郭 浩，劉 剛，李文娟

(江蘇科技大學(xué) 海洋裝備研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

引言

液壓驅(qū)動(dòng)具有壓力自適應(yīng)及功率密度最大化等特點(diǎn)[1-2]，使其成為水下裝備重要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如“蛟龍”號(hào)，“鯤龍500”等采用了液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手、舵、推進(jìn)系統(tǒng)等各種關(guān)鍵設(shè)備。水下工作環(huán)境惡劣，對(duì)裝備可靠性要求高，故目前液壓驅(qū)動(dòng)均采用高可靠性的比例閥控液壓系統(tǒng)[3-6]。但隨著水下裝備的重載、綠色化發(fā)展，閥控液壓系統(tǒng)無(wú)功能耗過(guò)大問(wèn)題日益突出。

液壓系統(tǒng)高無(wú)功能耗，不但會(huì)增大系統(tǒng)功耗，而且引起的介質(zhì)發(fā)熱會(huì)降低系統(tǒng)可靠性及穩(wěn)定性，一直是液壓技術(shù)研究熱點(diǎn)[7]。目前液壓系統(tǒng)節(jié)能研究可分為：

(1)節(jié)能元器件研究：LI Zhenhe等[8]研究的壓力自平衡節(jié)能液壓泵組，用于負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)，可以根據(jù)負(fù)載自動(dòng)調(diào)節(jié)液壓泵輸出；BREND Z[9]研究的新型節(jié)能背壓閥，通過(guò)減小系統(tǒng)工作壓力降低了系統(tǒng)能耗；

(2)系統(tǒng)優(yōu)化：WANG Weiping等[10]研制的節(jié)能型電液非對(duì)稱液壓缸位置控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了輸出反饋非線性節(jié)能控制；馬艷斌等[11]提出變轉(zhuǎn)速定量泵-變量泵結(jié)合的閉式泵控系統(tǒng)，通過(guò)控制變量泵排量來(lái)匹配液壓缸兩腔不對(duì)稱流量，以提高系統(tǒng)能量使用效率；TONG Zheming等[12]總結(jié)了泵閥協(xié)控電液系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)，對(duì)負(fù)載口對(duì)立控制、共壓導(dǎo)軌和混合動(dòng)力源等節(jié)能技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了探討；

(3)能量回收：張杰等[13]研究了采用變排量液壓泵/馬達(dá)來(lái)吸收和釋放電梯運(yùn)行能量的方法，能夠最大限度實(shí)現(xiàn)電梯能量回收利用；聶波等[14]對(duì)電動(dòng)叉車電液提升裝置能量回收系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，研究的具有2套升降機(jī)構(gòu)的能量回收系統(tǒng)，可降低系統(tǒng)能量損耗67.2%。相對(duì)于陸地節(jié)能液壓技術(shù)的廣泛研究，水下液壓節(jié)能研究并不多，如曹學(xué)鵬[15]開(kāi)展了深海節(jié)能型集成液壓源研究，采用的電液比例變量泵根據(jù)負(fù)載輸出壓力和流量，提高了液壓源能耗效率。

隨著水下裝備技術(shù)不斷發(fā)展，高可靠水下節(jié)能液壓系統(tǒng)需求日益急迫。本研究針對(duì)水下工作環(huán)境特點(diǎn)，通過(guò)數(shù)值分析方法，開(kāi)展基于定量泵的高可靠水下節(jié)能液壓系統(tǒng)研究，以降低系統(tǒng)能耗，提高水下裝備可靠性及穩(wěn)定性。

1 水下節(jié)能液壓系統(tǒng)構(gòu)成

水下裝備驅(qū)動(dòng)機(jī)械手、舵、推進(jìn)系統(tǒng)等裝置的液壓系統(tǒng)主要為位置控制系統(tǒng)。典型水下液壓位置控制系統(tǒng)原理如圖1所示，主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓泵、液壓控制閥和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，封閉液壓源配有壓力補(bǔ)償器，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的壓力補(bǔ)償。

圖1 典型水下液壓位置控制系統(tǒng)原理圖

基于定量泵的閥控液壓系統(tǒng)具有的構(gòu)成簡(jiǎn)單、控制性能優(yōu)異特點(diǎn)使其成為目前水下液壓系統(tǒng)的主流，但由于定量泵恒功率輸出及比例閥節(jié)流，其能量利用效率較低。其他如變量泵、負(fù)載敏感等節(jié)能液壓系統(tǒng)，元器件/系統(tǒng)較為復(fù)雜，很難適應(yīng)水下惡劣環(huán)境長(zhǎng)期作業(yè)要求?；诙勘玫淖冾l恒壓控制系統(tǒng)(其控制原理及閥控系統(tǒng)控制原理分別如圖2、圖3所示)，通過(guò)變頻電機(jī)控制定量泵輸出流量，由定量泵直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。圖2及圖3表明，變頻恒壓系統(tǒng)的定量泵輸出隨負(fù)載變化，且其控制閥只調(diào)整介質(zhì)流向，故而從液壓泵功率匹配和閥節(jié)流損耗兩方面進(jìn)行了能耗優(yōu)化。

圖2 變頻恒壓控制原理

圖3 比例閥控控制原理

2 水下節(jié)能液壓系統(tǒng)仿真

根據(jù)能量守恒，能量損耗的水下液壓系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)能量方程為：

(1)

由式(1)可得水下液壓系統(tǒng)能量損耗方程：

(2)

式中，u—— 系統(tǒng)輸入電壓

精裝修的施工周期管理、質(zhì)量要求等作為精細(xì)化管理的重要組成部分，與精裝修的施工工序順利開(kāi)展存在較大關(guān)系。部分管理人員由于沒(méi)有意識(shí)到精細(xì)化管理的重要性，導(dǎo)致其沒(méi)有將質(zhì)量要求與相關(guān)規(guī)范作為基礎(chǔ)對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行控制，也沒(méi)有進(jìn)行有效的成本控制，使精裝修工程施工質(zhì)量無(wú)法獲得保障，還會(huì)浪費(fèi)施工成本。

i—— 系統(tǒng)輸入電流

q1—— 電機(jī)發(fā)熱量

q2—— 泵發(fā)熱量

q3—— 管道發(fā)熱量

q4—— 閥發(fā)熱量

p—— 執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作壓力

Ep—— 功率匹配能量損耗

j—— 執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)量

2.1 仿真模型

基于AMESim建立水下位置控制系統(tǒng)仿真模型，建模前有如下假設(shè)：

(1)液壓系統(tǒng)工作時(shí)，工作介質(zhì)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；

(2)外界負(fù)載恒定，忽略海流等擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。

圖4為水下變頻恒壓位置控制系統(tǒng)仿真模型，主要包括變頻電機(jī)、定量泵、溢流閥、單向閥、換向閥、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、負(fù)載和PID控制器。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置反饋輸出至PID控制器，由PID控制器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)定量泵輸出流量，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置控制。

圖4 變頻恒壓位置控制系統(tǒng)仿真模型

水下比例位置控制系統(tǒng)仿真模型如圖5所示，主要包括電機(jī)、定量泵、溢流閥、單向閥、三位四通比例換向閥、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、負(fù)載和PID控制器。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置反饋輸出至PID控制器，由PID控制器控制比例閥的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置控制。

表1為液壓系統(tǒng)主要仿真參數(shù)，其對(duì)象為水下液壓機(jī)械手[16-17]。

表1 水下液壓位置控制系統(tǒng)主要仿真參數(shù)

2.2 PID控制器設(shè)計(jì)[18-20]

水下液壓系統(tǒng)采用PID控制器模型為：

(3)

式中,kp—— 比例增益

ki—— 積分增益

kd—— 微分增益

按照先比例、后積分、再微分的整定方法，通過(guò)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真進(jìn)行液壓系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)，整定得到的PID參數(shù)分別見(jiàn)表2和表3。

表2 變頻恒壓系統(tǒng)PID控制器

表3 比例閥控系統(tǒng)PID控制器

圖6為采用該控制器的變頻恒壓系統(tǒng)階躍響應(yīng)仿真結(jié)果，其中階躍信號(hào)分別為0.01，0.04，0.05 m，液壓缸位置響應(yīng)的上升時(shí)間最大0.38 s，無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差及超調(diào)，系統(tǒng)穩(wěn)定。

圖6 變頻恒壓系統(tǒng)階躍響應(yīng)

圖7為采用上述控制器的比例閥控系統(tǒng)階躍響應(yīng)仿真結(jié)果，階躍信號(hào)同樣分別為0.01，0.04，0.05 m，液壓缸位置響應(yīng)的上升時(shí)間最大0.13 s，無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差及超調(diào)，系統(tǒng)穩(wěn)定。

圖7 比例閥控系統(tǒng)階躍響應(yīng)

2.3 節(jié)能仿真分析

基于上述設(shè)計(jì)的控制器，仿真分析兩類系統(tǒng)能耗特性，主要仿真參數(shù)可見(jiàn)表1，執(zhí)行機(jī)構(gòu)行程為0.04 m。

表4及圖8為陸地工作環(huán)境仿真結(jié)果，此時(shí)液壓系統(tǒng)無(wú)壓力補(bǔ)償，系統(tǒng)工作壓力為8 MPa。

表4顯示，比例閥控系統(tǒng)最大能量損耗明顯高于變頻恒壓系統(tǒng)，約為其4倍。圖8顯示比例閥控系統(tǒng)整個(gè)工作過(guò)程中，液壓泵均穩(wěn)定輸出13 kW左右的功率，而液壓缸在0.01 s左右達(dá)到行程位置后，并沒(méi)有能量消耗，多余能量均從溢流閥損耗，導(dǎo)致系統(tǒng)功率匹配能耗損失較大。而變頻恒壓系統(tǒng)，在液壓缸到達(dá)行程位置后，泵不再輸出能量，無(wú)功能量損耗顯著降低。無(wú)論是瞬時(shí)功率還是整個(gè)工作過(guò)程的能量消耗，變頻恒壓系統(tǒng)均遠(yuǎn)低于閥控系統(tǒng)。

表4 陸地環(huán)境液壓系統(tǒng)能耗特性仿真結(jié)果 W

圖8 陸地環(huán)境液壓系統(tǒng)瞬時(shí)功率仿真結(jié)果

200 m水深條件仿真結(jié)果如表5及圖9，此時(shí)經(jīng)過(guò)壓力補(bǔ)償后的系統(tǒng)壓力為10 MPa，液壓缸背壓2 MPa，液壓缸工作壓力仍為8 MPa。

從表5可以看出，與在陸地環(huán)境工作時(shí)相比，兩類液壓系統(tǒng)的能量損耗都有增加，但比例閥控系統(tǒng)能耗增加遠(yuǎn)高于變頻恒壓系統(tǒng)。而圖9顯示，比例閥控系統(tǒng)液壓泵穩(wěn)定輸出20 kW左右的功率，大于在陸地環(huán)境工作時(shí)的功率輸出，其原因在于，由于系統(tǒng)壓力增大，在相同輸出流量條件下，泵輸出能量也大大增加。因此隨著工作水深增加，變頻恒壓系統(tǒng)節(jié)能效果增大。

表5 200 m水深液壓系統(tǒng)能耗特性仿真結(jié)果 W

圖9 200 m水深液壓系統(tǒng)瞬時(shí)功率仿真結(jié)果

3 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)基于定量泵的水下液壓位置控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值分析，開(kāi)展了水下節(jié)能液壓系統(tǒng)仿真研究，結(jié)果顯示：

(1)比例閥控系統(tǒng)能量消耗遠(yuǎn)大于變頻恒壓系統(tǒng)，其主要原因在于泵的恒定功率輸出使系統(tǒng)功率匹配效率很低；

(2)隨著工作深度增加，液壓系統(tǒng)能耗增大，但比例閥控系統(tǒng)能量損耗增加明顯大于變頻恒壓系統(tǒng)。

研究表明，與現(xiàn)有水下閥控液壓系統(tǒng)相比，基于定量泵的變頻恒壓系統(tǒng)，在不增加系統(tǒng)復(fù)雜性的同時(shí)，能有效提高能量使用效率，可降低水下裝備能量消耗，提高其可靠性及穩(wěn)定性。