張鶴宇，李博，楊軍

(航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

隨著我國(guó)武器裝備由引進(jìn)、仿制走向自主研發(fā),動(dòng)態(tài)壓力參數(shù)等一系列的武器裝備動(dòng)態(tài)指標(biāo)的測(cè)量越來(lái)越受到重視,尤其是在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域,氣體動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量與校準(zhǔn)需求與日俱增[1-3],主要體現(xiàn)在要求其測(cè)量量程越來(lái)越寬,測(cè)量精度越來(lái)越高。典型的動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量校準(zhǔn)需求主要有以下幾個(gè)方面:①飛機(jī)表面動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量。飛機(jī)表面動(dòng)態(tài)壓力是決定飛機(jī)整體動(dòng)力性能的主要指標(biāo)[4-5],同時(shí)也影響飛機(jī)的整體結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)等指標(biāo)。此動(dòng)態(tài)壓力是由飛機(jī)在飛行中與大氣相互作用而產(chǎn)生[6-7],其頻率與飛機(jī)表面金屬層蒙皮的固有頻率相近,會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)進(jìn)入共振狀態(tài),縮短材料的使用壽命,嚴(yán)重影響飛行安全。②火箭整流罩表面動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量。由于火箭整流罩的固有頻率較低,當(dāng)?shù)皖l動(dòng)態(tài)壓力作用于火箭整流罩時(shí),很容易引起共振[8-9],破壞其結(jié)構(gòu)。此外,引起的噪聲,傳入內(nèi)部,會(huì)影響儀器測(cè)量精度,甚至導(dǎo)致儀器損壞[10-11]。因此對(duì)火箭整流罩進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要考慮動(dòng)態(tài)壓力的影響。③爆炸沖擊波超壓測(cè)量。對(duì)爆炸沖擊波進(jìn)行超壓測(cè)量是評(píng)價(jià)彈藥損傷效能的主要方式,其中,空氣爆炸沖擊波超壓的范圍為0.01～100 MPa,常見(jiàn)的燃料空氣炸藥、溫壓彈形成的爆炸沖擊波超壓在10 MPa以內(nèi)。這些沖擊波超壓對(duì)人體會(huì)產(chǎn)生影響,需進(jìn)行評(píng)價(jià)和防護(hù)。

在動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量中,通常使用壓阻式壓力傳感器或壓電式壓力傳感器[12],在某些特殊環(huán)境中,還需要通過(guò)壓力探針或帶引壓管腔的壓力測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量[13-15]。校準(zhǔn)壓力傳感器或測(cè)試系統(tǒng)對(duì)保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度十分重要。壓電式壓力傳感器具有高動(dòng)態(tài)、高靈敏度的優(yōu)點(diǎn),卻無(wú)法進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定(尤其是帶前置放大的壓電式壓力傳感器),需通過(guò)以半正弦壓力為代表的脈沖壓力對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)靈敏度校準(zhǔn)。現(xiàn)有的脈沖壓力校準(zhǔn)裝置,其脈沖壓力發(fā)生裝置多以液體作為壓力介質(zhì),易于產(chǎn)生較大幅值的脈沖壓力,壓力幅值范圍為10～500 MPa[16]。但結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求,中低壓作為壓力測(cè)量和校準(zhǔn)的常用范圍,10 MPa以下的中低壓氣體脈沖壓力的發(fā)生仍需解決。

本文介紹了一種基于出口調(diào)制型方式的中低壓氣體脈沖壓力發(fā)生方法及發(fā)生裝置,可產(chǎn)生0～4 MPa的脈沖壓力,脈寬在15 ms以內(nèi),可有效解決中低壓氣體脈沖壓力的產(chǎn)生問(wèn)題。

1 氣體脈沖壓力發(fā)生原理

壓力系統(tǒng)中流動(dòng)的流體經(jīng)過(guò)截面變化的閥門(mén)、狹縫及孔口等部分后發(fā)生壓力的變化,依靠改變流體通道的流通截面積大小可以調(diào)整流量,對(duì)于彈性流體,節(jié)流閥改變流量的同時(shí)也會(huì)改變壓力[17]。氣體脈沖壓力發(fā)生裝置即通過(guò)這種節(jié)流方式產(chǎn)生壓力信號(hào),其閥孔可以近似為薄壁小孔[18],旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖1所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

由薄壁小孔節(jié)流原理可得閥口的流量特性為

式中:Q為閥口的流量;Cd為閥口流量系數(shù),一般為0.6～0.8;A為閥口流通面積;ρ為氣體密度;ΔP為閥口前后壓差。

變換式(1)可得

出口調(diào)制型氣體脈沖壓力發(fā)生器數(shù)學(xué)模型如圖2所示,P1為進(jìn)氣口壓力,A1為進(jìn)氣口流通面積,容腔內(nèi)壓力為P,P2和A2分別代表出氣口壓力和出氣口流通面積,且P2等于大氣壓。

圖2 脈沖壓力發(fā)生器數(shù)學(xué)模型

由式(2)可得進(jìn)氣口流量和出氣口流量的表達(dá)式為

由入口質(zhì)量流量和出口質(zhì)量流量的關(guān)系可得

將式(3),(4)帶入式(5)可得

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可知,在溫度恒定時(shí)關(guān)系式為

式中:P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;ρ0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的空氣密度。

將式(7)帶入式(6)可得

由式(8)可知,壓力P與出口流通面積A2有關(guān),并可計(jì)算出壓差與流通面積的關(guān)系。

在脈沖壓力發(fā)生裝置中,帶方槽孔的轉(zhuǎn)子與帶圓孔出口的壓力室配合,當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),方槽孔、配合面、方槽孔依次切過(guò)圓孔,流通面積初始為最大值,然后逐漸變小到零,再由零增大到最大值,對(duì)應(yīng)壓力室的壓力由零到最大值再減小到零的變化過(guò)程,從而產(chǎn)生脈沖壓力信號(hào),原理如圖3所示。

圖3 出口調(diào)制原理圖

轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)改變轉(zhuǎn)子和定子閥口重合面積,閥口重合面積最大時(shí),設(shè)此時(shí)為初始時(shí)刻t0,如圖4所示。

最大流通面積為

式中:r為圓孔半徑。

隨著轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng),流通面積逐漸減小,到t1時(shí)刻,流通面積為最大流通面積的一半,即

圖4 轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)過(guò)程

在t0～t1時(shí)間段,其流通面積表達(dá)式為

當(dāng)流通面積減小到0時(shí),記該時(shí)刻為t2,t1～t2時(shí)間段,其流通面積表達(dá)式為

同理可得,后半個(gè)周期流通面積開(kāi)始增大,記t3時(shí)刻流通面積為最大流通面積的一半,t4時(shí)刻達(dá)到最大流通面積。則t2～t3時(shí)間段段流通面積表達(dá)式為

t3～t4時(shí)間段流通面積表達(dá)式為

上述轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)過(guò)程為一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以計(jì)算轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的線速度,進(jìn)而得到流通面積隨時(shí)間變化的曲線,如圖5所示。

圖5 流通面積變化曲線

由式(8)可知,通過(guò)流通面積可以計(jì)算得到脈沖壓力隨時(shí)間變化的曲線,如圖6所示。

由圖6可知,壓差隨時(shí)間變化曲線近似于脈沖壓力,通過(guò)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)提高電機(jī)轉(zhuǎn)速,可使產(chǎn)生的脈沖壓力脈寬變窄。通過(guò)穩(wěn)壓調(diào)壓機(jī)構(gòu)改變進(jìn)氣流量,可以產(chǎn)生不同幅值的脈沖壓力。

圖6 脈沖壓力變化曲線

上述理想狀態(tài)下產(chǎn)生的波形為氣體脈沖壓力的產(chǎn)生提供了可行性和理論依據(jù),由于加工精度等因素的影響,實(shí)際產(chǎn)生的脈沖壓力波形與理想波形會(huì)存在一定差異。

2 氣體脈沖壓力發(fā)生裝置設(shè)計(jì)

氣體脈沖壓力發(fā)生裝置主要由電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)控制器、變壓器、旋轉(zhuǎn)閥機(jī)構(gòu)、穩(wěn)壓調(diào)壓機(jī)構(gòu)等組成,實(shí)現(xiàn)在壓力介質(zhì)中產(chǎn)生脈沖壓力,同時(shí)可以通過(guò)電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。氣體脈沖壓力發(fā)生裝置基本結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 脈沖壓力發(fā)生裝置基本結(jié)構(gòu)

氣體脈沖壓力發(fā)生裝置基于出口調(diào)制型方式產(chǎn)生,利用穩(wěn)定氣流源和旋轉(zhuǎn)閥,通過(guò)電機(jī)的精密控制,在固定容腔中產(chǎn)生中小脈沖壓力。出口調(diào)制型氣體脈沖壓力發(fā)生裝置主要通過(guò)調(diào)制壓力室入口和(或)出口面積來(lái)產(chǎn)生脈沖壓力。出口面積的調(diào)制是通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。

脈沖壓力的幅值主要由調(diào)壓機(jī)構(gòu)輸出的壓力決定,并受壓力室容積、出口調(diào)制類型與面積、壓力脈寬等影響。壓力脈寬可以通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)速度來(lái)改變,整體工作原理如圖8所示。

圖8 脈沖壓力發(fā)生裝置工作原理圖

電機(jī)控制器可產(chǎn)生脈沖信號(hào)和連續(xù)性周期信號(hào),輸出給電機(jī)使其按設(shè)定信號(hào)運(yùn)作;電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)裝置帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥中的轉(zhuǎn)子一起運(yùn)作;旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)中存在定子和轉(zhuǎn)子,定子和轉(zhuǎn)子上都開(kāi)有通孔,定子保持不動(dòng),轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)就會(huì)與定子產(chǎn)生通孔面積上的配合關(guān)系,從而對(duì)流經(jīng)通孔的氣流進(jìn)行切割,造成了轉(zhuǎn)子兩側(cè)不同的壓力差,從而產(chǎn)生壓力信號(hào)。

旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)包含轉(zhuǎn)子和定子的設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)子和定子的流通面積與開(kāi)孔角度需通過(guò)脈沖壓力理論計(jì)算確定。設(shè)計(jì)定子結(jié)構(gòu)時(shí),需要考慮氣密性、定子與轉(zhuǎn)子摩擦、容腔大小的影響。壓力容腔盡量小可以有效增大壓力幅值和測(cè)量準(zhǔn)確度,壓力容腔設(shè)計(jì)在定子內(nèi),頂端為進(jìn)氣口連接高壓氣源與穩(wěn)壓調(diào)壓機(jī)構(gòu),兩側(cè)端為測(cè)量壓力的通道,可以連接傳感器并提供激光測(cè)量通道,轉(zhuǎn)子與定子裝配結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 轉(zhuǎn)子與定子配合結(jié)構(gòu)圖

旋轉(zhuǎn)閥是脈沖壓力發(fā)生器的核心元件,其配套構(gòu)件還包括軸承、外殼、間隙調(diào)節(jié)、消音裝置,整體的脈沖壓力發(fā)生器模擬裝置如圖10所示。

圖10 脈沖壓力模擬裝置

脈沖壓力的脈寬取決于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度,電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子的速度不同,產(chǎn)生的脈沖壓力脈寬不同,轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)周期表達(dá)式為

式中:N為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,r/min;m為轉(zhuǎn)子上開(kāi)孔數(shù)量。

由式(15)得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為

根據(jù)式(16)可計(jì)算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,在傳動(dòng)比1∶1的情況下,電機(jī)轉(zhuǎn)速至少要大于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下,控制進(jìn)氣壓力,進(jìn)行脈沖壓力發(fā)生裝置壓力幅值及脈寬的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,使電機(jī)分別在轉(zhuǎn)速為750,1200,1500 r/min三種條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),通過(guò)安裝的壓力傳感器測(cè)量脈沖壓力,經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了脈沖壓力隨時(shí)間變化的曲線。三個(gè)轉(zhuǎn)速條件下的脈沖壓力變化曲線如圖11所示。

圖11 不同轉(zhuǎn)速下脈沖壓力波形

通過(guò)圖11可以看到,通過(guò)該裝置得到的脈沖壓力波形與理想的半正弦脈沖壓力仍存在一定的差別,在上升過(guò)程中壓力變化不均勻,這與裝置的密封性和進(jìn)氣流量控制等問(wèn)題有關(guān)。

針對(duì)進(jìn)氣流量控制問(wèn)題,將之前使用的普通減壓閥換成恒流減壓閥,保持氣體流量穩(wěn)定。通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使電機(jī)在750 r/min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到了如圖12所示的脈沖壓力波形。

圖12 750 r/min下脈沖壓力波形

由圖12與圖11(a)對(duì)比可得,更換減壓閥后得到的脈沖壓力波形更為平滑,但在曲線上升過(guò)程中仍存在失真,波形不對(duì)稱的問(wèn)題仍存在。由此可得,進(jìn)氣流量不是導(dǎo)致波形失真的主要問(wèn)題。

針對(duì)裝置密封性問(wèn)題,在發(fā)生裝置上下蓋銜接處安裝了O型圈,提高了裝置的密封性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了如圖13所示的脈沖壓力波形圖。

圖13 優(yōu)化后的脈沖壓力波形

由圖13可知,壓力波形得到了明顯改善,上升過(guò)程的失真消除,與下降過(guò)程基本對(duì)稱,整體波形更接近于半正弦。但仍存在局部畸變,主要在0～7 ms以及20 ms以后,分別對(duì)應(yīng)脈沖壓力上升前和脈沖壓力下降后。后期還將繼續(xù)對(duì)脈沖壓力發(fā)生器中旋轉(zhuǎn)閥的受力情況進(jìn)行系統(tǒng)的分析,進(jìn)而改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),從而增強(qiáng)信號(hào)的信噪比。另一方面,嘗試改進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行步進(jìn)控制,快速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的啟動(dòng)和停止,從而產(chǎn)生更為平穩(wěn)的波形。

綜上所述,設(shè)計(jì)的中低壓氣體脈沖壓力發(fā)生裝置可以實(shí)現(xiàn)幅值4 MPa以下、脈寬15 ms以內(nèi)的脈沖壓力,如表1所示。

表1 不同轉(zhuǎn)速下脈沖壓力幅值與脈寬

4 結(jié)論

研制了氣體脈沖壓力發(fā)生裝置出口調(diào)制型方式,利用穩(wěn)定氣流源和旋轉(zhuǎn)閥,通過(guò)電機(jī)的精密控制,在固定容腔中產(chǎn)生中低脈沖壓力。實(shí)現(xiàn)了4 MPa以下、脈沖寬度15 ms以內(nèi)的脈沖壓力的產(chǎn)生。針對(duì)產(chǎn)生的脈沖壓力波形不理想的問(wèn)題,首先通過(guò)恒流減壓閥加強(qiáng)進(jìn)氣流量的控制,再對(duì)發(fā)生裝置進(jìn)行優(yōu)化,提高其密封性,從而得到較為理想的脈沖壓力波形。后續(xù)將繼續(xù)對(duì)發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的控制方式進(jìn)行研究,以產(chǎn)生更理想的脈沖壓力波形。