CN112903280A - 一种阀门冲击性能测试管路及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于阀门试验技术领域，公开了一种阀门冲击性能测试管路及系统。包括机械系统和测控系统，机械系统用于为被试件提供气体介质和工况条件，测控系统用于控制气体介质和工况条件，还用于自动化次采集与存储试验参数，机械系统包括气体增压单元、高压气瓶单元、减压阀安装单元、气垫模拟单元和流量调节单元；气体增压单元用于对气体介质增压；高压气瓶单元用于对气体介质进行存储和释放；减压阀安装单元用于对对被试阀门进行装夹和固定；气垫模拟单元用于模拟被试阀门后管路的容积变化；流量模拟单元用于模拟阀门流量不同时的工况。

Description

一种阀门冲击性能测试管路及系统

技术领域

本发明属于阀门试验技术领域，具体涉及一种阀门冲击性能测试管路及系统。

背景技术

常规的阀门测试系统中，调节被试件后容腔容积通常的做法是：采用水罐充水，控制水罐的充水量，以水罐内的剩余容积作为模拟气垫容积，这样做的缺点为：1)系统需要增加水介质子系统，需要考虑容器的上水、排水等环节，系统较为复杂；2)以液位控制来实现容积控制，精度较低；3)给模拟气垫后续管路带来了较大的水汽，影响系统使用精度和寿命，造成安全隐患；4)所占容积较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种阀门冲击性能测试管路及系统，用以解决现有技术中的阀门测试系统的测试阀门后管路容积变化不易检测的问题。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种阀门冲击性能测试管路，包括气体增压管路、储气管路和流量调节管路，所述气体增压管路、储气管路和流量调节管路依次相连，所述储气管路的出口处设置有待测阀门，所述气体增压管路的入口与气源连接，还包括气垫模拟管路，所述气垫模拟管路设置在待测阀门出口处；

所述气垫模拟管路包括并联的第一支管和第二支管，所述第一支管连接气缸的入口，所述气缸通过电动推杆驱动，所述第二支管和气缸的出口连接流量调节管路的入口；

所述气体增压管路的进口通过过滤器与气源连接，所述过滤器后连接有第一增压支管、第二增压支管、第三增压支管和第四增压支管，所述四条增压支管并联，所述第一增压支管和第二增压支管上分别连接有减压阀，所述第二增压支管和第三增压支管连接增压泵输入端，所述增压泵输出端和第四增压支管通过过滤器与储气管路的输入端连接，所述第一增压支管用于为储气管路、气垫模拟管路和流量调节管路上所有的气控截止阀供气。

进一步的，所述储气管路的入口处设置有三个并联的高压气瓶，每个高压气瓶的瓶口分别设置有温度计和压力表，所述储气管路在三个并联的高压气瓶之后还连接有电子减压器，所述储气管路的出口处设置有压力表，所述储气管路的出口依次通过电子减压器和过滤器连接被试阀门的入口。

进一步的，所述流量调节管路包括多个并联的流量计且每个流量计的量程不同。

进一步的，所述被试阀门的入口和出口处均设有压力表，且每个压力表都连接一个气控截止阀。

一种阀门冲击性能测试系统，包括机械系统和测控系统，所述机械系统用于为被试件提供气体介质和工况条件，所述测控系统用于控制气体介质和工况条件，还用于自动化次采集与存储试验参数，所述机械系统包括气体增压单元、高压气瓶单元、阀门安装单元和流量调节单元，所述机械系统还包括气垫模拟单元；

所述气体增压单元用于对气体介质增压；所述高压气瓶单元用于对气体介质进行存储和释放；所述阀门安装单元用于对对被试阀门进行装夹和固定；所述气垫模拟单元用于模拟被试阀门后管路的容积变化；所述流量模拟单元用于模拟阀门流量不同时的工况。

进一步的，所述测控系统包括采集控制器、上位计算机、信号调理模块、直流电源和电磁阀驱动模块，用于采集各传感器处的静态压力、动态压力、流量和温度信号。

进一步的，所述采集控制器采用NI cRIO实时控制平台。

本发明与现有技术相比具有以下技术特点：

(1)系统采用模块化设计，简化了系统结构，各模块各自独立，既可组合使用，也可用于实验室其他用途。

(2)系统输出压力较高，可达70MPa；采用流量调节阀，使得被试件出口流量无级调节；采用流量分级调节模式，流量调节跨度较大，调节能力可达0.01g/s～100g/s；配置质量流量计，实时动态测量被试件出口流量；

(3)多气瓶并联并独立控制，根据试验类型自由组合和使用气瓶，提高了试验介质的利用率；

(4)多种试验模式并行，配置了高压电磁阀、ER5000电子减压器、CRIo测控平台，可以实现被试件的压力特性试验、流量特性试验和启动冲击试验等；

(5)采用气垫模拟单元，可是实现被试件后容腔容积的调节和模拟；

(6)测控系统采用坚固可靠的CFP模块和工控机，测量精度优于0.5％。

(7)选用国内外先进成熟的硬件产品，并配置具有广泛适用对象的信号调理模块，有效的提高了测试系统的抗干扰能力和可靠性，使系统稳定性大大提高。

(8)自动化测试大大减少试验时间，试验完成后可在屏幕上直接看到数据结果和曲线。

附图说明

图1为系统功能框图；

图2为实施例中气体增压管路示意图；

图3为减压阀安装单元示意图；

图4为气垫模拟单元系统原理图；

图5为测控系统结构示意图；

图6为实施例中储气管路管路示意图；

图7为实施例中减压阀安装管路示意图；

图8为实施例中气垫模拟管路和流量调节管路示意图。

图中标号代表：1-升降装置、2-辅助夹具、3-待测阀门、4-安装平台、5-气缸、6-电动推杆、M-气体增压泵和7-高压气瓶；

截止阀：KV11～KV19；气控截止阀：QV21～QV27、QV21～QV34、QV51～QV55；手动减压阀：J11、J12；电子减压阀：DJ21；压力表：P11～P15、P21～P25、P31、P32；安全阀：A11～A13、A21、A22、A31、A41；单向阀：DX11、DX12、DX41、DX42；温度计：T21～T24；过滤器：GL11～GL13、GL21；电子流量计：QL51～QL54；电动调节阀：TJ51～TJ54；高压电磁阀：DC21。

具体实施方式

首先对本方案中出现的技术词汇进行解释：

阀性能测试：航天类阀门的流量特性、压力特性、气流阻特性等试验类型测试。

在本实施例中公开了一种阀门冲击性能测试管路，包括气体增压管路、储气管路、气垫模拟管路和流量调节管路，所述气体增压管路、储气管路、气垫模拟管路和流量调节管路依次相连，所述储气管路的出口与气垫模拟管路的进口之间设置有待测阀门，所述气体增压管路的入口与气源连接，所述气体增压管路的进口通过过滤器与气源连接，所述过滤器后连接有第一增压支管、第二增压支管、第三增压支管和第四增压支管，所述四条增压支管并联，所述第一增压支管和第二增压支管上分别连接有减压阀，所述第二增压支管和第三增压支管连接增压泵输入端，所述增压泵输出端和第四增压支管通过过滤器与储气管路的输入端连接，所述第一增压支管用于为储气管路、气垫模拟管路和流量调节管路上所有的气控截止阀供气；

所述气垫模拟管路包括并联的第一支管和第二支管，所述第一支管连接气缸的入口，所述气缸通过电动推杆驱动，所述第二支管和气缸的出口连接流量调节管路的入口。

具体的，所述第三增压支管、第四增压支管、第一支管和第二支管上分别设置有单向阀。

具体的，所述储气管路的入口处设置有三个并联的高压气瓶，每个高压气瓶的瓶口分别设置有温度计和压力表，所述储气管路在三个并联的高压气瓶之后还连接有电子减压器，所述储气管路的出口处设置有压力表，所述储气管路的出口依次通过电子减压器和过滤器连接被试阀门的入口。

具体的，所述流量调节管路包括多个并联的流量计且每个流量计的量程不同。

具体的，所述被试阀门的入口和出口处均设有压力表，且每个压力表都连接一个气控截止阀。

本实施例中还公开了一种阀门冲击性能测试系统，包括机械系统和测控系统，所述机械系统用于为被试件提供气体介质和工况条件，所述测控系统用于控制气体介质和工况条件，还用于自动化次采集与存储试验参数，所述机械系统包括气体增压单元、高压气瓶单元、阀门安装单元、气垫模拟单元和流量调节单元；所述气体增压单元用于对气体介质增压；所述高压气瓶单元用于对气体介质进行存储和释放；所述阀门安装单元用于对对被试阀门进行装夹和固定；所述气垫模拟单元用于模拟被试阀门后管路的容积变化；所述流量模拟单元用于模拟阀门流量不同时的工况。

具体的，气体增压单元主要用于将气源氮气(23MPa)增压至70MPa，系统主要包括气驱增压泵、截止阀、安全阀、单向阀、电磁阀、过滤器、压力传感器等组成。单元共用一路气源输入(氮气)，压力23MPa；两路输出，其中一路为低压输出路，输出压力0～1MPa，过滤精度10μm，主要用于系统控制气源；另一路为高压输出路，输出压力：0～70MPa，过滤精度10μm。

具体的，高压气瓶单元主要用于存储高压氮气以及氮气压力和快开控制，主要包括高压气瓶组、气控截止阀、高压电磁阀、电子减压器、单向阀、安全阀等元器件。高压气瓶单元实现3种功能：一是实现三个气瓶独立和组合使用，通过各气瓶下方的高压气控截止阀切换实现；二是实现动态试验时气流冲击功能，要求阀门开启时间不大于100ms，通过高压电磁阀实现，其开启时间在80ms之内；三是实现稳态试验时高压路按设定的降压速度控制压力，通过电子减压阀来实现压力控制。

具体的，所述测控系统包括采集控制器、上位计算机、信号调理模块、直流电源和电磁阀驱动模块，用于采集各传感器处的静态压力、动态压力、流量和温度信号。

具体的，所述采集控制器采用NI cRIO实时控制平台。

具体的，如图3所示，减压阀安装单元主要是指被试件安装平台4、升降装置1以及辅助夹具2等，主要用于被试件的安装。安装平台4固定在操作台体上部，用以安装升降装置以及固定管路。安装平台采用T形槽板形式，平台上布满T形槽，通过螺钉与操作台体连接。升降装置采用导轨丝杠形式，竖直固定在安装平台上，通过手轮摇动，拖动滑块上下移动，高度调节范围在20～200mm之间。辅助夹具用于安装被试阀门，与升降装置的滑块通过螺栓连接，滑块拖动辅助夹具上下移动。辅助夹具由左右两边翼板、底座和夹紧螺条组成，翼板通过转轴与底座连接，可沿转轴摇动，翼板中部开有U形孔。通过两翼板转动不同位置，选择不同的夹紧螺条可是夹持不同规格的被试件。

具体的，气垫模拟单元用于模拟被试减压阀后管路容积的变化。气垫模拟单元主要由模拟气缸和电动推杆两部分组成，电动推杆与模拟气缸的活塞轴连接起来，通过控制电动推杆步进电机的脉冲数来控制活塞的位移量，位移控制精度可达0.1mm。电动推杆将电机的旋转运动通过丝杠和丝杠副的机械运动转换为推杆的直线运动。利用伺服电机的闭环控制特性，可以很方便地实现对推力、速度和位置的精密控制。

具体的，流量调节单元主要用于代替固定孔板实现减压阀后流量的调节和控制，系统主要有气控截止阀、流量计、电动调节阀等组成。流量调节单元流量调节能力为0.01～100g/s，系统采用流量计+调节阀形式，分四路进行调节。

所述测控系统包括控制系统和数据采集系统，所述控制系统用于系统电磁阀的通断控制、ER5000调压阀的控制以及试验时序的控制；所述数据采集系统用于试验参数(压力、温度)的自动化采集、存储以及数据处理。

具体的，测控系统包括采集控制器、上位计算机、信号调理模块、直流电源、电磁阀驱动模块等元件组成。用于气体增压单元、高压气瓶组、减压阀安装单元、气垫模拟单元、流量调节单元中，电磁阀、气控截止阀、电子减压器、步进电机、电动调节阀的控制，用于静态压力、动态压力、流量、温度信号的采集记录。

测控系统工作原理：系统工作时，所有设备均由UPS供电。现场传感器由直流电源供电，传感器对试验过程中的压力、温度参数实时测量，通过信号电缆传递给信号调理模块，经调理、放大再接入cRIO机箱采集模块，A/D转换后进入工控机，由测试软件系统对数据进行处理，加工，显示和保存。电磁阀时序存储于cRIO RT控制器中，试验前可对其进行调用和修改，试验过程中时序控制由RT控制器进行，时序执行由cRIO机箱背板的FPGA实现。当试验结束时，系统提供相关性能参数分析，并提供符合规范要求的试验报告。

非试验状态下，系统可外接标准信号，通过专用标检程序实现数据采集系统设备(不包含传感器)的计量检定。

实施例1

在本实施例中公开了一种减压阀冲击性能测试管路，如图2、6、7、8所示，将本实施例图2、6、7、8顺次拼接即为减压阀冲击性能测试管路，在上述实施例的基础上还公开了如下技术特征：

所述气体增压管路所述气体增压管路的进口通过截止阀KV11和过滤器GL11与气源连接，所述过滤器GL11后连接有第一增压支管、第二增压支管、第三增压支管和第四增压支管，

第一增压支管上依次连接有截止阀KV12、手动减压阀J11、压力表P12、截止阀KV16和过滤器GL12，所述压力表P12处还设置有安全阀A11，第一增压支管低压输出0-1MPa的气体用于为储气管路、气垫模拟管路和流量调节管路上所有的气控截止阀供气；

第二增压支管上分别连接有截止阀KV13、手动减压阀J12、压力表P13和电池阀C11，所述压力表P13处还设置有安全阀A12，所述电池阀C11连接增压泵M；

第三增压支管通过压力表P11、截止阀KV12连接增压泵M；

第四增压支管上连接有截止阀KV15和单项阀DX12，

增压泵输出端依次连接有压力表P14、单向阀DX11、压力表P15、截止阀KV17和过滤器GL13，最终输出0-70MPa的气体。

所述气体增压管路前端和后端分别还连接有截止阀KV18和截止阀KV19保证气路安全。

本实施例中，各阀门的选型可采用符合需求的市面上的各现有型号。

具体的，气体增压泵M采用Haskel干式气驱增压泵，最大允许出口压力为138MPa，具有低脉冲、大流量的特点。手动减压阀选用美国TESCOM品牌减压器，进口压力4500psi，出口压力0-300psi，CV＝0.8，面板安装。管路采用高压不锈钢管，材质为316SS，工作压力138MPa，外径为9/16〞，内径φ7.92mm，管路通过卡套接头与阀门连接。接头采用卡套接头形式，该接头形成采用硬密封，密封效果良好，最高承压138MPa。气控截止阀选用美国TESCOM公司VG气控阀，不锈钢材质，承压15000psi(103MPa)，1/2NPT连接形式，CV＝2.0。高压电磁阀选用二位二通电磁阀，不锈钢材质，承压90MPa，G1/2连接形式，流量系数为3.8，在60MPa压差下开启时间为80ms左右。电子减压器连接高压气瓶到被试减压阀，最大流量为60L/s，最大出口压力为60MPa，选取美国TESCOM公司电子减压阀，其型号为ER5000/44-52系列减压器，Pi＝15000psi，Po＝10000psi,Cv＝0.12，自排气功能。电动调节阀选取美国HOKE公司生产的计量阀，配套电动执行机构。流量计选取美国爱默生质量流量计，共设置4台质量流量计测量4支路的流量，测量范围分别为0.01～0.1g/s、0.1～1g/s、1～10g/s、10～100g/s，每台质量流量计在测量量程范围内，精度均优于0.5％。

气垫模拟单元中的模拟气缸采用压力10MPa,内径350mm，外径406mm，不锈钢材质，活塞与缸体之间采用O形圈密封。电动推杆行程长度750mm，位移控制精度0.1mm，推力可达1000kN，电动推杆配套步进电机，具有自锁功能，自锁力可达1500KN,完全能满足最高工况10MPa下的推力需求(961.6kN)。

流量调节单元流量调节能力为0.01～100g/s，系统采用流量计+调节阀形式，分四路进行调节，每路的计算及选型情况如表1所示。

表1流量调节单元CV值选取

控制系统的选型如下：

控制系统部分需要对系统五个部分中21路电磁阀(气控阀)进行开关量(DO)控制、5个电动调节阀进行模拟量(AO)控制、2个电子减压器进行模拟量或者485通讯控制、1个步进电进行运动距离控制；测试部分需要采集9路稳态压力、4路动态压力、4路温度、5路流量，动态压力为0～5V电压信号，其余为4～20mA电流信号。采集控制器选用NI cRIO实时控制平台，NI cRIO实时控制平台本地运行RT程序，采用FPGA生成的控制信号可大幅提高控制时序的精度和稳定性。

采集控制器包括：cRIO实时控制器、FPGA嵌入式机箱、数字量输入输出DI/DO模块、AI模块、AO模块。

稳态压力传感器精度0.25％FS，重复性±0.2％，量程范围分别为0～40MPa，0～1.6MPa，0～100MPa。

动态压力传感器精度0.25％FS，重复性±0.2％，量程为0～100MPa，0～10MPa，频响均高于10kHz。

温度传感器选用Pt100带变送传感器，精度3％，量程-100～100℃。

减压阀冲击性能测试共涉及3种试验形式：压力特性试验、流量特性试验和启动冲击试验。

压力特性试验：不使用模拟气垫，调节被试减压阀入口压力，采集减压阀出口压力随入口压力的变化关系，其中入口压力调节变化通过电子减压器DC21实现。压力特性试验的流程为：设置出口流量→增压泵增压至70MPa→打开QV12进入气瓶组→调节电子减压器DC21满足入口压力要求→采集出口压力，得出在某个流量下压力特性曲线。

流量特性试验：不使用模拟气垫，改变减压阀出口流量，采集减压阀出口压力随出口流量的变化关系，其中出口流量调节变化通过4路电动调节阀实现。流量特性试验的流程为：增压泵增压至70MPa→打开QV12进入气瓶组→调节电子减压器DC21满足入口压力要求→调节出口流量→采集出口压力，得出在某个入口压力下流量特性曲线。

启动冲击试验：使用模拟气垫，改变入口压力，瞬时开启，获取不同压力下的冲击特性。启动冲击试验的流程为：增压泵增压至试验压力→进入气瓶组(调节气瓶压力满足试验要求)→开启气控截止阀QV26→开启高压电磁阀DC21→采集出口压力，得出在某个气垫容积下的启动冲击特性。

本实施例中还公开了三种被试阀门(1#被试件、2#被试件、3#被试件)的一组对比实验：

1#被试件

试验参数：最大入口压力23MPa，三组孔板直径尺寸分别为1.23mm、0.85mm和0.306mm，设定入口压力采集点为22MPa、22MPa……4MPa，采集各设定点对应的出口压力,试验数据如下：

表2 1#被试件试验参数

表3 1#被试件应用于本实施例试验台试验参数

通过上述两表对比，新建试验台试验数据与被试件试验参数一致，稳定性更高。

2#被试件

试验参数：最大入口压力60MPa，孔板尺寸为0.495mm，设定入口压力采集点为34MPa、33MPa……10MPa，采集各设定点对应的出口压力,试验数据如下：

表4 2#被试件试验参数

表5 2#被试件新建试验台试验参数

通过上述两表对比，新建试验台试验数据与被试件试验参数一致，均值误差分别为在0.042MPa、0.001MPa和0.002MPa，稳定性更高。

3#被试件

试验参数：最大入口压力35MPa，孔板尺寸为0.105mm，设定入口压力采集点为35MPa、34MPa……4MPa，采集各设定点对应的出口压力,试验数据如下：

表6 2#被试件试验参数

表7 3#被试件新建试验台试验参数

通过上述两表对比，新建试验台试验数据与被试件试验参数一致，稳定性相当，均值误差分别为在0.028MPa、0.033MPa和0.028MPa。故本实施例的实验性能测试系统全面考虑了系统的可靠性、可维修性和安全性，选用的设备、元器件以及采用的设计、集成方法能够实现系统功能，满足系统技术要求。

Claims (7)

1.一种阀门冲击性能测试管路，包括相连的气体增压管路和储气管路，所述储气管路的出口处设置有待测阀门，所述气体增压管路的入口与气源连接，其特征在于，还包括气垫模拟管路和流量调节管路，所述气垫模拟管路设置在待测阀门出口处，所述流量调节管路设置在气垫模拟管路出口处；

所述气垫模拟管路包括并联的第一支管和第二支管，所述第一支管连接气缸的入口，所述气缸通过电动推杆驱动，所述第二支管和气缸的出口连接流量调节管路的入口；

所述气体增压管路的进口通过过滤器与气源连接，所述过滤器后连接有第一增压支管、第二增压支管、第三增压支管和第四增压支管，所述四条增压支管并联，所述第一增压支管和第二增压支管上分别连接有减压阀，所述第二增压支管和第三增压支管连接增压泵输入端，所述增压泵输出端和第四增压支管通过过滤器与储气管路的输入端连接，所述第一增压支管用于为储气管路、气垫模拟管路和流量调节管路上所有的气控截止阀供气。

2.如权利要求1所述的阀门冲击性能测试管路，其特征在于，所述储气管路的入口处设置有三个并联的高压气瓶，每个高压气瓶的瓶口分别设置有温度计和压力表，所述储气管路在三个并联的高压气瓶之后还连接有电子减压器，所述储气管路的出口处设置有压力表，所述储气管路的出口依次通过电子减压器和过滤器连接被试阀门的入口。

3.如权利要求1所述的阀门冲击性能测试管路，其特征在于，所述流量调节管路采用多组并联的孔板或电子流量计，且每组孔板的孔板直径不同，每组电子流量计的量程不同。

4.如权利要求1所述的阀门冲击性能测试管路，其特征在于，所述被试阀门的入口和出口处均设有压力表，且每个压力表都连接一个气控截止阀。

5.一种阀门冲击性能测试系统，包括机械系统和测控系统，所述机械系统用于为被试件提供气体介质和工况条件，所述测控系统用于控制气体介质和工况条件，还用于自动化次采集与存储试验参数，所述机械系统包括气体增压单元、高压气瓶单元、阀门安装单元和流量调节单元，其特征在于，所述机械系统还包括气垫模拟单元；

所述气体增压单元用于对气体介质增压；所述高压气瓶单元用于对气体介质进行存储和释放；所述阀门安装单元用于对对被试阀门进行装夹和固定；所述气垫模拟单元用于模拟被试阀门后管路的容积变化；所述流量模拟单元用于模拟阀门流量不同时的工况。

6.如权利要求5所述的阀门冲击性能测试系统，其特征在于，所述测控系统包括采集控制器、上位计算机、信号调理模块、直流电源和电磁阀驱动模块，用于采集各传感器处的静态压力、动态压力、流量和温度信号。

7.如权利要求5所述的阀门冲击性能测试系统，其特征在于，所述采集控制器采用NIcRIO实时控制平台。

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