带有压力补偿模块的容积式阀位指示器

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国船舶重工集团公司第704研究所 作者:张中荣

  文章分析了造成容积式阀位指示器在船舶液压阀门遥控系统中应用产生误差的因素,介绍了一种新颖的带有压力补偿模块的容积式阀位指示器。这种阀位指示器可在系统工作压力高、控制管路长的工况下有效提高阀位指示器的测量精度,可广泛应用于大型船舶液压阀门遥控系统。

  目前,船舶液压阀门遥控系统设计应用中,出于防爆要求和节省电缆等因素的考虑,油船、液货船上的阀位指示大多采用间接测量技术。即阀位测量、指示机构均放置在安全区域的电磁阀箱内,用测量元件测量控制回路中的液体体积、流向、压力或流量等参数,利用参数的变化间接反映所控制阀门的开闭位置和运动状态,并进行指示[1]。

  近年来,随着船舶大型化和船舶自动化水平的不断提高,船舶液压阀门遥控系统已广泛地应用于大型船舶的压载水系统、舱底水系统及油船输油系统中[2,3]。其系统工作压力、控制管路长度相应增加,对阀位指示特别是容积式阀位指示的应用带来诸多问题。本文详细分析了影响容积式阀位指示器测量精度的因素和解决方法,研制出带有压力补偿模块的容积式阀位指示器。

1、容积式阀位指示器简介及应用

  容积式阀位指示器是间接式阀位测量技术的一种,主要是通过测量流过液压驱动器的液体体积来间接测量其位置的.目前,主要有计量油缸型和计量马达型两种.

  1)计量油缸型

  计量油缸型阀位指示器通常由活塞、螺旋机构、测显机构等组成。液压油流过计量油缸时推动活塞运动,在缸径确定的情况下,将液压油的流量转换成位移S,再经过螺旋机构将位移S转换成小于360°的开度角,然后通过带有表盘的测显机构直接显示并转换成电信号输出。

  2)计量马达型

  计量马达型阀位指示器通常由计量马达、齿轮减速器、测显机构等组成.液压油流过计量马达时驱动齿轮马达转动,在马达排量确定的情况下,将液压油的流量转换成计量马达的转数n,再经过小型齿轮减速器将转数n转换成小于360°的开度角,然后通过带有表盘的测显机构直接显示并转换成电信号输出。

  容积式阀位指示器一般都要串在液压控制回路中,如图1为常用的容积式阀位指示器的控制回路图.图中通过阀位指示器(3)将流过容积式阀位指示器液压油的体积转化为小于360°的开度角,可直接通过阀位指示器进行机械指示,也可以转换成电信号传送至电气控制台予以处理,从而可以实现对整个阀门遥控系统的控制。

容积式阀位指示器的液压控制回路

图1 容积式阀位指示器的液压控制回路

2、影响容积式阀位指示器指示精度的因素

  由于采用间接测量技术,容积式阀位指示器的测量精度就尤为重要。尤其在船舶朝着大型化和自动化方向发展当今,其系统工作压力、控制管路长度都相应增加,因此,需要深入研究各种影响因素.要提高容积式阀位指示器的精度,除了其自身结构合理,工艺性好,运动阻力小,泄漏低外,系统的管路长度、压力等因素也会对其产生很大的影响。

  2.1、管路长度、工作压力的影响

  容积式间接测量技术的基础是油液不可压缩.在系统压力低、控制管路较短(控制容积小)的工况下,控制回路中的油液压缩量较小,可以忽略不计,认为油液是不可压缩的。但在大型船舶的液压阀遥控系统工作压力达12.5MPa,控制管路长达300m时,控制容积内油液压缩容积往往大于液压驱动器的工作容积或占较大比例,将严重影响容积式阀位指示器的指示精度。

  油液压缩量可根据式(1)进行计算[2].

ΔV=VΔP/K (1)

  式中,V为油液体积,mL;ΔV为在压力作用下油液的体积压缩量,mL;P为压力;K为油液的体积弹性模量,取K=0.7×103MPa。

  为了研究管路长度和系统压力对油液体积的影响,在管路内径为6mm、液压油体积弹性模量为K=0.7×103MPa的条件下,分别计算7.5MPa、10MPa、12.5MPa的工作压力下,液压油体积压缩量ΔV在不同管路长度下的值,其结果如图2所示。由图可知,管路越长,管路内的液压油的压缩量越大,相同压力下管路内液压油的体积压缩量与管路长度呈线性关系增长;压力越大,管路内液压油的体积压缩量越大,相同管路长度下管路内液压油的体积压缩量与管路的压力呈线性关系增长。12.5MPa压力下,当管路长度到达300m以上时,其压缩量在150mL以上,在测量时,会对测量精度有非常大的影响。

带有压力补偿模块的容积式阀位指示器

  2.2、管路中液压油压缩容积与液压驱动器的工作容积比例关系

  当管路长度变长时,控制容积内的液压油压缩量与液压驱动器的工作容积(待测液压油体积)的比值越来越大,其测量误差会随之增大。通过计算控制容积内液压油压缩体积与液压驱动器工作容积的比例关系,可知压力和管路长度对容积式阀位指示器测量精度的影响,液压油的压缩体积所占比例越大,测量误差越大,反之,测量误差越小。下面以一高压系列的液压驱动器(如表1所示)为例,分析每个型号的驱动器在不同压力和不同管路长度下,控制容积压缩量占被测驱动器容积的百分比的变化关系,其变化曲线见图3~图5。

容积压缩量与工作容积比例曲线图
容积压缩量与工作容积比例曲线图

图3 容积压缩量与工作容积比例曲线图

  从图3可知:液压驱动器工作容积越大、控制管路越短、工作压力较低时管路容积压缩量越小,阀位指示误差较小;反之控制回路容积压缩量越大,而阀位指示误差也随之增大。

3、带压力补偿模块的容积式阀位指示器的应用

  图2所示的控制回路显然不能适应大型船舶阀门遥控系统高压化和长距离控制的精度要求.图4所示的系统因为采用了带有压力补偿模块的容积式阀位指示器的控制回路,它将低压回油路上的液压油引入到测量元件中,减小了压力测量精度的影响。

带压力补偿模块的容积式阀位指示器的控制回路

图4 带压力补偿模块的容积式阀位指示器的控制回路

  容积式阀位指示器的压力补偿模块采用可由三位四通电磁换向阀控制切换液流方向的三位六通阀结构(图4),主要由阀体、阀芯和单向阀、阻尼器等部分组成。阀芯处于中位时可将流量计的进、回油路与其它油路同时切断,并使A、B腔处于低压回油端,可以消除管路过长、压力过高、引起管内压缩体流动对阀位测量的影响;工作时,使流量计始终处于低压侧,不受压力变化的影响,可以提高测量精度。电磁换向阀用于控制到执行器的压力油流向,控制阀门的启或闭。其上部与三位四通电磁阀相连,下部与集成阀块相连,侧面连接阀位指示器,从而达到了控制要求,并且具有较高的集成度,方便安装、维护。

  通过上述压力补偿模块的容积式阀位指示器应用可极大提高其在系统压力高、控制管路长工况的阀位指示精度,笔者在工作压力为11MPa、管路长度为100m、200m、300m的工况下,选用HDA1000液压驱动器及配套计量油缸型阀位指示器进行了容积式阀位指示器指示精度试验。其精度可控制在3%以内,基本满足大型船舶阀门遥控系统的使用。

  通过试验证明:

  1)在工作压力低、控制管路短、液压驱动器工作容积大时,容积式阀位指示器可直接接入控制回路中。

  2)液压驱动器工作容积过小(≤150mL)不宜采用容积式阀位指示器。

  3)工作压力高、控制管路长、管内压缩容积与液压驱动器工作比值偏大时,容积式阀位指示器不可直接接入控制回路中,要与压力补偿模块一同使用,才能达到测量精度。

4、结束语

  采用压力补偿模块,可极大地提高容积式阀位指示器的测量精度,完全可以满足大型船舶阀门遥控系统的使用要求。设计者可根据具体的船只和驱动器要求,适时采用压力补偿模块,以采取合适的系统方法,保证安全,提高测量精度和系统可靠性。

参考文献

  [1]韩章.船舶阀门遥控系统的选择[J].上海造船,2009(2):33-34.

  [2]林锐,李玮,陈涛.船用阀门位置指示装置的研究与分析[J].流体与控制,2009(6):54-55.

  [3]林锐,刘辉,张轩.船舶阀门遥控系统的研究与分析[J].流体与控制,2007(6):15-16.

  [4]雷天觉.液压工程手册[M].北京:机械工业出版社,1990.

  [5]杨源泉.阀门设计手册[M].北京:机械工业出版社,2000.

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