、直流電源的工作電路。

控制電路由各個按鈕、旋鈕、行程開關(guān)、變頻器外部控制端子、繼電器模塊、數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換器等組成。通過按鈕、旋鈕及行程開關(guān)控制變頻器外部端子回路的通斷,即可控制變頻器,從而控制電機的啟停等功能。

數(shù)據(jù)采集電路主要由傳感器的激勵電路、信號濾波電路和模擬量差分輸入電路組成。位移傳感器激勵電壓為10 V,其他傳感器激勵電壓均為24 V,所有傳感器信號輸出范圍均為0～10 V。信號濾波電路主要由直流濾波器組成,濾波器串聯(lián)在數(shù)據(jù)采集卡和傳感器之間,從而去除傳感器輸出信號中特定頻率段的干擾電壓。傳感器信號與數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸入接線方式為差分輸入,從而排除外界的共模干擾。

2.3 測控軟件開發(fā)

測控軟件通過LabVIEW編寫而成,其主要功能包括傳感器的數(shù)據(jù)采集、實驗參數(shù)的設置、對電機的控制和實驗數(shù)據(jù)的可視化顯示、分析和保存。

測控軟件主界面主要包括“參數(shù)設定”、“行程設定”、“傳感器校正”、“數(shù)據(jù)分析”等二級子功能模塊按鈕、數(shù)據(jù)曲線顯示區(qū)域和數(shù)據(jù)保存輸出、電機動作控制等功能按鈕。實驗過程中,主界面的數(shù)據(jù)曲線顯示區(qū)將實時顯示對應實驗數(shù)據(jù)的曲線圖,通過操作數(shù)據(jù)輸出按鈕,可將實驗數(shù)據(jù)進行保存和輸出。點擊“參數(shù)設定”和“數(shù)據(jù)分析”按鈕,可分別調(diào)用對應子模塊面板,對實驗參數(shù)進行設定和實驗數(shù)據(jù)進行分析。

2.4 信號抗干擾及傳感器校正

雖然傳感器的信號通過差分輸入采集,可抑制共模干擾,但由于數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場存在電機、變頻器等強電干擾和空間中的電磁、電場干擾。在該測控系統(tǒng)的研制過程中,為了使采集的數(shù)據(jù)準確可靠,提高信號的魯棒性,采取了以下措施:

(1)屏蔽線接地。傳感器的傳輸信號線均采用屏蔽雙絞線,接線時再在傳感器的信號線外面套上一層銅編織線屏蔽層,且兩重屏蔽層相互絕緣。將傳感器信號線自帶的屏蔽層一端接地,另一端懸浮;再將后加的屏蔽層兩端接地。這樣,內(nèi)側(cè)屏蔽層可以有效防止靜電感應,而外側(cè)屏蔽層可以防止因磁場強度變化所感應的干擾電壓;

(2)硬件濾波。將傳感器測量的電壓信號先經(jīng)過由直流電源濾波器組成的濾波電路處理,再傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡采集,該濾波電路可有效去除傳感器電壓信號中的高頻干擾;

(3)軟件濾波。由于采集到的電壓信號中有時候還存在脈沖尖峰干擾,通過中位值平均濾波法去除這些脈沖尖峰干擾信號。通過設置相關(guān)參數(shù),使得每次采集的數(shù)據(jù)是一個包含5個傳感器所有采樣點的二維數(shù)組,且每個傳感器有100個數(shù)據(jù)采樣點。在進行中位值平均濾波處理時,先將這100個數(shù)據(jù)從小到大進行排序,然后取中間50個數(shù)據(jù)取平均值,并將該平均值作為該次采集的最終結(jié)果;

(4)傳感器校正。在測控軟件開發(fā)中,設計了專門的“傳感器校正”模塊。

傳感器校正界面如圖4所示。

圖4 傳感器校正

其修正原理為:(原始數(shù)據(jù)×修正系數(shù))+修正偏差=修正數(shù)據(jù),默認修正系數(shù)為1,修正偏差為0。在圖4(a)的界面上,各個傳感器的修正系數(shù)和修正偏差輸入框以及置零功能按鈕已經(jīng)被鎖定,無法單擊修改,只有單擊“解鎖”按鈕以彈出“輸入密碼”對話框,輸入正確的密碼才能解鎖上述輸入框和置零功能按鈕。

單擊圖4(a)上的“實時曲線”按鈕后,“傳感器校正”界面將由圖4(a)所示界面變成圖4(b),圖4(b)界面可顯示各個傳感器的實時電壓信號或?qū)嶋H數(shù)值的變化趨勢,并在波形圖表中以曲線的形式表示出來。

3 實驗系統(tǒng)集成與測試

筆者對所設計的一體化實驗模塊、實驗臺架集成模塊、測控和電氣系統(tǒng)模塊進行調(diào)試,實現(xiàn)了液壓孔口高低溫流體力學實驗裝置的研制。

其設備總成如圖5所示。

圖5 液壓孔口高低溫流體力學實驗裝置總成

筆者運用所研制的高低溫流體力學實驗裝置進行實驗研究。在“一體化實驗模塊”中安裝了長度為0.4 mm、直徑為1.1 mm,即長徑比為0.36的薄壁小孔被試閥,模塊中使用流體的型號是低溫抗凝減振器油TITAN SAF 5045 EU 137。

筆者在勻加速運動條件下進行實驗,設置最大運動速度為0.1 m/s,加速時間為5 s,分別測得流體溫度為30 ℃、70 ℃和-50 ℃時該孔口出流的流量-壓力特性曲線,如圖6所示。

圖6 不同流體溫度下薄壁小孔的流量-壓力特性曲線

筆者進一步運用測控軟件,對流體溫度分為30 ℃的實驗數(shù)據(jù)進行函數(shù)擬合,如圖6(a)所示,計算得到該薄壁小孔在30 ℃時的流量系數(shù)Cd=0.72,這與流體力學專著中[15]薄壁小孔在常溫下流量系數(shù)的取值范圍一致。

筆者通過測控軟件,對流體溫度分別為70 ℃和-50 ℃條件下得到的實驗數(shù)據(jù)進行函數(shù)擬合,得到其流量-壓力特性曲線,如圖6(b)所示。由于本文的主題是實驗裝置的研制以及篇幅限制,有關(guān)流體力學實驗及數(shù)據(jù)分析將另文討論。

4 結(jié)束語

(1)本文提出了一種適合于進行液壓孔口高低溫流體力學實驗的一體化實驗模塊,該模塊將油液、機械式供油機構(gòu)、被試液壓孔口和各種傳感器進行了集成,由于體積小、集成度高,該一體化實驗模塊能夠被直接放置在高低溫箱中進行實驗;

(2)采用模塊化設計思想,對基于一體化實驗模塊的液壓孔口高低溫流體力學實驗裝置進行了研制,具體包括一體化實驗模塊參數(shù)設計、實驗裝置總體設計、機械臺架設計、測控和電氣系統(tǒng)設計和測控軟件的開發(fā);

(3)在測控系統(tǒng)研制過程中,數(shù)據(jù)采集卡采集的模擬量包括溫度、壓力、位移和載荷信號,均采用了差分輸入的連接方式,由此減少了共模干擾。為了消除實驗環(huán)境中強電設備的干擾,筆者對傳感器的信號線采用雙層絕緣屏蔽措施,并對信號進行軟件濾波和硬件濾波處理。采用LabVIEW進行了測控軟件開發(fā),通過測控軟件可以實現(xiàn)實驗過程的自動控制與數(shù)據(jù)采集,并可將實驗數(shù)據(jù)進行圖形顯示、分析處理以及保存輸出操作;

(4)最后的集成、調(diào)試和實驗效果表明,筆者所研制的實驗裝置能夠方便、準確地控制被試液壓孔口的溫度,測量液壓孔口的壓力-流量特性,準確分析液壓孔口在各種環(huán)境溫度下的流動特性和參數(shù),為開展液壓孔口高低溫流體力學基礎研究提供了一個良好的實驗平臺。