張 開 ， 張劍剛 ， 王潤青 ， 顏飛躍

(中國船舶重工集團公司第七一八研究所 ， 河北 邯鄲 056027)

氣動球閥是流體輸送的重要部件，為了確保流體輸送的安全性，氣動球閥的性能和狀態(tài)非常重要。工業(yè)上對氣動球閥的開啟時間，即響應(yīng)時間不做過多要求，而在化學(xué)激光器中，氣動球閥的響應(yīng)時間直接關(guān)系到出光質(zhì)量[1-4]。不同化學(xué)氣體通過氣動球閥輸送到化學(xué)激光器燃燒室中進行反應(yīng)，如果球閥不能及時開啟，將會影響到試驗氣體的配比，進而影響到出光質(zhì)量。氣動球閥的響應(yīng)時間是指從接受控制信號開始到換向閥換向動作完成的時間。例如，對于氟化氘激光器主氣路NF3和C2H4來講，如果NF3的氣動球閥響應(yīng)時間延時，那么輸送到激光器燃燒室的C2H4氣體偏多，將導(dǎo)致燃燒室內(nèi)產(chǎn)生結(jié)碳現(xiàn)象，造成很不利的影響。因此，對于化學(xué)激光器來講，氣動球閥響應(yīng)時間的研究極為重要。

1 高壓氣動球閥的參數(shù)及結(jié)構(gòu)

氣動球閥的響應(yīng)時間必定與其參數(shù)密不可分，氟化氘激光器采用的是高壓氣動球閥，參數(shù)見表1。

表1 氣動球閥參數(shù)

由表1可知，氟化氘激光器采用的閥門通徑為50 mm，控制氣壓力為0.9 MPa，設(shè)計壓力為20 MPa，不同之處為氣缸容積，大氣缸用符號Ⅰ來表示，小氣缸用符號Ⅱ來表示。

一般來講，高壓氣動球閥由信號指示器、執(zhí)行機構(gòu)、電磁閥、球閥閥體及法蘭組成[5-6]。相比于手動球閥，氣動球閥主要實現(xiàn)遠距離集中控制，而遠程控制很大程度上減少了人力成本，并且增強了操作安全性。氣動球閥是在球閥配上氣動執(zhí)行器，此外還包括各種附件，如電磁閥、消音器、限位開關(guān)和定位器等。氣動球閥采用氣動執(zhí)行器對球閥進行快速啟閉，其中氣動執(zhí)行器原理為用壓縮氣體推動活塞運動，進而帶動球閥閥芯旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)開關(guān)動作。

2 高壓氣動球閥測量控制試驗系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)以往試驗摸索，對氣缸容積和壓力這兩方面因素進行了研究。據(jù)此設(shè)計并搭建了一套試車臺，該試車臺由氣源、截止閥、減壓器、高壓氣動球閥等各個部件和高壓氣動球閥測量控制系統(tǒng)組成，工作介質(zhì)為氮氣，如圖2所示。

圖1 高壓球閥測量控制試驗系統(tǒng)框圖

高壓球閥測量控制系統(tǒng)主要由信號控制與數(shù)據(jù)采集單元和傳感器組成，通過采集限位器反饋信號來判斷球閥的響應(yīng)時間。

3 氣動球閥評價方案

閥件評價前，需要開啟儲罐截止閥，將氣體輸送到高壓氣動球閥上游，同時調(diào)節(jié)定壓減壓器，將輔助氣集氣管壓力調(diào)至設(shè)定壓力值0.9 MPa后，進行閥件性能評價試驗。具體評價流程如圖2所示。

圖2 氣動球閥評價流程圖

在實際評價試驗中，響應(yīng)時間測試方法如下：氣源工作壓力≤18 MPa，在球閥控制氣壓力為0.9 MPa(絕對壓力)條件下，將氣動球閥下游電動減壓閥流量調(diào)至10 g/s，通過測量控制系統(tǒng)控制氣動球閥開啟、關(guān)閉，通過限位開關(guān)測得其響應(yīng)時間。其顯示方式如圖3所示。

圖3 氣動球閥響應(yīng)曲線

圖3表示氣動球閥開啟時通過限位器電信號傳遞，一般來講，取平直段電壓值50%判斷氣動球閥開啟情況，當電壓值>1.33 V時表示氣動球閥打開，此時通過測量控制系統(tǒng)采集氣動球閥開啟時間；當電壓值<1.33 V時，表示氣動球閥關(guān)閉。顯示該氣動球閥的響應(yīng)時間為0.380 s。

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 氣缸容積對響應(yīng)時間的影響

按照測試方法分別對兩種不同氣動球閥進行了響應(yīng)時間測試，從中各挑選出3個不同球閥，測量其平均響應(yīng)時間，其結(jié)果如表2所示。

表2 氣動球閥響應(yīng)時間測試結(jié)果

由表2可以看出，大氣缸(Ⅰ)氣動球閥響應(yīng)時間普遍比小氣缸(Ⅱ)用氣動球閥的長，這是由氣動球閥的氣缸容積決定的。大氣缸氣動球閥的氣缸容積比小氣缸的大，氣體填充大氣缸所需要時間比小氣缸的長，因此大氣缸氣動球閥響應(yīng)時間比小氣缸氣動球閥長。

4.2 壓力對氣動球閥響應(yīng)時間的影響

由于氣動球閥的容積不同，響應(yīng)時間也有所差別，因此從兩種氣缸中選出兩個具有代表性的氣動球閥來測試壓力對氣動球閥響應(yīng)時間的影響。大氣缸(Ⅰ)和小氣缸(Ⅱ)。對于大氣缸(Ⅰ)進行了響應(yīng)時間測試，研究了壓力在0.1～18 MPa下氣動球閥響應(yīng)時間，其數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 大氣缸(Ⅰ)氣動球閥的數(shù)據(jù)擬合曲線

由圖4可知，對于大氣缸，在壓力0.1～18 MPa時，隨著工作壓力的不斷增大，氣動球閥的響應(yīng)時間不斷增加，而且響應(yīng)時間與壓力呈一次函數(shù)的關(guān)系。在工作壓力為0.1 MPa時，即球閥壓差為零時，其基礎(chǔ)響應(yīng)時間為0.322 s；在18 MPa時，其響應(yīng)時間為0.419 s，兩者差值為0.097 s。對于化學(xué)激光器來講，0.097 s的差距，對實際時序和反應(yīng)配比具有較大的影響。此外，對小氣缸(Ⅱ)的響應(yīng)時間研究了更寬范圍壓力下氣動球閥的響應(yīng)時間，其數(shù)據(jù)擬合曲線如圖5所示。

圖5 小氣缸(Ⅱ)氣動球閥的數(shù)據(jù)擬合曲線

由圖5可知，對于小氣缸，在壓力0.1～18 MPa時，隨著工作壓力的不斷提升，氣動球閥的響應(yīng)時間不斷增加。在工作壓力為0.1 MPa，球閥前后壓差為0時，其基礎(chǔ)響應(yīng)時間為0.235 s，相比于大氣缸，小氣缸的基礎(chǔ)響應(yīng)時間更??；在15 MPa時，其響應(yīng)時間為0.355 s，兩者差值為0.120 s。此外，圖中虛線框表示當壓力高于15 MPa時，小氣缸響應(yīng)時間急劇增加，不穩(wěn)定性增強，這是球閥所承受壓差載荷過大導(dǎo)致。在壓力為15～18 MPa時，相比于小氣缸，大氣缸響應(yīng)時間穩(wěn)定性較好，這是因為大氣缸力矩較大，可以承受更大載荷，即更高的壓差條件。

綜上，氣動球閥的響應(yīng)時間隨著工作壓力的增大而增大，對于不同容積的氣缸來講，壓力對響應(yīng)時間的影響不同。在化學(xué)激光器試驗中，不同管路氣動球閥的開啟速度直接影響到增益發(fā)生器中氣體的化學(xué)反應(yīng)，因此工作壓力對氣動球閥的影響不可忽視。在激光器試驗中，需要對不同壓力下的氣動球閥響應(yīng)時間做出預(yù)計，對控制時序加以修正，以便保證進入增益發(fā)生器各種氣體的時序和流量能夠準確匹配。

5 結(jié)論

為了滿足化學(xué)激光器對高壓氣動球閥響應(yīng)時間的要求，通過搭建試驗試車臺，對高壓氣動球閥響應(yīng)時間展開了試驗研究。結(jié)果表明：①在控制氣和壓力等條件相同情況下，大氣缸(Ⅰ)氣動球閥響應(yīng)時間比小氣缸(Ⅱ)氣動球閥長。②在控制氣和氣缸容積相同情況下，高壓氣動球閥響應(yīng)時間隨著壓力的增大而增加。③在其他情況相同時，大氣缸球閥可適應(yīng)更大的載荷，即更高的壓差條件。以上結(jié)論為化學(xué)激光器試驗控制時序提供重要參考，保證了進入增益發(fā)生器的各種化學(xué)反應(yīng)氣體時序和流量能夠準確匹配。