基于某型計程儀測試系統要求的高精度液壓發生裝置研究

吳永明 聞琦

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

0 引言

圖1所示的是計程儀測試系統總框圖，在圖1的總框圖中，本文研究的主要內容是設計一部適合計程儀中修內場調試需求的液壓壓力發生裝置，如圖1中粗線框圖所示內容，包括對電磁閥和泵機的控制；對事關壓力精度控制的液壓脈動、液壓沖擊和液壓滲漏進行分析和處置。

1 方案選擇

1.1 基于比例減壓閥控制的液壓發生裝置設計方案

該方案的液壓發生裝置由液壓油箱、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過加壓后送入比例溢流閥，比例溢流閥按照調節輸出壓力后分別輸入動壓與靜壓通道，比例減壓閥控制靜壓通道的降壓，以保證動靜壓差在設定范圍內。

圖1 某型計程儀測試系統總框圖

圖2 基于比例減壓閥液壓發生裝置結構圖

（1）方案的主要特點

A．工作介質（油液）始終是循環流動的，比例溢流閥、比例減壓閥依靠回油決定調節液壓力大小，調節液壓精度由比例溢流閥、比例減壓閥自身決定。

B．動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）結論

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

圖3 RZGO型比例減壓閥調壓特性曲線

1.2 基于電磁閥控制的液壓發生裝置設計方案

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

圖4 基于電磁閥液壓發生裝置結構圖

（1）方案的主要特點

A．工作介質（油液）在動靜壓調節完成后是靜止的，比例溢流閥依靠回油決定調節基礎液壓力大小，電磁閥控制動靜壓大小。

B．基礎壓力的大小是由比例溢流閥決定的，而動靜壓壓力的大小由電磁閥調節決定。

（2）實現性能指標分析

從理論上說，由于比例溢流閥能夠滿足高壓情況下的系統需求，而電磁閥僅僅是起到進入動靜壓通道內油液質量的作用，調節完成后動靜壓是靜止的，最大工作壓力范圍在10Mpa以上，精度能達到±0.2KPa的壓差精度要求，能夠滿足系統要求。

2 液壓發生裝置實現

2.1 液壓脈動、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、液壓沖擊、液壓滲漏，下面將分別進行研究，以找到解決的方法。

（1）液壓脈動處置

液壓脈動主要是液壓泵工作時密閉的工作容積發生周期性變化產生流量脈動，在管道阻力作用下形成壓力脈動。液壓脈動的強度與液壓泵轉速、管路長度、電磁閥開合操作等情況有關聯，影響因素比較復雜。液壓脈動的不確定性對控制動靜壓差值有較大影響，需要采取有效措施減少液壓脈動的影響[2]。壓力發生裝置采用的液壓脈動處置措施如下：

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

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

C. 在整個調壓過程中進行液壓差監控，發現超過規定的現象立即關閉液壓泵并打開所有電磁閥門。

（2）液壓沖擊處置

壓力發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，在基礎加壓過程中始終打開動靜壓管路之間連通閥可以有效減少液壓沖擊；

C．盡量保證在控制產生動靜壓差值的時候，電磁閥前后液壓差值盡可能地小，控制通過電磁閥的壓力和流量來減緩電磁閥換向（關閉）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定范圍。壓力發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量，減少管路泄漏點；

B．在整個調壓過程中進行液壓差監控，發現超過規定的現象立即關閉液壓泵并打開所有電磁閥門；

C．對元件等接合面O形圈溝槽進行精加工，嚴格控制深度尺寸，提高溝槽底平面及安裝平面的粗糙度、清潔度，消除密封面不嚴的現象。

2.2 液壓發生裝置主要器件選擇

（1）液壓泵選擇

通過前面分析，液壓發生裝置采用的液壓泵為變量式葉片泵，排量較小為宜。液壓泵選用臺灣達眾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，實際設計中，電磁球閥選用日本KANEKO電磁閥M15DG，防爆，耐腐蝕，壽命＞10000次，無滲漏時間＞500 h。

（3）蓄能器選擇

系統應選擇充氣皮囊式蓄能器，既保證有很好的吸波特性，又適當增加了阻尼。對蓄能器進行計算，吸收液壓脈動的蓄能器選用德國海德克 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 液壓泵電機控制原理圖

（2）電磁閥控制

液壓發生裝置動、靜壓值是由動靜壓管路內液體質量決定的，即質量越大，壓力越大。進油電磁閥打開時間越長，相應管路內液壓壓力越大；回油電磁閥打開時間越長，相應管路內液壓壓力越小。

A．通過動壓進油電磁閥與動壓回油電磁閥的開合時間決定動壓值大小。

B．通過靜壓進油電磁閥與靜壓回油電磁閥的開合時間決定動壓值大小。

設計采用的電磁閥控制電路如圖6所示。

2.4 液壓控制方法

影響測試系統安全因素主要有兩個方面：對計程儀的損壞；由管路破損等造成高壓對工作人員、測試環境的損壞。保證動靜壓差在規定范圍內顯然是研究的重點之一。

2.4.1 控制動靜壓差產生方法

（1）電磁閥打開時間與動靜壓差關系

電磁閥打開后，進出動靜壓管道內液體流

量公式如（1）所示：

圖6 電磁閥控制原理圖

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

單位時間內t△，進出動靜壓管道內液體質量G如式（2）所示：

從式（2）可以得出結論，單個通道內的液壓壓力由電磁閥閥口壓差P△與電磁閥打開時間決定。由于液壓發生裝置結構較為簡單，可以不連接被測儀器單獨進行測試，所以，通過記錄P△與t△的實驗確定需要的控制數據。

（2）控制壓差產生方法

控制壓差產生最大的問題是壓差數值必須在規定的安全范圍內，即在一定的P△下t△必須有限制。具體調節步驟的方法要點如下：

A．首先打開連通閥，調節基礎壓力盡量與溢流閥后壓力差值在較小的差值內。

B．關閉連通閥，首先打開動壓進油電磁閥進油，增加動壓來增加液壓差，同時防止了出現負壓力；超調后通過打開靜壓進油電磁閥進油來減少壓差。

（3）調節參數

A．密封性測試過程中，由于不要求有壓差，所以在連通閥打開的情況下，粗調、細調是動靜壓通道同時打開，打開時間均為 100 ms，測量間隔為1000 ms，溢流閥后壓力設定為3.2 MPa，粗調壓力設置范圍為5%，細調壓力設置范圍為1%。

B. 調速測試過程中，在連通閥關閉的情況下，粗調、細調是動、靜壓通道分別打開關閉，打開時間分別為10 ms和1 ms，測量間隔為50 ms，溢流閥后壓力設定為1.00 MPa，粗調壓力設置范圍為3%，細調壓力設置范圍為0.5%。

2.4.2 基于系統安全液壓控制方法

（1） 最大允許液壓差控制

A．硬件設計

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

（Ⅱ）分別設置了油液和水壓兩個連通閥，即進一步減少了液壓差值，又防止了電磁閥出現故障時液壓差值超過規定。

B．調壓流程設計

測試系統主要進行密封性與調速兩個功能測試，其中，密封性測試不需要產生液壓差，通過硬件設計即能夠達到；調速測試需要產生高精度液壓差，系統通過將調壓流程分為產生基礎壓力和調節壓差值兩個步驟來實現。

（2）最小允許液壓差控制

A．最小允許液壓差控制控制要點為：

（Ⅰ）產生液壓差通過靜壓回油實現。

（Ⅱ）任何時間測試液壓差值小于-10KPa即啟動保護流程。

B．故障情況液壓控制

（Ⅰ）液壓泵工作前，打開連通閥，電磁閥不通電，判斷動靜壓值應在規定范圍內。

（Ⅱ）液壓泵工作，打開連通閥，電磁閥通電，判斷動靜壓值應在規定范圍內，電磁閥在工作狀態。

(3)密封性測試液壓控制方法

A．液壓泵出口壓力限定

根據系統設計輸出要求，將比例溢流閥輸出設定為3.2 MPa。

B. 調壓算法

以產生 300 m水深壓力為例，計算壓力P=2.963 MPa，調節精度為±0.05 MPa。粗調范圍為：2.815～3.111 MPa，調節步長為100 ms，測量間隔時間為 1000 ms。；細調范圍為：2.933～2.9926 MPa，調節步長為100 ms，測量間隔時間為1000 ms。

3 液壓發生裝置測試結果

測試系統液壓發生裝置研制后經進廠中修的某艇計程儀反復調試，測試得到的壓差值如表1所示，表明壓力系統產生的壓差均符合設計要求，完全能滿足計程儀動態調整對壓差的需求。

表1 某艇測速試驗表

4 高壓條件下的密封性和安全性測試

系統能產生相當于 300米水深穩定的壓力，具備對波紋管、油水分離腔室、液壓管路的密封和安全性檢測功能，對某艇的具體高壓試驗得到的數據如表2所示。

表2 某艇高壓測試數據表

由表2可以看出測試系統能夠產生穩定的相當于300 m水深壓力的高壓對計程儀進行高壓測試。

5 總結

本文根據某型水壓計程儀內場中修，設計并實現了一套某型計程儀測試系統的液壓發生裝置。選擇了基于電磁閥控制的液壓發生裝置設計方案，確定設計方案后對構成構成液壓發生裝置的各主要部件的工作原理、性能指標分別進行分析比較，確定了適合系統的元部件。提出預防消除和減少影響的措施，并根據液壓發生裝置特點選擇適用措施予以應用。提出液壓發生的基本控制方法和參數要求。計程儀測試系統設計實現后進行了高壓密封性、各速度點測速等各項性能指標測試和驗證，檢測的各項指標均達到預期的設計要求，成功地應用于某引進型潛艇水壓計程儀首輪首次的內場中修。測試系統經過反復測試和驗證，完全能滿足計程儀內場中修的要求。

[1]陳奎生, 曾良才, 邵瑤琴. 高精度多功能液壓試驗臺研制. 武漢科技大學學報（自然科學版）,1997, (03).

[2]祁仁俊, 液壓系統壓力脈動的機理. 同濟大學學報（自然科學版）, 2001, 29（9）.

[3]王琳．蓄能器基本參數確定及其特性對液壓系統的影響. [J]．陶瓷， 2005, 5：40-43.