一種船用收放絞車新型液壓回路設計

劉雅蓮，徐 泳

(杭州應用聲學研究所，浙江 杭州 310000)

0 引 言

船用液壓收放絞車在水下目標探測、打撈救助和海洋資源開發(fā)等領域有著廣泛的應用[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負載均通過平衡閥發(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)平衡負負載[7-8]，布放工況下一部分負負載可通過閉式泵回饋電網，減少了發(fā)熱，同時泵站的結構尺寸也更為緊湊，但是沒有了平衡閥的保護，系統(tǒng)管路泄漏、損壞可能會對收放負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控制變得困難。本文針對傳統(tǒng)回路的不足，提出一種結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種運行工況：一是回收工況，此工況下馬達受到正負載作用，絞車回轉拉動負載回收；二是布放工況，此工況下馬達受到負負載作用，負載倒拖絞車回轉；三是負載位置微調與保持工況，由于需要將負載精確定位到海中的某個深度，在回收或布放的位置粗調之后需要進行位置微調，此時需要在低速情況下精確控制馬達轉速與位置，并且在調整完畢之后負載位置需要保持一段時間。

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

2 新型液壓回路設計

液壓回路的設計方案如下：1）針對船上空間有限以及需在負負載工況下運行，采用閉式的泵控馬達系統(tǒng)；2）針對安全性及低速情況下的負載定位問題，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)。平衡閥起作用時系統(tǒng)定位性能好，平衡閥被短路時系統(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行說明。

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

2）在負載布放工況下，馬達受到負負載的作用，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過梭閥通向平衡閥的控制口，平衡閥全開。這時馬達轉速依舊由變量泵進行控制，負負載通過閉式泵回饋電網，系統(tǒng)無平衡閥的節(jié)流發(fā)熱，既能對負載布放速度進行有效控制，又有良好的節(jié)能效果。

3）在負載位置微調與保持工況下，馬達低速或零速運行，該情況下如果不加平衡閥，負載會因泵的零位泄漏而失控逐漸下落，難以精確對負載速度或位置進行有效而精確的控制。當編碼器檢測到的馬達速度降低到一定閾值時，自動關閉二位換向閥，平衡閥先導口的壓力由馬達進油側壓力決定，平衡閥開始工作，抗衡負負載并確保馬達進油側有一定壓力不會吸空，使負載下降速度可控并能實現(xiàn)靜止保持和精確定位功能。為了防止馬達速度在閾值附近變化時二位換向閥頻繁啟閉造成平衡閥抖動，此閾值需設一定的滯環(huán)。

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

綜上，新型液壓回路在以下幾個方面具有優(yōu)越性：1）可實現(xiàn)負載的精確定位功能；2）防止因管路爆裂引發(fā)的事故，更具安全性；3）引入平衡閥的時機可控，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)結構緊湊等優(yōu)點。

3 AMESim建模與仿真

為了驗證設計的可行性，利用AMESim軟件的HCD庫建立平衡閥的仿真模型， 將主泵、補油泵、馬達、安全閥等進行簡化處理， 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行仿真。

圖2 新型泵控馬達閉式系統(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：平衡閥導壓比4，馬達排量為9 200 ml/rev，馬達及負載轉動慣量50 kgm2，負載扭矩6 000 Nm，液壓容腔1體積為2L，泵的最大排量為125 ml/rev，此時馬達轉速理論值為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內以斜坡信號的方式下降至0，當編碼器檢測到的馬達速度降低到一定閾值時，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時保持0排量信號，觀測是否因泵的泄漏造成負載下墜現(xiàn)象。

從圖4的仿真結果可以看出，不帶平衡閥的普通回路馬達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負載，泵兩側壓差大、泵進油側壓力高，造成泵的大量泄漏。而新型回路負負載由平衡閥抵消，泵兩側壓差小，泄漏少，馬達速度與理論值偏離很小。另外，新型回路還可以在低速時有效控制馬達轉速，在泵的輸出排量為0時，平衡閥控制口壓力與補油壓力相等，未到達平衡閥開啟壓力，平衡閥鎖緊，馬達停止，不會因泵的泄漏造成負載下墜。而普通的無平衡閥普通回路則因泵的泄漏存在負載下墜問題。

圖4 布放工況下平衡閥切換過程的馬達轉速響應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為節(jié)流孔的設計，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載使其停止下落。在以最大速度回收工況下，20 s時馬達高壓側管路突然爆裂。其中管路爆裂以在管路旁路加裝大流量高響應閥并在第20 s時突然全開模擬。

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

圖6 爆管情況下馬達進油腔壓力變化曲線Fig. 6 Motor inlet pressure curveunder bursting

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

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

4 實際工況測試

為了驗證仿真結果的準確性，通過數(shù)據采集卡在船用液壓收放絞車上進行實際工況下的數(shù)據采集。

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速度響應Fig. 8 Cavity pressure curve in the process of balancing valve switching in case of laying

平衡閥與馬達之間壓力，P3為泵與馬達之間壓力，各壓力變化與仿真結果接近。同時由于實際管路比仿真設置的更長，壓力容器體積更大，實測的壓力波動略小于仿真結果。對比結果驗證了仿真模型的準確性。

5 結 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、系統(tǒng)緊湊的優(yōu)勢，仿真分析驗證了設計的可行性。研究結果對船用絞車收放液壓系統(tǒng)設計有一定參考價值。