基于多路閥的正負(fù)壓測(cè)漏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

鐘麗瓊，王璨，胡浩

(1.貴陽(yáng)學(xué)院機(jī)電系，貴州貴陽(yáng)550003;2.貴陽(yáng)學(xué)院數(shù)控技術(shù)工程應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽(yáng)550003;3.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550003)

現(xiàn)今，泄漏檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)大量應(yīng)用于液壓、氣動(dòng)元件及汽車、機(jī)械、醫(yī)療、和化工等領(lǐng)域，此外在航天、燃?xì)庠O(shè)備用具、住宅設(shè)備、管道檢測(cè)等領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用[1－2]。因此，泄漏檢測(cè)水平的高低直接影響生產(chǎn)效率、操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度及產(chǎn)品的質(zhì)量，選擇合適的泄漏檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的泄漏檢測(cè)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義與實(shí)用價(jià)值。

氣壓測(cè)漏儀作為一種重要的密封件檢測(cè)儀器，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，并有許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究[3－7]。而差壓測(cè)漏儀又是一種工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用得最多的氣壓檢漏儀，目前差壓檢測(cè)儀只有正壓檢測(cè)儀和負(fù)壓檢測(cè)儀兩種單功能檢測(cè)儀，對(duì)于既需要正壓檢測(cè)又需要負(fù)壓檢測(cè)的生產(chǎn)廠商來說，雖然可以通過同時(shí)購(gòu)買兩個(gè)單功能的檢測(cè)儀來滿足工件的檢測(cè)要求，但會(huì)使檢測(cè)成本增加。針對(duì)目前單功能測(cè)漏儀使檢測(cè)成本提高的問題，作者提出了將正負(fù)壓檢測(cè)集合于一體的思想，設(shè)計(jì)了一種正負(fù)壓綜合測(cè)漏系統(tǒng)，并建立了能實(shí)現(xiàn)這種正負(fù)壓泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的多路閥模型，從而使整套系統(tǒng)的體積合理化，便于攜帶，降低檢測(cè)成本。利用仿真技術(shù)對(duì)此基于多路閥的正負(fù)壓測(cè)漏系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，得出其工作特性。

1 綜合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

首先設(shè)計(jì)出一種能實(shí)現(xiàn)正負(fù)壓綜合檢測(cè)的測(cè)漏系統(tǒng)，此系統(tǒng)引入了一種多路閥結(jié)構(gòu)，通過多路閥的運(yùn)用，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)正壓檢測(cè)與負(fù)壓檢測(cè)的交替進(jìn)行，同時(shí)使回路得到了簡(jiǎn)化，從而使整套系統(tǒng)的體積合理，便于攜帶。

如圖1所示，即為引入多路閥結(jié)構(gòu)的正負(fù)壓綜合測(cè)漏系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由氣源、過濾器、減壓閥、差壓傳感器、真空發(fā)生器、消聲器以及多路閥組等氣動(dòng)元件組成，其主控閥即為多路閥組。

圖1 氣動(dòng)系統(tǒng)回路總圖

該系統(tǒng)首先通過多路閥4 來控制其正壓檢測(cè)過程，然后通過多路閥8 來控制其負(fù)壓檢測(cè)過程。而當(dāng)系統(tǒng)不工作時(shí)，多路閥4、8 會(huì)同時(shí)處于中位，此時(shí)氣源供給的壓力氣體就會(huì)直接排入大氣，這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，系統(tǒng)不工作時(shí)，能防止由于系統(tǒng)內(nèi)壓力增大而對(duì)系統(tǒng)元器件造成損害。

2 回路工作原理

系統(tǒng)對(duì)被測(cè)件進(jìn)行檢測(cè)時(shí)分為兩個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)，第一個(gè)步驟是正壓檢測(cè)，對(duì)被測(cè)件充入大量的壓縮空氣，利用容器內(nèi)的壓力大于外部壓力，使其產(chǎn)生從內(nèi)向外的泄漏量，從而判斷出被測(cè)件的泄漏情況。在此過程中，多路換向閥4、8的電磁鐵通電與斷電情況如表1所示(表中“﹢”號(hào)表示通電勵(lì)磁，“﹣”號(hào)表示斷電)。

表1 正壓檢測(cè)

從表1可看出，正壓檢測(cè)共有4個(gè)階，第一階段為充氣，多路換向閥4的左位工作，壓縮空氣經(jīng)過換向閥閥4 進(jìn)入到被測(cè)件和標(biāo)準(zhǔn)件中，此時(shí)由于左位單向閥的作用，壓縮空氣不能到達(dá)換向閥8;第二階段為平衡，此時(shí)停止充氣，多路換向閥4處于中位，由于中位單向閥的作用，壓縮空氣經(jīng)過多路換向閥4與8的中位直接排入大氣。由于各換向閥關(guān)閉后，可能存在微小泄漏，換向閥換向時(shí)產(chǎn)生的壓力沖擊與脈動(dòng)，充氣過程會(huì)使檢測(cè)容器內(nèi)溫度發(fā)生變化，壓縮空氣由受壓狀態(tài)進(jìn)入一個(gè)密閉容器后，將引起一系列的熱力學(xué)－動(dòng)力學(xué)變化，這些因素都會(huì)使壓力出現(xiàn)波動(dòng)，所以需要進(jìn)行一段時(shí)間的保壓平衡[8];第三階段為檢測(cè)，選擇適當(dāng)?shù)牟顗簜鞲衅?，由于被測(cè)件與標(biāo)準(zhǔn)件之間的壓力差會(huì)被差壓傳感器感知，從而通過其示值的變化即可判斷是否存在泄漏;第四階段為排氣，多路換向閥4的右位工作，排出被測(cè)件內(nèi)的壓縮氣體。

第二個(gè)步驟是負(fù)壓檢測(cè)，被測(cè)件內(nèi)的空氣被真空發(fā)生器吸出，使被測(cè)件內(nèi)產(chǎn)生一定的真空度，利用容器外的壓力大于內(nèi)部壓力，使其產(chǎn)生從外向內(nèi)的泄漏量，從而判斷出被測(cè)件的泄漏情況。在此過程中，多路換向閥4、8的電磁鐵通電與斷電情況如表2所示。

表2 負(fù)壓檢測(cè)

從表2可看出，負(fù)壓檢測(cè)共有4個(gè)階段，第一階段是吸氣，多路換向閥4處于中位，多路換向閥8的左位工作，壓縮空氣經(jīng)過換向閥閥4與8 進(jìn)入到真空發(fā)生器中，真空發(fā)生器的工作原理是當(dāng)供氣口的供氣壓力高于一定值后，噴管射出超聲速射流，由于氣體的黏性，高速射流卷吸走負(fù)壓腔內(nèi)的氣體，使該腔形成很低的真空度[9]，這樣就能使被測(cè)件與標(biāo)準(zhǔn)件內(nèi)的部分空氣被吸出，形成一定的真空度;第二階段為平衡，此時(shí)停止吸氣，多路換向閥4、8處于中位，此時(shí)壓縮空氣直接排入大氣;第三階段為檢測(cè)，同樣是通過差壓傳感器的示值變化來判斷是否存在泄漏;第四階段為回復(fù)，多路換向閥4 仍然處于中位，多路換向閥8的右位工作，使得外部空氣進(jìn)入到被測(cè)件與標(biāo)準(zhǔn)件中。

3 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)及分析

為了得到多路換向閥對(duì)正負(fù)壓測(cè)漏系統(tǒng)工作特性的影響，應(yīng)用AMESim仿真軟件建立出系統(tǒng)的仿真模型并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，最后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。對(duì)系統(tǒng)正壓檢測(cè)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中壓縮空氣壓力為0.6 MPa，減壓閥調(diào)定后的壓力為0.4 MPa，當(dāng)多路閥的開口面積為10 mm2，30 mm2，50 mm2，100 mm2，150 mm2，200 mm2時(shí)，分別對(duì)被測(cè)件(容積為1 L，2 L)進(jìn)行檢測(cè)，其壓力的動(dòng)態(tài)變化特征如表3、4 和圖2、3所示。

表3 被測(cè)件容積為1 L時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 被測(cè)件容積為2 L時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 加壓時(shí)間比較圖

圖3 壓力增速比較圖

表3、表4即為多路閥的開口面積發(fā)生變化時(shí)，不同容積的被測(cè)件內(nèi)壓力的動(dòng)態(tài)變化特性。從表中可看出，多路閥的開口面積越小，被測(cè)件的加壓時(shí)間就越大，容器內(nèi)的壓力變化就越緩慢。這是因?yàn)殚_口較小時(shí)，閥口對(duì)氣體形成了一定的節(jié)流作用，從而使出口氣體流量減小。而當(dāng)閥口開口較大時(shí)，加壓所需要的時(shí)間就很短暫，此時(shí)閥口對(duì)氣體不會(huì)產(chǎn)生阻礙，從而節(jié)約了檢測(cè)時(shí)間。但閥口開度較大時(shí)，氣體流量過大，會(huì)對(duì)容器內(nèi)的壓力平衡造成負(fù)面影響，使其平衡時(shí)間增加。所以，在設(shè)計(jì)閥口開度時(shí)，可依據(jù)上述仿真實(shí)驗(yàn)，得到一個(gè)較佳的值域，即多路閥開口面積可在50～100 mm2之間。

圖2、圖3為多路閥的開口面積不同時(shí)，被測(cè)件容積為1 L、2 L的加壓時(shí)間和壓力增速動(dòng)態(tài)變化的對(duì)比圖。從圖中不難看出，開口面積較小時(shí)加壓時(shí)間隨容積的增大而急劇增加，而開口面積較大時(shí)加壓時(shí)間受容積變化的影響不大，甚至可以達(dá)到相同的加壓時(shí)間。容器內(nèi)的壓力增速，隨著容積的增大而減小。

4 結(jié)論

在現(xiàn)有單功能差壓氣體泄漏檢測(cè)儀的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于多路閥結(jié)構(gòu)的正負(fù)壓綜合測(cè)漏系統(tǒng)，對(duì)此系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了闡述。應(yīng)用AMESim仿真軟件建立了系統(tǒng)的仿真模型，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，最后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出:在檢測(cè)容積不太大的密封件時(shí)，可依據(jù)上述仿真實(shí)驗(yàn)，得出開口面積對(duì)檢測(cè)時(shí)的加壓時(shí)間與平衡時(shí)間均有影響(即開口面積越大，加壓時(shí)間就越短，平衡時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng))，且能分析出一個(gè)較佳的開口度值域，即多路閥開口面積可在50～100 mm2之間。實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)多路閥閥口開度具有參考價(jià)值。

【1】唐月生，伍先達(dá)，李鋒，等.一種高精度微量氣體泄漏檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2002，23(Z3):59－62.

【2】吳孝儉，閆榮鑫.泄漏檢測(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

【3】胡浩，鐘麗瓊.差壓測(cè)漏儀微泄漏的建模與仿真[J].自動(dòng)化儀表，2011，32(7):18－20.

【4】王金玲，張迎春，石全偉，等.燃油系統(tǒng)檢漏儀的研制[J].液壓與氣動(dòng)，2006(10):35－27.

【5】詹長(zhǎng)書，李軍，楊慶俊，等.汽車燃油系統(tǒng)測(cè)漏儀的研制及其應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓，2004(2):105－106.

【6】朱小明.氣壓檢漏儀的工作原理及其適用范圍[J].流體傳動(dòng)與控制，2006(6):33－37.

【7】薛文寶，劉福萍.泄漏檢測(cè)儀原理分析[J].內(nèi)燃機(jī)，2009(5):35－36.

【8】胡浩，鐘麗瓊，鄭瑜，等.一種正負(fù)壓綜合測(cè)漏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011(10):33－35.

【9】SMC(中國(guó))有限公司.現(xiàn)代實(shí)用氣動(dòng)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004:409－416.