徐寅華 王 婧

上海市塑料研究所有限公司 （上海 200090）

以聚四氟乙烯（PTFE）為內(nèi)管材料制造的聚四氟乙烯軟管組件（以下簡稱“軟管組件”）是一種耐高溫、耐高壓、耐高腐蝕性液體或氣體介質(zhì)的傳輸管材，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。軟管組件被廣泛應(yīng)用在航空航天飛行器的液壓、伺服機(jī)構(gòu)的控制、滑油及燃油等系統(tǒng)中，是介質(zhì)傳輸?shù)娜嵝赃B接管路[1-2]。

圖1 軟管組件結(jié)構(gòu)示意圖

容積膨脹試驗(yàn)是考驗(yàn)軟管組件內(nèi)容積膨脹量的測試方法。對(duì)于用于制動(dòng)系統(tǒng)的軟管組件，內(nèi)容積膨脹量是其主要性能參數(shù)之一。當(dāng)制動(dòng)軟管經(jīng)受規(guī)定的內(nèi)部壓力時(shí)，其體積就會(huì)膨脹，而其最大的內(nèi)容積膨脹量應(yīng)滿足飛機(jī)制動(dòng)性能的要求。當(dāng)制動(dòng)軟管內(nèi)容積膨脹量大于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，一般會(huì)感到制動(dòng)無力、制動(dòng)踏板偏低、回油慢，這都是直接影響制動(dòng)性能的主要因素[3]。所以，對(duì)軟管組件膨脹量的測量是關(guān)系到人民生命和國家財(cái)產(chǎn)安全的重要試驗(yàn)。

1 容積膨脹測試系統(tǒng)應(yīng)用前景

中國制造的商用大飛機(jī)項(xiàng)目吸引了全世界的目光，而中國商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)采用的與國產(chǎn)商用大型客機(jī)配套的軟管組件均為國外進(jìn)口產(chǎn)品，國際上對(duì)此類產(chǎn)品的規(guī)范和要求皆按照美國汽車工程師學(xué)會(huì)（SAE）的宇航標(biāo)準(zhǔn)（AS）執(zhí)行，國內(nèi)相應(yīng)的檢測和試驗(yàn)技術(shù)處于空白狀態(tài)。目前市場上常用的容積膨脹試驗(yàn)裝置大部分針對(duì)汽車制動(dòng)用橡膠和塑料軟管，試驗(yàn)壓力僅6.9 和10.3 MPa 兩種[4-5]，無法達(dá)到航天航空用高壓（21.0 MPa）軟管組件的容積膨脹試驗(yàn)要求。

因此，迫切需要設(shè)計(jì)和制造一種專門用于高壓軟管組件容積膨脹試驗(yàn)的裝置，該裝置能夠滿足美國機(jī)動(dòng)車協(xié)會(huì)宇航標(biāo)準(zhǔn)SAE AS 2078A-2008《聚四氟乙烯（PTFE）軟管組件用試驗(yàn)方法》中對(duì)容積膨脹試驗(yàn)的方法要求。

2 容積膨脹測試原理簡介

容積膨脹試驗(yàn)按照液體排水量來測量對(duì)試件施以規(guī)定內(nèi)壓時(shí)軟管組件的體積膨脹值，一般試驗(yàn)液以水和航空液壓油為主。測試裝置基本部件包括壓力源、儲(chǔ)油（水）箱、壓力表、玻璃量管（滴定管）、符合要求的連接鋼管、相應(yīng)的固定用夾具和開關(guān)閥門等，具體如圖2 所示。

試驗(yàn)裝置的基本工作流程為：打開3（閥門）和5（三通閥門），啟動(dòng)6（泵），直到量管中有介質(zhì)出現(xiàn)；關(guān)閉5（三通閥門），調(diào)節(jié)3（閥門）并讀取量管數(shù)值；啟動(dòng)6（泵）對(duì)試件施以規(guī)定內(nèi)壓后關(guān)閉5（三通閥門），泄壓后打開3（閥門），量管內(nèi)的液位變化量即是本次測試的容積膨脹值[4]。

圖2 容積膨脹試驗(yàn)裝置示意圖

3 測試設(shè)備設(shè)計(jì)

3.1 整體規(guī)劃

為保證容積膨脹測試系統(tǒng)符合宇航標(biāo)準(zhǔn)的要求，外型和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也盡量接近SAE AS 2078A-2008 中規(guī)定的容積膨脹試驗(yàn)示意圖（見圖2）。測試系統(tǒng)使用一體化設(shè)計(jì)思路，分為上下兩部分，裝置上部為容積膨脹安裝試樣和操作測試部位，背部為電源等控制模塊，下部為壓力源。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）設(shè)備的占用空間小，主要向縱深延展，充分利用立體空間；（2）裝置上部為安裝操作位，高度適中，便于人員操作裝置和拆裝試樣；（3）量管在人員的正前方，有更好的觀察讀數(shù)角度；（4）壓力源完全放于裝置的下部，泵、止回閥、安全閥、蓄能器等高壓部件被完全包裹在金屬箱體內(nèi)部，提高了設(shè)備安全系數(shù)。設(shè)備外形見圖3。

根據(jù)SAE AS 2078A-2008 的要求，確定設(shè)備的各部分結(jié)構(gòu)。測試系統(tǒng)主要由三部分組成：第一部分為液壓系統(tǒng)，包括蒸餾水箱、泵組、單向閥、安全閥、二位二通電磁換向閥、蓄能器、管接頭等；第二部分為測量系統(tǒng)（裝置主體部分），包括壓力表、壓力顯示器、量管、高壓截止閥、鉛垂體（類砝碼）、測量量管固定裝置、滾輪、鋼絲、無縫不銹鋼管、全方位水平儀和支腳；第三部分為可編程邏輯控制器（PLC），控制設(shè)備動(dòng)作及采集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、記錄。

試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)框圖如圖4 所示。

圖3 容積膨脹測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 試驗(yàn)臺(tái)總設(shè)計(jì)

3.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)原理如圖5 所示[7]。測試系統(tǒng)分為原始狀態(tài)和試驗(yàn)動(dòng)作狀態(tài)，具體工作原理如下：

（1）設(shè)備原始狀態(tài)。10（安全閥）的壓力設(shè)定為45.0 MPa；19（安全閥）的壓力設(shè)定為25.0 MPa；9（零位調(diào)節(jié)閥）、12 和18（二位二通電磁換向閥）常閉；6和17（高壓手動(dòng)截止閥）常開；11（蓄能器）充氣壓力為20.0 MPa；20（蓄能器）充氣壓力為10.0 MPa。

（2）試驗(yàn)動(dòng)作順序。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)柱塞計(jì)量泵從水箱中抽取蒸餾水向系統(tǒng)提供壓力，可持續(xù)提供45.0 MPa 的壓力。耐壓壓力42.0 MPa 的實(shí)現(xiàn)：手動(dòng)打開6（高壓手動(dòng)截止閥），關(guān)閉17（高壓手動(dòng)截止閥），PLC 控制泵組運(yùn)行加壓，加壓至設(shè)定的42.0 MPa，傳感器反饋給PLC，停止泵組工作；按要求保壓規(guī)定時(shí)間后，PLC 自動(dòng)打開12（二位二通電磁換向閥），卸壓后關(guān)閉。工作壓力21.0 MPa 的實(shí)現(xiàn)：PLC控制泵組運(yùn)行，同時(shí)PLC 自動(dòng)打開18（二位二通電磁換向閥），升壓至規(guī)定的21.0 MPa，傳感器反饋給PLC，停止泵組工作；按要求保壓規(guī)定時(shí)間后，PLC自動(dòng)打開12（二位二通電磁換向閥）進(jìn)行卸壓。保壓過程：由17（高壓手動(dòng)截止閥）、蓄能器和PLC 控制，若壓力降低，則蓄能器釋放壓力，保證試樣的保壓壓力；若蓄能器壓力不夠，則PLC 會(huì)啟動(dòng)泵組補(bǔ)壓，直至達(dá)到保壓壓力。系統(tǒng)壓力由安全閥控制在設(shè)定的壓力值。升壓速率由兩個(gè)活塞式蓄能器控制，若升壓慢，則蓄能器需充氣，使容腔變小，容納較少介質(zhì)，反之亦然，從而達(dá)到對(duì)升壓速率的控制。蓄能器也吸收升壓過程產(chǎn)生的脈動(dòng)，起到保持升壓穩(wěn)定性的作用。在完成規(guī)定保壓時(shí)間后，關(guān)閉6（高壓手動(dòng)截止閥），打開17（高壓手動(dòng)截止閥），蒸餾水流經(jīng)量筒，而后等液面穩(wěn)定后目測得出試驗(yàn)讀數(shù)。

另外，裝置開始使用前必須對(duì)裝置和試樣充分排氣，使設(shè)備管路和試驗(yàn)液中的空氣、小氣泡等盡可能排出。而后通過開關(guān)9（零位調(diào)節(jié)閥）來調(diào)整零位液面（初始液面）。

圖5 液壓系統(tǒng)原理圖

3.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

容積膨脹控制系統(tǒng)由PLC 及控制用板卡及電器附件組成，主要用于系統(tǒng)控制執(zhí)行?？刂葡到y(tǒng)總圖如圖6 所示[2]。

圖6 控制系統(tǒng)總圖

整個(gè)控制系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成。上位機(jī)為普通計(jì)算機(jī)，主要用于編寫程序、修改程序、數(shù)據(jù)管理、結(jié)果打印等工作；試驗(yàn)臺(tái)正常工作時(shí)不與上位機(jī)連接。下位機(jī)的核心為PLC，試驗(yàn)操作依靠人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)，采用臺(tái)達(dá)DOP-B10S615 人機(jī)界面和臺(tái)達(dá)DVP 10SX PLC 實(shí)現(xiàn)對(duì)水壓泵組和二位二通電磁換向閥的控制。檢測時(shí)，通過控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來帶動(dòng)泵組對(duì)試件施加壓力，控制電磁換向閥和計(jì)算保壓時(shí)間來完成耐壓保壓試驗(yàn)：在升壓和保壓期間，通過模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換，高壓傳感器的信號(hào)不斷地輸入PLC，PLC 經(jīng)過采樣、計(jì)算，得到實(shí)時(shí)壓力和升壓速率。通過與設(shè)定壓力相比，可以算出壓力和保壓時(shí)間是否達(dá)到要求。然后通過PLC 調(diào)整步進(jìn)電機(jī)，改變換向閥通斷，使試驗(yàn)臺(tái)完成耐壓工作壓力的保壓過程，并得到升壓速率的曲線數(shù)據(jù)，完成一個(gè)控制循環(huán)。閉環(huán)控制回路如圖7 所示[6]。完成保壓過程后，通過開關(guān)高壓截止閥來完成試件膨脹值的測量。上位機(jī)與下位機(jī)之間采用SR232 通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

3.4 測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測量系統(tǒng)主要依靠高壓傳感器采集實(shí)際壓力信號(hào)和人工讀取試驗(yàn)中量管數(shù)值的方式采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入上位機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而獲得容積膨脹值。主要控制元件如下：

（1）上位機(jī)。上位機(jī)采用Screen Editor 軟件來監(jiān)控和編輯臺(tái)達(dá)DOP-B10S615 人機(jī)界面，采用Delta-WPL Soft 軟件對(duì)臺(tái)達(dá)DVP 10SX PLC 進(jìn)行編程，并起到壓力檢驗(yàn)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、容積膨脹值計(jì)算、報(bào)告打印等其他功能。

（2）人機(jī)界面。采用帶PLC 的人機(jī)界面取代上位機(jī)進(jìn)行設(shè)備的現(xiàn)場操作控制，主要是因?yàn)椋喝莘e膨脹設(shè)備試驗(yàn)動(dòng)作較為簡單、不必使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制；人機(jī)界面占用空間小，便于嵌入式安裝和移動(dòng)；采用人機(jī)界面操作方便、簡單，性價(jià)比高。

（3）高壓傳感器。該系統(tǒng)使用的壓力變送器，能檢測出連續(xù)壓力的信號(hào)，因此可以任意地設(shè)置壓力，而且設(shè)置很方便（不用調(diào)整壓力變送器，只需對(duì)電控部分進(jìn)行設(shè)定實(shí)現(xiàn)泵組運(yùn)行高級(jí)控制）。

（4）量管（測量用滴定管）。量管的總?cè)莘e為25 mL，分度為0.01 mL，滿足SAE AS 2078A-2008 要求的量管讀數(shù)精度（0.2 mL）；量管固定裝置考慮到試樣受壓后2%的長度形變，所以將量管固定裝置上下調(diào)節(jié)有效距離余量設(shè)定為5%左右。安裝試樣后通過鉛錘體的牽引保證試樣和量管垂直向上，便于試驗(yàn)人員精確讀數(shù)。

圖7 閉環(huán)控制回路

4 結(jié)語

根據(jù)SAE AS 2078A-2008 中對(duì)容積膨脹試驗(yàn)的描述，制造的容積膨脹測試系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)蛪簤毫ψ罡吣苓_(dá)到42.0 MPa，工作壓力和保壓壓力達(dá)到21.0 MPa，操作簡單，自動(dòng)化程度高，檢測數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，避免了設(shè)備缺陷造成的測量結(jié)果誤差。該測試系統(tǒng)能夠作為商用大飛機(jī)使用的軟管組件的檢測設(shè)備，為中國民航事業(yè)的發(fā)展添磚加瓦。