某大扭矩船用間接式閥位指示器測量誤差分析

張 宏, 劉佳康, 王守真, 雷宜達, 劉佳杭

(1.大連理工大學機械工程學院, 遼寧大連 116000; 2.大連船用閥門有限公司, 遼寧大連 116033)

引言

隨著船舶逐漸往大型化和現(xiàn)代化發(fā)展,船用閥門遙控系統(tǒng)廣泛用于各類艦船的壓載艙、船底艙輸水系統(tǒng)和燃油輸送系統(tǒng),并通過閥位指示器控制閥門的開關狀態(tài)和開度大小[1]。

閥門與執(zhí)行器一般為一體式安裝, 最直接的閥位測量方法就是把閥位指示器直接安裝在閥門執(zhí)行器上,可以直接測量閥門位置,并把測量信息通過電信號的形式傳遞到控制臺,這種方法測量精度高,但傳遞信號需要用到電纜,而在油船、化學品船等防爆場合不能采用電纜[2]。因此為了實現(xiàn)防爆要求,油船、化學品船等的閥門遙控系統(tǒng)一般使用間接式閥位測量技術[3],即閥位的測量和指示部分均安裝在距離閥門較遠的電磁閥箱內用測量元件測量控制回路中的液體體積、流向、壓力或流量等參數(shù),利用參數(shù)的變化間接反映所控制閥門的開閉位置和運動狀態(tài),并進行指示[4]。

隨著船舶閥門遙控系統(tǒng)工作壓力和控制油路管路長度的不斷增加,油液壓縮與相關因素對間接式閥位指示器測量精度的影響不可忽視[5]。因此,分析影響油液壓縮量的因素,計算不同工況下間接式閥位指示器測量精度,合理選擇間接式閥位指示器在控制油路上的安裝位置,對減小間接式閥位指示器測量誤差有重要意義[6]。

目前,有國內外的學者對間接式閥位指示器及其精度影響因素進行了相關的研究。萬會雄等[7]考慮了間接式閥位指示器的累計誤差問題,用磁電式傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械式傳感器,提升了測量精度。林焱[8]提出一種計量油缸型閥位指示器,相對計量馬達型閥位指示器的精度有所提高。張中榮等[9]提出一種壓力補償回路,改善了系統(tǒng)壓力對測量精度的影響,同時分析計算了不同管路長度和系統(tǒng)壓力下的油液壓縮量大小。德國PLEIGER公司使用標準流量計配合CCM模塊,特殊的自校準功能使CCM能夠控制任何所需的執(zhí)行器或其位置,不受其尺寸、工作壓力或線路參數(shù)影響,提升了測量精度。美國Emerson公司針對自己獨有的Damcos設計出了一款帶有壓力和溫度補償功能的間接式閥位指示器,可以匹配不同的執(zhí)行器尺寸和管路長度,測量誤差較小。通過閱讀、分析以上文獻可以發(fā)現(xiàn),盡管國內的研究者采用改進間接式閥位指示器結構的方法提高了一定精度,但目前對油液壓縮性方面的機理及影響分析不足,沒有定量分析油液壓縮對間接式閥位指示器測量誤差大小的影響。為突破關鍵元件國外技術壁壘,探討油液壓縮性對間接式閥位指示器測量誤差的影響問題具有重要意義。

本研究利用AMESim仿真軟件和油液壓縮特性方程分析影響油液有效體積彈性模量的因素,獲取油液在閥門開啟關閉過程中的有效體積彈性模量大小,從而計算得到間接式閥位指示器測量誤差大小,合理布置閥位指示器安裝位置,為船用間接式閥位指示器測量誤差的獲取及優(yōu)化提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 間接式閥位指示器工作原理

1.1 系統(tǒng)模型及工作原理

如圖1所示,船用閥門遙控系統(tǒng)由液壓泵站、電磁閥箱、控制臺、應急手搖泵和閥門等組成。間接式閥位指示器通常連接在液壓控制回路中并放置在離閥門較遠的電磁閥箱內,油液流經(jīng)間接式閥位指示器后,進入到控制回路,因此會產生一定的測量誤差[10]。

圖1 閥門遙控系統(tǒng)示意圖[11]Fig.1 Schematic diagram of valve remote control system

1.2 間接式閥位指示器模型及工作原理

如圖2所示,間接式閥位指示器由齒輪式容積流量計、液壓集成閥塊和閥位顯示裝置組成。間接式閥位指示器采用閥塊連接,這種連接方式的優(yōu)點是安裝簡便,在閥位指示器需要實現(xiàn)其他功能時,操作者可以直接在連接閥塊上連接相應的模塊。

圖2 間接式閥位指示器結構圖Fig.2 Structure diagram of indirect valve position indicator

間接式閥位指示器工作原理,如圖3所示,由容積式齒輪流量計通過測量流入或流出執(zhí)行器的實際流量,實現(xiàn)船舶上各種系統(tǒng)的閥位測量,并將流量計的旋轉運動通過磁性離合器傳遞到閥位顯示部分,可直接通過流量式閥位顯示進行機械指示,也可以轉換成電信號傳送至電氣控制臺予以處理,從而可以實現(xiàn)對整個閥門遙控系統(tǒng)的控制。電磁換向閥通過完成換向操作,控制閥門的開啟或關閉;調速閥用來調整液壓油的工作流量;液壓鎖則可用于防止油液逆流對閥位指示器精度產生的影響[12]。

圖3 間接式閥位指示器原理圖Fig.3 Schematic diagram of indirect valve position indicator

2 計算模型

2.1 閥位指示器測量精度影響因素

由于液壓油剛度很大(K=0.8-1.7×103MPa)[13]因此液壓油通常被認為不可壓縮,但隨著船舶向大型化方向發(fā)展,船舶的系統(tǒng)壓力、控制管路的長度也隨之增加,導致控制管路內油液壓縮容積往往大于液壓執(zhí)行器工作容積或占較大比例,這會嚴重影響閥位指示器測量的準確性。對間接式閥位指示器來說,測量精度尤為重要,因此有必要深入研究各種影響因素,以此提高間接式閥位指示器的精度[14]。

影響間接式閥位指示器精度的最主要因素就是閥門遙控系統(tǒng)控制回路產生的壓縮量,表示為:

(1)

式中, ΔV—— 壓力作用下的油液壓縮體積,mL

V—— 控制管路容積,mL

Δp—— 壓縮油液上的壓力,MPa

K—— 有效體積彈性模量,MPa

一般來說,用液壓系統(tǒng)控制管路內液壓油壓縮體積與液壓執(zhí)行器工作容積來表示閥位指示器的測量誤差,即:

(2)

式中,E—— 閥位指示器測量誤差

V1—— 液壓執(zhí)行器容積

根據(jù)式(2)可知,系統(tǒng)壓力、管路長度、油液有效體積彈性模量、執(zhí)行器容積都會對閥位指示器測量精度產生影響。具體來說,管路長度和系統(tǒng)壓力增加、執(zhí)行器容積和油液有效體積彈性模量減小分別會使V和Δp增加、V1和K減小,從而導致閥位指示器測量誤差增大。

在液壓系統(tǒng)工作過程中,執(zhí)行器常常處于運動狀態(tài),因此系統(tǒng)油液實際表現(xiàn)出的壓縮特性與靜態(tài)油液有所不同。這主要是因為油液的有效體積彈性模量是一個影響因素繁多且變化復雜的動態(tài)量,在不同系統(tǒng)工況下變化較大,其數(shù)值大小往往與工作壓力、油液溫度及含氣量、油液種類、容器剛度等有關。油液體積彈性模量是衡量流體剛度的指標,用以描述對一定體積的油液施加壓力變化所產生的體積變化ΔV,體積彈性模量可以表示為:

(3)

式中,V—— 封閉容腔的總體積

K—— 有效體積彈性模量

B—— 油液壓縮系數(shù)

負號是由于隨著壓力的增大,液壓油的體積便會減小,ΔV也會相應的呈現(xiàn)負值,因此必須引入一個負號,以使K為正值,此時稱式(3)為正割體積彈性模量[15]。

根據(jù)定義,空氣、純油和混合油的正割彈性模量Kg,Ko和Ke分別表示為:

(4)

(5)

(6)

將式(4)和式(5)代入式(6)中,進一步簡化Ke得:

(7)

通過式(7)可以看出,分析混合油中的氣體體積是確定有效彈性模量的關鍵步驟。油液中所含的氣體分為溶解氣體和游離氣體,溶解氣體溶解在油液中,游離氣體呈氣泡狀懸浮在油液中,對油液體積彈性模量有很大影響。油液有效體積彈性模量的變化就是油液中的游離氣體含量在不同的壓力、溫度和初始含氣量下不斷變化導致。

由上述可知,影響油液有效體積彈性模量的因素主要是油液中的空氣含量,而油液中的空氣含量受壓力、溫度和初始含氣量的影響。此外,油液的種類也會對油液有效體積彈性模量產生影響。

2.2 AMESim仿真模型建立

為便于在AMESim仿真軟件中對液壓油有效體積彈性模量進行數(shù)值分析,本研究所采用模型對閥門遙控系統(tǒng)液壓回路進行了簡化處理,以形成關于間接式閥位指示器測量誤差大小的數(shù)據(jù)分析模型。電磁閥箱中只保留電磁換向閥和間接式閥位指示器,同時,用齒輪齒條中齒輪的角位移來模擬蝶閥的開啟和關閉,齒輪的角位移為90°時閥門全開。AMESim中的簡化模型如圖4所示。

圖4 AMESim閥門遙控系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic diagram of AMESim valve remote control system

根據(jù)閥門扭矩大小和液壓缸的相應參數(shù),確定負載力F大小,開啟閥門所需扭矩為22000 N·m,執(zhí)行器中齒輪齒條中心距為90 mm,求負載力大小:

(8)

求得外負載大小后,根據(jù)閥門開關一次的時間求出泵最小排量Q和系統(tǒng)壓力大小p:

(9)

(10)

根據(jù)調節(jié)過程,設置仿真參數(shù)如表1所示。

表1 閥門遙控系統(tǒng)部分參數(shù)表Tab.1 Partial parameter table of valve remote control system

圓柱齒輪流量計與齒輪泵和齒輪馬達等結構相類似,但在AMESim中沒有圓柱齒輪流量計的模型,因此可以用外嚙合齒輪泵的模型來代替齒輪流量計。齒輪流量計與齒輪泵及齒輪馬達的不同之處在于其不需要輸出扭矩和太高的壓力、 通過齒輪流量計后液流的壓力損失也要遠小于齒輪泵,因此要給齒輪流量計設置一個較小的轉動慣量,如圖5所示。

圖5 齒輪流量計等效模型Fig.5 Equivalent model of gear flowmeter

3 有效彈性模量影響因素分析

油液產生壓縮量的原因在于溶解在油液中的空氣在系統(tǒng)壓力或者溫度作用下又重新變?yōu)樽杂蓺怏w,使得原本油液的體積減小。通過對式(7)的分析可知,油液中的氣體含量是影響有效彈性模量大小、導致油液產生壓縮體積的最主要因素,而油液中氣體含量受初始含氣量、系統(tǒng)壓力、油液溫度三個因素共同影響。本節(jié)主要是利用AMESim仿真軟件得到閥位指示器測量誤差在不同系統(tǒng)工況下的變化趨勢。圖6、圖7分別給出了在不同初始含氣量下,有效彈性模量隨壓力和溫度變化的仿真結果。

圖6 不同含氣量下,有效體積彈性模量隨壓力變化曲線Fig.6 Variation curve of effective bulk modulus of elasticity with pressure under different gas content

圖7 不同含氣量下,有效體積彈性模量隨溫度變化曲線Fig.7 Variation curve of effective bulk modulus of elasticity with temperature under different gas content

3.1 恒溫下測量誤差變化趨勢

從圖6可以看出,有效體積彈性模量隨著初始含氣量的改變產生明顯變化,特別是在液壓系統(tǒng)經(jīng)常使用的0～10 MPa的低壓區(qū)間,有效體積彈性模量隨著初始含氣量的增加大幅下降。當液壓油壓力大于10 MPa 時,隨著壓力的增加,初始含氣量的改變對于有效體積彈性模量值的影響反而越來越低。比如液壓油壓力為2 MPa時,隨著初始含氣量從0.1%增加到2%,有效體積彈性模量模型從1581 MPa下降到668 MPa,減小為原來的42%;而在液壓油壓力為15 MPa時,相同的條件下,有效體積彈性模量減小為原來的95.5%。在閉式液壓系統(tǒng)中,可以通過提高系統(tǒng)壓力來增加有效體積彈性模量大小;對初始含氣量低的油液,提升效果則更加顯著。

表2給出了溫度為40 ℃時,不同壓力下初始含氣量對間接式閥位指示器誤差變化的影響。當系統(tǒng)壓力為4 MPa時,初始含氣量從0.05%變化到5%,E的變化量為14.5%;當系統(tǒng)壓力為12 MPa時,初始含氣量從0.05%變化到5%,E的變化量為2.6%;當系統(tǒng)壓力為20 MPa時, 初始含氣量從0.05%變化到5%, E的變化量為2%。這說明隨著壓力的增大,初始含氣量對E的影響越來越小,且存在一個壓力值K1,當系統(tǒng)壓力大于K1,初始含氣量對E的影響較小。

表2 不同壓力下間接式閥位指示器測量誤差與初始含氣量關系(40 ℃)Tab.2 Relationship between measurement error of indirect valve position indicator and initial gas content under different pressures (40 ℃)

根據(jù)式(4)及表2,在含氣量一定的情況下,系統(tǒng)壓力增大雖然會使油液有效體積彈性模量增加,但同時會增加控制油路壓差Δp,從而產生較大的測量誤差。

3.2 恒壓下測量誤差變化趨勢

設置系統(tǒng)壓力恒定為9 MPa,在不同的初始含氣量情況下,改變油液溫度,觀察油液有效體積彈性模量的變化情況。

從圖7可以看出,當g=5%時,溫度從10 ℃上升到90 ℃,有效體積彈性模量從1316.2 MPa下降到1237.5 MPa,減小了6%;當g=0.1%時,溫度從10 ℃上升到90 ℃,有效體積彈性模量從1690.6 MPa下降到1688 MPa,減小了0.2%。這說明在相同的含氣量下,油液的有效體積彈性模量隨溫度的增加逐漸降低,且其變化隨著含氣量的增加逐漸顯著。當含氣量小于一定值時,溫度對油液有效體積彈性模量的影響可以忽略不計。

基于表3,在初始含氣量分別為0.1%, 1%, 5%的情況下,通過逐步調整溫度從10 ℃上升到90 ℃,可以觀測到測量誤差E逐漸增加,增加的值分別為0.04%, 0.37%, 2.14%。這說明在低含氣量下,溫度對測量誤差E的影響較小。

表3 不同溫度下間接式閥位指示器測量誤差與初始含氣量關系(9 MPa)Tab.3 Relationship between measurement error of indirect valve position indicator and initial gas content at different temperatures (9 MPa)

同時,在溫度分別為10 ℃, 50 ℃, 90 ℃時,含氣量從0.1%增加到5%,測量誤差逐漸增加,增加的值分別為7.45%, 8.53%, 9.55%,故在低溫下的測量精度受初始含氣量影響較小。

基于以上分析,油液中的空氣含量對油液有效體積彈性模量及間接式閥位指示器測量精度影響顯著,而油液中的空氣含量又取決于初始含氣量、系統(tǒng)壓力、溫度,其中溫度對測量誤差影響最小,系統(tǒng)壓力對測量誤差影響最大。在實際的閥門遙控系統(tǒng)中,降低溫度和初始含氣量都會使有效體積彈性模量增加,進而減小間接式閥位指示器測量誤差;此外,降低壓力導致有效體積彈性模量降低的同時也會減小控制油路兩端的壓差,同樣也能達到減小閥位指示器測量誤差的效果。

3.3 間接式閥位指示器安裝位置

本節(jié)主要探究間接式閥位指示器安裝至控制油路的不同位置對閥門遙控系統(tǒng)測量精度的影響。閥門開啟和關閉分為2個階段:油液壓縮階段和執(zhí)行器動作階段。壓縮階段是指油液隨著系統(tǒng)壓力升高逐漸被壓縮,對于進油回路來說,在油液壓縮階段時管路內油液受到壓力和系統(tǒng)壓力相同,而回油路油液只需克服回油背壓大小,如圖8所示。

圖8 油液壓縮原理圖Fig.8 Schematic diagram of oil compression

由表2可知,控制油路兩端壓差越大,間接式閥位指示器測量誤差越大。為了讓間接式閥位指示器在閥門開啟或者關閉的過程中始終處在回油回路上,可以在AMESim中搭建一個三位六通電磁閥,以此作為閥位指示器的溫度壓力補償模塊(PTC),該模塊可以直接和間接式閥位指示器的連接閥塊相連,且與電磁換向閥始終保持同向,從而能夠保證無論在開啟還是關閉閥門的狀態(tài)下,閥位指示器始終在回油路上進行測量,以減小測量誤差的大小。此外,PTC還能實現(xiàn)一定的溫度補償,在執(zhí)行器沒有動作時,由于溫度改變而造成油液的壓縮或者膨脹所產生的多余液流可以繞過閥位指示器,以此來降低閥位指示器的初始誤差。PTC的安裝位置如圖9所示。

圖9 間接式閥位指示器原理圖Fig.9 schematic diagram of indirect valve position indicator

在相同系統(tǒng)壓力下,進油路和回油路兩端的壓差大小不同,下表4列出了閥位指示器分別安裝在進油路和回油路上的測量誤差大小。

表4 進回油路測量誤差表Tab.4 Measurement error table of inlet and return oil circuit

由表4可知,將間接式閥位指示器安裝在回油路能大大降低閥門遙控系統(tǒng)測量誤差,特別是在較高的系統(tǒng)壓力下。在初始含氣量一定的情況下,溫度和壓力都會使閥位指示器產生較大的測量誤差,由于壓力的作用,間接式閥位指示器安裝在回油路所產生的測量誤差遠遠小于將其安裝在進油回路。如當閥門扭矩為22000 N·m時,系統(tǒng)壓力為12 MPa,進油路有效體積彈性模量為1687.6 MPa, 此時回油路背壓僅為0.9 MPa,回油路有效體積彈性模量為1299.9 MPa,進油路和回油路測量誤差相差28.7%。

4 結論

(1) 利用AMESim仿真軟件和油液壓縮特性方程,計算得到了不同工況下間接式閥位指示器的測量誤差大小,使船用閥門遙控系統(tǒng)能更準確的控制和檢測閥門的開度大小,實現(xiàn)了船舶的智能化;

(2) 分析了影響間接式閥位指示器測量精度的因素,結果表明,液壓系統(tǒng)油液的初始含氣量、系統(tǒng)壓力、溫度都會影響閥位指示器的測量誤差,并且隨著含氣量、溫度的增加以及壓力的降低,測量誤差越來越大。當壓力≥12 MPa時,油液的初始含氣量從0.1%增加到5%,間接式閥位指示器的測量誤差變化量僅為2%左右;當初始含氣量≤1%,隨著溫度從10～90 ℃,間接式閥位指示器的測量誤差變化量≤0.37%;

(3) 通過閥位補償模塊使閥位指示器始終在控制回路回油路上測量,使得間接式閥位指示器測量誤差在不同系統(tǒng)壓力下減小10%～30%,增加了其適用范圍。