駱海民，謝可希，肖 清

(1．海軍駐上海江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司軍事代表室，上海200913;2．中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢430064)

0 引 言

船用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于負(fù)載較大、工況惡劣、可靠性要求高等原因，常采用液壓驅(qū)動(dòng)的方式。某船用液壓系統(tǒng)為滿足多執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)要求及簡化系統(tǒng)控制起見，采用了定量泵+蓄能器組成的定壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行表明，其工作穩(wěn)定可靠，可滿足驅(qū)動(dòng)要求。但在運(yùn)行過程中常出現(xiàn)沖擊振動(dòng)噪聲較大等現(xiàn)象，經(jīng)分析是因工作中負(fù)載變化大，在定壓系統(tǒng)中易導(dǎo)致主閥進(jìn)出口壓差過大，從而引起液壓沖擊振動(dòng)，這一因素也可導(dǎo)致系統(tǒng)的能耗增大。

負(fù)載敏感系統(tǒng)由于能自動(dòng)地將負(fù)載所需壓力或流量的信號(hào)反饋給負(fù)載敏感閥或泵變量機(jī)構(gòu)，使其壓力發(fā)生變化，從而調(diào)整供油單元的運(yùn)行狀態(tài)。因其僅向系統(tǒng)提供負(fù)載所需的壓力或流量，因而可最大限度地減少功率損失［1－4］，同時(shí)主閥進(jìn)出口的壓差也可減小，從而降低過大壓差帶來的沖擊振動(dòng)。

因此擬對(duì)原液壓系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，采用負(fù)載敏感的控制方式，在滿足多執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)的前提下，降低液壓沖擊和能耗。

本文利用高級(jí)工程系統(tǒng)仿真環(huán)境軟件平臺(tái)AMESim 對(duì)改進(jìn)前后的系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，并對(duì)比改進(jìn)前后的效果。

1 船用多執(zhí)行器液壓系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)原理

本文研究的某船用多執(zhí)行器液壓系統(tǒng)原理如圖1所示。

系統(tǒng)包括2 個(gè)液壓缸及相對(duì)應(yīng)的主閥、安全閥，采用定量泵和大容量蓄能器為油源。工作時(shí)先由蓄能器供油，當(dāng)蓄能器壓力降低至設(shè)定的下限值時(shí)，定量泵啟動(dòng)，給負(fù)載供油和蓄能器充油。當(dāng)壓力上升到設(shè)定的上限值時(shí)，定量泵停止，再由蓄能器供油，如此往復(fù)工作。

在這種工作模式中，由于控制定量泵啟動(dòng)/停止的設(shè)定壓力下限值和上限值相差不大，系統(tǒng)可近似認(rèn)為定壓系統(tǒng)。為保證執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)的需要，系統(tǒng)的壓力須滿足最大負(fù)載的要求，但由于負(fù)載在運(yùn)行過程中的波動(dòng)較大，因而在很多工況下供油壓力遠(yuǎn)大于負(fù)載壓力，導(dǎo)致主閥壓損過大和能量浪費(fèi)，并帶來液壓沖擊振動(dòng)。

1.2 仿真模型及參數(shù)

AMESim 是IMAGINE 公司于1995年推出的高級(jí)工程系統(tǒng)仿真環(huán)境軟件平臺(tái)，為流體動(dòng)力、機(jī)械和控制系統(tǒng)等提供了完善、優(yōu)越的仿真環(huán)境［5］，可廣泛用于液壓系統(tǒng)的仿真。圖2所示為利用AMESim軟件平臺(tái)建立的該系統(tǒng)仿真模型，模型主要元件的參數(shù)如表1所示。其中執(zhí)行器、主閥、蓄能器、安全閥及定量泵等模型分別選擇液壓庫中的對(duì)應(yīng)元件。采用變步長仿真，誤差1 ×10－7，仿真時(shí)間30 s。

圖2 仿真模型Fig.2 Simulation model

表1 主要元件參數(shù)Tab.1 Parameters of main components

1.3 仿真結(jié)果

圖3所示為1 個(gè)工作循環(huán)(活塞從液缸底部運(yùn)動(dòng)至末端，再回到底部為1 個(gè)工作循環(huán))左執(zhí)行器主閥進(jìn)出口(活塞伸出時(shí)為P－A，活塞縮回時(shí)為P－B)的壓差。由圖可以看到，主閥進(jìn)出口的壓差均大于40 bar，且隨負(fù)載的波動(dòng)變化很大。

圖3 壓差波動(dòng)圖Fig.3 Fluctuation curve of pressure difference

圖4所示為1 個(gè)工作循環(huán)中負(fù)載所需功率與油源提供功率的對(duì)比，可見該系統(tǒng)存在較大的能量浪費(fèi)。

圖4 負(fù)載功率與油源功率對(duì)比Fig.4 Comparison of load power and oil supply power

2 多執(zhí)行器負(fù)載敏感系統(tǒng)仿真

2.1 系統(tǒng)原理

為降低液壓沖擊和能耗，對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了如圖5所示的采用負(fù)載敏感的液壓系統(tǒng)，并采用壓力補(bǔ)償器進(jìn)行分流流量控制。梭閥鏈將各執(zhí)行器之間的最高負(fù)載壓力反饋到變量泵的變量機(jī)構(gòu)，使泵的輸出壓力比該壓力略高，以保證最高負(fù)載回路的驅(qū)動(dòng)需要，當(dāng)負(fù)載波動(dòng)時(shí)，泵的輸出壓力隨之變化。各執(zhí)行器主閥進(jìn)出口的壓差由壓力補(bǔ)償器調(diào)節(jié)為給定值，通過對(duì)節(jié)流口開口面積的調(diào)節(jié)，就可以控制流過節(jié)流口的流量，從而使執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)不受負(fù)載波動(dòng)的影響，完全可控。

圖5 改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)原理Fig.5 Schematic of the improved hydraulic system

2.2 仿真模型

在AMESim 軟件平臺(tái)中建立改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)仿真模型，如圖6(a)所示;壓力補(bǔ)償器經(jīng)過封裝，其模型見圖6(b)。

壓力補(bǔ)償器的工作原理如下:

式中:p1和p2為壓力補(bǔ)償器進(jìn)出口壓力;Ax為作用面積;kx為彈簧剛度;x0和x 為彈簧預(yù)壓縮量和壓縮量;Fs為液動(dòng)力。

按式(1)，利用AMESim 的HCD 庫建立壓力補(bǔ)償器的模型。主要元器件的參數(shù)與表1 相同，壓力補(bǔ)償器的補(bǔ)償壓差為1.4 MPa。

圖6 改進(jìn)后液壓系統(tǒng)仿真模型Fig.6 Simulation model of the improved hydraulic system

2.3 仿真結(jié)果

圖7所示為1 個(gè)工作循環(huán)左執(zhí)行器主閥進(jìn)出口的壓差。由圖可以看到，與改進(jìn)前相比，由于采用了負(fù)載敏感與壓力補(bǔ)償，主閥進(jìn)出口的壓差較小，且隨負(fù)載的波動(dòng)很小，可有效減小液壓沖擊。

圖7 壓差波動(dòng)圖Fig.7 Fluctuation curve of pressure difference

圖8 為1 個(gè)工作循環(huán)中負(fù)載所需功率與油源提供功率的對(duì)比，可見采用負(fù)載敏感后所需功率與提供功率匹配較好。

圖8 負(fù)載功率與油源功率對(duì)比Fig.8 Comparison of load power and oil supply power

3 結(jié) 語

1)為降低船用多執(zhí)行器液壓系統(tǒng)的壓力沖擊和能耗，采用負(fù)載敏感技術(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2)利用AMESim 軟件分別建立了原液壓系統(tǒng)和改進(jìn)后液壓系統(tǒng)的仿真模型，仿真結(jié)果表明，與原系統(tǒng)相比，由于采用了負(fù)載敏感和壓力補(bǔ)償，改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)主閥進(jìn)出口的壓差大幅降低，且波動(dòng)較小，有利于降低液壓沖擊;油源提供的功率與負(fù)載功率匹配較好，可有效減少系統(tǒng)能耗。

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