帶有壓力補(bǔ)償模塊的容積式閥位指示器
文章分析了造成容積式閥位指示器在船舶液壓閥門遙控系統(tǒng)中應(yīng)用產(chǎn)生誤差的因素，介紹了一種新穎的帶有壓力補(bǔ)償模塊的容積式閥位指示器。這種閥位指示器可在系統(tǒng)工作壓力高、控制管路長(zhǎng)的工況下有效提高閥位指示器的測(cè)量精度，可廣泛應(yīng)用于大型船舶液壓閥門遙控系統(tǒng)。
目前，船舶液壓閥門遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用中，出于防爆要求和節(jié)省電纜等因素的考慮，油船、液貨船上的閥位指示大多采用間接測(cè)量技術(shù)。即閥位測(cè)量、指示機(jī)構(gòu)均放置在安全區(qū)域的電磁閥箱內(nèi)，用測(cè)量元件測(cè)量控制回路中的液體體積、流向、壓力或流量等參數(shù)，利用參數(shù)的變化間接反映所控制閥門的開閉位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并進(jìn)行指示[1]。
近年來，隨著船舶大型化和船舶自動(dòng)化水平的不斷提高，船舶液壓閥門遙控系統(tǒng)已廣泛地應(yīng)用于大型船舶的壓載水系統(tǒng)、艙底水系統(tǒng)及油船輸油系統(tǒng)中[2，3]。其系統(tǒng)工作壓力、控制管路長(zhǎng)度相應(yīng)增加，對(duì)閥位指示特別是容積式閥位指示的應(yīng)用帶來諸多問題。本文詳細(xì)分析了影響容積式閥位指示器測(cè)量精度的因素和解決方法，研制出帶有壓力補(bǔ)償模塊的容積式閥位指示器。
1、容積式閥位指示器簡(jiǎn)介及應(yīng)用
容積式閥位指示器是間接式閥位測(cè)量技術(shù)的一種，主要是通過測(cè)量流過液壓驅(qū)動(dòng)器的液體體積來間接測(cè)量其位置的.目前，主要有計(jì)量油缸型和計(jì)量馬達(dá)型兩種.
1)計(jì)量油缸型
計(jì)量油缸型閥位指示器通常由活塞、螺旋機(jī)構(gòu)、測(cè)顯機(jī)構(gòu)等組成。液壓油流過計(jì)量油缸時(shí)推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，在缸徑確定的情況下，將液壓油的流量轉(zhuǎn)換成位移S，再經(jīng)過螺旋機(jī)構(gòu)將位移S轉(zhuǎn)換成小于360°的開度角，然后通過帶有表盤的測(cè)顯機(jī)構(gòu)直接顯示并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。
2)計(jì)量馬達(dá)型
計(jì)量馬達(dá)型閥位指示器通常由計(jì)量馬達(dá)、齒輪減速器、測(cè)顯機(jī)構(gòu)等組成.液壓油流過計(jì)量馬達(dá)時(shí)驅(qū)動(dòng)齒輪馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，在馬達(dá)排量確定的情況下，將液壓油的流量轉(zhuǎn)換成計(jì)量馬達(dá)的轉(zhuǎn)數(shù)n，再經(jīng)過小型齒輪減速器將轉(zhuǎn)數(shù)n轉(zhuǎn)換成小于360°的開度角，然后通過帶有表盤的測(cè)顯機(jī)構(gòu)直接顯示并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。
容積式閥位指示器一般都要串在液壓控制回路中，如圖1為常用的容積式閥位指示器的控制回路圖.圖中通過閥位指示器(3)將流過容積式閥位指示器液壓油的體積轉(zhuǎn)化為小于360°的開度角，可直接通過閥位指示器進(jìn)行機(jī)械指示，也可以轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳送至電氣控制臺(tái)予以處理，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)閥門遙控系統(tǒng)的控制。
圖1 容積式閥位指示器的液壓控制回路
2、影響容積式閥位指示器指示精度的因素
由于采用間接測(cè)量技術(shù)，容積式閥位指示器的測(cè)量精度就尤為重要。尤其在船舶朝著大型化和自動(dòng)化方向發(fā)展當(dāng)今，其系統(tǒng)工作壓力、控制管路長(zhǎng)度都相應(yīng)增加，因此，需要深入研究各種影響因素.要提高容積式閥位指示器的精度，除了其自身結(jié)構(gòu)合理，工藝性好，運(yùn)動(dòng)阻力小，泄漏低外，系統(tǒng)的管路長(zhǎng)度、壓力等因素也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生很大的影響。
2.1、管路長(zhǎng)度、工作壓力的影響
容積式間接測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)是油液不可壓縮.在系統(tǒng)壓力低、控制管路較短(控制容積小)的工況下，控制回路中的油液壓縮量較小，可以忽略不計(jì)，認(rèn)為油液是不可壓縮的。但在大型船舶的液壓閥遙控系統(tǒng)工作壓力達(dá)12.5MPa，控制管路長(zhǎng)達(dá)300m時(shí)，控制容積內(nèi)油液壓縮容積往往大于液壓驅(qū)動(dòng)器的工作容積或占較大比例，將嚴(yán)重影響容積式閥位指示器的指示精度。
油液壓縮量可根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算[2].
ΔV=VΔP/K (1)
式中，V為油液體積，mL;ΔV為在壓力作用下油液的體積壓縮量，mL;P為壓力;K為油液的體積彈性模量，取K=0.7×103MPa。
為了研究管路長(zhǎng)度和系統(tǒng)壓力對(duì)油液體積的影響，在管路內(nèi)徑為6mm、液壓油體積彈性模量為K=0.7×103MPa的條件下，分別計(jì)算7.5MPa、10MPa、12.5MPa的工作壓力下，液壓油體積壓縮量ΔV在不同管路長(zhǎng)度下的值，其結(jié)果如圖2所示。由圖可知，管路越長(zhǎng)，管路內(nèi)的液壓油的壓縮量越大，相同壓力下管路內(nèi)液壓油的體積壓縮量與管路長(zhǎng)度呈線性關(guān)系增長(zhǎng);壓力越大，管路內(nèi)液壓油的體積壓縮量越大，相同管路長(zhǎng)度下管路內(nèi)液壓油的體積壓縮量與管路的壓力呈線性關(guān)系增長(zhǎng)。12.5MPa壓力下，當(dāng)管路長(zhǎng)度到達(dá)300m以上時(shí)，其壓縮量在150mL以上，在測(cè)量時(shí)，會(huì)對(duì)測(cè)量精度有非常大的影響。
2.2、管路中液壓油壓縮容積與液壓驅(qū)動(dòng)器的工作容積比例關(guān)系
當(dāng)管路長(zhǎng)度變長(zhǎng)時(shí)，控制容積內(nèi)的液壓油壓縮量與液壓驅(qū)動(dòng)器的工作容積(待測(cè)液壓油體積)的比值越來越大，其測(cè)量誤差會(huì)隨之增大。通過計(jì)算控制容積內(nèi)液壓油壓縮體積與液壓驅(qū)動(dòng)器工作容積的比例關(guān)系，可知壓力和管路長(zhǎng)度對(duì)容積式閥位指示器測(cè)量精度的影響，液壓油的壓縮體積所占比例越大，測(cè)量誤差越大，反之，測(cè)量誤差越小。下面以一高壓系列的液壓驅(qū)動(dòng)器(如表1所示)為例，分析每個(gè)型號(hào)的驅(qū)動(dòng)器在不同壓力和不同管路長(zhǎng)度下，控制容積壓縮量占被測(cè)驅(qū)動(dòng)器容積的百分比的變化關(guān)系，其變化曲線見圖3~圖5。
圖3 容積壓縮量與工作容積比例曲線圖
從圖3可知：液壓驅(qū)動(dòng)器工作容積越大、控制管路越短、工作壓力較低時(shí)管路容積壓縮量越小，閥位指示誤差較小;反之控制回路容積壓縮量越大，而閥位指示誤差也隨之增大。
3、帶壓力補(bǔ)償模塊的容積式閥位指示器的應(yīng)用
圖2所示的控制回路顯然不能適應(yīng)大型船舶閥門遙控系統(tǒng)高壓化和長(zhǎng)距離控制的精度要求.圖4所示的系統(tǒng)因?yàn)椴捎昧藥в袎毫ρa(bǔ)償模塊的容積式閥位指示器的控制回路，它將低壓回油路上的液壓油引入到測(cè)量元件中，減小了壓力測(cè)量精度的影響。
圖4 帶壓力補(bǔ)償模塊的容積式閥位指示器的控制回路
容積式閥位指示器的壓力補(bǔ)償模塊采用可由三位四通電磁換向閥控制切換液流方向的三位六通閥結(jié)構(gòu)(圖4)，主要由閥體、閥芯和單向閥、阻尼器等部分組成。閥芯處于中位時(shí)可將流量計(jì)的進(jìn)、回油路與其它油路同時(shí)切斷，并使A、B腔處于低壓回油端，可以消除管路過長(zhǎng)、壓力過高、引起管內(nèi)壓縮體流動(dòng)對(duì)閥位測(cè)量的影響;工作時(shí)，使流量計(jì)始終處于低壓側(cè)，不受壓力變化的影響，可以提高測(cè)量精度。電磁換向閥用于控制到執(zhí)行器的壓力油流向，控制閥門的啟或閉。其上部與三位四通電磁閥相連，下部與集成閥塊相連，側(cè)面連接閥位指示器，從而達(dá)到了控制要求，并且具有較高的集成度，方便安裝、維護(hù)。
通過上述壓力補(bǔ)償模塊的容積式閥位指示器應(yīng)用可極大提高其在系統(tǒng)壓力高、控制管路長(zhǎng)工況的閥位指示精度，筆者在工作壓力為11MPa、管路長(zhǎng)度為100m、200m、300m的工況下，選用HDA1000液壓驅(qū)動(dòng)器及配套計(jì)量油缸型閥位指示器進(jìn)行了容積式閥位指示器指示精度試驗(yàn)。其精度可控制在3%以內(nèi)，基本滿足大型船舶閥門遙控系統(tǒng)的使用。
通過試驗(yàn)證明：
1)在工作壓力低、控制管路短、液壓驅(qū)動(dòng)器工作容積大時(shí)，容積式閥位指示器可直接接入控制回路中。
2)液壓驅(qū)動(dòng)器工作容積過小(≤150mL)不宜采用容積式閥位指示器。
3)工作壓力高、控制管路長(zhǎng)、管內(nèi)壓縮容積與液壓驅(qū)動(dòng)器工作比值偏大時(shí)，容積式閥位指示器不可直接接入控制回路中，要與壓力補(bǔ)償模塊一同使用，才能達(dá)到測(cè)量精度。
4、結(jié)束語
采用壓力補(bǔ)償模塊，可極大地提高容積式閥位指示器的測(cè)量精度，完全可以滿足大型船舶閥門遙控系統(tǒng)的使用要求。設(shè)計(jì)者可根據(jù)具體的船只和驅(qū)動(dòng)器要求，適時(shí)采用壓力補(bǔ)償模塊，以采取合適的系統(tǒng)方法，保證安全，提高測(cè)量精度和系統(tǒng)可靠性。
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