聚四氟乙烯软管组件容积膨胀测试系统设计

徐寅华 王 婧

上海市塑料研究所有限公司 （上海 200090）

以聚四氟乙烯（PTFE）为内管材料制造的聚四氟乙烯软管组件（以下简称“软管组件”）是一种耐高温、耐高压、耐高腐蚀性液体或气体介质的传输管材，其结构如图1 所示。软管组件被广泛应用在航空航天飞行器的液压、伺服机构的控制、滑油及燃油等系统中，是介质传输的柔性连接管路[1-2]。

图1 软管组件结构示意图

容积膨胀试验是考验软管组件内容积膨胀量的测试方法。对于用于制动系统的软管组件，内容积膨胀量是其主要性能参数之一。当制动软管经受规定的内部压力时，其体积就会膨胀，而其最大的内容积膨胀量应满足飞机制动性能的要求。当制动软管内容积膨胀量大于标准时，一般会感到制动无力、制动踏板偏低、回油慢，这都是直接影响制动性能的主要因素[3]。所以，对软管组件膨胀量的测量是关系到人民生命和国家财产安全的重要试验。

1 容积膨胀测试系统应用前景

中国制造的商用大飞机项目吸引了全世界的目光，而中国商飞上海飞机设计研究院设计采用的与国产商用大型客机配套的软管组件均为国外进口产品，国际上对此类产品的规范和要求皆按照美国汽车工程师学会（SAE）的宇航标准（AS）执行，国内相应的检测和试验技术处于空白状态。目前市场上常用的容积膨胀试验装置大部分针对汽车制动用橡胶和塑料软管，试验压力仅6.9 和10.3 MPa 两种[4-5]，无法达到航天航空用高压（21.0 MPa）软管组件的容积膨胀试验要求。

因此，迫切需要设计和制造一种专门用于高压软管组件容积膨胀试验的装置，该装置能够满足美国机动车协会宇航标准SAE AS 2078A-2008《聚四氟乙烯（PTFE）软管组件用试验方法》中对容积膨胀试验的方法要求。

2 容积膨胀测试原理简介

容积膨胀试验按照液体排水量来测量对试件施以规定内压时软管组件的体积膨胀值，一般试验液以水和航空液压油为主。测试装置基本部件包括压力源、储油（水）箱、压力表、玻璃量管（滴定管）、符合要求的连接钢管、相应的固定用夹具和开关阀门等，具体如图2 所示。

试验装置的基本工作流程为：打开3（阀门）和5（三通阀门），启动6（泵），直到量管中有介质出现；关闭5（三通阀门），调节3（阀门）并读取量管数值；启动6（泵）对试件施以规定内压后关闭5（三通阀门），泄压后打开3（阀门），量管内的液位变化量即是本次测试的容积膨胀值[4]。

图2 容积膨胀试验装置示意图

3 测试设备设计

3.1 整体规划

为保证容积膨胀测试系统符合宇航标准的要求，外型和结构的设计也尽量接近SAE AS 2078A-2008 中规定的容积膨胀试验示意图（见图2）。测试系统使用一体化设计思路，分为上下两部分，装置上部为容积膨胀安装试样和操作测试部位，背部为电源等控制模块，下部为压力源。该设计的优点在于：（1）设备的占用空间小，主要向纵深延展，充分利用立体空间；（2）装置上部为安装操作位，高度适中，便于人员操作装置和拆装试样；（3）量管在人员的正前方，有更好的观察读数角度；（4）压力源完全放于装置的下部，泵、止回阀、安全阀、蓄能器等高压部件被完全包裹在金属箱体内部，提高了设备安全系数。设备外形见图3。

根据SAE AS 2078A-2008 的要求，确定设备的各部分结构。测试系统主要由三部分组成：第一部分为液压系统，包括蒸馏水箱、泵组、单向阀、安全阀、二位二通电磁换向阀、蓄能器、管接头等；第二部分为测量系统（装置主体部分），包括压力表、压力显示器、量管、高压截止阀、铅垂体（类砝码）、测量量管固定装置、滚轮、钢丝、无缝不锈钢管、全方位水平仪和支脚；第三部分为可编程逻辑控制器（PLC），控制设备动作及采集数据的转换、记录。

试验台的设计框图如图4 所示。

图3 容积膨胀测试系统结构图

图4 试验台总设计

3.2 液压系统设计

液压系统原理如图5 所示[7]。测试系统分为原始状态和试验动作状态，具体工作原理如下：

（1）设备原始状态。10（安全阀）的压力设定为45.0 MPa；19（安全阀）的压力设定为25.0 MPa；9（零位调节阀）、12 和18（二位二通电磁换向阀）常闭；6和17（高压手动截止阀）常开；11（蓄能器）充气压力为20.0 MPa；20（蓄能器）充气压力为10.0 MPa。

（2）试验动作顺序。电动机驱动柱塞计量泵从水箱中抽取蒸馏水向系统提供压力，可持续提供45.0 MPa 的压力。耐压压力42.0 MPa 的实现：手动打开6（高压手动截止阀），关闭17（高压手动截止阀），PLC 控制泵组运行加压，加压至设定的42.0 MPa，传感器反馈给PLC，停止泵组工作；按要求保压规定时间后，PLC 自动打开12（二位二通电磁换向阀），卸压后关闭。工作压力21.0 MPa 的实现：PLC控制泵组运行，同时PLC 自动打开18（二位二通电磁换向阀），升压至规定的21.0 MPa，传感器反馈给PLC，停止泵组工作；按要求保压规定时间后，PLC自动打开12（二位二通电磁换向阀）进行卸压。保压过程：由17（高压手动截止阀）、蓄能器和PLC 控制，若压力降低，则蓄能器释放压力，保证试样的保压压力；若蓄能器压力不够，则PLC 会启动泵组补压，直至达到保压压力。系统压力由安全阀控制在设定的压力值。升压速率由两个活塞式蓄能器控制，若升压慢，则蓄能器需充气，使容腔变小，容纳较少介质，反之亦然，从而达到对升压速率的控制。蓄能器也吸收升压过程产生的脉动，起到保持升压稳定性的作用。在完成规定保压时间后，关闭6（高压手动截止阀），打开17（高压手动截止阀），蒸馏水流经量筒，而后等液面稳定后目测得出试验读数。

另外，装置开始使用前必须对装置和试样充分排气，使设备管路和试验液中的空气、小气泡等尽可能排出。而后通过开关9（零位调节阀）来调整零位液面（初始液面）。

图5 液压系统原理图

3.3 自动控制系统设计

容积膨胀控制系统由PLC 及控制用板卡及电器附件组成，主要用于系统控制执行。控制系统总图如图6 所示[2]。

图6 控制系统总图

整个控制系统由上位机和下位机组成。上位机为普通计算机，主要用于编写程序、修改程序、数据管理、结果打印等工作；试验台正常工作时不与上位机连接。下位机的核心为PLC，试验操作依靠人机界面实现，采用台达DOP-B10S615 人机界面和台达DVP 10SX PLC 实现对水压泵组和二位二通电磁换向阀的控制。检测时，通过控制步进电机的转动来带动泵组对试件施加压力，控制电磁换向阀和计算保压时间来完成耐压保压试验：在升压和保压期间，通过模数（A/D）转换，高压传感器的信号不断地输入PLC，PLC 经过采样、计算，得到实时压力和升压速率。通过与设定压力相比，可以算出压力和保压时间是否达到要求。然后通过PLC 调整步进电机，改变换向阀通断，使试验台完成耐压工作压力的保压过程，并得到升压速率的曲线数据，完成一个控制循环。闭环控制回路如图7 所示[6]。完成保压过程后，通过开关高压截止阀来完成试件膨胀值的测量。上位机与下位机之间采用SR232 通信实现数据交互。

3.4 测量系统设计

测量系统主要依靠高压传感器采集实际压力信号和人工读取试验中量管数值的方式采集试验数据，并将试验数据输入上位机中进行数据处理，从而获得容积膨胀值。主要控制元件如下：

（1）上位机。上位机采用Screen Editor 软件来监控和编辑台达DOP-B10S615 人机界面，采用Delta-WPL Soft 软件对台达DVP 10SX PLC 进行编程，并起到压力检验、数据存储、容积膨胀值计算、报告打印等其他功能。

（2）人机界面。采用带PLC 的人机界面取代上位机进行设备的现场操作控制，主要是因为：容积膨胀设备试验动作较为简单、不必使用计算机进行控制；人机界面占用空间小，便于嵌入式安装和移动；采用人机界面操作方便、简单，性价比高。

（3）高压传感器。该系统使用的压力变送器，能检测出连续压力的信号，因此可以任意地设置压力，而且设置很方便（不用调整压力变送器，只需对电控部分进行设定实现泵组运行高级控制）。

（4）量管（测量用滴定管）。量管的总容积为25 mL，分度为0.01 mL，满足SAE AS 2078A-2008 要求的量管读数精度（0.2 mL）；量管固定装置考虑到试样受压后2%的长度形变，所以将量管固定装置上下调节有效距离余量设定为5%左右。安装试样后通过铅锤体的牵引保证试样和量管垂直向上，便于试验人员精确读数。

图7 闭环控制回路

4 结语

根据SAE AS 2078A-2008 中对容积膨胀试验的描述，制造的容积膨胀测试系统试验耐压压力最高能达到42.0 MPa，工作压力和保压压力达到21.0 MPa，操作简单，自动化程度高，检测数据稳定可靠，避免了设备缺陷造成的测量结果误差。该测试系统能够作为商用大飞机使用的软管组件的检测设备，为中国民航事业的发展添砖加瓦。