1．引言
隨著減壓閥在國內得到廣泛應用，產品性能與壽命試驗日益受到關注，在新型減壓閥國產化配套設備研制過程中，應用計算機測控技術，設計國內首次自主研發的具有國際先進水平的減壓閥動態性能與壽命試驗的多功能高性能測試裝置，為摸清實際產品性能、改進設計方案提供參考依據。
2．測試系統及其控制調節
減壓閥動態性能測試系統如圖1所示，以高壓多級泵為壓力源，被測閥前壓力調節閥安裝在回水旁路上。試驗過程中，減壓閥閥前、后壓力都要調到額定值，閥前壓力通過旁路調節閥調節，閥后壓力調節應在閥后調節閥保持一定開度后再調節被測閥。
壓力流量等常規性能試驗是檢驗減壓閥產品合格與否的重要依據，為考核膜片、彈簧等元件還需進行產品壽命試驗，才能為進一步提高和改善產品的可靠性和安全性提供全面的依據，為實現這一目的首先要解決試驗系統恒流量下的壓力控制問題，即一方面閥的進口壓力要調節到試驗工況所需壓力值；另一方面要在恒流量下使閥的出口壓力也能夠調節到試驗工況所需壓力，而為了保證試驗過程的穩定性，必須保證連續的恒壓供給；同時為滿足不同產品的試驗要求，試驗系統還需實現對流量及閥前后壓力的自動控制與調節，才能滿足多工況運行與各類試驗要求。由于用戶需求測試產品包括PNl.6～4.O、DN25～300共數十個規格，測試系統采用圖2所示的模塊化設計。用電磁閥模擬實際系統調節頻率進行壽命試驗時，因電磁閥局部阻力大，影響其他試驗項目的流量調節范圍，故各模塊又分兩路，分別進行流量特性、壓力特性、流阻特性、流量系數和壽命試驗。為保證高壓泵和系統安全運行，設置了集流量感知、止回、旁通控制、多級降壓多功能于一體的LYHT型自動回流閥，省卻了單獨的孔板、流量計、電磁控制旁通控制閥，簡化了旁通回流系統，維持高壓泵最小回流，當系統出現故障或調整試驗項目時，自動回流閥主閥關閉，旁通閥開啟，泵以小流量回流避免頻繁啟動，更經濟有效地保證系統安全運行。閥前后與閥前旁路均采用高精度自動調節閥，實現了閥前后壓力和流量調節與穩定控制。
圖2為流量自動調節原理示意圖，高壓泵輸出流量為Qv，由流量變送器TF測量并輸出信號xr傳給調節器C；給定信號xi是一個常數，由操作人員給定；調節器發出控制信號xc通過閥門定位器Pz作用在調節閥上。如流量下降，調節器C將調節閥開大，直到恢復到原定流量，當流量增加時，調節器將調節閥關小。圖3為泵與管網特性曲線，設高壓泵轉速恒定，工作點為管阻與泵特性曲線的交點(Qvo,P0)。當管路損失增加時，管路特性由曲線2變為曲線3，流量降為Qv1。為使流量恢復Qvo，需使調節閥開度增大，以減小管路損失，使管路特性曲線恢復至曲線2，流量Qv1重新恢復到給定值Qvo。反之當管路損失降低時，曲線偏移為4，自動調節系統將調節閥關小，使流量Qv2恢復到Qvo。
圖4為閥前壓力自動調節示意圖，圖6為泵與主旁管路及整個管網系統特性曲線，假設給定某穩定工況點(P0、Qvo)，此時被測閥閥前和旁路調節閥閥前壓力P1近似等于泵出口壓力P0高壓泵總流量為主管流量Qvc和旁路流量Qvb之和。試驗過程中被測閥閥前后壓力也都需要調節為試驗規定值。被測閥閥前壓力首先通過閥前旁路調節閥進行調節，然后通過被測閥及其閥后調節閥后壓力，如被測閥前壓力產生波動，再重復上述過程，直至使被測閥前后壓力逐步趨于試驗所規定的額定值。
如圖5所示，假設為了增大被測閥前后壓差，操作人員需要關小其開度，而此時主管阻力曲線將從2變為2′，而整個管網系統的阻力曲線隨之由3改變到3′，這時高壓泵出口壓力由P0增加到P01，閥前壓力隨之增大，則壓力變送器測得的被測閥門前壓力與給定值產生一個偏差，調節器C會控制旁管路調節閥開大，使旁路阻力變小，其阻力曲線由1變成1′，流量變為Qvb1，直至整個管網阻力曲線由3′返回3，使高壓泵出口壓力又趨于P0直至被測閥前后壓差增加至試驗所需要的規定值。反之為減小被測閥前后壓差，其原理與上述類似，但調節過程正好相反。
3．測試項目與試驗結果
根據用戶要求所需進行的減壓閥動態運行特性試驗包括“流阻——流量特性”試驗、“流量特性”試驗、“壓力特性”試驗、“流量系數”試驗及壽命(連續運行特性)試驗等。
3.1“流阻——流量特性”試驗
流阻特性試驗：保持被測閥門進口壓力不變，調節被測閥門的調節彈簧，得到不同的出口壓力和流量，找出流量和壓差的關系，并做出△P—Q曲線。
圖6～圖9中以Y43H—40 DNl00被測閥為例，分別保持某一閥前進口壓力(P1=4.0MPa、P1=3.0MPa、P1=2.5MPa、P1=1.6MPa)不變時的“流阻——流量特性”曲線圖。
3．2 “流量特性”試驗
給定被測閥前最高允許工作壓力，調節被測閥后為某一出口壓力，測定該工況下的流量值，然后調節流量至該工況的20％，測定兩種工況下的出口壓力偏差值△P1/P2。根據GB/T12245減壓閥試驗方法的要求|△P2/P2|平均值≤10％，考核流量變化時的閥后穩壓能力，試驗數據見表1。
| P2/MPa | P1/MPa | Q/M3·h-1 | 0.2Q/M3·h-1 | P″2/MPa-1 | P″2-P′2/P′2 | ||
| 額定P2 | 實測P′2 | 實測 | 實測 | 額定 | 實測 | 實測 | |
| 1.00 | 0.99 | 3.00 | 35.29 | 7.06 | 7.01 | 1.15 | 16.16% |
| 1.20 | 1.20 | 3.01 | 39.00 | 7.80 | 7.77 | 1.19 | -0.83% |
| 1.40 | 1.41 | 3.00 | 40.57 | 8.11 | 8.21 | 1.39 | -1.42% |
| 1.60 | 1.58 | 3.03 | 42.57 | 8.51 | 8.41 | 1.60 | 1.27% |
| 1.80 | 1.80 | 3.02 | 47.87 | 9.57 | 9.66 | 1.75 | -2.78% |
3．3 “壓力特性”試驗
給定被測閥前最高工作壓力，調節被測閥為某一出口壓力，測得該工況下流量值，保持流量不變，使進口壓力在80％～105％最高工作壓力范圍內變化，測定此時出口壓力偏差值△P2/P2根據GB/T12245要求|△P2/P2|平均值≤5％，考核進口壓力變化時的閥后穩壓能力，試驗數據見表2。
| P1 | 0.8P1 | 0.85P1 | 0.9P1 | 0.95P1 | 1.05P1 | |
| 額定P1/MPa | 1.6 | 1.28 | 1.36 | 1.44 | 1.52 | 1.68 |
| 額定P′1/MPa | 1.6 | 1.28 | 1.36 | 1.44 | 1.51 | 1.68 |
| p2/MPa | 0.40 | 0.40 | 0.40 | 0.40 | 0.40 | 0.40 |
| p′2/MPa | 0.40 | 0.41 | 0.41 | 0.40 | 0.40 | 0.37 |
| (p′2-p2)/p2 | 0 | 2.5% | 2.5% | 0 | 0 | -7.5% |
| Q/M3·h-1 | 8.81 | 8.81 | 8.81 | 8.81 | 8.81 | 8.81 |
| Q′/M3·h-1 | 8.81 | 8.86 | 8.84 | 8.84 | 8.84 | 8.83 |
3．4 “流量系數”測量
流量系數：
是衡量流通能力的指標，流量系數值隨被測閥的尺寸、形式、結構而變化，目前先進工業國家已對減壓閥流量系數有比較深入的研究，而國內尚比較缺乏對這此類產品深入的試驗與研究，表3為Y43H—40型減壓閥的流量系數試驗數據。
| 進口壓力P1/MPa | 進出口壓差△P/MPa | 出口壓力P2/MPa | 流量Q/M3·h-1 | Cv |
| 3.05 | 0.10 | 2.95 | 18.51 | 21.60 |
| 3.02 | 0.10 | 2.92 | 18.41 | 21.48 |
| 3.03 | 0.10 | 2.93 | 17.71 | 20.70 |
| Cv平均值 | 21.26 | |||
3．5 “連續運行特性”試驗
壽命(連續運行特性)試驗以某一頻率連續啟閉，考核彈簧、膜片磨損與壽命，每次啟閉為一試驗循環，單位時間動作次數為頻率。試驗循環次數與動作頻率應參照GB/T12245，表4中試驗次數按規定為5000次。
| 進口壓力P1/MPa | 出口壓力P2/MPa | 進出口壓差△P/MPa | 電磁閥啟閉n/次 | 彈簧膜片狀況 |
| 2.50 | 1.00 | 1.50 | 0 | 良好 |
| 2.27 | 1.00 | 1.27 | 2500 | 良好 |
| 2.47 | 1.00 | 1.47 | 4000 | 良好 |
| 2.17 | 1.00 | 1.17 | 4500 | 良好 |
| 2.41 | 1.00 | 1.41 | 5000 | 良好 |
4．試驗數據分析
為評定試驗精度需要對試驗數據進行誤差分析，限于篇幅本文僅以流阻試驗為例進行試驗誤差分析。設試驗過程中需要測試的一個工況點為：閥前壓力P1=4.OMPa，閥前后壓差△P=2.0MPa，表5所示為間隔一分鐘讀數所得到的十組試驗數據。
| 閥前壓力（MPa） | 閥前后壓差（MPa） | 流量（M3/h） | 測試時間 |
| 4.06 | 1.98 | 21.79 | 10:05 |
| 4.03 | 1.96 | 21.82 | 10:06 |
| 3.95 | 1.97 | 21.86 | 10:07 |
| 3.98 | 2.01 | 21.85 | 10:08 |
| 4.00 | 2.02 | 21.75 | 10:09 |
| 4.02 | 2.00 | 21.76 | 10:10 |
| 4.04 | 1.99 | 21.77 | 10:11 |
| 3.99 | 1.99 | 21.82 | 10:12 |
| 4.06 | 1.97 | 21.76 | 10:13 |
| 4.04 | 2.03 | 21.78 | 10:14 |
4.1 隨機誤差
首先計算10個流量值的平均值：
(3)
將表5中的數據代入式(3)得：
計算其偏差值的平方和：
(4)
將表5中的數據代入式(4)得：
計算測量值的均方根誤差和極限誤差：
(5)
(6)
將數據分別代入式(5)、(6)得到：
同時檢查Vi的值，如其中有大于△lim者，應將該測量值剔除，再重復上述步驟。
計算算術平均值的均方根誤差及其極限誤差：
(7)
(8)
將數據分別代入式(7)、(8)得到：
計算算術平均值的相對極限誤差：
(9)
將數據代入式(9)得到：
4．2 系統誤差
(1)根據系統配置的流量測試儀表精度等級得到：δy=±0.5%
(2)溫度變化引起的測量誤差：
試驗過程中由于水的密度隨水溫有所變化，將帶來流量測量誤差。設最大溫升為5℃(如溫度由28℃升高到33℃)，查水的物性表知：在一個大氣壓下，密度由996.23Kg/m3。變為994.70Kg/m3，變化率為±0.1％，也就是說由于溫度升高給流量帶來的測量誤差為δt=±0.1%。
(3)水泵的非穩定運行引起的測量誤差：
試驗過程中由于電網波動，水泵的揚程和流量產生波動所帶來流量測量誤差：δp=±0.1%。(計算過程略)
4．3 測試誤差
由上述隨機誤差和系統誤差，得到總測量誤差為：δ=±(1.5+0.5+0.1+0.1)%=±2.2%。
同理可計算得出閥前壓力、閥前后壓差的測量誤差分別為±2.1％和±2.3％。
5．結論
廠所合作研制減壓閥動態性能與壽命試驗裝置經專家技術鑒定和使用效果證明，系統測試范圍寬、功能全、運行穩定，測試項目及精度等均達到GB/12246—2006的要求，填補了國內目前提出測試要求而無實測條件的空白。
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