摘 要：介绍了气动减压阀国内外标准的概况，通过对气动减压阀的国内外相关标准研究，找出各标准间的差异，包括标准适用范围和测试项目的差别，主要特性的测试回路、检测方法和表述方法的区别，并指出了减压阀可靠性标准ISO 19973-4变更前后的技术变化。选取国内某厂家生产的精密减压阀作为实例，按照ISO 6953-2的方法要求，测试了分辨率和重复精度等主要特性。
关键词：气动减压阀；标准研究；分辨率；重复精度
引言
气动减压阀作为气动系统的重要压力控制元件，已广泛应用于自动化技术领域。随着工业自动化的飞速发展，气路中对调压精度的要求不断提高，为满足现代化生产的要求，近年来，国内生产厂家纷纷着手研究和生产精密减压阀，已有少数厂家的产品投入生产使用。分辨率和重复精度是评价精密减压阀好坏最重要的性能指标，国家标准GB/T 20081.2-2006[1]只规定了流量特性、压力特性等特性的测试方法，并未规定如何测试分辨率和重复精度。对国内外气动减压阀相关标准进行了研究，指出国内外减压阀标准的主要差异，可靠性标准变更前后的技术变化，并以国内某一精密减压阀为测试样品，着重介绍了国际标准ISO 6953-2:2015 [2]规定的分辨率和重复精度等特性的测试方法。
1 气动减压阀国内外标准概况
目前，现行有效的气动减压阀国际标准有：ISO 6953《气压传动 气动减压阀和过滤减压阀》和ISO 19973-4：2014《气压传动 元件可靠性的试验评价 第4部分：气动减压阀》。ISO 6953包括3部分：ISO 6953-1：2015《气压传动 气动减压阀和过滤减压阀第1部分：商务文件中包含的主要特性及产品标识要求》(替代ISO 6953-1:2000)、ISO 6953-2:2015《气压传动 气动减压阀和过滤减压阀第2部分：评定商务文件中包含的主要特性的试验方法》(替代ISO 6953-2:2000/Cor 1:2006)和ISO 6953-3：2012《气压传动 气动减压阀和过滤减压阀第3部分：测试减压阀流量特性的可选方法》[3-5]。
涉及气动减压阀的国内标准主要有：GB/T 2008 1.1-2006[6]《气动减压阀和过滤减压阀 第1部分：商务文件中应包含的主要特性和产品标识要求》(等同采用ISO 6953-1:2000)、GB/T 20081.2-2006 《气动减压阀和过滤减压阀 第2部分：评定商务文件中应包含的主要特性的测试方法》(等同采用ISO 6953-2:2000)和行业标准JB/T 12550-2015《气动减压阀》。
新版本ISO 6953-2(ISO 6953-1)采用流量计测量法对流量-压力特性和压力调节特性等主要特性进行测试，适用范围广，测试结果准确，可获得滞环特性，但测试效率低、成本高、不易自动测试。
ISO 6953-3采用等温充排气法对流量-压力特性进行测试，测试时间短、耗气量少，可测较大公称通径减压阀，但数据处理复杂、无法测量逐渐减小流量部分的流量-压力特性。
2 气动减压阀国内外标准对比分析
2.1 适用范围和测试项目的差异
GB/T 20081.1适用于气动减压阀等元件，ISO 6953-1 适用于气动减压阀、手动内部先导式减压阀(例如喷嘴挡板式)和外部先导式减压阀等元件，两者是常用方法。ISO 6953-3除适用ISO 6953-1范围元件外，还适用电-气压力控制阀和溢流阀，可检测大口径、耗气量大的减压阀。ISO 19973-4适用于直动减压阀、远程先导式控制减压阀，不适用于恒量排气式减压阀。
ISO 6953-2和GB/T 20081.2都可测试正向流量/压力特性(流量特性)、溢流流量/压力特性(溢流特性)、压力调节特性和额定压力验证等主要特性。此外，ISO 6953-2还可测试分辨率、重复精度等项目(详见第3章)。ISO 6953-3测试流量-压力特性。ISO 19973-4为可靠性测试的方法。
2.2 主要特性的测试回路的对比
GB/T 20081.2、ISO 6953-2和ISO 6953-3标准的测试回路示意图分别见图1～图3。图2和图3中，C1、C2和C3代表两通阀的声速流导，Cf,max、Cf1,max、Cf2,max和Cf3,max为减压阀最大正向声速流导，Cr为减压阀最大溢流声速流导。
图1 GB/T 20081.2流量特性、溢流特性和压力调节特性测试图
图2 ISO 6953-2流量-压力特性和压力调节特性测试图
图3 ISO 6953-3流量-压力特性测试图
声速流导为壅塞流区域的流导，即元件中至少有一个截面的流速达到当地声速的流动时的流导，其代表了元件的流通能力。
新版本ISO 6953增加了对测试回路元件流通能力的要求，为避免管路节流造成测得声速流导值失真；为满足测量滞止压力[7]的要求，对压力测量装置进行了改变；明确流量计位置，便于观察溢流的开始，助于准确测量压力调节特性时(如精密减压阀)通过的正向流量；为使溢流测试时被测阀输出侧压力稳定且能达到进口压力水平，溢流通道使用单独的进气系统；考虑消声器流量特性和材料差异对部分减压阀测试结果有影响，取消设置消声器。ISO 6953-2和GB/T 20081.2测试回路的主要差异见表1。
表1 ISO 6953-2和GB/T 20081.2的测试回路对比
2.3 主要特性测试方法的比较
GB/T 20081.2和ISO 6953-2 的主要特性在测试方法上无实质性区别，均采用流量计测量法，表2列出测试方法的区别。
ISO 6953-3使用等温气罐替代流量计，对等温气罐的压力等参数经过公式计算获得流量值，从储气罐经被测阀给等温气罐充气测量正向流量/压力特性，从等温气罐经被测阀向大气排气来测量溢流流量/压力特性。回路要求下游压力测量管和等温气罐[8]间距离尽可能短，等温气罐前双向电磁阀应能快速切换。
2.4 主要特性表述方法的不同
新版本ISO 6953将流量特性和溢流特性术语更名为流量-压力特性(包括正向流量/压力特性和溢流流量/压力特性)，测试结果用压力-流量特性曲线和声速流导等特性参数进行表述，将 “出口压力”调整改为“调节压力”，主要表述区别如表3所示。
表2 ISO 6953-2和GB/T 20081.2的测试方法对比
表3 ISO 6953-2和GB/T 20081.2的表述方法对比
2.5 可靠性测试方法新旧标准差异
新版本可靠性标准ISO 19973-4:2014替代ISO 19973-4:2007，新旧版本无实质性的区别：增加1种回路供选择(2种回路见图4a和图4b)，在减压阀出口侧增加气容(便于减压阀完全的充放气)，规定回路元件的流通能力，修改故障的阈值水平，具体技术变化见表4。
图4 ISO 19974耐久性回路示意图
表4 ISO 19973-4：2014和ISO 19973-4：2007的差异
3 ISO 6953-2的特性测试方法及测试实例
对国内某企业生产的精密减压阀进行测试，被测阀的技术参数及测试条件如表5所示。
表5 被测阀的技术参数及测试条件
注： 1.所有压力为表压； 2. 压力的相对变化应维持在±2%范围内。
3.1 流量-压力特性曲线
1) 测试步骤
依次检测正向流量/压力特性和溢流流量/压力特性，以设定压力ps为0.4 MPa为例。保持进口压力p1为0.63 MPa及T1为定值， ps为0.4 MPa，可得调节压力p2与正向流量qvf的对应关系；然后，保持p1为0.63 MPa 及T2为定值，可得调节压力与溢流流量qvr的对应关系。
2) 表述方法
流量-压力特性的表述主要为流量-压力特性曲线、Cf,max、Cr和H。测试数据按照GB/T 20081.1和ISO 6953-1要求的表述见图5。
(1) 特性曲线见图5c，为调节压力与前向流量和溢流流量的曲线关系，平均压力为滞环曲线上两相应调节压力p2的平均值；
(2) H：根据公式
两相应调节压力的最大差异Δp2h,max=0.012 MPa，最大调节压力p2,max=0.8 MPa，计算得H=1.5；
图5 流量-压力特性的测试结果表述
(3) Cf,max： 根据公式
通过计算，Cf,max =105.4 dm3/(s·MPa) (ANR)。
最大正向流量qvf,max为各设定压力点曲线的交点对应值，T0、 patm为参考温度和参考大气压。
(4) Cr：在各溢流曲线的渐近线上选取5点，为每点计算声速流导，取平均值得Cr。
此曲线无法绘制渐近线，故无法计算Cr。本研究以ps为0.25 MPa时最大溢流流量值，根据公式
计算溢流声速流导，供参考。
T2=291.95 K，qvr=1397 dm3/min，p2r=0.26 MPa，计算得：Cr1 =64.3 dm3/(s·MPa)。
3.2 压力调节特性
测试步骤和表示方法：进口压力为0.8 MPa，调节某一设定压力点ps，通过流量为92.5 dm3/min(qvf,max×2%)，流量和ps不再调节，可得调节压力与进口压力的对应关系，压力调节特性曲线见图6。
图6 压力调节特性
3.3 前向流量或溢流流量为0时的最大耗气量(适用于带排气的先导减压阀)
图7中，下游管接头(带测压)被堵塞，以保证零正向流量或溢流流量。流量计放置在上游，测量进气口端的最大耗气量。
图7 最大耗气量测试示意图
测试步骤： p1为1 MPa，增加与减小调节压力p2，在p2最大值0.8 MPa和最小值0.05 MPa处测量耗气量，为每个p2计算耗气量平均值，取最大值。
3.4 先导压力/调节压力特性(适用于外部先导式减压阀)
1) 测试步骤
图8中，测量调节压力的传感器是一个外部测量传感器，管接头(带测压)被堵塞，确保零流量，管接头的长度(容积)应尽可能短(小)。测试步骤：从零到满量程增加先导压力p先，增量为5%F.S，可得p先与p2之间的关系。
图8 先导压力/调节压力特性测试示意图
2) 表述方法
先导压力/调节压力特性的表述包括先导压力/调节压力特性曲线、先导压力/调节压力迟滞H、直线性L，H和L均是以被调节压力满刻度百分率计。
(1) 特性曲线描述了先导压力与平均调节压力之间的关系。平均调节压力为滞环曲线上两相应调节压力的平均值。特性直线由调节压力满量程5%和95%的平均被调节压力值所通过，其斜率和补偿值(横截距)也应表明在图表中；
(2) L和H: 在调节压力满量程5%和95%范围内，根据
和计算L和H。
3) 精密减压阀直线性的参考方法
先导压力/调节压力特性的测试方法只适用于外部先导式减压阀，故本研究参照ISO 6953-2和JB/T 7057-2008[10]，拟定了精密减压阀直线性的测试方法，由于手动旋转角度误差较大，故仅供参考。
测试步骤：进口压力为0.63 MPa(可选1 MPa)，调节压力至最小值0.05 MPa，后每旋转一圈，记录对应的p2和圈数N，得到迟滞关系，特性曲线和特性直线见图9。
图9 先导压力/调节压力测试曲线和特性直线
计算结果：特性曲线和特性直线间的最大压力差异
迟滞曲线间最大调节压力差异计算L=1.8，H=0.35。
3.5 分辨率(适用于带排气的先导减压阀)
分辨率，对应于手柄2个旋转位置最小变化，使相应调节压力值产生的压力差异。
1) 测试步骤
测试回路见图8。旋转手柄(仅增加)至调节压力p2达到满量程的15%(50%和85%同此)，维持10 s，记录压力值p2stop；再缓慢旋紧手柄，当p2开始再增加时，停止旋动，记录p2start。
2) 计算结果
每个设定点通过
计算分辨率，取最大值，即S=0.09，见表6。
表6 分辨率计算值
3.6 重复精度
重复精度对应于某给定设定压力的调节压力的最大分散，可采用充气测试法(图10)和排气测试法(图11)。
图10 重复精度充气测试法
图11 重复精度排气测试法
1) 充气测试法
气容体积通过公式V=Cf,max×10-1( V的单位为L)计算； V≥50 mL； C4≥Cf,max； ps为50%×p2,max。
测试准备：计算V=1.05 L，p1保持0.63 MPa，打开电磁阀给气容加压，设定ps，切断电磁阀使气容完全减压。
测试步骤：打开电磁阀，充气5 s后，记录p2，后切断电磁阀，使气容完全减压。重复23次，记录每个循环的p2。
计算结果：去掉易造成异常的前3个数据点，利用公式
计算。
2) 排气测试法
排气法比充气法的耗气量大，噪音大，但测试时间短，本研究以排气法进行测试。
测试步骤：p1为0.63 MPa，ps为0.4 MPa，排气时间1 s，稳定5 s后，记录p2 ，循环时间30 s，测试数据见表7，ps=0.40099 MPa，去掉前3点，p2j,max=0.40040 MPa，p2j,min=0.40027 MPa，r=0.02。
表7 排气法测试的调节压力值p2 MPa
4 结论
通过对国内外减压阀的标准和测试方法进行比较及研究，指出各标准间主要特性的差异，并介绍了减压阀可靠性标准ISO 19973-4变更前后的技术变化。根据ISO 6953-2要求，以国内某精密减压阀为例进行测试，阐述了测试步骤，并给出测试结果和表述方式，为标准研究提供参考。
