基于某型计程仪测试系统要求的高精度液压发生装置研究

吴永明 闻琦

（1. 海军902厂，上海 200080；2. 92380部队装备部，海南三亚 576000）

0 引言

图1所示的是计程仪测试系统总框图，在图1的总框图中，本文研究的主要内容是设计一部适合计程仪中修内场调试需求的液压压力发生装置，如图1中粗线框图所示内容，包括对电磁阀和泵机的控制；对事关压力精度控制的液压脉动、液压冲击和液压渗漏进行分析和处置。

1 方案选择

1.1 基于比例减压阀控制的液压发生装置设计方案

该方案的液压发生装置由液压油箱、液压泵、比例溢流阀、比例减压阀等组成，如图 2所示。

液压泵将油液从液压箱中抽出并经过加压后送入比例溢流阀，比例溢流阀按照调节输出压力后分别输入动压与静压通道，比例减压阀控制静压通道的降压，以保证动静压差在设定范围内。

图1 某型计程仪测试系统总框图

图2 基于比例减压阀液压发生装置结构图

（1）方案的主要特点

A．工作介质（油液）始终是循环流动的，比例溢流阀、比例减压阀依靠回油决定调节液压力大小，调节液压精度由比例溢流阀、比例减压阀自身决定。

B．动压压力的大小是由比例溢流阀决定的，而静压压力的大小是由比例溢流阀和比例减压阀共同决定的。

（2）结论

该方案优点在于控制容易，在高压（＞3MPa）条件下可以满足最大压力测试需求，其调压特性曲线存在死区，以RZGO型比例减压阀为例，如图3所示：该方案无法满足±0.2 kPa的压差精度需求。所以不能被测试系统所采用[1]。

图3 RZGO型比例减压阀调压特性曲线

1.2 基于电磁阀控制的液压发生装置设计方案

该方案液压发生装置由液压油箱、液压泵、比例溢流阀、电磁阀等组成，如图4所示。

图4 基于电磁阀液压发生装置结构图

（1）方案的主要特点

A．工作介质（油液）在动静压调节完成后是静止的，比例溢流阀依靠回油决定调节基础液压力大小，电磁阀控制动静压大小。

B．基础压力的大小是由比例溢流阀决定的，而动静压压力的大小由电磁阀调节决定。

（2）实现性能指标分析

从理论上说，由于比例溢流阀能够满足高压情况下的系统需求，而电磁阀仅仅是起到进入动静压通道内油液质量的作用，调节完成后动静压是静止的，最大工作压力范围在10Mpa以上，精度能达到±0.2KPa的压差精度要求，能够满足系统要求。

2 液压发生装置实现

2.1 液压脉动、液压冲击、液压渗漏的处置

影响液压控制精度的主要因素有液压脉动、液压冲击、液压渗漏，下面将分别进行研究，以找到解决的方法。

（1）液压脉动处置

液压脉动主要是液压泵工作时密闭的工作容积发生周期性变化产生流量脉动，在管道阻力作用下形成压力脉动。液压脉动的强度与液压泵转速、管路长度、电磁阀开合操作等情况有关联，影响因素比较复杂。液压脉动的不确定性对控制动静压差值有较大影响，需要采取有效措施减少液压脉动的影响[2]。压力发生装置采用的液压脉动处置措施如下：

A. 测试系统采用低速叶片泵，管路的液体流速控制在较低的速度可以减少液压脉动；

B. 液压脉动特征主要为低频脉动，采用在液压泵的动静压出口处分别设置蓄能器，能够有效减少液压脉动；

C. 在整个调压过程中进行液压差监控，发现超过规定的现象立即关闭液压泵并打开所有电磁阀门。

（2）液压冲击处置

压力发生装置采用的液压冲击处置措施如下：

A．从硬件组成上考虑，在动静压管路后的电磁阀分别安装蓄能器；

B．采用液压软管，在基础加压过程中始终打开动静压管路之间连通阀可以有效减少液压冲击；

C．尽量保证在控制产生动静压差值的时候，电磁阀前后液压差值尽可能地小，控制通过电磁阀的压力和流量来减缓电磁阀换向（关闭）速度，减小液压冲击。

（3）液压渗漏处置

液压渗漏主要造成液压差不容易保持，极端情况下可能造成液压差超出规定范围。压力发生装置采用减少液压渗漏的处置措施如下：

A．尽量减少油路管接头及法兰的数量，减少管路泄漏点；

B．在整个调压过程中进行液压差监控，发现超过规定的现象立即关闭液压泵并打开所有电磁阀门；

C．对元件等接合面O形圈沟槽进行精加工，严格控制深度尺寸，提高沟槽底平面及安装平面的粗糙度、清洁度，消除密封面不严的现象。

2.2 液压发生装置主要器件选择

（1）液压泵选择

通过前面分析，液压发生装置采用的液压泵为变量式叶片泵，排量较小为宜。液压泵选用台湾达众VP-15变量叶片泵，排量为15 ml/r，最大输出压力为12 MPa，压力输出稳定。

（2）电磁阀选择

电磁阀选择考虑的主要因素是防渗漏和工作寿命，实际设计中，电磁球阀选用日本KANEKO电磁阀M15DG，防爆，耐腐蚀，寿命＞10000次，无渗漏时间＞500 h。

（3）蓄能器选择

系统应选择充气皮囊式蓄能器，既保证有很好的吸波特性，又适当增加了阻尼。对蓄能器进行计算，吸收液压脉动的蓄能器选用德国海德克 15L皮囊式蓄能器，充气压力为 0.7 MPa，吸收液压冲击的蓄能器选用德国海德克10 L皮囊式蓄能器，充气压力为0.7 MPa。[3]。

2.3 液压发生装置主要器件控制

（1）液压泵控制

液压泵采用控制电路如图5所示。

图5 液压泵电机控制原理图

（2）电磁阀控制

液压发生装置动、静压值是由动静压管路内液体质量决定的，即质量越大，压力越大。进油电磁阀打开时间越长，相应管路内液压压力越大；回油电磁阀打开时间越长，相应管路内液压压力越小。

A．通过动压进油电磁阀与动压回油电磁阀的开合时间决定动压值大小。

B．通过静压进油电磁阀与静压回油电磁阀的开合时间决定动压值大小。

设计采用的电磁阀控制电路如图6所示。

2.4 液压控制方法

影响测试系统安全因素主要有两个方面：对计程仪的损坏；由管路破损等造成高压对工作人员、测试环境的损坏。保证动静压差在规定范围内显然是研究的重点之一。

2.4.1 控制动静压差产生方法

（1）电磁阀打开时间与动静压差关系

电磁阀打开后，进出动静压管道内液体流

量公式如（1）所示：

图6 电磁阀控制原理图

式中：qv表示 通过节流口的流量；A0表示节流口的通流面积；∆P表示节流口前后的压力差；k表示流量系数，随节流口的形式和油液的粘度而变化；n表示节流口形式参数，一般在0.5～1之间，节流路程短时取小值，节流路程长时取大值。

单位时间内t△，进出动静压管道内液体质量G如式（2）所示：

从式（2）可以得出结论，单个通道内的液压压力由电磁阀阀口压差P△与电磁阀打开时间决定。由于液压发生装置结构较为简单，可以不连接被测仪器单独进行测试，所以，通过记录P△与t△的实验确定需要的控制数据。

（2）控制压差产生方法

控制压差产生最大的问题是压差数值必须在规定的安全范围内，即在一定的P△下t△必须有限制。具体调节步骤的方法要点如下：

A．首先打开连通阀，调节基础压力尽量与溢流阀后压力差值在较小的差值内。

B．关闭连通阀，首先打开动压进油电磁阀进油，增加动压来增加液压差，同时防止了出现负压力；超调后通过打开静压进油电磁阀进油来减少压差。

（3）调节参数

A．密封性测试过程中，由于不要求有压差，所以在连通阀打开的情况下，粗调、细调是动静压通道同时打开，打开时间均为 100 ms，测量间隔为1000 ms，溢流阀后压力设定为3.2 MPa，粗调压力设置范围为5%，细调压力设置范围为1%。

B. 调速测试过程中，在连通阀关闭的情况下，粗调、细调是动、静压通道分别打开关闭，打开时间分别为10 ms和1 ms，测量间隔为50 ms，溢流阀后压力设定为1.00 MPa，粗调压力设置范围为3%，细调压力设置范围为0.5%。

2.4.2 基于系统安全液压控制方法

（1） 最大允许液压差控制

A．硬件设计

（Ⅰ）分别设置了吸收液压脉动的蓄能器和吸收液压冲击的蓄能器，增长了液体流动管路的距离，避免了出现不可控制的大液压差的情况出现。

（Ⅱ）分别设置了油液和水压两个连通阀，即进一步减少了液压差值，又防止了电磁阀出现故障时液压差值超过规定。

B．调压流程设计

测试系统主要进行密封性与调速两个功能测试，其中，密封性测试不需要产生液压差，通过硬件设计即能够达到；调速测试需要产生高精度液压差，系统通过将调压流程分为产生基础压力和调节压差值两个步骤来实现。

（2）最小允许液压差控制

A．最小允许液压差控制控制要点为：

（Ⅰ）产生液压差通过静压回油实现。

（Ⅱ）任何时间测试液压差值小于-10KPa即启动保护流程。

B．故障情况液压控制

（Ⅰ）液压泵工作前，打开连通阀，电磁阀不通电，判断动静压值应在规定范围内。

（Ⅱ）液压泵工作，打开连通阀，电磁阀通电，判断动静压值应在规定范围内，电磁阀在工作状态。

(3)密封性测试液压控制方法

A．液压泵出口压力限定

根据系统设计输出要求，将比例溢流阀输出设定为3.2 MPa。

B. 调压算法

以产生 300 m水深压力为例，计算压力P=2.963 MPa，调节精度为±0.05 MPa。粗调范围为：2.815～3.111 MPa，调节步长为100 ms，测量间隔时间为 1000 ms。；细调范围为：2.933～2.9926 MPa，调节步长为100 ms，测量间隔时间为1000 ms。

3 液压发生装置测试结果

测试系统液压发生装置研制后经进厂中修的某艇计程仪反复调试，测试得到的压差值如表1所示，表明压力系统产生的压差均符合设计要求，完全能满足计程仪动态调整对压差的需求。

表1 某艇测速试验表

4 高压条件下的密封性和安全性测试

系统能产生相当于 300米水深稳定的压力，具备对波纹管、油水分离腔室、液压管路的密封和安全性检测功能，对某艇的具体高压试验得到的数据如表2所示。

表2 某艇高压测试数据表

由表2可以看出测试系统能够产生稳定的相当于300 m水深压力的高压对计程仪进行高压测试。

5 总结

本文根据某型水压计程仪内场中修，设计并实现了一套某型计程仪测试系统的液压发生装置。选择了基于电磁阀控制的液压发生装置设计方案，确定设计方案后对构成构成液压发生装置的各主要部件的工作原理、性能指标分别进行分析比较，确定了适合系统的元部件。提出预防消除和减少影响的措施，并根据液压发生装置特点选择适用措施予以应用。提出液压发生的基本控制方法和参数要求。计程仪测试系统设计实现后进行了高压密封性、各速度点测速等各项性能指标测试和验证，检测的各项指标均达到预期的设计要求，成功地应用于某引进型潜艇水压计程仪首轮首次的内场中修。测试系统经过反复测试和验证，完全能满足计程仪内场中修的要求。

[1]陈奎生, 曾良才, 邵瑶琴. 高精度多功能液压试验台研制. 武汉科技大学学报（自然科学版）,1997, (03).

[2]祁仁俊, 液压系统压力脉动的机理. 同济大学学报（自然科学版）, 2001, 29（9）.

[3]王琳．蓄能器基本参数确定及其特性对液压系统的影响. [J]．陶瓷， 2005, 5：40-43.