摘要：由于閥內(nèi)流體流動強烈的非定常性而影響閥門工作的穩(wěn)定性，甚至引起閥門的振動，危及設(shè)備的安全運行。以調(diào)節(jié)閥為研究對象，利用微小型高頻動態(tài)壓力傳感器及其采集系統(tǒng)，在閥座喉部、閥碟頭部等閥體內(nèi)各關(guān)鍵部位設(shè)置測點，進行多種工況和多個方位的試驗研究，并利用頻譜分析方法對調(diào)節(jié)閥桿振動或不穩(wěn)定工況的流場動態(tài)壓力信號進行采集、處理和分析，深入研究閥內(nèi)的復(fù)雜流動特性及其對閥門工作穩(wěn)定性的影響，得出相應(yīng)結(jié)論。 關(guān)鍵詞：微傳感器；調(diào)節(jié)閥；試驗 調(diào)節(jié)閥的流量特性研究較多，其工作的穩(wěn)定性（如是否出現(xiàn)振動、噪聲過大等）研究也十分必要。該文利用試驗研究閥內(nèi)流場對閥門工作穩(wěn)要定性的影響。 1、調(diào)節(jié)閥試驗系統(tǒng) 調(diào)節(jié)閥試驗是在多種壓比和相對升程工況下進行的。 壓比定義為： 式中：為閥后壓力；為閥前壓力。 相對升程定義為： 式中為調(diào)節(jié)閥的閥桿提升高度；為閥碟-閥座的配合直徑。 為了全面認識閥體內(nèi)復(fù)雜結(jié)構(gòu)形成的復(fù)雜流動特性，在閥腔進口、閥腔頂端、閥座喉部、閥座漸擴段、閥碟頭部等多個關(guān)鍵部位設(shè)置了動態(tài)壓力測點。通過對上述諸測點的動態(tài)壓力變化和閥桿振動特性測試及相應(yīng)的結(jié)果，進行各點測量數(shù)據(jù)的處理和結(jié)果的關(guān)聯(lián)分析，可以得出在不同工作條件下閥內(nèi)流動特性。 試驗系統(tǒng)如圖1所示，所用工質(zhì)為空氣。為使進口氣流均勻性較好，由壓氣機高壓氣源來的空氣經(jīng)過擴壓段、穩(wěn)壓筒、收斂段后進入調(diào)節(jié)閥，氣流經(jīng)閥碟和閥座間的環(huán)形通道后流入閥座，經(jīng)閥座漸擴段擴壓后進入排氣管道，將排氣管道引入地下排氣口后排出室外，以降低噪音。氣流進口和出口方向成90°。 試驗中，氣體流量、靜壓、溫度設(shè)有專門的測量管段和儀器。 試驗系統(tǒng)的不確定度如下：動態(tài)壓力為0.1%，靜態(tài)壓力小于1%，流量為1.5%。 2、動態(tài)壓力傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 2.1、微小型動態(tài)壓力傳感器 了盡可能減少接觸測量對調(diào)節(jié)閥內(nèi)流場的干擾，采用了美國Kulite傳感器公司生產(chǎn)的壓阻式微小型動態(tài)壓力傳感器。該傳感器集成硅敏感元件，并采用光刻法制成很小尺寸，從而使傳感器具有很高的固有頻率，低遲滯和優(yōu)良的熱性能和環(huán)境性能，優(yōu)越的靜態(tài)和動態(tài)性能，并且牢固耐用。試驗選用的是XCQ-062系列，傳感器尺寸為：直徑Φ1.6mm，長度12mm，工作溫度范圍為-55～204℃，固有頻率為330～500kHz，測量精度為滿量程的0.1%，被測介質(zhì)為非導(dǎo)電性、無腐蝕性的液體和氣體。 由于傳感器過于微小，試驗時設(shè)計和制造了專門的緊固裝置，以便于安裝和拆卸，如圖2所示。使用線切割技術(shù)，套筒壁面上有螺釘以緊固傳感器。緊固裝置安裝在測試采集系統(tǒng)的信號線接頭裝置中，安全可靠。 壓力傳感器的校準方法一般包括靜態(tài)校準和動態(tài)校準，且先進行靜態(tài)校準。但要給出一些標準的動態(tài)壓力是比較困難的，所以目前一般仍采用靜態(tài)標定。經(jīng)驗表明，只要整個測壓系統(tǒng)的響應(yīng)頻率足夠高，采用靜態(tài)標定過的測壓系統(tǒng)來測量動態(tài)壓力，結(jié)果是有足夠精度的。文中試驗采用了測壓范圍為0～0.35MPa和0～0.17MPa兩種傳感器，滿量程輸出為100mV。兩種微傳感器的靜態(tài)標定結(jié)果如圖3所示。 2.2、高頻動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 高頻動態(tài)采集和分析系統(tǒng)可以進行多通道并行動態(tài)采集，具有高速、大容量和瞬態(tài)數(shù)字化的優(yōu)點，是集測量、分析、結(jié)果輸出為一體的高性能綜合性測量系統(tǒng)。由于每個通道都自帶A/D和緩沖器，因而不會因為通道擴展而使最高采樣率下降或存儲深度下降。它的基本工作方式是按采集-處理-再采集-再處理的順序進行工作。系統(tǒng)最高采樣率為1.25Msps、采樣精度為12bit ，能夠及時響應(yīng)閥內(nèi)非定常流動的參數(shù)及其變化。 3、動態(tài)信號處理 調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流動具有典型的非定常特性，動態(tài)測量能夠準確及時地確定其內(nèi)部流場的瞬時值以及它隨時間而變化的量值。動態(tài)測試中數(shù)據(jù)處理分析內(nèi)容廣泛，其中頻譜分析和波形分析就是動態(tài)數(shù)據(jù)處理中最重要和最基本的方法。頻譜分析和波形分析既相互獨立又密切相關(guān)，它們之間有明顯的區(qū)別通過傅立葉變換可以相互轉(zhuǎn)換。頻譜和波形分析與隨機數(shù)據(jù)處理方法已經(jīng)成為信號分析中最常用且有效的方法，文中試驗就采用了這些方法。 頻譜分析系統(tǒng)由計算機、信號放大器、濾波器、數(shù)據(jù)采集器、分析軟件、顯示器和打印機等構(gòu)成。系統(tǒng)的工作原理如下：物體在外力的沖擊作用后作自由振動，其振動波形由各階自由振動的波形疊加而成。鑒于此，通過計算機采集系統(tǒng)，將零件在外力沖擊作用后的振動特性轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，對其進行頻譜分析，獲得振動信號的各階諧波頻率，即可得到零件的各階自振頻率。 在非定常氣流的激發(fā)下，閥門將產(chǎn)生相應(yīng)的機械振動。由于調(diào)節(jié)閥振動形式主要表現(xiàn)為閥桿-閥碟的振動，所以在試驗中利用頻譜分析和相關(guān)分析進行閥桿-閥碟振動信號的處理。 4、結(jié)論 將試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果和理論分析結(jié)合起來進行研究，可以得出以下結(jié)論： （1）研制和使用了整套研究調(diào)節(jié)閥工作穩(wěn)定性的試驗系統(tǒng)。試驗中，將微傳感器直接插入閥座喉部、閥碟頭部等閥體內(nèi)的各關(guān)鍵部位，利用高頻動態(tài)采集系統(tǒng)進行多工況范圍和多方位的測量。對閥內(nèi)高頻動態(tài)壓力試驗數(shù)據(jù)，采用譜分析和相關(guān)分析方法進行數(shù)據(jù)處理和分析，方法簡便、實用、可靠。 （2）調(diào)節(jié)閥的振動具有復(fù)雜的成因及形式，但是大多數(shù)振動都與流場特性密不可分，閥的振動與流型發(fā)生變化有關(guān)。流場強烈脈動或振蕩產(chǎn)生很大激振力，可能引起閥強迫振動；其脈動頻率如果與閥的低階固有頻率相同時，就可能引起大幅共振。 （3）調(diào)節(jié)閥流場的脈動壓力幅值大，不一定會使閥門產(chǎn)生共振，但一定會引起調(diào)節(jié)閥的不穩(wěn)定。適當(dāng)改變閥桿-閥碟固有頻率是最便利、最有效的改善調(diào)節(jié)閥不穩(wěn)定狀態(tài)的途徑。 （4）雖然閥座擴散角的增大可以提高調(diào)節(jié)閥的通流能力，但其過大（超過5°）會導(dǎo)致氣流在閥座漸擴段壁面的分離嚴重，增加流動損失，同時使流場脈動顯著增大，增加閥門的不穩(wěn)定性。