基于多路閥的正負壓測漏系統的設計與研究

鐘麗瓊，王璨，胡浩

(1.貴陽學院機電系，貴州貴陽550003;2.貴陽學院數控技術工程應用實驗室，貴州貴陽550003;3.貴州大學機械工程學院，貴州貴陽550003)

現今，泄漏檢測技術已經大量應用于液壓、氣動元件及汽車、機械、醫療、和化工等領域，此外在航天、燃氣設備用具、住宅設備、管道檢測等領域也得到廣泛應用[1－2]。因此，泄漏檢測水平的高低直接影響生產效率、操作人員的勞動強度及產品的質量，選擇合適的泄漏檢測方法，實現快速、準確的泄漏檢測具有重大的現實意義與實用價值。

氣壓測漏儀作為一種重要的密封件檢測儀器，已經廣泛應用于工業生產中，并有許多學者對其進行了研究[3－7]。而差壓測漏儀又是一種工業生產中應用得最多的氣壓檢漏儀，目前差壓檢測儀只有正壓檢測儀和負壓檢測儀兩種單功能檢測儀，對于既需要正壓檢測又需要負壓檢測的生產廠商來說，雖然可以通過同時購買兩個單功能的檢測儀來滿足工件的檢測要求，但會使檢測成本增加。針對目前單功能測漏儀使檢測成本提高的問題，作者提出了將正負壓檢測集合于一體的思想，設計了一種正負壓綜合測漏系統，并建立了能實現這種正負壓泄漏檢測系統的多路閥模型，從而使整套系統的體積合理化，便于攜帶，降低檢測成本。利用仿真技術對此基于多路閥的正負壓測漏系統進行仿真分析，得出其工作特性。

1 綜合系統的設計

首先設計出一種能實現正負壓綜合檢測的測漏系統，此系統引入了一種多路閥結構，通過多路閥的運用，使系統實現正壓檢測與負壓檢測的交替進行，同時使回路得到了簡化，從而使整套系統的體積合理，便于攜帶。

如圖1所示，即為引入多路閥結構的正負壓綜合測漏系統。系統主要由氣源、過濾器、減壓閥、差壓傳感器、真空發生器、消聲器以及多路閥組等氣動元件組成，其主控閥即為多路閥組。

圖1 氣動系統回路總圖

該系統首先通過多路閥4 來控制其正壓檢測過程，然后通過多路閥8 來控制其負壓檢測過程。而當系統不工作時，多路閥4、8 會同時處于中位，此時氣源供給的壓力氣體就會直接排入大氣，這種設計的優點在于，系統不工作時，能防止由于系統內壓力增大而對系統元器件造成損害。

2 回路工作原理

系統對被測件進行檢測時分為兩個步驟來實現，第一個步驟是正壓檢測，對被測件充入大量的壓縮空氣，利用容器內的壓力大于外部壓力，使其產生從內向外的泄漏量，從而判斷出被測件的泄漏情況。在此過程中，多路換向閥4、8的電磁鐵通電與斷電情況如表1所示(表中“﹢”號表示通電勵磁，“﹣”號表示斷電)。

表1 正壓檢測

從表1可看出，正壓檢測共有4個階，第一階段為充氣，多路換向閥4的左位工作，壓縮空氣經過換向閥閥4 進入到被測件和標準件中，此時由于左位單向閥的作用，壓縮空氣不能到達換向閥8;第二階段為平衡，此時停止充氣，多路換向閥4處于中位，由于中位單向閥的作用，壓縮空氣經過多路換向閥4與8的中位直接排入大氣。由于各換向閥關閉后，可能存在微小泄漏，換向閥換向時產生的壓力沖擊與脈動，充氣過程會使檢測容器內溫度發生變化，壓縮空氣由受壓狀態進入一個密閉容器后，將引起一系列的熱力學－動力學變化，這些因素都會使壓力出現波動，所以需要進行一段時間的保壓平衡[8];第三階段為檢測，選擇適當的差壓傳感器，由于被測件與標準件之間的壓力差會被差壓傳感器感知，從而通過其示值的變化即可判斷是否存在泄漏;第四階段為排氣，多路換向閥4的右位工作，排出被測件內的壓縮氣體。

第二個步驟是負壓檢測，被測件內的空氣被真空發生器吸出，使被測件內產生一定的真空度，利用容器外的壓力大于內部壓力，使其產生從外向內的泄漏量，從而判斷出被測件的泄漏情況。在此過程中，多路換向閥4、8的電磁鐵通電與斷電情況如表2所示。

表2 負壓檢測

從表2可看出，負壓檢測共有4個階段，第一階段是吸氣，多路換向閥4處于中位，多路換向閥8的左位工作，壓縮空氣經過換向閥閥4與8 進入到真空發生器中，真空發生器的工作原理是當供氣口的供氣壓力高于一定值后，噴管射出超聲速射流，由于氣體的黏性，高速射流卷吸走負壓腔內的氣體，使該腔形成很低的真空度[9]，這樣就能使被測件與標準件內的部分空氣被吸出，形成一定的真空度;第二階段為平衡，此時停止吸氣，多路換向閥4、8處于中位，此時壓縮空氣直接排入大氣;第三階段為檢測，同樣是通過差壓傳感器的示值變化來判斷是否存在泄漏;第四階段為回復，多路換向閥4 仍然處于中位，多路換向閥8的右位工作，使得外部空氣進入到被測件與標準件中。

3 系統仿真實驗及分析

為了得到多路換向閥對正負壓測漏系統工作特性的影響，應用AMESim仿真軟件建立出系統的仿真模型并進行仿真實驗，最后對實驗結果進行分析。對系統正壓檢測狀態進行實驗，實驗中壓縮空氣壓力為0.6 MPa，減壓閥調定后的壓力為0.4 MPa，當多路閥的開口面積為10 mm2，30 mm2，50 mm2，100 mm2，150 mm2，200 mm2時，分別對被測件(容積為1 L，2 L)進行檢測，其壓力的動態變化特征如表3、4 和圖2、3所示。

表3 被測件容積為1 L時的實驗結果

表4 被測件容積為2 L時的實驗結果

圖2 加壓時間比較圖

圖3 壓力增速比較圖

表3、表4即為多路閥的開口面積發生變化時，不同容積的被測件內壓力的動態變化特性。從表中可看出，多路閥的開口面積越小，被測件的加壓時間就越大，容器內的壓力變化就越緩慢。這是因為開口較小時，閥口對氣體形成了一定的節流作用，從而使出口氣體流量減小。而當閥口開口較大時，加壓所需要的時間就很短暫，此時閥口對氣體不會產生阻礙，從而節約了檢測時間。但閥口開度較大時，氣體流量過大，會對容器內的壓力平衡造成負面影響，使其平衡時間增加。所以，在設計閥口開度時，可依據上述仿真實驗，得到一個較佳的值域，即多路閥開口面積可在50～100 mm2之間。

圖2、圖3為多路閥的開口面積不同時，被測件容積為1 L、2 L的加壓時間和壓力增速動態變化的對比圖。從圖中不難看出，開口面積較小時加壓時間隨容積的增大而急劇增加，而開口面積較大時加壓時間受容積變化的影響不大，甚至可以達到相同的加壓時間。容器內的壓力增速，隨著容積的增大而減小。

4 結論

在現有單功能差壓氣體泄漏檢測儀的基礎上，設計了一種基于多路閥結構的正負壓綜合測漏系統，對此系統的工作原理進行了闡述。應用AMESim仿真軟件建立了系統的仿真模型，并進行仿真實驗，最后對實驗結果進行分析。根據實驗結果得出:在檢測容積不太大的密封件時，可依據上述仿真實驗，得出開口面積對檢測時的加壓時間與平衡時間均有影響(即開口面積越大，加壓時間就越短，平衡時間就會越長)，且能分析出一個較佳的開口度值域，即多路閥開口面積可在50～100 mm2之間。實驗得出的結果對設計多路閥閥口開度具有參考價值。

【1】唐月生，伍先達，李鋒，等.一種高精度微量氣體泄漏檢測儀的設計與研究[J].儀器儀表學報，2002，23(Z3):59－62.

【2】吳孝儉，閆榮鑫.泄漏檢測[M].北京:機械工業出版社，2005.

【3】胡浩，鐘麗瓊.差壓測漏儀微泄漏的建模與仿真[J].自動化儀表，2011，32(7):18－20.

【4】王金玲，張迎春，石全偉，等.燃油系統檢漏儀的研制[J].液壓與氣動，2006(10):35－27.

【5】詹長書，李軍，楊慶俊，等.汽車燃油系統測漏儀的研制及其應用[J].機床與液壓，2004(2):105－106.

【6】朱小明.氣壓檢漏儀的工作原理及其適用范圍[J].流體傳動與控制，2006(6):33－37.

【7】薛文寶，劉福萍.泄漏檢測儀原理分析[J].內燃機，2009(5):35－36.

【8】胡浩，鐘麗瓊，鄭瑜，等.一種正負壓綜合測漏系統的設計與研究[J].機械設計與制造，2011(10):33－35.

【9】SMC(中國)有限公司.現代實用氣動技術[M].北京:機械工業出版社，2004:409－416.