对测定气动元件的流量特性参数的主要方法的评述.pdf

液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 1年 第 1 1期 对测定气动元件的流量特性 参数的主要方法的评述 徐 文灿 北方工业大学 ， 北京 1 0 0 0 8 4 摘 要 对 国际标准草案 I S O ／ F D I S 6 3 5 8 1 、 I S O ／ F D I S 6 3 5 8 2 及 国家标准 G B ／ T 1 4 5 1 3进行 了评述 。结论是 I S O ／ F D I S 6 3 5 8 1 不适合作为 国际标准 ， I S O ／ F D I S 6 3 5 8 2作为国际标准的条件尚不明朗。 G B ／ T 1 4 5 1 3可以实施， 其缺陷是不能测无 出13连接 口的气动元件。 并提 出一 种新方法 ， 即测定壅塞流态下的有效截面积 S值及不可压缩流态下的有效截面积 A值 ， 再计算临界压力比 b值 ， 供研讨 。 关键词 气动元件的流量特性 ； 有效截面积 ； 临界压力 比； 声速流导； 国际标准 ； 国家标 准 中图分类号 T H1 3 8 ．5 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 1 1 1 - 0 0 0 4 0 3 Re v i e w o n t h e Ma j o r Me t h o d s f o r Me a s u r i n g t h e F l o wr a t e Ch a r a c t e r i s t i c Pa r a me t e r s o f Pn e u ma t i c Co mp o ne nt s XU w e r r -c o n N o r t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 4 ，C h i n a Ab s t r a c t 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 s o f t h e fl o w c h a r a c t e r i s t i c p a r a me t e r s o f t h e ma i n me t h o d o f d r a f t i n t e ma t i o n a l s t a n d a r d s a r e r e v i e we d i n t h i s p a p e r 。 t h e I S O ／ F D I S 6 3 5 8 1 ， I S O／ F DI S 6 3 5 8 2 a n d n a t i o n a l s t a n d a r d GB ／ T1 4 51 3 a r e r e v i e we d ． T h e c o n c l u s i o n i S I S 0 ／ F DI S 6 3 5 8 1 d o e s n t fi t a s a n i n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d ． I S 0／ F DI S 6 3 5 8 2 a s a n i n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d c o n d i t i o n s a r e t a n t a l i z i n g ． GB 厂 I ’ 1 4 5 1 3 c a n i mp l e me n t ． i t s d e f e c t s i s n o t me a s u r e d wi t h A mo u t h n o e x p o a s o f p n e u ma t i c c o mp o n e n t s ．An d p u t s f o r w ard A n e w me t h o d ，n a me l y t h e d e t e rm i n a t i o n o f c o n g e s t i o n fl o w p a t t e r n s e ff e c t i v e c r o s s s e c t i o n al are a S v a l u e a n d i n c o mp r e s s i b l e fl o w p a t t e r n s e f f e c t i v e c r o s s s e c t i o n a l a r e a ．A v alu e t o c alc u l a t e t h e c r i t i c a l p r e s s u r e r a t i o v a l u e f o r d i s c u s s i o n ． b ． Ke y W o r d s P n e u ma t i c c o mp o n e n t s fl o w c h ara c t e r i s t i c s ； e f f e c t i v e c r o s s s e c t i o n al are a； t h e c ri t i c al p r e s s u r e r a t i o； v e l o c i t y o f f l o w c o n d u c t i v i t y t h e i n t e rna t i o n a 1 s t a n d a r d n a t i o n a l s t a n d a r d s O 引言 自 I S O 6 3 5 8于 1 9 8 9年正式发布后 ， 由于该标准先 天不足 ， 按该标准实施的国家很少。中国于 1 9 9 3年制 定 了 G B ／ T1 4 5 1 3 ， 替代 I S O 6 3 5 8 。 但 由于多种原因， 在中 国该国标也未被气动元件生产厂使用。目前， 有关国家 又 向 I S O 提 出 了 新 的 测 量 方 法 标 准 草 案 I S O ／ F D I S 6 3 5 8 1 ． I S O ／ F D I S 6 3 5 8 2 ． 作为对 I S O 6 3 5 8的修订 和补充。这就形成一个测定气动元件的流量特性参数 方法方面的国际标准 ， 允许多种测量方法并列 ， 这在国 际标准上是罕见的。多种测量方法测出的特性参数若 差别很大 ， 应 以哪个方法为准呢两种方法并列 ， 给人 印象是这些方法分不 出高低 ，但 国际标准是权威性的 收稿 13期 2 0 1 1 - 0 5 1 0 作者简介 徐文灿 1 9 3 7 一 ， 男 ， 北方工业大学教 ， 长期从事流体传动与控 制制 的教学与研究工作。 4 文件 ， 不是专题研究论文集 ， 不可以有随意性 。不成熟 的方法研究成熟 了再 申报国际标准更好。如果一种新 的测量方法 比 I S O 6 3 5 8 8 9好 ， 那就应当理直气壮替代 它 ， 而不是并存。 本文对国内外有关测量气动元件 的流量特性参数 的主要方法进行评述 的目的，是希望关心这方面的气 动同行进行学术研讨 ，最后能得 出多数人都 比较满意 的测量方法 ， 再制定成新 的国家标准 ， 实施成熟后 ． 再 向 I S O推荐 。 1 如何评价测定气动元件流量特性参数的 方法的优劣 可否按下列条件来衡量 1 测出的特性参数必须正确 ， 这是首要的。 若按规定的试验装置，测试仪器精度及测试方法． 在不同单位， 测定同一气阀的同一通道的 C 、 b值 ， 差别 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ N o ． 1 1 ． 2 0 1 1 太大 排 除人为错误 ， 这种标准就不可取。按这一条 ， I S 0 6 3 5 8就不可取。在文献【 呻 指 出， 按 I S O ／ T C I 3 1 ／ S C 8 N 2 5 6提供 的实验数据 ， 在三个实验室测定同一 阀的相 同的 2 0个通道 ， c值偏差大于 1 5 ％占 1 ／ 5 ， b值偏差 大 于 l 5 ％占 6 5 ％， b值有 1 ／ 5的偏差大于 1 0 0 ％， b值最大 偏差为 ％， 测出6 值为负值 这是不可能的 占1 ／ 5 。 这种测试结果怎么可以作为国际标准呢若一种方法 与可靠性高 但其他方面条件差 的另一种方法测 出特 性参数偏差很小 ， 则此方法可靠。 2 测试装置及测试仪器等的投资成本要低 。 如果测两个流量特性参数的投资成本需几十万甚 至上百万元 ， 对气动行业来说 ， 特别是对发展 中国家及 发达国家的中小企业来说 ， 是难以接受 的。因这种测试 装置利用率很低 ， 想收回成本难。 3 测试时耗气量不能过大。 按 I S 0 6 3 5 8 8 9测一个通径 5 0 m m阀的 c 、 b值 ． 需 2 6 m ， 以上气罐存压缩空气 。 这对气动行业来说 ， 无法达 到。即使按 I S 0 6 3 5 8的建议 ， 只测通径 2 0 m m以下的气 阀 ，也要 4 m ， 以上 的气罐才能测一个气 阀一个通道的 c 、 b值。 5 测试方法简便 ， 测试数据处理简单 。 测试方法及数据处理复杂 ，测试人员是不受欢迎 的 ， 且很容易出现人为误差 。若数据处理 由仪器代劳 ， 虽减少了人力及人为错误 ，但会大大增加测试成本和 增加维修费用及难度 。 对待 国际标准草案 ， 有条件 的话 ， 国内都应对该草 案进行实验验证 。没有条件进行论证 ， 至少应要求草案 起草 国提供他们 的实验资料 ，在一定范 围内进行充分 的研讨 ， 再确定支持与否的投票。不应纸上谈兵就对该 草案表示支持与否。中国是个大国， 应采取这种负责任 的态度。当年 ， 对 I S 0 6 3 5 8 ， 中国若投了反对票 ， 加上美 国 、 德 国两票反对 ． I S 0 6 3 5 8 8 9就被否决了。I S 0 6 3 5 8 8 9获得通过本身 ， 说明国际标准审核的体制存在问题。 标准通过后 ， 才有国家要求标准起草 国拿出实验数据 ， 结果实验数据糟糕透顶。现在还对它进行修补 ， 真不知 道国际标准怎么了 2 对 I S 0 ／ F D I S 6 3 5 8 1的评述 I S O ／ F D I S 6 3 5 8 1 是对 I S 0 6 3 5 8 8 9的修订 。 对修订 稿 ， 按上面 四个条件评价 ， 比 I S 0 6 3 5 8 8 9有点改进 ， 但 没有本质的变化 ， 仍不适合作为国际标准。 在文献叫 ， 对 I S 0 6 3 5 8 - - 8 9可靠性差的原 因作 了剖 析。主要是测量方法 、 测试回路的规定及测量精度有问题。 修订稿 中， 对测量方法作了一些新的规定。例如 ， I S 0 6 3 5 8 8 9规 定测最 大质量流量 口 的 1 0 0 ％、 8 0 ％、 6 0 ％、 4 0 ％和 2 0 ％五点 ． 计算其 b值 ， 取其平均值作为临 界压力 比。现在改为 ， 在壅塞区可测二点以上 ， 在亚声 速区等间隔测五点 ， 计算其 b值 ， 取其平均值作为临界 压力 比。 这有可能提高测值 的正确性。 但对“ 等间隔” 没 有规定 ， 是原来的 2 0 ％， 1 0 ％， 还是 5 ％若取不同的“ 等 间隔” 。 测出 b值不同． 以谁为准呢国际标准怎么可以 有随意性呢 若未成熟 ， 又何必急于修订呢 且这种“ 等 间隔” 等的规定 ， 必然大大增加耗气量 5 0 ％以上 ， 大大 增大气罐容积 。 修 订 稿对 流 量 控 制 阀 k的 流通 能 力仍 保 持 了 I S 0 6 3 5 8 8 9的规定 ． 即比被测阀的流通能力大便可。 若 按此规定 ， 当被测气动 回路处于壅塞流态时 ， 其临界截 面可能处于下游流量控制阀内，而被测阀处于亚声速 流态 ， 却把被测 阀内当成处于临界流态 ， 所测 出的 c 、 b 值根本不是被测 阀的值。从这点讲 ， 修订稿测出的 c 、 b 值是不可靠的。 按 I S 0 6 3 5 8对 b值 的规定 ，被测阀的声速流导 c 与流量控制 阀的声速流导 c 之比应小于该被测阀的临 界压力 比b才对。例如 ， 被测阀 b 0 。4， 则 c 应是 c的 2 ． 5倍以上 ． 才能保证被测阀内处于临界流态。 修订稿考虑了 M3 、 M5 、及 6以下快换接头插 口 等小通径气动元件的测量问题 ， 增设 了一些连接件 ， 但 对连接件的规定不够。例如 ， 进 口为 1 ／ 4时、 出口为 4 6 快换接头的阀． 插在快换接头上的管子外径为 6 m m、 内 径为 4 m m， 其管长是多少呢 管长短了， 无法连接 ； 管长 长度不 同， 对 c 、 b值影响很大。 关于测量精度问题。仅就压力测量等级来说 ， 标准 规定， A级改为 0 ． 5 ％， B级改为 l ％。 若压力计的最大量 程为 0 ． 6 MP a ， 对 A级 ． 压力计 的测量精度为 0 ． 0 0 3 MP a 。 在测 4 0 ％q 点时，一般 △ p 。 2 _ 0 ． 0 4 MP a 左右。在测 2 0 ％q 点时 ， 一般 △ p 0 ． 0 1 MP a左右 。则压力差的测量 误差达 0 ． 0 0 3 ／ 0 ． 0 4 7 ． 5 ％ O ． 4 q 点 、 0 ． 0 0 3 ／ 0 ． 0 1 3 0 ％ 0 ． 2 q 点 。这样的压力差测量误差能计算 出正确的 b 值吗故 I S O ／ F D I S 6 3 5 8 一 l 的可靠性仍有问题。 以上观点并不是说 I S 0 6 3 5 8的方法不可能测出正 确的气动元件的流量特性参数 。如果提高测试仪器的 测量精度至 O ． 1 ％， 除测P 及P 外， 还使用高精度的压 差计测 ， 正确选择流量控制阀的流通能力， 注意被测 阀与流量控制阀之间的连接管 的影响，并有能力判断 出数据是否可靠 ，是有可能测 出气动元件正确的 C 、 b 值 。也就是说 ， 作为科研人员 ， 对标准的许多条款作出 重大修改后 ， 有可能测 出正确的特性参数。但经过这些 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 l 1年 第 l l期 改动 ， 就不是 I S O ／ F D I S 6 3 5 8 1了． 而且必然大大增加测 试仪器的投资成本 。再加上本来测量装置及测试仪器 的投资成本就太高 ， 耗气量就太大 ， 测量方法及数据处 理也不简便 ， 是不适合作为国际标准的。 3 对 G B ／ T1 4 5 1 3 9 3的评述 国家标准 G B ／ T 1 4 5 1 3是 1 9 9 3年发布的。由于当时 国内气动元件厂家大多处于体制转型期 ， 又未组织该标 准向全国气动行业宣贯 ， 以致有些单位和个人并不知道 此标准的存在。同时， 对气动元件的流量特性参数 ， 社会 需求不迫切 ， 也是该标准未能进行实施的重要原因。 G B ／ r r 1 4 5 1 3采用有效截面积 S值和临界压力 比 b 值为特性参数 ．而 I S O 6 3 5 8采用声速流导 c值和临界 压力比 b值为特性参数。S和 c是一一对应关系， 可以 相互换算 。但 Ls 值物理意义好理解 ， 且国内气动行业都 很熟悉 。C 值有点学究味， 单位也不好理解 。 测试表明． 用 G B法测出 5和 b值 比用 I S O法测出 c和 b值可靠 。 见文献[2 1 。 当时提出 G B法 的出发点是不用新增任何设备仪 器 ，完全使用我 国现成的测 S值的设备仪器就可测出 国际标准规定的C ． b值。若元件厂有此测试设备， 就可 直接使用 G B法测出元件的 S ， b值。若没有该设备 ， G B 法 的设备仪器 的总投资只是 I S O法的十分之一 以内， 且耗气量也只是 I S O法的十分之一以内。从 四个条件 看 ， G B ／ T 1 4 5 1 3 9 3比 I S O 6 3 5 8 8 9优越得多。 使用 G B法应当注意的问题参见文献[3 1 。对无开关 功能有进出连接 口的元件 如速度控制阀 一样可以测 量。G B法不能测量只有进 口没有出口连接 口的气动元 件 ， 如消声器、 喷枪等 ， 这是 G B法的明显缺陷。 4对 I S O ／ F D I S 6 3 5 8 2的评述 此方法是使用等温气罐通过气动元件充 放 气测 定元件的c 、 6值。因无此设备 ， 也没有使用过此设备测 过气动元件 的 c 、 b值 ，又未见此草案起草国提供的测 试资料 象 I S O ／ T C1 3 1 ／ S C 8 N 2 5 6文件 ，故对 I S O ／ F D I S 6 3 5 8 2无法按前面四条进行客观的评价。仅从草 案本身及见到的有关论文提出尚不明白的一些问题。 1 临界压力 比b值不是直接测出的 ， 是不是从一 条充 放1 气时， 压力随时间变化 的曲线上选取多点计算 出 b值求其平均值得出的 这” 多点” 是多少点 按什么 规律选取能否提供该方法计算出 b值的均方根误差 公式 因 I S O 6 3 5 8和 G B ／ T1 4 5 1 3都提供了测量 c 或 S 、 b值的均方根误差公式 ，证 明 I S O法不行 ， G B法可 行 。也就是说， 怎么证明该方法测出 b值 的可靠性好 2 压力精度是 以满值 F ． S ． 为准 ， 按 A级 0 ． 1 ％F ． 6 S ． 计 ， 当 F ． S ． I M P a时， 精度 为 0 ． 0 0 1 MP a ． 设元件 的 6 0 ． 2 ， 当放气前气罐 内压力 0 ． 6 M P a a b s ． 时 ， 则气罐 内压 力降至 0 ． 0 2 MP a g 以下才处于亚声速放气。设计算 b 值 的选 点压力范 围为 0 ． 0 2 0 ． 0 0 2 MP a g ， 则压力测 量 误差为 5 ％一 5 0 ％， 这对 b值的可靠性的影响有多大 3 该方法据传是草案起草 国的发明专利 ． 该方法 的数据处理也是由仪器进行 ，不 了解该测试设备及测 试仪器的出售价格如何等温气罐属于压力容器， 进 口 许可证的申请经费怎么处理 4 是否 能提供换 向阀 、 速度控制阀 、 消声器等元 件及进出连接 口差别较大的元件的测试数据 5 一种新 的测试方法的探讨 利用声速排气法测元件的 S值 ， 利用压差法 p - p 2 ％p 测元件的 A值 ， 利用公式 b l 一 s ／ 1 ． 4 6 A 2 参见文献 计算 出元件的 b值 。Ls 值是元件在壅塞流 态下的有效截面积 ， A值是元件在不可压缩流态下的有 效截面积 ， b值是元件的临界压力 比， p 和 P 是被测 阀 的上下游的压力。 因在特定条件下测 Js 值及 值 ，故压力及流量的 测量精度可大大提高 ， 保证了 5 、 A和 b值的正确性。 有兴趣的单位可对此法进行研究 ， 逐步加以完善。 6 各种测量方法的比较 各种测量方法的比较 ， 如表 1 所示 。 表 1 参 考 文 献 [ 1 ] 徐文灿． 国际标准 I S O 6 3 5 8可靠性剖析【 J 】 ． 液压与气动， 1 9 9 1 1 ． [ 2 】 徐文灿． 串接音速排气法测定气 动元件的流量特性[ J 】 ． 液压与 气动． 1 9 8 9 2 ． 【 3 】 徐文灿． 贯彻气 动元件流量特性国家标准 中应注意的事项【 J l 液压气动与密封， 2 0 1 1 7 1 ． [ 4 ] 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