司 冀

（中国飞机强度研究所，陕西 西安 710065）

0 引 言

国际标准化组织制定了流量特性的表示和测定的国际标准（ISO 6358标准）《气压传动——使用可压缩流体的元件——流量特性的测定》，标准规定了气压传动元件流量特性的测试方法，用声速流导C和临界压力比b作为表述气动元件流量特性的两个参数。通过试验，可测定出气动元件的C值和b值，即可得到气动元件完整的流量特性曲线[1,2]。

ISO 6358标准规定的测试系统需要人工不断调节上游减压阀使上游压力p1恒定，调节下游调速阀开度来改变下游压力p2，手工记录测试结果不仅费时费力耗费能源，而且测量精度较低。为消除这些弊端，本文对ISO 6358测试系统进行了有效改进，使其自动化程度更高、省时省力、自动记录实验数据。

1 ISO 6358标准简介

1.1 测试方法

压缩空气流过气动元件时，按定常流法测定额定流量下气动元件上下游的压力降，作为该元件的流量特性指标。测试装置原理如图1所示，图中d为上下游管道内径。

图1 测试气路

采用图1方法测出的气动元件流量特性曲线与理想气体流过收缩喷管的流量特性曲线相似，如图2所示。从实用性角度考虑，流量特性曲线的横坐标取为被测元件下游和上游管道内的静压之比。

图2 气动元件的流量特性曲线

声速流导C反映了折算成标准温度下处于临界状态的气动元件单位上游压力所允许通过的最大体积流量。该值越大，说明气动元件的流量性能越好。b值反映气动元件达到临界状态所必需的条件，在相同流量条件下，b值越大，说明气动元件上产生的压力降越小[3]。

保持元件上游管道内的压力p1和温度T1一定，当p2/p1≤b时，元件内处于壅塞流态，即元件内最小截面处流速为声速，通过元件的质量流量qm也保持不变，记为qm*，则有：

式中：为壅塞流态通过元件的质量流量（kg·s-1）；C为声速流导（m3·s-1·Pa-1）；ρa为标准状态下空气密度（1.185 kg·m-3）；p1为被测元件上游管道内静压力（Pa）；T1为气动元件上游管道内的静温度（K）；p2为气动元件下游管道内的静压力（Pa）；b为临界压力比，一元等熵流动时b=0.528。

当1≥p2/p1≥b时，元件内处于亚声速态，国际标准ISO 6358假设通过元件的质量流量qm与压力比p2/p1之间的关系曲线近似于四分之一椭圆关系，则可建立：

即

ISO 6358标准规定，用声速流导C和临界压力比b作为表述气动元件流量特性的两个特性参数。通过实验，得到C值和b值，按照式（1）和（3）可计算出气动元件在任何压差下的质量流量[4,5]。

1.2 试验意义

如图2所示，气动元件的流量特性曲线大致分为两段：一段是当p2/p1≤b时的声速流；另一段是当1≥p2/p1≥b时流量曲线近似于四分之一椭圆的亚声速流。在精密机械系统中，多数气动元件的动作过程均包含以上两种过程，建立气动元件流量曲线测试方法，可得到系统传递函数并可优化系统执行器的设计。

2 新测试系统介绍

ISO6358规定的测试方法实验效率低且耗费能源。本文设计开发了一种自动测试系统，具有自动化程度高、省时省力、自动记录实验数据等功能。

2.1 原理图

新测试系统的原理图如图3所示。

图3 新测试系统原理图

2.2 测试系统硬件设计

系统由研华610工控机，研华PCL812PG数据采集卡，端子流量、温度、压力传感器等设备组成。系统所需的传感器和气动元件表见表1所列。

2.3 测试系统软件设计

采用NI公司研发的LabVIEW作为软件开发平台，编写的程序前控制面板如图4所示[6,7]。

图4中各区域功能如下：

区域1：上游压力比例阀PID调节模块图，指定调节参数，控制压力比例阀恒定于设定的固定压力值；

区域2：上下游压力传感器、温度传感器、流量传感器标定模块图，用于将采集到的电信号转换为相应数值；

区域3：流量特性测试的设定模块，用于指定测试压力、调节精度及测定点个数；

区域4：显示采集过程中流量大小是否符合采集条件，灯为绿色为符合，表明可以采集；为红色，表示不符合条件，需要继续调节节流阀，使流量符合采集条件；

区域5：采集数据保存路径，可以随意预设，方便存储。

表1 流量特性测试系统所需元器件列表

图4 流量特性测试系统软件前面板图

另外，四个曲线显示图表分别显示气动元件上游和下游压力、气体瞬时温度和流过元件的瞬时流量随时间的曲线图以及下上游压力比和流量的关系曲线。如图5所示，通过程序计算，并用点线方式通过LabVIEW的XY图表将下上游压力比和流量的关系显示出来。测试系统软件部分程序框图如图6所示[8,9]。

3 基于新测试系统的实验结果

根据改进的系统搭建试验平台，测试换向阀阀芯在不同开度、不同上游压力下，下上游压力比p2/p1与流过阀腔的流量Q间的关系，如图7所示。

图5 下上游压力比与流量关系图

图6 内部程序部分框图

图7 不同开度和压力下换向阀流量曲线图

4 结 语

本文对ISO 6358测试系统进行改进，并以直角边换向阀为对象做了测试，结论如下：

（1）依据ISO 6358标准规定，对其规定的测定元件流量特性的系统进行改进，编写了测试系统软件，可方便高效地得到特性参数C，b值。

（2）改进的测试系统可高效、快速地绘制出气动元件的流量特性曲线，并自动记录试验数据，给出被测气动元件的流量特性参数。

[1] SMC（中国）有限公司.现代实用气动技术[M].北京：机械工业出版社，2004：51-58．

[2]赵明，周洪，陈鹰.气动元件流量特性各种定义的分析比较[J].液压气动与密封，2002（4）：1-6．

[3]蔡茂林.现代气动技术理论与实践第一讲：气动元件的流量特性[J].液压气动与密封，2007，27（2）：44-48.

[4]史佚，陈乾斌，司冀.气动元件等温流动近似流量公式的探讨[J].液压气动与密封，2010，30（9）：19-22．

[5]盛祥耀，胡金德，陈魁，等.数学手册[M].北京：清华大学出版社，2004．

[6]杨乐平，李海涛，赵勇.LabVIEW高级程序设计[M].北京：清华大学出版社，2003．

[7]陈树学，刘萱.LabVIEW宝典[M].北京：电子工业出版社，2011．

[8]陈玲，孙冬梅，朱靳.基于LabVIEW的风电场数据采集与处理系统[J].化工自动化及仪表，2012，39（6）：777-780．

[9]张兰勇，孙健，孙晓云，等.LabVIEW程序设计基础与提高[M].北京：机械工业出版社，2013．