液壓快換接頭壓力降-流量特性試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)及不確定度分析

鄭智劍，錢婷婷，錢咪，賀梁

(1.寧波市產(chǎn)品食品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院(寧波市纖維檢驗(yàn)所)，浙江寧波 315048；2.國(guó)家智能制造裝備產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(浙江)，浙江寧波 315800；3.鎮(zhèn)海區(qū)教育發(fā)展研究院，浙江寧波 315202)

0 前言

液壓快換接頭可在不使用工具的條件下進(jìn)行手動(dòng)連接和拆卸，可以在高壓條件下進(jìn)行重復(fù)、快速通斷，且具有密封性好、安全性高等特點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)機(jī)械和工程機(jī)械等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[1]?？鞊Q接頭的公端和母端連接后，受內(nèi)部截止閥、背壓釋放裝置等影響，其內(nèi)部流道會(huì)發(fā)生明顯改變，因此在進(jìn)、出口端會(huì)產(chǎn)生壓力降。并且，快換接頭兩端的壓力降會(huì)隨流量的變化而改變。因此，測(cè)量全流量范圍內(nèi)快換接頭的壓力降，特別是在大流量、高流速工況下的壓力降，對(duì)于評(píng)價(jià)快換接頭在高負(fù)荷工況下的流通能力具有重要意義。由于快換接頭的型號(hào)規(guī)格、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、使用工況、流通介質(zhì)等具有較大差異，為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其壓力降-流量特性，且適應(yīng)大功率液壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)[2]，需建立具備通用性、大流量的液壓快換接頭壓力降-流量特性試驗(yàn)臺(tái)。

目前，現(xiàn)行快換接頭試驗(yàn)方法的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 5861—2003《液壓快換接頭 試驗(yàn)方法》[3]和ISO 18869：2017《Hydraulic fluid power-Test methods for couplings actuated with or without tools》[4]。在上述標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定了壓力降-流量試驗(yàn)的裝置和測(cè)試步驟。目前，在快換接頭壓力降-流量試驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)方面，主要有：鄭祥明等[5]設(shè)計(jì)了多品種液壓快換接頭壓力降試驗(yàn)系統(tǒng)，該試驗(yàn)系統(tǒng)采用雙泵合流和多級(jí)節(jié)流的方式，可開展流量調(diào)節(jié)范圍0.75～283 L/min內(nèi)的快換接頭的壓力降-流量試驗(yàn)，適用于公稱通徑為5～25 mm的快換接頭，試驗(yàn)介質(zhì)為32號(hào)液壓油；魏超[6]設(shè)計(jì)了采用閉環(huán)流量控制方式的快換接頭流阻測(cè)試系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)范圍為0～50 L/min，壓力降測(cè)試范圍為0～200 kPa，適用于最大公稱通徑為15 mm的快換接頭，試驗(yàn)介質(zhì)為乙二醇混合液。在ISO 18869：2017標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定了公稱通徑為5～51 mm內(nèi)快換接頭的標(biāo)準(zhǔn)額定流量。公稱通徑為50 mm的快換接頭對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)額定流量為788 L/min。由此可知，現(xiàn)有的壓力降-流量試驗(yàn)的裝置還無(wú)法滿足大規(guī)格快換接頭的測(cè)試需求，不利于產(chǎn)品的性能提升和新產(chǎn)品研發(fā)。同時(shí)，在工程機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械等領(lǐng)域，46號(hào)液壓油或水也是快換接頭較為常用的工作介質(zhì)。但針對(duì)上述2種介質(zhì)，尚未有適用的壓力降-流量特性試驗(yàn)臺(tái)。

本文作者依據(jù)ISO 18869：2017標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了一套液壓快換接頭壓力降-流量特性試驗(yàn)臺(tái)，采用46號(hào)液壓油或水作為試驗(yàn)介質(zhì)。試驗(yàn)臺(tái)的流量調(diào)節(jié)范圍為40～1 000 L/min，壓力降測(cè)試范圍為0～5.0 MPa，用于公稱通徑為12.5～51 mm的快換接頭。并且，完成配套測(cè)試軟件的開發(fā)以及快換接頭壓力降測(cè)量值不確定度的計(jì)算。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓快換接頭壓力降-流量特性試驗(yàn)臺(tái)主要用于測(cè)試不同流量下液壓快換接頭進(jìn)、出口兩端的壓力降，也可結(jié)合試驗(yàn)介質(zhì)的密度和介質(zhì)流速計(jì)算得到其流量系數(shù)和流阻系數(shù)[7]。試驗(yàn)臺(tái)適用于直通式、單截止式和雙截止式等類型的液壓快換接頭。

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

液壓快換接頭壓力降-流量特性試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)介質(zhì)可采用46號(hào)液壓油或水；被測(cè)快換接頭的適用公稱通徑范圍為12.5～51 mm；被測(cè)快換接頭進(jìn)、出口的壓力降測(cè)量范圍為0～5.0 MPa。試驗(yàn)平臺(tái)的流量調(diào)節(jié)范圍為40～1 000 L/min；當(dāng)采用46號(hào)液壓油作為試驗(yàn)介質(zhì)時(shí)，其溫度調(diào)節(jié)范圍為20～70 ℃。試驗(yàn)平臺(tái)具有自動(dòng)化控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以及報(bào)表生成和打印功能。

1.2 設(shè)計(jì)原理

試驗(yàn)裝置的原理如圖1所示。試驗(yàn)臺(tái)可以分為油側(cè)工位和水側(cè)工位。其中，油側(cè)工位有2路管道進(jìn)行供油，管道規(guī)格分別為φ60 mm×8 mm；水側(cè)工位有3路管道進(jìn)行供水，管道規(guī)格分別為φ22 mm×3 mm、φ34 mm×4 mm和φ60 mm×5 mm。2個(gè)工位共用1個(gè)試驗(yàn)段。

試驗(yàn)段的設(shè)計(jì)原理如圖2所示。試驗(yàn)段的管道直徑為114 mm，超過被測(cè)快換接頭最大公稱通徑的2倍，保證了試驗(yàn)段的最大通流能力。L1和L4的長(zhǎng)度為1 140 mm，按10倍的管道設(shè)計(jì)；L2的長(zhǎng)度為570 mm，按5倍的管道直徑設(shè)計(jì)；L3的長(zhǎng)度為連接狀態(tài)下的快換接頭加上其兩端的轉(zhuǎn)換接頭的長(zhǎng)度。在被測(cè)快換接頭的進(jìn)、出口均安裝有溫度傳感器，在其出口安裝有流量計(jì)。

圖2 試驗(yàn)段原理

1.3 測(cè)試設(shè)備

當(dāng)以46號(hào)液壓油作為試驗(yàn)介質(zhì)時(shí)，采用5臺(tái)并聯(lián)的液壓泵對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行供油。針對(duì)不同公稱通徑快換接頭的壓力降-流量的測(cè)試需求，可啟動(dòng)不同的電機(jī)泵組。5臺(tái)液壓泵均為高壓柱塞泵，泵的公稱排量分別為40、71、125、180、250 mL/r。每臺(tái)泵配備有功率相匹配的三相異步電機(jī)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為100～2 800 r/min。試驗(yàn)段所用流量計(jì)為齒輪式，型號(hào)為VC12F1PS，數(shù)量為4臺(tái)，制造商為KRACHT。單個(gè)流量計(jì)的流量測(cè)試范圍為0～250 L/min，精度等級(jí)為±0.5%。

當(dāng)以水作為試驗(yàn)介質(zhì)時(shí)，采用水泵供水，泵的最大流量為120 m3/h。共有3路并聯(lián)的供水管道，其中：規(guī)格為φ22 mm×3 mm的管道上安裝有型號(hào)為TM4TFS040S的流量計(jì)，流量測(cè)試范圍為13.3～66.7 L/min；規(guī)格為φ34 mm×4 mm的管道上安裝有型號(hào)為TM16TFS040S的流量計(jì)，流量測(cè)試范圍為53.4～267.0 L/min；規(guī)格為φ60 mm×5 mm的管道上安裝有型號(hào)為TM68TFS040S的流量計(jì)，流量測(cè)試范圍為227～1 133 L/min。上述3個(gè)流量計(jì)的制造商為KRACHT，精度等級(jí)為±0.5%。

試驗(yàn)段所用的溫度傳感器的型號(hào)為TA2105 + EVC001，數(shù)量為4個(gè)，制造商為IFM。溫度測(cè)量范圍為-50～150 ℃，模擬量信號(hào)為4～20 mA。所用的壓力傳感器的型號(hào)為P200S-GB100AG14M4B/HT，制造商為BANNA。壓力測(cè)量精度為0.1%，線性度為±0.2%，重復(fù)性不大于0.1F.S.，模擬量信號(hào)為4～20 mA。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)

搭建的液壓快換接頭壓力降-流量特性試驗(yàn)臺(tái)如圖3所示。采用某制造商生產(chǎn)的快換接頭進(jìn)行壓力降-流量特性試驗(yàn)，快換接頭的公稱通徑為50 mm，額定流量為450 L/min，試驗(yàn)環(huán)境溫度為(25±2) ℃。

圖3 液壓快換接頭壓力降-流量特性試驗(yàn)臺(tái)

按ISO 18869：2017標(biāo)準(zhǔn)中的13章進(jìn)行試驗(yàn)，步驟如下：

(1)將連接后的快換接頭總成裝入試驗(yàn)段，在額定流量的25%、50%、75%、100%、125%、150%的工況下，按正、反2個(gè)方向測(cè)定并記錄壓降值；每個(gè)試驗(yàn)流量點(diǎn)重復(fù)測(cè)量10次，取平均值。

(2)從試驗(yàn)段中拆卸快換接頭總成，裝入公稱通徑為50 mm的硬直管，在被試快換接頭流量的25%、50%、75%、100%、125%、150%的工況下，測(cè)定并記錄壓降值；每個(gè)試驗(yàn)流量點(diǎn)重復(fù)測(cè)量10次，取平均值。

(3)計(jì)算步驟(1)(2)中每個(gè)流量試驗(yàn)點(diǎn)記錄的壓降值的差值，得到被試快換接頭總成的凈壓降值，并按正、反2個(gè)方向繪制壓力降-流量特性曲線。

在整個(gè)試驗(yàn)過程中，控制液壓油溫為(40±2) ℃，使試驗(yàn)介質(zhì)的黏度保持穩(wěn)定。按上述試驗(yàn)步驟，分別以46號(hào)液壓油和水為介質(zhì)，測(cè)試得到被測(cè)快換接頭的壓力降-流量特性曲線如圖4所示?？芍赫⒎?個(gè)方向測(cè)定的壓降值存在一定差異，這是由于快換接頭內(nèi)部流道的不對(duì)稱導(dǎo)致的。

圖4 被測(cè)快換接頭的壓力降-流量特性曲線

2.2 測(cè)控系統(tǒng)

試驗(yàn)臺(tái)采用PLC控制液壓泵和水泵的啟動(dòng)和停止，并提供測(cè)試所需的流量和壓力；測(cè)試部分用硬件以及NI-PXI及其對(duì)應(yīng)的LabVIEW軟件進(jìn)行壓差、流量、溫度等數(shù)據(jù)采集、記錄和分析。試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試界面如圖5所示。在“參數(shù)顯示”區(qū)域，界面實(shí)時(shí)顯示熱介質(zhì)(46號(hào)液壓油)和冷介質(zhì)(水)流量、進(jìn)出口的溫度和壓力等。點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)導(dǎo)入表格”可實(shí)時(shí)保存需要采集的流量、進(jìn)出口壓力和溫度等數(shù)據(jù)。

圖5 試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試界面

3 不確定度分析

快換接頭壓降值測(cè)量的不確定度直接影響其壓力降-流量特性的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。由上述可知，此試驗(yàn)過程中是通過測(cè)量快換接頭進(jìn)、出口的壓力值來(lái)計(jì)算壓降值，之后再減去測(cè)試管道自身的壓降值，最終得到凈壓降值。

快換接頭進(jìn)、出口壓力值的測(cè)量屬于密閉回路中平均穩(wěn)態(tài)壓力的測(cè)量，因此可采用ISO 9110-1：2020《液壓傳動(dòng) 測(cè)量技術(shù) 第1部分：通則》[8]和ISO 9110-2：2020《液壓傳動(dòng) 測(cè)量技術(shù) 第2部分：密閉回路中平均穩(wěn)態(tài)壓力的測(cè)量》[9]來(lái)計(jì)算不確定度。

3.1 凈壓降值的測(cè)量值和數(shù)學(xué)模型

在額定流量(450 L/min)工況下，測(cè)量被測(cè)快換接頭進(jìn)、出口的壓降值，共10次，采用46號(hào)液壓油為試驗(yàn)介質(zhì)，測(cè)量結(jié)果如表1所示；采用水為試驗(yàn)介質(zhì)，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表1 額定流量下被測(cè)快換接頭進(jìn)、出口的壓降值(液壓油)

表2 額定流量下被測(cè)快換接頭進(jìn)、出口的壓降值(水)

計(jì)算被測(cè)快換接頭進(jìn)、出口的凈壓降值的數(shù)學(xué)模型如式(1)所示：

(1)

上述各壓降值的靈敏系數(shù)計(jì)算公式如下所示：

(2)

c2=?p/?pg

(3)

c3=?p/?rht

(4)

式中：c1、c2、c3分別為被測(cè)快換接頭的凈壓降值、壓力傳感器二次儀表的平均壓力示值、流體高度差引起的壓降值的靈敏系數(shù)，其數(shù)值均為1。

3.2 壓力降測(cè)量示值引入的不確定度

由測(cè)量過程可知，影響被測(cè)快換接頭進(jìn)、出口的凈壓降值的不確定度分量主要有：(1)壓降測(cè)量示值引入的不確定度分量u1；(2)讀數(shù)誤差引入的不確定度分量ur；(3)測(cè)壓點(diǎn)引入的不確定度up；(4)溫度效應(yīng)影響引入的不確定度uT；(5)流體壓頭效應(yīng)引入的不確定度u(rht)；(6)顯著的環(huán)境影響和電路元件影響引入的不確定度uc。

其中，此試驗(yàn)環(huán)境溫度為(25±2) ℃，與壓力傳感器校準(zhǔn)過程中的溫度差不大于5 ℃，可以忽略溫度效應(yīng)；在數(shù)學(xué)模型中，已經(jīng)對(duì)流體壓頭效應(yīng)進(jìn)行修正，可不考慮它對(duì)不確定度的影響；并且，在此處可不考慮環(huán)境條件和電路元件的影響。綜上，被測(cè)快換接頭進(jìn)、出口凈壓降值的測(cè)量不確定度分量只需考慮u1、ur、up。

壓降測(cè)量示值引入的不確定度分量u1需考慮系統(tǒng)校準(zhǔn)的不確定度uc和讀數(shù)誤差引入的不確定度ur。壓力傳感器的準(zhǔn)確度等級(jí)為0.2級(jí)，量程的上限為5.0 MPa，按均勻分布可計(jì)算得到uc=0.005 8 MPa。

讀數(shù)誤差引入的不確定度ur需考慮壓力傳感器采集裝置的讀數(shù)誤差引入的不確定度u1r以及其測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2r。壓力傳感器采集裝置的數(shù)顯分辨率為0.001 MPa，其末位已經(jīng)過圓整，其引入的不確定度可按照式(5)進(jìn)行計(jì)算，u1r=0.000 3 MPa；根據(jù)表1中壓降值的10次重復(fù)性試驗(yàn)可按式(6)計(jì)算u2r，u2r=0.000 7 MPa。兩者取較大值，則ur=u2r=0.000 7 MPa。

(5)

(6)

由式(7)可確定管路中的最大流速v，計(jì)算得到v=2.065 2 m/s。

v=0.066 7q/(πd2)

(7)

式中：q為預(yù)計(jì)通過被測(cè)快換接頭的最大流量，q=675 L/min；d為試驗(yàn)段的管道內(nèi)徑，d=102 mm；π為常量，π=3.141 592 653 6。

可按式(8)計(jì)算up，計(jì)算得到up=0.000 1 MPa。

up=Kv2ρ

(8)

式中：K為常量，K=0.25×10-4，適用于1型測(cè)壓點(diǎn)；ρ為32號(hào)液壓油的比重，ρ=0.86。

由于各不確定度分量之間相互獨(dú)立，則：

3.3 管路凈壓差引入的不確定度

通過拆除被測(cè)快換接頭進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，測(cè)得管路的凈壓差為0.013 MPa，其測(cè)量結(jié)果的不確定度u2和u1相同，即u2=0.005 8 MPa。

3.4 流體高度差引入的不確定度

測(cè)量?jī)x表和測(cè)壓點(diǎn)之間存在流體高度差，采用式(9)對(duì)壓力讀數(shù)進(jìn)行修正：

rht=gρht×10-6

(9)

式中：g為重力加速度，取9.806 65 m/s2；ht流體高度差，為0.051 m。

3.5 合成不確定度

各不確定度分量之間互不相關(guān)，依據(jù)ISO 9110-1：2020標(biāo)準(zhǔn)附錄B中的不確定度傳播率計(jì)算誤差測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

依據(jù)依據(jù)ISO 9110-1：2020的第7.6條，取k=4，可得到95%置信區(qū)間的測(cè)量不確定度，則采用46號(hào)液壓油作為試驗(yàn)介質(zhì)時(shí)，壓差測(cè)量結(jié)果可表示為

p=0.203 MPa,U=0.036 MPa (k=4)

按相同的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算步驟，采用水作為試驗(yàn)介質(zhì)時(shí)，壓差測(cè)量結(jié)果可表示為

p=0.199 MPa,U=0.034 MPa (k=4)

文中所搭建的液壓快換接頭壓力降-流量特性試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)已投入使用，其設(shè)計(jì)和測(cè)量?jī)x器精度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5861—2003《液壓快換接頭 試驗(yàn)方法》的要求。

4 結(jié)論

(1)試驗(yàn)臺(tái)可使用46號(hào)液壓油或水為介質(zhì)測(cè)試快換接頭的壓力降-流量特性。

(2)試驗(yàn)臺(tái)的流量測(cè)試范圍為40～1 000 L/min；被測(cè)快換接頭進(jìn)出口壓差測(cè)量范圍為0～5.0 MPa，被測(cè)快換接頭的適用工程通徑范圍為12.5～51 mm。試驗(yàn)臺(tái)也可用于測(cè)試被測(cè)快換接頭的流量系數(shù)和流阻系數(shù)。

(3)95%置信區(qū)間下計(jì)算得到試驗(yàn)臺(tái)油側(cè)工位的不確定度為0.036 MPa，水側(cè)工位的不確定度為0.034 MPa。