三峡升船机液压系统运行减振节能优化分析

李明，陈新，龚国庆

（长江三峡通航管理局，湖北 宜昌 443000）

1 引言

液压系统的运行普遍存在着压力冲击大、系统振动大、溢流热能大等一系列问题，经过对液压系统特征、运行参数数据和控制运行方式的分析研究，液压系统的运行压力曲线的压力值P 和瞬时变化率，是影响系统压力冲击和振动的非常重要的源头之一，可以作为衡量液压系统振动冲击大小的一种数学模型。目前的液压系统运行控制主要关注于动作功能的实现、执行机构的速度控制和机构动作时间的控制等，但如何使液压系统的运行参数在溢流压力内，并保持平滑变化，是液压系统减小压力冲击、减小振动，减少溢流发热达到节能目的的一种可行的运行控制方法。

2 液压系统启动时的平稳控制分析

动力源采用比例变量泵，可以实时进行系统流量控制；控制阀组沿用已有的一系列控制阀件，用于系统的方向、压力、流量等特征参数的控制；缸旁阀组沿用已有的保护阀件，用于系统运行的平稳和保护压力等特征参数的控制；油缸/执行机构沿用已有的机构动作原理，用于液压系统液压能向机械能的转换，同时将执行机构的负载实时反馈于液压系统。

2.1 目前的液压系统 大多采用如下控制方式

油泵输出启动后，系统电磁溢流阀得电建压，同时换向阀得电机构动作，如图1。

图1 现有启动运行方式

对于动力源为普通的常规变量泵或者比例泵输出系数不合理的液压系统，系统油泵输出流量始终为机构最大运行速度Vmax时的流量Qmax，以一段具有弯曲角度质量为m 的不锈钢管中流体为研究对象，在Δt 时间内，截面积为A 的流体段液压冲击波由截面1 传至截面2，截面1 由P0升压至压力P1，流速为V1，如图2。

图2 弯曲管路流体

当系统启动Δt 时间内，P2=0，V2=0，L 段流体的动量增量达到最大值，对管路的冲击最大。由受力分析，系统启动时，P2=0，外部冲量为：

同时，Q=Qmax,压力则冲量增量I 会达到最大值。

这样的启动控制方式会造成，系统启动时，系统启动时机构负载较小，而系统建压压力较高，此时系统液压能较高，换向阀动作时系统压力根据负载反馈瞬间降至负载压力，压力P 的快速上升和下降导致启动时有一部分液压能转化为了液压系统的冲击振动机械能，产生的液压冲击能量较大，造成系统运行的压力冲击等恶劣工况。

2.2 优化后的启动控制方式

考虑到系统有可能出现非正常状态，系统的正常运行逻辑要分下列两种情况。在油缸处增加负载压力传感器P，以执行机构/油缸的实时负载值P负载作为目标值，同时将油缸缸旁平衡阀开启压力P平衡阀作为系统正常启动的最小阈值，如图3。

图3 优化启动运行方式

当P负载≥P平衡阀时，系统启动建压压力P ≥P负载后，换向阀得电，机构动作；

当P负载＜P平衡阀时，系统启动建压压力P≥P平衡阀后，换向阀得电，机构动作；

同时为达到此种动作模式的高响应要求，应该设计低流量加速区域Q加速，保证程序和电磁阀的动作响应与各系统的启动加速流量Q加速相匹配，Q加速的具体数值应以各系统的管路尺寸参数等为基础进行试验调定。

3 液压系统运行中的节能和故障预警控制分析

油缸或者执行机构的运行负载是复杂变化的，有可能出现负载突然变大，甚至卡阻等情况，较长时间地处于高溢流压力运行，不仅对油缸和执行机构产生恶劣的受力工况，还是造成高压溢流发热。通常系统中主要采用压力继电器来进行压力预警控制，但压力继电器的报警数值的富裕系数较大，且报警停机造成的系统振动冲击较大。

如图4，新的优化后运行控制方式采用油缸的负载速度反馈V油缸与系统动力源比例泵的流量供给Q 泵相比较匹配的方法，油缸速度对应的动作流量：

图4 优化中间段运行方式

考虑到系统流量Q 检测与压力P 检测具有振荡和跳动性，数值的比较逻辑还需引入放大或缩小系数λ，以保证系统运行控制的稳定性。

当Q泵≥，P ≥时，控制动力源比例泵输出Q泵减小，当出现极限工况卡阻时，控制比例泵Q泵一直减小，直至为0，系统停止运行，λ1、λ2和比例泵减小的幅度由试验调定；

当Q泵≥时，控制动力源比例泵输出Q泵减小，当出现极限工况较大漏油时，控制比例泵Q泵一直减小，直至为0，系统停止运行，λ3、λ4和比例泵减小的幅度由试验调定。

此种优化运行控制方式能在机构卡阻、压力异常、液压渗漏等运行故障中起到预警作用，而且预警停机时不会造成较大的液压冲击振动，有利于系统运行工况的改善。

4 液压系统停机时的减振控制分析

液压系统目前的停机运行控制方式为，停机时控制阀组换向阀与系统溢流阀组同时失电，这种动作方式会造成控制阀组和油缸间管路中的高压、高流速液压油瞬间停止，实际中在控制阀组和油缸间的高压困油会产生压力振荡，此处油液的液压能通过溢流产生的热能和振动冲击产生的机械能等两种方式释放，并且主要转化为振动冲击产生的机械能，会造成系统管路及阀件的严重振动。

通过液压系统的管路振动的检测与分析，运行压力值P 越大，越大，则振动越严重。对于大流量、大管径的液压系统，此种振动机理越严重，此种工况不适用于高压、频繁运行的液压系统。

新的控制方式为系统到位信号停机时，将控制动力源油泵输出Q泵=0，同时，系统溢流阀组失电泄压，延时1s～2s 后，然后再控制阀组换向阀失电停机，如图5。

图5 优化停机运行方式

这样的控制方式能使系统停机时管路中流体的液压能通过系统压力阀处零压溢流，基本转化为系统溢流时的热能，溢流结束后，管路中的油液压力P ≈0，油液的液压能，系统流体没有产生冲击振动的液压能，此种控制方式能极大地减小系统停机时的冲击振动。

5 结论

（1）针对三峡升船机液压系统冲击振动的特点，找到了系统运行控制方式中造成冲击振动工况的因素，以及对系统冲击振动进行控制优化的介入点；

（2）针对三峡升船机液压系统现有器件组成和运行控制方式中不合理的地方，通过理论分析、系统组成重构和运行控制方式优化策略分析，提出了在系统整个运行过程中的优化控制方式，以及其在减振、弱化液压冲击等方面能起到的预期作用，有利于液压系统运行工况的改善。