测定气动元件的有效截面积（S值和4值）确定临界压力比（b值）的方法研究.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ．0 3 ． 2 0 1 3 测定气动元件的有效截面积 S值和 值 确定临界压力比 b值 的方法研究 张士宏 ． 徐文灿 S MC 中国 有限公司 ， 北京 1 0 0 1 7 6 摘 要 I S 0 6 3 5 8提 出的气 动元 件流量特性参数测试方 法存 在测试装 置成本高 ，测 出气动元件 的临界压力 比 b值通常偏差太大 的缺 点。 针对 上述情况 ， 该文提出一种新的气动元件 流量 特性参数测试方法 ， 简称 S A b法。 该方法测量气动元件在壅塞 流态下 的有效截面积 S值 、 在不可压缩流态下 压 降与上游压力之 比为 0 ． 0 2 的有效截 面积 值 ， 然后根据 Js 值和 A值计算出临界压力比 b值 。这 种方法可 以有效地提高 b值的测量正确度 。 降低测试装置的成本 ， 并且 可以大幅度降低耗气量 。 该文根据 S A b法 的测量结果 ， 分析 了该方法的可 靠性及存在的问题 ， 对制定测试气动元件流量特性参数的方法提供了一些 有价值 的建议 。 关键词 临界压力 比； 壅塞流态 ； 不可压缩流态 中图分类号 T H1 3 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 0 3 0 0 6 3 0 3 S t u d y o n C r i t i c a l P r e s s u r e Ra t i o b b y De t e r mi n a t i o n s o f E ff e c t i v e A r e a a n d A Z HANG S h i - h o n g， XU We n - c a n S MC C h i n a C o ． ，L t d ． ，B e i j i n g 1 0 0 1 7 6 ， C h i n a Ab s t r a c t D e t e r m i n a t i o n s p r o p o s e d b y I S 0 6 3 5 8 h a v e t h e d i s a d v a n t a g e s o f h i g h c o s t a n d i n a c c u r a t e c ri t i c a l p r e s s u r e r a t i o 6 ．I n t h i s p a p e r ，a n e w d e t e r m i n a t i o n ， c a l l e d S A b m e t h o d ，i s p r e s e n t e d ． B y d e t e rm i n a t i o n o f e f f e c t i v e a r e a s 3 i n t h e c h o c k e d fl o w c o n d i t i o n a n d a n o t h e r e f f e c t i v e a r e a i n t h e i n c o m p r e s s i b l e fl o w c o n d i t i o n ，t h e v a l u e o f b c a n b e c a l c u l a t e d ．T h i s me t h o d i mp r o v e s t h e a c c u r a c y o f b v a l u e ， l o we r s t h e c o s t o f e q u i p me n t s ， a n d r e d u c e s t h e a i r v o l u me n e e d e d ．Ba s e d o n e x p e rime n t d a t a ， c r e d i b i l i t y a n d l i mi t a t i o n o f t h e me t h o d i s a n a l y z e d ， s o me h e l p f u l p r o p o s a l s a r e p r e s e n t e d o n t h e d e t e r mi n a t i o n o f p n e u ma t i c c o mp o n e n t fl o w r a t e c h a r a c t e ris t i c s ． Ke y wo r d s c ri t i c a l p r e s s u r e r a t i o ； c h o c k e d fl o w c o n d i t i o n； i n c o mp r e s s i b l e fl o w c o n d i t i o n 1 S A b 法的依据 式中 g 壅 塞 流 态 下 被 测 件 的 质 量 流 量， k g ／ s ； 在壅塞流态下 ，即被测气动元件的下游压力 P 与 p t 被测件上游 的绝对压力 ， MP a ； 上游压力 P 之 比p 2 ／ p 小于临界压力 比 b值 的情况下 ， 被测件上游的绝对温度 ， K； 用 图 1 定压法的测试装置 ， 使用公式 1 ， 由测得的 g 、 P 。 及 ，便可计算出该被测件在壅塞流态下的有效截 面积 |s 值 。 图 1 定压法测试装置 g ∞ 。 4 并 1 收稿 13 期 2 0 1 2 0 6 1 1 作 者简介 张士宏 1 9 7 1 一 ， 男 ， 山西汾 阳人 ， 博士 ， 主要从事气动元 件流 量 特性 、 气 动系统工程技术方面的研究 。 5 壅塞流态下被测件的有效截面积 ， am 。 在不可压缩流态下， 即△ p 0 ． O 2 P ， 的条件下 ， 用 图 1 装置 ， 使用公式 2 ， 由测得的 g 、 p z 、 、 △ p ， 便可以计 算出该被测件在不可压缩流态下的有效截面积 值。 q -一 V ／ R T 2 A 2 式中 g 一 不可压缩流态下被测件的质量流量， k g ／ s ； A 不可压缩 流态下被 测件 的有 效截 面积 ， m m 2 ； 卸 1 p 2 ， M P a ； p 厂设 测件下游的绝对压力 ， MP a ； 一 被测件下游的绝对温度， K； R气体常数 ， R 2 8 7 N m ／ k g K 。 6 3 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 3年 第 0 3期 利用公式 3 ， 便可以计算出该被测件的临界压力 比 b值。 ／ 1 2 b l 一 【 矗 j 3 此公式是假定气动元件的流量特性曲线符合椭圆 曲线导 出的， 只适合测量流通面积不变的气动元件。本 方法是通过测定两个流态下 的有效截 面积 5和 。 确 定临界压力 比 b ， 故简称S A b法。 2 提 出 S A b法 的原 因 I S O 6 3 5 8 1 9 8 9测定两个流量特性参数声速流导 C 值和临界压力比 b值 。该标准规定 。 按被测件 的壅塞流 态下 的质量流量 q 的 1 0 0 ％、 8 0 ％、 6 0 ％、 4 0 ％和 2 0 ％五 点算出 b值 ， 求其平均值作为临界压力 比。由于临界点 即 1 0 0 ％ q 的位置很难确定 ， 使得确定该点 b值 的 随意性很大 ；而 2 0 ％ q 时 ，通常 △ p ／ p 1 ≤0 ． 0 2 ，如 p l 6 0 0 k P a a b s ． ， △ p仅 1 2 k P a ， 若p i 、 p 2 的测量误差为 0 ．5 ％ I S O 6 3 5 8修订后 的 A级精度 ， 则 △ p的测量误差可以 达到 3 5 ％， 故此点得出的 b值会严重失真。由于在上述 两点得出的 b值严重失真 ，故 I S 0 6 3 5 8方 法测 出的 b 值不可信。 S A b法只测两个流态下的有效截面积 。便可以确 定 b值 。不仅耗气量 比 I S 0 6 3 5 8 节省 6 0 ％以上 ， 而且测 量压力范围及流量范围区间变小 ，容易保证仪表的测 量精度 ， 这就提高了测量 b值的正确性。同时 ， 还可以 降低测试设备的成本 。 测量压力 P 。 和P 2 时 ， 选 0 ． 5级量程 0 ～ 1 ． 0 MP a的压 力表。测量 △ p可使用聚氨酯管做成 U形压力计 ， 量程 可达 1 5 0 0 mm水柱。 流量可使用浮子流量计。 温度使用 普通温度计便可。这样 S A b法及修订后的 I S 0 6 3 5 8测 量仪表测量精度如表 1 所示。 表 1 测量仪表的测量精度 根据均方根误差分析 ， 按测量仪表的精度 ， 可 以得 出 。修订后 的 I S 0 6 3 5 8测出 b值可能存在的最大误差 是 S A b法测 出的 b值可能存在的最 大误差 的 7 ～ 1 2倍 左右。本方法也可以利用其他方法 如定容积声速排气 法 测 S值 ， 可以进一步提高 b值的测量正确性。 3 定压法测出的数据及评述 定压 法是保 持上游 压力 P 固定 本 文实 验 p l 64 5 0 0 k P a g ， 调节节流阀开度， 以改变 q m , △ 及P 的方 法。六个被测件的测量数据列于表 2中。 表 2被测件的测试结果 注 被测件 1 为短管 ， 外径 4 , 4 ， 内径 4,2 ． 5 ， 长度 5 0 mm； 被测件 2为长管 ， 外径 4,6 ， 内径 4,4 ， 长度 6 0 0 mm； 被测件 3为 2位 5通双电控 内部先导式弹性密封滑阀， R c 1 ， 4 ； 被测 件 4为 2位 3通单 电控 内部先导式混合复位 间隙密封 滑阀 ， R c l ／ 4 ； 被测件 5为 2位 3通节电型直动式弹簧复位座阀 ； 被测件 6为万 向型速度控制阀 ， 控制流道进 口 R 1 ／ 4 ， 出 口连 接管 外径 6 ， 内径 4,4 ， 长度 3 6 ra m。 表 中的 b值是 S A b法测 出的 b值 ， b平 均 是指符 合 I S 0 6 3 5 8的 A级测量精度 ，按 q m ／ q 五个流量 比计算出 的 b 值 的平均值 。 因临界点 q 处的 b值难以确定 ， 故用 g I0 ． 9的一点替代临界点。 表 中 6 。 是 I S O 6 3 5 8 的 5 个测点中 b值的最大值与最小值之 比。 g 椭 圆 ／ q 实 测 是指按测出的 ．s值和 b平 均 ， 用椭圆曲线 假设求得 的质量流量 q 椭 圆 与实测质量流量之 比。1 一 q 椭 圆 ， q 实 渊 趋于 O表明椭圆假设的可信性高。 若按此条 件 ， 被测件 1 、 3 、 4 、 5 、 6的 b值可信。b ／ b平 均 趋于 1表明 b值可信性高 。 6 m 田 ／ 6 反映出流量特性 曲线是椭圆曲线假设的正 确性 。该值越大 ，说明该被测件越偏离椭圆曲线的假 设 ， 得出的 b平 均 越不可信。 对被测件 4而言， 测出 5点 b 值都小于 0 ． 1 6 7 ， 表明压力 p 1 0 ． 6 0 1 3 MP a a b s ． 太低 ， 不 能保证被测件达到临界状态 ，故被测件 4的测量结果 不可信。 4 变压法条件下适 用性 所谓变压法， 是 指被测件下游直接通大气 ， 改变上 游压力P 。 的测试方法。A值是在 △ p _ p 呻2 0 ． 0 的条 件下测定 的。当p 2 -- p 1 0 1 ． 3 k P a a b s ． 时 ， 则应在 p l p J 1 0 ． 0 2 1 0 3 ． 3 7 k P a a b s ． 条件下测 值 。 显然 ， 在如此 兰 ； 0 ． 3 ； 所谓 e相似 ， 是指使用定压法或变压法测定 值 时的 相近。 ， 根据相似原理， 有无可能测出正确的 值和 b值呢 以某快换接头为例 ，其测量值及有关计算值列于 表 3中。有关测试装置和测量参数如图 2所示。 低 的P 下测 出的 A值与在定压法 △ p 0 ． 0 2 p 本文实验 p 。 5 0 0 k P a g 条件下测 A 值是不 同的 ， 原 因在于两种 情况下 的流态不同。 对 于上述两种不 同的流态 ， 若雷诺数 e与马赫数 相似 所 谓 相 似 ， 是在不可压缩流态下 ， 应该 l 一 一 一 1 一 一 一 1 一 一 0 ． 8 6 一 一 一 0 ． 5 6 一 一 一 O ． 5 4 0 ． 0 0 6 3 1 ． 0 0 0 0 ． 5 5 0 ． 4 2 0 ． 0 0 5 2 0 ． 9 4 2 0 ． 4 8 O ． 3 2 0 ． 0 0 44 0 ． 8 6 4 0 ． 5 4 0 ． 2 8 0 ． 0 0 41 0 ． 7 8 6 0 ． 5 5 O ． 2 3 0 ． 0 0 3 9 0 ． 6 9 2 0 ． 5 5 表 3中， p 2 ／ p l 1 ， p ． l O 1 ． 3 k P a a b s ． 。 R e 1 、 t 是指 上游测压管中的雷诺数和流速 。 出 和 是指被测件 出 口的流速和马赫数。 出 是在假设 P出 0 ． 1 0 1 3 MP a a b s ． 时计算 出来的。 当 出 1时， P出 p ， 所以真实 的 出 比括号中的 小。 m是按 t 出 2 6 ． 3 C 计算出来的。按表 3数据画流量特性 线可以看 出 ，临界点 大约在 p l 8 5 k P a g 处 ，即 S 1 4 ． 4 mm ， b O ． 5 5 。q 是 按 S 1 4 ． 4 4 m m。 ， 在 对 应 的 P l 、 T 1 下求出的临界流态下的质量流量 。b 值是按 I S O 6 3 5 8 椭圆曲线假定 ， 在p 及 q d q 条件下 ， 计算 出的临界 压力 比。 假定使用定压法 ， 在 p 。 5 0 0 k P a g 及 △ p 。 0 ． 0 2 条件下 ， 按被测件测出的 S 1 4 ． 4 mm 和 b O ． 5 5 ， 计算上 游测压管内雷诺数 R e 定 4 6 3 7 0 。 由表 3可见 ， P l 2 1 k P a g 时 ， 即 △ p ／ p l 0 ． 1 7 ， M 出 0 ． 2 8 O ． 3 ， 已属于可压缩流动 ； 0 ． 3 时 ， e又太小 ， 和定压法相差太大 ， 流动无相似性。 5 S A b法 的适用元件 本方法仅适用于在不同 p 2 ／ p 条件下 ，该元件的实 际流通面积不变的元件。这里讲的是流通面积 ， 而不是 流道 的几何面积。其实， 这一条件应适用于所有测流量 特性参数的方法 ， 如 I S O 6 3 5 8法 ， 定容积等温放气法 ， 串接声速排气法等 。只是对不 同方法的影响程度有些 不同。 本方法不适合在变压法条件下使用 ，因很多气动 元件难以保证 e和 的相似性 ； 本方法不适合有最低 使用压力要求的元件 ， I S O 6 3 5 8的变压法及定容积等温 放气法也有类似 的问题 ；本方法不能用于无连接出口 的元件 ， 如消声器等。 对快换接头连接 的各种气动元件 ，使用本方法要 考虑能否消除连接管带来的影响 。这点也适用于其他 的测量方法 。 参 考 文 献 [ 1 】 I S O 6 3 5 8 - 1 9 8 9 ， P n e u m a t i c F l u i d P o w e r c o m p o n e n t s Us i n g Co mp r e s s i b l e F l u i d s d e t e r mi n a t i o n o f F l o w r a t e C h a r a c t e r i s t i c s [ S 1 ． 【 2 】 徐 文灿． 论气动元 件的有效截面积[ J ] ． 液压与气动 ， 1 9 8 4 ， 3 ． f 3 】 徐 文灿． 对测 定气动元 件的流量特性参数的主要方 法的评述 I J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 1 1 ， 1 1 ． [ 4 】 S MC 中国 有限公 司． 现代实用气 动技 术 第三 版 [ M】 ． 北京 机械工业 出版社 ． 2 0 0 8 ． 【 5 】 杨 丽红 ， 叶骞 ， 刘 成 良． 等 温容器放 气法测定 电磁 阀流量 特 性的研究【 J ] ． 机械科学与技术， 2 0 0 5 ， 1 0 ． 6 5 盯 卯 ．。 舳 ㈣ ㈤0 S 9 5 2 9 3 4 9 6 3 2 蛎 铊 鹪