孫永文，王書獻(xiàn)，楊昱皞，張勝茂，王 磊

(1.大連海洋大學(xué)航海與船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116023； 2.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)部遠(yuǎn)洋與極地漁業(yè)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200090； 3.河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300381)

0 引言

隨著綜合國(guó)力的增強(qiáng)，我國(guó)工業(yè)正在朝大型化、連續(xù)化和自動(dòng)化的方向發(fā)展，工程機(jī)械的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。由于工作環(huán)境越來越復(fù)雜、工作負(fù)載越來越大，故障發(fā)生的案例逐漸增多。因此，工程機(jī)械領(lǐng)域?qū)υO(shè)備維護(hù)的要求變得更加精細(xì)、更加完善。只要系統(tǒng)的傳動(dòng)部分發(fā)生故障，其他部位將會(huì)產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，輕則使產(chǎn)品效率下降，重則使系統(tǒng)在運(yùn)作過程中突然中斷，甚至可能會(huì)導(dǎo)致人員和財(cái)產(chǎn)的災(zāi)難性損失。缺乏有效的監(jiān)測(cè)設(shè)備、監(jiān)測(cè)技術(shù)、故障診斷技術(shù)及仿真技術(shù)是導(dǎo)致無法快速、正確識(shí)別設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)及引起事故產(chǎn)生的重要原因[1]。目前的工程機(jī)械研究重點(diǎn)集中在采取現(xiàn)代化的技術(shù)手段和先進(jìn)的科學(xué)方法，為設(shè)備提供有效的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)維護(hù)水平，不斷使其完善是減少事故發(fā)生、保證設(shè)備長(zhǎng)周期連續(xù)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。

在船舶的管道系統(tǒng)方面，管道油液通過泵加壓的方式傳輸流體，遇到彎道口或者進(jìn)入無桿腔推動(dòng)活塞的過程中產(chǎn)生振動(dòng)或共振，加入穩(wěn)壓閥，控制阻尼孔大小可以減少流體脈動(dòng)和壓力脈動(dòng)[2]。在LNG燃料動(dòng)力船舶的發(fā)展過程中，柴油LNG雙燃料電控噴射系統(tǒng)一直應(yīng)用減壓穩(wěn)壓閥保證主油路的壓力穩(wěn)定[3]。穩(wěn)壓閥應(yīng)用在6210雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)中保證低壓天然氣經(jīng)過天然氣壓縮機(jī)壓縮之后壓力穩(wěn)定[4]。日常機(jī)床工作中，部分工件的加工需要推動(dòng)工件(負(fù)載)快速到達(dá)指定位置進(jìn)行下一步加工，其中多采用差動(dòng)連接方式來讓工件快速達(dá)到目標(biāo)位置。對(duì)推動(dòng)速度的高標(biāo)準(zhǔn)需求造成了液壓缸在快進(jìn)時(shí)發(fā)生抖動(dòng)，造成整個(gè)液壓系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為了減緩這種抖動(dòng)，本文提出一種穩(wěn)壓差動(dòng)連接液壓系統(tǒng)。在傳統(tǒng)差動(dòng)連接液壓系統(tǒng)中加上穩(wěn)壓閥，可使液壓缸進(jìn)油口的壓力波動(dòng)漸緩。

1 方法

1.1 模型設(shè)計(jì)

1.1.1 傳統(tǒng)差動(dòng)連接液壓系統(tǒng)

傳統(tǒng)的差動(dòng)連接液壓系統(tǒng)常將液壓缸的進(jìn)油口和回油口連接。有桿腔油液受到活塞推動(dòng)時(shí)，油液從回油口壓回?zé)o桿腔，以加快液壓缸向外伸出的速度。傳統(tǒng)連接方式以犧牲輸出力為代價(jià)提高負(fù)載運(yùn)動(dòng)速度，因此，該系統(tǒng)一般適用于無負(fù)載或小負(fù)載系統(tǒng)中的快進(jìn)行程。差動(dòng)連接是在不增加液壓泵流量的前提下實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)的有效方法。為設(shè)計(jì)對(duì)比試驗(yàn)，首先根據(jù)差動(dòng)連接的特性，建立一個(gè)經(jīng)典差動(dòng)連接液壓系統(tǒng)(圖1)，其中差動(dòng)連接選擇單向閥(AMESim仿真軟件HCD庫(kù)中子模型)連接。

圖1 傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)模型Fig.1 Traditional hydraulic system model

1.1.2 穩(wěn)壓差動(dòng)連接液壓系統(tǒng)

在傳統(tǒng)差動(dòng)連接液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加上穩(wěn)壓仿真結(jié)構(gòu)建立仿真模型(圖2)，該穩(wěn)壓仿真結(jié)構(gòu)由一個(gè)節(jié)流孔、一個(gè)活塞、一個(gè)帶有摩擦的質(zhì)量終點(diǎn)擋塊和一個(gè)彈簧活塞組成。當(dāng)穩(wěn)壓仿真結(jié)構(gòu)接入油路后，首先油液從液壓泵泵出流經(jīng)三位四通換向閥，換向閥接收到信號(hào)后右移，油液從左位流過進(jìn)入左側(cè)油路。油液在左側(cè)油路分為3路：一路油液流到穩(wěn)壓仿真結(jié)構(gòu)，回到油箱；一路油液流到單向閥左端，由于單向閥的單向性阻止油液繼續(xù)流動(dòng)；一路油液流到無桿腔，達(dá)到推動(dòng)負(fù)載需要的壓力時(shí)推動(dòng)液壓缸活塞向右運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，有桿腔中的油液從右側(cè)流出分為兩路：一路油液回到油箱；一路油液進(jìn)入單向閥，由于單向閥單向性，油液順利通過單向閥再次進(jìn)入進(jìn)油路，此時(shí)一部分油液進(jìn)入液壓缸無桿腔，一部分進(jìn)入穩(wěn)壓仿真結(jié)構(gòu)，即起到分流穩(wěn)壓的作用。

圖2 穩(wěn)壓液壓系統(tǒng)模型Fig.2 Pressure-stabilized hydraulic system model

1.2 子模型選擇

在穩(wěn)壓仿真結(jié)構(gòu)中，彈簧活塞的參數(shù)(彈簧剛度和彈簧預(yù)緊力)起到減緩壓力的關(guān)鍵作用，選擇型號(hào)為BAP016(圖3a)。帶有摩擦的質(zhì)量終點(diǎn)擋塊起到替代質(zhì)量的作用，選擇型號(hào)為MAS005(圖3b)?；钊x擇型號(hào)為BAP12(圖3c)。節(jié)流孔起到的作用與阻尼閥作用相似，后面作為確定較優(yōu)參數(shù)的變量，選擇型號(hào)為BHO011(圖3d)[5-7]。

1.3 參數(shù)設(shè)定

通過不斷地試驗(yàn)，調(diào)整子模型的關(guān)鍵參數(shù)，參數(shù)既要符合實(shí)際情況，又要使仿真效果較好[8-15]。油箱、換向閥子模型默認(rèn)的參數(shù)基本符合液壓系統(tǒng)需求，單向閥和穩(wěn)壓閥的主要參數(shù)如表1所示。

表1 穩(wěn)壓系統(tǒng)模型參數(shù)設(shè)置

2 結(jié)果與分析

2.1 穩(wěn)壓閥仿真結(jié)果對(duì)比

設(shè)定信號(hào)參數(shù)為0～5 s恒力1 000 N等效負(fù)載[1，16]。首先進(jìn)行傳統(tǒng)差動(dòng)連接液壓系統(tǒng)的測(cè)試，與加入穩(wěn)壓閥的差動(dòng)連接液壓系統(tǒng)對(duì)比。當(dāng)沒有穩(wěn)壓閥時(shí)，可認(rèn)為等效開口直徑為0 mm，此時(shí)液壓缸進(jìn)油口的壓力曲線如圖4所示。

圖4 等效開口直徑為0 mm的進(jìn)油口壓力Fig.4 Oil inlet pressure with equivalent opening diameter of 0 mm

此時(shí)壓力波動(dòng)比較大，一直到0.57 s時(shí)曲線趨于穩(wěn)定，最大波動(dòng)壓力峰值為3.39 MPa。為了通過對(duì)比壓力曲線圖來解釋加入穩(wěn)壓仿真結(jié)構(gòu)后的穩(wěn)壓效果，對(duì)加入穩(wěn)壓仿真結(jié)構(gòu)的差動(dòng)連接液壓系統(tǒng)仿真，設(shè)置節(jié)流孔等效開口直徑為0.001 mm(仿真軟件設(shè)置的極限值為0.001 mm)。此時(shí)液壓缸進(jìn)油口壓力曲線如圖5所示。

圖5 等效開口直徑為0.001 mm的進(jìn)油口壓力Fig.5 Oil inlet pressure with equivalent opening diameter of 0.001 mm

此時(shí)壓力波動(dòng)到0.55 s時(shí)趨于穩(wěn)定，此時(shí)最大波動(dòng)壓力峰值約為2.40 MPa，要小于傳統(tǒng)減壓閥峰值3.39 MPa。從圖4和圖5的壓力曲線對(duì)比可以得出結(jié)果：壓力波動(dòng)至穩(wěn)定的時(shí)間基本一致，當(dāng)加上穩(wěn)壓仿真結(jié)構(gòu)后，整個(gè)壓力曲線波動(dòng)的幅度大幅度減弱。

2.2 不同節(jié)流孔直徑仿真結(jié)果對(duì)比

為找到波動(dòng)較為平緩的壓力曲線，先后設(shè)置節(jié)流孔等效開口直徑1、5、2、3、4、3.1、3.2、3.3、2.9、2.8和2.7 mm等進(jìn)行仿真，通過觀察對(duì)比每個(gè)壓力曲線圖，發(fā)現(xiàn)等效開口直徑為2.9 mm時(shí)壓力曲線較為平緩。由于仿真軟件精度，設(shè)置更加精確的等效開口直徑仿真，得到的壓力曲線圖變化不明顯，所以繼續(xù)仿真無意義。以下是依次設(shè)置節(jié)流孔等效開口直徑為1、5、2、3、4和2.9 mm的具體分析。

設(shè)置等效開口直徑為1 mm仿真得到液壓缸進(jìn)油口壓力曲線(圖6)，壓力波動(dòng)到0.43 s時(shí)趨于穩(wěn)定，曲線最大波動(dòng)壓力峰值約為2.30 MPa。通過與0.001 mm時(shí)的曲線對(duì)比，發(fā)現(xiàn)波動(dòng)再次減小，即較優(yōu)參數(shù)應(yīng)該>1 mm。所以應(yīng)繼續(xù)選擇比1 mm更大的等效開口直徑。

圖6 等效開口直徑為1 mm的進(jìn)油口壓力Fig.6 Oil inlet pressure with equivalent opening diameter of 1 mm

設(shè)置等效開口直徑為5 mm仿真得到液壓缸進(jìn)油口壓力曲線(圖7)，壓力波動(dòng)到0.41 s時(shí)趨于穩(wěn)定，最大波動(dòng)壓力峰值約為2.40 MPa。從曲線可知，與直徑為1 mm時(shí)對(duì)比發(fā)現(xiàn)0～0.2 s波動(dòng)開始加劇，所以等效開口直徑較優(yōu)參數(shù)應(yīng)<5 mm?？傻贸鲭A段性結(jié)論：較優(yōu)參數(shù)在1～5 mm。

圖7 等效開口直徑為5 mm的進(jìn)油口壓力Fig.7 Oil inlet pressure with equivalent opening diameter of 5 mm

同上，設(shè)置等效開口直徑為2、3和4 mm分別進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖8所示。

觀察圖8c壓力曲線，即等效開口直徑為4 mm時(shí)，與圖6對(duì)比波動(dòng)更小，與圖8b對(duì)比仍有較大的波動(dòng)，與圖8a對(duì)比波動(dòng)較小，所以等效開口直徑為3 mm時(shí)曲線波動(dòng)較穩(wěn)定?？傻贸鲭A段性結(jié)論：等效開口直徑較優(yōu)參數(shù)在3 mm左右。以此類推測(cè)試出較優(yōu)等效開口直徑為2.9 mm(圖9)，對(duì)比傳統(tǒng)差動(dòng)連接液壓系統(tǒng)此時(shí)波動(dòng)明顯減少，壓力穩(wěn)定使用時(shí)間基本一致。

圖9 等效開口直徑為2.9 mm的進(jìn)油口壓力Fig.9 Oil inlet pressure with equivalent opening diameter of 2.9 mm

3 結(jié)束語(yǔ)

穩(wěn)壓仿真結(jié)構(gòu)對(duì)于差動(dòng)連接液壓系統(tǒng)中快進(jìn)有一定的穩(wěn)壓減壓作用，穩(wěn)壓仿真結(jié)構(gòu)出發(fā)點(diǎn)是對(duì)差動(dòng)連接液壓系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)壓，減少波動(dòng)，達(dá)到預(yù)期效果。對(duì)于本文設(shè)置的仿真差動(dòng)連接系統(tǒng)而言，節(jié)流孔等效開口直徑為2.9 mm時(shí)效果較好。等效開口直徑從0.001 mm增大至5 mm過程中，液壓缸進(jìn)油口趨于平穩(wěn)花費(fèi)的時(shí)間先減少后增多，液壓缸進(jìn)油口壓力波動(dòng)先減弱后增強(qiáng)。

此穩(wěn)壓仿真結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，目前僅知道對(duì)于差動(dòng)連接液壓系統(tǒng)有一定效果，未有實(shí)物設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)具備此類功能的閥，需要考慮材料選擇、強(qiáng)度、剛度，進(jìn)而確定閥的尺寸、精度和壽命等。穩(wěn)壓仿真結(jié)構(gòu)對(duì)于其他系統(tǒng)的減壓效果還未測(cè)試，后面可以進(jìn)行仿真測(cè)試。仿真精度只精確到小數(shù)點(diǎn)十分位，提高精度測(cè)試，可以得到更好的效果。