加注系统控制端动态测试技术研究

俞文文

摘要：针对传统的加注系统静态检测方法难以实现动态监控的问题，研究了加注系统状态信息获取方法，提出了稳态与瞬态特征相融合的高压气动球阀开闭性能检测与评价方法。通过位移传感器和压力传感器测取二位五通阀和高压气动球阀的动态信号，试验结果表明，各参数可有效反映加注系统的工作状态变化，能够为发射场故障检测及发射保障提供有力的支持。

Abstract： Aiming at the problem that traditional static detection method of fuel supply system is difficult to realize dynamic monitoring， a state information acquisition method of fuel supply system was studied， and a testing and evaluating method of switching performance of high pressure pneumatic ball valve was proposed， which was combined with steady and transient characteristics. Dynamic signals of two bit five through valve and high pressure pneumatic ball valve were measured by displacement sensor and pressure sensor. Testing results show that the parameters can effectively reflect the change of working state of fuel supply system， which can provide strong support for fault detection and launch support of launch site.

关键词：加注系统；控制端；动态检测；气动球阀

Key words： fuel supply system；control end；dynamic testing；pneumatic ball valve

中图分类号：TP212.6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）28-0151-03

0 引言

随着发射技术的快速发展，对发射场设施设备也必须借助各种技术先进的检测诊断仪器设备，研究形成适用有效、检测准确、判断正确的发射场设施设备检测诊断技术，对发射场设施设备进行适时的性能状态检测，以确保及时进行故障诊断。从而及时、全面、准确地获取设施设备的性能状态和故障信息。在发射技术中，加注系统发挥着极为关键的作用。加注系统由驱动端、控制端、终端和监控端组成。其中的重要设备气动球阀作为加注系统的控制端更是发挥着其神经中枢的作用。对于加注系统的检测大多数只停留在静态检测[1]，难以在加注系统运行过程中对其实施动态监控，以实现故障的及早诊断。长期使用过程中，系统控制端的单元二位五通阀和高压气动球阀可能会出现疲劳状况，导致打开或关闭不到位或出现较长时间的迟滞现象，影响系统的加注过程。

1 加注系统检测

1.1 方案设计

高压气动球阀由球阀本体和气动执行机构两部分组成[2]，如图1所示。

其中，换向动作是由气动执行机构—气缸驱动球阀阀杆转动，带动球体正反向回转90°来实现的[3，4]。设备工作原理是首先压缩空气由二位五通阀及管路a进入高压气动球阀两侧的气缸，如图2所示，通过活塞推动齿条向内运动，齿条带动齿轮转动，中心轴旋转带动球阀本体产生关闭动作[5]，在进行关闭同时，齿条推动内活塞向里运动，将内腔的气体通过管路b排出。反之，阀门打开。

为了对加注系统运行过程中的性能参数进行动态检测，设计表1所示的加注系统检测方案。

系统需要的主要设备有：拉绳位移传感器、气压传感器（3个）、信号记录仪，以及信号线与电源导线等。三个气压传感器的安装方式如图3所示，位移传感器则安装于气路控制阀中下部的缺口处，并在系统正式测试前消除空回。

1.2 检测步骤

根据加注系统检测的方案设计进行检测，具体步骤如下：

①通过软件设置好信号曲线，将曲线下载给信号控制系统，信号控制系统对定位器输出阶跃信号；

②定位器将电信号转成相应的气信号给气动执行机构，气动执行机构带动阀芯组件做90°转角运动（直行程做上下直线运动），使阀门开启或关闭；

③在阀门开启或关闭的过程中，信号控制系统按大于50Hz的频率不断地采集压力传感器和定位器的阀位反馈的信号。

试验过程中，各项數据通过软件在曲线上直接提取，并生成报告。

2 检测结果及分析

通过运行该检测系统，采集4路传感器的信号，对其进行滤波去掉噪声，以球阀旋转的角度为横坐标，以进出气口压力为纵坐标，则球阀的压力-时间曲线如图4所示。

图4反应了球阀在开启和关闭全过程中，进气口压力变化曲线。球阀开启过程：球阀在开启前，球阀转动角度保持在0度，进气口压力在二位五通阀的控制下由0逐渐增加到大约4兆帕即球阀开启拐点，进气口提供开启动力；经过拐点后球阀开始逐渐打开角度逐渐变大，而进气口压力稍微降低但总体变化不大，直至角度越过稳定值85.02°撞击到限位器上再回弹至稳定角度，整个回弹过程转角过冲量为4.98°；经历了过冲过程后，球阀开启到位且角度稳定不变，而进气口压力仍在增加直至5兆帕气源压力值。球阀关闭过程：球阀在关闭前，球阀转动角度稳定在85.02°，进气口压力在二位五通阀的作用下由5兆帕逐渐减少到大约1兆帕即球阀关闭拐点；经过拐点后球阀开始逐渐关闭角度逐渐变小，而进气口压力基本不变，直至角度越过稳定值0.04°撞击到限位器上再回弹至稳定角度，整个回弹过程转角过冲量为2.21°；经历了过冲过程后，球阀关闭到位且角度稳定不变，而进气口压力仍在减少直至0兆帕。整个过程通过图4可以获得球阀开关进气口压差均值为2.7609兆帕，球阀转角稳定值为0.04°、85.02°，转角过冲量为4.98°、2.21°。

为了进一步研究球阀工作过程中的参数反映的工作状态变化，设置带执行端和不带执行端两种球阀，并研究球阀工作状态变化对球阀进出口压力的影响。

图5中两球阀的进气口、出气口压力差与角度曲线上的开关闭过冲量，用于评价球阀开闭工作性能稳定性。带执行端球阀通过曲线反应的过冲量较大，而右侧不带执行端的球阀过冲量较小，说明执行端对开闭工作性能稳定性有一定的影响，执行端对系统惯性有一定的影。

利用不同球阀做相应的试验，获得球阀的进出气口压力差—时间曲线，如图6所示。整个曲线相比较，第二个球阀较为扁窄，说明第二个球阀的开启和关闭力矩不大。试验实际恰恰如此，在对第二个球阀进行测试的过程中，在球阀的下端并未接执行关闭机构，所以阻力较小，通过曲线也证明该点。根据球阀开闭阻力矩值，评价球阀磨损程度和阻滞（积垢）程度。通过这两个曲线的对比，说明如果针对同一球阀在使用过程不同时期对其测试，压力差角度曲线中间越来越宽，说明球阀阻力越来越大，在球阀使用条件不变的情况下说明球阀使用质量在退化，可能是球阀执行端锈蚀、结晶等原因造成卡滞。因此，通过该曲线的宽窄变化可以反映球阀的使用状态质量的情况。

3 结论

本文研究了加注系统状态信息获取方法，提出了稳态与瞬态特征相融合的高压气动球阀开闭性能检测与评价方法，为发射场故障检测及发射保障提供了有力的支持，希望能对今后发射场工作提供有力支持。

参考文献：

[1]徐克俊，金星，郑永煌，编著.航天发射场可靠性安全性与分析技术[M].北京：国防工业出版社，2006，12.

[2]王海兰.浅析液压系统中噪声的危害及预防措施[J].液压气动与密封，2003（4）：40-42.

[3]埃斯曼，哈斯巴根，韦根特.滚动轴承设计与应用手册[M].武汉：华中工学院出版社，1985.

[4]郜立焕.液压系统振动与噪声的原因分析[J].液压与气动，2005（12）：73-74.

[5]鲁绪阁，云霄，钱抗抗.设备故障诊断技术综述及其发展趋势[J].矿山机械，2007，35（12）：14-18.