孔 新,吳永明,徐佳兵,王文林

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院,廣東 廣州 510006;2.桂林市啄木鳥醫(yī)療器械有限公司, 廣西 桂林 541004;3.東莞理工學(xué)院 機械工程學(xué)院,廣東 東莞 523808)

0 引 言

隨著現(xiàn)代社會和科技的發(fā)展,人類日益要求各種高端裝備能在極端高、低溫或高低溫交替的環(huán)境下服役,而液壓技術(shù)是這些裝備驅(qū)動的關(guān)鍵技術(shù)之一,因此對高端裝備中各種液壓元器件的性能也提出了更高的品質(zhì)要求。譬如:我國南北線的高速列車,要求能在高、低溫交替環(huán)境中服役,那么其液壓元器件等關(guān)鍵零部件必須具有優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)性[1-2]。液壓孔口流體力學(xué)是各種液壓元器件設(shè)計制造的理論基礎(chǔ),因此研究液壓孔口在高低溫(尤其是低溫)條件下的出流特性具有重要意義。

目前,關(guān)于液壓孔口特征,如孔口長徑比、孔口形狀、流體流動狀態(tài)以及出口壓力等因素對孔口出流特性的影響研究[3-7],幾乎都是默認在常溫條件下進行的,那么在高低溫、特別是在低溫條件下,各種液壓孔口的流量系數(shù)是否還遵循常溫下的規(guī)律，薄壁小孔的流量-壓力特性是否真的不受溫度影響,這些問題并沒有得到實驗的驗證。事實上,液壓油等流體介質(zhì)的粘度、密度等物理特性肯定是受溫度影響的[8-9]。

為了研究以上問題,必須針對常見液壓孔口進行高低溫流體力學(xué)基礎(chǔ)實驗研究?，F(xiàn)有關(guān)于液壓孔口在常溫環(huán)境下的流體力學(xué)實驗原理一般都是采用包括液壓泵、各種液壓閥、蓄能器在內(nèi)的一整套液壓系統(tǒng)向被試液壓孔口供油,通過壓力傳感器測量被試閥前后壓差,通過流量傳感器或者量杯測量通過被試閥的流量,從而獲得被試閥的流量-壓力特性的。以上實驗方式在常溫下是可行的,但在高低溫、特別是在低溫條件下運用上述方法是不可行的。因為在低溫譬如-30 ℃以下時,一般液壓泵已不能有效吸油,很多液壓閥、管路不能正常工作,更不用說有效、準確地進行相關(guān)實驗;再者,在本文所涉及的高、低溫實驗中,如果采取對整個[10-12]液壓系統(tǒng)液壓油進行溫度控制的方法,顯得既不節(jié)能也不方便。

本文前期提出一種適合于進行液壓孔口高低溫流體力學(xué)實驗的一體化實驗?zāi)K[13],該模塊將油液、機械式供油機構(gòu)、被試液壓孔口和各種傳感器進行巧妙集成,由于體積小、集成度高,該一體化實驗?zāi)K能夠被直接放置在高低溫箱中進行實驗。

在此基礎(chǔ)上,本文對基于該模塊的液壓孔口高低溫流體力學(xué)實驗裝置進行研制,包括一體化實驗?zāi)K設(shè)計、實驗裝置總體設(shè)計、機械臺架設(shè)計、電器和測控系統(tǒng)設(shè)計以及測控軟件的開發(fā)。

1 總體設(shè)計

1.1 一體化實驗?zāi)K的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在工程流體力學(xué)中,流經(jīng)薄壁、厚壁孔口的流量q與其孔口前后壓差ΔP之間的基本關(guān)系式為:

(1)

式中:Cd—孔口流量系數(shù);A0—孔口通流截面積,m2;ρ—油液密度,kg/m3。

由式(1)可見,一般被試液壓孔口的通流截面積A0是已知的,各種溫度下油液的密度ρ也可以事先通過專門實驗測試獲得。因此,實驗過程中,如果能夠通過傳感器直接測試或者經(jīng)過換算獲得通過孔口的流量q和孔口前后壓差ΔP,則被試液壓孔口在各種溫度下的流量系數(shù)Cd便可以獲得。

實驗過程中,通過壓力傳感器測得一體化實驗?zāi)K內(nèi)、外缸筒的壓力P1、P2,則孔口前后的壓力差為ΔP=P1-P2。

如果忽略泄漏,則通過液壓孔口的流量q可以用以下公式計算，即拉伸行程時為:

(2)

式中:v—活塞的速度,m/s;D—內(nèi)缸筒的內(nèi)徑,m;d—活塞桿直徑,m。

壓縮行程時為:

(3)

實驗過程中,通過位移傳感器測得活塞的位移,結(jié)合測控系統(tǒng)的采集時間即可獲得活塞的速度v,然后根據(jù)式(2,3),計算獲得通過孔口的流量q。

根據(jù)以上測試原理,筆者設(shè)計了一體化實驗?zāi)K,如圖1所示。

圖1 一體化實驗?zāi)K1—活塞桿;2—被試閥;3—活塞組件;4—底閥組件;5—外缸筒壓力傳感器;6—溫度傳感器;7—內(nèi)缸筒壓力傳感器;8—儲油缸

由圖1可見,一體化實驗?zāi)K在借鑒普通雙筒式鐵道車輛油壓減振器主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,在其導(dǎo)座組件結(jié)構(gòu)中嵌入或集成了被試閥、安全閥、溫度傳感器和壓力傳感器。

一體化實驗?zāi)K中的導(dǎo)座組件如圖2所示。

圖2 一體化實驗?zāi)K中的導(dǎo)座組件

被試液壓孔口被設(shè)計在一個阻尼閥的閥座之中,因此實驗過程中,只要取出阻尼閥、更換具有不同液壓孔口參數(shù)的閥座,即可模擬不同液壓孔口的流體流動。此外,筆者還設(shè)計了一個安全閥,以便在壓力太大時溢流,從而對實驗?zāi)K和實驗設(shè)備起保護作用。

溫度傳感器用于測量流經(jīng)被試液壓孔口的流體的實時溫度,2只壓力傳感器分別用來測試內(nèi)、外缸筒的壓力,即被試液壓孔口兩端的壓力,從而能獲得被試液壓孔口的壓差。

1.2 實驗裝置總體設(shè)計

整個實驗裝置也采用模塊化設(shè)計思路進行設(shè)計,主要包括一體化實驗?zāi)K、實驗臺架集成模塊、測控和電氣系統(tǒng)模塊。實驗臺架集成模塊是實驗裝置的主體,包括機械臺架、驅(qū)動裝置、高低溫箱;測控和電氣系統(tǒng)模塊是實驗裝置的數(shù)據(jù)采集和控制終端,包括強電和弱電部分。

其設(shè)計思路是:將一體化實驗?zāi)K放置于一個高低溫箱中,以便準確控制實驗溫度,采用一套變頻電機控制螺母絲杠的驅(qū)動裝置,控制實驗?zāi)K中的活塞運動,進而控制油液流動,達到對被試閥進行機械式供油的目的;組建一個實時測控系統(tǒng),一方面可以控制電機轉(zhuǎn)速從而控制絲桿驅(qū)動速度,另一方面通過實時采集溫度、壓力、位移、載荷等數(shù)據(jù),從而獲得液壓孔口在不同溫度下的壓力-流量等流動特性。

液壓孔口高低溫流體力學(xué)實驗裝置的總體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 實驗裝置總體技術(shù)參數(shù)

2 實驗裝置的研制

2.1 機械臺架設(shè)計

在宏觀上,實驗裝置機械臺架結(jié)構(gòu)由一體化實驗?zāi)K、臺架本體和驅(qū)動裝置3部分組成。

臺架本體主要包括底座組件、立板組件、橫梁組件、導(dǎo)向組件、彈簧平衡器、連接軸、高低溫箱密封板和高低溫箱支架組件。

驅(qū)動裝置則由變頻電機和螺母絲杠升降機組成,其安裝在高度可調(diào)的橫梁上。電機與蝸桿連接,電機轉(zhuǎn)動帶動蝸桿旋轉(zhuǎn),從而使得蝸輪旋轉(zhuǎn),由于絲桿螺母與蝸輪是一體的,絲桿螺母與蝸輪同步旋轉(zhuǎn),絲桿在絲桿螺母的驅(qū)動下進行上下運動。當(dāng)一體化實驗?zāi)K活塞桿通過活塞桿連接軸和導(dǎo)向組件與絲桿鏈接,即可實現(xiàn)活塞的上下運動,改變電機的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向,即可改變一體化實驗?zāi)K活塞的運動速度和方向,從而控制被試閥的供油量。

2.2 測控與電氣系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 測控系統(tǒng)設(shè)計

測控系統(tǒng)主要包括傳感器、繼電器、數(shù)據(jù)采集卡、變頻器、工控機等硬件。

測控系統(tǒng)的主要硬件組成如表2所示。

表2 測控系統(tǒng)主要硬件組成

測控系統(tǒng)基于研華數(shù)據(jù)采集卡PCI-1716、變頻器及虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW設(shè)計[14]。

測控系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 測控系統(tǒng)原理圖

圖3中,外部傳感器將壓力、溫度、力和位移轉(zhuǎn)化為電信號,經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸入接口傳入測控軟件,再通過軟件程序?qū)㈦娦盘栟D(zhuǎn)化為對應(yīng)測試量,并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示和儲存。變頻器與工控機基于MODBUS RTU協(xié)議進行串口通信,可通過測控軟件對變頻器參數(shù)讀取和設(shè)置,從而控制電機的運行。

2.2.2 電氣系統(tǒng)設(shè)計

實驗裝置電路由主電路、控制電路和數(shù)據(jù)采集電路3部分組成。主電路是強電電路,主要包括變頻器、電機、散熱風(fēng)扇、電源指示燈、報警指示燈、直流電源的工作電路。

控制電路由各個按鈕、旋鈕、行程開關(guān)、變頻器外部控制端子、繼電器模塊、數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換器等組成。通過按鈕、旋鈕及行程開關(guān)控制變頻器外部端子回路的通斷,即可控制變頻器,從而控制電機的啟停等功能。

數(shù)據(jù)采集電路主要由傳感器的激勵電路、信號濾波電路和模擬量差分輸入電路組成。位移傳感器激勵電壓為10 V,其他傳感器激勵電壓均為24 V,所有傳感器信號輸出范圍均為0～10 V。信號濾波電路主要由直流濾波器組成,濾波器串聯(lián)在數(shù)據(jù)采集卡和傳感器之間,從而去除傳感器輸出信號中特定頻率段的干擾電壓。傳感器信號與數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸入接線方式為差分輸入,從而排除外界的共模干擾。

2.3 測控軟件開發(fā)

測控軟件通過LabVIEW編寫而成,其主要功能包括傳感器的數(shù)據(jù)采集、實驗參數(shù)的設(shè)置、對電機的控制和實驗數(shù)據(jù)的可視化顯示、分析和保存。

測控軟件主界面主要包括“參數(shù)設(shè)定”、“行程設(shè)定”、“傳感器校正”、“數(shù)據(jù)分析”等二級子功能模塊按鈕、數(shù)據(jù)曲線顯示區(qū)域和數(shù)據(jù)保存輸出、電機動作控制等功能按鈕。實驗過程中,主界面的數(shù)據(jù)曲線顯示區(qū)將實時顯示對應(yīng)實驗數(shù)據(jù)的曲線圖,通過操作數(shù)據(jù)輸出按鈕,可將實驗數(shù)據(jù)進行保存和輸出。點擊“參數(shù)設(shè)定”和“數(shù)據(jù)分析”按鈕,可分別調(diào)用對應(yīng)子模塊面板,對實驗參數(shù)進行設(shè)定和實驗數(shù)據(jù)進行分析。

2.4 信號抗干擾及傳感器校正

雖然傳感器的信號通過差分輸入采集,可抑制共模干擾,但由于數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場存在電機、變頻器等強電干擾和空間中的電磁、電場干擾。在該測控系統(tǒng)的研制過程中,為了使采集的數(shù)據(jù)準確可靠,提高信號的魯棒性,采取了以下措施:

(1)屏蔽線接地。傳感器的傳輸信號線均采用屏蔽雙絞線,接線時再在傳感器的信號線外面套上一層銅編織線屏蔽層,且兩重屏蔽層相互絕緣。將傳感器信號線自帶的屏蔽層一端接地,另一端懸浮;再將后加的屏蔽層兩端接地。這樣,內(nèi)側(cè)屏蔽層可以有效防止靜電感應(yīng),而外側(cè)屏蔽層可以防止因磁場強度變化所感應(yīng)的干擾電壓;

(2)硬件濾波。將傳感器測量的電壓信號先經(jīng)過由直流電源濾波器組成的濾波電路處理,再傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡采集,該濾波電路可有效去除傳感器電壓信號中的高頻干擾;

(3)軟件濾波。由于采集到的電壓信號中有時候還存在脈沖尖峰干擾,通過中位值平均濾波法去除這些脈沖尖峰干擾信號。通過設(shè)置相關(guān)參數(shù),使得每次采集的數(shù)據(jù)是一個包含5個傳感器所有采樣點的二維數(shù)組,且每個傳感器有100個數(shù)據(jù)采樣點。在進行中位值平均濾波處理時,先將這100個數(shù)據(jù)從小到大進行排序,然后取中間50個數(shù)據(jù)取平均值,并將該平均值作為該次采集的最終結(jié)果;

(4)傳感器校正。在測控軟件開發(fā)中,設(shè)計了專門的“傳感器校正”模塊。

傳感器校正界面如圖4所示。

圖4 傳感器校正

其修正原理為:(原始數(shù)據(jù)×修正系數(shù))+修正偏差=修正數(shù)據(jù),默認修正系數(shù)為1,修正偏差為0。在圖4(a)的界面上,各個傳感器的修正系數(shù)和修正偏差輸入框以及置零功能按鈕已經(jīng)被鎖定,無法單擊修改,只有單擊“解鎖”按鈕以彈出“輸入密碼”對話框,輸入正確的密碼才能解鎖上述輸入框和置零功能按鈕。

單擊圖4(a)上的“實時曲線”按鈕后,“傳感器校正”界面將由圖4(a)所示界面變成圖4(b),圖4(b)界面可顯示各個傳感器的實時電壓信號或?qū)嶋H數(shù)值的變化趨勢,并在波形圖表中以曲線的形式表示出來。

3 實驗系統(tǒng)集成與測試

筆者對所設(shè)計的一體化實驗?zāi)K、實驗臺架集成模塊、測控和電氣系統(tǒng)模塊進行調(diào)試,實現(xiàn)了液壓孔口高低溫流體力學(xué)實驗裝置的研制。

其設(shè)備總成如圖5所示。

圖5 液壓孔口高低溫流體力學(xué)實驗裝置總成

筆者運用所研制的高低溫流體力學(xué)實驗裝置進行實驗研究。在“一體化實驗?zāi)K”中安裝了長度為0.4 mm、直徑為1.1 mm,即長徑比為0.36的薄壁小孔被試閥,模塊中使用流體的型號是低溫抗凝減振器油TITAN SAF 5045 EU 137。

筆者在勻加速運動條件下進行實驗,設(shè)置最大運動速度為0.1 m/s,加速時間為5 s,分別測得流體溫度為30 ℃、70 ℃和-50 ℃時該孔口出流的流量-壓力特性曲線,如圖6所示。

圖6 不同流體溫度下薄壁小孔的流量-壓力特性曲線

筆者進一步運用測控軟件,對流體溫度分為30 ℃的實驗數(shù)據(jù)進行函數(shù)擬合,如圖6(a)所示,計算得到該薄壁小孔在30 ℃時的流量系數(shù)Cd=0.72,這與流體力學(xué)專著中[15]薄壁小孔在常溫下流量系數(shù)的取值范圍一致。

筆者通過測控軟件,對流體溫度分別為70 ℃和-50 ℃條件下得到的實驗數(shù)據(jù)進行函數(shù)擬合,得到其流量-壓力特性曲線,如圖6(b)所示。由于本文的主題是實驗裝置的研制以及篇幅限制,有關(guān)流體力學(xué)實驗及數(shù)據(jù)分析將另文討論。

4 結(jié)束語

(1)本文提出了一種適合于進行液壓孔口高低溫流體力學(xué)實驗的一體化實驗?zāi)K,該模塊將油液、機械式供油機構(gòu)、被試液壓孔口和各種傳感器進行了集成,由于體積小、集成度高,該一體化實驗?zāi)K能夠被直接放置在高低溫箱中進行實驗;

(2)采用模塊化設(shè)計思想,對基于一體化實驗?zāi)K的液壓孔口高低溫流體力學(xué)實驗裝置進行了研制,具體包括一體化實驗?zāi)K參數(shù)設(shè)計、實驗裝置總體設(shè)計、機械臺架設(shè)計、測控和電氣系統(tǒng)設(shè)計和測控軟件的開發(fā);

(3)在測控系統(tǒng)研制過程中,數(shù)據(jù)采集卡采集的模擬量包括溫度、壓力、位移和載荷信號,均采用了差分輸入的連接方式,由此減少了共模干擾。為了消除實驗環(huán)境中強電設(shè)備的干擾,筆者對傳感器的信號線采用雙層絕緣屏蔽措施,并對信號進行軟件濾波和硬件濾波處理。采用LabVIEW進行了測控軟件開發(fā),通過測控軟件可以實現(xiàn)實驗過程的自動控制與數(shù)據(jù)采集,并可將實驗數(shù)據(jù)進行圖形顯示、分析處理以及保存輸出操作;

(4)最后的集成、調(diào)試和實驗效果表明,筆者所研制的實驗裝置能夠方便、準確地控制被試液壓孔口的溫度,測量液壓孔口的壓力-流量特性,準確分析液壓孔口在各種環(huán)境溫度下的流動特性和參數(shù),為開展液壓孔口高低溫流體力學(xué)基礎(chǔ)研究提供了一個良好的實驗平臺。