某型柴油機調(diào)速器調(diào)速系統(tǒng)仿真與試驗分析

徐茂

摘要：本文以某型柴油機液壓調(diào)速器為研究對象，首先介紹了其結(jié)構(gòu)和工作原理，然后基于AMESim平臺對系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)分別進(jìn)行了建模，并將各個環(huán)節(jié)進(jìn)行組合形成了系統(tǒng)的仿真分析模型，接著對其中關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析。最后對調(diào)速器及調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和試驗分析，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致。

關(guān)鍵詞：船用柴油機調(diào)速器;AMESim仿真;實驗分析

0 ?引言

調(diào)速器是柴油機的轉(zhuǎn)速控制機構(gòu)，根據(jù)外界負(fù)荷變化來調(diào)節(jié)噴油泵的供油量進(jìn)行相應(yīng)增減，保證柴油機的穩(wěn)定運行。液壓調(diào)速器是用飛塊的離心力帶動滑閥來控制窗口，通過改變動力伺服馬達(dá)活塞上下端油壓變化帶動動力伺服馬達(dá)活塞運動，驅(qū)動噴油泵齒條控制噴油泵供油量。由于液壓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)具有滯后性，所以此類調(diào)速器一般響應(yīng)緩慢。本文針對這一現(xiàn)狀，研究了不同于常規(guī)的滑閥控制窗口的結(jié)構(gòu)，并使用兩個伺服馬達(dá)，使調(diào)速器響應(yīng)迅速，很好的解決了這一問題。

1 ?液壓調(diào)速器

1.1 調(diào)速器基本結(jié)構(gòu)

該型液壓調(diào)速器主要由底座部件、中間殼體部件、上殼體部件和上蓋部件組成。底座內(nèi)布置傳動軸和齒輪滑油泵。中間殼體內(nèi)布置滑閥偶件、轉(zhuǎn)子部件、動力和輔助伺服馬達(dá)、杠桿傳動裝置和滑油蓄油器?；y偶件包括固定套筒、活動套筒和滑閥。轉(zhuǎn)子部件包括緩沖器部分、飛塊、罩殼等零件。動力伺服馬達(dá)和輔助伺服馬達(dá)經(jīng)杠桿和杠桿傳動裝置與滑閥偶件的活動套筒連接，動力伺服馬達(dá)的活塞經(jīng)吊環(huán)和杠桿與輸出軸連接。與常規(guī)液壓調(diào)速器相比，該調(diào)速器在輸出方面采用了動力伺服馬達(dá)和輔助伺服馬達(dá)，動力伺服馬達(dá)主要進(jìn)行位移輸出，輔助伺服馬達(dá)進(jìn)行位移反饋;在液壓油路控制方面，該調(diào)速器的滑閥偶件采用了一個閥芯和兩個套筒，閥芯上有兩個凸肩分別與固定套筒和活動套筒的窗口配合進(jìn)行油路控制。

1.2 工作原理

在柴油機穩(wěn)定工況時，柴油機曲軸實際轉(zhuǎn)速與指定轉(zhuǎn)速相等，此時滑閥處于中間位置，輔助伺服馬達(dá)與動力伺服馬達(dá)的活塞位于固定位置。

實際轉(zhuǎn)速變化時，飛塊離心力變化，滑閥從中間位置偏移，產(chǎn)生自動調(diào)整過程。柴油機轉(zhuǎn)速下降時，飛塊離心力小于調(diào)速彈簧力，滑閥向下移動，A型腔與溢油孔聯(lián)通，而該腔與壓力管聯(lián)通，動力伺服馬達(dá)的活塞向下移動，將輸出軸轉(zhuǎn)動到增加燃油供油量位置，輔助伺服馬達(dá)的活塞向上移動。動力伺服馬達(dá)的活塞驅(qū)使活動套筒跟隨滑閥向下移動，輔助伺服馬達(dá)的活塞向上移動，即向滑閥移動相反方向移動?；顒犹淄灿斜裙潭ㄌ淄泊蟮目祝虼藙恿λ欧R達(dá)的活塞的運動，比輔助伺服馬達(dá)的活塞迅速得多，活動套筒實際上瞬間就趕上滑閥，到達(dá)活動套筒工作孔被滑閥凸肩遮斷的位置。

動力伺服馬達(dá)活塞通過改變?nèi)加凸┯土?，控制柴油機的速度變化。在這個過程中，當(dāng)輔助伺服馬達(dá)活塞停止，且固定套筒和活動套筒上的孔都被遮斷時過渡過程結(jié)束，完成調(diào)速且柴油機重新穩(wěn)定。

2 ?調(diào)速系統(tǒng)

2.1 伺服馬達(dá)

動力伺服馬達(dá)是一個液壓油缸，一端接高壓油，另一端接控制油，控制油的壓力由滑閥位置確定。輔助伺服馬達(dá)與動力伺服馬達(dá)輸出之差通過活動套形成位移反饋。輔助伺服馬達(dá)由兩級活塞組成，滑閥從中間位置有較大偏移時，緩沖活塞移到頂部，允許輔助伺服馬達(dá)的活塞迅速移動一定的量。

2.2 控制部件

根據(jù)柴油機液壓調(diào)速器控制部件結(jié)構(gòu)，其中包括滑閥、固定套筒和活動套筒等元件，活動套筒與滑閥在調(diào)速器工作過程中存在相對位移，通過其位移的變化，控制窗口發(fā)生變化，從而控制動力活塞的移動，進(jìn)一步控制柴油機油量增減。

2.3 柴油機模型

文獻(xiàn)[1]根據(jù)達(dá)朗貝爾原理推導(dǎo)出了柴油機的數(shù)學(xué)模型，文獻(xiàn)[2]則分別給出了供油裝置的微分方程和柴油機的微分方程，當(dāng)把供油裝置的微分方程帶入柴油機的微分方程以后，發(fā)現(xiàn)后一種的數(shù)學(xué)模型與前一種的數(shù)學(xué)模型有著相似之處。

本文采用文獻(xiàn)[1]里所使用的柴油機數(shù)學(xué)模型：

模型的具體說明請參考相關(guān)文獻(xiàn)。

2.4 調(diào)速系統(tǒng)模型

將調(diào)速系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)模型進(jìn)行組合，即得調(diào)速系統(tǒng)模型，如圖1所示。

3 ?關(guān)鍵環(huán)節(jié)分析

3.1 調(diào)速彈簧特性曲線

調(diào)速彈簧屬于截錐螺旋非線性壓縮彈簧，其特性曲線取決于彈簧的尺寸參數(shù)，如鋼絲直徑、各圈節(jié)距和節(jié)徑等。

通過離散的方法（分割法）對彈簧進(jìn)行計算，其大致步驟如下：①分割單元;②離散化模型;③求各單元的彈簧剛度;④合成單元。

在MATLAB對調(diào)速彈簧進(jìn)行計算，計算結(jié)果與彈簧的測量結(jié)果基本吻合，如圖2所示。

3.2 調(diào)速彈簧飛塊匹配計算

3.3 滑閥組件窗口特性分析

滑閥兩個凸肩分別與固定套筒和活動套筒的窗口位置關(guān)系為內(nèi)外嵌套型，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸可得滑閥與活動套筒的窗口特性曲線如圖4所示。

4 ?仿真及試驗分析

4.1 仿真分析

圖5-圖7為調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果。從圖中可以看出，柴油機啟動時，滑閥瞬時產(chǎn)生移動，打開動力伺服馬達(dá)的控制窗口，動力伺服馬達(dá)產(chǎn)生一定位移，從而帶動噴油器供油，柴油機轉(zhuǎn)速在很短的時間內(nèi)升高到1000r/min，該轉(zhuǎn)速是由控制信號決定的。

在10s時刻，柴油機突加負(fù)載，柴油機轉(zhuǎn)速下降，滑閥移動，動力伺服馬達(dá)下腔接通低壓油，動力伺服馬達(dá)下移，柴油機燃油量增加，其轉(zhuǎn)速逐漸升高并穩(wěn)定在970r/min左右，穩(wěn)定時間在4s左右。

在20s時刻，柴油機突卸負(fù)載，柴油機轉(zhuǎn)速上升，動力伺服馬達(dá)上升，柴油機燃油量減小，其轉(zhuǎn)速逐漸降低并穩(wěn)定在1000r/min左右，穩(wěn)定時間在4.5s左右。

4.2 試驗分析

在柴油機發(fā)電機組上進(jìn)行試驗，突加載荷時，轉(zhuǎn)速變化為1000r/min～925r/min～970r/min，穩(wěn)定時間在4s左右;突卸載荷時，轉(zhuǎn)速變化為970r/min～1050r/min～1000r/min，穩(wěn)定時間在4.5s左右。對比仿真分析結(jié)果和試驗結(jié)果，兩者基本一致，仿真分析結(jié)果基本能夠反應(yīng)調(diào)速器及調(diào)速系統(tǒng)的實際工作情況。

5 ?結(jié)論

本文結(jié)合某型柴油機調(diào)速器的結(jié)構(gòu)說明了其工作原理，然后基于AMESim平臺對調(diào)速器內(nèi)部各個環(huán)節(jié)進(jìn)行了建模，形成了整個調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型;對調(diào)速系統(tǒng)中部分關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析，這些環(huán)節(jié)的特性曲線直接決定了調(diào)速系統(tǒng)的性能水平;對調(diào)速器進(jìn)行仿真及試驗分析，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致，表明所建立的仿真分析模型是合理的。

參考文獻(xiàn)：

[1]田雨.柴油機電液調(diào)速技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)動力與能源工程學(xué)院，2010.

[2]楊波，杜寶國，等.基于AMESim的柴油機調(diào)速器仿真優(yōu)化分析[J].柴油機，2015，37（4）：18-22.

[3]付永領(lǐng)，祁曉野.LMS Imagine.Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011：2-26.