氣動(dòng)元件流量特性測(cè)試自動(dòng)化系統(tǒng)研究

司 冀

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065）

0 引 言

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

ISO 6358標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)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(kāi)度來(lái)改變下游壓力p2，手工記錄測(cè)試結(jié)果不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力耗費(fèi)能源，而且測(cè)量精度較低。為消除這些弊端，本文對(duì)ISO 6358測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了有效改進(jìn)，使其自動(dòng)化程度更高、省時(shí)省力、自動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 ISO 6358標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

1.1 測(cè)試方法

壓縮空氣流過(guò)氣動(dòng)元件時(shí)，按定常流法測(cè)定額定流量下氣動(dòng)元件上下游的壓力降，作為該元件的流量特性指標(biāo)。測(cè)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(cè)試氣路

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

圖2 氣動(dòng)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(dòng)元件單位上游壓力所允許通過(guò)的最大體積流量。該值越大，說(shuō)明氣動(dòng)元件的流量性能越好。b值反映氣動(dòng)元件達(dá)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(shuō)明氣動(dòng)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(shí)，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(guò)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(guò)元件的質(zhì)量流量（kg·s-1）；C為聲速流導(dǎo)（m3·s-1·Pa-1）；ρa(bǔ)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣密度（1.185 kg·m-3）；p1為被測(cè)元件上游管道內(nèi)靜壓力（Pa）；T1為氣動(dòng)元件上游管道內(nèi)的靜溫度（K）；p2為氣動(dòng)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(dòng)時(shí)b=0.528。

當(dāng)1≥p2/p1≥b時(shí)，元件內(nèi)處于亞聲速態(tài)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6358假設(shè)通過(guò)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(dòng)元件流量特性的兩個(gè)特性參數(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得到C值和b值，按照式（1）和（3）可計(jì)算出氣動(dòng)元件在任何壓差下的質(zhì)量流量[4,5]。

1.2 試驗(yàn)意義

如圖2所示，氣動(dòng)元件的流量特性曲線大致分為兩段：一段是當(dāng)p2/p1≤b時(shí)的聲速流；另一段是當(dāng)1≥p2/p1≥b時(shí)流量曲線近似于四分之一橢圓的亞聲速流。在精密機(jī)械系統(tǒng)中，多數(shù)氣動(dòng)元件的動(dòng)作過(guò)程均包含以上兩種過(guò)程，建立氣動(dòng)元件流量曲線測(cè)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(jì)。

2 新測(cè)試系統(tǒng)介紹

ISO6358規(guī)定的測(cè)試方法實(shí)驗(yàn)效率低且耗費(fèi)能源。本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，具有自動(dòng)化程度高、省時(shí)省力、自動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等功能。

2.1 原理圖

新測(cè)試系統(tǒng)的原理圖如圖3所示。

圖3 新測(cè)試系統(tǒng)原理圖

2.2 測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由研華610工控機(jī)，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(dòng)元件表見(jiàn)表1所列。

2.3 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采用NI公司研發(fā)的LabVIEW作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，編寫(xiě)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(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)數(shù)值；

區(qū)域3：流量特性測(cè)試的設(shè)定模塊，用于指定測(cè)試壓力、調(diào)節(jié)精度及測(cè)定點(diǎn)個(gè)數(shù)；

區(qū)域4：顯示采集過(guò)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(chǔ)。

表1 流量特性測(cè)試系統(tǒng)所需元器件列表

圖4 流量特性測(cè)試系統(tǒng)軟件前面板圖

另外，四個(gè)曲線顯示圖表分別顯示氣動(dòng)元件上游和下游壓力、氣體瞬時(shí)溫度和流過(guò)元件的瞬時(shí)流量隨時(shí)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(guò)程序計(jì)算，并用點(diǎn)線方式通過(guò)LabVIEW的XY圖表將下上游壓力比和流量的關(guān)系顯示出來(lái)。測(cè)試系統(tǒng)軟件部分程序框圖如圖6所示[8,9]。

3 基于新測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)改進(jìn)的系統(tǒng)搭建試驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試換向閥閥芯在不同開(kāi)度、不同上游壓力下，下上游壓力比p2/p1與流過(guò)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(kāi)度和壓力下?lián)Q向閥流量曲線圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)ISO 6358測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，并以直角邊換向閥為對(duì)象做了測(cè)試，結(jié)論如下：

（1）依據(jù)ISO 6358標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)其規(guī)定的測(cè)定元件流量特性的系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，編寫(xiě)了測(cè)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(jìn)的測(cè)試系統(tǒng)可高效、快速地繪制出氣動(dòng)元件的流量特性曲線，并自動(dòng)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出被測(cè)氣動(dòng)元件的流量特性參數(shù)。

[1] SMC（中國(guó)）有限公司.現(xiàn)代實(shí)用氣動(dòng)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：51-58．

[2]趙明，周洪，陳鷹.氣動(dòng)元件流量特性各種定義的分析比較[J].液壓氣動(dòng)與密封，2002（4）：1-6．

[3]蔡茂林.現(xiàn)代氣動(dòng)技術(shù)理論與實(shí)踐第一講：氣動(dòng)元件的流量特性[J].液壓氣動(dòng)與密封，2007，27（2）：44-48.

[4]史佚，陳乾斌，司冀.氣動(dòng)元件等溫流動(dòng)近似流量公式的探討[J].液壓氣動(dòng)與密封，2010，30（9）：19-22．

[5]盛祥耀，胡金德，陳魁，等.數(shù)學(xué)手冊(cè)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004．

[6]楊樂(lè)平，李海濤，趙勇.LabVIEW高級(jí)程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003．

[7]陳樹(shù)學(xué)，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011．

[8]陳玲，孫冬梅，朱靳.基于LabVIEW的風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2012，39（6）：777-780．

[9]張?zhí)m勇，孫健，孫曉云，等.LabVIEW程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與提高[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013．