抗(耐)震壓力表液壓伺服脈動(dòng)校驗(yàn)裝置應(yīng)用研究

劉開緒，劉卓群，李博，董鵬，吳春梅，張占勝

(1.大慶師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江大慶 163712；2.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林 132012；3.大慶油田技術(shù)監(jiān)督中心，黑龍江大慶 163712)

0 前言

抗(耐)震壓力表也稱作抗震(振)壓力表或耐震壓力表，它是在普通壓力表的基礎(chǔ)上，內(nèi)部填充阻尼液并加裝緩沖機(jī)構(gòu)，來減輕環(huán)境劇烈振動(dòng)及介質(zhì)的脈沖對(duì)儀表的測(cè)量準(zhǔn)確度及使用壽命的影響，文中統(tǒng)稱耐震壓力表[1-3]。耐震壓力表指示穩(wěn)定清晰，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、石油、化工、冶金、礦山、電力等領(lǐng)域。由于耐震壓力表長(zhǎng)期工作在機(jī)械振動(dòng)及壓力脈動(dòng)的環(huán)境下，容易產(chǎn)生疲勞，應(yīng)該定期對(duì)其計(jì)量特性進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性[4-6]。SY/T 6817—2010《抗(耐)震壓力表校準(zhǔn)方法》中規(guī)定，抗介質(zhì)脈動(dòng)檢驗(yàn)方法如下：將壓力表安裝在能產(chǎn)生正弦波形脈動(dòng)壓力、頻次為(60±5)次/min的脈動(dòng)壓力源上，在量程30%～40%之間的一個(gè)檢驗(yàn)點(diǎn)上施加脈動(dòng)壓力，其幅度不大于該點(diǎn)壓力值的10%，待壓力表脈動(dòng)幅度穩(wěn)定后，考查壓力表的減幅比和脈動(dòng)誤差[7]。

可以用柱塞式壓力計(jì)的活塞在很小的距離范圍內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)液體壓力在封閉的容積內(nèi)的脈動(dòng)。此種脈動(dòng)壓力產(chǎn)生方法最直接，采用活塞和凸輪配合，再配以調(diào)節(jié)容腔大小的調(diào)幅器構(gòu)成一套檢驗(yàn)裝置[2]。但該方案的調(diào)幅器適應(yīng)范圍有限，不適用于大容腔耐震壓力表，而且隨著凸輪的磨損，脈動(dòng)幅度減小，測(cè)量的系統(tǒng)誤差增大。

本文作者利用液壓伺服控制裝置實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)源的設(shè)計(jì)，先通過氣驅(qū)液預(yù)壓泵產(chǎn)生基準(zhǔn)壓力值，該壓力值對(duì)應(yīng)于校驗(yàn)?zāi)驼饓毫Ρ淼臋z驗(yàn)點(diǎn)壓力值；再在基準(zhǔn)壓力值的基礎(chǔ)上，通過液驅(qū)液增壓缸活塞產(chǎn)生壓力增量，該壓力增量等于檢驗(yàn)點(diǎn)壓力值的10%，使得校驗(yàn)的耐震壓力表容腔內(nèi)的壓力達(dá)到高壓值，液驅(qū)液增壓缸活塞退回原來位置時(shí)，系統(tǒng)容腔壓力回歸到基準(zhǔn)壓力值。然后采取電液伺服控制液驅(qū)液增壓缸工作，校驗(yàn)?zāi)驼饓毫Ρ砣萸粌?nèi)的壓力在基準(zhǔn)壓力值和高壓值之間按照給定規(guī)律(如正弦規(guī)律)變化。

該方案能夠適應(yīng)不同型號(hào)耐震壓力表傳壓孔容積的差異以及環(huán)境溫度的影響，使得脈動(dòng)壓力源能夠根據(jù)設(shè)定的基準(zhǔn)壓力值自適應(yīng)變化壓力表參數(shù)、環(huán)境參數(shù)，自動(dòng)調(diào)整液驅(qū)液增壓缸的活塞行程，輸出穩(wěn)定的壓力脈動(dòng)幅度以靈活地調(diào)節(jié)脈動(dòng)的頻率和幅度，基于此設(shè)計(jì)了通用性強(qiáng)的脈動(dòng)頻率和幅度可靈活設(shè)定的耐震壓力表校驗(yàn)裝置。

1 校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求

SY/T 6817—2010《抗(耐)震壓力表校準(zhǔn)方法》中明確規(guī)定了在被校驗(yàn)?zāi)驼饓毫Ρ砹砍痰?0%～40%之間選取一個(gè)檢驗(yàn)點(diǎn)，記作pO，并在該檢驗(yàn)點(diǎn)上施加正弦波脈動(dòng)壓力，其幅度不大于該點(diǎn)壓力值的10%，脈動(dòng)頻率為(60±5)次/min。圖1所示為壓力表校驗(yàn)脈動(dòng)波形示意。

按照抗(耐)震壓力表校準(zhǔn)方法要求，校準(zhǔn)抗(耐)震壓力表需要滿足壓力脈動(dòng)幅度Δp=(pmax-pmin)≤pO×10%的條件。比如對(duì)于一塊100 MPa的耐震壓力表，可以選取pO=30 MPa，脈動(dòng)的幅度是3 MPa，即pmax=33 MPa。

圖1 壓力表校驗(yàn)脈動(dòng)波形示意

同時(shí)要求脈動(dòng)的頻率滿足(60±5)次/min，即每秒對(duì)應(yīng)出現(xiàn)1個(gè)脈沖波形。

2 液壓脈動(dòng)裝置的原理及控制方法

2.1 裝置的原理

液壓脈動(dòng)波形的產(chǎn)生分兩段進(jìn)行。首先，在手動(dòng)狀態(tài)下使液驅(qū)液增壓缸活塞退回到零位，通過氣驅(qū)液預(yù)壓泵把試壓管路容腔內(nèi)的壓力升高至檢驗(yàn)點(diǎn)壓力值pO，接著關(guān)閉回油截止閥使得管路內(nèi)的壓力不會(huì)通過管路回流到預(yù)壓泵內(nèi)而泄壓；然后，通過調(diào)節(jié)液壓泵站溢流閥開度調(diào)節(jié)液壓泵站出口壓力，手動(dòng)控制液驅(qū)液增壓缸的活塞推進(jìn)，使增壓缸工作時(shí)的出口輸出壓力在預(yù)壓值pO的基礎(chǔ)上增加到pmax。之后，切換到波形輸出模式，即啟動(dòng)自動(dòng)控制，則液驅(qū)液增壓泵出口壓力在pO和pmax之間波動(dòng)[8-9]。

該波動(dòng)產(chǎn)生的壓力波形可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于采用伺服控制閥、壓力值反饋，當(dāng)給定的波形為正弦波時(shí)，產(chǎn)生的脈動(dòng)波形接近于正弦波。該機(jī)構(gòu)可以得到三角波、梯形波等所需要的波形，實(shí)現(xiàn)起來非常方便。液壓脈沖機(jī)構(gòu)的原理框圖如圖2所示。

圖2 抗耐震壓力表校準(zhǔn)裝置系統(tǒng)框圖

校驗(yàn)系統(tǒng)裝置包含液壓脈動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)兩大主要功能，脈動(dòng)功能是采用氣驅(qū)液預(yù)壓到pO，再液驅(qū)液增壓缸增壓到pmax，利用壓力變送器反饋信號(hào)控制電液伺服閥實(shí)現(xiàn)正弦波液壓脈動(dòng)控制[10-11]。

采用工控機(jī)運(yùn)行LabVIEW軟件圖形化界面設(shè)計(jì)，借助壓力、溫度、振幅變送器實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，相關(guān)參數(shù)直接顯示在軟件程序的前面板上，同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)壓力、振動(dòng)幅度的波形和數(shù)值的顯示，相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)記錄，并生成在校準(zhǔn)報(bào)告之中[12-13]。

在軟件程序的前面板上，設(shè)計(jì)有波形顯示窗口，提供動(dòng)態(tài)顯示給定波形、實(shí)測(cè)波形，通過實(shí)測(cè)波形與給定波形的對(duì)比可以初步判斷系統(tǒng)的控制精度。

同時(shí)，為了使得數(shù)據(jù)可溯源，采取每秒20點(diǎn)的數(shù)據(jù)錄波存儲(chǔ)，可以非常方便地還原出脈動(dòng)壓力波形變化的規(guī)律。

同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)規(guī)范要求的減幅比參數(shù)的評(píng)定，分別顯示脈動(dòng)壓力值的最小值、平均值、最大值。圖3所示為液壓脈動(dòng)控制流程。

圖3 液壓脈動(dòng)控制流程

同時(shí)，為了驗(yàn)證耐震性能，被檢壓力表安裝在綜合試驗(yàn)臺(tái)的活接頭上，活接頭連接在振動(dòng)臺(tái)，啟動(dòng)振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)，被檢壓力表一同振動(dòng)，其振動(dòng)幅度通過振動(dòng)傳感器檢測(cè)，經(jīng)隔離后由工控機(jī)采集卡處理，處理的數(shù)據(jù)在軟件界面上以振幅數(shù)據(jù)顯示，振動(dòng)的頻率和幅度可以通過電位器分別調(diào)節(jié)。在圖3所示的液壓脈動(dòng)控制流程中并沒有體現(xiàn)振動(dòng)的控制，振動(dòng)臺(tái)采用電磁振動(dòng)臺(tái)，配置振幅傳感器。振動(dòng)臺(tái)與脈動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)呈分離軟連接，振動(dòng)的控制相對(duì)獨(dú)立，振幅數(shù)據(jù)在報(bào)告中體現(xiàn)[14]。

當(dāng)系統(tǒng)工作達(dá)到了設(shè)定的脈動(dòng)次數(shù)時(shí)，或在點(diǎn)擊軟件前面板“報(bào)告輸出”按鈕時(shí)，軟件自動(dòng)處理脈動(dòng)壓力的最小值、平均值、最大值及振幅參數(shù)值與耐震壓力表的檢測(cè)值，生成校驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過與耐震壓力表的精度等級(jí)數(shù)據(jù)比對(duì)，給出校驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論。其中，耐震壓力表的檢測(cè)值通過視頻系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示在屏幕上，通過截屏的方式獲取對(duì)應(yīng)檢定點(diǎn)壓力值的數(shù)據(jù)[15]。

2.2 液壓系統(tǒng)原理

按照系統(tǒng)框圖規(guī)劃設(shè)計(jì)的液壓脈沖裝置系統(tǒng)如圖4所示。整個(gè)系統(tǒng)由低壓部分和高壓部分組成，兩部分通過液驅(qū)液增壓缸ZY2實(shí)現(xiàn)隔離[8-9]。

被校驗(yàn)的耐震壓力表安裝在綜合試驗(yàn)臺(tái)SYT1的活接頭上，截止閥JZ2用于切斷監(jiān)視封閉容腔內(nèi)的壓力表，壓力變送器P1為系統(tǒng)電氣部分提供壓力信號(hào)。

預(yù)壓時(shí)，手動(dòng)控制伺服閥DT1控制液驅(qū)液增壓缸ZY2的活塞退回到最底端，然后調(diào)節(jié)ITV1氣控閥，同時(shí)打開手控球閥YY1給氣驅(qū)液液壓泵ZY1提供能量，氣驅(qū)液液壓泵ZY1工作把介質(zhì)泵JZB1提供來的液體通過單向閥壓入到高壓管路容腔內(nèi)，比如達(dá)到預(yù)壓使pO=5 MPa，然后關(guān)閉截止閥JZ1使得試驗(yàn)容腔被封閉。

圖4 液壓脈沖裝置系統(tǒng)

增壓時(shí)，液壓站的動(dòng)力液壓泵DLB1工作，調(diào)節(jié)電氣比例溢流閥YLF1的開度，控制溢流量以此控制液壓站出口壓力，即控制了施加到液驅(qū)液增壓缸ZY2上的液體壓力大小。通過伺服閥DT1控制液驅(qū)液增壓缸ZY2推進(jìn)，使試驗(yàn)容腔內(nèi)的壓力達(dá)到pmax，比如pmax=5.5 MPa，調(diào)定pmax之后，鎖定比例溢流閥YLF1的狀態(tài)。

切換到連續(xù)波形輸出，即實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)試驗(yàn)的狀態(tài)。在給定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)的作用下，伺服閥DT1控制液驅(qū)液增壓缸ZY2的活塞按照壓力變動(dòng)正弦波規(guī)律動(dòng)作，這樣首先保證了封閉容腔內(nèi)的壓力脈動(dòng)范圍限定在pO和pmax之間，其次是液壓伺服控制能夠確保輸出波形接近正弦波。

試驗(yàn)結(jié)束后，打開泄壓閥XYF1使試驗(yàn)容腔內(nèi)的介質(zhì)流回介質(zhì)箱，打開截止閥JZ1使液驅(qū)液增壓缸ZY2的出口與氣驅(qū)液增壓泵ZY1入口相連通，為下一次試驗(yàn)做好準(zhǔn)備。

而且，綜合試驗(yàn)臺(tái)SYT1安裝在振動(dòng)臺(tái)上隨振動(dòng)臺(tái)面一起振動(dòng)，以驗(yàn)證耐震壓力表的振動(dòng)性能，同時(shí)可避免振動(dòng)對(duì)脈動(dòng)部分的影響。

3 元器件的選擇

3.1 氣驅(qū)液預(yù)壓泵的選擇

根據(jù)被檢表的量程和校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)確定氣驅(qū)液預(yù)壓泵參數(shù)，首要參數(shù)是氣驅(qū)液預(yù)壓泵高壓端輸出壓力。如檢定100 MPa的耐震壓力表，取量程30%的點(diǎn)為檢驗(yàn)點(diǎn)，即30 MPa，即對(duì)應(yīng)圖1中的pO=30 MPa，這就要求氣驅(qū)液預(yù)壓泵的輸出壓力能夠達(dá)到30 MPa。又由于通用空壓機(jī)作為氣源的最大限定壓力一般在0.8 MPa以內(nèi)，由此可以確定增壓比為pO/0.8。實(shí)際設(shè)計(jì)中，還需要考慮在工作過程中氣源壓力降低、脈動(dòng)幅度帶來的影響，所以可以按照1.5倍的理論值確定增壓比，取氣驅(qū)液預(yù)壓泵的增壓比在50～70之間的定型產(chǎn)品。如增壓比選擇60，即可以實(shí)現(xiàn)0.8×60=48 MPa，能夠滿足30 MPa檢定點(diǎn)的檢定要求。其次，確定選擇單作用還是雙作用方式等其他參數(shù)及結(jié)構(gòu)形式，通常選擇雙作用以提高工作效率。

3.2 液壓站參數(shù)和液驅(qū)液增壓缸的選擇

脈動(dòng)需要的最高壓力值pmax決定著系統(tǒng)其他元件參數(shù)的選擇，如液壓站工作最高壓力、增壓缸的增壓比等。

首先確定液壓站最高工作壓力在6.5 MPa，在電氣比例溢流閥YLF1的作用下可以使得液壓站出口壓力在0～6.5 MPa之間連續(xù)點(diǎn)調(diào)節(jié)。為了保證液驅(qū)液增壓缸ZY2輸出壓力能夠達(dá)到pmax，對(duì)應(yīng)100 MPa的耐震壓力表，pmax=33 MPa，由此確定增壓比為pmax/6.5=5.0倍。

增壓缸還有一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)就是流量，由于壓力表校驗(yàn)在封閉的容腔內(nèi)部進(jìn)行，管路內(nèi)部容積非常有限[2]，不需要增壓缸大流量輸出。因?yàn)槭忻嫔系某善吩鰤焊锥嗍菫槠嚹z管等產(chǎn)品做疲勞或爆破試驗(yàn)用的，完全適合用于耐震壓力表的校驗(yàn)裝置之中，如實(shí)際選擇的增壓缸增壓比為7.6。

液驅(qū)液增壓缸最大行程可以依據(jù)介質(zhì)的體積壓縮率、管路的容積、溫度參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算，也可以通過試驗(yàn)的方式調(diào)整確定最佳參數(shù)。圖5所示是耐震壓力表校驗(yàn)裝置實(shí)物。

裝置內(nèi)部集成了一套液壓站和10、100 MPa兩套脈動(dòng)裝置，分別適應(yīng)不同量程的測(cè)量。

精準(zhǔn)扶貧的產(chǎn)業(yè)、生態(tài)和能力扶貧對(duì)于鄉(xiāng)村振興目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有路徑上的共生性。以高質(zhì)量產(chǎn)業(yè)、新農(nóng)村建設(shè)、繁榮農(nóng)村文化為接點(diǎn)，通過產(chǎn)業(yè)、生態(tài)和文化教育扶貧促進(jìn)“農(nóng)業(yè)強(qiáng)”、“農(nóng)村美”和“農(nóng)民富”具有現(xiàn)實(shí)的可能性。

圖5 耐震壓力表校驗(yàn)裝置

4 性能驗(yàn)證及分析

4.1 脈動(dòng)幅度和頻率的跟蹤試驗(yàn)

脈動(dòng)幅度由pO和pmax的差值決定，當(dāng)pO和pmax的值分別確定以后，則脈動(dòng)幅度也確定。溫度參數(shù)會(huì)影響介質(zhì)體積壓縮率[16]，但在檢定一塊耐震壓力表過程中溫度的影響非常小，而且伺服控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力，實(shí)際應(yīng)用證實(shí)系統(tǒng)工作是穩(wěn)定的。

脈動(dòng)頻率的調(diào)節(jié)是通過設(shè)定給定波形各個(gè)階段的時(shí)間確定的。如梯形波的上升時(shí)間為0.25 s、上水平段時(shí)間0.25 s、下降時(shí)間0.25 s、下水平段時(shí)間0.25 s，則梯形波的周期為1 s，對(duì)應(yīng)頻率為60次/min。改變各個(gè)階段的時(shí)間就可以產(chǎn)生不同頻率的波形，調(diào)節(jié)起來非常方便，這樣設(shè)置便于構(gòu)造不同的波形，正弦波等其他常用波形的設(shè)定也類似。

通常不同型號(hào)壓力表的容腔容積在0～0.314 mL[2]，為了驗(yàn)證裝置的適用范圍，在試驗(yàn)裝置上分別額外加裝了100 mL和1 000 mL的高壓增容儲(chǔ)液罐。在前述選型的基礎(chǔ)上試驗(yàn)脈動(dòng)幅度、頻率跟蹤范圍，經(jīng)過試驗(yàn)證實(shí)裝置的脈動(dòng)幅度符合要求，極限控制頻率均可以達(dá)到(60±5)次/min標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，由試驗(yàn)可知：在去掉增容儲(chǔ)液罐后，裝置的頻率跟蹤性能會(huì)顯著提升。

4.2 校驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理及試驗(yàn)驗(yàn)證

校驗(yàn)裝置產(chǎn)生符合標(biāo)準(zhǔn)要求的液壓脈沖作用在被校驗(yàn)的耐震壓力表上，系統(tǒng)自動(dòng)獲取液壓脈沖的參數(shù)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)與耐震壓力表示數(shù)數(shù)據(jù)按照規(guī)范要求進(jìn)行比對(duì)處理生成校驗(yàn)報(bào)告，給出校驗(yàn)結(jié)論。耐震壓力表示數(shù)的讀取可以通過視覺自動(dòng)識(shí)別，或人工讀取。

試驗(yàn)驗(yàn)證分別采用YTN-100、16 MPa的耐震壓力表和100 MPa高壓膠管做脈動(dòng)壓力檢驗(yàn)試驗(yàn)。

對(duì)于16 MPa的耐震壓力表，選擇檢定點(diǎn)為5 MPa，脈動(dòng)幅度0.5 MPa，測(cè)試記錄的工控機(jī)截屏如圖6所示。

100 MPa量程可以用來檢定耐震壓力表，也可以用于汽車膠管的疲勞試驗(yàn)。如對(duì)于100 MPa高壓膠管，進(jìn)行80 MPa±10%(即72～88 MPa)的脈動(dòng)試驗(yàn)，測(cè)試記錄的波形如圖7所示。也可以進(jìn)行其他脈動(dòng)范圍的試驗(yàn)，如30～90 MPa間的脈動(dòng)試驗(yàn)等。

實(shí)際脈動(dòng)的基準(zhǔn)壓力、幅度都可以靈活設(shè)定，并可以在試驗(yàn)的過程中進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖6 16 MPa耐震壓力表試驗(yàn)軟件界面

圖7 高壓膠管脈動(dòng)試驗(yàn)曲線

5 結(jié)論

基于LabVIEW軟件、PCI-1711U采集控制卡經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)伺服閥實(shí)現(xiàn)精確控制，經(jīng)過大量試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

(1)采用預(yù)壓和增壓脈動(dòng)的兩段式施壓，其脈動(dòng)幅度能夠被唯一地限定在控制區(qū)間內(nèi)，設(shè)定方便靈活。

(2)伺服閥控制液驅(qū)液增壓缸工作，保證了脈動(dòng)頻率調(diào)節(jié)范圍符合規(guī)范要求，采用伺服閥控制能夠更加準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)正弦波脈動(dòng)和其他波形的脈動(dòng)。

該耐震壓力表校驗(yàn)裝置采用工控機(jī)控制，包含10 MPa和100 MPa 2個(gè)量程脈動(dòng)壓力源，具有操作靈活、控制精度較高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確動(dòng)態(tài)記錄等優(yōu)點(diǎn)，該裝置適應(yīng)管路容積變化量比較寬泛，能夠適應(yīng)包括油田上使用的超高壓耐震壓力表的校驗(yàn)，以及一些膠管類的靜壓試驗(yàn)、脈動(dòng)試驗(yàn)及爆破試驗(yàn)等。