一种用于精确水压控制的压力传递装置

苏同波，聂 勇，刘亚熙

（1.云南省招标采购局，云南 昆明 650106；2.浙江大学 流体传动及控制国家重点实验室，浙江 杭州 310027）

水下航行体研制的关键问题之一，是轴的旋转动密封，即轴与壳体之间，以及轴与轴之间的密封[1～2]。研究表明：水下航行体由于密封问题而发生的故障，比由于电子器件等问题而发生的故障还要高。水下航行体的密封，分为静密封和动密封两种。静密封相对来说容易解决，动密封的问题比较难解决。而且介质压力越高，轴的转速越高，运转时间越长，越容易产生泄漏[3～4]。因此，研制进行陆上旋转密封试验的密封试验设备，对旋转密封技术及水下航行体的研究意义重大。

旋转密封陆上试验设备，必须具有压力罐等压力容腔用于模拟水下受压环境，从而实现被试对象所受压力的变化。对于高压环境下的旋转密封试验，压力的控制精度对旋转密封试验对象的试验结果，有非常大的影响。因此，提高试验设备的压力控制精度，将提高试验的可靠性与真实性。

本文对改进前旋转密封陆上试验设备进行分析的基础上，提出了一种基于皮囊式液压蓄能器的压力传递装置，用于提高试验设备压力控制精度。

1 改进前后水压控制系统对比

改进前水压控制系统原理图，如图1所示。试验设备在使用过程中，通过试压泵直接注入介质，受每次注入量的影响，在压力上升、稳态控制及下调的过程中，压力控制精度低。

图1 改进前水压控制系统原理图

改进后的水压控制系统原理图如图2所示。控制器根据预先设定的目标压力控制信号，与传感器实时采集的压力罐中的水压信号，调整电液力控制系统的输出的压力，油液压力经压力传递装置传给压力罐中的水，压力罐中的水压随之变化，当压力罐中的水压达到预先设置值时，水压与油压处于平衡状态，最终实现压力罐内的水压控制。

图2 改进后水压控制系统原理图

2 压力传递装置的工作原理

水的体积弹性模量很大（约为2 100 MPa），几乎不可压缩；这表明在装满水的密闭容腔内，只要改变容腔的少许几何体积，即可迅速建立起压力。根据这一性质，在皮囊式液压蓄能器的基础上，设计了压力传递装置，将原皮囊的充气孔改为进水孔，皮囊内充氮气改为水，皮囊选用耐水、耐油（石油基液压油）材料，其他沿用液压蓄能器的结构。其由液压油腔、皮囊、水腔等部分组成，结构示意为图3所示。

图3 压力传递装置结构示意图

皮囊柔韧性好，实现了油水隔离和压力传递，并且在传递压力时不易产生振动[6]。

压力传递装置的工作原理：如图4所示，压力罐中水与皮囊内水通过进水口连通，整个皮囊内充满水，在升压过程中，通过电液力控制系统，将液压油注入压力传递装置的壳体内，使得皮囊外部油压高于水压，从而皮囊被压缩，容积减少，压力罐中的水也同时被压缩，水压将上升；当油压与水压相等时，皮囊容积停止收缩；降压时，液压油腔压力降低，皮囊内水压高于油压，液压油流出压力传递装置的外壳，皮囊体积增大，压力罐中的水压也随之下降。

图4 压力传递装置原理示图

只需改变进入压力传递装置外壳中液压油的压力，即可实现压力罐中的水压控制。压力传递装置的使用，实现了油水隔离，并且利用皮囊自身的减振性能，提高了水压控制系统的压力控制精度。

3 皮囊容积计算

3.1 压力罐中水的体积弹性模量计算

因为水中渗入了空气以及包容它的固体壁面（如管道、压力罐）具有的弹性，所以压力罐中水的体积弹性模量而比其物理值低，压力容腔中水的有效弹性模量计算公式为[5]

式中，

Ee为管道等形成的封闭压力容腔内水的有效弹性模量；

El为水的体积弹性模量2 100 MPa；

Vg/V为水中所含有气体容积，自来水中空气含量为 30 g/t，即（3×10-3）%；

Eg近似为气体的绝热弹性模量，其近似公式为

对于空气有Eg=1.4 p，其中Cp/Cν是定压比热容与定容比热容之比，实验中初始压力定为

Ec为容器的弹性模量，常用决定容器弹性模量的主要部分，即各管系管壁的弹性模量来代替，其近似公式为

3.2 压力容腔中介质体积变化量

压力容腔中水的体积变化量计算公式为

式中，

Δ p为总压力变化量；

V总为压力容器加上各管道后的总容积。

所选用的皮囊可压缩体积必须大于ΔV，可按经验乘一系数。

3.3 试验用压力传递装置皮囊容积计算

压力容器所用压力管及压力罐使用的材料为不锈钢，所用各压力管壁厚T为2 mm，压力管内径D为10 mm，管子材料的弹性模量Ep为200 GPA=2×105MPa，压力容器加上管道后的总容积

由式（1）可得

设水压由0.1 MPa增至12 MPa，压力变化Δ p=11.9 MPa，由式（2）可得压力容腔中水的体积变化量

由前面的计算可知，当水压达到系统最高压力12 MPa时，体积压缩量为0.171 L。另外，在试验过程中，由于水温度上升会导致介质体积膨胀，因此必须考虑这部分的体积变化。假设实验开始时水温为T0=20℃，最后水温上升到T1=40℃，水的平均热膨胀系数β=2.24×10-4，水温上升引起的体积变化量

所以，皮囊的可压缩体积必须大于

实际工作中，考虑到压力罐进出水阀因为长时间的工作，可能有微量的泄漏，所以皮囊容积取10 L左右，即可保证系统正常工作。

4 试验用压力传递装置压力控制试验

4.1 稳态压力控制试验

为了说明基于压力传递装置的水压控制设计的合理性和有效性，对改进后的水压控制系统，进行了模拟试验。

稳态压力控制试验目标，控制压力分别为0.1MPa、0.4MPa、5MPa、10MPa，试验结果如图5 所示。

图5 稳态压力控制试验

在试验中发现，当目标控制压力低于0.1 MPa时，系统压力波动较大，处于不可控状态。结果表明系统在0.1～10 MPa范围内压力，可控区间内的压力稳态误差为±0.04 MPa（满量程精度±0.4%）。

4.2 不同压力速率下升降控制试验

在不同的压力速率下升降控制试验中，目标控制信号分别为 ±0.05 MPa/s、±0.25 MPa/s、±0.5 MPa/s、±2 MPa/s压力变化时，试验结果如图6所示。

结果表明：当压力变化率从0.05～2 MPa/s增加时，上升阶段系统均能较好地跟踪目标控制信号，随速率的增大，到达稳态控制目标时，超调量也随之略微增大；压力下降阶段，小压力变化率时压力跟踪较好，当压力变化率为2 MPa/s时，在到达稳态控制目标压力信号附近时跟踪性误差较大。

图6 不同压力速率升降试验

5 结束语

试验结果显示，利用压力传递装置，完全满足试验过程中的压力升降要求，在压力升降及保压过程中，都可以实现较高的水压控制精度，并且密闭容腔的体积越大，稳态水压控制精度更能符合设计要求。因此，压力传递装置可显著提高旋转密封陆上试验设备的水压控制精度。

[1]陈钢耀，黄宝玉，包晓亮.艉轴密封技术的发展[J].世界海运，2000，23(1)：37-38.

[2]姚世卫.潜艇尾轴密封技术发展[J].船海工程，2002，（4）：16-19.

[3]刘子俊，催皆凡.海洋机器人用水下电机的深水密封研究[J].机器人，1997，19(1)：61-64.

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[5]吴根茂，邱敏秀，王庆丰，等.新编实用电液比例技术[M].杭州：浙江大学出版社，2006.

[6]聂 勇，王庆丰，唐建中.较大密闭容腔的高精度水压控制[J].浙江大学学报（工学版），2011，（10）：5-8.