李曉旭,張弘一,付明東,馮 波,倪宏祥,張立佳,李 琳

(沈陽國儀檢測技術(shù)有限公司，遼寧沈陽 110043)

0 引言

產(chǎn)品的可靠性是系統(tǒng)安全保證的重要環(huán)節(jié)，承壓設(shè)備或管道的失效有可能對人體造成極大的傷害，氣體承壓設(shè)備失效產(chǎn)生爆破危害性更加強(qiáng)烈，為了保證氣體承壓設(shè)備或管道的安全性，對產(chǎn)品進(jìn)行承壓能力考核，進(jìn)行可靠性及壽命的能力驗(yàn)證尤顯重要。氣體脈動試驗(yàn)系統(tǒng)是針對產(chǎn)品使用環(huán)境條件，按設(shè)計(jì)波形施加多頻次脈沖，以考核產(chǎn)品耐受氣體反復(fù)壓力沖擊能力的試驗(yàn)系統(tǒng)。

傳統(tǒng)氣體脈動試驗(yàn)機(jī)原理為：通過氣驅(qū)或液驅(qū)方式將氣體壓縮，經(jīng)伺服閥調(diào)節(jié)，在試驗(yàn)腔體中產(chǎn)生壓力波動，實(shí)現(xiàn)波形的模擬控制，通過卸壓閥將試驗(yàn)氣體排到大氣中。一般可實(shí)現(xiàn)的波形包括正弦波、梯形波，試驗(yàn)介質(zhì)為空氣或氮?dú)狻１驹囼?yàn)系統(tǒng)采用氣體擴(kuò)散平衡原理，通過伺服控制及測量反饋，實(shí)現(xiàn)快變波形的控制，通過氣體回收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)氣體循環(huán)利用。此試驗(yàn)系統(tǒng)具有介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)正弦波、梯形波及水錘波等波形。

1 整體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 氣體脈動試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

氣體脈動試驗(yàn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，主要由控制系統(tǒng)、初級高壓腔、次級高壓腔、標(biāo)準(zhǔn)壓力腔、負(fù)壓氣體回收系統(tǒng)、電動增壓系統(tǒng)(增壓器、補(bǔ)壓器)、控制測量元件及管路組成。

電動增壓系統(tǒng)將介質(zhì)壓力升壓至5 MPa，注入到初級高壓腔中，通過控制系統(tǒng)設(shè)定壓力，將腔內(nèi)的氣體注入次級高壓腔(壓力為試驗(yàn)壓力上限的105%)，通過標(biāo)準(zhǔn)壓力腔兩端的伺服閥控制通斷，實(shí)現(xiàn)次級高壓腔內(nèi)的氣體擴(kuò)散至標(biāo)準(zhǔn)壓力腔，或?qū)?biāo)準(zhǔn)壓力腔內(nèi)的氣體擴(kuò)散至負(fù)壓氣體回收系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器實(shí)時(shí)測量反饋，采集信息輸入控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對波形的控制及擬合?；厥障到y(tǒng)的氣體通過電動增壓系統(tǒng)注入初級高壓腔，實(shí)現(xiàn)氣體循環(huán)使用。補(bǔ)壓器僅在氣體損耗造成氣壓不足的情況下工作。

圖1 氣體脈動試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計(jì)預(yù)設(shè)參數(shù)：波形為水錘波，試驗(yàn)壓力腔容積為0.2 L,標(biāo)準(zhǔn)傳感器容積為0.01 L，單個(gè)試件容積為0.05 L,脈動上限壓力為2.5 MPa，脈動下限壓力為0.1 MPa，頻率為2 Hz，脈沖上升時(shí)間為50 ms，脈沖下降時(shí)間為25 ms。

1.2 主要試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

1.2.1 “次級高壓腔-閥門-管路-標(biāo)準(zhǔn)壓力腔”加壓管路公稱直徑的計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)壓力腔容積：V標(biāo)準(zhǔn)=0.2+0.01×2+0.05×6=0.52 L。次級高壓腔壓力：2.6～3.0 MPa。

次級高壓腔通過閥門和管路向標(biāo)準(zhǔn)壓力腔充氣過程近似為絕熱過程，根據(jù)文獻(xiàn)[1]，管路中的氣體絕熱過程的質(zhì)量流量公式為

(1)

式中：G為質(zhì)量流量；D為管路的直徑；A為管路的截面面積；λ為管路的摩擦阻力系數(shù)；L為管路的長度；ρ為次級罐中的氣體密度；p次級罐為次級罐的氣體壓力；p標(biāo)準(zhǔn)腔為標(biāo)準(zhǔn)腔的氣體壓力；k為氣體的等壓熱容與等容熱容之比，對于空氣取值1.4。

由于閥門對于氣體流動產(chǎn)生的阻力可以等效看作具有一定長度的管路產(chǎn)生的阻力，因此，以上公式中與管路有關(guān)的組合2DA2/(λL)可以用閥門的參數(shù)來作等效的替換，這樣計(jì)算流量的方法是一種常見的工程方法。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，不同公稱直徑的電磁閥應(yīng)滿足一定的流量要求。液體或者不可壓縮氣體的流量公式為

(2)

式中CV為流阻系數(shù)。

設(shè)閥門公稱直徑為D，則

(3)

管道流動的壓差流量關(guān)系：

(4)

可以得出，閥門的流阻系數(shù)CV等效于λL/D。

系統(tǒng)總的流阻系數(shù)為電磁閥和連接管路的總和。由于閥門的損失與管路的損失為同一數(shù)量級，因此在計(jì)算中必須考慮管路。在質(zhì)量流量式(1)中，λL/D項(xiàng)由CV+λL/D來替代。本試驗(yàn)系統(tǒng)均采用不銹鋼管作為連接管件。

以采用DN10，管路長度0.5 m為例。

不銹鋼管粗糙度為0.046 mm,則相對粗糙度為0.046/10=0.004 6，根據(jù)粗糙管可以近似得出沿程阻力系數(shù)，粗糙管的沿程阻力系數(shù)由希弗林松公式給出[1]：

(5)

式中DN為公稱直徑。

根據(jù)式(5)計(jì)算出：λ=0.03。

而DN10電磁閥對應(yīng)的CV=8.16[根據(jù)式(3)]，0.5 m鋼管對應(yīng)λL/D=1.43，對于公稱直徑DN10的加壓管路系統(tǒng)，CV+λL/D=9.59。

式(1)中，如果知道次級高壓腔和標(biāo)準(zhǔn)腔的壓強(qiáng)，就可以計(jì)算出質(zhì)量流量。如果給出次級高壓腔和標(biāo)準(zhǔn)腔的體積和初始壓強(qiáng)，然后根據(jù)

(6)

式中：m為氣體質(zhì)量；G(t)為氣體質(zhì)量流量。

求解微分方程，可以得出任意時(shí)刻次級高壓腔和標(biāo)準(zhǔn)腔的壓強(qiáng)。要求當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)腔壓強(qiáng)由0.1 MPa增加到2.5 MPa的過程，所需要的時(shí)間不能超過50 ms。在計(jì)算中，次級高壓腔的壓強(qiáng)分別固定為3.0 MPa和2.6 MPa ，對應(yīng)的空氣密度為根據(jù)常壓0.1 MPa下空氣的密度 1.205 kg·m-3。

ρ=p×1.205/100 000

(7)

假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)腔中的氣體的溫度為常溫20 ℃，即T標(biāo)準(zhǔn)腔=293 K。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程[3]：

p標(biāo)準(zhǔn)腔V標(biāo)準(zhǔn)腔=mrT標(biāo)準(zhǔn)腔

(8)

(9)

式中r為理想氣體常數(shù)。

計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同通徑下次級罐在不同壓力下的充氣時(shí)間 s

由以上結(jié)果可知，公稱直徑DN15符合要求，對于次級罐壓強(qiáng)為2.6 MPa和3.0 MPa兩種工況，充氣時(shí)間均小于0.05 s。進(jìn)氣電磁閥及管路公稱直徑選取DN15。

1.2.2 “標(biāo)準(zhǔn)壓力腔-閥門-管路-負(fù)壓系統(tǒng)”卸壓管路公稱直徑的計(jì)算

卸荷電磁閥完全打開后，標(biāo)準(zhǔn)腔的高壓氣體流向負(fù)壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)卸壓，為了加速卸壓，負(fù)壓系統(tǒng)提供一定的真空度，幫助標(biāo)準(zhǔn)腔的壓強(qiáng)迅速下降(壓力下限值為2.5 MPa×0.5%=0.012 5 MPa)。質(zhì)量流量的公式為

(10)

其中λ等參數(shù)的定義計(jì)算方法參照1.1，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

可見，負(fù)壓腔的真空度選取0.1 MPa,80 kPa，50 kPa，或者100 Pa (絕對壓強(qiáng))，對于放氣時(shí)間的影響不大，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，排氣電磁閥選取DN50。為了回收工作氣體，負(fù)壓系統(tǒng)保持一定的真空度，絕壓可在0.1 MPa至50 kPa之間，為低真空段，對真空度要求較低。真空泵抽速計(jì)算需要根據(jù)排氣量來確定。每次排出氣體量為p標(biāo)準(zhǔn)腔V標(biāo)準(zhǔn)腔=2.5×0.52=1.3 MPa·L。對應(yīng)于負(fù)壓腔，以80 kPa的絕壓為例，抽速為

(11)

選用往復(fù)式真空泵即可，真空泵工作狀態(tài)可根據(jù)負(fù)壓氣體回收系統(tǒng)內(nèi)壓力控制。

1.2.3 增壓系統(tǒng)

采用電動增壓器,需要將氣壓增大到5 MPa，通常的一級空氣壓縮機(jī)出口壓強(qiáng)只能到0.8 MPa，為了達(dá)到5 MPa，需要中高壓壓縮機(jī)。選擇壓縮機(jī)需要滿足流量的要求，典型壓縮機(jī)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)見表3。增壓系統(tǒng)需要處理的氣體體積流量計(jì)算需要按照吸氣端即負(fù)壓腔的壓強(qiáng)。以負(fù)壓腔壓強(qiáng)80 kPa為例，S=32.5 L/s=1.95 m3/min。應(yīng)按照這個(gè)流量的和壓強(qiáng)的要求，選擇額定排氣壓強(qiáng)超過5 MPa的壓縮機(jī),并且氣體流量應(yīng)高于系統(tǒng)需求流量。

表3 典型壓縮機(jī)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

氣體脈動試驗(yàn)系統(tǒng)中，脈動的頻率2 Hz是系統(tǒng)最高的頻率，實(shí)際使用過程中可能取較低的頻率，當(dāng)頻率較低時(shí)，流量要求也相應(yīng)降低。為了節(jié)約能源，采取多個(gè)壓縮機(jī)并聯(lián)的方式得到不同的流量組合。如可以根據(jù)實(shí)際較多的脈動頻率選擇2臺排氣量為0.4 m3/min、1.1 m3/min的壓縮機(jī)組合。

對于試驗(yàn)啟動之前的充氣，需要從環(huán)境中引入空氣，這個(gè)過程對流量要求不高，可以選取流量較小的氣泵，只要滿足排氣壓力超過5.0 MPa。

1.2.4 “高壓罐初級壓力罐-閥門-管路-高壓罐次級

壓力罐”升壓管路公稱直徑的計(jì)算

本系統(tǒng)中對流量要求最高的就是氣體進(jìn)入或排出標(biāo)準(zhǔn)腔的過程。這是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)腔的最大氣體量p標(biāo)準(zhǔn)腔V標(biāo)準(zhǔn)腔=1.3 MPa·L，要在壓力脈沖的上升和下降的很短時(shí)間內(nèi)通過。這對于閥門和管路的流導(dǎo)要求很高，在前述計(jì)算中得出在標(biāo)準(zhǔn)腔的進(jìn)出口管路不超過0.5 m的情況下，閥門與管路的公稱直徑相當(dāng)大，特別是排出標(biāo)準(zhǔn)腔的過程，由于壓強(qiáng)差較小，排氣時(shí)間又很短，公稱直徑要求達(dá)到DN50。

一個(gè)壓力脈沖周期平均氣體量為

(12)

根據(jù)初級罐與次級罐之間的質(zhì)量流量的公式：

(13)

若初級罐與次級罐的體積相同，初級罐5 MPa向次級罐2.6 MPa充氣。

初級罐向次級罐的充氣流量保守估計(jì)計(jì)算如表4所示。

表4 不同通徑下理論充氣流量值 MPa·L/s

結(jié)果表明，即使是較小的公稱直徑DN4，充氣流量也滿足大于2.6 MPa·L/s的要求。另外，經(jīng)檢查，流速均小于聲速。

1.2.5 各腔體體積計(jì)算

腔體體積的計(jì)算主要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)腔消耗的氣體量計(jì)算。氣體脈沖流量雖然很大，但是充氣或放氣的時(shí)間卻很短。各腔體的容積主要起到對脈沖的緩沖作用，原則上只要腔體的容積能夠容納一個(gè)周期的氣體量，就滿足試驗(yàn)的要求。但是，如果容積只能容納一個(gè)周期的氣體量，則空氣壓縮機(jī)需要連續(xù)開啟，其流量需要精確滿足試驗(yàn)過程所需要的流量，這是不現(xiàn)實(shí)的。所以需要設(shè)置更多的容積，放松壓縮機(jī)工作的流量要求。

標(biāo)準(zhǔn)腔所排出氣體量p標(biāo)準(zhǔn)腔V標(biāo)準(zhǔn)腔=1.3 MPa·L，假設(shè)負(fù)壓腔輸入該氣體量，壓強(qiáng)由50 kPa升到0.1 MPa，則負(fù)壓腔所需的基礎(chǔ)容積為

(14)

標(biāo)準(zhǔn)腔每一次排氣，其壓強(qiáng)會上升50 kPa。為了減小壓縮機(jī)的流量要求，負(fù)壓腔的容積應(yīng)該在基礎(chǔ)容積之上乘以一定的倍數(shù)，建議取20倍基礎(chǔ)容積，即520 L。

對于次級罐，壓力由3.0 MPa下降到2.6 MPa，其基礎(chǔ)容積為

(15)

為了保證每次脈沖時(shí)次級罐的壓力變化幅度足夠小，建議取20倍基礎(chǔ)容積，即65 L。

1.2.6 標(biāo)準(zhǔn)壓力腔的設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)壓力腔體采用分體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

a—進(jìn)氣口；b—錐形擋板；c—試件工位；d—安全閥；e—試驗(yàn)腔；f—波形微調(diào)裝置；g—標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器工位圖2 標(biāo)準(zhǔn)壓力腔結(jié)構(gòu)圖

標(biāo)準(zhǔn)壓力腔體采用上下分體結(jié)構(gòu)，進(jìn)氣口a從腔體左側(cè)開口，進(jìn)入試驗(yàn)腔內(nèi)側(cè)上面中部位置，在腔內(nèi)進(jìn)口與出口中間設(shè)置錐形擋板b，發(fā)散式結(jié)構(gòu)用來緩沖進(jìn)氣壓力，減小脈沖試驗(yàn)進(jìn)氣瞬間氣體對壓力工位的強(qiáng)烈沖擊，減緩排氣閥受到進(jìn)氣的直接沖擊造成的閥體損傷，延長其使用壽命。標(biāo)準(zhǔn)腔體設(shè)置有安全閥d保證腔體運(yùn)行安全性、波形微調(diào)裝置f可對波形擬合度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使波形控制更加有效。8個(gè)壓力工位，其中2個(gè)工位為標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器工位g，6個(gè)為試件工位c，均布的標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器與工件使壓力傳感器測量的壓力值與工件感受的壓力值相同，測量結(jié)果真實(shí)性高。

1.2.7 控制系統(tǒng)及軟件設(shè)計(jì)

控制軟件采用PLC配套的組態(tài)軟件WinCC開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)波形的控制和顯示功能，有效地對試驗(yàn)過程進(jìn)行監(jiān)控，并自動生成報(bào)表，支持打印。主要功能模塊包括手動操作自動監(jiān)控模塊、試驗(yàn)流程單模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示模塊、數(shù)據(jù)查詢管理模塊、報(bào)表報(bào)告模塊、安全保護(hù)模塊等。

模塊化的程序編輯方式，有助于控制軟件的功能改進(jìn)及系統(tǒng)的升級，具有開放性。圖3為系統(tǒng)控制流程圖。

圖3 為系統(tǒng)控制流程圖

2 性能驗(yàn)證性試驗(yàn)

根據(jù)以上原理設(shè)計(jì)了一臺氣體脈動試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)系統(tǒng)的具體參數(shù)如下：

峰值壓力：2.5 MPa；調(diào)壓閥調(diào)節(jié)壓力范圍：0.1～5 MPa；壓力控制精度：±5%F·S；谷值：0.125 MPa；脈沖頻率：0.1～2Hz 可設(shè)定；測試介質(zhì)：空氣、氯氣及其他惰性氣體；壓力輸出工位：6工位；脈沖波形：正弦波、水錘波等(自由設(shè)定)；壓力測量精度：0.5%F·S；設(shè)備如圖4所示。

圖4 氣體脈動試驗(yàn)機(jī)

試驗(yàn)參數(shù)與條件：試件為傳感器，數(shù)量6支，容腔總體積為0.02 L，試驗(yàn)參數(shù)為壓力為1.5 MPa，頻率為0.5 Hz ，水錘波。

試驗(yàn)結(jié)果：在試驗(yàn)循環(huán)100 000次過程中，進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，設(shè)備噪聲范圍為46～73 dB，氣泵啟動頻次為12次，總時(shí)間為75 min，最長啟動時(shí)間4 min 25 s，最高運(yùn)行功率為275 W，波形符合度87%，最高壓力下的最大壓力偏差率為13%。

從以上結(jié)果看，本設(shè)計(jì)方案合理，噪音低，環(huán)保，波形擬合度高?？梢杂糜趥鞲衅骷皟x器儀表的壓力脈動試驗(yàn)。

3 結(jié)論

(1)高響應(yīng)氣體脈動試驗(yàn)系統(tǒng)采用了流體擴(kuò)散原理進(jìn)行壓力擬合，通過伺服閥的開度控制，可實(shí)現(xiàn)正弦波、水錘波等波形的擬合。

(2)基于流體動力方程，對各級壓力腔體及管路參數(shù)進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，并通過增壓及泄放復(fù)合方式，實(shí)現(xiàn)脈動頻率可調(diào)。

(3)通過試驗(yàn)驗(yàn)證，在設(shè)定條件下，設(shè)備可實(shí)現(xiàn)100 000次可靠運(yùn)行，且在運(yùn)行過程中，設(shè)備噪聲、波形擬合度均能滿足壓力傳感器的脈動試驗(yàn)技術(shù)要求。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)為各種條件下的脈動試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了良好的基礎(chǔ)，為進(jìn)一步開發(fā)環(huán)保、可靠、適應(yīng)性強(qiáng)的脈動試驗(yàn)機(jī)提供了經(jīng)驗(yàn)保障。