， ， ， 　(.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院， 上?！?804； .中船重工集團(tuán)公司 上海第704研究所， 上?！?003)

引言

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，液壓仿真軟件朝著多學(xué)科、集成化方向發(fā)展，各種集機(jī)、電、液、熱、電氣和控制技術(shù)的仿真軟件不斷涌現(xiàn)，如AMESim，Hypneu和Easy 5等。液壓仿真軟件使得工程技術(shù)人員能夠避免繁瑣的代碼編寫和調(diào)試，但如何有效地將這些集成化的仿真軟件應(yīng)用于液壓元器件的開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，仍然是困擾廣大工程技術(shù)人員的問(wèn)題之一。

本研究以大型船舶調(diào)槳液壓系統(tǒng)中應(yīng)用的大流量鎖止閥設(shè)計(jì)為例，根據(jù)實(shí)際要求，采用仿真計(jì)算原理，建立鎖止閥的仿真模型，在AMESim軟件中模擬實(shí)際工況，對(duì)該閥進(jìn)行計(jì)算分析，解析其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，為大流量鎖止閥設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

船舶可變螺距螺旋槳，簡(jiǎn)稱調(diào)距槳，是20世紀(jì)中期發(fā)展起來(lái)的一種船舶推進(jìn)裝置，目前廣泛應(yīng)用于各種類型的船舶推進(jìn)系統(tǒng)。采用調(diào)距槳的船舶可以在不改變船舶螺旋漿轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的前提下，利用裝置遙控操縱系統(tǒng)，使船舶很方便地實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、變速、停止等動(dòng)作，從而大大提高和改善了船舶的機(jī)動(dòng)性和操作性能。

1　鎖止閥液壓回路分析

在某型船舶調(diào)距槳液壓系統(tǒng)中，采用鎖止閥實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)距槳的穩(wěn)距控制，該鎖止閥是由兩個(gè)液控單向閥A、B并聯(lián)組合而成，如圖1所示。

1.泵源　2.溢流閥　3.電液換向閥　4.雙向鎖止閥 5.液壓缸　6.外接負(fù)載

調(diào)距槳系統(tǒng)工作時(shí)，電液換向閥3處左位，主油路進(jìn)入鎖止閥的A1端將閥A開(kāi)啟，油液進(jìn)入液壓缸5無(wú)桿腔；同時(shí)油液通過(guò)控制油路進(jìn)入到鎖止閥B的控制油腔，推動(dòng)控制活塞將閥B開(kāi)啟，此時(shí)液壓缸5有桿腔油液通過(guò)閥B回油。電液換向閥3中位時(shí)，鎖止閥4處閉合狀態(tài)，可保持調(diào)距槳槳距。電液換向閥3處右位，鎖止閥4反向開(kāi)啟，液壓缸5有桿腔進(jìn)油，無(wú)桿腔回油。

2　鎖止閥設(shè)計(jì)模型

在鎖止閥的設(shè)計(jì)中，選用某公司的LC型二通插裝閥作為鎖止閥的閥芯組件。圖2所示為插裝閥結(jié)構(gòu)圖，圖3所示為插裝閥原理圖。

1.蓋板　2.插件　3.閥套　4.調(diào)整圈　5.座閥 6.帶阻尼的錐頸　7.不帶阻尼的錐頸　8.復(fù)位彈簧

圖3　二通插裝閥的原理圖

選用該公司A、B、C三種型號(hào)的插裝閥芯進(jìn)行模擬測(cè)試，分析比較，繪制三種不同型號(hào)下的數(shù)據(jù)曲線，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。三種型號(hào)的插裝閥主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　插裝閥主要技術(shù)參數(shù)

二通插裝閥的數(shù)學(xué)模型可以用以下兩個(gè)方程進(jìn)行描述：

閥芯力平衡方程：

p1·A>F+Fv+kx

(1)

式中，p1—— 為進(jìn)油腔壓力

A—— 閥芯接觸面積

F—— 為閥芯預(yù)緊力

Fv—— 為油液阻力

k—— 彈簧剛度

x—— 彈簧壓縮量

閥口流量方程：

(2)

式中：qpv—— 出口流量

AT—— 通流面積

p2—— 出口腔壓力

ρ—— 液壓油密度

Cd—— 流量系數(shù)

3　鎖止閥仿真分析

根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與模型要求，在仿真軟件中設(shè)定該系統(tǒng)中元件主要參數(shù)，見(jiàn)表2。

根據(jù)調(diào)距槳液壓系統(tǒng)原理，建立鎖止閥測(cè)試系統(tǒng)AMEsim模型如圖4所示。

表2　主要參數(shù)設(shè)置表

1.泵源　2.溢流閥　3.電液換向閥　4.鎖止閥 5.液壓缸　6.外接負(fù)載

3.1　流量對(duì)鎖止閥特性的影響

對(duì)裝有三種型號(hào)插裝閥的鎖止閥的特性進(jìn)行模擬測(cè)試。在不同流量下，考察鎖止閥單向開(kāi)啟時(shí)閥口壓差的變化。

現(xiàn)將A、B、C三種型號(hào)的插裝閥分別放置于鎖止閥測(cè)試系統(tǒng)中，設(shè)置閥口為最大開(kāi)口量并對(duì)其特性進(jìn)行仿真分析。測(cè)試過(guò)程中，使系統(tǒng)流量從0 L/min升至600 L/min，讀取并計(jì)算出每組實(shí)驗(yàn)中的鎖止閥閥口壓差，記錄數(shù)據(jù)并繪制相應(yīng)的流量-壓差曲線(如圖5)，進(jìn)行比較。

圖5　鎖止閥單向開(kāi)啟時(shí)流量-壓差曲線圖

某型船舶液壓系統(tǒng)工作流量的范圍為350～450 L/min， 鎖止閥裝配A型插裝閥時(shí)最大壓力損失為0.09 MPa，裝配C型插裝閥時(shí)候最大壓力損失僅為0.02 MPa。顯然選用大通徑插裝閥閥芯有利于降低鎖止閥的壓力損失。

3.2　不同閥芯開(kāi)口量對(duì)鎖止閥開(kāi)啟特性的影響

對(duì)裝有A、B、C三種型號(hào)插裝閥的鎖止閥的特性進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，考察不同閥芯開(kāi)口量對(duì)鎖止閥開(kāi)啟特性的影響。仿真過(guò)程中設(shè)定閥芯開(kāi)口量L為4 mm、8 mm、12 mm以及該型號(hào)下閥芯全開(kāi)的開(kāi)口量。

在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)每一種型號(hào)，每一個(gè)開(kāi)口量進(jìn)行模擬測(cè)試，使系統(tǒng)流量從0 L/min變化至600 L/min，讀取并計(jì)算出每組測(cè)試后的閥口壓差，記錄數(shù)據(jù)，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)繪制相應(yīng)的流量-壓差曲線(如圖6～圖8)。

圖6　A型插裝閥不同開(kāi)口量下的流量-壓差曲線

圖7　B型插裝閥不同開(kāi)口量下的流量-壓差曲線

圖8　C型插裝閥不同開(kāi)口量下的流量-壓差曲線

以上流量-壓差曲線表明：閥芯的開(kāi)口量越小，鎖止閥正向開(kāi)啟和反向開(kāi)啟的進(jìn)出口壓差變化越是明顯，損失越大。當(dāng)閥芯開(kāi)口量為12 mm以及閥芯全開(kāi)時(shí)，它們的流量-壓差曲線的增長(zhǎng)幅度接近，都在0.2 MPa 的范圍之內(nèi)。故在使用該鎖止閥時(shí)選用閥芯開(kāi)口量要達(dá)到最大值，使得液壓油在通過(guò)單向閥時(shí)壓力損失最小。

3.3　控制活塞直徑對(duì)鎖止閥開(kāi)啟特性的影響

控制活塞的有效作用面積AK大于單向閥閥座口的有效作用面積A。因此，為開(kāi)啟通道所需的控制壓力小于B口的壓力。這兩個(gè)有效作用面積之比AK/A被稱作控制比。當(dāng)壓力pA為0，彈簧預(yù)緊力可以忽略不計(jì)時(shí)，pB與pK之比近似等于控制比。此時(shí)控制比也即為開(kāi)啟液控節(jié)流通道所需的負(fù)載壓力與控制壓力之比。

反向開(kāi)啟時(shí)，由力的平衡方程：

(pK-pA)Ak-FK>(pB-pA)A+

FD+FV+G

(3)

即：

(4)

式中，F(xiàn)D—— 彈簧的預(yù)壓縮力，N

FK—— 控制活塞的摩擦阻力，N

FV—— 閥芯的摩擦阻力，N

G—— 控制活塞和閥芯的總重量，N

閥芯直徑為40 mm時(shí)的彈簧預(yù)壓縮力為444 N, 控制活塞的摩擦阻力和閥芯的摩擦阻力以及活塞和閥芯的總重量之和約為18 N。

在本設(shè)計(jì)中取控制活塞直徑為62 mm，則控制壓力pK最小為：

pKmin=pA+0.8(pB-pA)+0.15

(5)

若取直徑為50 mm時(shí)，控制壓力pK最小為：

pKmin=pA+0.64(pB-pA)+0.23

(6)

控制比是鎖止閥最重要的一個(gè)特性，常見(jiàn)的控制比為1.5～4。當(dāng)閥芯直徑A為40 mm時(shí)，考察不同控制活塞直徑對(duì)閥芯開(kāi)啟時(shí)間的影響。

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變活塞直徑來(lái)進(jìn)行仿真，從而得出測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析?；钊睆脚c其對(duì)應(yīng)的質(zhì)量如表3所示。

表3　不同活塞直徑的控制比和活塞質(zhì)量

仿真過(guò)程中改變模型中控制活塞質(zhì)量塊的質(zhì)量和控制活塞的直徑，逐個(gè)進(jìn)行五組實(shí)驗(yàn)，最后將五組控制活塞的位移-時(shí)間曲線匯總于圖9，通過(guò)比較控制活塞的運(yùn)動(dòng)速度的變化來(lái)分析控制活塞的直徑對(duì)閥芯開(kāi)啟特性的影響。

圖9　不同直徑下控制活塞位移變化圖

由圖9位移-時(shí)間曲線可知，控制活塞直徑越大，其完全頂開(kāi)閥芯的時(shí)間越短。但整個(gè)過(guò)程時(shí)間最大時(shí)間差值約為5 ms，差別甚微。因此，可以認(rèn)為開(kāi)啟的時(shí)間區(qū)別很小，故可使活塞的控制比的值在1.5～4的范圍內(nèi)。在這個(gè)控制比范圍內(nèi)可以盡量減小控制活塞的尺寸，從而能夠減少閥體的幾何尺寸和質(zhì)量。

3.4　雙向鎖止閥開(kāi)啟過(guò)程中液壓沖擊仿真

選用A、B、C三種型號(hào)插裝閥，考察三種不同的模型在鎖止閥開(kāi)啟過(guò)程中液壓沖擊對(duì)系統(tǒng)的影響。在AMESim模型中，在0～1 s中使換向閥處于中位，第1 s 打開(kāi)換向閥，整個(gè)過(guò)程運(yùn)行2 s。仿真后得到鎖止閥正向開(kāi)啟圖線。設(shè)定定量泵的排量為100 mL/r，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為4000 r/min。依次繪出A、B、C三種型號(hào)插裝閥的模型下的閥口壓差變化，液壓缸移動(dòng)速度變化，進(jìn)行比較分析。

圖中1～2 s表示鎖止閥的開(kāi)啟過(guò)程，比較三組圖線，圖10中顯而易見(jiàn)裝有B型插裝閥的鎖止閥的閥口壓差的超調(diào)約為0.079 MPa，是三組里面最小的。圖11中可見(jiàn)B型插裝閥在開(kāi)啟過(guò)程中，液壓油所產(chǎn)生的推力對(duì)液壓缸的作用變化最不明顯。從液壓缸的速度這一參數(shù)可以反映出該型鎖止閥在系統(tǒng)開(kāi)啟過(guò)程中系統(tǒng)中力的變化是最微小的，對(duì)調(diào)距槳系統(tǒng)正常工作的影響最小。

圖10　閥口壓差變化圖

圖11　液壓缸活塞移動(dòng)速度變化圖

3.5　環(huán)流縫隙中液體摩擦對(duì)鎖止閥開(kāi)啟特性的影響

加工正常的控制活塞與閥體之間有一定間隙，正常工作時(shí)期間總有液體。因此在控制活塞和閥體之間總是有液體摩擦：摩擦力與液體黏度、移動(dòng)速度成正比，與間隙量成反比，力的方向與移動(dòng)方向相反。可用下列公式表示：

(7)

式中，d—— 控制活塞直徑

L—— 控制活塞長(zhǎng)度

h—— 活塞與閥體直徑的間隙

v—— 控制活塞速度

ρ—— 液體密度

ν—— 液體運(yùn)動(dòng)黏度

μ—— 液體絕對(duì)黏度

設(shè)計(jì)中給定活塞與閥座的配合為φ62H7/g6，則其單邊間隙h=5～29.5 μm。令:

(8)

則Ff=Kv，此時(shí)改變h的大小K即發(fā)生變化。K與h的變化關(guān)系如表4所示。

表4　參數(shù)K與h的關(guān)系對(duì)應(yīng)表

根據(jù)活塞處的受力關(guān)系可得該處的受力方程為：

p1A-Ff=ma

(9)

其中，p1—— 控制活塞進(jìn)油腔的壓力

A—— 控制活塞的面積

m—— 控制活塞的質(zhì)量

a—— 控制活塞運(yùn)動(dòng)的加速度

變換方程，令:

(10)

從而有:

(11)

該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

(12)

在MATLAB中對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真中，代入h=5，h=15，h=29.5三個(gè)值，比較其輸出的圖線。

由圖12曲線中得出，活塞與閥體直徑的間隙h越大，活塞運(yùn)動(dòng)速度越大，開(kāi)始時(shí)間越短。而圖13控制活塞開(kāi)啟的摩擦力的三條曲線可知，單邊間隙為29.5 μm的模型環(huán)流縫隙中液體摩擦力最小，即對(duì)控制活塞開(kāi)啟的影響最小。但整個(gè)過(guò)程均在1 s內(nèi)完成開(kāi)啟動(dòng)作，環(huán)流縫隙對(duì)控制閥開(kāi)啟時(shí)間的影響并不明顯，但是本設(shè)計(jì)中，為確保鎖止閥反向開(kāi)啟的精確，選用29.5 μm的環(huán)流縫隙為宜。

圖12　控制活塞開(kāi)啟時(shí)的活塞位移-時(shí)間曲線

圖13　控制活塞開(kāi)啟時(shí)的液體摩擦力-時(shí)間曲線

4　結(jié)論

通過(guò)仿真分析可以得出：

(1) 隨著系統(tǒng)工作流量的增加，鎖止閥壓差也隨之增大；而采用通徑相對(duì)較大的插裝閥芯，鎖止閥進(jìn)出口的壓差相對(duì)較小，通過(guò)分析比較A、B、C三種型號(hào)的插裝閥芯得知，C型在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中壓力損失最小；

(2) 增大閥芯開(kāi)口量，鎖止閥正向開(kāi)啟和反向開(kāi)啟的進(jìn)出口壓差隨之減小。建議盡量使得閥芯開(kāi)口量達(dá)到理論上的最大值，使得液壓油在通過(guò)單向閥時(shí)壓力損失最?。?/p>

(3) 在容許的控制比內(nèi)，增大控制活塞的直徑，閥芯的開(kāi)啟速度變大，但變化幅度較小。若對(duì)開(kāi)啟時(shí)間要求不高，可適當(dāng)減小控制活塞直徑以減小閥體大小和質(zhì)量；

(4) 分析比較A、B、C三種型號(hào)的插裝閥芯在系統(tǒng)開(kāi)啟過(guò)程中錐閥閥芯壓差的超調(diào)量，和鎖止閥開(kāi)啟瞬間液壓缸速度的變化，可知A型插裝閥的鎖止閥在系統(tǒng)工作發(fā)生液壓沖擊對(duì)鎖止閥影響最小，系統(tǒng)運(yùn)行最為平穩(wěn)；

(5) 活塞與閥體直徑的間隙h越大，活塞運(yùn)動(dòng)速度越大，開(kāi)始時(shí)間越短。并且不同的間隙下，活塞所對(duì)應(yīng)的開(kāi)啟時(shí)間較為接近，對(duì)控制閥開(kāi)啟時(shí)間的影響并不明顯。

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