一种阀式配比调节器的研制

　　1　前言

　　配比调节在化工、航天等行业中比较常见和成熟。但无论是综合流量设定式,还是跟随式,其系统构成均较复杂,体积也大,无法适用于某水下航行器多组元工质的配比控制。我们针对某水下航行器工质进口压力和流量在大范围内变化的特点,采用电液控制技术,研制了一种配比精度高,体积、重量小的阀式配比调节器。经试验验证能很好地满足该航行器使用多组元工质的配比要求。工作原理:配比调节器的工作原理简图如图1。

　　图中绘出了电液执行组件和配比调节器本体第1路的工作原理,第2路及第3路结构同于第1路,三路工质由限流器输出并进入混合器混合。三路通道的进口压力均为pi,由外界决定;出口压力均为p0,由混合器决定,电磁铁输入信号i由微机控制器经放大组件给出。其中比较元件主要由阻尼孔和受压膜片构成,执行元件主要由两组弹簧和膜片组成,调整元件对弹簧和膜片的预变形量进行调整。

　　2　配比器本体分析

　　(1)第1路可由下列方程描述:

　　力平衡方程,该方程由弹簧的弹力、膜片的弹力、反馈压力、控制压力、稳态液动力组成:

其中:ω为调节活门面积梯度; y为调节活门开度;A₀为限流器节流口面积; k_k为弹簧弹性系数; A_m为膜片受压面积; k_m为膜片弹性系数; k_kl0, k_kr0,k_m0可调节。通过调整各部件结构参数,可使c_dc,c_do, c_υc近似为常数。为保证良好的互换性,三个通道除节流口外所有部件均相同。

　　(3)以下对影响pc的主要因素进行分析:

　　根据工况,进行各部件结构及尺寸寻优,可使上式值维持在0·01以下。通过适当调节,可使第一及第二项的代数和近似为零,而第三项的值>104,于是式(6)可写为:

　　由m₂=bm₁及式(9)、(10)、(11)得:p′c₁≈p′c₂。即:pc及po变化时总流量变化,但保持流量比例不变。

　　由式(8)可看出,各路流量对进口压力不敏感,这使得产品具有良好的鲁棒性。

　　3　电液执行部件简要分析

　　该组件原理分析类似于减压阀。主阀芯力平衡方程为:

式中: p_u为主阀芯上腔压力;

　　k_z为主阀弹簧弹性系数。

　　电控阀芯力平衡方程为:

式中: kc为电控阀弹簧弹性系数。

　　令kc/Ac kz/Az,由式(12)、(13)得:

　　由于电磁铁输入强度i∝yc,而总流量m∝m1,故i∝m²。控制输入与总流量的平方成正比,简单易实现。

　　实验结果:根据以上基本原理对配比调节器进行了设计。数值计算结果良好,并对产品进行了试验。试验中,各组份流量使用涡轮流量计测量,精度0·5级,信号采集、显示、记录等由微机系统完成;各压力值使用标准压力表检测,精度0·4级,进口压力在0·06~ 9MPa内变化,总流量变化范围为0·2 ~0·66kg/s。实验数据见图2和图3。实验结果表明:三种组份比例最大相对误差1·4%,且重复性、可靠性良好。