某大扭矩船用间接式阀位指示器测量误差分析.pdf

第4 8 卷第1期2024年1月doi:10.11832/j.issn.1000-4858.2024.01.022某大扭矩船用间接式阀位指示器测量误差分析张宏，刘佳康，王守真，雷宜达，刘佳杭（1.大连理工大学机械工程学院，辽宁大连116 0 0 0；2.大连船用阀门有限公司，辽宁大连116 0 3 3）摘要：为实现阀门遥控系统中阀门开度的精确测量，对影响船用间接式阀位指示器误差最大的油液压缩性进行了研究,提出了应用AMESim仿真与压缩性变化特性方程及结构相结合的策略对不同工况下液压油的有效体积弹性模量进行研究的方法，进而得到间接式阀位指示器测量误差变化规律，揭示了阀位指示器在油路中不同安装位置对测量误差的影响。结果表明：间接式阀位指示器测量误差对油液压缩量敏感，当油液含气量从0.0 5%增大到1%时，油液压缩量增加，测量误差变大；含气量相同，在低压、高温工况下，会加大测量误差。研究成果为新型船用间接阀位指示器补偿模块的研究提供了模型基础。关键词：AMESim仿真；间接式阀位指示器；油液压缩；测量误差中图分类号：TH137文献标志码：B文章编号：10 0 0-4 8 5 8(2 0 2 4)0 1-0 18 1-0 8Measurement Error Analysis of a Marine Indirect Valve PositionZHANG Hong,LIU Jia-kang,WANG Shou-zhen,LEI Yi-da,LIU Jia-hang(1.School of Mechanical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian,Liaoning 116000;Abstract:In order to realize the accurate measurement of the valve opening in the valve remote control system,theoil compressibility that affects the error of the marine indirect valve position indicator is studied,and a method isproposed to study the effective volumetric elastic modulus of hydraulic oil under different working conditions byusing the combination strategy of AMESim simulation and compressibility change characteristic equation,and thenobtaines the variation rule of the measurement error of the indirect valve position indicator,and reveales theinfluence of the different installation positions of the valve position indicator in the oil circuit on the measurementerror.The results show that the measurement error of the indirect valve position indicator is sensitive to the oilcompression.When the oil gas content increases from 0.05%to 1%,the oil compression increases and themeasurement error becomes larger,the same gas content will increase the measurement error under low pressureand high temperature conditions.The research results provide a model basis for a new type of marine indirect valveposition indicator compensation module.Key words:AMESim simulation,indirect valve position indicator,oil compression,measurement error引言随着船舶逐渐往大型化和现代化发展，船用阀门遥控系统广泛用于各类舰船的压载舱、船底舱输水系统和燃油输送系统，并通过阀位指示器控制阀门的开关状态和开度大小 液压与气动Chinese Hydraulics&PneumaticsIndicator with Large Torque2.Dalian Marine Valve Co.,Ltd.,Dalian,Liaoning 116033)Vol.48 No.1January.2024阀门与执行器一般为一体式安装，最直接的阀位收稿日期:2 0 2 2-0 2-2 8修回日期:2 0 2 3-0 6-2 7作者简介：张宏（19 7 7 一），女，吉林吉林人，教授，博士，主要从事液压技术方面的科研和教学工作。182测量方法就是把阀位指示器直接安装在阀门执行器上，可以直接测量阀门位置，并把测量信息通过电信号的形式传递到控制台，这种方法测量精度高，但传递信号需要用到电缆，而在油船、化学品船等防爆场合不能采用电缆 2 。因此为了实现防爆要求，油船、化学品船等的阀门遥控系统一般使用间接式阀位测量技术 3 ,即阀位的测量和指示部分均安装在距离阀门较远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（4 。随着船舶阀门遥控系统工作压力和控制油路管路长度的不断增加,油液压缩与相关因素对间接式阀位指示器测量精度的影响不可忽视 5 。因此,分析影响油液压缩量的因素，计算不同工况下间接式阀位指示器测量精度，合理选择间接式阀位指示器在控制油路上的安装位置,对减小间接式阀位指示器测量误差有重要意义 6 目前,有国内外的学者对间接式阀位指示器及其精度影响因素进行了相关的研究。万会雄等 7 考虑了间接式阀位指示器的累计误差问题，用磁电式传感器代替传统的机械式传感器，提升了测量精度。林焱 8 提出一种计量油缸型阀位指示器，相对计量马达型阀位指示器的精度有所提高。张中荣等 9 提出一种压力补偿回路，改善了系统压力对测量精度的影响，同时分析计算了不同管路长度和系统压力下的油液压缩量大小。德国PLEIGER公司使用标准流量计配合CCM模块,特殊的自校准功能使 CCM 能够控制任何所需的执行器或其位置，不受其尺寸、工作压力或线路参数影响,提升了测量精度。美国Emerson公司针对自已独有的Damcos 设计出了一款带有压力和温度补偿功能的间接式阀位指示器，可以匹配不同的执行器尺寸和管路长度，测量误差较小。通过阅读、分析以上文献可以发现，尽管国内的研究者采用改进间接式阀位指示器结构的方法提高了一定精度，但目前对油液压缩性方面的机理及影响分析不足，没有定量分析油液压缩对间接式阀位指示器测量误差大小的影响。为突破关键元件国外技术壁垒，探讨油液压缩性对间接式阀位指示器测量误差的影响问题具有重要意义。本研究利用AMESim仿真软件和油液压缩特性方程分析影响油液有效体积弹性模量的因素，获取液压与气动油液在阀门开启关闭过程中的有效体积弹性模量大小，从而计算得到间接式阀位指示器测量误差大小，合理布置阀位指示器安装位置，为船用间接式阀位指示器测量误差的获取及优化提供理论依据和数据支撑。1间接式阀位指示器工作原理1.1系统模型及工作原理如图1所示,船用阀门遥控系统由液压泵站、电磁阀箱、控制台、应急手摇泵和阀门等组成。间接式阀位指示器通常连接在液压控制回路中并放置在离阀门较远的电磁阀箱内，油液流经间接式阀位指示器后，进入到控制回路，因此会产生一定的测量误差 10 液压动力泵站置图1 阀门遥控系统示意图 1Fig.1 Schematic diagram of valve remotecontrol system1.2间接式阀位指示器模型及工作原理如图2 所示，间接式阀位指示器由齿轮式容积流量计、液压集成阀块和阀位显示装置组成。间接式阀位指示器采用阀块连接，这种连接方式的优点是安装简便,在阀位指示器需要实现其他功能时,操作者可以直接在连接阀块上连接相应的模块。间接式阀位指示器工作原理，如图3 所示，由容积式齿轮流量计通过测量流人或流出执行器的实际流量，调速阀、容积式齿轮流量计流量式阀位显示图2 间接式阀位指示器结构图Fig.2Structure diagram of indirect valveposition indicator第4 8 卷第1期控制台应急一手摇泵电磁阀箱一电磁阀液压锁连接阀块2024 年第 1 期实现船舶上各种系统的阀位测量,并将流量计的旋转运动通过磁性离合器传递到阀位显示部分，可直接通过流量式阀位显示进行机械指示，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。电磁换向阀通过完成换向操作,控制阀门的开启或关闭；调速阀用来调整液压油的工作流量；液压锁则可用于防止油液逆流对阀位指示器精度产生的影响 12 流量式阀位显示调速阀PT图3 间接式阀位指示器原理图Fig.3 Schematic diagram of indirect valveposition indicator2计算模型2.1阀位指示器测量精度影响因素由于液压油刚度很大(K=0.8-1.710MPa)13因此液压油通常被认为不可压缩，但随着船舶向大型化方向发展,船舶的系统压力、控制管路的长度也随之增加，导致控制管路内油液压缩容积往往大于液压执行器工作容积或占较大比例，这会严重影响阀位指示器测量的准确性。对间接式阀位指示器来说，测量精度尤为重要,因此有必要深入研究各种影响因素,以此提高间接式阀位指示器的精度 14 影响间接式阀位指示器精度的最主要因素就是阀门遥控系统控制回路产生的压缩量，表示为：AV=-K式中，AV压力作用下的油液压缩体积,mLV一一控制管路容积,mLAp压缩油液上的压力，MPaK一一有效体积弹性模量,MPa一般来说,用液压系统控制管路内液压油压缩体积与液压执行器工作容积来表示阀位指示器的测量误差，即：液压与气动式中，E一一阀位指示器测量误差V一一液压执行器容积根据式(2)可知，系统压力、管路长度、油液有效体积弹性模量、执行器容积都会对阀位指示器测量精度产生影响。具体来说，管路长度和系统压力增加、执行器容积和油液有效体积弹性模量减小分别会使V和p增加、V,和K减小,从而导致阀位指示器测量误液压锁电磁阀连接阀块WWABVAp183AVVApE=VKV差增大。在液压系统工作过程中，执行器常常处于运动状态，因此系统油液实际表现出的压缩特性与静态油液有所不同。这主要是因为油液的有效体积弹性模量是一个影响因素繁多且变化复杂的动态量,在不同系统工况下变化较大,其数值大小往往与工作压力、油液温度及含气量、油液种类、容器刚度等有关。油液体积弹性模量是衡量流体刚度的指标,用以描述对一定体积的油液施加压力变化所产生的体积变化V,体积弹性模量可以表示为：K=-AV=B式中，V一一封闭容腔的总体积K一一有效体积弹性模量B一油液压缩系数负号是由于随着压力的增大，液压油的体积便会减小,V也会相应的呈现负值，因此必须引入一个负号,以使K为正值,此时称式（3）为正割体积弹性模量15 。根据定义，空气、纯油和混合油的正割弹性模量Kg,K。和K。分别表示为：VAPK=-V.ApK。=AV(1)ApKe=-(Vg+V.)AV,+AV.将式（4）和式（5）代入式（6 中,进一步简化K。得：K=Y+V+K。其中,Kg=nP,K。=K o A t m+m(p-PA m)以及V。=(2)VAp=1(3)(4)(5)(6)(7)184oAtm对于绝热压缩和等温压缩，n分别为1和1.4。通过式(7)可以看出，分析混合油中的气体体积是确定有效弹性模量的关键步骤。油液中所含的气体分为溶解气体和游离气体，溶解气体溶解在油液中，游离气体呈气泡状悬浮在油液中，对油液体积弹性模量有很大影响。油液有效体积弹性模量的变化就是油液中的游离气体含量在不同的压力、温度和初始含气量下不断变化导致。由上述可知,影响油液有效体积弹性模量的因素主要是油液中的空气含量,而油液中的空气含量受压力、温度和初始含气量的影响。此外，油液的种类也会对油液有效体积弹性模量产生影响。2.2AMESim仿真模型建立为便于在AMESim仿真软件中对液压油有效体积弹性模量进行数值分析,本研究所采用模型对阀门遥控系统液压回路进行了简化处理，以形成关于间接式阀位指示器测量误差大小的数据分析模型。电磁阀箱中只保留电磁换向阀和间接式阀位指示器，同时，用齿轮齿条中齿轮的角位移来模拟蝶阀的开启和关闭,齿轮的角位移为9 0 时阀门全开。AMESim中的简化模型如图4 所示。液压泵站（布置于舵机舱内）图4 AMESim阀门遥控系统原理图Fig.4Schematic diagram of AMESim valveremote control system根据阀门扭矩大小和液压缸的相应参数，确定负载力F大小,开启阀门所需扭矩为2 2 0 0 0 Nm，执行器中齿轮齿条中心距为9 0 mm，求负载力大小：液压与气动。n 表示空气的多变指数，求得外负载大小后，根据阀门开关一次的时间求出泵最小排量Q和系统压力大小p：FFP=12 MPaSTd4TdVS4 3 L/mintt根据调节过程，设置仿真参数如表1所示。表1阀门遥控系统部分参数表Tab.1 Partial parameter table of valve remotecontrol system参数系统压力p/MPa液压缸行程/m阀门开启一次时间s控制油路长度L/m控制油路直径d,/mm泵排量Q/Lmin-1柱塞直径d/mm电磁阀箱（布置于舵机舱内）阀门扭矩T/N m圆柱齿轮流量计与齿轮泵和齿轮马达等结构相类似,但在AMESim中没有圆柱齿轮流量计的模型,因此可以用外啮合齿轮泵的模型来代替齿轮流量计。齿轮控制油路流量计与齿轮泵及齿轮马达的不同之处在于其不需要输出扭矩和太高的压力、通过齿轮流量计后液流的压力损失也要远小于齿轮泵，因此要给齿轮流量计设置主甲板一个较小的转动惯量，如图5 所示。亚正-压载舱执行器和阀门第4 8 卷第1 期TF=2444444 NLt转动惯量extermal.gear.pump HCDEGPo图5 齿轮流量计等效模型Fig.5 Equivalent model of gear flowmeter(8)(9)(10)数值120.1560400253160220002024 年第 1 期液压与气动185表2 不同压力下间接式阀位指示器测量误差与初始含气量关系(4 0)Tab.2 Relationship between measurement error of indirect valve position indicator and initial gas contentunder different pressures(40)执行器容积/mL399048压力12MPa1620变化量/%3有效弹性模量影响因素分析油液产生压缩量的原因在于溶解在油液中的空气在系统压力或者温度作用下又重新变为自由气体，使得原本油液的体积减小。通过对式（7)的分析可知，油液中的气体含量是影响有效弹性模量大小、导致油液产生压缩体积的最主要因素，而油液中气体含量受初始含气量、系统压力、油液温度三个因素共同影响。本节主要是利用AMESim仿真软件得到阀位指示器测量误差在不同系统工况下的变化趋势。图6、图7 分别给出了在不同初始含气量下，有效弹性模量随压力和温度变化的仿真结果。1800r16001400120010008006004002000图6 不同含气量下，有效体积弹性模量随压力变化曲线Fig.6 Variation curve of effective bulk modulus ofelasticity with pressure under different gas content3.1恒温下测量误差变化趋势从图6 可以看出，有效体积弹性模量随着初始含气量的改变产生明显变化，特别是在液压系统经常使用的0 10 MPa的低压区间,有效体积弹性模量随着初始含气量/%0.050.111.7%11.9%23.2%23.3%34.8%34.9%46.4%46.4%57.9%58.0%46.146.08-0.05%-8-0.1%:80.5%8-1%8-2%510p/MPa变化量0.5113.0%14.4%24.0%24.9%35.4%36.1%46.9%47.4%58.4%58.9%45.444.5初始含气量的增加大幅下降。当液压油压力大于10MPa时，随着压力的增加，初始含气量的改变对于有效体积弹性模量值的影响反而越来越低。比如液压油压力为2 MPa时，随着初始含气量从0.1%增加到2%,有效体积弹性模量模型从15 8 1MPa下降到668 MPa,减小为原来的4 2%；而在液压油压力为15MPa时,相同的条件下，有效体积弹性模量减小为原来的9 5.5%。在闭式液压系统中,可以通过提高系统压力来增加有效体积弹性模量大小；对初始含气量低的油液，提升效果则更加显著。170016001500140013001200201520217.2%26.7%36.8%48.0%59.1%41.940图7不同含气量下，有效体积弹性模量随温度变化曲线Fig.7Variation curve of effective bulk modulus ofelasticity with temperature under different gas content表2 给出了温度为4 0 时，不同压力下初始含气量对间接式阀位指示器误差变化的影响。当系统压力为4 MPa时，初始含气量从0.0 5%变化到5%，E的变化量为14.5%；当系统压力为12 MPa时，初始含气量从0.0 5%变化到5%，E的变化量为2.6%；当系统压力为2 0 MPa时，初始含气量从0.0 5%变化到5%，E526.2%32.3%37.4%48.6%59.9%33.7-8-5%:8-2%:8-1%.80.5%-g-0.1%6080T/%14.59.12.62.22.0100变化量/%186执行器容积/mL399010203040温度/5060708090变化量/%的变化量为2%。这说明随着压力的增大，初始含气量对E的影响越来越小,且存在一个压力值Ki，当系统压力大于Ki，初始含气量对E的影响较小。根据式(4)及表2,在含气量一定的情况下,系统压力增大虽然会使油液有效体积弹性模量增加，但同时会增加控制油路压差Ap，从而产生较大的测量误差。3.2恒压下测量误差变化趋势设置系统压力恒定为9 MPa,在不同的初始含气量情况下，改变油液温度，观察油液有效体积弹性模量的变化情况。从图7 可以看出，当g=5%时，温度从10 上升到9 0，有效体积弹性模量从13 16.2 MPa下降到1237.5MPa，减小了6%；当g=0.1%时，温度从10 上升到9 0，有效体积弹性模量从16 9 0.6 MPa下降到16 8 8 MPa,减小了0.2%。这说明在相同的含气量下,油液的有效体积弹性模量随温度的增加逐渐降低，且其变化随着含气量的增加逐渐显著。当含气量小于一定值时,温度对油液有效体积弹性模量的影响可以忽略不计。基于表3，在初始含气量分别为0.1%，1%，5%的情况下,通过逐步调整温度从10 上升到9 0，可以观测到测量误差E逐渐增加，增加的值分别为0.04%，0.3 7%，2.14%。这说明在低含气量下，温度液压与气动表3 不同温度下间接式阀位指示器测量误差与初始含气量关系(9 MPa)Tab.3Relationship between measurement error of indirect valve position indicator and initial gas0.126.20%26.20%26.21%26.21%26.22%26.22%26.23%26.23%26.24%0.04第4 8 卷第1 期content at different temperatures(9 MPa)初始含气量/%0.5126.78%27.51%26.80%27.55%26.83%27.61%26.86%27.67%26.88%27.72%26.91%27.77%26.93%27.82%26.96%27.88%26.98%27.88%0.20.37对测量误差E的影响较小。同时，在温度分别为10，5 0，9 0 时，含气量从0.1%增加到5%，测量误差逐渐增加，增加的值分别为7.4 5%，8.5 3%，9.5 5%，故在低温下的测量精度受初始含气量影响较小。基于以上分析,油液中的空气含量对油液有效体积弹性模量及间接式阀位指示器测量精度影响显著，而油液中的空气含量又取决于初始含气量、系统压力、温度,其中温度对测量误差影响最小，系统压力对测量误差影响最大。在实际的阀门遥控系统中,降低温度和初始含气量都会使有效体积弹性模量增加，进而减小间接式阀位指示器测量误差；此外，降低压力导致有效体积弹性模量降低的同时也会减小控制油路两端的压差，同样也能达到减小阀位指示器测量误差的效果。3.3间接式阀位指示器安装位置本节主要探究间接式阀位指示器安装至控制油路的不同位置对阀门遥控系统测量精度的影响。阀门开启和关闭分为2 个阶段：油液压缩阶段和执行器动作阶段。压缩阶段是指油液随着系统压力升高逐渐被压缩,对于进油回路来说,在油液压缩阶段时管路内油液受到压力和系统压力相同，而回油路油液只需克服回油背压大小，如图8 所示。由表2 可知,控制油路两端压差越大，间接式阀位229.00%29.10%29.21%29.32%29.42%29.52%29.63%29.73%29.84%0.84533.65%33.98%34.18%34.43%34.75%35.09%35.21%35.50%35.79%2.147.457.787.978.228.538.878.989.279.552024 年第 1 期系统压力进油路油液图8 油液压缩原理图Fig.8 Schematic diagram of oil compression指示器测量误差越大。为了让间接式阀位指示器在阀门开启或者关闭的过程中始终处在回油回路上，可以在AMESim中搭建一个三位六通电磁阀,以此作为阀位指示器的温度压力补偿模块（PTC），该模块可以直接和间接式阀位指示器的连接阀块相连，且与电磁换向阀始终保持同向，从而能够保证无论在开启还是关闭阀门的状态下，阀位指示器始终在回油路上进行测量,以减小测量误差的大小。此外,PTC还能实现一定的温度补偿，在执行器没有动作时，由于温度改变而造成油液的压缩或者膨胀所产生的多余液流可以绕过阀位指示器,以此来降低阀位指示器的初始误差。PTC的安装位置如图9 所示。PTC-MXIIH量计及其组件电磁换向阀、间接式阀位指示器图9 间接式阀位指示器原理图Fig.9 schematic diagram of indirect valve positionindicator在相同系统压力下,进油路和回油路两端的压差大小不同，下表4 列出了阀位指示器分别安装在进油路和回油路上的测量误差大小。由表4 可知,将间接式阀位指示器安装在回油路能大大降低阀门遥控系统测量误差，特别是在较高的系统压力下。在初始含气量一定的情况下，温度和压力都会使阀位指示器产生较大的测量误差，由于压力的作用，间接式阀位指示器安装在回油路所产生的测量误差远远小于将其安装在进油回路。如当阀门扭矩为22000Nm时,系统压力为12 MPa,进油路有效体积弹性模量为16 8 7.6 MPa，此时回油路背压仅为0.9 MPa，液压与气动外负载Tab.4Measurement error table of inlet and returnM回油背压回油路油液液压锁容积式齿轮流187表4 进回油路测量误差表oil circuit系统进油路测量回油路回油路测量压力/MPaK/MPa误差/%背压/MPaK/MPa误差/%111687.681685.751669.1回油路有效体积弹性模量为12 9 9.9 MPa，进油路和回油路测量误差相差2 8.7%。4结论（1）利用AMESim仿真软件和油液压缩特性方程，计算得到了不同工况下间接式阀位指示器的测量误差大小,使船用阀门遥控系统能更准确的控制和检测阀门的开度大小，实现了船舶的智能化；（2）分析了影响间接式阀位指示器测量精度的因素,结果表明，液压系统油液的初始含气量、系统压力、温度都会影响阀位指示器的测量误差，并且随着含气量、温度的增加以及压力的降低，测量误差越来越大。当压力12 MPa时,油液的初始含气量从0.1%增加到5%，间接式阀位指示器的测量误差变化量仅为2%左右；当初始含气量1%，随着温度从10 9 0，间接式阀位指示器的测量误差变化量0.3 7%；（3）通过阀位补偿模块使阀位指示器始终在控制回路回油路上测量，使得间接式阀位指示器测量误差在不同系统压力下减小10%3 0%，增加了其适用范围。参考文献：【1应功伟.简介遥控阀的阀位检测及发展 J.航海技术，1998,(4):46-47.YING Gongwei.Brief Introduction of Valve Position Detectionand Development of Remote Control Valve J.NavigationTechnology,1998,(4):46-47.2孔凡会，张中荣，邵昱，等.间接式阀位测量技术研究J.机电设备,2 0 11,2 8(3:4-7.KONG Fanhui,ZHANG Zhongrong,SHAO Yu,et al.Research on Indirect Valve Position Measurement TechnologyJ.Electrical Equipment,2011,28(3:4-7.3 林锐,李小军,严军.船用阀门位置指示装置的研究与分析 J.流体传动与控制,2 0 0 9，（1）：2 9-3 0.32.123.314.70.90.650.411299.91148.8893.83.42.82.3188LIN Rui,LI Xiaojun,YAN Jun.Research and Analysis ofMarine Valve Position Indicating Device J.Fluid Power&Control,2009,(1):29-30.4韩章.船舶阀门遥控系统的选择 J.上海造船,2 0 0 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