基于某型計(jì)程儀測(cè)試系統(tǒng)要求的高精度液壓發(fā)生裝置研究

吳永明 聞琦

（1. 海軍902廠，上海 200080；2. 92380部隊(duì)裝備部，海南三亞 576000）

0 引言

圖1所示的是計(jì)程儀測(cè)試系統(tǒng)總框圖，在圖1的總框圖中，本文研究的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)一部適合計(jì)程儀中修內(nèi)場(chǎng)調(diào)試需求的液壓壓力發(fā)生裝置，如圖1中粗線框圖所示內(nèi)容，包括對(duì)電磁閥和泵機(jī)的控制；對(duì)事關(guān)壓力精度控制的液壓脈動(dòng)、液壓沖擊和液壓滲漏進(jìn)行分析和處置。

1 方案選擇

1.1 基于比例減壓閥控制的液壓發(fā)生裝置設(shè)計(jì)方案

該方案的液壓發(fā)生裝置由液壓油箱、液壓泵、比例溢流閥、比例減壓閥等組成，如圖 2所示。

液壓泵將油液從液壓箱中抽出并經(jīng)過(guò)加壓后送入比例溢流閥，比例溢流閥按照調(diào)節(jié)輸出壓力后分別輸入動(dòng)壓與靜壓通道，比例減壓閥控制靜壓通道的降壓，以保證動(dòng)靜壓差在設(shè)定范圍內(nèi)。

圖1 某型計(jì)程儀測(cè)試系統(tǒng)總框圖

圖2 基于比例減壓閥液壓發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)圖

（1）方案的主要特點(diǎn)

A．工作介質(zhì)（油液）始終是循環(huán)流動(dòng)的，比例溢流閥、比例減壓閥依靠回油決定調(diào)節(jié)液壓力大小，調(diào)節(jié)液壓精度由比例溢流閥、比例減壓閥自身決定。

B．動(dòng)壓壓力的大小是由比例溢流閥決定的，而靜壓壓力的大小是由比例溢流閥和比例減壓閥共同決定的。

（2）結(jié)論

該方案優(yōu)點(diǎn)在于控制容易，在高壓（＞3MPa）條件下可以滿足最大壓力測(cè)試需求，其調(diào)壓特性曲線存在死區(qū)，以RZGO型比例減壓閥為例，如圖3所示：該方案無(wú)法滿足±0.2 kPa的壓差精度需求。所以不能被測(cè)試系統(tǒng)所采用[1]。

圖3 RZGO型比例減壓閥調(diào)壓特性曲線

1.2 基于電磁閥控制的液壓發(fā)生裝置設(shè)計(jì)方案

該方案液壓發(fā)生裝置由液壓油箱、液壓泵、比例溢流閥、電磁閥等組成，如圖4所示。

圖4 基于電磁閥液壓發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)圖

（1）方案的主要特點(diǎn)

A．工作介質(zhì)（油液）在動(dòng)靜壓調(diào)節(jié)完成后是靜止的，比例溢流閥依靠回油決定調(diào)節(jié)基礎(chǔ)液壓力大小，電磁閥控制動(dòng)靜壓大小。

B．基礎(chǔ)壓力的大小是由比例溢流閥決定的，而動(dòng)靜壓壓力的大小由電磁閥調(diào)節(jié)決定。

（2）實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)分析

從理論上說(shuō)，由于比例溢流閥能夠滿足高壓情況下的系統(tǒng)需求，而電磁閥僅僅是起到進(jìn)入動(dòng)靜壓通道內(nèi)油液質(zhì)量的作用，調(diào)節(jié)完成后動(dòng)靜壓是靜止的，最大工作壓力范圍在10Mpa以上，精度能達(dá)到±0.2KPa的壓差精度要求，能夠滿足系統(tǒng)要求。

2 液壓發(fā)生裝置實(shí)現(xiàn)

2.1 液壓脈動(dòng)、液壓沖擊、液壓滲漏的處置

影響液壓控制精度的主要因素有液壓脈動(dòng)、液壓沖擊、液壓滲漏，下面將分別進(jìn)行研究，以找到解決的方法。

（1）液壓脈動(dòng)處置

液壓脈動(dòng)主要是液壓泵工作時(shí)密閉的工作容積發(fā)生周期性變化產(chǎn)生流量脈動(dòng)，在管道阻力作用下形成壓力脈動(dòng)。液壓脈動(dòng)的強(qiáng)度與液壓泵轉(zhuǎn)速、管路長(zhǎng)度、電磁閥開(kāi)合操作等情況有關(guān)聯(lián)，影響因素比較復(fù)雜。液壓脈動(dòng)的不確定性對(duì)控制動(dòng)靜壓差值有較大影響，需要采取有效措施減少液壓脈動(dòng)的影響[2]。壓力發(fā)生裝置采用的液壓脈動(dòng)處置措施如下：

A. 測(cè)試系統(tǒng)采用低速葉片泵，管路的液體流速控制在較低的速度可以減少液壓脈動(dòng)；

B. 液壓脈動(dòng)特征主要為低頻脈動(dòng)，采用在液壓泵的動(dòng)靜壓出口處分別設(shè)置蓄能器，能夠有效減少液壓脈動(dòng)；

C. 在整個(gè)調(diào)壓過(guò)程中進(jìn)行液壓差監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)超過(guò)規(guī)定的現(xiàn)象立即關(guān)閉液壓泵并打開(kāi)所有電磁閥門(mén)。

（2）液壓沖擊處置

壓力發(fā)生裝置采用的液壓沖擊處置措施如下：

A．從硬件組成上考慮，在動(dòng)靜壓管路后的電磁閥分別安裝蓄能器；

B．采用液壓軟管，在基礎(chǔ)加壓過(guò)程中始終打開(kāi)動(dòng)靜壓管路之間連通閥可以有效減少液壓沖擊；

C．盡量保證在控制產(chǎn)生動(dòng)靜壓差值的時(shí)候，電磁閥前后液壓差值盡可能地小，控制通過(guò)電磁閥的壓力和流量來(lái)減緩電磁閥換向（關(guān)閉）速度，減小液壓沖擊。

（3）液壓滲漏處置

液壓滲漏主要造成液壓差不容易保持，極端情況下可能造成液壓差超出規(guī)定范圍。壓力發(fā)生裝置采用減少液壓滲漏的處置措施如下：

A．盡量減少油路管接頭及法蘭的數(shù)量，減少管路泄漏點(diǎn)；

B．在整個(gè)調(diào)壓過(guò)程中進(jìn)行液壓差監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)超過(guò)規(guī)定的現(xiàn)象立即關(guān)閉液壓泵并打開(kāi)所有電磁閥門(mén)；

C．對(duì)元件等接合面O形圈溝槽進(jìn)行精加工，嚴(yán)格控制深度尺寸，提高溝槽底平面及安裝平面的粗糙度、清潔度，消除密封面不嚴(yán)的現(xiàn)象。

2.2 液壓發(fā)生裝置主要器件選擇

（1）液壓泵選擇

通過(guò)前面分析，液壓發(fā)生裝置采用的液壓泵為變量式葉片泵，排量較小為宜。液壓泵選用臺(tái)灣達(dá)眾VP-15變量葉片泵，排量為15 ml/r，最大輸出壓力為12 MPa，壓力輸出穩(wěn)定。

（2）電磁閥選擇

電磁閥選擇考慮的主要因素是防滲漏和工作壽命，實(shí)際設(shè)計(jì)中，電磁球閥選用日本KANEKO電磁閥M15DG，防爆，耐腐蝕，壽命＞10000次，無(wú)滲漏時(shí)間＞500 h。

（3）蓄能器選擇

系統(tǒng)應(yīng)選擇充氣皮囊式蓄能器，既保證有很好的吸波特性，又適當(dāng)增加了阻尼。對(duì)蓄能器進(jìn)行計(jì)算，吸收液壓脈動(dòng)的蓄能器選用德國(guó)海德克 15L皮囊式蓄能器，充氣壓力為 0.7 MPa，吸收液壓沖擊的蓄能器選用德國(guó)海德克10 L皮囊式蓄能器，充氣壓力為0.7 MPa。[3]。

2.3 液壓發(fā)生裝置主要器件控制

（1）液壓泵控制

液壓泵采用控制電路如圖5所示。

圖5 液壓泵電機(jī)控制原理圖

（2）電磁閥控制

液壓發(fā)生裝置動(dòng)、靜壓值是由動(dòng)靜壓管路內(nèi)液體質(zhì)量決定的，即質(zhì)量越大，壓力越大。進(jìn)油電磁閥打開(kāi)時(shí)間越長(zhǎng)，相應(yīng)管路內(nèi)液壓壓力越大；回油電磁閥打開(kāi)時(shí)間越長(zhǎng)，相應(yīng)管路內(nèi)液壓壓力越小。

A．通過(guò)動(dòng)壓進(jìn)油電磁閥與動(dòng)壓回油電磁閥的開(kāi)合時(shí)間決定動(dòng)壓值大小。

B．通過(guò)靜壓進(jìn)油電磁閥與靜壓回油電磁閥的開(kāi)合時(shí)間決定動(dòng)壓值大小。

設(shè)計(jì)采用的電磁閥控制電路如圖6所示。

2.4 液壓控制方法

影響測(cè)試系統(tǒng)安全因素主要有兩個(gè)方面：對(duì)計(jì)程儀的損壞；由管路破損等造成高壓對(duì)工作人員、測(cè)試環(huán)境的損壞。保證動(dòng)靜壓差在規(guī)定范圍內(nèi)顯然是研究的重點(diǎn)之一。

2.4.1 控制動(dòng)靜壓差產(chǎn)生方法

（1）電磁閥打開(kāi)時(shí)間與動(dòng)靜壓差關(guān)系

電磁閥打開(kāi)后，進(jìn)出動(dòng)靜壓管道內(nèi)液體流

量公式如（1）所示：

圖6 電磁閥控制原理圖

式中：qv表示 通過(guò)節(jié)流口的流量；A0表示節(jié)流口的通流面積；?P表示節(jié)流口前后的壓力差；k表示流量系數(shù)，隨節(jié)流口的形式和油液的粘度而變化；n表示節(jié)流口形式參數(shù)，一般在0.5～1之間，節(jié)流路程短時(shí)取小值，節(jié)流路程長(zhǎng)時(shí)取大值。

單位時(shí)間內(nèi)t△，進(jìn)出動(dòng)靜壓管道內(nèi)液體質(zhì)量G如式（2）所示：

從式（2）可以得出結(jié)論，單個(gè)通道內(nèi)的液壓壓力由電磁閥閥口壓差P△與電磁閥打開(kāi)時(shí)間決定。由于液壓發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，可以不連接被測(cè)儀器單獨(dú)進(jìn)行測(cè)試，所以，通過(guò)記錄P△與t△的實(shí)驗(yàn)確定需要的控制數(shù)據(jù)。

（2）控制壓差產(chǎn)生方法

控制壓差產(chǎn)生最大的問(wèn)題是壓差數(shù)值必須在規(guī)定的安全范圍內(nèi)，即在一定的P△下t△必須有限制。具體調(diào)節(jié)步驟的方法要點(diǎn)如下：

A．首先打開(kāi)連通閥，調(diào)節(jié)基礎(chǔ)壓力盡量與溢流閥后壓力差值在較小的差值內(nèi)。

B．關(guān)閉連通閥，首先打開(kāi)動(dòng)壓進(jìn)油電磁閥進(jìn)油，增加動(dòng)壓來(lái)增加液壓差，同時(shí)防止了出現(xiàn)負(fù)壓力；超調(diào)后通過(guò)打開(kāi)靜壓進(jìn)油電磁閥進(jìn)油來(lái)減少壓差。

（3）調(diào)節(jié)參數(shù)

A．密封性測(cè)試過(guò)程中，由于不要求有壓差，所以在連通閥打開(kāi)的情況下，粗調(diào)、細(xì)調(diào)是動(dòng)靜壓通道同時(shí)打開(kāi)，打開(kāi)時(shí)間均為 100 ms，測(cè)量間隔為1000 ms，溢流閥后壓力設(shè)定為3.2 MPa，粗調(diào)壓力設(shè)置范圍為5%，細(xì)調(diào)壓力設(shè)置范圍為1%。

B. 調(diào)速測(cè)試過(guò)程中，在連通閥關(guān)閉的情況下，粗調(diào)、細(xì)調(diào)是動(dòng)、靜壓通道分別打開(kāi)關(guān)閉，打開(kāi)時(shí)間分別為10 ms和1 ms，測(cè)量間隔為50 ms，溢流閥后壓力設(shè)定為1.00 MPa，粗調(diào)壓力設(shè)置范圍為3%，細(xì)調(diào)壓力設(shè)置范圍為0.5%。

2.4.2 基于系統(tǒng)安全液壓控制方法

（1） 最大允許液壓差控制

A．硬件設(shè)計(jì)

（Ⅰ）分別設(shè)置了吸收液壓脈動(dòng)的蓄能器和吸收液壓沖擊的蓄能器，增長(zhǎng)了液體流動(dòng)管路的距離，避免了出現(xiàn)不可控制的大液壓差的情況出現(xiàn)。

（Ⅱ）分別設(shè)置了油液和水壓兩個(gè)連通閥，即進(jìn)一步減少了液壓差值，又防止了電磁閥出現(xiàn)故障時(shí)液壓差值超過(guò)規(guī)定。

B．調(diào)壓流程設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)主要進(jìn)行密封性與調(diào)速兩個(gè)功能測(cè)試，其中，密封性測(cè)試不需要產(chǎn)生液壓差，通過(guò)硬件設(shè)計(jì)即能夠達(dá)到；調(diào)速測(cè)試需要產(chǎn)生高精度液壓差，系統(tǒng)通過(guò)將調(diào)壓流程分為產(chǎn)生基礎(chǔ)壓力和調(diào)節(jié)壓差值兩個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（2）最小允許液壓差控制

A．最小允許液壓差控制控制要點(diǎn)為：

（Ⅰ）產(chǎn)生液壓差通過(guò)靜壓回油實(shí)現(xiàn)。

（Ⅱ）任何時(shí)間測(cè)試液壓差值小于-10KPa即啟動(dòng)保護(hù)流程。

B．故障情況液壓控制

（Ⅰ）液壓泵工作前，打開(kāi)連通閥，電磁閥不通電，判斷動(dòng)靜壓值應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)。

（Ⅱ）液壓泵工作，打開(kāi)連通閥，電磁閥通電，判斷動(dòng)靜壓值應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)，電磁閥在工作狀態(tài)。

(3)密封性測(cè)試液壓控制方法

A．液壓泵出口壓力限定

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸出要求，將比例溢流閥輸出設(shè)定為3.2 MPa。

B. 調(diào)壓算法

以產(chǎn)生 300 m水深壓力為例，計(jì)算壓力P=2.963 MPa，調(diào)節(jié)精度為±0.05 MPa。粗調(diào)范圍為：2.815～3.111 MPa，調(diào)節(jié)步長(zhǎng)為100 ms，測(cè)量間隔時(shí)間為 1000 ms。；細(xì)調(diào)范圍為：2.933～2.9926 MPa，調(diào)節(jié)步長(zhǎng)為100 ms，測(cè)量間隔時(shí)間為1000 ms。

3 液壓發(fā)生裝置測(cè)試結(jié)果

測(cè)試系統(tǒng)液壓發(fā)生裝置研制后經(jīng)進(jìn)廠中修的某艇計(jì)程儀反復(fù)調(diào)試，測(cè)試得到的壓差值如表1所示，表明壓力系統(tǒng)產(chǎn)生的壓差均符合設(shè)計(jì)要求，完全能滿足計(jì)程儀動(dòng)態(tài)調(diào)整對(duì)壓差的需求。

表1 某艇測(cè)速試驗(yàn)表

4 高壓條件下的密封性和安全性測(cè)試

系統(tǒng)能產(chǎn)生相當(dāng)于 300米水深穩(wěn)定的壓力，具備對(duì)波紋管、油水分離腔室、液壓管路的密封和安全性檢測(cè)功能，對(duì)某艇的具體高壓試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 某艇高壓測(cè)試數(shù)據(jù)表

由表2可以看出測(cè)試系統(tǒng)能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的相當(dāng)于300 m水深壓力的高壓對(duì)計(jì)程儀進(jìn)行高壓測(cè)試。

5 總結(jié)

本文根據(jù)某型水壓計(jì)程儀內(nèi)場(chǎng)中修，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套某型計(jì)程儀測(cè)試系統(tǒng)的液壓發(fā)生裝置。選擇了基于電磁閥控制的液壓發(fā)生裝置設(shè)計(jì)方案，確定設(shè)計(jì)方案后對(duì)構(gòu)成構(gòu)成液壓發(fā)生裝置的各主要部件的工作原理、性能指標(biāo)分別進(jìn)行分析比較，確定了適合系統(tǒng)的元部件。提出預(yù)防消除和減少影響的措施，并根據(jù)液壓發(fā)生裝置特點(diǎn)選擇適用措施予以應(yīng)用。提出液壓發(fā)生的基本控制方法和參數(shù)要求。計(jì)程儀測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)后進(jìn)行了高壓密封性、各速度點(diǎn)測(cè)速等各項(xiàng)性能指標(biāo)測(cè)試和驗(yàn)證，檢測(cè)的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，成功地應(yīng)用于某引進(jìn)型潛艇水壓計(jì)程儀首輪首次的內(nèi)場(chǎng)中修。測(cè)試系統(tǒng)經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試和驗(yàn)證，完全能滿足計(jì)程儀內(nèi)場(chǎng)中修的要求。

[1]陳奎生, 曾良才, 邵瑤琴. 高精度多功能液壓試驗(yàn)臺(tái)研制. 武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,1997, (03).

[2]祁仁俊, 液壓系統(tǒng)壓力脈動(dòng)的機(jī)理. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）, 2001, 29（9）.

[3]王琳．蓄能器基本參數(shù)確定及其特性對(duì)液壓系統(tǒng)的影響. [J]．陶瓷， 2005, 5：40-43.