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復(fù)材成型工藝用熱壓罐的壓力真空測量系統(tǒng)分析

發(fā)布時間:2019-05-16  發(fā)布作者:

 復(fù)材成型工藝用熱壓罐的壓力真空測量系統(tǒng)分析

摘 要:熱壓罐成型工藝是復(fù)合材料的主要成型工藝之一。其壓力、真空參數(shù)目前大部分采用數(shù)字化測量技術(shù)用于數(shù)據(jù)采集和記錄,熱壓罐的壓力真空系統(tǒng)一般是由壓力傳感器( 變送器) 、顯示儀表和記錄儀表組成。本文從壓力傳感器( 變送器) 及儀表的校準(zhǔn)方法角度分析,通過實驗驗證,指出了熱壓罐壓力真空系統(tǒng)校準(zhǔn)過程中需要注意的問題并給出相應(yīng)的完善方案。
0引言
復(fù)合材料由于其優(yōu)越的各項性能,在航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,并且趨勢日益增加。波音、空客兩大民機(jī)巨頭在復(fù)合材料方面不斷搶占技術(shù)制高點,推出的機(jī)型中無一不把提高復(fù)合材料用量作為經(jīng)濟(jì)性,先進(jìn)性的象征性指標(biāo),波音 787 更是使用了總重 50% 的復(fù)合材料。對于熱壓工藝而言,壓力是通過罐內(nèi)壓力和真空袋內(nèi)真空共同作用,如圖 1 所示,因此熱壓罐內(nèi)壓力真空系統(tǒng)的準(zhǔn)確性對復(fù)合材料熱壓成型工藝過程中有重要意義。大家知道先進(jìn)復(fù)合材料的固化成型工藝對熱壓罐的溫度要求嚴(yán)格,但同時對壓力的要求也同樣重要,在成型熱固性復(fù)合材料時,需要高溫來降低樹脂黏度和引發(fā)固化化學(xué)反應(yīng),而壓力是用來將各層壓合起來并抑制空隙的產(chǎn)生。同時工業(yè)化熱壓罐應(yīng)符合聯(lián)邦管理規(guī)程 29CFR1910中相關(guān)的條款規(guī)定.可以毫不夸張地說,被加熱加壓的容器相當(dāng)于一個炸彈。所以熱壓罐的壓力真空校準(zhǔn)對熱壓罐復(fù)合材料成型工藝和安全是尤為重要的。本文從熱壓罐壓力真空系統(tǒng)原理、測試方法及誤差計算判斷出發(fā),通過實驗驗證,分析現(xiàn)有方法的不足,并給出合理的壓力真空系統(tǒng)校準(zhǔn)方法。
                                                  圖 1 熱壓罐壓力真空系統(tǒng)示意圖
1 熱壓罐壓力真空系統(tǒng)分布及工作原理按照熱壓成型工藝要求,熱壓罐一般壓力真空系統(tǒng)分布罐內(nèi)壓力測試及記錄系統(tǒng)、真空測試記錄系統(tǒng)和真空袋內(nèi)分路真空測試記錄系統(tǒng),有些熱壓罐還單獨設(shè)置壓力真空控制系統(tǒng),如圖 2 所示
圖 2 熱壓罐壓力真空傳感器示意圖
熱壓罐壓力真空系統(tǒng)大量使用壓力傳感器( 變送器) 及顯示記錄儀表進(jìn)行壓力真空測試記錄,基本工作原理是,被測壓力通過傳壓介質(zhì)施加于壓力傳感器( 變送器) 上,隨著壓力的變化,壓力傳感器( 變送器) 輸出相應(yīng)的電信號。該信號經(jīng)過處理,較后在顯示器上顯示出變化的被測壓力量值。圖 3 是壓力真空系統(tǒng)工作原理的示意圖。
圖 3 壓力真空系統(tǒng)工作原理示意圖
2 熱壓罐的壓力真空系統(tǒng)校準(zhǔn)要求
2. 1 大型客機(jī)項目中用于復(fù)合材料零件制造用熱壓罐工藝規(guī)范有明確要求,其中對真空校準(zhǔn)更為嚴(yán)格,周期控制在 6 個月,具體技術(shù)指標(biāo)見表 1。
表1 真空袋內(nèi)真空壓力傳感器、真空壓力儀表和真空壓力記錄儀表要求
固化過程中壓力參數(shù)的計量校準(zhǔn)要求見表 2。
表 2 熱壓罐內(nèi)壓力傳感器、壓力儀表和壓力記錄儀表要求
 
2. 2 美國波音公司在對復(fù)合材料成型工藝用熱壓罐的真空壓力技術(shù)要求見表 3、表 4
表 3 波音公司熱壓罐真空參數(shù)校準(zhǔn)要求
表 4 波音公司熱壓罐壓力記錄儀表參數(shù)校準(zhǔn)要求
 
3 熱壓罐真空壓力參數(shù)校準(zhǔn)方法
3. 1 熱壓罐壓力真空系統(tǒng)校準(zhǔn)方法
系統(tǒng)校準(zhǔn)方法是將壓力真空傳感器( 變送器)與顯示儀表組合成系統(tǒng),組成系統(tǒng)后校準(zhǔn)數(shù)據(jù)一致,輸入值為標(biāo)準(zhǔn)壓力,輸出值同樣為壓力值,校準(zhǔn)示意圖如圖 4。
圖 4 系統(tǒng)校準(zhǔn)示意圖
系統(tǒng)校準(zhǔn)方法是將壓力傳感器( 變送器) 與顯示記錄儀表組合成一套系統(tǒng),可以說該系統(tǒng)就是一臺數(shù)字壓力計,可以按照 JJG875 - 2005《數(shù)字壓力計檢定規(guī)程》進(jìn)行校準(zhǔn),誤差計算公式為:δ = p - ps ( 3)式中: δ—熱壓罐壓力真空系統(tǒng)示值誤差;p—熱壓罐壓力真空系統(tǒng)讀數(shù);ps—標(biāo)準(zhǔn)示值。
3. 2 壓力傳感器( 變送器) 和儀表分離校準(zhǔn)法分離校準(zhǔn)法是分別校準(zhǔn)壓力傳感器( 變送器)和儀表,通過標(biāo)準(zhǔn)壓力源給壓力傳感器( 變送器) 壓力信號,使用數(shù)字萬用表測量壓力傳感器( 變送器)輸出電信號,同時給儀表輸入標(biāo)準(zhǔn)電信號,測量儀表壓力信號輸出值,校準(zhǔn)示意圖如圖 5。
圖 5 壓力傳感器(變送器)和儀表分離校準(zhǔn)示意圖
分離校準(zhǔn)法具有局限性,由于壓力傳感器只考慮傳感器的線性誤差,而傳感器輸出信號沒有理論值無法進(jìn)行儀表示值誤差校準(zhǔn),所以一般只適用于壓力變送器,根據(jù)壓力變送器理論輸出值計算儀表輸入標(biāo)準(zhǔn)電信號,誤差計算公式為:φ = I - Is ( 4)ω = pi - pis ( 5)式中: φ—熱壓罐壓力變送器示值誤差;
 
I—熱壓罐壓力變送器輸出電信號值;Is—熱壓罐壓力變送器輸出電信號理論值;ω—熱壓罐壓力真空儀表示值誤差;
pi—熱壓罐壓力真空儀表示值;pis—熱壓罐壓力真空儀表電信號對應(yīng)理論壓力值。
3. 3 系統(tǒng)校準(zhǔn)與分離校準(zhǔn)方法可行性分析壓力真空參數(shù)的校準(zhǔn)在行業(yè)校準(zhǔn)領(lǐng)域一般優(yōu)先選擇系統(tǒng)校準(zhǔn)方法,由于壓力傳感器( 變送器) 一般均為線性誤差,并且壓力真空參數(shù)校準(zhǔn)均為全量程校準(zhǔn),系統(tǒng)校準(zhǔn)可覆蓋壓力真空設(shè)備全部范圍。分離校準(zhǔn)法一般不適用于壓力傳感器校準(zhǔn),由于壓力傳感器的輸出信號不是標(biāo)準(zhǔn)信號,壓力傳感器誤差分析只考核傳感器的線性誤差,例如 GE 公司生產(chǎn)的 PDCR330 - 16A 型壓力傳感器壓力量程為( 0 ~ 1000psi,輸出信號為( 0 ~ 100) mv,較大允許誤差為 ± 0. 2% FS,校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表 5、表 6。
表 5 傳感器 1 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)
表 6 傳感器 2 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)
從表 5 和表 6 中可看出兩個壓力傳感器的線性誤差均為 0. 13% FS,滿足傳感器技術(shù)要求,但是兩個傳感器之間的差值為 0. 421% FS,按理論值計算表 6 中的示值誤差更是達(dá)到了 - 1. 064% FS,如果按理論值推倒計算均超出的傳感器技術(shù)要求; 并且有些公司生產(chǎn)的熱壓罐壓力真空設(shè)備采用系統(tǒng)集成的方法根本無法進(jìn)行分離測試,如德國 Scholz 公司生產(chǎn)熱壓罐采用 Honeywell 壓力傳感器和顯示記錄儀表,集成在儀器柜內(nèi),如采用分離法校準(zhǔn)對設(shè)備的損
傷比較大,均不建議采用分離法校準(zhǔn)。另外,從誤差分析的原理出發(fā)考慮分離法校準(zhǔn)擴(kuò)大了壓力真空系統(tǒng)的較大允許誤差。美國波音公司的熱壓罐壓力真空系統(tǒng)采用系統(tǒng)法校準(zhǔn),真空段的較大允許誤差為 ± 5kPa,但如果按照大型客機(jī)采用分離法校準(zhǔn)傳感器較大允許誤差為 ± 5kPa,儀表的較大允許誤差為 ± 10kPa,累加后較大允許誤差為± 15kPa,擴(kuò)大了壓力真空系統(tǒng)的較大允許誤差。當(dāng)然分離法校準(zhǔn)對傳感器( 變送器) 和儀表的故障排除具有優(yōu)勢,可準(zhǔn)確的判斷故障,但會帶來大量的人工成本,綜上分析,分離法校準(zhǔn)加大了校準(zhǔn)復(fù)雜性,提高了校準(zhǔn)成本,擴(kuò)大的壓力真空系統(tǒng)的較大允許誤差,可以說在質(zhì)量上放寬了對壓力真空系統(tǒng)的要求。
3. 4 驗證實驗
為驗證系統(tǒng)校準(zhǔn)法與分離校準(zhǔn)法,通過熱壓罐同一壓力系統(tǒng)分別進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)法和分離校準(zhǔn)法,計算系統(tǒng)校準(zhǔn)法誤差和分離校準(zhǔn)法累加誤差,比較二者之間的差異驗證兩種校準(zhǔn)方法。實驗對象為美國 ASC 公司生產(chǎn) Φ1 × 2m 熱壓罐壓力及儀表系統(tǒng),該系統(tǒng)采用壓力變送器配備計算機(jī)采集顯示系統(tǒng),壓力變送器量程: ( 0 ~ 300) psi,輸出值( 0 ~ 5) V。
3. 4. 1 系統(tǒng)校準(zhǔn)法
使用 GE 公司生產(chǎn) DPI615 型便攜式壓力校驗儀作為標(biāo)準(zhǔn)壓力源,允差為 ± 0. 025% FS,校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表 7
表 7 系統(tǒng)校準(zhǔn)法校準(zhǔn)數(shù)據(jù)
 
 
3. 4. 2 分離校準(zhǔn)法
使用 GE 公司生產(chǎn) DPI615 型便攜式壓力校驗儀作為標(biāo)準(zhǔn)壓力源,允差為 ± 0. 025% FS; 芬蘭貝美克斯公司生產(chǎn)的 MC6 過程測量儀作為信號源和數(shù)字萬用表進(jìn)行電信號測量,允差為 ± 0. 02% 讀數(shù),校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表 8。
表 8 分離校準(zhǔn)法校準(zhǔn)數(shù)據(jù)
 
將系統(tǒng)校準(zhǔn)法和分離校準(zhǔn)法的誤差進(jìn)行比對,如圖 6 所示。
圖 6 系統(tǒng)校準(zhǔn)法和分離校準(zhǔn)法的誤差比對圖
通過實驗驗證系統(tǒng)校準(zhǔn)法的示值誤差與分離校準(zhǔn)法的累加誤差是基本一致的,對熱壓罐壓力真空系統(tǒng)的校準(zhǔn)可以認(rèn)為是等同的。
4 結(jié)論
由于熱壓罐壓力真空系統(tǒng)控制性能不好會導(dǎo)致多余的孔隙發(fā)生壓縮、破碎并溶解在基體中,從而得到低孔隙含量的復(fù)合材料,會直接影響到復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐濕熱性能,因此它是復(fù)合材料工藝過程中的重要控制參數(shù)。按照分離校準(zhǔn)法校準(zhǔn)壓力真空系統(tǒng)從質(zhì)量方面考慮擴(kuò)大了較大允許誤差,從生產(chǎn)成本上考慮增加了標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備,同時也增加了人工成本和校準(zhǔn)復(fù)雜性; 而壓力真空系統(tǒng)校準(zhǔn)法則覆蓋了整個壓力真空量程,能夠全面反應(yīng)壓力真空系統(tǒng)的真實準(zhǔn)確度。
 
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