張虹虹,李澤清,吳博,史維祥

(西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院氣動(dòng)技術(shù)中心,710049,西安)

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氣動(dòng)元件流量特性分析及實(shí)驗(yàn)研究

張虹虹,李澤清,吳博,史維祥

(西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院氣動(dòng)技術(shù)中心,710049,西安)

針對(duì)氣動(dòng)元件流量特性曲線的形狀、形成機(jī)理以及ISO6358標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)試方法存在的問(wèn)題,運(yùn)用理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究了臨界壓力比兩種取值方法間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)了特性曲線中流量不變段與下降段的分界點(diǎn)并不是元件內(nèi)聲速流與亞聲速流的轉(zhuǎn)折點(diǎn),提出在氣動(dòng)元件流量特性的測(cè)試中,須對(duì)被測(cè)元件的上、下游壓強(qiáng)進(jìn)行補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)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(tài),還包含了由超聲速變化到聲速的過(guò)程,忽視壓強(qiáng)補(bǔ)償導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的誤差達(dá)15%以上。

流量特性曲線;曲線形成機(jī)理;臨界壓力比

隨著氣動(dòng)技術(shù)的發(fā)展,氣動(dòng)元件的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。通常表達(dá)氣動(dòng)元件性能的指標(biāo)有多種,其中以流量特性最為重要[1-3],它指的是元件進(jìn)出口兩端的壓強(qiáng)降、元件的有效截面積與流經(jīng)該元件的流量之間的關(guān)系,就相當(dāng)于電氣元件中電壓、電阻與電流的關(guān)系,是氣動(dòng)元件最基本的特性。

西安交通大學(xué)氣動(dòng)技術(shù)中心已經(jīng)對(duì)氣動(dòng)元件的流量特性進(jìn)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(guān)于流量計(jì)算公式

圖1 氣動(dòng)元件流量特性曲線

目前,氣動(dòng)界公認(rèn)對(duì)于同一元件,上游壓力和溫度一定時(shí),當(dāng)元件的背壓比P2/P1

(1)

當(dāng)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(qiáng);m為亞聲速指數(shù),用于表征流量下降段的形狀。

由式(2)可知,若能得到指數(shù)m=0.5,則可以證明氣動(dòng)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(duì)14個(gè)不同尺寸的氣動(dòng)小孔做了大量實(shí)驗(yàn)研究,并利用ISO6358標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的計(jì)算方法[4],得到了各個(gè)小孔的m值,見(jiàn)表1,其中d表示氣動(dòng)小孔的內(nèi)徑。

表1 氣動(dòng)小孔的亞聲速指數(shù)m

由表可見(jiàn),所有被測(cè)氣動(dòng)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(dǎo)的結(jié)果[5]基本一致,亦即本中心從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面均證實(shí)了氣動(dòng)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(jù)ISO6358標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,臨界壓力比是氣動(dòng)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(diǎn)所對(duì)應(yīng)的背壓比,它表征了氣動(dòng)元件流量下降段的起始點(diǎn),是氣動(dòng)元件非常重要的特性參數(shù)之一。

圖2 臨界壓力比兩種取值方法間的結(jié)果比較

綜上所述,對(duì)于氣動(dòng)小孔臨界壓力比兩種取值方法間具體關(guān)系的這一發(fā)現(xiàn)具有非常重要的理論及實(shí)用價(jià)值,同時(shí),這一現(xiàn)象也值得在各種氣動(dòng)閥上展開(kāi)進(jìn)一步的研究。

2 流量特性曲線形成機(jī)理的新認(rèn)識(shí)

如前所述,氣動(dòng)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(dòng)界公認(rèn),流量不變段是由于當(dāng)氣流處于超臨界狀態(tài)時(shí),P2的擾動(dòng)無(wú)法傳至節(jié)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(tài)時(shí),P2的擾動(dòng)能傳至上游節(jié)流口處,從而導(dǎo)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(diǎn)也被認(rèn)為是元件中氣流從超臨界狀態(tài)變化到亞臨界狀態(tài)的過(guò)渡點(diǎn)。

為了檢驗(yàn)上述觀點(diǎn)是否正確,本文嚴(yán)格從超臨界狀態(tài)與亞臨界狀態(tài)過(guò)渡點(diǎn)的物理意義出發(fā),首先,計(jì)算被測(cè)元件在臨界狀態(tài)(氣流流速v=340 m/s)下應(yīng)有的流量值;然后,在其特性曲線上找到與該流量值對(duì)應(yīng)的點(diǎn),即為超臨界狀態(tài)與亞臨界狀態(tài)的過(guò)渡點(diǎn)。為便于區(qū)分,采用符號(hào)b″來(lái)表示該過(guò)渡點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)比,而b?則表示特性曲線上流量不變段與下降段的分界點(diǎn),如圖3所示。

圖3 某氣動(dòng)小孔b?和b″的比較

由圖中數(shù)據(jù)可見(jiàn),氣動(dòng)元件真實(shí)的超臨界狀態(tài)與亞臨界狀態(tài)的過(guò)渡點(diǎn)b″和特性曲線上流量不變段與下降段的分界點(diǎn)b?差別很大。此外,當(dāng)元件內(nèi)的氣流流速遠(yuǎn)大于聲速時(shí),流經(jīng)元件的氣流量已開(kāi)始隨P2/P1的增大而逐漸下降。這些現(xiàn)象都與上述公認(rèn)的氣動(dòng)元件流量特性曲線的形成機(jī)理不符。

為了進(jìn)一步研究曲線的形成機(jī)理,本文基于ISO6358標(biāo)準(zhǔn),在被測(cè)元件的下游連接了長(zhǎng)為L(zhǎng)的測(cè)試長(zhǎng)管,并在長(zhǎng)管的首、尾兩端分別安裝有壓強(qiáng)計(jì),如圖4所示。

1:氣源;2:過(guò)濾器;3:減壓閥;4:流量計(jì);5:上游測(cè)壓管;6:過(guò)渡管;7:被測(cè)元件;8:下游測(cè)壓管;9:測(cè)試長(zhǎng)管;10:節(jié)流閥;11:上游壓強(qiáng)計(jì);12:前端壓強(qiáng)計(jì);13:尾端壓強(qiáng)計(jì)圖4 特性曲線形成機(jī)理研究回路

圖5 長(zhǎng)管前端壓強(qiáng)和氣流流速隨尾端壓強(qiáng)的變化規(guī)律

綜上所述,本文通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)與理論研究,從3個(gè)方面均證明了目前關(guān)于氣動(dòng)元件流量特性曲線形成機(jī)理的認(rèn)識(shí)與事實(shí)不相符。為此,本文針對(duì)氣動(dòng)元件流量特性曲線的形成機(jī)理提出下列新觀點(diǎn),以供討論。

圖6 可壓縮氣體流經(jīng)節(jié)流孔的示意圖

如圖6所示,氣體從節(jié)流孔噴出時(shí)存在射流力作用,當(dāng)下游壓強(qiáng)P2較小時(shí),此射流力及部分上游壓強(qiáng)P1可以將P2抵消掉,使圖中節(jié)流孔出口處的S區(qū)域形成P″2≈0.1 MPa,即接近大氣壓。因此,只要P2在某個(gè)可以被射流力及部分上游壓強(qiáng)抵消掉的壓強(qiáng)范圍內(nèi),S區(qū)域總會(huì)出現(xiàn)上述接近大氣壓的環(huán)境,導(dǎo)致S區(qū)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(xù)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(dǎo)致S區(qū)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(shí),流量變?yōu)?。

從上述新觀點(diǎn)中可以看出,氣動(dòng)元件流量特性曲線中流量不變段的形成與氣動(dòng)節(jié)流孔出口處形成的射流力大小密切相關(guān)。當(dāng)節(jié)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(shí),將使得下游壓強(qiáng)P2無(wú)法被全部抵消,從而導(dǎo)致特性曲線上將不會(huì)出現(xiàn)流量不變段,這一現(xiàn)象在油壓錐閥的實(shí)驗(yàn)中同樣存在。

3 對(duì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中實(shí)驗(yàn)方法的商榷

3.1 關(guān)于壓強(qiáng)補(bǔ)償問(wèn)題的研究

ISO6358標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的定壓法測(cè)試元件流量性能的回路[7]如圖7所示。

1:氣源;2:過(guò)濾器;3:減壓閥;4:流量計(jì);5:上游測(cè)壓管;6:過(guò)渡管;7:被測(cè)元件;8:下游測(cè)壓管;9:節(jié)流閥;10:溫度計(jì);11:上游壓強(qiáng)計(jì);12:下游壓強(qiáng)計(jì)圖7 ISO6358標(biāo)準(zhǔn)中的實(shí)驗(yàn)裝置回路

由圖7可見(jiàn),實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的壓強(qiáng)分別是上、下游測(cè)壓管處的壓強(qiáng)值,與被測(cè)件真實(shí)的進(jìn)出口壓強(qiáng)有差別。尤其對(duì)于一些結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的被測(cè)氣動(dòng)元件,由于其與上、下游過(guò)渡管進(jìn)行連接時(shí),在結(jié)構(gòu)上存在某些干涉,必須在上、下游過(guò)渡管與被測(cè)氣動(dòng)元件的接口之間各自加入一段起過(guò)渡作用的配管,如圖8所示。在這種情況下,被測(cè)元件上、下游壓強(qiáng)的實(shí)測(cè)點(diǎn)與其真實(shí)進(jìn)出口之間存在較長(zhǎng)的間隔距離,由于回路內(nèi)壓強(qiáng)損失的存在,使得利用圖7所示裝置測(cè)得的壓強(qiáng)值與被測(cè)元件真實(shí)的進(jìn)出口壓強(qiáng)相差較大,而且這種差別會(huì)隨著回路流量的增大而變大,最終導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果與元件真實(shí)的流量特性不相符,故不能忽略。

1:測(cè)壓管;2:過(guò)渡管;3:上游過(guò)渡配管;4:下游過(guò)渡配管;5:被測(cè)元件圖8 過(guò)渡管與某被測(cè)件連接的示意圖

為了驗(yàn)證上述壓強(qiáng)損失的存在,并得到回路流量與壓強(qiáng)損失間的關(guān)系,本文將被測(cè)元件從圖7的實(shí)驗(yàn)回路中去除,以測(cè)量回路流量與上、下游測(cè)壓管間的壓強(qiáng)損失P1-P2,實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 兩個(gè)測(cè)壓管間的壓強(qiáng)損失與流量的關(guān)系

從圖中曲線可以清晰地看出,隨著流量的增大,兩測(cè)壓管間的壓強(qiáng)損失逐漸變大。因此,本文認(rèn)為在圖8所示的情形下,為了得到被測(cè)元件真實(shí)的流量特性,應(yīng)該對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的壓強(qiáng)值進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。

設(shè)被測(cè)元件上下游的實(shí)測(cè)壓強(qiáng)別為P1和P2,真實(shí)壓強(qiáng)為P1t和P2t,無(wú)被測(cè)件時(shí),上、下游測(cè)壓管間的壓強(qiáng)損失為ΔP,上游測(cè)壓管到被測(cè)元件間的壓強(qiáng)損失為ΔP1,被測(cè)元件到下游測(cè)壓管的壓強(qiáng)損失為ΔP2。由于上游測(cè)壓管到被測(cè)元件與被測(cè)元件到下游測(cè)壓管間的回路內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本一樣,因此,當(dāng)氣流流過(guò)時(shí),兩段回路中的沿程壓強(qiáng)損失和局部壓強(qiáng)損失基本一樣[8],故有ΔP1=ΔP2=ΔP/2。

具體補(bǔ)償方法為:首先通過(guò)去除被測(cè)件的方法得到類似于圖9所示的關(guān)系曲線;然后從關(guān)系曲線中找到與各實(shí)驗(yàn)流量一一對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)損失值ΔP;最后,由于實(shí)測(cè)壓強(qiáng)P1是忽略了上游測(cè)壓管到被測(cè)元件的壓強(qiáng)損失,而P2則是多加了被測(cè)元件到下游測(cè)壓管間的壓強(qiáng)損失,因此為了得到其真實(shí)的上下游壓強(qiáng)值,需分別根據(jù)式(3)、(4)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償

(3)

(4)

圖10所示是某氣動(dòng)小孔進(jìn)行壓強(qiáng)補(bǔ)償前、后流量特性曲線的對(duì)比圖。

圖10 壓強(qiáng)補(bǔ)償前后流量特性曲線對(duì)比圖

由圖10可見(jiàn),補(bǔ)償后的特性曲線較補(bǔ)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(dāng)回路流量約為940 L/min時(shí),該誤差值達(dá)到15%,這就進(jìn)一步說(shuō)明了壓強(qiáng)補(bǔ)償?shù)谋匾浴?/p>

綜上所述,為了避免研究過(guò)程中存在不應(yīng)有的誤差,本文建議ISO6358標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)如圖8所示的某些氣動(dòng)元件在測(cè)試其流量特性時(shí),規(guī)定上、下游壓強(qiáng)損失不允許超過(guò)的數(shù)值,或進(jìn)行關(guān)于“壓強(qiáng)補(bǔ)償”的補(bǔ)充說(shuō)明。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)ISO6358標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究與理論分析,得到了以下4個(gè)重要結(jié)論:

(1)利用理論分析與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法,得到氣動(dòng)元件的亞聲速指數(shù)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(guò)比較關(guān)于臨界壓力比b的兩種取值方法,發(fā)現(xiàn)兩組結(jié)果之間的差值與小孔的內(nèi)徑、長(zhǎng)度以及上游壓強(qiáng)等因素基本無(wú)關(guān)而近乎于常數(shù)0.15。這一發(fā)現(xiàn)可以提高臨界壓力比的取值效率,具有很重要的實(shí)用價(jià)值。

(3)發(fā)現(xiàn)了目前氣動(dòng)元件流量特性曲線形成機(jī)理(即聲速流態(tài)下,下游壓強(qiáng)的變化無(wú)法傳至上游)存在的問(wèn)題:首先,流量特性曲線上流量不變段與下降段的分界點(diǎn)與元件內(nèi)超臨界狀態(tài)與亞臨界狀態(tài)的過(guò)渡點(diǎn)差別很大;其次,下游壓強(qiáng)P2的變化始終能沿著回路向上傳播,即使回路內(nèi)氣流處于超臨界狀態(tài);最后,氣動(dòng)元件流量特性曲線上的下降段并不只代表亞臨界狀態(tài),其中還包含了一段由超臨界變化到臨界狀態(tài)的過(guò)程。這就從根本上否定了現(xiàn)有的公認(rèn)理論,并為此提出了新的觀點(diǎn)以供討論。

(4)針對(duì)目前ISO6358標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氣動(dòng)元件流量特性測(cè)試方法的規(guī)定中存在的不足,研究并提出了“壓強(qiáng)補(bǔ)償”的完善意見(jiàn)。

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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(jiǎn)介:張虹虹(1989—),女,碩士生;史維祥(通信作者),男,教授,博士生導(dǎo)師。

時(shí)間:2015-07-17

10.7652/xjtuxb201508011

TH138

A

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

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150717.1718.002.html