孔 明,丁 超,趙 軍
(中國(guó)計(jì)量學(xué)院 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,杭州 310018)
熱力膨脹閥是空調(diào)制冷系統(tǒng)中四大部件之一,負(fù)責(zé)把制冷劑從冷凝壓力降至蒸發(fā)壓力,并按比例對(duì)制冷劑流量加以控制,熱力膨脹閥性能的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能,其中熱力膨脹閥的工作壽命能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求,更是對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行壽命、制冷效果、運(yùn)行成本具有重要的意義[1]。目前國(guó)內(nèi)熱力膨脹閥的產(chǎn)量很大,但性能檢測(cè)技術(shù)相對(duì)落后,其中檢測(cè)效率較低、穩(wěn)定性差、檢測(cè)精度低等問(wèn)題相對(duì)突出,無(wú)法滿足大批量檢測(cè)的要求。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)的實(shí)際需求,研發(fā)了一套多工位熱力膨脹閥工作壽命自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)熱力膨脹閥工作壽命自動(dòng)檢測(cè)和評(píng)價(jià),滿足企業(yè)需求。
熱力膨脹閥的工作壽命的檢測(cè)原理是通過(guò)快速地對(duì)熱力膨脹閥反向充放氣,模擬熱力膨脹閥反復(fù)開閉的工作狀態(tài),在多次開閉動(dòng)作后,檢測(cè)熱力膨脹閥是否還能正常工作,即檢測(cè)熱力膨脹閥的靜止過(guò)熱度是否能達(dá)到初始設(shè)定值。根據(jù)上述檢測(cè)原理,熱力膨脹閥工作壽命檢測(cè)氣路如圖1所示。
圖1 熱力膨脹閥工作壽命檢測(cè)氣路Fig.1 Working life of the thermal expansion valve testing gas circuit diagram
檢測(cè)氣路的工作流程為工作時(shí),關(guān)閉進(jìn)氣閥1以封閉閥進(jìn)口端,把感溫包放置在0℃的恒溫槽內(nèi),打開進(jìn)氣閥2將氣體由外平衡管通入到膨脹閥膜片或波紋管下側(cè)使閥關(guān)閉,然后關(guān)閉進(jìn)氣閥2,打開排氣閥,反復(fù)使膜片全行程上下運(yùn)動(dòng),膨脹閥反復(fù)開閉,反復(fù)動(dòng)作100000次[2]。調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥2的開閉時(shí)間并控制氣體壓力按一定頻率高低變化,通過(guò)壓力控制器檢測(cè)氣壓的高低變化,并用計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)氣壓的高低變化次數(shù),即可統(tǒng)計(jì)出膨脹閥的作動(dòng)次數(shù)。
完成上述工序后,關(guān)閉進(jìn)氣閥2,打開進(jìn)氣閥1,感溫包放置在0℃恒溫槽內(nèi),調(diào)節(jié)比例閥使閥前端壓力值P1保持恒定,讀取閥后壓力傳感器2的壓力值P2,即可確定靜止過(guò)熱度[3]。從而判斷經(jīng)工作壽命檢測(cè)后的膨脹閥的靜止過(guò)熱度是否符合設(shè)定值,即判斷該熱力膨脹閥的工作壽命是否符合要求。
本文研究的熱力膨脹閥工作壽命檢測(cè)系統(tǒng),以PLC作為控制與數(shù)據(jù)采集處理中心,控制進(jìn)氣閥2的通斷,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的充放氣過(guò)程;采集壓力控制監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及計(jì)數(shù)器所統(tǒng)計(jì)的熱力膨脹開閉作動(dòng)次數(shù),通過(guò)顯示屏顯示;通過(guò)壓力傳感器檢測(cè)膨脹閥空氣作動(dòng)值,即可得到靜止過(guò)熱度。該系統(tǒng)的組成框圖如圖2所示,主要傳感器性能參數(shù)如下:
壓力傳感器本系統(tǒng)采用MEAS-M5100壓力傳感器,壓力檢測(cè)范圍為0~2.07 MPa,精度為±0.25%FS,同時(shí)采用4~20 mA的輸出方式,將檢測(cè)系統(tǒng)管道內(nèi)的氣體壓力值轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出,用以讀取氣路管道中的壓強(qiáng)并輔助判斷膨脹閥是否關(guān)閉。
壓力控制器本系統(tǒng)采用BL-YX18-X型智能壓力控制器,壓力控制范圍為-0.1~60 MPa, 控制精度為±0.5%FS,具有壽命長(zhǎng)的特點(diǎn),適用于作動(dòng)壓力反復(fù)變化的工作條件,同時(shí)其輸出2路開關(guān)量和1路模擬量,便于計(jì)數(shù)器對(duì)作動(dòng)壓力變化次數(shù)統(tǒng)計(jì)。
電氣比例閥本系統(tǒng)采用TYPE-3000電氣比例閥,輸出壓力范圍為0~4 MPa,控制精度為±0.2%FS,輸入命令信號(hào)為0~10 VDC或4~20 mA,適用于PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)供氣氣壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制[4]。
圖2 硬件系統(tǒng)組成Fig.2 Hardware system composition
目前,熱力膨脹閥多為大批量生產(chǎn),熱力膨脹閥的工作壽命性能的檢測(cè)多為抽檢的方式,為了提高檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)效率,本系統(tǒng)采用多工位多氣路綜合控制的設(shè)計(jì)方案,能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)檢測(cè)多個(gè)熱力膨脹閥的工作壽命,并做出評(píng)價(jià),從而達(dá)到高效準(zhǔn)確的檢測(cè)目的[5]。
本系統(tǒng)采用PLC作為運(yùn)行控制及數(shù)據(jù)處理中心,檢測(cè)系統(tǒng)的軟件采用梯形圖的編程語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。軟件系統(tǒng)主要由主程序及2個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目的子程序組成,其中主程序的基本流程如圖3所示。檢測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)后,首先對(duì)各硬件設(shè)備進(jìn)行初始化,然后進(jìn)入主程序界面,對(duì)各個(gè)工位的工作狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定,未處在工作狀態(tài)的工位無(wú)法進(jìn)行充氣操作。工位的工作狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定完成后,選擇所要檢測(cè)的熱力膨脹閥性能參數(shù)即工作壽命和靜止過(guò)熱度,完成檢測(cè)項(xiàng)目的選擇后,系統(tǒng)開始執(zhí)行對(duì)所選性能參數(shù)的檢測(cè),完成性能檢測(cè)后,根據(jù)獲得的檢測(cè)結(jié)果,對(duì)檢測(cè)的熱力膨脹閥性能是否合格做出判斷,對(duì)于檢測(cè)不合格的熱力膨脹閥,其所處的工位作報(bào)警提示。最后將檢測(cè)數(shù)據(jù)及結(jié)果存儲(chǔ)并生成報(bào)表。
圖3 主程序流程Fig.3 Main program flow chart
熱力膨脹閥工作壽命檢測(cè)的程序流程如圖4所示。進(jìn)入工作壽命檢測(cè)子程序后,需對(duì)電氣比例閥1的輸出氣壓值(即工作壽命檢測(cè)充氣氣壓)、作動(dòng)次數(shù)和電氣比例閥2的輸出氣壓值(即靜止過(guò)熱度檢測(cè)充氣氣壓)進(jìn)行設(shè)置,設(shè)置完成后打開進(jìn)氣閥2進(jìn)行充氣,并通過(guò)壓力傳感器2對(duì)管道內(nèi)氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),當(dāng)壓力傳感器2檢測(cè)到的壓力值P2達(dá)到充氣氣壓設(shè)定值時(shí),關(guān)閉進(jìn)氣閥2進(jìn)行保壓待氣壓穩(wěn)定后,打開排氣閥排氣,膨脹閥完成一次作動(dòng),壓力控制產(chǎn)生一個(gè)開關(guān)量,計(jì)數(shù)器值加1[6]。按照此流程循環(huán)多次,當(dāng)循環(huán)次數(shù)N到達(dá)設(shè)定值后進(jìn)行靜止過(guò)熱度檢測(cè),以判斷經(jīng)過(guò)工作壽命試驗(yàn)后的膨脹閥是否仍能正常工作(即靜止過(guò)熱度值是否在出廠設(shè)定范圍內(nèi))。
圖4 工作壽命檢測(cè)流程Fig.4 Flow chart of testing working life
靜止過(guò)熱度檢測(cè)的程序流程如圖5所示。進(jìn)入靜止過(guò)熱度檢測(cè)子程序后,需對(duì)電氣比例閥2的輸出氣壓值 (即靜止過(guò)熱度檢測(cè)充氣氣壓)和所檢測(cè)的膨脹閥出廠靜止過(guò)熱度值進(jìn)行設(shè)置,設(shè)置完成后打開進(jìn)氣閥1進(jìn)行充氣,并通過(guò)壓力傳感器1對(duì)管道內(nèi)氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),當(dāng)壓力傳感器1檢測(cè)到的壓力值P1達(dá)到充氣氣壓設(shè)定值時(shí),關(guān)閉進(jìn)氣閥1進(jìn)行保壓待氣壓穩(wěn)定后,讀取壓力傳感器2所檢測(cè)到的壓力值即熱力膨脹閥的實(shí)際靜止過(guò)熱度值[7]。
圖5 靜止過(guò)熱度檢測(cè)流程Fig.5 Flow chart of testing static superheat
為了測(cè)試熱力膨脹閥綜合檢測(cè)系統(tǒng)的性能,對(duì)EBH-10M152型熱力膨脹閥進(jìn)行了工作壽命和靜止過(guò)熱度(空氣作動(dòng)值)的性能測(cè)試,分別從工作壽命檢測(cè)的作動(dòng)頻率及檢測(cè)時(shí)間和靜止過(guò)熱度檢測(cè)精度來(lái)評(píng)價(jià)測(cè)試系統(tǒng)的性能。
首先對(duì)熱力膨脹閥進(jìn)行充氣,充氣氣壓為0.4 MPa,以確定管道內(nèi)氣壓達(dá)到穩(wěn)定值所需時(shí)間[8]。根據(jù)壓力傳感器2所監(jiān)測(cè)到的管道內(nèi)氣壓變化如圖6所示,可以看出開始充氣后,管道內(nèi)氣壓迅速升高,由于進(jìn)氣氣流的沖擊造成管道內(nèi)氣壓短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)較強(qiáng)的波動(dòng),經(jīng)過(guò)1.8 s后氣壓逐漸趨于平穩(wěn),穩(wěn)定在0.4063 MPa左右。經(jīng)過(guò)1.2 s的保壓后進(jìn)行排氣,完成一個(gè)作動(dòng)的時(shí)間在4 s左右。
圖6 氣壓變化Fig.6 Pressure variation
由上述過(guò)程可以推出本測(cè)試系統(tǒng)的理論作動(dòng)頻率為15次/min。在實(shí)際的測(cè)試中,分別對(duì)熱力膨脹閥進(jìn)行 1000次、5000次、10000次、50000次、100000次作動(dòng)試驗(yàn),記錄各自所需時(shí)間,計(jì)算作動(dòng)頻率,試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 作動(dòng)時(shí)間和頻率Tab.1 Actuation time and frequency
隨著作動(dòng)次數(shù)的增加各電磁閥不斷地開閉,電磁閥的氣密性勢(shì)必受到影響,增加從充氣到氣壓平衡的時(shí)間,因此會(huì)造成作動(dòng)頻率的下降,但是,熱力膨脹閥作動(dòng)100000次所需時(shí)間136 h 26 min 43 s,作動(dòng)頻率13.5次/min,仍然符合JB/T 3548-2013標(biāo)準(zhǔn)中的作動(dòng)頻率不低于10次/min的要求。本測(cè)試系統(tǒng)可以同時(shí)檢測(cè)20個(gè)熱力膨脹閥,從而提高熱力膨脹閥工作壽命檢測(cè)的效率,彌補(bǔ)100000次作動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)對(duì)檢測(cè)效率造成的影響。
空氣作動(dòng)值與靜止過(guò)熱度從本質(zhì)上來(lái)講是同一個(gè)概念,由于空氣作動(dòng)值為壓力值便于檢測(cè)[10]。因此,目前熱力膨脹閥的生產(chǎn)企業(yè)多采用壓力值來(lái)表示靜止過(guò)熱度。本測(cè)試系統(tǒng)亦采用這種檢測(cè)方式對(duì)熱力膨脹閥的靜止過(guò)熱度值進(jìn)行檢測(cè)。
測(cè)試實(shí)驗(yàn)選取一經(jīng)過(guò)檢定的熱力膨脹閥作為測(cè)試對(duì)象,其靜止過(guò)熱度值為0℃作動(dòng)值:0.130 MPa[9]。實(shí)驗(yàn)時(shí)將感溫包放置在0℃恒溫槽內(nèi),調(diào)節(jié)比例閥使充氣氣壓為1.03 MPa,待閥前端壓力值達(dá)到穩(wěn)定時(shí),讀取閥后壓力傳感器2的壓力值P2,即可確定靜止過(guò)熱度。多次測(cè)量后得到的靜止過(guò)熱度數(shù)值如表2所示。
經(jīng)過(guò)10次測(cè)量所得結(jié)果的平均值為0.1301 MPa,絕對(duì)測(cè)量誤差均在±0.003 MPa范圍內(nèi),相對(duì)誤差絕對(duì)值均小于1%,由此可以看出本系統(tǒng)對(duì)靜止過(guò)熱度檢測(cè)能夠達(dá)到較高檢測(cè)精度,同時(shí)測(cè)量的重復(fù)性為0.0002 MPa,具有較好的測(cè)量重復(fù)性。
本文設(shè)計(jì)了一套熱力膨脹閥工作壽命檢測(cè)系統(tǒng),將熱力膨脹閥進(jìn)行工作壽命作動(dòng)試驗(yàn)和靜止過(guò)熱度測(cè)試整合到同一臺(tái)檢測(cè)設(shè)備上,能夠快速高效地進(jìn)行工作壽命作動(dòng)試驗(yàn),并對(duì)熱力膨脹閥的工作壽命是否符合要求做出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)??傮w上來(lái)看,本測(cè)試系統(tǒng)具有效率高、準(zhǔn)確度高、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn),保證了熱力膨脹閥的質(zhì)量指標(biāo),降底了熱力膨脹閥的檢測(cè)成本。
表2 靜止過(guò)熱度測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.2 Static superheat test data
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