彭軼，盛曉巖，李鑫武

(中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

壓力是力學(xué)計量領(lǐng)域的基礎(chǔ)量值之一。而液體高壓的測量作為壓力測試的重要部分現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、石油勘探等領(lǐng)域，在汽車工業(yè)等制造業(yè)中也扮演著重要的角色，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和新技術(shù)的應(yīng)用，以及現(xiàn)場校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展，高壓測試需求越來越廣泛。

目前，廣泛使用的現(xiàn)場液體高壓壓力校準(zhǔn)裝置主要是液體壓力控制器。液體壓力控制器是傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)和流體控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，通過對液體的控制，快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地產(chǎn)生目標(biāo)壓力，同時又能通過壓力傳感器的實時反饋顯示被測壓力，從而實現(xiàn)對液體壓力的連續(xù)精確控制。

液體壓力控制方法主要有流量調(diào)節(jié)和變?nèi)莘e調(diào)節(jié)兩種。流量調(diào)節(jié)方法是通過增加或減少對密閉容腔中液體的質(zhì)量來實現(xiàn)對液體壓力的調(diào)節(jié)，這種控制方式所采用的壓力控制系統(tǒng)較簡單，但對進行流量控制的閥門的性能要求非常高，要實現(xiàn)高壓下的壓力精確控制較難。變?nèi)莘e調(diào)節(jié)方法是將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為活塞系統(tǒng)的軸向運動，通過調(diào)壓活塞的移動，改變密閉容腔內(nèi)定質(zhì)量的液體體積來實現(xiàn)對液體壓力的控制，在高壓下具有較高的控制準(zhǔn)確度。

1 變?nèi)莘e壓力調(diào)節(jié)方法介紹

由于調(diào)節(jié)裝置設(shè)計上的差別，變?nèi)莘e調(diào)節(jié)方法又有所不同，其中，基于單活塞的變?nèi)莘e壓力調(diào)節(jié)方法應(yīng)用較為廣泛，而我們設(shè)計的裝置采用的是基于雙活塞的平衡背壓式變?nèi)莘e壓力調(diào)節(jié)方法。

基于單活塞的變?nèi)莘e壓力調(diào)節(jié)裝置其結(jié)構(gòu)及作用如圖1所示，利用活塞的一端對密閉在活塞筒內(nèi)的液體進行壓縮，從而達到壓力調(diào)節(jié)的目的。為了提高壓力調(diào)節(jié)的分辨力，單活塞的直徑一般不超過10 mm，對于高壓來說，當(dāng)系統(tǒng)進行大范圍的壓力調(diào)節(jié)時，會使得壓力的調(diào)節(jié)時間變得很長，因此，基于單活塞結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)裝置及調(diào)節(jié)方法，很難同時兼顧壓力控制速度和壓力控制分辨力這一對相互制約的指標(biāo)。單活塞結(jié)構(gòu)在高壓范圍內(nèi)進行壓力調(diào)節(jié)時，容腔中的高壓液體會對調(diào)壓活塞產(chǎn)生很大的軸向推力，這個推力會直接作用在傳動系統(tǒng)上，大大增加了傳動系統(tǒng)的負(fù)荷，使得在高壓情況下活塞的軸向移動較為困難，對電機扭矩和活塞動密封提出了較高的要求，從而不易實現(xiàn)高壓下的壓力精確調(diào)節(jié)。

圖1 單活塞壓力調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)示意圖［1］

平衡背壓式壓力調(diào)節(jié)裝置，雖然也是利用變?nèi)莘e壓力調(diào)節(jié)方法，但由于其獨特的平衡背壓結(jié)構(gòu)可解決單活塞等傳統(tǒng)變?nèi)莘e調(diào)節(jié)方法中存在的液體高壓對活塞產(chǎn)生的軸向推力大導(dǎo)致調(diào)壓困難的問題，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

造壓設(shè)備為系統(tǒng)造壓，提供初始壓力;伺服電機和渦輪蝸桿減速機以及絲杠輸出軸組成傳動系統(tǒng)，為活塞移動提供動力;大、小活塞組成的活塞系統(tǒng)在電機的控制下，在活塞筒內(nèi)軸向移動，對小活塞前端的定質(zhì)量液體體積進行改變，達到改變系統(tǒng)壓力的目的;增壓、泄壓、平衡截止閥可控制該閥門所在管路的關(guān)閉和連通;壓力傳感器反饋系統(tǒng)壓力，對輸出的壓力進行最終的監(jiān)測。

圖2 背壓平衡式壓力調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)示意圖［2］

2 平衡背壓結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

在變?nèi)莘e調(diào)節(jié)實現(xiàn)壓力粗調(diào)過程中，為實現(xiàn)傳動裝置帶動活塞軸向移動不受當(dāng)前高壓所產(chǎn)生的軸向推力影響這一目的，必須對如圖2所示的平衡背壓結(jié)構(gòu)的大小活塞的參數(shù)進行合理設(shè)計，根據(jù)整個系統(tǒng)壓力變化率的要求，設(shè)計小活塞直徑Ds為10 mm，可計算小活塞的面積設(shè)計大活塞的直徑Db為23 mm，大活塞筒內(nèi)徑Di為25 mm，可以計算出大活塞與大活塞筒內(nèi)壁之間的間隙形成的環(huán)狀背壓面積。此時大活塞與大活塞筒內(nèi)壁之間的間隙形成的環(huán)狀背壓面積與小活塞的面積近似相等，當(dāng)平衡截止閥打開時，活塞系統(tǒng)兩端均受液壓壓力，所受作用力大小相等、方向相反，處于力平衡狀態(tài)。

3 平衡背壓調(diào)節(jié)裝置壓力控制分辨力設(shè)計

在變?nèi)莘e調(diào)節(jié)進入壓力精確調(diào)節(jié)階段后，快速增壓和壓力粗調(diào)階段活塞的平衡狀態(tài)會被打破，此時的調(diào)節(jié)過程對壓力控制分辨力提出了要求，而壓力控制分辨力是壓力控制準(zhǔn)確度得以實現(xiàn)的重要參數(shù)，可以根據(jù)平衡背壓結(jié)構(gòu)參數(shù)及電機等傳動裝置的參數(shù)計算得出，并為壓力自動控制的程序編寫提供理論依據(jù)。

由于伺服電機、渦輪蝸桿減速機、絲杠副都是成品，選型確定后參數(shù)即固定，電機的轉(zhuǎn)速用R 表示，減速機的減速比用N ∶1 表示，經(jīng)過減速后，可得到絲杠副的螺母轉(zhuǎn)速為，轉(zhuǎn)速單位為r/s。設(shè)螺母最小轉(zhuǎn)動時間為t，因此螺母在最小轉(zhuǎn)動時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)的角度為360t，絲杠副的螺距為L，所以活塞在活塞筒軸向前進或后退的距離Δl 跟伺服電機的轉(zhuǎn)速有以下關(guān)系［3］:

以小活塞面積S 作為壓力調(diào)節(jié)面積時，容腔內(nèi)油液體積變化量ΔV 為

液體受壓力作用而使體積減小的性質(zhì)稱為液體的可壓縮性。通常用體積壓縮系數(shù)來表示為

式中:k 為液體的體積壓縮系數(shù);V 為液體的體積;ΔP 為壓力增量。

體積壓縮系數(shù)k 的倒數(shù)稱為液體的體積彈性模量，用K 表示為

使用的液體的體積彈性模量K 已知，實際調(diào)節(jié)容腔容積為V0。所以當(dāng)以小活塞面積作為壓力調(diào)節(jié)面積，伺服電機設(shè)定以最小轉(zhuǎn)速Rmin運動時，根據(jù)公式(2)，(4)可以計算出裝置控制分辨力。

4 壓力控制過程及實驗結(jié)果分析

在對平衡背壓式壓力調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)及控制分辨力進行合理設(shè)計后，結(jié)合裝置通過快速增壓、壓力粗調(diào)、壓力精確調(diào)節(jié)三個階段，可以最終實現(xiàn)對壓力的快速準(zhǔn)確控制。結(jié)合圖2 對裝置的壓力調(diào)節(jié)三階段進行描述，當(dāng)前壓力值遠(yuǎn)小于目標(biāo)壓力值時，泄壓截止閥關(guān)閉，增壓截止閥打開，平衡截止閥均打開，由造壓設(shè)備給系統(tǒng)快速增壓，此時背壓腔，即大活塞外壁與大活塞筒內(nèi)壁之間的間隙形成的間隙腔體，與調(diào)壓腔即小活塞右端與小活塞筒形成的腔體，兩腔體內(nèi)壓力同時快速上升并接近所需的目標(biāo)壓力值，完成壓力粗調(diào)過程并達到快速控制壓力的目的，壓力傳感器實時反饋的感壓曲線如圖3 的ab 段。

在與目標(biāo)壓力值相差10%時，造壓設(shè)備停止工作，增壓截止閥關(guān)閉，此時伺服電機工作，帶動活塞系統(tǒng)沿軸向向右移動，容腔容積快速平穩(wěn)變小，兩容腔內(nèi)壓力同時上升如圖3 中bc 段，由于大活塞筒的開孔與小活塞筒右端開孔通過高壓管路相連通，使得油液的壓力同時作用在背壓系統(tǒng)和小活塞上，這兩個面積上的作用力大小相等、方向相反，活塞系統(tǒng)雖然受力，但始終處于力平衡狀態(tài)，因此在此階段控制過程中，不存在調(diào)壓困難的問題。

壓力精確調(diào)節(jié)階段，平衡截止閥均關(guān)閉，背壓腔與調(diào)壓腔斷開，此時電機降低轉(zhuǎn)速繼續(xù)工作，電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為大活塞和小活塞在軸向的微小位移，因為精確調(diào)節(jié)前，活塞系統(tǒng)處于力平衡狀態(tài)，所以傳動裝置帶動活塞系統(tǒng)軸向小范圍內(nèi)移動不會受當(dāng)前高壓所產(chǎn)生的軸向推力影響，又由于平衡截止閥的截止作用，只保留了小活塞的壓力調(diào)節(jié)作用，利用小活塞壓力調(diào)節(jié)分辨力高的特點，達到精確調(diào)節(jié)壓力的目的，如圖3 中c 點以后，最終使得輸出的壓力既快速又精確。

圖3 增壓控制曲線

5 結(jié)束語

平衡背壓式壓力調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，結(jié)合了當(dāng)前高壓領(lǐng)域所采用的變?nèi)莘e壓力控制技術(shù)，同時兼顧到壓力計量校準(zhǔn)設(shè)備的實際使用時對控制速度要求高的問題，避免了活塞單端進行壓力調(diào)節(jié)對活塞機械加工精度要求高的難題。使液體壓力調(diào)節(jié)從低壓到高壓都能實現(xiàn)較快的控制速度，同時在高壓控制過程中，通過背壓平衡式壓力調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，使電機系統(tǒng)及傳動裝置帶動活塞移動進行壓力調(diào)節(jié)時，不受當(dāng)前液體高壓對活塞產(chǎn)生的軸向推力影響，大大降低了整個系統(tǒng)的傳動扭矩，利用常用的小功率電機就可以在高壓下實現(xiàn)精確的壓力調(diào)節(jié)，為液體壓力控制器的研制提供了可實現(xiàn)的技術(shù)手段。

［1］吳振順.液壓控制系統(tǒng)［M］.北京:高等教育出版社，2008.

［2］張紹九.液壓密封［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

［3］張利平.液壓控制系統(tǒng)及設(shè)計［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2011.