楊朋朋， 張冰蔚， 朱鵬程， 彭永健， 楊 濤

(1. 無錫德林防務裝備股份有限公司， 江蘇無錫 214000； 2. 江蘇科技大學， 江蘇鎮(zhèn)江 212000)

引言

小艇收放裝置是一種應用于船舶上的特種起放設備，主要功能是在母船上降放和回收工作艇。它可以在復雜的海況下，母船搖擺運動中進行工作艇的收放操作，有著普通吊艇架無法比擬的優(yōu)勢。對于海上艦船補給、人員救護、海上巡邏護航等具有重要意義，應用前景十分廣闊[1]。波浪補償恒張力絞車作為小艇收放裝置的主要部件，除了需要完成小艇的提升和下放動作，同時還要保證小艇在接觸海面狀態(tài)時，保持鋼絲繩的張緊狀態(tài)，最后還要保證小艇脫鉤后吊環(huán)迅速提升，使吊環(huán)迅速遠離艇上人員，避免吊環(huán)的擺蕩碰傷艇員，實現(xiàn)小艇的安全釋放。本研究主要介紹了在設計與調(diào)試小艇收放裝置時出現(xiàn)的絞車波浪補償響應性能問題，并進行了原因分析和設計改進。

1 恒張力絞車組成和液壓原理介紹

小艇收放裝置恒張力絞車如圖1所示，傳動部件主要由卷筒、大齒輪1、卷筒軸、齒輪軸、大齒輪2、離合齒輪、減速機和馬達組成。絞車工作時，該恒張力絞車具有高扭矩低轉(zhuǎn)速和小扭矩高轉(zhuǎn)速2種工況，通過液壓馬達的排量控制機構(gòu)實現(xiàn)2種工況的切換。正常工作模式具有高扭矩低轉(zhuǎn)速特性，用于工作艇的正常起升和下降；恒張力絞車的恒張力模式具有低扭矩、高響應速度特性，用于小艇在波動海面上的顛簸中保持卷筒上鋼索始終是張緊狀態(tài)，即被動波浪補償作用，這樣能夠確保工作艇在高海況下安全收放，防止對小艇和鋼索產(chǎn)生大的沖擊，確保小艇的安全釋放；同時能減少工作艇的擺動，保持工作艇的姿態(tài)平穩(wěn)，并且避免風浪造成工作艇的傾覆。小艇收放裝置波浪補償絞車系統(tǒng)液壓原理圖如圖2所示：其回路主要由恒壓變量泵1、先導溢流閥2、比例換向閥3、電磁通斷閥4、7、恒張力溢流閥5、單向閥6、平衡閥8和變量馬達9組成。絞車正常收放工作時，恒壓變量泵作為油源，電磁通斷閥4關(guān)閉，油液經(jīng)比例換向閥3，平衡閥8和馬達9構(gòu)成正常收放回路，此時電磁閥Y32斷電，馬達處在大排量狀態(tài)；絞車恒張力狀態(tài)時，恒壓變量泵作為油源，電磁通斷閥4打開，比例換向閥斷電，油液經(jīng)電磁通斷閥4、單向閥6、電磁通斷閥7、馬達9和恒張力溢流閥5構(gòu)成恒張力回路，此時電磁閥Y32通電，馬達處在小排量狀態(tài)。

1.卷筒 2.大齒輪1 3.卷筒軸 4.齒輪軸 5.大齒輪2 6.離合齒輪 7.減速機 8.馬達軸

2 恒張力響應問題介紹

在恒張力調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)：

(1) 絞車進入恒張力狀態(tài)后，調(diào)節(jié)恒張力溢流閥，使鋼索恒張力值為額定值，鋼索張緊狀態(tài)下脫開吊環(huán)，吊環(huán)提升加速緩慢，且速度始終不能滿足額定快速提升要求；

(2) 絞車進入恒張力狀態(tài)后，調(diào)節(jié)恒張力溢流閥，使鋼索恒張力值遠大與額定值，鋼索張緊狀態(tài)下脫開吊環(huán)，吊環(huán)提升加速變快，速度能夠滿足額定快速提升要求；

(3) 絞車進入恒張力狀態(tài)后，調(diào)定恒張力溢流閥，反復進入和退出恒張力狀態(tài)，鋼索恒張力值變化比較大。

1.恒壓變量泵 2.先導溢流閥 3.比例換向閥 4、7.電磁通斷閥 5.恒張力溢流閥 6.單向閥 8.平衡閥 9.變量馬達

3 問題分析

3.1 問題簡析

在排除恒壓變量泵的排量不足和液壓元器件損壞導致上述問題的可能后，其他有可能導致恒張力絞車恒張力狀態(tài)下脫鉤后提升速度慢的原因還有以下幾個方面：

(1) 恒張力絞車等效轉(zhuǎn)動慣量大：馬達輸出扭矩不足，絞車回轉(zhuǎn)加速度小，導致吊環(huán)提升加速緩慢：恒張力值的設定是在絞車靜態(tài)下設置的，前期沒有考慮在動態(tài)卷揚時絞車轉(zhuǎn)動慣量對系統(tǒng)響應性能的影響；

(2) 溢流閥5溢流，對于溢流閥[2]，當溢流量增加時，閥芯上升，閥口開度加大，溢流閥進口壓力亦加大。反之亦然。由于恒張力溢流閥5是在脫鉤前設定，此時溢流閥處在全溢流狀態(tài)，而脫鉤后溢流閥5是否仍有溢流則需要進行分析確定。

表1 絞車傳動部件參數(shù)表

注：卷筒上鋼絲繩纏繞直徑D=352 mm，減速機減速比ij=6。

3.2 詳細分析

1) 絞車轉(zhuǎn)動慣量因素分析

絞車主要組成部件得各物理參數(shù)參見表1，其中吊環(huán)的轉(zhuǎn)動慣量是指其向卷筒軸心的等效轉(zhuǎn)動慣量，卷筒、軸、齒輪的轉(zhuǎn)動慣量為各回轉(zhuǎn)體繞其本身回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量，減速機輸出軸和馬達輸出軸轉(zhuǎn)動慣量為其本身回轉(zhuǎn)組件在各自輸出軸端的等效轉(zhuǎn)動慣量。

參考理論力學[2]中動量矩定理可以求得以下系列公式：

齒輪系的等效轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)換公式：

(1)

式中,Ji—— 輸入軸端轉(zhuǎn)動慣量

J0—— 輸出軸端轉(zhuǎn)動慣量

i—— 減速比，輸入端與輸出端比值

依據(jù)齒輪系的等效轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)換公式，將絞車所有傳動部件的轉(zhuǎn)動慣量向馬達輸出軸端轉(zhuǎn)換，得到馬達輸出軸端的等效轉(zhuǎn)動慣量：

(2)

將表1參數(shù)值帶上式可求得：

Jmot=72204 kg·mm2

設定絞車恒張力狀態(tài)吊環(huán)脫鉤后的卷筒角加速度α,則吊環(huán)加速度為：

(3)

式中，a—— 吊環(huán)脫鉤后的加速度

α—— 卷筒角加速度

D—— 卷筒輪轂直徑

卷筒角加速度：

(4)

式中,α—— 卷筒角加速度

i—— 馬達輸出軸到卷筒軸的減速比

αmot—— 馬達角加速度

馬達角加速度：

(5)

式中，αmot—— 馬達角加速度

Mmot—— 馬達扭矩

Jmot—— 馬達輸出軸總的等效轉(zhuǎn)動慣量

馬達扭矩：

(6)

式中， Δp—— 馬達口壓力差

V—— 波浪補償狀態(tài)時馬達排量

由式(3)～式(5)可以推導出：

(7)

恒張力狀態(tài)時絞車的波浪補償力和波浪補償速度可調(diào)，對于此型工作艇和工作海況要求，波浪補償力的設定值為F=10000 N，對應卷筒扭矩為：

(8)

(9)

將式(9)代入式(7)可得：

a=6.4 m2/s

(10)

式中，v—— 波浪補償速度

t—— 吊環(huán)脫鉤后達到波浪補償速度所需時間

而波浪補償速度v=100 m/min，可知理論上吊環(huán)脫鉤后只需0.26 s即可達到所需補償速度，然而實際中，脫鉤后直到速度穩(wěn)定(耗時5 s以上)也未達到所需速度值。

至此可知，恒張力絞車轉(zhuǎn)動慣量因素對恒張力脫鉤后速度響應的影響可以忽略。

2) 溢流閥跑油因素的分析

已知恒張力狀態(tài)時液壓系統(tǒng)流量為141 L/min，恒張力溢流閥型號為RDFA-LWN，其“壓力-流量”特性，溢流閥在零流量下初始壓力設定在7，14,21,28 MPa，溢流閥的實際開啟壓力隨實際通過流量的變化曲線如圖3所示[3]。脫鉤前系統(tǒng)所有流量都從恒張力溢流閥通過。

圖3 溢流閥壓力流量特性曲線

由式(6)、式(9)可得：

(11)

實測馬達Δp=10 MPa，代入式(11)可知此時馬達排量為42.7 mL/r。

直動式溢流閥的“壓力-流量”特性方程[4]為：

(12)

式中，q—— 溢流閥溢流時通過閥口流量

C—— 與溢流閥結(jié)構(gòu)本身有關(guān)的常量

p—— 流量q對應的溢流閥進口壓力

pc—— 溢流閥開啟壓力設定值

ρ—— 液壓油密度

波浪補償狀態(tài)時實測一組數(shù)據(jù)如下：

波浪補償脫鉤前溢流閥通過流量q1=141 L/min

波浪補償脫鉤前溢流閥進口壓力設定p1=9 MPa

波浪補償脫鉤后溢流閥進口壓力p2=7.5 MPa

溢流閥開啟壓力實測值pc=6.1 MPa

將以上參數(shù)帶入式(12)，可以求得：

q2即為波浪補償脫鉤后溢流閥通過的流量。

所以脫鉤后實際通過馬達的流量為：78.9 L/min

此時可以算得卷筒卷揚速度為79 m/min，與實際測量值70～80 m/min的速度范圍相符合，考慮到每次測量誤差和溢流閥壓力波動[5-7]的存在，理論計算分析和實際測量情況是吻合的。

根據(jù)上述分析可知，恒張力脫鉤后絞車速度響應慢的問題是由于恒張力溢流閥5跑油引起的，由于恒張力溢流閥5是在脫鉤前設定，此時溢流閥處在通流量最大狀態(tài)，而脫鉤后由于系統(tǒng)壓力(即溢流閥5進口壓力)仍大于溢流閥對應的開啟壓力，因此吊環(huán)脫鉤后溢流閥5仍然有通流量存在，導致實際進入液壓馬達的油量比理想中的小很多，進而導致了前述問題的產(chǎn)生。這個狀況可以通過選擇具有合適功率域的溢流閥來進行改善，但由于溢流閥固有特性的存在，此問題不能徹底避免[8]。

4 改進方案

根據(jù)上述分析，恒張力絞車響應性能的問題是由恒張力溢流閥動態(tài)溢流所導致，因此結(jié)合恒壓系統(tǒng)特點，改進了液壓系統(tǒng)原理(見圖4)，重新制定了恒張力功能的實現(xiàn)方式：在恒壓變量泵的外控口處增加一個先導溢流閥10和電磁通斷閥11，對恒張力狀態(tài)時的系統(tǒng)壓力進行設定，同時設置恒張力溢流閥5的開啟壓力略大于系統(tǒng)壓力，則此時恒壓變量泵工作狀態(tài)為：輸出壓力為恒張力壓力，由于此時系統(tǒng)壓力已經(jīng)達到恒壓變量泵的變量點，所以泵輸出流量幾乎為0，即恒張力溢流閥5此時的進口壓力為開啟壓力。當鋼絲繩吊環(huán)脫鉤后，負載壓力降低，恒壓變量泵全排量輸出，由于此時負載壓力小于溢流閥5的開啟壓力，所以液壓泵輸出流量全部供給液壓馬達，進而實現(xiàn)絞車恒張力脫鉤后的快速提升。

1.恒壓變量泵 2、10.先導溢流閥 3.比例換向閥 4、7、11.電磁通斷閥 5.恒張力溢流閥 6.單向閥 8.平衡閥 9.變量馬達

改進后進行了重新調(diào)試，吊環(huán)脫鉤后只需0.5 s即可達到所需補償速度，滿足設備使用要求。

5 結(jié)論

本研究通過分析和優(yōu)化恒張力絞車響應性能，得出在一些需要使用溢流閥工作在溢流狀態(tài)下的工況時，溢流閥的流量壓力特性直接影響到系統(tǒng)的響應性能，壓力流量特性曲線與具體的壓力調(diào)定值相關(guān)，并受溢流流量的影響。同時，通過靈活使用具有外控先導功能的恒壓變量泵，可以得到控制策略多樣的恒壓系統(tǒng)。