摘要：由于閥內(nèi)流體流動(dòng)強(qiáng)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(dòng)，危及設(shè)備的安全運(yùn)行。以調(diào)節(jié)閥為研究對(duì)象，利用微小型高頻動(dòng)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(cè)點(diǎn)，進(jìn)行多種工況和多個(gè)方位的試驗(yàn)研究，并利用頻譜分析方法對(duì)調(diào)節(jié)閥桿振動(dòng)或不穩(wěn)定工況的流場(chǎng)動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)進(jìn)行采集、處理和分析，深入研究閥內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)特性及其對(duì)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(yàn) 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(dòng)、噪聲過(guò)大等）研究也十分必要。該文利用試驗(yàn)研究閥內(nèi)流場(chǎng)對(duì)閥門工作穩(wěn)要定性的影響。 1、調(diào)節(jié)閥試驗(yàn)系統(tǒng) 調(diào)節(jié)閥試驗(yàn)是在多種壓比和相對(duì)升程工況下進(jìn)行的。 壓比定義為： 式中：為閥后壓力；為閥前壓力。 相對(duì)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(rèn)識(shí)閥體內(nèi)復(fù)雜結(jié)構(gòu)形成的復(fù)雜流動(dòng)特性，在閥腔進(jìn)口、閥腔頂端、閥座喉部、閥座漸擴(kuò)段、閥碟頭部等多個(gè)關(guān)鍵部位設(shè)置了動(dòng)態(tài)壓力測(cè)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)上述諸測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)壓力變化和閥桿振動(dòng)特性測(cè)試及相應(yīng)的結(jié)果，進(jìn)行各點(diǎn)測(cè)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(dòng)特性。 試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，所用工質(zhì)為空氣。為使進(jìn)口氣流均勻性較好，由壓氣機(jī)高壓氣源來(lái)的空氣經(jīng)過(guò)擴(kuò)壓段、穩(wěn)壓筒、收斂段后進(jìn)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(kuò)段擴(kuò)壓后進(jìn)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(jìn)口和出口方向成90°。 試驗(yàn)中，氣體流量、靜壓、溫度設(shè)有專門的測(cè)量管段和儀器。 試驗(yàn)系統(tǒng)的不確定度如下：動(dòng)態(tài)壓力為0.1%，靜態(tài)壓力小于1%，流量為1.5%。 2、動(dòng)態(tài)壓力傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 2.1、微小型動(dòng)態(tài)壓力傳感器 了盡可能減少接觸測(cè)量對(duì)調(diào)節(jié)閥內(nèi)流場(chǎng)的干擾，采用了美國(guó)Kulite傳感器公司生產(chǎn)的壓阻式微小型動(dòng)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(dòng)態(tài)性能，并且牢固耐用。試驗(yàn)選用的是XCQ-062系列，傳感器尺寸為：直徑Φ1.6mm，長(zhǎng)度12mm，工作溫度范圍為-55～204℃，固有頻率為330～500kHz，測(cè)量精度為滿量程的0.1%，被測(cè)介質(zhì)為非導(dǎo)電性、無(wú)腐蝕性的液體和氣體。 由于傳感器過(guò)于微小，試驗(yàn)時(shí)設(shè)計(jì)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(cè)試采集系統(tǒng)的信號(hào)線接頭裝置中，安全可靠。 壓力傳感器的校準(zhǔn)方法一般包括靜態(tài)校準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，且先進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn)。但要給出一些標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)壓力是比較困難的，所以目前一般仍采用靜態(tài)標(biāo)定。經(jīng)驗(yàn)表明，只要整個(gè)測(cè)壓系統(tǒng)的響應(yīng)頻率足夠高，采用靜態(tài)標(biāo)定過(guò)的測(cè)壓系統(tǒng)來(lái)測(cè)量動(dòng)態(tài)壓力，結(jié)果是有足夠精度的。文中試驗(yàn)采用了測(cè)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(biāo)定結(jié)果如圖3所示。 2.2、高頻動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 高頻動(dòng)態(tài)采集和分析系統(tǒng)可以進(jìn)行多通道并行動(dòng)態(tài)采集，具有高速、大容量和瞬態(tài)數(shù)字化的優(yōu)點(diǎn)，是集測(cè)量、分析、結(jié)果輸出為一體的高性能綜合性測(cè)量系統(tǒng)。由于每個(gè)通道都自帶A/D和緩沖器，因而不會(huì)因?yàn)橥ǖ罃U(kuò)展而使最高采樣率下降或存儲(chǔ)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(jìn)行工作。系統(tǒng)最高采樣率為1.25Msps、采樣精度為12bit ，能夠及時(shí)響應(yīng)閥內(nèi)非定常流動(dòng)的參數(shù)及其變化。 3、動(dòng)態(tài)信號(hào)處理 調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流動(dòng)具有典型的非定常特性，動(dòng)態(tài)測(cè)量能夠準(zhǔn)確及時(shí)地確定其內(nèi)部流場(chǎng)的瞬時(shí)值以及它隨時(shí)間而變化的量值。動(dòng)態(tài)測(cè)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(dòng)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(dú)立又密切相關(guān)，它們之間有明顯的區(qū)別通過(guò)傅立葉變換可以相互轉(zhuǎn)換。頻譜和波形分析與隨機(jī)數(shù)據(jù)處理方法已經(jīng)成為信號(hào)分析中最常用且有效的方法，文中試驗(yàn)就采用了這些方法。 頻譜分析系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、信號(hào)放大器、濾波器、數(shù)據(jù)采集器、分析軟件、顯示器和打印機(jī)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(dòng)，其振動(dòng)波形由各階自由振動(dòng)的波形疊加而成。鑒于此，通過(guò)計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)，將零件在外力沖擊作用后的振動(dòng)特性轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行頻譜分析，獲得振動(dòng)信號(hào)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(jī)械振動(dòng)。由于調(diào)節(jié)閥振動(dòng)形式主要表現(xiàn)為閥桿-閥碟的振動(dòng)，所以在試驗(yàn)中利用頻譜分析和相關(guān)分析進(jìn)行閥桿-閥碟振動(dòng)信號(hào)的處理。 4、結(jié)論 將試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果和理論分析結(jié)合起來(lái)進(jìn)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(yàn)系統(tǒng)。試驗(yàn)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(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)進(jìn)行多工況范圍和多方位的測(cè)量。對(duì)閥內(nèi)高頻動(dòng)態(tài)壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用譜分析和相關(guān)分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，方法簡(jiǎn)便、實(shí)用、可靠。 （2）調(diào)節(jié)閥的振動(dòng)具有復(fù)雜的成因及形式，但是大多數(shù)振動(dòng)都與流場(chǎng)特性密不可分，閥的振動(dòng)與流型發(fā)生變化有關(guān)。流場(chǎng)強(qiáng)烈脈動(dòng)或振蕩產(chǎn)生很大激振力，可能引起閥強(qiáng)迫振動(dòng)；其脈動(dòng)頻率如果與閥的低階固有頻率相同時(shí)，就可能引起大幅共振。 （3）調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)的脈動(dòng)壓力幅值大，不一定會(huì)使閥門產(chǎn)生共振，但一定會(huì)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(kuò)散角的增大可以提高調(diào)節(jié)閥的通流能力，但其過(guò)大（超過(guò)5°）會(huì)導(dǎo)致氣流在閥座漸擴(kuò)段壁面的分離嚴(yán)重，增加流動(dòng)損失，同時(shí)使流場(chǎng)脈動(dòng)顯著增大，增加閥門的不穩(wěn)定性。