摘　要：論述燃氣安全閥耐用性自動測試系統(tǒng)超壓自動切斷、欠壓自動切斷和超流量自動切斷耐用性試驗的實現(xiàn)方法，介紹測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，分析了測試系統(tǒng)的優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：燃氣安全閥；  耐用性試驗；  自動測試系統(tǒng)

Development of Automatic Test System for Gas Safety Valve Durability

Abstract：The methods for achieving durability tests such as automatic overpressure shut-off．Automatic underpressure shut-off and excessive flow automatic shut-off by automatic test system for gas safety valve durability are described．The design of hardware and software of the automatic test system is introduced，and its advantages are analyzed．

Key words：gas safety va]ve；durability test；automatic test system

1　概述

隨著人們對燃氣安全重視程度的日益提高，燃氣安全閥不斷發(fā)展，燃氣安全閥的功能日益增多，尤其是確保燃氣安全方面的性能，如超壓自動切斷功能、欠壓自動切斷功能、超流量自動切斷功能等。

為確保燃氣安全閥的質(zhì)量，需要在燃氣安全閥產(chǎn)品的研發(fā)和檢驗階段開展大量的相關(guān)試驗。其中耐用性試驗一方面能夠檢驗燃氣安全閥性能的優(yōu)劣，另一方面可以反映燃氣安全閥的使用壽命，是檢驗燃氣安全閥性能的重要試驗之一。對于燃氣安全閥的耐用性試驗，試驗條件與普通燃氣閥門的耐用性試驗相比，更加繁瑣和復(fù)雜，且涉及到復(fù)位要求，依靠傳統(tǒng)的耐用試驗機無法完成相關(guān)的測試；若依靠人工完成燃氣安全閥的耐用性試驗(相關(guān)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，閥門的耐用性試驗次數(shù)為幾千次、幾萬次，甚至是幾十萬次)，則需要反復(fù)地進行試驗條件的變換和手動復(fù)位，試驗過程面臨工作效率低下、試驗條件的控制不夠精確等難點。對于要求進行幾十萬次耐用性試驗的燃氣安全閥，手動耐用性試驗更是無法實現(xiàn)的。

為了高效率、高精度地完成燃氣安全閥的耐用性試驗，國家燃氣用具質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心自主研發(fā)了燃氣安全閥的耐用性自動測試系統(tǒng)。

2　燃氣安全閥的工作原理

不同的燃氣安全閥的功能和結(jié)構(gòu)各異，其工作原理各不相同。本文以某一型號具備超壓切斷功能的燃氣安全閥^[1]為例，簡要介紹該型號燃氣安全閥的工作原理，其各種狀態(tài)見圖1～3。

如圖l所示，此型號燃氣安全閥在未通氣狀態(tài)下，閥瓣在重力作用下下落，磁鐵3吸附上鎖氣片4，主閥瓣7關(guān)閉閥口9，燃氣安全閥處于切斷狀態(tài)。當(dāng)燃氣安全閥通氣后，若不上提復(fù)位鈕進行手動復(fù)位，燃氣安全閥進睜壓力無法克服磁鐵3吸附上鎖氣片4的磁力作用，燃氣安全閥將一直處于如圖l所示的切斷狀態(tài)。

如圖2(圖注同圖l)所示，當(dāng)燃氣安全閥的進口壓力處于閥門的正常工作壓力范圍內(nèi)時，上提復(fù)位鈕l，在燃氣安全閥進口燃氣壓力和磁場力的共同作用下，由閥桿2、上鎖氣片4、橡膠膜片6、主閥瓣7和副閥瓣8組成的組件處于懸浮的平衡狀態(tài)，閥口9開啟，燃氣安全閥處于正常的工作狀態(tài)。值得注意的是，只有當(dāng)燃氣安全閥的進口壓力處于閥門的正常工作壓力范圍內(nèi)時，才能夠通過提拉復(fù)位鈕進行手動復(fù)位，若燃氣安全閥的進口壓力低于正常工作壓力范圍的下限時，則手動復(fù)位后組件無法處于懸浮平衡狀態(tài)，磁鐵3吸附上鎖氣片4，閥口9關(guān)閉，燃氣安全閥無法正常工作。

如圖3(圖注同圖l)所示，當(dāng)燃氣安全閥的進口壓力超過正常工作壓力范圍的上限時，組件的懸浮平衡狀態(tài)將被破壞，閥桿2上移，磁鐵3吸附下鎖氣片5，副閥瓣8關(guān)閉閥口9，燃氣安全閥實現(xiàn)超壓切斷功能。當(dāng)燃氣安全閥的進口壓力恢復(fù)至正常工作壓力范圍內(nèi)時，需要手動下壓復(fù)位鈕1，使得組件重新恢復(fù)懸浮的平衡狀態(tài)，閥口9開啟，燃氣安全閥恢復(fù)如圖2所示的正常工作狀態(tài)。

3　測試系統(tǒng)的功能設(shè)計

燃氣安全閥耐用性自動測試系統(tǒng)可完成安全閥的超壓自動切斷耐用性試驗、欠壓自動切斷耐用性試驗、超流量自動切斷耐用性試驗。

燃氣安全閥耐用性自動測試系統(tǒng)的試驗原理見圖4。

其中調(diào)壓器2的出口壓力設(shè)定為待測燃氣安全閥的超壓自閉壓力(稍高于正常工作壓力上限值)，調(diào)壓器4的出口壓力設(shè)定為待測燃氣安全閥的額定工作壓力(處于閥門正常工作壓力范圍內(nèi))。

3．1　超壓自動切斷耐用性試驗功能

3．1．1燃氣安全閥的超壓自動切斷功能

具備超壓自動切斷功能的燃氣安全閥，當(dāng)安全閥的入口壓力升高至超壓自閉壓力時，安全閥能夠自動切斷；故障排除、閥門的進口壓力恢復(fù)至安全閥的正常工作壓力范圍內(nèi)時，安全閥才能夠通過手動復(fù)位重新開啟。

用戶在燃氣表前加裝具備超壓自動切斷功能的燃氣安全閥，能夠有效地避免超壓燃氣事故的發(fā)生^[2]。

3．1．2耐用性試驗功能的實現(xiàn)

如圖4所示，在進行燃氣安全閥的超壓自動切斷耐用性試驗時，首先進行試驗工況的設(shè)定：開啟電磁閥l，關(guān)閉電磁閥3和電磁閥6，開啟電磁閥5(待測燃氣安全閥8的入口壓力為額定工作壓力)和電磁閥ll，手動調(diào)節(jié)手動球閥l0的開度(將待測燃氣安全閥8的流量調(diào)節(jié)為正常工作流量)，并手動復(fù)位待測燃氣安全閥8，令待測燃氣安全閥8處于正常工作狀態(tài)。開啟復(fù)位機構(gòu)(復(fù)位機構(gòu)由電機、凸輪、安全閥固定裝置和位置傳感器組成)和變頻器，通過PLC控制變頻器，進而控制復(fù)位機構(gòu)中電機的轉(zhuǎn)速，令凸輪的轉(zhuǎn)速滿足耐用性試驗頻率的要求。

試驗臺的初始設(shè)定狀態(tài)設(shè)定完畢后，即開始進行安全閥的超壓自動切斷耐用性試驗：通過PLC發(fā)出電信號，電磁閥一5關(guān)閉，電磁閥3開啟(待測燃氣安全閥8的入l：3壓力為規(guī)定的超壓自閉壓力)，待測燃氣安全閥8自動切斷。待測燃氣安全閥8自動切斷后，待測燃氣安全閥8的出口壓力降至0，當(dāng)壓力變送器9反饋至PLC的待測燃氣安全閥8的出口壓力降為0時，PLC即可判定待測燃氣安全閥已自動切斷。PLC發(fā)出電信號，電磁閥3關(guān)閉，電磁閥5開啟。電動機帶動凸輪轉(zhuǎn)動，完成待測燃氣安全閥8的復(fù)位。當(dāng)與電機相連接的凸輪帶動閥桿到達極限位置時，復(fù)位機構(gòu)的位置傳感器向PLC發(fā)出電信號，PLC即判定待測燃氣安全閥8復(fù)位完畢，延遲2s后發(fā)出超壓切換信號。至此完成一個耐用性試驗的測試循環(huán)。

壓力變送器7的作用在于對超壓自動切斷耐用性試驗過程進行監(jiān)控。在正常的工作狀態(tài)下，壓力變送器7反饋的壓力應(yīng)為待測燃氣安全閥8的額定工作壓力和超壓自閉壓力的不斷切換，并與相應(yīng)的設(shè)定值一致。若出現(xiàn)壓力異常時，說明測試系統(tǒng)的工作狀態(tài)出現(xiàn)異常，PLC發(fā)出異常報警信號并切斷電磁閥1，停機檢修。

與復(fù)位機構(gòu)相連接的變頻器能夠通過PLC進行控制，調(diào)節(jié)復(fù)位機構(gòu)中減速電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向，進而對耐用性試驗的試驗頻率進行控制。

3．2　欠壓自動切斷耐用性試驗功能

3．2．1  燃氣安全閥的欠壓自動切斷功能

具備欠壓自動切斷功能的燃氣安全閥，當(dāng)安全閥的入口壓力低于正常工作壓力范圍的下限時，安全閥能夠自動切斷；故障排除、閥門的進口壓力恢復(fù)至安全閥的正常工作壓力范圍時，安全閥才能夠通過手動復(fù)位重新開啟。

若在下游用戶加裝具備欠壓自動切斷功能的燃氣安全閥，當(dāng)燃氣公司進行停氣檢修或發(fā)生突發(fā)性的第三方施工挖斷燃氣管道的事故時，室內(nèi)燃氣管道中的燃氣壓力將降低，當(dāng)安全閥入l：3處的燃氣壓力低于正常工作壓力范圍的下限時，安全閥即自動切斷。安全閥需要手動進行復(fù)位，且安全閥的入口壓力處于正常工作壓力范圍內(nèi)時才能夠手動復(fù)位成功，因而加裝具備欠壓自動切斷的燃氣安全閥能夠有效地避免事故的發(fā)生，進一步確保下游用戶的生命財產(chǎn)安全^[3-5]。

3．2．2耐用性試驗功能的實現(xiàn)

如圖4所示，在進行燃氣安全閥的欠壓自動切斷耐用性試驗時，首先進行試驗工況的設(shè)定，設(shè)定方法與3．1．2一致。

試驗臺的初始設(shè)定狀態(tài)設(shè)定完畢后，即開始進行安全閥的欠壓自動切斷耐用性試驗：通過PLC發(fā)出電信號，電磁閥6開啟，通過增加待測燃氣安全閥8入口端試驗介質(zhì)放散流量的方式將待測燃氣安全閥8的入l3壓力降至低于正常工作壓力范圍的下限，待測燃氣安全閥8自動切斷。待測燃氣安全閥8自動切斷后，待測燃氣安全閥8的出口壓力降至0，當(dāng)壓力變送器9反饋至PLC的待測燃氣安全閥8的出口壓力降為0時，PLC即可判定待測燃氣安全

閥8已自動切斷。PLC發(fā)出電信號，電磁閥6關(guān)閉。電動機帶動凸輪轉(zhuǎn)動，完成待測燃氣安全閥8的復(fù)位。當(dāng)與電機相連接的凸輪帶動閥桿到達極限位置時，復(fù)位機構(gòu)的位置傳感器向PLC發(fā)出電信號，PLC即判定待測燃氣安全閥8復(fù)位完畢，延遲2S后發(fā)出欠壓切換信號。至此完成一個耐用性試驗的測試循環(huán)。

3．3　超流量自動切斷耐用性試驗功能

3．3．1燃氣安全閥的超流量自動切斷功能

具備超流量自動切斷功能的燃氣安全閥，當(dāng)安全閥的流量超過正常工作流量范圍的上限時，安全閥能夠自動切斷；故障排除、通過閥門的流量恢復(fù)至安全閥的正常工作流量時，安全閥才能夠通過手動復(fù)位重新開啟。

用戶燃氣表后的旋塞閥開啟，且灶具連接軟管脫落導(dǎo)致的燃氣泄漏事故是目前居民燃氣事故中最常見的案例^[6]。當(dāng)灶具連接軟管脫落時，燃氣管道與大氣相通，會導(dǎo)致燃氣管道內(nèi)的流量瞬間增大。若燃氣管道卜加裝具有超流量自動切斷功能的燃氣安全閥，安全閥能夠在灶具連接軟管脫落的瞬間自動切斷燃氣通路，有效地防止燃氣的進一步泄漏。

3．3．2耐用性試驗功能的實現(xiàn)

如圖4所示，在進行燃氣安全閥的超流量自動切斷耐用性試驗時，首先進行試驗工況的設(shè)定：開啟電磁閥1，關(guān)閉電磁閥3、電磁閥6和電磁閥ll，開啟電磁閥5(待測燃氣安全閥8的入口壓力為額定工作壓力)。手動調(diào)節(jié)手動球閥10的開度，令手動球閥10處于全開狀態(tài)。開啟復(fù)位機構(gòu)和變頻器，通過PLC控制變頻器，進而控制復(fù)位機構(gòu)中電機的轉(zhuǎn)速，令凸輪的轉(zhuǎn)速滿足耐用性試驗頻率的要求。手動復(fù)位待測燃氣安全閥9，令待測燃氣安全閥8處于開啟狀態(tài)。

試驗臺的初始設(shè)定狀態(tài)設(shè)定完畢后，即開始進行安全閥8的超流量自動切斷耐用性試驗：通過PLC發(fā)出電信號，電磁閥ll開啟，流經(jīng)待測燃氣安全閥的流量超過正常工作流量的上限，待測燃氣安全閥8自動切斷。待測燃氣安全閥8自動切斷后，待測燃氣安全閥8的出口壓力降至0，當(dāng)壓力變送器9反饋至PLC的待測燃氣安全閥8的出口壓力降為0時，PLC即可判定待測燃氣安全閥8已自動切斷。PLC發(fā)出電信號，電磁閥11關(guān)閉。電動機帶動凸輪轉(zhuǎn)動，完成待測燃氣安全閥8的復(fù)位。當(dāng)與電機相連接的凸輪帶動閥桿到達極限位置時，復(fù)位機構(gòu)的位置傳感器向PLC發(fā)出電信號，PLC即判定待測燃氣安全閥8復(fù)位完畢，延遲2s后發(fā)出信號，電磁閥11開啟。至此完成一個耐用性試驗的測試循環(huán)。

4　測試系統(tǒng)的設(shè)計

4．1　測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本測試系統(tǒng)采用的氣源為0.8MPa的壓縮空氣，通過調(diào)壓器降壓至待測燃氣安全閥的額定工作壓力和超壓自閉壓力。所采用的調(diào)壓器是JYT-0.6型調(diào)壓器，調(diào)壓器的進口壓力范圍為0.03～1.56MPa，將調(diào)壓器進行改裝，將其出口壓力分別調(diào)至待測燃氣安全閥的額定工作壓力和超壓自閉壓力。采用的電磁閥為VX2120-02-5G1-B型電磁閥，通徑為DNl0mm，驅(qū)動線圈電壓為24V。采用的手動球閥為DNl5mm的黃銅材料球閥。采用的壓力變送器為上潤AK系列壓力變送器，精度為0.4級。

本測試系統(tǒng)采用的減速電機，額定功率為0.4kW，減速齒輪箱的減速比為1：300。控制電機轉(zhuǎn)速的變頻器為VFD-M型單相變頻器，工作頻率為0～55Hz。變頻器的實際工作頻率可通過手動調(diào)節(jié)，也可以通過通信接口和輸入端口輸入進行調(diào)節(jié)。此變頻器具有轉(zhuǎn)速可調(diào)、扭矩恒定的運行優(yōu)點，故而能夠在比較寬泛的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)電機的穩(wěn)定運行，提高了測試系統(tǒng)的適用范圍。本測試系統(tǒng)可定頻運轉(zhuǎn)，也可通過程序控制變頻器的實際工作頻率進行變頻調(diào)節(jié)。

本測試系統(tǒng)采用的可編程控制器(PLC)為西門子SL7-200可編程控制器，內(nèi)部集成有國家燃氣用具質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心自主開發(fā)的耐用性試驗自動測試控制程序。

本測試系統(tǒng)設(shè)置了帶有觸摸屏的通用計算機，用以完成耐用性試驗的參數(shù)設(shè)置、試驗狀態(tài)監(jiān)控、停機檢修、試驗數(shù)據(jù)的存儲和輸出等工作，人機界面更加友好。

4．2　測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本測試系統(tǒng)采用STEP 7-MicrowIN編程軟件作為編程工具，將燃氣安全閥的超壓自動切斷耐用性試驗、欠壓自動切斷耐用性試驗和超流量自動切斷耐用性試驗以模塊化的方法分別編寫控制程序，并將每一個試驗?zāi)K嵌入到PLC中。

超壓自動切斷耐用性自動測試程序框圖見圖5，其中P1為圖4中壓力變送器7反饋至PLC的壓力值，P2為圖4中壓力變送器9反饋至PLC的壓力值。

每一個耐用性試驗均存在其獨立的操作界面，并將全部界面顯示于一個綜合界面上，界面的切換采用彈出窗口的方式。燃氣安全閥的超壓自動切斷耐用性試驗的操作界面見圖6。

試驗前需要輸入閥門的額定工作壓力、超壓自閉壓力、耐用性試驗次數(shù)、切斷信號延時時間和切斷信號時間給定值(用以調(diào)節(jié)減速電機的轉(zhuǎn)速)，選擇電機的轉(zhuǎn)動方向，點擊“啟動”按鈕，即開始安全閥的超壓自動切斷耐用性測試。在測試過程中，實時顯示閥門入口的壓力值和試驗次數(shù)的完成值。在耐用性測試試驗正常進行過程中，“試驗正常”區(qū)域閃爍橘黃色；當(dāng)測試系統(tǒng)檢測到異常信號時，立即切斷電磁閥1，耐用性試驗暫停，“試驗異常停機”區(qū)域閃爍橘黃色。對測試系統(tǒng)進行全面的檢查，排除故障后，點擊“繼續(xù)試驗”按鈕即可繼續(xù)進行耐用性試驗。

5　測試系統(tǒng)的優(yōu)點

本測試系統(tǒng)的功能強大，能夠完成燃氣安全閥的超壓自動切斷耐用性試驗、欠壓自動切斷耐用性試驗和超流量自動切斷耐用性試驗的自動測試。

本測試系統(tǒng)的適用范圍比較廣。測試系統(tǒng)采用的調(diào)壓器經(jīng)改裝后，出口壓力能夠根據(jù)安全閥的進口壓力進行設(shè)定，拓寬了測試系統(tǒng)的安全閥進口壓力的適用范圍。燃氣安全閥出口側(cè)手動球閥的設(shè)置，能夠通過手動調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)試驗管路的流量，確保了測試系統(tǒng)能夠適用于不同額定流量的燃氣安全閥。通過改變復(fù)位機構(gòu)中自制的安全閥固定裝置和復(fù)位裝置，以及通過變頻器的設(shè)定來改變電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，能夠?qū)崿F(xiàn)多種結(jié)構(gòu)形式安全閥的自動復(fù)位功能。

通過進一步完善控制程序，在測試系統(tǒng)上加裝壓力變送器、流量計和相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸工具，能夠為測試系統(tǒng)添加耐用性試驗過程中相關(guān)參數(shù)的實時記錄、儲存和輸出等功能。燃氣安全閥耐用性試驗過程中的相關(guān)參數(shù)包括超壓或欠壓自動切斷瞬間燃氣安全閥的實際進口壓力、超流量切斷時燃氣安全閥的實際流量和切斷響應(yīng)時間等。

6　結(jié)論及建議

燃氣安全閥耐用性自動測試系統(tǒng)能夠高效率、高精度地自動完成燃氣安全閥的超壓自動切斷、欠壓自動切斷和超流量自動切斷耐用性試驗，為燃氣安全閥的檢驗和研發(fā)工作提供充分便利的實驗條件，其拓展的試驗參數(shù)實時臨控、記錄、儲存和輸出功能還能夠為燃氣安全閥功能的開發(fā)和改進提供詳細、準(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù)。

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本文作者：李玉春  張乃方

作者單位：深圳市燃氣集團股份有限公司

中國市政工程華北設(shè)計研究總院