航空潤(rùn)滑油大流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研制*

信彥峰 桑培勇 賈正紅 卜慶娟

(國(guó)防科技工業(yè)4113二級(jí)計(jì)量站，新鄉(xiāng) 453049)

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航空潤(rùn)滑油大流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研制*

信彥峰 桑培勇 賈正紅 卜慶娟

(國(guó)防科技工業(yè)4113二級(jí)計(jì)量站，新鄉(xiāng) 453049)

航空潤(rùn)滑油大流量標(biāo)準(zhǔn)裝置采用靜態(tài)質(zhì)量法工作原理和變溫變粘度方法，可變粘度范圍寬，準(zhǔn)確度高。簡(jiǎn)要介紹了航空潤(rùn)滑油大流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的原理、構(gòu)成，對(duì)裝置主要子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了闡述。該裝置實(shí)際應(yīng)用效果良好。

航空潤(rùn)滑油；大流量；標(biāo)準(zhǔn)裝置；變粘度

0 引言

我站作為國(guó)防科技工業(yè)專業(yè)流量計(jì)量站于2010年成功研制4050號(hào)航空潤(rùn)滑油大流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，是目前國(guó)內(nèi)最大的航空潤(rùn)滑油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，流量范圍達(dá)到0.04～80m3/h，擴(kuò)展不確定度優(yōu)于0.05%(k=2)；裝置最大技術(shù)特點(diǎn)在于采用介質(zhì)變溫手段實(shí)現(xiàn)了介質(zhì)變粘度功能，變溫范圍：-20～130℃，粘度變化范圍(3～1000)×10-6m2/s。裝置建成后已為國(guó)防軍工、民航及高校等行業(yè)提供了近千次的測(cè)試服務(wù)，裝置運(yùn)行狀態(tài)良好，應(yīng)用前景廣闊。由于目前國(guó)內(nèi)同類裝置還很少，在此將裝置大致設(shè)計(jì)方案與大家交流探討。

1 裝置工作原理

裝置采用靜態(tài)質(zhì)量法工作原理，結(jié)構(gòu)及原理如圖1所示。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)原理圖

本裝置主要子系統(tǒng)包含：油箱系統(tǒng)、變溫系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、稱重系統(tǒng)、換向計(jì)時(shí)系統(tǒng)、管道閥門系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制采集系統(tǒng)等。其工作過程為：油箱內(nèi)油液經(jīng)變溫后，由油泵抽出，經(jīng)穩(wěn)壓、整流后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)管道，油液經(jīng)換向器的旁通管路循環(huán)回油箱完成循環(huán)。經(jīng)調(diào)節(jié)，當(dāng)油液流量、溫度等符合要求后啟動(dòng)換向器，油液進(jìn)入稱重容器，換向器光電開關(guān)同步觸發(fā)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)達(dá)到所需要的稱量值時(shí)，再次啟動(dòng)換向器，使油液進(jìn)入旁通管路流回油箱，計(jì)時(shí)器同時(shí)停止計(jì)時(shí)。此時(shí)，采集秤的讀數(shù)m和時(shí)間t，即可計(jì)算出流經(jīng)待校流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量流量qm。計(jì)算公式如下：

(1)

式中：qm為瞬時(shí)質(zhì)量流量，kg/s；m為測(cè)量時(shí)間內(nèi)稱量容器內(nèi)的液體質(zhì)量示值，kg；t為測(cè)量時(shí)間，s；Cf為浮力修正系數(shù)。

2 技術(shù)方案

2.1 變溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裝置采用了變溫方法實(shí)現(xiàn)了裝置流體的變粘度功能，可變粘度范圍寬且可反復(fù)進(jìn)行。變溫系統(tǒng)也是本裝置最大的創(chuàng)新點(diǎn)，特別是低溫液體流量標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)極少應(yīng)用。裝置變溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 油液變溫系統(tǒng)布局圖

裝置用4050號(hào)航空潤(rùn)滑油物理性能大致如下：

1)比熱容：20℃時(shí)，1816J/(kg·℃)，35℃時(shí)，1648 J/(kg·℃)；

2)導(dǎo)熱系數(shù)：50℃時(shí)，0.152W/(m·℃)。

3)制冷系統(tǒng)：按照將1500kg航空潤(rùn)滑油(4050號(hào))在6h內(nèi)從常溫(25℃左右)冷卻至-40℃指標(biāo)設(shè)計(jì)。經(jīng)計(jì)算需冷量約為20kW。實(shí)際選配了煙臺(tái)產(chǎn)低溫冷水機(jī)組(型號(hào)：LSLG-4000W)一臺(tái)，在上述工況下的產(chǎn)冷量為26.1kW。該制冷機(jī)組采用四組進(jìn)口螺桿壓縮機(jī)，通過四組壓縮機(jī)的分別啟停實(shí)現(xiàn)溫度控制，制冷效果較好(低溫達(dá)到-20℃以下)，但溫控精度不高(±3℃左右)。如果經(jīng)費(fèi)條件允許可考慮采用溫控精度更高的變頻壓縮機(jī)組。

4)加熱系統(tǒng)：采用電加熱管直接加熱，溫度控制由溫控器通過PID智能可控硅溫度控制。經(jīng)計(jì)算確定電加熱器功率。采用了鹽城產(chǎn)40kW電加熱器，實(shí)際使用加熱效率高，溫控精度較高(±2℃以內(nèi))。

另外，為節(jié)能和提高效率，如圖2所示裝置采用了強(qiáng)制循環(huán)方法提高熱交換效率，且采用旁通循環(huán)變溫以減少熱量損失；油箱內(nèi)部用隔板一分為二，兩腔容積比約1:2，可通過閥門組的切換實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)分油箱內(nèi)油液進(jìn)行分別變溫，以滿足不同流量實(shí)驗(yàn)要求，實(shí)際變溫效率大大提高。

2.2 換向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

同步快速換向系統(tǒng)(換向器)是使油液在旁通管路和稱重油箱間轉(zhuǎn)換的機(jī)構(gòu)，也是影響系統(tǒng)準(zhǔn)確度的主要因素之一。要求其動(dòng)作靈敏，換向靈活，無介質(zhì)飛濺和泄漏，正程和回程時(shí)間差盡量小(一般不應(yīng)超過0.02s)?？紤]到安全及減少揮發(fā)等因素，裝置采用3套口徑分別為DN15、DN40、DN100的閉式氣動(dòng)換向器。

本裝置設(shè)計(jì)了一種換向時(shí)間可調(diào)節(jié)的換向系統(tǒng)。該換向系統(tǒng)主要包括換向器主體、電磁閥、驅(qū)動(dòng)氣缸、調(diào)節(jié)閥等。其工作原理如圖3所示。

1.驅(qū)動(dòng)氣缸；2.換向器；3.電磁閥；4.調(diào)節(jié)閥；5.調(diào)節(jié)閥圖3 可調(diào)節(jié)換向系統(tǒng)工作原理圖

具體實(shí)施方式：換向系統(tǒng)采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，其中二位五通電磁閥3是壓縮空氣的進(jìn)氣換向閥，在二位五通電磁閥的R出口和S出口分別安裝調(diào)節(jié)閥4和調(diào)節(jié)閥5，兩個(gè)調(diào)節(jié)閥門分別位于不同的氣體回路上，因此它們之間的調(diào)節(jié)是互相獨(dú)立、互相不干擾的。驅(qū)動(dòng)氣缸1和換向器2共用一根主軸和底座，因此通過調(diào)節(jié)兩個(gè)氣路閥門即可實(shí)現(xiàn)換向系統(tǒng)換向時(shí)間的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)換向系統(tǒng)的高精度換向。

2.3 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 油泵系統(tǒng)

油泵的性能直接影響裝置的整體性能。選擇油泵的主要考慮因素為系統(tǒng)的流量范圍、介質(zhì)性質(zhì)、工作溫度范圍及輸出流量的穩(wěn)定性等。對(duì)于本項(xiàng)目而言，選擇的油泵最大流量應(yīng)大于80m3/h，油泵所有構(gòu)件特別是密封件要耐油蝕、耐高低溫(-20～150℃)，適用于高粘度(1000×10-6m2/s以上)。同時(shí)，輸出的流量要穩(wěn)定。根據(jù)系統(tǒng)要求，項(xiàng)目選用的三臺(tái)油泵的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 油泵技術(shù)性能表

其中雙螺桿泵屬于容積式泵，具有耐溫、適用高粘度及流量穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但成本較高。離心泵具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、耐高溫、閥門調(diào)節(jié)性好等優(yōu)點(diǎn)。此外，在油泵的安裝調(diào)試過程中，我們注意到：油泵在高粘度、大流量下工作時(shí)通常吸程有限，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成出口壓力、流量劇烈波動(dòng)，甚至抽真空混入氣泡。因此進(jìn)口管道設(shè)計(jì)盡量短而直，且油泵中心盡量低于儲(chǔ)油面，以改善進(jìn)口工作條件。油泵入口如果裝有過濾器，選擇過流面積要大(大于3DN)。

2.3.2 流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)

本裝置采用變頻器+三相異步電動(dòng)機(jī)+電動(dòng)閥門的調(diào)速方法對(duì)裝置流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。其中采用變頻調(diào)節(jié)可調(diào)范圍寬，可省去電機(jī)軟啟動(dòng)裝置，且節(jié)能降耗、降噪作用顯著。配合采用電動(dòng)V型調(diào)節(jié)球閥，實(shí)際調(diào)整效果良好。

2.4 稱量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

裝置采用高精度電子秤作為稱量器具，不但準(zhǔn)確度高，而且RS232接口便于數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。本裝置稱重部分采用三個(gè)可切換稱重臺(tái)位，滿足寬量程需要。根據(jù)裝置流量范圍，以最短測(cè)量時(shí)間30s確定稱量，我們選用了量程1500kg、150kg、6kg梅特勒電子秤，分度值d分別為10g、1g及0.1g。經(jīng)測(cè)試三臺(tái)電子秤的準(zhǔn)確度均優(yōu)于0.02%。

3 小結(jié)

航空潤(rùn)滑油大流量標(biāo)準(zhǔn)裝置建成后滿足了國(guó)防科技工業(yè)對(duì)高粘度油品流量?jī)x表計(jì)量的需求，尤其通過變溫能模擬流量?jī)x表的實(shí)際工作狀態(tài)，最大程度地保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。同時(shí)，裝置采用變溫變粘度方法不同于國(guó)家計(jì)量院的油品混合變粘度方法，為流量計(jì)量行業(yè)開展變粘度研究提供了另一種試驗(yàn)手段。裝置運(yùn)行狀態(tài)良好，后續(xù)工作思路包括：采用更好的保溫措施使變溫實(shí)驗(yàn)更加節(jié)能高效；推進(jìn)建標(biāo)工作，以提供更加廣泛的檢定、校準(zhǔn)服務(wù)；開展更多的變溫、變粘度試驗(yàn)研究，為理論研究提供更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

[1] 蘇彥勛，李金海.流量計(jì)量.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1991

[2] 段慧明，翟秀貞.液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2000

[3] 仝衛(wèi)國(guó)，李國(guó)光，蘇杰.計(jì)量測(cè)試技術(shù).北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2006

[4] 蘇彥勛，梁國(guó)偉，盛健.流量計(jì)量與測(cè)試.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2007

[5] 信彥峰，賈正紅，桑培勇.液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置換向器的一種調(diào)整方法[J].計(jì)量技術(shù)，2012，(7)：74-76

國(guó)防軍工計(jì)量“十一五”科研計(jì)劃項(xiàng)目(A11403104)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.07.06