一種用于精確水壓控制的壓力傳遞裝置

蘇同波，聶 勇，劉亞熙

（1.云南省招標(biāo)采購局，云南 昆明 650106；2.浙江大學(xué) 流體傳動及控制國家重點實驗室，浙江 杭州 310027）

水下航行體研制的關(guān)鍵問題之一，是軸的旋轉(zhuǎn)動密封，即軸與殼體之間，以及軸與軸之間的密封[1～2]。研究表明：水下航行體由于密封問題而發(fā)生的故障，比由于電子器件等問題而發(fā)生的故障還要高。水下航行體的密封，分為靜密封和動密封兩種。靜密封相對來說容易解決，動密封的問題比較難解決。而且介質(zhì)壓力越高，軸的轉(zhuǎn)速越高，運轉(zhuǎn)時間越長，越容易產(chǎn)生泄漏[3～4]。因此，研制進行陸上旋轉(zhuǎn)密封試驗的密封試驗設(shè)備，對旋轉(zhuǎn)密封技術(shù)及水下航行體的研究意義重大。

旋轉(zhuǎn)密封陸上試驗設(shè)備，必須具有壓力罐等壓力容腔用于模擬水下受壓環(huán)境，從而實現(xiàn)被試對象所受壓力的變化。對于高壓環(huán)境下的旋轉(zhuǎn)密封試驗，壓力的控制精度對旋轉(zhuǎn)密封試驗對象的試驗結(jié)果，有非常大的影響。因此，提高試驗設(shè)備的壓力控制精度，將提高試驗的可靠性與真實性。

本文對改進前旋轉(zhuǎn)密封陸上試驗設(shè)備進行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種基于皮囊式液壓蓄能器的壓力傳遞裝置，用于提高試驗設(shè)備壓力控制精度。

1 改進前后水壓控制系統(tǒng)對比

改進前水壓控制系統(tǒng)原理圖，如圖1所示。試驗設(shè)備在使用過程中，通過試壓泵直接注入介質(zhì)，受每次注入量的影響，在壓力上升、穩(wěn)態(tài)控制及下調(diào)的過程中，壓力控制精度低。

圖1 改進前水壓控制系統(tǒng)原理圖

改進后的水壓控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示?？刂破鞲鶕?jù)預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)壓力控制信號，與傳感器實時采集的壓力罐中的水壓信號，調(diào)整電液力控制系統(tǒng)的輸出的壓力，油液壓力經(jīng)壓力傳遞裝置傳給壓力罐中的水，壓力罐中的水壓隨之變化，當(dāng)壓力罐中的水壓達到預(yù)先設(shè)置值時，水壓與油壓處于平衡狀態(tài)，最終實現(xiàn)壓力罐內(nèi)的水壓控制。

圖2 改進后水壓控制系統(tǒng)原理圖

2 壓力傳遞裝置的工作原理

水的體積彈性模量很大（約為2 100 MPa），幾乎不可壓縮；這表明在裝滿水的密閉容腔內(nèi)，只要改變?nèi)萸坏纳僭S幾何體積，即可迅速建立起壓力。根據(jù)這一性質(zhì)，在皮囊式液壓蓄能器的基礎(chǔ)上，設(shè)計了壓力傳遞裝置，將原皮囊的充氣孔改為進水孔，皮囊內(nèi)充氮氣改為水，皮囊選用耐水、耐油（石油基液壓油）材料，其他沿用液壓蓄能器的結(jié)構(gòu)。其由液壓油腔、皮囊、水腔等部分組成，結(jié)構(gòu)示意為圖3所示。

圖3 壓力傳遞裝置結(jié)構(gòu)示意圖

皮囊柔韌性好，實現(xiàn)了油水隔離和壓力傳遞，并且在傳遞壓力時不易產(chǎn)生振動[6]。

壓力傳遞裝置的工作原理：如圖4所示，壓力罐中水與皮囊內(nèi)水通過進水口連通，整個皮囊內(nèi)充滿水，在升壓過程中，通過電液力控制系統(tǒng)，將液壓油注入壓力傳遞裝置的殼體內(nèi)，使得皮囊外部油壓高于水壓，從而皮囊被壓縮，容積減少，壓力罐中的水也同時被壓縮，水壓將上升；當(dāng)油壓與水壓相等時，皮囊容積停止收縮；降壓時，液壓油腔壓力降低，皮囊內(nèi)水壓高于油壓，液壓油流出壓力傳遞裝置的外殼，皮囊體積增大，壓力罐中的水壓也隨之下降。

圖4 壓力傳遞裝置原理示圖

只需改變進入壓力傳遞裝置外殼中液壓油的壓力，即可實現(xiàn)壓力罐中的水壓控制。壓力傳遞裝置的使用，實現(xiàn)了油水隔離，并且利用皮囊自身的減振性能，提高了水壓控制系統(tǒng)的壓力控制精度。

3 皮囊容積計算

3.1 壓力罐中水的體積彈性模量計算

因為水中滲入了空氣以及包容它的固體壁面（如管道、壓力罐）具有的彈性，所以壓力罐中水的體積彈性模量而比其物理值低，壓力容腔中水的有效彈性模量計算公式為[5]

式中，

Ee為管道等形成的封閉壓力容腔內(nèi)水的有效彈性模量；

El為水的體積彈性模量2 100 MPa；

Vg/V為水中所含有氣體容積，自來水中空氣含量為 30 g/t，即（3×10-3）%；

Eg近似為氣體的絕熱彈性模量，其近似公式為

對于空氣有Eg=1.4 p，其中Cp/Cν是定壓比熱容與定容比熱容之比，實驗中初始壓力定為

Ec為容器的彈性模量，常用決定容器彈性模量的主要部分，即各管系管壁的彈性模量來代替，其近似公式為

3.2 壓力容腔中介質(zhì)體積變化量

壓力容腔中水的體積變化量計算公式為

式中，

Δ p為總壓力變化量；

V總為壓力容器加上各管道后的總?cè)莘e。

所選用的皮囊可壓縮體積必須大于ΔV，可按經(jīng)驗乘一系數(shù)。

3.3 試驗用壓力傳遞裝置皮囊容積計算

壓力容器所用壓力管及壓力罐使用的材料為不銹鋼，所用各壓力管壁厚T為2 mm，壓力管內(nèi)徑D為10 mm，管子材料的彈性模量Ep為200 GPA=2×105MPa，壓力容器加上管道后的總?cè)莘e

由式（1）可得

設(shè)水壓由0.1 MPa增至12 MPa，壓力變化Δ p=11.9 MPa，由式（2）可得壓力容腔中水的體積變化量

由前面的計算可知，當(dāng)水壓達到系統(tǒng)最高壓力12 MPa時，體積壓縮量為0.171 L。另外，在試驗過程中，由于水溫度上升會導(dǎo)致介質(zhì)體積膨脹，因此必須考慮這部分的體積變化。假設(shè)實驗開始時水溫為T0=20℃，最后水溫上升到T1=40℃，水的平均熱膨脹系數(shù)β=2.24×10-4，水溫上升引起的體積變化量

所以，皮囊的可壓縮體積必須大于

實際工作中，考慮到壓力罐進出水閥因為長時間的工作，可能有微量的泄漏，所以皮囊容積取10 L左右，即可保證系統(tǒng)正常工作。

4 試驗用壓力傳遞裝置壓力控制試驗

4.1 穩(wěn)態(tài)壓力控制試驗

為了說明基于壓力傳遞裝置的水壓控制設(shè)計的合理性和有效性，對改進后的水壓控制系統(tǒng)，進行了模擬試驗。

穩(wěn)態(tài)壓力控制試驗?zāi)繕?biāo)，控制壓力分別為0.1MPa、0.4MPa、5MPa、10MPa，試驗結(jié)果如圖5 所示。

圖5 穩(wěn)態(tài)壓力控制試驗

在試驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)目標(biāo)控制壓力低于0.1 MPa時，系統(tǒng)壓力波動較大，處于不可控狀態(tài)。結(jié)果表明系統(tǒng)在0.1～10 MPa范圍內(nèi)壓力，可控區(qū)間內(nèi)的壓力穩(wěn)態(tài)誤差為±0.04 MPa（滿量程精度±0.4%）。

4.2 不同壓力速率下升降控制試驗

在不同的壓力速率下升降控制試驗中，目標(biāo)控制信號分別為 ±0.05 MPa/s、±0.25 MPa/s、±0.5 MPa/s、±2 MPa/s壓力變化時，試驗結(jié)果如圖6所示。

結(jié)果表明：當(dāng)壓力變化率從0.05～2 MPa/s增加時，上升階段系統(tǒng)均能較好地跟蹤目標(biāo)控制信號，隨速率的增大，到達穩(wěn)態(tài)控制目標(biāo)時，超調(diào)量也隨之略微增大；壓力下降階段，小壓力變化率時壓力跟蹤較好，當(dāng)壓力變化率為2 MPa/s時，在到達穩(wěn)態(tài)控制目標(biāo)壓力信號附近時跟蹤性誤差較大。

圖6 不同壓力速率升降試驗

5 結(jié)束語

試驗結(jié)果顯示，利用壓力傳遞裝置，完全滿足試驗過程中的壓力升降要求，在壓力升降及保壓過程中，都可以實現(xiàn)較高的水壓控制精度，并且密閉容腔的體積越大，穩(wěn)態(tài)水壓控制精度更能符合設(shè)計要求。因此，壓力傳遞裝置可顯著提高旋轉(zhuǎn)密封陸上試驗設(shè)備的水壓控制精度。

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