背壓平衡式液體壓力調節裝置設計及測試方法

彭軼，盛曉巖，李鑫武

(中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

0 引言

壓力是力學計量領域的基礎量值之一。而液體高壓的測量作為壓力測試的重要部分現已廣泛應用于航空、航天、船舶、石油勘探等領域，在汽車工業等制造業中也扮演著重要的角色，隨著科學技術的發展和新技術的應用，以及現場校準技術的發展，高壓測試需求越來越廣泛。

目前，廣泛使用的現場液體高壓壓力校準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、計算機技術和流體控制技術相結合的產物，通過對液體的控制，快速、準確、穩定地產生目標壓力，同時又能通過壓力傳感器的實時反饋顯示被測壓力，從而實現對液體壓力的連續精確控制。

液體壓力控制方法主要有流量調節和變容積調節兩種。流量調節方法是通過增加或減少對密閉容腔中液體的質量來實現對液體壓力的調節，這種控制方式所采用的壓力控制系統較簡單，但對進行流量控制的閥門的性能要求非常高，要實現高壓下的壓力精確控制較難。變容積調節方法是將電機的旋轉運動轉換為活塞系統的軸向運動，通過調壓活塞的移動，改變密閉容腔內定質量的液體體積來實現對液體壓力的控制，在高壓下具有較高的控制準確度。

1 變容積壓力調節方法介紹

由于調節裝置設計上的差別，變容積調節方法又有所不同，其中，基于單活塞的變容積壓力調節方法應用較為廣泛，而我們設計的裝置采用的是基于雙活塞的平衡背壓式變容積壓力調節方法。

基于單活塞的變容積壓力調節裝置其結構及作用如圖1所示，利用活塞的一端對密閉在活塞筒內的液體進行壓縮，從而達到壓力調節的目的。為了提高壓力調節的分辨力，單活塞的直徑一般不超過10 mm，對于高壓來說，當系統進行大范圍的壓力調節時，會使得壓力的調節時間變得很長，因此，基于單活塞結構的傳統壓力調節裝置及調節方法，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。單活塞結構在高壓范圍內進行壓力調節時，容腔中的高壓液體會對調壓活塞產生很大的軸向推力，這個推力會直接作用在傳動系統上，大大增加了傳動系統的負荷，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，從而不易實現高壓下的壓力精確調節。

圖1 單活塞壓力調節裝置結構示意圖［1］

平衡背壓式壓力調節裝置，雖然也是利用變容積壓力調節方法，但由于其獨特的平衡背壓結構可解決單活塞等傳統變容積調節方法中存在的液體高壓對活塞產生的軸向推力大導致調壓困難的問題，其結構如圖2所示。

造壓設備為系統造壓，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，為活塞移動提供動力;大、小活塞組成的活塞系統在電機的控制下，在活塞筒內軸向移動，對小活塞前端的定質量液體體積進行改變，達到改變系統壓力的目的;增壓、泄壓、平衡截止閥可控制該閥門所在管路的關閉和連通;壓力傳感器反饋系統壓力，對輸出的壓力進行最終的監測。

圖2 背壓平衡式壓力調節裝置結構示意圖［2］

2 平衡背壓結構參數設計

在變容積調節實現壓力粗調過程中，為實現傳動裝置帶動活塞軸向移動不受當前高壓所產生的軸向推力影響這一目的，必須對如圖2所示的平衡背壓結構的大小活塞的參數進行合理設計，根據整個系統壓力變化率的要求，設計小活塞直徑Ds為10 mm，可計算小活塞的面積設計大活塞的直徑Db為23 mm，大活塞筒內徑Di為25 mm，可以計算出大活塞與大活塞筒內壁之間的間隙形成的環狀背壓面積。此時大活塞與大活塞筒內壁之間的間隙形成的環狀背壓面積與小活塞的面積近似相等，當平衡截止閥打開時，活塞系統兩端均受液壓壓力，所受作用力大小相等、方向相反，處于力平衡狀態。

3 平衡背壓調節裝置壓力控制分辨力設計

在變容積調節進入壓力精確調節階段后，快速增壓和壓力粗調階段活塞的平衡狀態會被打破，此時的調節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確度得以實現的重要參數，可以根據平衡背壓結構參數及電機等傳動裝置的參數計算得出，并為壓力自動控制的程序編寫提供理論依據。

由于伺服電機、渦輪蝸桿減速機、絲杠副都是成品，選型確定后參數即固定，電機的轉速用R 表示，減速機的減速比用N ∶1 表示，經過減速后，可得到絲杠副的螺母轉速為，轉速單位為r/s。設螺母最小轉動時間為t，因此螺母在最小轉動時間內旋轉的角度為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 跟伺服電機的轉速有以下關系［3］:

以小活塞面積S 作為壓力調節面積時，容腔內油液體積變化量ΔV 為

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

式中:k 為液體的體積壓縮系數;V 為液體的體積;ΔP 為壓力增量。

體積壓縮系數k 的倒數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，實際調節容腔容積為V0。所以當以小活塞面積作為壓力調節面積，伺服電機設定以最小轉速Rmin運動時，根據公式(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果分析

在對平衡背壓式壓力調節裝置的結構參數及控制分辨力進行合理設計后，結合裝置通過快速增壓、壓力粗調、壓力精確調節三個階段，可以最終實現對壓力的快速準確控制。結合圖2 對裝置的壓力調節三階段進行描述，當前壓力值遠小于目標壓力值時，泄壓截止閥關閉，增壓截止閥打開，平衡截止閥均打開，由造壓設備給系統快速增壓，此時背壓腔，即大活塞外壁與大活塞筒內壁之間的間隙形成的間隙腔體，與調壓腔即小活塞右端與小活塞筒形成的腔體，兩腔體內壓力同時快速上升并接近所需的目標壓力值，完成壓力粗調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。

在與目標壓力值相差10%時，造壓設備停止工作，增壓截止閥關閉，此時伺服電機工作，帶動活塞系統沿軸向向右移動，容腔容積快速平穩變小，兩容腔內壓力同時上升如圖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，活塞系統雖然受力，但始終處于力平衡狀態，因此在此階段控制過程中，不存在調壓困難的問題。

壓力精確調節階段，平衡截止閥均關閉，背壓腔與調壓腔斷開，此時電機降低轉速繼續工作，電機的旋轉運動轉換為大活塞和小活塞在軸向的微小位移，因為精確調節前，活塞系統處于力平衡狀態，所以傳動裝置帶動活塞系統軸向小范圍內移動不會受當前高壓所產生的軸向推力影響，又由于平衡截止閥的截止作用，只保留了小活塞的壓力調節作用，利用小活塞壓力調節分辨力高的特點，達到精確調節壓力的目的，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 結束語

平衡背壓式壓力調節結構，結合了當前高壓領域所采用的變容積壓力控制技術，同時兼顧到壓力計量校準設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節對活塞機械加工精度要求高的難題。使液體壓力調節從低壓到高壓都能實現較快的控制速度，同時在高壓控制過程中，通過背壓平衡式壓力調節結構的設計，使電機系統及傳動裝置帶動活塞移動進行壓力調節時，不受當前液體高壓對活塞產生的軸向推力影響，大大降低了整個系統的傳動扭矩，利用常用的小功率電機就可以在高壓下實現精確的壓力調節，為液體壓力控制器的研制提供了可實現的技術手段。

［1］吳振順.液壓控制系統［M］.北京:高等教育出版社，2008.

［2］張紹九.液壓密封［M］.北京:化學工業出版社，2012.

［3］張利平.液壓控制系統及設計［M］.北京:化學工業出版社，2011.