某新型液壓聯(lián)鎖開關(guān)閥組件開發(fā)仿真

于 亮，張 睿

（1. 海軍裝備部駐上海地區(qū)第三代表室，上海 200031；2. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

液壓技術(shù)具有諸多特點，如功率比大、體積小、頻響高以及壓力流量可控性好等，而且還有可柔性傳送動力和易實現(xiàn)直線運動等優(yōu)點[1]。液壓技術(shù)是現(xiàn)代化傳動與控制領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域，液壓技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用。

目前，由于質(zhì)量體系中產(chǎn)品安全性、可靠性能理念的廣泛推廣，很多機電液集成設(shè)備設(shè)計中都會采用電氣聯(lián)鎖、液壓聯(lián)鎖等保護措施，在人員誤操作或程序失效時避免發(fā)生設(shè)備損壞或人身傷害等事故。特別是近年來電子電氣工業(yè)技術(shù)的極大發(fā)展，電氣聯(lián)鎖被廣泛應(yīng)用于各型設(shè)備中；而液壓聯(lián)鎖由于相關(guān)集成產(chǎn)品的缺失和應(yīng)用復(fù)雜性遠(yuǎn)高于電氣聯(lián)鎖，其應(yīng)用范圍越來越小。然而，在某些細(xì)分領(lǐng)域（如有手動工況應(yīng)急操作要求的設(shè)備及設(shè)計規(guī)范中明確要求液壓聯(lián)鎖的情況或者有強電磁干擾的應(yīng)用場景），液壓聯(lián)鎖還是具有其不可替代的作用。本文結(jié)合某設(shè)備的使用要求，提出2種液壓聯(lián)鎖開關(guān)閥型式并進行比較分析。

1 需求分析

1.1 液壓聯(lián)鎖當(dāng)前現(xiàn)狀

目前液壓聯(lián)鎖應(yīng)用的形式種類多樣，能夠完成多種聯(lián)鎖邏輯，如常見的與、或、非門等均有很多應(yīng)用案例，但是應(yīng)用形式也是多種多樣，使用效果也各有不同，很大程度上取決于設(shè)計人員的經(jīng)驗和企業(yè)的歷史經(jīng)驗積累。常見的應(yīng)用形式 有以下幾種，見圖1。

圖1 常見液壓聯(lián)鎖形式

液壓聯(lián)鎖從原理上可以分為直動式和先導(dǎo)式，從輸入信號上可以區(qū)分為機械式、液動式、電氣式[2]。直動式液壓聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)是指采用多個開關(guān)閥元件串聯(lián)或并聯(lián)的方式進行組合，每個輸入信號直接控制各個開關(guān)閥的通斷；先導(dǎo)式液壓聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)是指采用一個主開關(guān)閥，通過控制油路控制主開關(guān)閥的先導(dǎo)級，從而實現(xiàn)主油路的液壓聯(lián)鎖功能。

直動式液壓聯(lián)鎖具有原理簡單、工作可靠的特點，但缺點是只能適用于小流量和聯(lián)鎖條件不多的應(yīng)用工況，否則隨著流量增大或串聯(lián)開關(guān)閥數(shù)量的增多會造成很大的壓降，造成不必要的能源浪費；對于行程換向閥前期安裝定位要求很高，大部分行程換向閥的壓縮行程只有不到4 mm，若行程壓縮不合要求則可能造成閥壓降增大或閥件損壞。先導(dǎo)式液壓聯(lián)鎖具有設(shè)計靈活，功能多樣的特點，設(shè)計人員根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)元件進行選型設(shè)計即可完成預(yù)定功能，但是對設(shè)計人員專業(yè)水平有一定要求，不利于推廣應(yīng)用。

1.2 液壓聯(lián)鎖開關(guān)閥開發(fā)需求的確定

我國船用多型設(shè)備上都應(yīng)用了液壓聯(lián)鎖的工作原理，在實際應(yīng)用中也取得了良好的實踐效果，有效避免了由于船員不熟悉操作規(guī)程可能造成的設(shè)備損壞事故。然而，在實際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)一些可以持續(xù)優(yōu)化的地方，簡要可以概括為以下3點：

1）部分應(yīng)用場合存在較高壓力損失的問題，某設(shè)備驅(qū)動油缸液壓回路原理圖見圖2。

圖2 驅(qū)動油缸液壓回路原理圖

在P口油路上串聯(lián)了2個行程方向閥，這樣實現(xiàn)的液壓聯(lián)鎖原理簡單，但相當(dāng)于在主油路上串聯(lián)了2個阻尼孔，樣本見圖3，2個6通徑的行程方向閥在額定工況（50 L/min）下會造成近2 MPa的壓力損失，隨著溫度減低和閥口開啟不到位，都會繼續(xù)增大壓力損失，造成系統(tǒng)資源的浪費。

圖3 6 通徑行程方向閥流量-壓差曲線

2）有些應(yīng)用開關(guān)閥元件（如行程方向閥）故障率較高。

根據(jù)液壓滑閥的經(jīng)典穩(wěn)態(tài)液動力計算公式可知，圓柱滑閥閥芯的穩(wěn)態(tài)液動力與通過流量成正比例關(guān)系[3]，對于一些高流量應(yīng)用場合，可能造成故障率變高；對于一些將行程方向閥直接串入主油路的應(yīng)用，行程方向閥的安裝狀況對于油路壓力損失影響很大。

3）很多液壓聯(lián)鎖應(yīng)用在設(shè)計時未考慮測試性。

隨著船舶智能化技術(shù)的發(fā)展，用戶對于設(shè)備在線監(jiān)控、在線故障診斷的要求更高。而作為故障模式中重要一環(huán)，目前很多液壓聯(lián)鎖應(yīng)用不具備直觀的工作顯示能力。

綜上所述，結(jié)合某設(shè)備的使用工況，得出了本次液壓聯(lián)鎖的開發(fā)需求，可歸類為以下4點：

1）可靠性高，在電動和手動工況能可靠工作。

2）壓降盡可能小（在使用L-HM32號液壓油，油溫30 ℃～40 ℃，流量不低于50 L/min的條件下，液壓聯(lián)鎖開關(guān)閥組件在導(dǎo)通狀態(tài)時，壓降≤0.5 MPa）。

3）截止工況時內(nèi)泄露盡可能?。ㄔ谑褂肔-HM32號液壓油，油溫30 ℃～40 ℃，試驗用壓力6.5 MPa的條件下，液壓聯(lián)鎖開關(guān)閥組件在截至狀態(tài)下內(nèi)泄漏量小于等于200 mL/min）。

4）能有工作狀態(tài)顯示或反饋。

2 液壓聯(lián)鎖開關(guān)閥組件開發(fā)仿真分析

本文采用插裝式開關(guān)閥進行集成設(shè)計，液壓原理見圖4，基本原理如下：高壓油從A口進入液壓聯(lián)鎖開關(guān)閥，當(dāng)2個行程換向閥均處于彈簧復(fù)位狀態(tài)時，開關(guān)閥的控制口X口為封堵狀態(tài)，則開關(guān)閥A腔壓力和B腔壓力一致，在液壓力和彈簧力的作用下，開關(guān)閥處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)2個行程換向閥均處于打開狀態(tài)時，開關(guān)閥的控制口X口與油箱相通，主油路中的油液會經(jīng)過阻尼孔1流回油箱，同時阻尼孔1兩端會產(chǎn)生壓降，故開關(guān)閥B腔的壓力會大于A腔壓力，當(dāng)作用于B腔的液壓力足以克服A腔液壓力和復(fù)位彈簧力時，開關(guān)閥處于打開狀態(tài)。

圖4 液壓聯(lián)鎖開關(guān)閥組件開發(fā)方案原理圖

為了定量的研究各阻尼孔直徑等參數(shù)對開關(guān)閥性能的影響，本文通過AMESim軟件的HCD庫對液壓聯(lián)鎖開關(guān)閥組件方案進行系統(tǒng)仿真建模，見圖5，在此模型基礎(chǔ)上進行定量分析，研究各個參數(shù)對開關(guān)閥組件的開關(guān)特性的影響（如開啟/關(guān)閉時間、泄漏量和流量壓力曲線等）。

圖5 液壓聯(lián)鎖開關(guān)閥組件開發(fā)方案分析模型

在Parameters模式下，為元件設(shè)置模型參數(shù)，該系統(tǒng)主要參數(shù)的選擇和設(shè)定如下：油液溫度為40 ℃，黏度為51 cP，系統(tǒng)壓力P為7 MPa，閥芯直徑為20 mm，閥口直徑為16 mm，閥口倒角為45°，閥桿直徑5 mm，初始復(fù)位彈簧力為392.5 N其余參數(shù)采用系統(tǒng)默認(rèn)。

液壓聯(lián)鎖滑閥采用復(fù)位狀態(tài)為截止的機能，通過設(shè)置仿真模型參數(shù)來模擬滑閥由截止到打開的過程，在動態(tài)的環(huán)境下分析開關(guān)閥的動態(tài)響應(yīng)狀態(tài)，信號輸入為在2s時輸入為1的值，模擬液壓聯(lián)鎖滑閥得電開啟。

假定加載阻尼孔（原理圖中的阻尼孔1）通流面積為0.2 mm2，通過參數(shù)化賦值，將泄漏阻尼孔（原理圖中的阻尼孔2）通流面積分別設(shè)置為0.2 mm2、0.6 mm2、1 mm2、2 mm2、4 mm2、6 mm2、8 mm2、10 mm2和20 mm2。

將各個參數(shù)代入模型仿真計算后，發(fā)現(xiàn)泄漏阻尼孔不影響開關(guān)閥穩(wěn)定狀態(tài)下的流量、壓差、泄漏流量特性，只影響開關(guān)閥的開啟和關(guān)閉響應(yīng)時間，泄漏阻尼孔通流面積越小，關(guān)閉和打開響應(yīng)越慢，但超調(diào)量也越小，液壓沖擊越小。綜合考慮液壓沖擊和開關(guān)閥啟閉響應(yīng)時間，選定泄漏阻尼孔通流面積為2 mm2。

同理，假定泄漏阻尼孔通流面積為10 mm2時，通過參數(shù)化賦值，將泄漏阻尼孔（原理圖中的阻尼孔2）通流面積分別設(shè)置為0.2 mm2、0.4 mm2、0.6 mm2、0.8 mm2、1 mm2、1.2 mm2、1.4 mm2、1.6 mm2和1.8 mm2，將各個參數(shù)代入模型仿真計算后，發(fā)現(xiàn)泄漏阻尼孔不影響開關(guān)閥穩(wěn)定狀態(tài)下的流量、壓差特性，但對閥的泄露流量有很大影響，通流面積越小泄漏量越小，閥芯關(guān)閉和打開響應(yīng)越慢，但超調(diào)量也越小，液壓沖擊越小。此處考慮到應(yīng)用場合對閥芯響應(yīng)速度不敏感，但是要求泄漏量盡量少且液壓沖擊小，故選定泄漏阻尼孔通流面積為0.2 mm2。

綜上，液壓連鎖開關(guān)閥組件方案泄漏阻尼孔孔徑選用0.25 mm，加載阻尼孔孔徑選用1.8 mm，插裝式開關(guān)閥擬選用16通徑插裝閥，閥體和阻尼孔自行設(shè)計并加工，在設(shè)計閥體時綜合考慮開關(guān)閥的測試性，設(shè)置充分的內(nèi)部和外部測試點，以便于在各維修級別實施測試，保障在使用和維修中能及時、正確地提供測試數(shù)據(jù)，以此提高開關(guān)閥的可靠性。

3 結(jié)論

本文通過研究開發(fā)一種新型式的集成液壓聯(lián)鎖開關(guān)閥組件，通過加裝液壓聯(lián)鎖開關(guān)閥組件，顯著減小液壓聯(lián)鎖上的壓降，提升設(shè)備的戰(zhàn)術(shù)性能，釋放更多的船總體功率裕量。在電氣聯(lián)鎖被廣泛應(yīng)用于各型設(shè)備中，而液壓聯(lián)鎖由于相關(guān)集成產(chǎn)品的缺失和應(yīng)用復(fù)雜性遠(yuǎn)高于電氣聯(lián)鎖，其應(yīng)用范圍越來越小的當(dāng)前情況下。本次設(shè)計新型式的集成液壓聯(lián)鎖開關(guān)閥組件的在某些細(xì)分領(lǐng)域（如有手動工況應(yīng)急操作要求的設(shè)備及設(shè)計規(guī)范中明確要求液壓聯(lián)鎖的情況或者有強電磁干擾的應(yīng)用場景），發(fā)揮著其不可替代的作用。