氣動元件流量特性分析及實驗研究

張虹虹,李澤清,吳博,史維祥

(西安交通大學機械工程學院氣動技術中心,710049,西安)

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氣動元件流量特性分析及實驗研究

張虹虹,李澤清,吳博,史維祥

(西安交通大學機械工程學院氣動技術中心,710049,西安)

針對氣動元件流量特性曲線的形狀、形成機理以及ISO6358標準中測試方法存在的問題,運用理論與實驗相結合的方法,研究了臨界壓力比兩種取值方法間的關系,發現了特性曲線中流量不變段與下降段的分界點并不是元件內聲速流與亞聲速流的轉折點,提出在氣動元件流量特性的測試中,須對被測元件的上、下游壓強進行補償。實驗結果表明:特性曲線中的下降段部分近似為橢圓曲線,臨界壓力比兩種取值結果間的差值約為0.15,特性曲線中的下降段并不只代表亞聲速流態,還包含了由超聲速變化到聲速的過程,忽視壓強補償導致測試結果的誤差達15%以上。

流量特性曲線;曲線形成機理;臨界壓力比

隨著氣動技術的發展,氣動元件的應用越來越廣泛。通常表達氣動元件性能的指標有多種,其中以流量特性最為重要[1-3],它指的是元件進出口兩端的壓強降、元件的有效截面積與流經該元件的流量之間的關系,就相當于電氣元件中電壓、電阻與電流的關系,是氣動元件最基本的特性。

西安交通大學氣動技術中心已經對氣動元件的流量特性進行了多年的研究并取得了一些重要成果。

1 流量特性曲線的研究

1.1 關于流量計算公式

圖1 氣動元件流量特性曲線

目前,氣動界公認對于同一元件,上游壓力和溫度一定時,當元件的背壓比P2/P1

(1)

當b

(2)

式中:S表示元件有效截面積;P1和P2分別表示元件上、下游壓強;m為亞聲速指數,用于表征流量下降段的形狀。

由式(2)可知,若能得到指數m=0.5,則可以證明氣動元件的流量特性曲線中流量下降段的形狀近似為橢圓。本文針對14個不同尺寸的氣動小孔做了大量實驗研究,并利用ISO6358標準規定的計算方法[4],得到了各個小孔的m值,見表1,其中d表示氣動小孔的內徑。

表1 氣動小孔的亞聲速指數m

由表可見,所有被測氣動小孔的m值均位于0.5附近,誤差分布在0.8%～5%之間,這與理論推導的結果[5]基本一致,亦即本中心從理論和實驗兩方面均證實了氣動元件流量特性曲線中流量下降段的形狀近似為橢圓。

1.2 臨界壓力比

根據ISO6358標準的規定,臨界壓力比是氣動元件的流量特性曲線上流量不變段和流量下降段的分界點所對應的背壓比,它表征了氣動元件流量下降段的起始點,是氣動元件非常重要的特性參數之一。

圖2 臨界壓力比兩種取值方法間的結果比較

綜上所述,對于氣動小孔臨界壓力比兩種取值方法間具體關系的這一發現具有非常重要的理論及實用價值,同時,這一現象也值得在各種氣動閥上展開進一步的研究。

2 流量特性曲線形成機理的新認識

如前所述,氣動元件的流量特性曲線由流量不變段和下降段(近似橢圓狀)兩部分組成。目前氣動界公認,流量不變段是由于當氣流處于超臨界狀態時,P2的擾動無法傳至節流口處,故流量不隨P2/P1的變化而變化;而下降段是由于氣流在亞臨界狀態時,P2的擾動能傳至上游節流口處,從而導致流量隨P2/P1的增大而下降。因此,流量不變段和下降段的分界點也被認為是元件中氣流從超臨界狀態變化到亞臨界狀態的過渡點。

為了檢驗上述觀點是否正確,本文嚴格從超臨界狀態與亞臨界狀態過渡點的物理意義出發,首先,計算被測元件在臨界狀態(氣流流速v=340 m/s)下應有的流量值;然后,在其特性曲線上找到與該流量值對應的點,即為超臨界狀態與亞臨界狀態的過渡點。為便于區分,采用符號b″來表示該過渡點所對應的壓強比,而b?則表示特性曲線上流量不變段與下降段的分界點,如圖3所示。

圖3 某氣動小孔b?和b″的比較

由圖中數據可見,氣動元件真實的超臨界狀態與亞臨界狀態的過渡點b″和特性曲線上流量不變段與下降段的分界點b?差別很大。此外,當元件內的氣流流速遠大于聲速時,流經元件的氣流量已開始隨P2/P1的增大而逐漸下降。這些現象都與上述公認的氣動元件流量特性曲線的形成機理不符。

為了進一步研究曲線的形成機理,本文基于ISO6358標準,在被測元件的下游連接了長為L的測試長管,并在長管的首、尾兩端分別安裝有壓強計,如圖4所示。

1:氣源;2:過濾器;3:減壓閥;4:流量計;5:上游測壓管;6:過渡管;7:被測元件;8:下游測壓管;9:測試長管;10:節流閥;11:上游壓強計;12:前端壓強計;13:尾端壓強計圖4 特性曲線形成機理研究回路

圖5 長管前端壓強和氣流流速隨尾端壓強的變化規律

綜上所述,本文通過大量實驗與理論研究,從3個方面均證明了目前關于氣動元件流量特性曲線形成機理的認識與事實不相符。為此,本文針對氣動元件流量特性曲線的形成機理提出下列新觀點,以供討論。

圖6 可壓縮氣體流經節流孔的示意圖

如圖6所示,氣體從節流孔噴出時存在射流力作用,當下游壓強P2較小時,此射流力及部分上游壓強P1可以將P2抵消掉,使圖中節流孔出口處的S區域形成P″2≈0.1 MPa,即接近大氣壓。因此,只要P2在某個可以被射流力及部分上游壓強抵消掉的壓強范圍內,S區域總會出現上述接近大氣壓的環境,導致S區域與P1間的壓差保持不變,從而形成了特性曲線上的流量不變段。而隨著P2的繼續增大,射流力和部分P1只能抵消部分P2,使得P″2逐漸增大,導致S區域與P1間的壓差變小,從而造成流量不斷下降,直至P″2=P1時,流量變為0。

從上述新觀點中可以看出,氣動元件流量特性曲線中流量不變段的形成與氣動節流孔出口處形成的射流力大小密切相關。當節流孔的通流面積只略小于其下游管道面積,而不能形成足夠的射流力時,將使得下游壓強P2無法被全部抵消,從而導致特性曲線上將不會出現流量不變段,這一現象在油壓錐閥的實驗中同樣存在。

3 對國際標準中實驗方法的商榷

3.1 關于壓強補償問題的研究

ISO6358標準規定的定壓法測試元件流量性能的回路[7]如圖7所示。

1:氣源;2:過濾器;3:減壓閥;4:流量計;5:上游測壓管;6:過渡管;7:被測元件;8:下游測壓管;9:節流閥;10:溫度計;11:上游壓強計;12:下游壓強計圖7 ISO6358標準中的實驗裝置回路

由圖7可見,實驗中測得的壓強分別是上、下游測壓管處的壓強值,與被測件真實的進出口壓強有差別。尤其對于一些結構較復雜的被測氣動元件,由于其與上、下游過渡管進行連接時,在結構上存在某些干涉,必須在上、下游過渡管與被測氣動元件的接口之間各自加入一段起過渡作用的配管,如圖8所示。在這種情況下,被測元件上、下游壓強的實測點與其真實進出口之間存在較長的間隔距離,由于回路內壓強損失的存在,使得利用圖7所示裝置測得的壓強值與被測元件真實的進出口壓強相差較大,而且這種差別會隨著回路流量的增大而變大,最終導致實驗結果與元件真實的流量特性不相符,故不能忽略。

1:測壓管;2:過渡管;3:上游過渡配管;4:下游過渡配管;5:被測元件圖8 過渡管與某被測件連接的示意圖

為了驗證上述壓強損失的存在,并得到回路流量與壓強損失間的關系,本文將被測元件從圖7的實驗回路中去除,以測量回路流量與上、下游測壓管間的壓強損失P1-P2,實驗分析結果如圖9所示。

圖9 兩個測壓管間的壓強損失與流量的關系

從圖中曲線可以清晰地看出,隨著流量的增大,兩測壓管間的壓強損失逐漸變大。因此,本文認為在圖8所示的情形下,為了得到被測元件真實的流量特性,應該對實驗測得的壓強值進行相應的補償。

設被測元件上下游的實測壓強別為P1和P2,真實壓強為P1t和P2t,無被測件時,上、下游測壓管間的壓強損失為ΔP,上游測壓管到被測元件間的壓強損失為ΔP1,被測元件到下游測壓管的壓強損失為ΔP2。由于上游測壓管到被測元件與被測元件到下游測壓管間的回路內部結構基本一樣,因此,當氣流流過時,兩段回路中的沿程壓強損失和局部壓強損失基本一樣[8],故有ΔP1=ΔP2=ΔP/2。

具體補償方法為:首先通過去除被測件的方法得到類似于圖9所示的關系曲線;然后從關系曲線中找到與各實驗流量一一對應的壓強損失值ΔP;最后,由于實測壓強P1是忽略了上游測壓管到被測元件的壓強損失,而P2則是多加了被測元件到下游測壓管間的壓強損失,因此為了得到其真實的上下游壓強值,需分別根據式(3)、(4)對其進行補償

(3)

(4)

圖10所示是某氣動小孔進行壓強補償前、后流量特性曲線的對比圖。

圖10 壓強補償前后流量特性曲線對比圖

由圖10可見,補償后的特性曲線較補償前明顯右移,且回路流量越大,P2/P1和P2t/P1t之間的差別越明顯。當回路流量約為940 L/min時,該誤差值達到15%,這就進一步說明了壓強補償的必要性。

綜上所述,為了避免研究過程中存在不應有的誤差,本文建議ISO6358標準針對如圖8所示的某些氣動元件在測試其流量特性時,規定上、下游壓強損失不允許超過的數值,或進行關于“壓強補償”的補充說明。

4 結 論

本文根據ISO6358標準的規定,通過大量的實驗研究與理論分析,得到了以下4個重要結論:

(1)利用理論分析與實驗研究相結合的方法,得到氣動元件的亞聲速指數m≈0.5,證明了流量特性曲線中流量下降段的形狀近似為橢圓曲線。

(2)通過比較關于臨界壓力比b的兩種取值方法,發現兩組結果之間的差值與小孔的內徑、長度以及上游壓強等因素基本無關而近乎于常數0.15。這一發現可以提高臨界壓力比的取值效率,具有很重要的實用價值。

(3)發現了目前氣動元件流量特性曲線形成機理(即聲速流態下,下游壓強的變化無法傳至上游)存在的問題:首先,流量特性曲線上流量不變段與下降段的分界點與元件內超臨界狀態與亞臨界狀態的過渡點差別很大;其次,下游壓強P2的變化始終能沿著回路向上傳播,即使回路內氣流處于超臨界狀態;最后,氣動元件流量特性曲線上的下降段并不只代表亞臨界狀態,其中還包含了一段由超臨界變化到臨界狀態的過程。這就從根本上否定了現有的公認理論,并為此提出了新的觀點以供討論。

(4)針對目前ISO6358標準對氣動元件流量特性測試方法的規定中存在的不足,研究并提出了“壓強補償”的完善意見。

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(編輯 武紅江)

Study on Flow-Rate Characteristics and Test Methods of Pneumatic Components

ZHANG Honghong,LI Zeqing,WU Bo,SHI Weixiang

(Pneumatic Technology Research Center of School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

A theoretical-experimental method is used to study the shape, forming mechanism of flow-rate characteristic curves and some existing problems of test methods specified in ISO6358. It is found out that the cut-off point of the flow-rate in characteristic curve is obviously different from the transitional point of airflow velocity in pneumatic components by studying the relationship between two different methods to calculate critical back-pressure ratios. Moreover, it is proposed that it is necessary to compensate the measured upstream and downstream pressures of components under test. The experimental results show that the difference between critical back-pressure ratios obtained from the two methods is about 0.15, and the fallen section of the flow-rate characteristic curve includes not only the state of subsonic but also a change process from supersonic to sonic. Furthermore, the subsonic indexm≈0.5, that is, the fallen section of the curve is an approximate elliptic curve. It is also found out that a 15% error appears when the influence of pressure compensation is ignored.

flow-rate characteristic curve; forming mechanism; critical back-pressure ratio

2015-02-03。 作者簡介:張虹虹(1989—),女,碩士生;史維祥(通信作者),男,教授,博士生導師。

時間:2015-07-17

10.7652/xjtuxb201508011

TH138

A

0253-987X(2015)08-0064-05

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150717.1718.002.html