船舶液壓系統(tǒng)功率智能匹配設(shè)計(jì)研究

晁紅芬

(1. 河南省黃淮實(shí)驗(yàn)室, 河南 駐馬店 463000；2. 駐馬店職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 河南 駐馬店 463000)

0 引 言

近年來，液壓控制技術(shù)在精密機(jī)械、自動(dòng)控制等技術(shù)的加持下獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，傳統(tǒng)的液壓傳動(dòng)技術(shù)主要應(yīng)用于機(jī)械部件的助力、操縱等，靈活性和精度較差，而液壓控制技術(shù)不論是在控制精度上，還是在設(shè)備的靈活性上都具有顯著的優(yōu)勢，特別是自適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用，使液壓控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、AI 智能算法充分結(jié)合，利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)液壓控制的可靠性、精密性。因此，液壓控制技術(shù)在各種工業(yè)系統(tǒng)中有巨大的應(yīng)用潛力。

大型船舶的液壓系統(tǒng)往往采用集成式設(shè)計(jì)，動(dòng)力柴油機(jī)位于船舶機(jī)艙，液壓站結(jié)合船舶的液壓部件分布情況設(shè)計(jì)不同的支路，通常，船舶液壓系統(tǒng)的動(dòng)力柴油機(jī)往往大于2 臺，常見的液壓機(jī)械設(shè)備包括起重機(jī)、船舵、調(diào)距槳等，液壓系統(tǒng)為船舶液壓機(jī)械提供液壓動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)對應(yīng)的機(jī)械部件執(zhí)行各種任務(wù)。在船舶液壓系統(tǒng)中，不同液壓機(jī)械設(shè)備的負(fù)載各不相同，采用單一的柴油機(jī)控制策略往往會造成功率與負(fù)載的匹配性差等問題，使船舶液壓柴油機(jī)的能耗增大，不利于提高船舶的整體經(jīng)濟(jì)性。

本文首先介紹船舶液壓系統(tǒng)的基本構(gòu)成，從液體動(dòng)力學(xué)等方面進(jìn)行液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模，然后在此基礎(chǔ)上研究液壓系統(tǒng)的功率匹配智能控制技術(shù)，并詳細(xì)介紹液壓系統(tǒng)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。

1 船舶液壓系統(tǒng)的基本構(gòu)成與原理

船舶液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵組成單元包括柴油機(jī)、油箱、液壓泵、分動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制閥組和負(fù)載等，以海上大型運(yùn)輸船為例，負(fù)載包括船舵液壓助力系統(tǒng)、甲板貨物吊裝系統(tǒng)等。

圖1 為船舶液壓系統(tǒng)的原理圖。

圖1 船舶液壓系統(tǒng)的原理圖Fig. 1 Schematic diagram of ship hydraulic system

船舶液壓系統(tǒng)的流體動(dòng)力學(xué)基本方程包括流體的連續(xù)性方程和質(zhì)量守恒方程。

1）連續(xù)性方程；

液壓系統(tǒng)的流體連續(xù)性方程如下式：

式中： V0為 變量泵初始泵送流量，L/min ； ρ為管路中介質(zhì)的密度，kg.m3；Vt為液壓系統(tǒng)泵在時(shí)間t時(shí)的泵送流量；S0，S1分 別為流體位置分量； λ為油管中介質(zhì)的粘度，m2·s-1。

2）質(zhì)量守恒方程

液壓系統(tǒng)質(zhì)量守恒方程為：

式中，Q為液壓泵的額定流量。

船舶液壓系統(tǒng)的動(dòng)力來源是柴油機(jī)[1]，柴油機(jī)的負(fù)荷取決于液壓系統(tǒng)的負(fù)載，建立船舶液壓系統(tǒng)柴油機(jī)的功率模型為：

式中：Pi為液壓系統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)總功率；pi為每個(gè)柴油機(jī)工作壓力； τ為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)沖程系數(shù)， τ =0.39；N0為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速；n為實(shí)際轉(zhuǎn)速；Mi為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；Vi為柴油箱容積。

液壓系統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載特性曲線如圖2 所示。

圖2 液壓系統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載特性曲線Fig. 2 Load characteristic curve of diesel engine in hydraulic system

圖中，柴油機(jī)負(fù)載特性曲線的橫坐標(biāo)為時(shí)間T，縱坐標(biāo)分別為柴油機(jī)的有效功率be、油液溫度tr、柴油機(jī)的油耗量B。顯示的曲線為：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min 時(shí)，有效功率be、油液溫度tr、油耗量B隨外部負(fù)荷變化的特性曲線。

2 船舶液壓系統(tǒng)功率匹配智能控制技術(shù)的

2.1 船舶液壓系統(tǒng)功率智能匹配的整體設(shè)計(jì)

目前，船舶機(jī)械組件中液壓驅(qū)動(dòng)的裝載量較高，相對于電驅(qū)動(dòng)，液壓驅(qū)動(dòng)具有很多的優(yōu)勢：

1)在液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，液壓回路中的元件可以在很大壓力下工作，功率質(zhì)量比大，因此可以實(shí)現(xiàn)體積小、功率大的設(shè)計(jì)，對于船舶機(jī)艙這種空間有限的場景具有明顯優(yōu)勢。

2) 借助于流體的不可壓縮特性和壓力傳遞特性，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出壓力、力矩大，能夠滿足船舶大負(fù)載的工況。

3)由于流體不可壓縮，液壓回路中的元件慣性很小，從動(dòng)作啟動(dòng)到執(zhí)行中間的響應(yīng)很快，特別是液壓控制器的換向等操作。

4)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的無級調(diào)速，其它驅(qū)動(dòng)形式難以實(shí)現(xiàn)。

5)由于液體介質(zhì)具有吸振功能，液壓驅(qū)動(dòng)當(dāng)出現(xiàn)過載的情況時(shí)，可通過液壓蓄能器等部件進(jìn)行過載保護(hù)，提高系統(tǒng)的安全性。

6)液壓元件易實(shí)行通用化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，便于設(shè)計(jì)、制造、使用和海上維修。

與此同時(shí)，液壓系統(tǒng)的功率匹配也是一個(gè)需要重點(diǎn)關(guān)注的問題，隨著船舶液壓系統(tǒng)的復(fù)雜度提升，液壓系統(tǒng)柴油機(jī)的功率也在不斷提高，針對船舶不同的工況，對應(yīng)的外負(fù)載也各不相同，當(dāng)負(fù)載很低而柴油機(jī)處于大功率輸出時(shí)，液壓系統(tǒng)的功率損耗就會比較大。為了解決功率浪費(fèi)的問題，本文設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)的功率智能匹配模塊。首先建立柴油機(jī)實(shí)際輸出功率為：

Me為 柴油機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩；Ne為 柴油機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

液壓泵的實(shí)際輸入功率方程為：

式中：MP為 液壓泵的輸入扭矩；nP為液壓泵的轉(zhuǎn)速[2]；Q為液壓泵的輸出流量；P為液壓泵的出口壓力。

本文設(shè)計(jì)的船舶液壓系統(tǒng)功率智能匹配模塊原理如圖3 所示。

圖3 船舶液壓系統(tǒng)功率智能匹配模塊原理圖Fig. 3 Power intelligent matching module schematic diagram of marine hydraulic system

液壓系統(tǒng)的功率匹配過程是通過采集負(fù)載信號，設(shè)計(jì)對應(yīng)的液壓控制回路，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)輸出功率和泵輸入功率的平衡，即

2.2 船舶液壓系統(tǒng)的功率匹配模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

對船舶液壓系統(tǒng)的功率智能匹配模塊進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，主要包括液壓源的選擇、恒壓控制回路、控制元件的選擇、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)回路的設(shè)計(jì)等。

1)液壓源的選擇

設(shè)計(jì)過程結(jié)合的液壓系統(tǒng)實(shí)例為散貨船舶裝卸液壓系統(tǒng)，由于貨物負(fù)載隨著重量不斷發(fā)生變化，因此，選擇的液壓源為軸向柱塞式變量泵，包括1 臺大排量泵和1 臺小排量泵，驅(qū)動(dòng)液壓泵的柴油主機(jī)功率為400 kW，包括主柴油機(jī)和副柴油機(jī)2 臺并聯(lián)使用。

2)液壓系統(tǒng)功率匹配的恒壓控制回路設(shè)計(jì)。

在功率匹配過程中，系統(tǒng)的恒壓控制主要讓負(fù)載持續(xù)在一段時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定的工況，此時(shí)，恒壓閥和柱塞泵同時(shí)發(fā)生作用，當(dāng)液壓系統(tǒng)的工作壓力增大到恒壓閥閾值時(shí)，油液可使活塞產(chǎn)生動(dòng)作，降低變量泵的輸出流量，直到油液的壓力與恒壓閥的調(diào)定壓力相同時(shí)，變量泵的流量保持恒定。

液壓系統(tǒng)功率匹配的恒壓控制回路原理如圖4 所示。

圖4 液壓系統(tǒng)功率匹配的恒壓控制回路原理圖Fig. 4 Hydraulic system power matching constant pressure control circuit schematic

3)控制元件選擇

為了滿足船舶液壓系統(tǒng)的精確控制，控制回路的控制元件必須要具有良好的性能，常見的液壓系統(tǒng)控制包括電液比例控制和電液伺服控制2 種?？紤]到船舶空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及使用工況的惡劣程度，本文采用電液比例閥作為液壓系統(tǒng)的控制元件[3]。

電液比例換向閥通過檢測進(jìn)油口和出油口的壓力實(shí)現(xiàn)液壓回路的控制，圖5 為電液比例換向閥的原理圖。

圖5 電液比例換向閥的原理圖Fig. 5 Schematic diagram of electro-hydraulic proportional directional valve

電液比例換向閥的閥芯動(dòng)力方程為：

進(jìn)行Laplace 變換可得：

式中：m為閥芯質(zhì)量；D為阻尼系數(shù)；Ks為電流增益；Ky彈簧的剛度；KI為電磁鐵的剛度[4]； ζn， ωn分別為彈簧和閥芯的頻率。

4)液壓系統(tǒng)功率匹配的執(zhí)行回路設(shè)計(jì)；

在設(shè)計(jì)散貨船的液壓系統(tǒng)功率匹配執(zhí)行回路時(shí)，采用開式液壓回路，原理圖如圖6 所示。

圖6 液壓系統(tǒng)功率匹配的執(zhí)行回路Fig. 6 Design of executive circuit for power matching of hydraulic system

3 結(jié) 論

船舶液壓系統(tǒng)的功率損耗特性與船舶能效密切相關(guān)，針對這一問題，本文結(jié)合液壓系統(tǒng)的功率特性，設(shè)計(jì)了一種液壓系統(tǒng)功率智能匹配的系統(tǒng)，從系統(tǒng)的控制回路設(shè)計(jì)、控制元件選取等方面進(jìn)展開研究。