劉雅蓮，徐 泳

(杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所，浙江 杭州 310000)

0 引 言

船用液壓收放絞車在水下目標(biāo)探測、打撈救助和海洋資源開發(fā)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-2]，其液壓回路常規(guī)有2種方式：一種是使用帶平衡閥的開式系統(tǒng)，開式系統(tǒng)泵站體積重量一般都較大，適裝性受到影響。另外絞車在布放工況下所有負(fù)負(fù)載均通過平衡閥發(fā)熱，需要的冷卻功率很高[3-6]；另一種方式是采用閉式系統(tǒng)平衡負(fù)負(fù)載[7-8]，布放工況下一部分負(fù)負(fù)載可通過閉式泵回饋電網(wǎng)，減少了發(fā)熱，同時(shí)泵站的結(jié)構(gòu)尺寸也更為緊湊，但是沒有了平衡閥的保護(hù)，系統(tǒng)管路泄漏、損壞可能會對收放負(fù)載的安全性帶來極大威脅。另外，在低速或零速工況下，閉式泵本身的中位泄漏會使速度的精準(zhǔn)控制變得困難。本文針對傳統(tǒng)回路的不足，提出一種結(jié)合平衡閥和閉式系統(tǒng)的新型絞車液壓回路。

1 船用收放絞車工況分析

船用收放絞車大致有以下3種運(yùn)行工況：一是回收工況，此工況下馬達(dá)受到正負(fù)載作用，絞車回轉(zhuǎn)拉動負(fù)載回收；二是布放工況，此工況下馬達(dá)受到負(fù)負(fù)載作用，負(fù)載倒拖絞車回轉(zhuǎn)；三是負(fù)載位置微調(diào)與保持工況，由于需要將負(fù)載精確定位到海中的某個(gè)深度，在回收或布放的位置粗調(diào)之后需要進(jìn)行位置微調(diào)，此時(shí)需要在低速情況下精確控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速與位置，并且在調(diào)整完畢之后負(fù)載位置需要保持一段時(shí)間。

另外絞車回路還需滿足以下幾點(diǎn)要求：1）在負(fù)載因受到海水波浪等的影響實(shí)時(shí)變化的情況下仍需精確控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速；2）在管路爆裂的情況下需要及時(shí)鎖死絞車，負(fù)載不可失速下墜，即安全性的考慮；3）由于船上空間及承重有限，液壓系統(tǒng)的尺寸重量應(yīng)盡量緊湊節(jié)能，以減少冷卻功率。

2 新型液壓回路設(shè)計(jì)

液壓回路的設(shè)計(jì)方案如下：1）針對船上空間有限以及需在負(fù)負(fù)載工況下運(yùn)行，采用閉式的泵控馬達(dá)系統(tǒng)；2）針對安全性及低速情況下的負(fù)載定位問題，在閉式系統(tǒng)中加入平衡閥。3）考慮到節(jié)能性與精確定位的矛盾，系統(tǒng)需要可以人為切換在平衡閥起作用和平衡閥被短路2種狀態(tài)。平衡閥起作用時(shí)系統(tǒng)定位性能好，平衡閥被短路時(shí)系統(tǒng)更加節(jié)能。具體原理圖如圖1所示。

圖1 新型泵控馬達(dá)閉式系統(tǒng)原理圖Fig. 1 New pump control motor closed system schematic

對此回路工作原理分工況進(jìn)行說明。

1）在負(fù)載回收工況下，平衡閥閥口全開，馬達(dá)轉(zhuǎn)速由變量泵進(jìn)行控制，相比于閥控系統(tǒng)，無節(jié)流損失。

2）在負(fù)載布放工況下，馬達(dá)受到負(fù)負(fù)載的作用，由于釋放速度較快，泵的泄漏對速度的影響不明顯。該情況下可打開二位換向閥使高壓油經(jīng)過梭閥通向平衡閥的控制口，平衡閥全開。這時(shí)馬達(dá)轉(zhuǎn)速依舊由變量泵進(jìn)行控制，負(fù)負(fù)載通過閉式泵回饋電網(wǎng)，系統(tǒng)無平衡閥的節(jié)流發(fā)熱，既能對負(fù)載布放速度進(jìn)行有效控制，又有良好的節(jié)能效果。

3）在負(fù)載位置微調(diào)與保持工況下，馬達(dá)低速或零速運(yùn)行，該情況下如果不加平衡閥，負(fù)載會因泵的零位泄漏而失控逐漸下落，難以精確對負(fù)載速度或位置進(jìn)行有效而精確的控制。當(dāng)編碼器檢測到的馬達(dá)速度降低到一定閾值時(shí)，自動關(guān)閉二位換向閥，平衡閥先導(dǎo)口的壓力由馬達(dá)進(jìn)油側(cè)壓力決定，平衡閥開始工作，抗衡負(fù)負(fù)載并確保馬達(dá)進(jìn)油側(cè)有一定壓力不會吸空，使負(fù)載下降速度可控并能實(shí)現(xiàn)靜止保持和精確定位功能。為了防止馬達(dá)速度在閾值附近變化時(shí)二位換向閥頻繁啟閉造成平衡閥抖動，此閾值需設(shè)一定的滯環(huán)。

4）管路爆裂或有大量泄漏情況下，因檢測到管路壓力遠(yuǎn)小于人為設(shè)定的背壓，此時(shí)無論何種工況二位換向閥都迅速關(guān)閉，平衡閥因控制口失壓而鎖死，不會引發(fā)負(fù)載失控下落的事故。

綜上，新型液壓回路在以下幾個(gè)方面具有優(yōu)越性：1）可實(shí)現(xiàn)負(fù)載的精確定位功能；2）防止因管路爆裂引發(fā)的事故，更具安全性；3）引入平衡閥的時(shí)機(jī)可控，最大限度確保系統(tǒng)穩(wěn)定性；4）擁有泵控系統(tǒng)更為節(jié)能和閉式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。

3 AMESim建模與仿真

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，利用AMESim軟件的HCD庫建立平衡閥的仿真模型， 將主泵、補(bǔ)油泵、馬達(dá)、安全閥等進(jìn)行簡化處理， 最終建立完整液壓回路的仿真模型，并對平衡閥切換過程的穩(wěn)定性、管路爆裂平衡閥鎖死兩過程進(jìn)行仿真。

圖2 新型泵控馬達(dá)閉式系統(tǒng)仿真模型Fig. 2 New pump control motor closed system simulation model

圖3 平衡閥子模型Fig. 3 Balance valve submodel

AMESim仿真模型的主要取值：平衡閥導(dǎo)壓比4，馬達(dá)排量為9 200 ml/rev，馬達(dá)及負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量50 kgm2，負(fù)載扭矩6 000 Nm，液壓容腔1體積為2L，泵的最大排量為125 ml/rev，此時(shí)馬達(dá)轉(zhuǎn)速理論值為20 r/min。

3.1 平衡閥切換過程仿真

選取布放工況，泵流量從額定流量的50%在60 s內(nèi)以斜坡信號的方式下降至0，當(dāng)編碼器檢測到的馬達(dá)速度降低到一定閾值時(shí)，切換二位換向閥，平衡閥開始工作，觀測平衡閥切換過程是否平穩(wěn)。在第60～70 s時(shí)保持0排量信號，觀測是否因泵的泄漏造成負(fù)載下墜現(xiàn)象。

從圖4的仿真結(jié)果可以看出，不帶平衡閥的普通回路馬達(dá)速度與理論值偏離很大。這是由于該回路由泵抵消受到的負(fù)負(fù)載，泵兩側(cè)壓差大、泵進(jìn)油側(cè)壓力高，造成泵的大量泄漏。而新型回路負(fù)負(fù)載由平衡閥抵消，泵兩側(cè)壓差小，泄漏少，馬達(dá)速度與理論值偏離很小。另外，新型回路還可以在低速時(shí)有效控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速，在泵的輸出排量為0時(shí)，平衡閥控制口壓力與補(bǔ)油壓力相等，未到達(dá)平衡閥開啟壓力，平衡閥鎖緊，馬達(dá)停止，不會因泵的泄漏造成負(fù)載下墜。而普通的無平衡閥普通回路則因泵的泄漏存在負(fù)載下墜問題。

圖4 布放工況下平衡閥切換過程的馬達(dá)轉(zhuǎn)速響應(yīng)Fig. 4 Motor speed response curvein the process of balancing valve switching in case of laying

從圖5可以看出，在平衡閥由不工作的全開切換至開始工作的過程因?yàn)楣?jié)流孔的設(shè)計(jì)，使平衡閥控制口的壓力變化平穩(wěn)無震蕩。

圖5 布放工況下平衡閥切換過程的各腔壓力變化曲線Fig. 5 Cavity pressure curve in the process of balancing valve switching in case of laying

3.2 管路爆裂情況仿真

在管路突然爆裂的情況下，觀測系統(tǒng)是否可以有效鎖住負(fù)載使其停止下落。在以最大速度回收工況下，20 s時(shí)馬達(dá)高壓側(cè)管路突然爆裂。其中管路爆裂以在管路旁路加裝大流量高響應(yīng)閥并在第20 s時(shí)突然全開模擬。

從圖6和圖7仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，新式回路可在管路爆裂情況下快速且有效鎖住負(fù)載，防止負(fù)載失控下落。

圖6 爆管情況下馬達(dá)進(jìn)油腔壓力變化曲線Fig. 6 Motor inlet pressure curveunder bursting

圖7 管路爆裂情況下馬達(dá)速度響應(yīng)Fig. 7 Motor speed response in case of pipe burst

通過對以上2種情況下的仿真，可以得到以下結(jié)論：新型回路平衡閥切換過程平順，可有效應(yīng)對管路爆裂，與理論一致且性能良好。

4 實(shí)際工況測試

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過數(shù)據(jù)采集卡在船用液壓收放絞車上進(jìn)行實(shí)際工況下的數(shù)據(jù)采集。

從圖8可以看出，P1為平衡閥與泵之間壓力，P2為

圖8 管路爆裂情況下馬達(dá)速度響應(yīng)Fig. 8 Cavity pressure curve in the process of balancing valve switching in case of laying

平衡閥與馬達(dá)之間壓力，P3為泵與馬達(dá)之間壓力，各壓力變化與仿真結(jié)果接近。同時(shí)由于實(shí)際管路比仿真設(shè)置的更長，壓力容器體積更大，實(shí)測的壓力波動略小于仿真結(jié)果。對比結(jié)果驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

5 結(jié) 語

本文提出船用收放絞車新型液壓回路，該回路具有在零速和低速下速度可精確控制、更加節(jié)能、安全性強(qiáng)、系統(tǒng)緊湊的優(yōu)勢，仿真分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。研究結(jié)果對船用絞車收放液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值。