1．引言
隨著減壓閥在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品性能與壽命試驗(yàn)日益受到關(guān)注，在新型減壓閥國(guó)產(chǎn)化配套設(shè)備研制過(guò)程中，應(yīng)用計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)，設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)首次自主研發(fā)的具有國(guó)際先進(jìn)水平的減壓閥動(dòng)態(tài)性能與壽命試驗(yàn)的多功能高性能測(cè)試裝置，為摸清實(shí)際產(chǎn)品性能、改進(jìn)設(shè)計(jì)方案提供參考依據(jù)。
2．測(cè)試系統(tǒng)及其控制調(diào)節(jié)
減壓閥動(dòng)態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示，以高壓多級(jí)泵為壓力源，被測(cè)閥前壓力調(diào)節(jié)閥安裝在回水旁路上。試驗(yàn)過(guò)程中，減壓閥閥前、后壓力都要調(diào)到額定值，閥前壓力通過(guò)旁路調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，閥后壓力調(diào)節(jié)應(yīng)在閥后調(diào)節(jié)閥保持一定開度后再調(diào)節(jié)被測(cè)閥。
壓力流量等常規(guī)性能試驗(yàn)是檢驗(yàn)減壓閥產(chǎn)品合格與否的重要依據(jù)，為考核膜片、彈簧等元件還需進(jìn)行產(chǎn)品壽命試驗(yàn)，才能為進(jìn)一步提高和改善產(chǎn)品的可靠性和安全性提供全面的依據(jù)，為實(shí)現(xiàn)這一目的首先要解決試驗(yàn)系統(tǒng)恒流量下的壓力控制問(wèn)題，即一方面閥的進(jìn)口壓力要調(diào)節(jié)到試驗(yàn)工況所需壓力值；另一方面要在恒流量下使閥的出口壓力也能夠調(diào)節(jié)到試驗(yàn)工況所需壓力，而為了保證試驗(yàn)過(guò)程的穩(wěn)定性，必須保證連續(xù)的恒壓供給；同時(shí)為滿足不同產(chǎn)品的試驗(yàn)要求，試驗(yàn)系統(tǒng)還需實(shí)現(xiàn)對(duì)流量及閥前后壓力的自動(dòng)控制與調(diào)節(jié)，才能滿足多工況運(yùn)行與各類試驗(yàn)要求。由于用戶需求測(cè)試產(chǎn)品包括PNl.6～4.O、DN25～300共數(shù)十個(gè)規(guī)格，測(cè)試系統(tǒng)采用圖2所示的模塊化設(shè)計(jì)。用電磁閥模擬實(shí)際系統(tǒng)調(diào)節(jié)頻率進(jìn)行壽命試驗(yàn)時(shí)，因電磁閥局部阻力大，影響其他試驗(yàn)項(xiàng)目的流量調(diào)節(jié)范圍，故各模塊又分兩路，分別進(jìn)行流量特性、壓力特性、流阻特性、流量系數(shù)和壽命試驗(yàn)。為保證高壓泵和系統(tǒng)安全運(yùn)行，設(shè)置了集流量感知、止回、旁通控制、多級(jí)降壓多功能于一體的LYHT型自動(dòng)回流閥，省卻了單獨(dú)的孔板、流量計(jì)、電磁控制旁通控制閥，簡(jiǎn)化了旁通回流系統(tǒng)，維持高壓泵最小回流，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或調(diào)整試驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，自動(dòng)回流閥主閥關(guān)閉，旁通閥開啟，泵以小流量回流避免頻繁啟動(dòng)，更經(jīng)濟(jì)有效地保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。閥前后與閥前旁路均采用高精度自動(dòng)調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)了閥前后壓力和流量調(diào)節(jié)與穩(wěn)定控制。
圖2為流量自動(dòng)調(diào)節(jié)原理示意圖，高壓泵輸出流量為Qv，由流量變送器TF測(cè)量并輸出信號(hào)xr傳給調(diào)節(jié)器C；給定信號(hào)xi是一個(gè)常數(shù)，由操作人員給定；調(diào)節(jié)器發(fā)出控制信號(hào)xc通過(guò)閥門定位器Pz作用在調(diào)節(jié)閥上。如流量下降，調(diào)節(jié)器C將調(diào)節(jié)閥開大，直到恢復(fù)到原定流量，當(dāng)流量增加時(shí)，調(diào)節(jié)器將調(diào)節(jié)閥關(guān)小。圖3為泵與管網(wǎng)特性曲線，設(shè)高壓泵轉(zhuǎn)速恒定，工作點(diǎn)為管阻與泵特性曲線的交點(diǎn)(Qvo,P0)。當(dāng)管路損失增加時(shí)，管路特性由曲線2變?yōu)榍€3，流量降為Qv1。為使流量恢復(fù)Qvo，需使調(diào)節(jié)閥開度增大，以減小管路損失，使管路特性曲線恢復(fù)至曲線2，流量Qv1重新恢復(fù)到給定值Qvo。反之當(dāng)管路損失降低時(shí)，曲線偏移為4，自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)將調(diào)節(jié)閥關(guān)小，使流量Qv2恢復(fù)到Qvo。
圖4為閥前壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)示意圖，圖6為泵與主旁管路及整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)特性曲線，假設(shè)給定某穩(wěn)定工況點(diǎn)(P0、Qvo)，此時(shí)被測(cè)閥閥前和旁路調(diào)節(jié)閥閥前壓力P1近似等于泵出口壓力P0高壓泵總流量為主管流量Qvc和旁路流量Qvb之和。試驗(yàn)過(guò)程中被測(cè)閥閥前后壓力也都需要調(diào)節(jié)為試驗(yàn)規(guī)定值。被測(cè)閥閥前壓力首先通過(guò)閥前旁路調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后通過(guò)被測(cè)閥及其閥后調(diào)節(jié)閥后壓力，如被測(cè)閥前壓力產(chǎn)生波動(dòng)，再重復(fù)上述過(guò)程，直至使被測(cè)閥前后壓力逐步趨于試驗(yàn)所規(guī)定的額定值。
如圖5所示，假設(shè)為了增大被測(cè)閥前后壓差，操作人員需要關(guān)小其開度，而此時(shí)主管阻力曲線將從2變?yōu)?′，而整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)的阻力曲線隨之由3改變到3′，這時(shí)高壓泵出口壓力由P0增加到P01，閥前壓力隨之增大，則壓力變送器測(cè)得的被測(cè)閥門前壓力與給定值產(chǎn)生一個(gè)偏差，調(diào)節(jié)器C會(huì)控制旁管路調(diào)節(jié)閥開大，使旁路阻力變小，其阻力曲線由1變成1′，流量變?yōu)镼vb1，直至整個(gè)管網(wǎng)阻力曲線由3′返回3，使高壓泵出口壓力又趨于P0直至被測(cè)閥前后壓差增加至試驗(yàn)所需要的規(guī)定值。反之為減小被測(cè)閥前后壓差，其原理與上述類似，但調(diào)節(jié)過(guò)程正好相反。
3．測(cè)試項(xiàng)目與試驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)用戶要求所需進(jìn)行的減壓閥動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性試驗(yàn)包括“流阻——流量特性”試驗(yàn)、“流量特性”試驗(yàn)、“壓力特性”試驗(yàn)、“流量系數(shù)”試驗(yàn)及壽命(連續(xù)運(yùn)行特性)試驗(yàn)等。
3.1“流阻——流量特性”試驗(yàn)
流阻特性試驗(yàn)：保持被測(cè)閥門進(jìn)口壓力不變，調(diào)節(jié)被測(cè)閥門的調(diào)節(jié)彈簧，得到不同的出口壓力和流量，找出流量和壓差的關(guān)系，并做出△P—Q曲線。
圖6～圖9中以Y43H—40 DNl00被測(cè)閥為例，分別保持某一閥前進(jìn)口壓力(P1=4.0MPa、P1=3.0MPa、P1=2.5MPa、P1=1.6MPa)不變時(shí)的“流阻——流量特性”曲線圖。
3．2 “流量特性”試驗(yàn)
給定被測(cè)閥前最高允許工作壓力，調(diào)節(jié)被測(cè)閥后為某一出口壓力，測(cè)定該工況下的流量值，然后調(diào)節(jié)流量至該工況的20％，測(cè)定兩種工況下的出口壓力偏差值△P1/P2。根據(jù)GB/T12245減壓閥試驗(yàn)方法的要求|△P2/P2|平均值≤10％，考核流量變化時(shí)的閥后穩(wěn)壓能力，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。
| P2/MPa | P1/MPa | Q/M3·h-1 | 0.2Q/M3·h-1 | P″2/MPa-1 | P″2-P′2/P′2 | ||
| 額定P2 | 實(shí)測(cè)P′2 | 實(shí)測(cè) | 實(shí)測(cè) | 額定 | 實(shí)測(cè) | 實(shí)測(cè) | |
| 1.00 | 0.99 | 3.00 | 35.29 | 7.06 | 7.01 | 1.15 | 16.16% |
| 1.20 | 1.20 | 3.01 | 39.00 | 7.80 | 7.77 | 1.19 | -0.83% |
| 1.40 | 1.41 | 3.00 | 40.57 | 8.11 | 8.21 | 1.39 | -1.42% |
| 1.60 | 1.58 | 3.03 | 42.57 | 8.51 | 8.41 | 1.60 | 1.27% |
| 1.80 | 1.80 | 3.02 | 47.87 | 9.57 | 9.66 | 1.75 | -2.78% |
3．3 “壓力特性”試驗(yàn)
給定被測(cè)閥前最高工作壓力，調(diào)節(jié)被測(cè)閥為某一出口壓力，測(cè)得該工況下流量值，保持流量不變，使進(jìn)口壓力在80％～105％最高工作壓力范圍內(nèi)變化，測(cè)定此時(shí)出口壓力偏差值△P2/P2根據(jù)GB/T12245要求|△P2/P2|平均值≤5％，考核進(jìn)口壓力變化時(shí)的閥后穩(wěn)壓能力，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。
| P1 | 0.8P1 | 0.85P1 | 0.9P1 | 0.95P1 | 1.05P1 | |
| 額定P1/MPa | 1.6 | 1.28 | 1.36 | 1.44 | 1.52 | 1.68 |
| 額定P′1/MPa | 1.6 | 1.28 | 1.36 | 1.44 | 1.51 | 1.68 |
| p2/MPa | 0.40 | 0.40 | 0.40 | 0.40 | 0.40 | 0.40 |
| p′2/MPa | 0.40 | 0.41 | 0.41 | 0.40 | 0.40 | 0.37 |
| (p′2-p2)/p2 | 0 | 2.5% | 2.5% | 0 | 0 | -7.5% |
| Q/M3·h-1 | 8.81 | 8.81 | 8.81 | 8.81 | 8.81 | 8.81 |
| Q′/M3·h-1 | 8.81 | 8.86 | 8.84 | 8.84 | 8.84 | 8.83 |
3．4 “流量系數(shù)”測(cè)量
流量系數(shù)：
是衡量流通能力的指標(biāo)，流量系數(shù)值隨被測(cè)閥的尺寸、形式、結(jié)構(gòu)而變化，目前先進(jìn)工業(yè)國(guó)家已對(duì)減壓閥流量系數(shù)有比較深入的研究，而國(guó)內(nèi)尚比較缺乏對(duì)這此類產(chǎn)品深入的試驗(yàn)與研究，表3為Y43H—40型減壓閥的流量系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
| 進(jìn)口壓力P1/MPa | 進(jìn)出口壓差△P/MPa | 出口壓力P2/MPa | 流量Q/M3·h-1 | Cv |
| 3.05 | 0.10 | 2.95 | 18.51 | 21.60 |
| 3.02 | 0.10 | 2.92 | 18.41 | 21.48 |
| 3.03 | 0.10 | 2.93 | 17.71 | 20.70 |
| Cv平均值 | 21.26 | |||
3．5 “連續(xù)運(yùn)行特性”試驗(yàn)
壽命(連續(xù)運(yùn)行特性)試驗(yàn)以某一頻率連續(xù)啟閉，考核彈簧、膜片磨損與壽命，每次啟閉為一試驗(yàn)循環(huán)，單位時(shí)間動(dòng)作次數(shù)為頻率。試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)與動(dòng)作頻率應(yīng)參照GB/T12245，表4中試驗(yàn)次數(shù)按規(guī)定為5000次。
| 進(jìn)口壓力P1/MPa | 出口壓力P2/MPa | 進(jìn)出口壓差△P/MPa | 電磁閥啟閉n/次 | 彈簧膜片狀況 |
| 2.50 | 1.00 | 1.50 | 0 | 良好 |
| 2.27 | 1.00 | 1.27 | 2500 | 良好 |
| 2.47 | 1.00 | 1.47 | 4000 | 良好 |
| 2.17 | 1.00 | 1.17 | 4500 | 良好 |
| 2.41 | 1.00 | 1.41 | 5000 | 良好 |
4．試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
為評(píng)定試驗(yàn)精度需要對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，限于篇幅本文僅以流阻試驗(yàn)為例進(jìn)行試驗(yàn)誤差分析。設(shè)試驗(yàn)過(guò)程中需要測(cè)試的一個(gè)工況點(diǎn)為：閥前壓力P1=4.OMPa，閥前后壓差△P=2.0MPa，表5所示為間隔一分鐘讀數(shù)所得到的十組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
| 閥前壓力（MPa） | 閥前后壓差（MPa） | 流量（M3/h） | 測(cè)試時(shí)間 |
| 4.06 | 1.98 | 21.79 | 10:05 |
| 4.03 | 1.96 | 21.82 | 10:06 |
| 3.95 | 1.97 | 21.86 | 10:07 |
| 3.98 | 2.01 | 21.85 | 10:08 |
| 4.00 | 2.02 | 21.75 | 10:09 |
| 4.02 | 2.00 | 21.76 | 10:10 |
| 4.04 | 1.99 | 21.77 | 10:11 |
| 3.99 | 1.99 | 21.82 | 10:12 |
| 4.06 | 1.97 | 21.76 | 10:13 |
| 4.04 | 2.03 | 21.78 | 10:14 |
4.1 隨機(jī)誤差
首先計(jì)算10個(gè)流量值的平均值：
(3)
將表5中的數(shù)據(jù)代入式(3)得：
計(jì)算其偏差值的平方和：
(4)
將表5中的數(shù)據(jù)代入式(4)得：
計(jì)算測(cè)量值的均方根誤差和極限誤差：
(5)
(6)
將數(shù)據(jù)分別代入式(5)、(6)得到：
同時(shí)檢查Vi的值，如其中有大于△lim者，應(yīng)將該測(cè)量值剔除，再重復(fù)上述步驟。
計(jì)算算術(shù)平均值的均方根誤差及其極限誤差：
(7)
(8)
將數(shù)據(jù)分別代入式(7)、(8)得到：
計(jì)算算術(shù)平均值的相對(duì)極限誤差：
(9)
將數(shù)據(jù)代入式(9)得到：
4．2 系統(tǒng)誤差
(1)根據(jù)系統(tǒng)配置的流量測(cè)試儀表精度等級(jí)得到：δy=±0.5%
(2)溫度變化引起的測(cè)量誤差：
試驗(yàn)過(guò)程中由于水的密度隨水溫有所變化，將帶來(lái)流量測(cè)量誤差。設(shè)最大溫升為5℃(如溫度由28℃升高到33℃)，查水的物性表知：在一個(gè)大氣壓下，密度由996.23Kg/m3。變?yōu)?94.70Kg/m3，變化率為±0.1％，也就是說(shuō)由于溫度升高給流量帶來(lái)的測(cè)量誤差為δt=±0.1%。
(3)水泵的非穩(wěn)定運(yùn)行引起的測(cè)量誤差：
試驗(yàn)過(guò)程中由于電網(wǎng)波動(dòng)，水泵的揚(yáng)程和流量產(chǎn)生波動(dòng)所帶來(lái)流量測(cè)量誤差：δp=±0.1%。(計(jì)算過(guò)程略)
4．3 測(cè)試誤差
由上述隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差，得到總測(cè)量誤差為：δ=±(1.5+0.5+0.1+0.1)%=±2.2%。
同理可計(jì)算得出閥前壓力、閥前后壓差的測(cè)量誤差分別為±2.1％和±2.3％。
5．結(jié)論
廠所合作研制減壓閥動(dòng)態(tài)性能與壽命試驗(yàn)裝置經(jīng)專家技術(shù)鑒定和使用效果證明，系統(tǒng)測(cè)試范圍寬、功能全、運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)試項(xiàng)目及精度等均達(dá)到GB/12246—2006的要求，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)目前提出測(cè)試要求而無(wú)實(shí)測(cè)條件的空白。
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