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.云南省招標采購局，云南 昆明 650106；2.浙江大學 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鍵問題之一，是軸的旋轉動密封，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生的故障，比由于電子器件等問題而發生的故障還要高。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。而且介質壓力越高，軸的轉速越高，運轉時間越長，越容易產生泄漏[3～4]。因此，研制進行陸上旋轉密封試驗的密封試驗設備，對旋轉密封技術及水下航行體的研究意義重大。

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

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

1 改進前后水壓控制系統對比

改進前水壓控制系統原理圖，如圖1所示。試驗設備在使用過程中，通過試壓泵直接注入介質，受每次注入量的影響，在壓力上升、穩態控制及下調的過程中，壓力控制精度低。

圖1 改進前水壓控制系統原理圖

改進后的水壓控制系統原理圖如圖2所示。控制器根據預先設定的目標壓力控制信號，與傳感器實時采集的壓力罐中的水壓信號，調整電液力控制系統的輸出的壓力，油液壓力經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，當壓力罐中的水壓達到預先設置值時，水壓與油壓處于平衡狀態，最終實現壓力罐內的水壓控制。

圖2 改進后水壓控制系統原理圖

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，只要改變容腔的少許幾何體積，即可迅速建立起壓力。根據這一性質，在皮囊式液壓蓄能器的基礎上，設計了壓力傳遞裝置，將原皮囊的充氣孔改為進水孔，皮囊內充氮氣改為水，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構。其由液壓油腔、皮囊、水腔等部分組成，結構示意為圖3所示。

圖3 壓力傳遞裝置結構示意圖

皮囊柔韌性好，實現了油水隔離和壓力傳遞，并且在傳遞壓力時不易產生振動[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水通過進水口連通，整個皮囊內充滿水，在升壓過程中，通過電液力控制系統，將液壓油注入壓力傳遞裝置的殼體內，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，即可實現壓力罐中的水壓控制。壓力傳遞裝置的使用，實現了油水隔離，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容積。

所選用的皮囊可壓縮體積必須大于ΔV，可按經驗乘一系數。

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容積

由式（1）可得

設水壓由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，當水壓達到系統最高壓力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致介質體積膨脹，因此必須考慮這部分的體積變化。假設實驗開始時水溫為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，即可保證系統正常工作。

4 試驗用壓力傳遞裝置壓力控制試驗

4.1 穩態壓力控制試驗

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

穩態壓力控制試驗目標，控制壓力分別為0.1MPa、0.4MPa、5MPa、10MPa，試驗結果如圖5 所示。

圖5 穩態壓力控制試驗

在試驗中發現，當目標控制壓力低于0.1 MPa時，系統壓力波動較大，處于不可控狀態。結果表明系統在0.1～10 MPa范圍內壓力，可控區間內的壓力穩態誤差為±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，試驗結果如圖6所示。

結果表明：當壓力變化率從0.05～2 MPa/s增加時，上升階段系統均能較好地跟蹤目標控制信號，隨速率的增大，到達穩態控制目標時，超調量也隨之略微增大；壓力下降階段，小壓力變化率時壓力跟蹤較好，當壓力變化率為2 MPa/s時，在到達穩態控制目標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 結束語

試驗結果顯示，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，都可以實現較高的水壓控制精度，并且密閉容腔的體積越大，穩態水壓控制精度更能符合設計要求。因此，壓力傳遞裝置可顯著提高旋轉密封陸上試驗設備的水壓控制精度。

[1]陳鋼耀，黃寶玉，包曉亮.艉軸密封技術的發展[J].世界海運，2000，23(1)：37-38.

[2]姚世衛.潛艇尾軸密封技術發展[J].船海工程，2002，（4）：16-19.

[3]劉子俊，催皆凡.海洋機器人用水下電機的深水密封研究[J].機器人，1997，19(1)：61-64.

[4]齊東華，姜曉燕，劉冬毅，等.艦船艉軸密封技術應用研究[J].流體機械，2002，30(5)：4-7.

[5]吳根茂，邱敏秀，王慶豐，等.新編實用電液比例技術[M].杭州：浙江大學出版社，2006.

[6]聶 勇，王慶豐，唐建中.較大密閉容腔的高精度水壓控制[J].浙江大學學報（工學版），2011，（10）：5-8.