一种船用收放绞车新型液压回路设计

2021-12-10刘雅莲

舰船科学技术 2021年10期

刘雅莲，徐泳

(杭州应用声学研究所，浙江杭州 310000)

0 引言

船用液压收放绞车在水下目标探测、打捞救助和海洋资源开发等领域有着广泛的应用[1-2]，其液压回路常规有2种方式：一种是使用带平衡阀的开式系统，开式系统泵站体积重量一般都较大，适装性受到影响。另外绞车在布放工况下所有负负载均通过平衡阀发热，需要的冷却功率很高[3-6]；另一种方式是采用闭式系统平衡负负载[7-8]，布放工况下一部分负负载可通过闭式泵回馈电网，减少了发热，同时泵站的结构尺寸也更为紧凑，但是没有了平衡阀的保护，系统管路泄漏、损坏可能会对收放负载的安全性带来极大威胁。另外，在低速或零速工况下，闭式泵本身的中位泄漏会使速度的精准控制变得困难。本文针对传统回路的不足，提出一种结合平衡阀和闭式系统的新型绞车液压回路。

1 船用收放绞车工况分析

船用收放绞车大致有以下3种运行工况：一是回收工况，此工况下马达受到正负载作用，绞车回转拉动负载回收；二是布放工况，此工况下马达受到负负载作用，负载倒拖绞车回转；三是负载位置微调与保持工况，由于需要将负载精确定位到海中的某个深度，在回收或布放的位置粗调之后需要进行位置微调，此时需要在低速情况下精确控制马达转速与位置，并且在调整完毕之后负载位置需要保持一段时间。

另外绞车回路还需满足以下几点要求：1）在负载因受到海水波浪等的影响实时变化的情况下仍需精确控制马达转速；2）在管路爆裂的情况下需要及时锁死绞车，负载不可失速下坠，即安全性的考虑；3）由于船上空间及承重有限，液压系统的尺寸重量应尽量紧凑节能，以减少冷却功率。

2 新型液压回路设计

液压回路的设计方案如下：1）针对船上空间有限以及需在负负载工况下运行，采用闭式的泵控马达系统；2）针对安全性及低速情况下的负载定位问题，在闭式系统中加入平衡阀。3）考虑到节能性与精确定位的矛盾，系统需要可以人为切换在平衡阀起作用和平衡阀被短路2种状态。平衡阀起作用时系统定位性能好，平衡阀被短路时系统更加节能。具体原理图如图1所示。

图1 新型泵控马达闭式系统原理图Fig. 1 New pump control motor closed system schematic

对此回路工作原理分工况进行说明。

1）在负载回收工况下，平衡阀阀口全开，马达转速由变量泵进行控制，相比于阀控系统，无节流损失。

2）在负载布放工况下，马达受到负负载的作用，由于释放速度较快，泵的泄漏对速度的影响不明显。该情况下可打开二位换向阀使高压油经过梭阀通向平衡阀的控制口，平衡阀全开。这时马达转速依旧由变量泵进行控制，负负载通过闭式泵回馈电网，系统无平衡阀的节流发热，既能对负载布放速度进行有效控制，又有良好的节能效果。

3）在负载位置微调与保持工况下，马达低速或零速运行，该情况下如果不加平衡阀，负载会因泵的零位泄漏而失控逐渐下落，难以精确对负载速度或位置进行有效而精确的控制。当编码器检测到的马达速度降低到一定阈值时，自动关闭二位换向阀，平衡阀先导口的压力由马达进油侧压力决定，平衡阀开始工作，抗衡负负载并确保马达进油侧有一定压力不会吸空，使负载下降速度可控并能实现静止保持和精确定位功能。为了防止马达速度在阈值附近变化时二位换向阀频繁启闭造成平衡阀抖动，此阈值需设一定的滞环。

4）管路爆裂或有大量泄漏情况下，因检测到管路压力远小于人为设定的背压，此时无论何种工况二位换向阀都迅速关闭，平衡阀因控制口失压而锁死，不会引发负载失控下落的事故。

综上，新型液压回路在以下几个方面具有优越性：1）可实现负载的精确定位功能；2）防止因管路爆裂引发的事故，更具安全性；3）引入平衡阀的时机可控，最大限度确保系统稳定性；4）拥有泵控系统更为节能和闭式系统结构紧凑等优点。

3 AMESim建模与仿真

为了验证设计的可行性，利用AMESim软件的HCD库建立平衡阀的仿真模型，将主泵、补油泵、马达、安全阀等进行简化处理，最终建立完整液压回路的仿真模型，并对平衡阀切换过程的稳定性、管路爆裂平衡阀锁死两过程进行仿真。

图2 新型泵控马达闭式系统仿真模型Fig. 2 New pump control motor closed system simulation model

图3 平衡阀子模型Fig. 3 Balance valve submodel

AMESim仿真模型的主要取值：平衡阀导压比4，马达排量为9 200 ml/rev，马达及负载转动惯量50 kgm2，负载扭矩6 000 Nm，液压容腔1体积为2L，泵的最大排量为125 ml/rev，此时马达转速理论值为20 r/min。

3.1 平衡阀切换过程仿真

选取布放工况，泵流量从额定流量的50%在60 s内以斜坡信号的方式下降至0，当编码器检测到的马达速度降低到一定阈值时，切换二位换向阀，平衡阀开始工作，观测平衡阀切换过程是否平稳。在第60～70 s时保持0排量信号，观测是否因泵的泄漏造成负载下坠现象。

从图4的仿真结果可以看出，不带平衡阀的普通回路马达速度与理论值偏离很大。这是由于该回路由泵抵消受到的负负载，泵两侧压差大、泵进油侧压力高，造成泵的大量泄漏。而新型回路负负载由平衡阀抵消，泵两侧压差小，泄漏少，马达速度与理论值偏离很小。另外，新型回路还可以在低速时有效控制马达转速，在泵的输出排量为0时，平衡阀控制口压力与补油压力相等，未到达平衡阀开启压力，平衡阀锁紧，马达停止，不会因泵的泄漏造成负载下坠。而普通的无平衡阀普通回路则因泵的泄漏存在负载下坠问题。