聚四氟乙烯軟管組件容積膨脹測試系統(tǒng)設(shè)計

徐寅華 王 婧

上海市塑料研究所有限公司 （上海 200090）

以聚四氟乙烯（PTFE）為內(nèi)管材料制造的聚四氟乙烯軟管組件（以下簡稱“軟管組件”）是一種耐高溫、耐高壓、耐高腐蝕性液體或氣體介質(zhì)的傳輸管材，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。軟管組件被廣泛應(yīng)用在航空航天飛行器的液壓、伺服機(jī)構(gòu)的控制、滑油及燃油等系統(tǒng)中，是介質(zhì)傳輸?shù)娜嵝赃B接管路[1-2]。

圖1 軟管組件結(jié)構(gòu)示意圖

容積膨脹試驗是考驗軟管組件內(nèi)容積膨脹量的測試方法。對于用于制動系統(tǒng)的軟管組件，內(nèi)容積膨脹量是其主要性能參數(shù)之一。當(dāng)制動軟管經(jīng)受規(guī)定的內(nèi)部壓力時，其體積就會膨脹，而其最大的內(nèi)容積膨脹量應(yīng)滿足飛機(jī)制動性能的要求。當(dāng)制動軟管內(nèi)容積膨脹量大于標(biāo)準(zhǔn)時，一般會感到制動無力、制動踏板偏低、回油慢，這都是直接影響制動性能的主要因素[3]。所以，對軟管組件膨脹量的測量是關(guān)系到人民生命和國家財產(chǎn)安全的重要試驗。

1 容積膨脹測試系統(tǒng)應(yīng)用前景

中國制造的商用大飛機(jī)項目吸引了全世界的目光，而中國商飛上海飛機(jī)設(shè)計研究院設(shè)計采用的與國產(chǎn)商用大型客機(jī)配套的軟管組件均為國外進(jìn)口產(chǎn)品，國際上對此類產(chǎn)品的規(guī)范和要求皆按照美國汽車工程師學(xué)會（SAE）的宇航標(biāo)準(zhǔn)（AS）執(zhí)行，國內(nèi)相應(yīng)的檢測和試驗技術(shù)處于空白狀態(tài)。目前市場上常用的容積膨脹試驗裝置大部分針對汽車制動用橡膠和塑料軟管，試驗壓力僅6.9 和10.3 MPa 兩種[4-5]，無法達(dá)到航天航空用高壓（21.0 MPa）軟管組件的容積膨脹試驗要求。

因此，迫切需要設(shè)計和制造一種專門用于高壓軟管組件容積膨脹試驗的裝置，該裝置能夠滿足美國機(jī)動車協(xié)會宇航標(biāo)準(zhǔn)SAE AS 2078A-2008《聚四氟乙烯（PTFE）軟管組件用試驗方法》中對容積膨脹試驗的方法要求。

2 容積膨脹測試原理簡介

容積膨脹試驗按照液體排水量來測量對試件施以規(guī)定內(nèi)壓時軟管組件的體積膨脹值，一般試驗液以水和航空液壓油為主。測試裝置基本部件包括壓力源、儲油（水）箱、壓力表、玻璃量管（滴定管）、符合要求的連接鋼管、相應(yīng)的固定用夾具和開關(guān)閥門等，具體如圖2 所示。

試驗裝置的基本工作流程為：打開3（閥門）和5（三通閥門），啟動6（泵），直到量管中有介質(zhì)出現(xiàn)；關(guān)閉5（三通閥門），調(diào)節(jié)3（閥門）并讀取量管數(shù)值；啟動6（泵）對試件施以規(guī)定內(nèi)壓后關(guān)閉5（三通閥門），泄壓后打開3（閥門），量管內(nèi)的液位變化量即是本次測試的容積膨脹值[4]。

圖2 容積膨脹試驗裝置示意圖

3 測試設(shè)備設(shè)計

3.1 整體規(guī)劃

為保證容積膨脹測試系統(tǒng)符合宇航標(biāo)準(zhǔn)的要求，外型和結(jié)構(gòu)的設(shè)計也盡量接近SAE AS 2078A-2008 中規(guī)定的容積膨脹試驗示意圖（見圖2）。測試系統(tǒng)使用一體化設(shè)計思路，分為上下兩部分，裝置上部為容積膨脹安裝試樣和操作測試部位，背部為電源等控制模塊，下部為壓力源。該設(shè)計的優(yōu)點在于：（1）設(shè)備的占用空間小，主要向縱深延展，充分利用立體空間；（2）裝置上部為安裝操作位，高度適中，便于人員操作裝置和拆裝試樣；（3）量管在人員的正前方，有更好的觀察讀數(shù)角度；（4）壓力源完全放于裝置的下部，泵、止回閥、安全閥、蓄能器等高壓部件被完全包裹在金屬箱體內(nèi)部，提高了設(shè)備安全系數(shù)。設(shè)備外形見圖3。

根據(jù)SAE AS 2078A-2008 的要求，確定設(shè)備的各部分結(jié)構(gòu)。測試系統(tǒng)主要由三部分組成：第一部分為液壓系統(tǒng)，包括蒸餾水箱、泵組、單向閥、安全閥、二位二通電磁換向閥、蓄能器、管接頭等；第二部分為測量系統(tǒng)（裝置主體部分），包括壓力表、壓力顯示器、量管、高壓截止閥、鉛垂體（類砝碼）、測量量管固定裝置、滾輪、鋼絲、無縫不銹鋼管、全方位水平儀和支腳；第三部分為可編程邏輯控制器（PLC），控制設(shè)備動作及采集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、記錄。

試驗臺的設(shè)計框圖如圖4 所示。

圖3 容積膨脹測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 試驗臺總設(shè)計

3.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

液壓系統(tǒng)原理如圖5 所示[7]。測試系統(tǒng)分為原始狀態(tài)和試驗動作狀態(tài)，具體工作原理如下：

（1）設(shè)備原始狀態(tài)。10（安全閥）的壓力設(shè)定為45.0 MPa；19（安全閥）的壓力設(shè)定為25.0 MPa；9（零位調(diào)節(jié)閥）、12 和18（二位二通電磁換向閥）常閉；6和17（高壓手動截止閥）常開；11（蓄能器）充氣壓力為20.0 MPa；20（蓄能器）充氣壓力為10.0 MPa。

（2）試驗動作順序。電動機(jī)驅(qū)動柱塞計量泵從水箱中抽取蒸餾水向系統(tǒng)提供壓力，可持續(xù)提供45.0 MPa 的壓力。耐壓壓力42.0 MPa 的實現(xiàn)：手動打開6（高壓手動截止閥），關(guān)閉17（高壓手動截止閥），PLC 控制泵組運行加壓，加壓至設(shè)定的42.0 MPa，傳感器反饋給PLC，停止泵組工作；按要求保壓規(guī)定時間后，PLC 自動打開12（二位二通電磁換向閥），卸壓后關(guān)閉。工作壓力21.0 MPa 的實現(xiàn)：PLC控制泵組運行，同時PLC 自動打開18（二位二通電磁換向閥），升壓至規(guī)定的21.0 MPa，傳感器反饋給PLC，停止泵組工作；按要求保壓規(guī)定時間后，PLC自動打開12（二位二通電磁換向閥）進(jìn)行卸壓。保壓過程：由17（高壓手動截止閥）、蓄能器和PLC 控制，若壓力降低，則蓄能器釋放壓力，保證試樣的保壓壓力；若蓄能器壓力不夠，則PLC 會啟動泵組補(bǔ)壓，直至達(dá)到保壓壓力。系統(tǒng)壓力由安全閥控制在設(shè)定的壓力值。升壓速率由兩個活塞式蓄能器控制，若升壓慢，則蓄能器需充氣，使容腔變小，容納較少介質(zhì)，反之亦然，從而達(dá)到對升壓速率的控制。蓄能器也吸收升壓過程產(chǎn)生的脈動，起到保持升壓穩(wěn)定性的作用。在完成規(guī)定保壓時間后，關(guān)閉6（高壓手動截止閥），打開17（高壓手動截止閥），蒸餾水流經(jīng)量筒，而后等液面穩(wěn)定后目測得出試驗讀數(shù)。

另外，裝置開始使用前必須對裝置和試樣充分排氣，使設(shè)備管路和試驗液中的空氣、小氣泡等盡可能排出。而后通過開關(guān)9（零位調(diào)節(jié)閥）來調(diào)整零位液面（初始液面）。

圖5 液壓系統(tǒng)原理圖

3.3 自動控制系統(tǒng)設(shè)計

容積膨脹控制系統(tǒng)由PLC 及控制用板卡及電器附件組成，主要用于系統(tǒng)控制執(zhí)行?？刂葡到y(tǒng)總圖如圖6 所示[2]。

圖6 控制系統(tǒng)總圖

整個控制系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成。上位機(jī)為普通計算機(jī)，主要用于編寫程序、修改程序、數(shù)據(jù)管理、結(jié)果打印等工作；試驗臺正常工作時不與上位機(jī)連接。下位機(jī)的核心為PLC，試驗操作依靠人機(jī)界面實現(xiàn)，采用臺達(dá)DOP-B10S615 人機(jī)界面和臺達(dá)DVP 10SX PLC 實現(xiàn)對水壓泵組和二位二通電磁換向閥的控制。檢測時，通過控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動來帶動泵組對試件施加壓力，控制電磁換向閥和計算保壓時間來完成耐壓保壓試驗：在升壓和保壓期間，通過模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換，高壓傳感器的信號不斷地輸入PLC，PLC 經(jīng)過采樣、計算，得到實時壓力和升壓速率。通過與設(shè)定壓力相比，可以算出壓力和保壓時間是否達(dá)到要求。然后通過PLC 調(diào)整步進(jìn)電機(jī)，改變換向閥通斷，使試驗臺完成耐壓工作壓力的保壓過程，并得到升壓速率的曲線數(shù)據(jù)，完成一個控制循環(huán)。閉環(huán)控制回路如圖7 所示[6]。完成保壓過程后，通過開關(guān)高壓截止閥來完成試件膨脹值的測量。上位機(jī)與下位機(jī)之間采用SR232 通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

3.4 測量系統(tǒng)設(shè)計

測量系統(tǒng)主要依靠高壓傳感器采集實際壓力信號和人工讀取試驗中量管數(shù)值的方式采集試驗數(shù)據(jù)，并將試驗數(shù)據(jù)輸入上位機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而獲得容積膨脹值。主要控制元件如下：

（1）上位機(jī)。上位機(jī)采用Screen Editor 軟件來監(jiān)控和編輯臺達(dá)DOP-B10S615 人機(jī)界面，采用Delta-WPL Soft 軟件對臺達(dá)DVP 10SX PLC 進(jìn)行編程，并起到壓力檢驗、數(shù)據(jù)存儲、容積膨脹值計算、報告打印等其他功能。

（2）人機(jī)界面。采用帶PLC 的人機(jī)界面取代上位機(jī)進(jìn)行設(shè)備的現(xiàn)場操作控制，主要是因為：容積膨脹設(shè)備試驗動作較為簡單、不必使用計算機(jī)進(jìn)行控制；人機(jī)界面占用空間小，便于嵌入式安裝和移動；采用人機(jī)界面操作方便、簡單，性價比高。

（3）高壓傳感器。該系統(tǒng)使用的壓力變送器，能檢測出連續(xù)壓力的信號，因此可以任意地設(shè)置壓力，而且設(shè)置很方便（不用調(diào)整壓力變送器，只需對電控部分進(jìn)行設(shè)定實現(xiàn)泵組運行高級控制）。

（4）量管（測量用滴定管）。量管的總?cè)莘e為25 mL，分度為0.01 mL，滿足SAE AS 2078A-2008 要求的量管讀數(shù)精度（0.2 mL）；量管固定裝置考慮到試樣受壓后2%的長度形變，所以將量管固定裝置上下調(diào)節(jié)有效距離余量設(shè)定為5%左右。安裝試樣后通過鉛錘體的牽引保證試樣和量管垂直向上，便于試驗人員精確讀數(shù)。

圖7 閉環(huán)控制回路

4 結(jié)語

根據(jù)SAE AS 2078A-2008 中對容積膨脹試驗的描述，制造的容積膨脹測試系統(tǒng)試驗?zāi)蛪簤毫ψ罡吣苓_(dá)到42.0 MPa，工作壓力和保壓壓力達(dá)到21.0 MPa，操作簡單，自動化程度高，檢測數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，避免了設(shè)備缺陷造成的測量結(jié)果誤差。該測試系統(tǒng)能夠作為商用大飛機(jī)使用的軟管組件的檢測設(shè)備，為中國民航事業(yè)的發(fā)展添磚加瓦。