龔筍根, 張留芳, 王英喜, 許宜柱, 何蘭平

(1.昆明海威機(jī)電技術(shù)研究所, 云南昆明 650236; 2.昆明船舶設(shè)備集團(tuán)有限公司, 云南 昆明 650051)

引言

目前,在工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防建設(shè)、科學(xué)技術(shù)、日常生活與醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域,壓力是一個(gè)非常重要的檢測(cè)參數(shù)[1],動(dòng)態(tài)壓力模擬過(guò)程中,齒輪泵性能主要涉及困油特性[2]、空化特性[3-4]、噪聲[5]、嚙齒齒輪[6-7]、脈動(dòng)特性等[8]。齒輪泵最重要的特性之一是工況下容積率,影響容積率的關(guān)鍵則是齒輪泵的內(nèi)泄漏問(wèn)題[9-10],內(nèi)泄漏問(wèn)題造成了動(dòng)態(tài)壓力模擬過(guò)程中的壓力突變。在傳統(tǒng)的壓力儀器儀表、壓力變送器的檢測(cè)校準(zhǔn)中,壓力模擬主要采用的是活塞式壓力計(jì)以及為校準(zhǔn)壓力變送器所用的電流表和供給壓力變送器的24 V直流電源[11],這種活塞式壓力計(jì)采用人工操作,無(wú)法實(shí)現(xiàn)檢測(cè)自動(dòng)化。

壓力模擬器是水下航行器深度控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真的重要設(shè)備[12],由主控機(jī)控制運(yùn)行,產(chǎn)生一定要求的壓力輸出,通過(guò)管路施加于水下航行器的深度傳感器上,來(lái)模擬水下航行器的航行深度,目前的深度模擬系統(tǒng)主要有伺服閥式深度模擬系統(tǒng)和電動(dòng)活塞式深度模擬系統(tǒng),伺服閥式深度模擬系統(tǒng)由主控機(jī)、測(cè)控系統(tǒng)、液壓站、電液伺服閥、檢測(cè)反饋裝置等組成,其工作原理是利用主控機(jī)發(fā)出給定的壓力信號(hào),通過(guò)測(cè)控系統(tǒng)同時(shí)分別控制液壓站和電液伺服閥,電液伺服閥輸出信號(hào)通過(guò)檢測(cè)單元輸出相應(yīng)信號(hào)并把輸出信號(hào)閉環(huán)反饋到測(cè)控系統(tǒng)[13],這種方法由于受到液壓泵的波動(dòng)或電液伺服閥本身控制精度的影響,難以實(shí)現(xiàn)高精度的壓力控制[14]。圖1是某型伺服閥式深度模擬系統(tǒng)的原理圖,系統(tǒng)主要由液壓泵站、蓄能器、伺服閥、壓力容腔、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集卡以及控制計(jì)算機(jī)組成。系統(tǒng)工作時(shí),液壓泵站提供壓縮容積的油液,泵站油壓大于最大壓力模擬值,油液經(jīng)伺服閥流入或排出壓力容腔內(nèi),使壓力容腔內(nèi)壓力升高或降低,壓力容腔內(nèi)壓力經(jīng)壓力傳感器由數(shù)據(jù)采集卡輸入到控制計(jì)算機(jī),控制計(jì)算機(jī)根據(jù)仿真計(jì)算機(jī)的指令輸出控制信號(hào),經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡輸出到伺服閥,從而控制通過(guò)伺服閥的油液流量,以此控制壓力容腔的壓力。

圖1 伺服閥式深度模擬系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of servo valve type deep simulation system

電動(dòng)活塞式深度模擬系統(tǒng)由伺服電機(jī)、減速器、電動(dòng)缸、承壓筒和計(jì)算機(jī)組成,伺服電機(jī)根據(jù)控制信號(hào),通過(guò)減速器控制電動(dòng)缸活塞桿伸縮,使密閉液體的體積發(fā)生變化,實(shí)現(xiàn)壓力筒內(nèi)部的壓力控制[15],由于液體的可壓縮性較小,體積變化對(duì)壓力很敏感,高精度的加減壓控制較為困難,到壓時(shí)間較長(zhǎng)。

針對(duì)壓力模擬設(shè)備現(xiàn)狀,研制了一種與現(xiàn)有方式不同的壓力模擬器,具有高精度動(dòng)態(tài)快速加壓的優(yōu)點(diǎn),其外形圖如圖2所示。

圖2 齒輪泵動(dòng)態(tài)壓力模擬器外形圖Fig.2 Outline drawing of gear pump dynamic pressure simulator

1 壓力模擬器組成及工作原理

1.1 壓力模擬器組成

齒輪泵動(dòng)態(tài)壓力模擬器由電機(jī)、變頻器、齒輪泵、油箱、冷卻管路、節(jié)流穩(wěn)壓器、分配腔、加壓管、機(jī)械壓力開(kāi)關(guān)、高精度壓力變送器、計(jì)算機(jī)組成。齒輪泵動(dòng)態(tài) 壓力模擬器的組成圖如圖3所示。

圖3 齒輪泵動(dòng)態(tài)壓力模擬器組成圖Fig.3 Composition drawing of gear pump dynamic pressure simulato

1.2 壓力模擬器工作原理

計(jì)算機(jī)或上位機(jī)通過(guò)串口通信給計(jì)算機(jī)發(fā)送加壓目標(biāo)值,計(jì)算機(jī)控制變頻器工作,驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪泵加壓,油箱中的液壓油經(jīng)齒輪泵加壓輸出到冷卻管路降溫,然后通過(guò)節(jié)流穩(wěn)壓器消波穩(wěn)壓,將平穩(wěn)的壓力傳遞到分配腔內(nèi),再經(jīng)加壓管傳遞到高精度壓力變送器,高精度壓力變送器實(shí)時(shí)采集分配腔內(nèi)的壓力值并傳送至計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)根據(jù)壓力變送器的測(cè)量值與加壓目標(biāo)值按控制算法控制變頻器的輸出頻率,調(diào)整電機(jī)和齒輪泵轉(zhuǎn)速,使分配腔內(nèi)的壓力值到達(dá)目標(biāo)值,控制算法適合采用指數(shù)函數(shù)+PID組合型控制算法[16]。系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)定壓力時(shí),機(jī)械壓力開(kāi)關(guān)接通,計(jì)算機(jī)采集到機(jī)械壓力開(kāi)關(guān)的電信號(hào),控制變頻器停止加壓,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)過(guò)壓保護(hù)功能;冷卻管路由銅管彎曲而成,液壓油的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)方式傳遞到銅管上,安裝在機(jī)箱上的冷卻風(fēng)機(jī)將彎曲銅管上的熱量帶走。

本研究的壓力模擬器與現(xiàn)有伺服閥式壓力模擬系統(tǒng)的區(qū)別主要有以下幾點(diǎn):

(1) 本研究的壓力模擬器采用齒輪泵根據(jù)目標(biāo)值壓力大小增壓或減壓,而伺服閥式深度模擬系統(tǒng)以液壓泵站作為壓力源,液壓泵站由液壓泵、蓄能器、溢流閥組成,泵站液壓需大于最大壓力模擬值;

(2) 本研究的壓力模擬器通過(guò)節(jié)流穩(wěn)壓器消除齒輪泵產(chǎn)生的脈動(dòng),壓力穩(wěn)定波動(dòng)小,而伺服閥式深度模擬系統(tǒng)的液壓油經(jīng)伺服閥直接進(jìn)入到壓力容腔,液壓泵工作時(shí)壓力波動(dòng)較大;

(3) 本研究的壓力模擬器是利用薄壁小孔節(jié)流,同時(shí)控制齒輪泵的流量輸出,實(shí)現(xiàn)壓力的升高或降低,增壓時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高,到壓時(shí)轉(zhuǎn)速保持,減壓時(shí)轉(zhuǎn)速下降,控制過(guò)程簡(jiǎn)單快捷,而伺服閥式深度模擬系統(tǒng)通過(guò)伺服閥控制液壓油流入或排出壓力容腔內(nèi),使壓力容腔內(nèi)壓力升高或降低,增壓時(shí)控制伺服閥進(jìn)口,液壓油流入壓力容腔內(nèi),到壓時(shí)關(guān)閉伺服閥,減壓時(shí)控制伺服閥出口,液壓油從壓力容腔內(nèi)流出,伺服閥開(kāi)關(guān)過(guò)程中存在壓力波動(dòng),伺服閥的泄漏會(huì)導(dǎo)致壓力下降,液壓油的流量與伺服閥兩端口之間壓差、液壓油的溫度、黏度、閥門(mén)開(kāi)啟度均有關(guān),控制過(guò)程較為復(fù)雜。

2 關(guān)鍵設(shè)計(jì)

節(jié)流穩(wěn)壓器是實(shí)現(xiàn)加壓穩(wěn)定的關(guān)鍵,用于消除齒輪泵脈動(dòng)產(chǎn)生的壓力波動(dòng),節(jié)流穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖4,節(jié)流穩(wěn)壓器由第一穩(wěn)壓腔、第二穩(wěn)壓腔和連接管路組成,第一穩(wěn)壓腔設(shè)置有輸入口、第一回油孔和第一節(jié)流孔,第二穩(wěn)壓腔設(shè)置有輸入口、第二回油孔和第二節(jié)流孔,齒輪泵輸出的液壓油經(jīng)冷卻管路輸入到第一穩(wěn)壓腔,第一穩(wěn)壓腔內(nèi)的液壓油分成兩路輸出,一路經(jīng)第一回油孔回流到油箱,另一路經(jīng)第一節(jié)流孔輸入到第二穩(wěn)壓腔,第二穩(wěn)壓腔中的液壓油再分成兩路輸出,一路經(jīng)第二回油孔回流到油箱,另一路經(jīng)第二節(jié)流孔輸入到分配腔;節(jié)流穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓效果與第一回油孔的孔徑D、第二回油孔的孔徑d有關(guān)。

圖4 節(jié)流穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure Drawing of throttling regulator

為了分析回油孔的孔徑與穩(wěn)壓效果之間的關(guān)系,設(shè)計(jì)兩組回油孔直徑不同的銅墊,第一組5個(gè)銅墊中心的開(kāi)孔直徑D分別為0.8, 1.0,1.2,1.5,1.8 mm,第二組5個(gè)銅墊中心的開(kāi)孔直徑d分別為0.4,0.6,0.8,1.0,1.2 mm,依次在第一組銅墊中選擇一個(gè)安裝在第一回油孔位置,在第二組銅墊中選擇一個(gè)安裝在第二回油孔位置,實(shí)現(xiàn)不同直徑回油孔的組合關(guān)系,然后加壓到1 MPa進(jìn)行測(cè)試,記錄壓力p波動(dòng)范圍,銅墊結(jié)構(gòu)如圖5所示,安裝結(jié)構(gòu)如圖6所示,銅墊壓接在2個(gè)管接頭之間,方便更換,不同回油孔直徑與對(duì)應(yīng)的壓力波動(dòng)范圍見(jiàn)表1。

圖5 銅墊結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure Drawing of copper pad

圖6 銅墊安裝結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure Drawing of copper pad installation

從表1可以看出,D值一定時(shí),d為0.6 mm時(shí)的壓力波動(dòng)范圍最小;d為0.6 mm時(shí),D在0.8 mm到1.8 mm范圍內(nèi),壓力波動(dòng)首先是越來(lái)越小,在D為1.2 mm 時(shí)達(dá)到最小,之后隨D的增大,壓力波動(dòng)無(wú)明顯變化,考慮到D值越大時(shí),所需齒輪泵流量和電機(jī)功率越大,確定第一回油孔和第二回油孔的最有尺寸為D為1.2 mm,d為0.6 mm。

3 設(shè)計(jì)應(yīng)用

以圖2中加壓能力為5 MPa的壓力模擬器為例,計(jì)算齒輪泵的流量和電機(jī)功率。

3.1 齒輪泵流量計(jì)算

模擬器的壓力是由齒輪泵的流量以及第一回油孔、第二回油孔的直徑確定。

根據(jù)薄壁小孔的流量公式[17]:

(1)

式中,q—— 流量,m3/s

Ao—— 第一回油孔和第二回油孔的截面積之和,m2

Δp—— 設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力

ρ—— 液壓油密度,kg/m3,32號(hào)液壓油的密度為0.83×103

Cd—— 流量系數(shù),根據(jù)流量系數(shù)Cd在與雷諾數(shù)Re的關(guān)系曲線[17],在20～55 ℃的工作溫度范圍內(nèi),Cd≈0.64

第一回油孔和第二回油孔采用長(zhǎng)徑比為0.5的薄壁小孔,由式(1)可知,流經(jīng)薄壁小孔的流量q與小孔前后的壓差Δp的平方根以及小孔面積A0成正比,而與黏度無(wú)關(guān),由于薄壁小孔具有沿程壓力損失小,通過(guò)小孔的流量工作介質(zhì)溫度變化不敏感等特性,所以通常用作調(diào)節(jié)流量的器件[17]。

設(shè)計(jì)時(shí),第一回油孔的孔徑D為1.2 mm,第二回油孔的孔徑為0.6 mm,代入流量式(1)得q≈1×10-4m3/s。

3.2 電機(jī)功率計(jì)算

驅(qū)動(dòng)齒輪泵的電機(jī)功率計(jì)算公式如下:

W=FV=Δpq

(2)

式中,F—— 齒輪泵出口壓力,N

V—— 齒輪泵出口流速,m/s

Δp—— 設(shè)計(jì)壓力,Pa

q—— 流量,m3/s

Δp=5×106,q=1×10-4,代入電機(jī)功率計(jì)算式(2)得W=0.75 kW。

3.3 齒輪泵及主要器件設(shè)計(jì)選型

(1) 齒輪泵:選用津島齒輪泵GPY-8R,本體采用鋁合金鑄造,最高轉(zhuǎn)速3000 r/min,效率90%,最大輸出壓力25 MPa,排量為8×10-6m3/r,配置轉(zhuǎn)速為1440 r/min的油泵電機(jī)時(shí),排量為8×10-6×1440/60=1.92×10-4m3/s,滿足設(shè)計(jì)計(jì)算的流量值;

(2) 電機(jī):選用捷佳4P三相交流油泵電機(jī),功率為1.0 kW,滿足電機(jī)計(jì)算功率值,電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為1440 r/min,油泵電機(jī)主軸為空心軸,空心軸直接與齒輪泵的驅(qū)動(dòng)軸連接,不需要連軸器過(guò)渡,組裝后同軸性好,齒輪泵運(yùn)行平穩(wěn),能有效降低機(jī)械振動(dòng);

(3) 壓力變送器:選用麥克MPM4730壓力變送器,是一款高精度、高穩(wěn)定性的智能化壓力測(cè)量產(chǎn)品,測(cè)量范圍:0～10 MPa,精度:0.1%FS,分辯率為0.01% FS,10～28 V直流供電,數(shù)字量RS-485通信接口,介質(zhì)溫度允許范圍-10～80 ℃,用于實(shí)時(shí)采集分配腔內(nèi)液壓油的壓力值,同時(shí)采集液壓油的溫度,發(fā)送至計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)油溫監(jiān)控;

(4) 變頻器:選用丹佛斯變頻器FC051,220 V單相輸入,3×220 V輸出,功率1.5 kW,滿足三相交流油泵電機(jī)的驅(qū)動(dòng),通過(guò)改變輸出電源頻率,實(shí)現(xiàn)三相交流油泵電機(jī)的變速運(yùn)行,并降低電機(jī)啟動(dòng)電流;

(5) 控制計(jì)算機(jī):選用研華低功耗無(wú)風(fēng)扇嵌入式工控機(jī)ARK-2121F,配置Intel Atom雙核1.33 GHz處理器,1XRS-232,1XRS-232/422/485通信串口,用于運(yùn)行自動(dòng)加壓控制軟件,通過(guò)RS-422通信串口控制變頻器的頻率,通過(guò)RS-485通信串口實(shí)時(shí)讀取壓力變送器的壓力數(shù)值。

3.4 建立頻率T與壓力p的函數(shù)關(guān)系式

控制變頻器按頻率0.5 Hz的增量逐級(jí)工作,同時(shí)將各頻率及其對(duì)應(yīng)的加壓值記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中,通曲線擬合,得到頻率T與壓力p的函數(shù)關(guān)系式:

(3)

式中,T—— 頻率,Hz

p—— 壓力,MPa

3.5 加壓控制與調(diào)定方法

計(jì)算機(jī)收到加壓指令后,計(jì)算機(jī)根據(jù)式(3)頻率T與壓力p的函數(shù)關(guān)系式,確定目標(biāo)壓力對(duì)應(yīng)的變頻器頻率T,控制軟件給變頻器設(shè)定運(yùn)行頻率T,控制電機(jī)快速向目標(biāo)壓力加壓,然后再以PID控制模式對(duì)壓力偏差進(jìn)行微調(diào)控制,通過(guò)微調(diào)控制解決加壓系統(tǒng)產(chǎn)生的偏差,以達(dá)到壓力準(zhǔn)確控制的目的,式(4)為PID控制算法:

(4)

式中,e(t) —— 輸入的誤差信號(hào)

Kp—— 比例系數(shù)

Ti—— 積分時(shí)間常數(shù)

Td—— 微分時(shí)間常數(shù)

u(t) —— 控制器輸出

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)過(guò)程分別設(shè)定0.2, 3.0, 5.0 MPa進(jìn)行加壓測(cè)試,壓力模擬器在300 s時(shí)間段的加壓穩(wěn)壓曲線如圖7～圖9所示;加壓時(shí)間記錄如表2所示,壓力偏差對(duì)比如表3所示。表3中,Ei為壓力下偏差,Es為壓力上偏差。

表2 加壓時(shí)間記錄表Tab.2 Record of pressure arrival time

表3 壓力偏差對(duì)比表Tab.3 Comparison table of of pressure deviation MPa

圖7 0.2 MPa加壓穩(wěn)壓曲線圖Fig.7 Pressure stabilization curve when pressurization value is 0.2 MPa

圖8 3.0 MPa加壓穩(wěn)壓曲線圖Fig.8 Pressure stabilization curve when pressurization value is 3.0 MPa

圖9 5.0 MPa加壓穩(wěn)壓曲線圖Fig.9 Pressure stabilization curve when pressurization value is 5.0 MPa

從表2、表3中分析,在0～0.2 MPa加壓范圍內(nèi),壓力模擬連續(xù)2 s內(nèi)加壓壓力偏差小于0.0008 MPa,在0.2～3.0 MPa加壓范圍內(nèi),壓力模擬器連續(xù)3 s內(nèi)加壓壓力偏差小于0.0032 MPa,在3.0～5.0 MPa加壓范圍內(nèi),壓力模擬器連續(xù)5 s內(nèi)加壓壓力偏差小于0.0048 MPa。

經(jīng)測(cè)試表明,0～5.0 MPa的加壓范圍內(nèi),壓力最大下偏差-0.0005 MPa,壓力最大上偏差0.0048 MPa,穩(wěn)定精度在±0.005 MPa范圍內(nèi),精度等級(jí)達(dá)到0.1級(jí)。

5 結(jié)論

針對(duì)快捷高精度壓力模擬需要,研制了一種齒輪泵動(dòng)態(tài)壓力模擬器,利用齒輪泵動(dòng)態(tài)加壓,采用了節(jié)流穩(wěn)壓和快捷加壓關(guān)鍵技術(shù),樣機(jī)經(jīng)加壓測(cè)試,0～5 MPa 范圍內(nèi)穩(wěn)壓精度達(dá)到±0.005 MPa,精度等級(jí)為0.1級(jí),壓力控制準(zhǔn)確,響應(yīng)速度快,壓力輸出與設(shè)定跟隨性好,為高精度壓力模擬提供了一種新的設(shè)備,目前齒輪泵動(dòng)態(tài)壓力模擬器已經(jīng)開(kāi)始了小批量生產(chǎn),應(yīng)用于壓力傳感器的校驗(yàn)以及水下深度模擬。