液壓快換接頭壓力降-流量特性試驗臺的設計及不確定度分析

鄭智劍，錢婷婷，錢咪，賀梁

(1.寧波市產(chǎn)品食品質(zhì)量檢驗研究院(寧波市纖維檢驗所)，浙江寧波 315048；2.國家智能制造裝備產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(浙江)，浙江寧波 315800；3.鎮(zhèn)海區(qū)教育發(fā)展研究院，浙江寧波 315202)

0 前言

液壓快換接頭可在不使用工具的條件下進行手動連接和拆卸，可以在高壓條件下進行重復、快速通斷，且具有密封性好、安全性高等特點，在農(nóng)業(yè)機械和工程機械等領域具有廣泛應用[1]。快換接頭的公端和母端連接后，受內(nèi)部截止閥、背壓釋放裝置等影響，其內(nèi)部流道會發(fā)生明顯改變，因此在進、出口端會產(chǎn)生壓力降。并且，快換接頭兩端的壓力降會隨流量的變化而改變。因此，測量全流量范圍內(nèi)快換接頭的壓力降，特別是在大流量、高流速工況下的壓力降，對于評價快換接頭在高負荷工況下的流通能力具有重要意義。由于快換接頭的型號規(guī)格、結構特點、使用工況、流通介質(zhì)等具有較大差異，為準確評價其壓力降-流量特性，且適應大功率液壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[2]，需建立具備通用性、大流量的液壓快換接頭壓力降-流量特性試驗臺。

目前，現(xiàn)行快換接頭試驗方法的國家標準和國際標準為GB/T 5861—2003《液壓快換接頭 試驗方法》[3]和ISO 18869：2017《Hydraulic fluid power-Test methods for couplings actuated with or without tools》[4]。在上述標準中，規(guī)定了壓力降-流量試驗的裝置和測試步驟。目前，在快換接頭壓力降-流量試驗平臺的建設方面，主要有：鄭祥明等[5]設計了多品種液壓快換接頭壓力降試驗系統(tǒng)，該試驗系統(tǒng)采用雙泵合流和多級節(jié)流的方式，可開展流量調(diào)節(jié)范圍0.75～283 L/min內(nèi)的快換接頭的壓力降-流量試驗，適用于公稱通徑為5～25 mm的快換接頭，試驗介質(zhì)為32號液壓油；魏超[6]設計了采用閉環(huán)流量控制方式的快換接頭流阻測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)范圍為0～50 L/min，壓力降測試范圍為0～200 kPa，適用于最大公稱通徑為15 mm的快換接頭，試驗介質(zhì)為乙二醇混合液。在ISO 18869：2017標準中，規(guī)定了公稱通徑為5～51 mm內(nèi)快換接頭的標準額定流量。公稱通徑為50 mm的快換接頭對應的標準額定流量為788 L/min。由此可知，現(xiàn)有的壓力降-流量試驗的裝置還無法滿足大規(guī)格快換接頭的測試需求，不利于產(chǎn)品的性能提升和新產(chǎn)品研發(fā)。同時，在工程機械和農(nóng)業(yè)機械等領域，46號液壓油或水也是快換接頭較為常用的工作介質(zhì)。但針對上述2種介質(zhì)，尚未有適用的壓力降-流量特性試驗臺。

本文作者依據(jù)ISO 18869：2017標準，設計了一套液壓快換接頭壓力降-流量特性試驗臺，采用46號液壓油或水作為試驗介質(zhì)。試驗臺的流量調(diào)節(jié)范圍為40～1 000 L/min，壓力降測試范圍為0～5.0 MPa，用于公稱通徑為12.5～51 mm的快換接頭。并且，完成配套測試軟件的開發(fā)以及快換接頭壓力降測量值不確定度的計算。

1 系統(tǒng)設計

液壓快換接頭壓力降-流量特性試驗臺主要用于測試不同流量下液壓快換接頭進、出口兩端的壓力降，也可結合試驗介質(zhì)的密度和介質(zhì)流速計算得到其流量系數(shù)和流阻系數(shù)[7]。試驗臺適用于直通式、單截止式和雙截止式等類型的液壓快換接頭。

1.1 設計參數(shù)

液壓快換接頭壓力降-流量特性試驗臺的試驗介質(zhì)可采用46號液壓油或水；被測快換接頭的適用公稱通徑范圍為12.5～51 mm；被測快換接頭進、出口的壓力降測量范圍為0～5.0 MPa。試驗平臺的流量調(diào)節(jié)范圍為40～1 000 L/min；當采用46號液壓油作為試驗介質(zhì)時，其溫度調(diào)節(jié)范圍為20～70 ℃。試驗平臺具有自動化控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以及報表生成和打印功能。

1.2 設計原理

試驗裝置的原理如圖1所示。試驗臺可以分為油側(cè)工位和水側(cè)工位。其中，油側(cè)工位有2路管道進行供油，管道規(guī)格分別為φ60 mm×8 mm；水側(cè)工位有3路管道進行供水，管道規(guī)格分別為φ22 mm×3 mm、φ34 mm×4 mm和φ60 mm×5 mm。2個工位共用1個試驗段。

試驗段的設計原理如圖2所示。試驗段的管道直徑為114 mm，超過被測快換接頭最大公稱通徑的2倍，保證了試驗段的最大通流能力。L1和L4的長度為1 140 mm，按10倍的管道設計；L2的長度為570 mm，按5倍的管道直徑設計；L3的長度為連接狀態(tài)下的快換接頭加上其兩端的轉(zhuǎn)換接頭的長度。在被測快換接頭的進、出口均安裝有溫度傳感器，在其出口安裝有流量計。

圖2 試驗段原理

1.3 測試設備

當以46號液壓油作為試驗介質(zhì)時，采用5臺并聯(lián)的液壓泵對試驗段進行供油。針對不同公稱通徑快換接頭的壓力降-流量的測試需求，可啟動不同的電機泵組。5臺液壓泵均為高壓柱塞泵，泵的公稱排量分別為40、71、125、180、250 mL/r。每臺泵配備有功率相匹配的三相異步電機，電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為100～2 800 r/min。試驗段所用流量計為齒輪式，型號為VC12F1PS，數(shù)量為4臺，制造商為KRACHT。單個流量計的流量測試范圍為0～250 L/min，精度等級為±0.5%。

當以水作為試驗介質(zhì)時，采用水泵供水，泵的最大流量為120 m3/h。共有3路并聯(lián)的供水管道，其中：規(guī)格為φ22 mm×3 mm的管道上安裝有型號為TM4TFS040S的流量計，流量測試范圍為13.3～66.7 L/min；規(guī)格為φ34 mm×4 mm的管道上安裝有型號為TM16TFS040S的流量計，流量測試范圍為53.4～267.0 L/min；規(guī)格為φ60 mm×5 mm的管道上安裝有型號為TM68TFS040S的流量計，流量測試范圍為227～1 133 L/min。上述3個流量計的制造商為KRACHT，精度等級為±0.5%。

試驗段所用的溫度傳感器的型號為TA2105 + EVC001，數(shù)量為4個，制造商為IFM。溫度測量范圍為-50～150 ℃，模擬量信號為4～20 mA。所用的壓力傳感器的型號為P200S-GB100AG14M4B/HT，制造商為BANNA。壓力測量精度為0.1%，線性度為±0.2%，重復性不大于0.1F.S.，模擬量信號為4～20 mA。

2 試驗

2.1 試驗平臺

搭建的液壓快換接頭壓力降-流量特性試驗臺如圖3所示。采用某制造商生產(chǎn)的快換接頭進行壓力降-流量特性試驗，快換接頭的公稱通徑為50 mm，額定流量為450 L/min，試驗環(huán)境溫度為(25±2) ℃。

圖3 液壓快換接頭壓力降-流量特性試驗臺

按ISO 18869：2017標準中的13章進行試驗，步驟如下：

(1)將連接后的快換接頭總成裝入試驗段，在額定流量的25%、50%、75%、100%、125%、150%的工況下，按正、反2個方向測定并記錄壓降值；每個試驗流量點重復測量10次，取平均值。

(2)從試驗段中拆卸快換接頭總成，裝入公稱通徑為50 mm的硬直管，在被試快換接頭流量的25%、50%、75%、100%、125%、150%的工況下，測定并記錄壓降值；每個試驗流量點重復測量10次，取平均值。

(3)計算步驟(1)(2)中每個流量試驗點記錄的壓降值的差值，得到被試快換接頭總成的凈壓降值，并按正、反2個方向繪制壓力降-流量特性曲線。

在整個試驗過程中，控制液壓油溫為(40±2) ℃，使試驗介質(zhì)的黏度保持穩(wěn)定。按上述試驗步驟，分別以46號液壓油和水為介質(zhì)，測試得到被測快換接頭的壓力降-流量特性曲線如圖4所示。可知：正、反2個方向測定的壓降值存在一定差異，這是由于快換接頭內(nèi)部流道的不對稱導致的。

圖4 被測快換接頭的壓力降-流量特性曲線

2.2 測控系統(tǒng)

試驗臺采用PLC控制液壓泵和水泵的啟動和停止，并提供測試所需的流量和壓力；測試部分用硬件以及NI-PXI及其對應的LabVIEW軟件進行壓差、流量、溫度等數(shù)據(jù)采集、記錄和分析。試驗臺的測試界面如圖5所示。在“參數(shù)顯示”區(qū)域，界面實時顯示熱介質(zhì)(46號液壓油)和冷介質(zhì)(水)流量、進出口的溫度和壓力等。點擊“數(shù)據(jù)導入表格”可實時保存需要采集的流量、進出口壓力和溫度等數(shù)據(jù)。

圖5 試驗臺的測試界面

3 不確定度分析

快換接頭壓降值測量的不確定度直接影響其壓力降-流量特性的準確評價。由上述可知，此試驗過程中是通過測量快換接頭進、出口的壓力值來計算壓降值，之后再減去測試管道自身的壓降值，最終得到凈壓降值。

快換接頭進、出口壓力值的測量屬于密閉回路中平均穩(wěn)態(tài)壓力的測量，因此可采用ISO 9110-1：2020《液壓傳動 測量技術 第1部分：通則》[8]和ISO 9110-2：2020《液壓傳動 測量技術 第2部分：密閉回路中平均穩(wěn)態(tài)壓力的測量》[9]來計算不確定度。

3.1 凈壓降值的測量值和數(shù)學模型

在額定流量(450 L/min)工況下，測量被測快換接頭進、出口的壓降值，共10次，采用46號液壓油為試驗介質(zhì)，測量結果如表1所示；采用水為試驗介質(zhì)，測量結果如表2所示。

表1 額定流量下被測快換接頭進、出口的壓降值(液壓油)

表2 額定流量下被測快換接頭進、出口的壓降值(水)

計算被測快換接頭進、出口的凈壓降值的數(shù)學模型如式(1)所示：

(1)

上述各壓降值的靈敏系數(shù)計算公式如下所示：

(2)

c2=?p/?pg

(3)

c3=?p/?rht

(4)

式中：c1、c2、c3分別為被測快換接頭的凈壓降值、壓力傳感器二次儀表的平均壓力示值、流體高度差引起的壓降值的靈敏系數(shù)，其數(shù)值均為1。

3.2 壓力降測量示值引入的不確定度

由測量過程可知，影響被測快換接頭進、出口的凈壓降值的不確定度分量主要有：(1)壓降測量示值引入的不確定度分量u1；(2)讀數(shù)誤差引入的不確定度分量ur；(3)測壓點引入的不確定度up；(4)溫度效應影響引入的不確定度uT；(5)流體壓頭效應引入的不確定度u(rht)；(6)顯著的環(huán)境影響和電路元件影響引入的不確定度uc。

其中，此試驗環(huán)境溫度為(25±2) ℃，與壓力傳感器校準過程中的溫度差不大于5 ℃，可以忽略溫度效應；在數(shù)學模型中，已經(jīng)對流體壓頭效應進行修正，可不考慮它對不確定度的影響；并且，在此處可不考慮環(huán)境條件和電路元件的影響。綜上，被測快換接頭進、出口凈壓降值的測量不確定度分量只需考慮u1、ur、up。

壓降測量示值引入的不確定度分量u1需考慮系統(tǒng)校準的不確定度uc和讀數(shù)誤差引入的不確定度ur。壓力傳感器的準確度等級為0.2級，量程的上限為5.0 MPa，按均勻分布可計算得到uc=0.005 8 MPa。

讀數(shù)誤差引入的不確定度ur需考慮壓力傳感器采集裝置的讀數(shù)誤差引入的不確定度u1r以及其測量重復性引入的標準不確定度u2r。壓力傳感器采集裝置的數(shù)顯分辨率為0.001 MPa，其末位已經(jīng)過圓整，其引入的不確定度可按照式(5)進行計算，u1r=0.000 3 MPa；根據(jù)表1中壓降值的10次重復性試驗可按式(6)計算u2r，u2r=0.000 7 MPa。兩者取較大值，則ur=u2r=0.000 7 MPa。

(5)

(6)

由式(7)可確定管路中的最大流速v，計算得到v=2.065 2 m/s。

v=0.066 7q/(πd2)

(7)

式中：q為預計通過被測快換接頭的最大流量，q=675 L/min；d為試驗段的管道內(nèi)徑，d=102 mm；π為常量，π=3.141 592 653 6。

可按式(8)計算up，計算得到up=0.000 1 MPa。

up=Kv2ρ

(8)

式中：K為常量，K=0.25×10-4，適用于1型測壓點；ρ為32號液壓油的比重，ρ=0.86。

由于各不確定度分量之間相互獨立，則：

3.3 管路凈壓差引入的不確定度

通過拆除被測快換接頭進行重復試驗，測得管路的凈壓差為0.013 MPa，其測量結果的不確定度u2和u1相同，即u2=0.005 8 MPa。

3.4 流體高度差引入的不確定度

測量儀表和測壓點之間存在流體高度差，采用式(9)對壓力讀數(shù)進行修正：

rht=gρht×10-6

(9)

式中：g為重力加速度，取9.806 65 m/s2；ht流體高度差，為0.051 m。

3.5 合成不確定度

各不確定度分量之間互不相關，依據(jù)ISO 9110-1：2020標準附錄B中的不確定度傳播率計算誤差測量的標準不確定度：

依據(jù)依據(jù)ISO 9110-1：2020的第7.6條，取k=4，可得到95%置信區(qū)間的測量不確定度，則采用46號液壓油作為試驗介質(zhì)時，壓差測量結果可表示為

p=0.203 MPa,U=0.036 MPa (k=4)

按相同的數(shù)學模型和計算步驟，采用水作為試驗介質(zhì)時，壓差測量結果可表示為

p=0.199 MPa,U=0.034 MPa (k=4)

文中所搭建的液壓快換接頭壓力降-流量特性試驗臺現(xiàn)已投入使用，其設計和測量儀器精度符合國家標準GB/T 5861—2003《液壓快換接頭 試驗方法》的要求。

4 結論

(1)試驗臺可使用46號液壓油或水為介質(zhì)測試快換接頭的壓力降-流量特性。

(2)試驗臺的流量測試范圍為40～1 000 L/min；被測快換接頭進出口壓差測量范圍為0～5.0 MPa，被測快換接頭的適用工程通徑范圍為12.5～51 mm。試驗臺也可用于測試被測快換接頭的流量系數(shù)和流阻系數(shù)。

(3)95%置信區(qū)間下計算得到試驗臺油側(cè)工位的不確定度為0.036 MPa，水側(cè)工位的不確定度為0.034 MPa。