船用電液驅(qū)動閥門遙控系統(tǒng)潛水性能試驗研究

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(中國艦船研究設(shè)計中心,武漢 430064)

近年來，隨著船舶自動化程度的提高，閥門遙控系統(tǒng)得到了迅猛的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，絕大部分船舶的燃油輸送系統(tǒng)、壓載水系統(tǒng)、艙底水系統(tǒng)和消防系統(tǒng)都采用了遠(yuǎn)程閥門遙控系統(tǒng)。閥門遙控系統(tǒng)以驅(qū)動方式分為液壓驅(qū)動、電液驅(qū)動、氣動驅(qū)動和電力驅(qū)動等，其中液壓驅(qū)動和電液驅(qū)動在船舶閥門遙控領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛。

船舶系統(tǒng)最典型的特征為全船分布性，在采用液壓驅(qū)動閥門遙控系統(tǒng)時，閥門、驅(qū)動頭、液壓控制油管等遍布全船，管路長接頭多，泄露幾率高，發(fā)生故障也不易排查。此外，系統(tǒng)油泵開啟前后的常規(guī)檢查、油路中閥門的開關(guān)、液壓油的檢驗與補(bǔ)充、濾器清洗、濾芯更換等日常維護(hù)與保養(yǎng)極為繁瑣，且需專人定期更換液壓油，能源耗費及運行成本較高。更為不便的是其施工工藝要求高，安裝調(diào)試復(fù)雜，施工勞動強(qiáng)度大，建造成本巨大。

隨著閥門遙控技術(shù)的發(fā)展，集驅(qū)動頭和電液動力站于一體的電液控制系統(tǒng)已陸續(xù)應(yīng)用于國內(nèi)鋼鐵、石油化工、船船等領(lǐng)域要求較高的工程中，其系統(tǒng)功能、穩(wěn)定性、可靠性都得到了極大的改善，成為了船舶燃油輸送系統(tǒng)、壓載水系統(tǒng)、艙底水系統(tǒng)和消防系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運行的有力保障。

電液驅(qū)動閥門遙控系統(tǒng)的潛水性能是保證船舶破損浸水后依然保持正常運行的重要指標(biāo)，特別是大型、超大型船舶破損浸水后，系統(tǒng)可能浸沒在水中幾米乃至十幾米，其信息傳輸能力、閥門可靠性均會受到影響。而閥門遙控系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力直接關(guān)乎破損浸水船舶的安全。為此，通過對閥門遙控系統(tǒng)的潛水性能試驗，一方面了解閥門遙控系統(tǒng)響應(yīng)性能，另一方面也是對其可靠性的一種驗證[1-7]。

1 電液驅(qū)動閥門遙控系統(tǒng)組成

電液式閥門遙控系統(tǒng)，是近年來發(fā)展非常迅速的一種系統(tǒng)，其常規(guī)布置見圖1。

圖1 電液驅(qū)動閥門遙控系統(tǒng)常規(guī)布置示意

整個系統(tǒng)由電液式遙控閥、數(shù)據(jù)采集箱、計算機(jī)操作站和移動式手遙泵站等組成。計算機(jī)控制站通過路由器(以太網(wǎng))與數(shù)據(jù)采集箱連接，由此發(fā)出遠(yuǎn)程控制開關(guān)信號，對電液驅(qū)動閥的控制電機(jī)進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)控制，從而使嵌入在電液控制單元中的液壓泵正、反轉(zhuǎn)，將液壓動力提供給開、閉油路驅(qū)動蝶閥或截止閥進(jìn)行開、閉動作。

1.1 電液式遙控閥

圖1中給出了電液驅(qū)動的蝶閥、截止閥作為系統(tǒng)的執(zhí)行部分，其組成包括閥和驅(qū)動頭，即微型電液控制單元。電液控制單元作為系統(tǒng)控制的核心部件采用了可編程控制器技術(shù)(PLC)，整個控制系統(tǒng)只需控制與通信兩條線路即可實現(xiàn)，其組成包括動力模塊、液壓執(zhí)行模塊、安全保護(hù)模塊和閥位指示模塊，見圖2。

圖2 電液控制單元

1)動力模塊。電液控制單元將微型電機(jī)、微型徑向柱塞泵、溢流閥、單向閥等集成在動力模塊中?？刂葡到y(tǒng)發(fā)出指令后，通過PLC分配到達(dá)嵌入在動力模塊中的電磁閥箱及控制模塊，控制模塊控制驅(qū)動頭內(nèi)部電路，使嵌入在動力模塊中的微型電機(jī)及油泵改變轉(zhuǎn)向以驅(qū)動液壓油的不同流向來控制液壓執(zhí)行模塊。

2)液壓執(zhí)行模塊。液壓執(zhí)行單元由液壓油缸、齒輪傳動機(jī)構(gòu)等組成，有動力模塊控制和驅(qū)動，以改變液壓油缸的伸長、收縮動作，再通過齒輪傳動機(jī)構(gòu)，將油缸的直線運動轉(zhuǎn)換為軸向運動，驅(qū)動與之相連接的閥桿，實現(xiàn)開、關(guān)蝶閥或截止閥。

3)安全保護(hù)及閥位指示模塊。安全保護(hù)及閥位指示模塊鍵入在信號盒及動力模塊中，由壓力開關(guān)、溢流閥組、微動開關(guān)和電阻(電流)式閥位指示器等組成，用于閥門的啟閉狀態(tài)、模塊的通訊狀態(tài)和故障信息等的指示和報警功能。

1.2 電液閥門遙控系統(tǒng)

1.2.1 系統(tǒng)原理

在電液閥門遙控系統(tǒng)中，計算機(jī)操作站主要對整個系統(tǒng)的閥門工作狀態(tài)、電液控制單元(驅(qū)動模塊)工作狀態(tài)等信息進(jìn)行集中監(jiān)控，并通過操作人員發(fā)出的開關(guān)指令，經(jīng)通訊設(shè)施及數(shù)據(jù)采集箱或控制臺中的控制模塊處理后，輸送至電液控制單元，以驅(qū)動閥門的開閉動作。同時，電液控制單元將反饋信息傳輸回計算機(jī)操作站集中顯示系統(tǒng)狀態(tài)。

1.2.2 系統(tǒng)控制方式

1)閥門遠(yuǎn)程遙控功能。根據(jù)實船管路系統(tǒng)原理圖，在計算機(jī)操作界面上編制MIMIC圖，通過點擊所要控制的遙控閥圖標(biāo)，確認(rèn)開或關(guān)操作，控制閥門的開閉動作，并通過圖標(biāo)的不同顏色表示閥門的不同狀態(tài)，如閥門運行時為灰色，開關(guān)到位后，全開為紅色，關(guān)閉為綠色，發(fā)生故障時為黃色并閃爍。

此外，可在數(shù)據(jù)采集箱上的銘牌上設(shè)置管系原理MINIC圖和直接手動開關(guān)旋鈕，在面板上設(shè)置閥門的開、關(guān)信號燈，設(shè)置上可以與計算機(jī)操作站一致。如此，當(dāng)計算機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)時，可實現(xiàn)對閥門的遙控操作。

在控制方式上可利用廣泛應(yīng)用的智能控制方式，采用數(shù)字控制模塊，對輸入的信號進(jìn)行處理，輸出4～20 mA位置反饋信號，對執(zhí)行單元進(jìn)行0°～90°的標(biāo)定，實現(xiàn)柔性控制。

2)閥門就地控制。電液控制單元設(shè)有應(yīng)急接頭，可通過快速接頭實現(xiàn)與移動式手搖泵的可靠連接，通過操作手搖泵的手動換向閥，對液壓油缸直接供油，控制閥門的開、關(guān)動作。此外，在液壓油缸上設(shè)置有旁通閥，可通過專用扳手直接驅(qū)動與閥門連接在一起的閥桿，實現(xiàn)閥門的開、關(guān)動作。通過閥門就地控制，可實現(xiàn)全船失電緊急狀態(tài)下對閥門的操控功能，增加系統(tǒng)的安全裕度。

1.3 系統(tǒng)優(yōu)缺點分析

1.3.1 系統(tǒng)優(yōu)點

1)電液閥門遙控系統(tǒng)集液壓和電氣于一體，系統(tǒng)集成性高，整個系統(tǒng)不再需要液壓泵站、復(fù)雜的液壓管路，避免了泵站故障導(dǎo)致系統(tǒng)的失效，杜絕了液壓管路泄露等問題。

2)在全壽命期費用方面，相對于液壓驅(qū)動閥門遙控系統(tǒng)，電液閥門遙控系統(tǒng)由于省去了液壓泵站及大量的液壓控制管路，在后期的維護(hù)保養(yǎng)中省去了更換大量液壓油的費用。

3)電液控制單元采用了PLC技術(shù)，具有強(qiáng)干擾能力，性能穩(wěn)定，整個系統(tǒng)只需由控制和通信兩條線路與控制系統(tǒng)相連，從而更加可靠。

4)遙控閥與系統(tǒng)之間依靠電纜相連，極大地提高了閥門開關(guān)的響應(yīng)性能，同時兼具液壓控制驅(qū)動轉(zhuǎn)矩大和電氣控制響應(yīng)迅速的優(yōu)點。

5)相對液壓驅(qū)動閥門遙控系統(tǒng)，電纜的安裝工藝相對于復(fù)雜的液壓管路而言簡單易行。

1.3.2 系統(tǒng)缺點

電液閥門遙控系統(tǒng)對環(huán)境的要求較高，特別是驅(qū)動頭部分，要求具備長期浸沒水中工作，滿足IP68的防護(hù)等級，這對于選型設(shè)計工作來說較為困難，而且能夠滿足這些要求的驅(qū)動頭部分價格昂貴，這也不利于電液閥門遙控系統(tǒng)的配套與保障。

2 電液驅(qū)動閥門試驗研究

2.1 試驗方案

鑒于電液閥門遙控系統(tǒng)潛水性能對其應(yīng)用的限制，以驅(qū)動蝶閥為例，制定電液驅(qū)動閥門的試驗方案，見圖3。

a)空載

b)負(fù)載圖3 電液蝶閥潛水試驗

通過控制站發(fā)出閥門開關(guān)指令，經(jīng)過控制柜對信號進(jìn)行處理后，傳輸?shù)诫娨嚎刂茊卧?，?qū)動蝶閥完成閥門的開閉動作。圖3a)中給出了電液控制單元及蝶閥集成在一起后置于密閉灌中，通過向密閉灌中注入海水模擬浸沒式工作環(huán)境。圖3b)則將潛水型排水泵及電液蝶閥連接在一起，進(jìn)行負(fù)載試驗。方案在信號線進(jìn)入密閉灌處設(shè)置電纜密封，以確保密閉灌的密封性能，以便在實驗中通過注氣口向密閉灌注入壓縮空氣，以模擬潛水深度要求。

試驗用電液蝶閥基本性能參數(shù)見表1。試驗裝置及試驗條件如下。

1)控制柜及控制站各一套。

2)密性壓力水罐(耐壓0.3 MPa)，通過視窗可以肉眼觀察閥門開關(guān)。

3)0～0.6 MPa壓力表(帶旋塞)。

4)0.2 MPa壓縮空氣氣源。

5)海水水溫，-2～32 ℃。

6)試驗水源，630 m3/h(CQX630-15-280潛水泵。

7)截止閥、安全閥等管路附件若干。

2.2 試驗內(nèi)容及步驟

表2為電液驅(qū)動閥門試驗的內(nèi)容及步驟。

表1 電液蝶閥的性能參數(shù)

表2 電液驅(qū)動閥門試驗的內(nèi)容及步驟

2.3 試驗結(jié)果

2.3.1 電液蝶閥空載試驗

將電液蝶閥置于密閉罐中，驅(qū)動頭接控制柜，密封罐接入0.2 MPa氣壓，保壓48 h，即相當(dāng)于潛水深度達(dá)20 m的工作環(huán)境。試驗時，每隔30 min控制蝶閥開關(guān)，通過觀察窗檢查開關(guān)是否靈活，并通過系統(tǒng)監(jiān)測各模塊的響應(yīng)時間。經(jīng)過多次開關(guān)動作，各模塊響應(yīng)時間略有波動，但總體平穩(wěn)。進(jìn)行平均值處理后，25、50、100和200 m信號線下，控制柜、閥的開、關(guān)響應(yīng)時間見圖4。

圖4 空載工況控制柜及閥響應(yīng)時間

由圖4可見，隨著信號線長度的增加，在控制柜、閥本地測得的閥門開、關(guān)的響應(yīng)時間(指從控制站發(fā)出開關(guān)指令到閥門完成全開、全關(guān)所需時間)均略有上升，且控制柜更為明顯。同時控制柜的開、關(guān)響應(yīng)時間均高于閥本地的開、關(guān)響應(yīng)時間。這可能反映了控制柜需對控制站發(fā)來的指令傳輸給閥門完成開、關(guān)動作后，再由閥本地將閥門開、關(guān)狀態(tài)反饋回控制柜的信號傳輸過程。隨著信號線的增長，控制柜開、關(guān)曲線與閥本地開、關(guān)曲線的距離逐步拉大也印證了這一推論。但同時也可以看到，整個試驗過程中，響應(yīng)時間均在23～27s以內(nèi)，滿足試驗前預(yù)定(25±2)s的要求，驗證了驅(qū)動頭良好的潛水性能。

2.3.2 電液蝶閥的負(fù)載試驗

首先在陸地上開展電液蝶閥的負(fù)載試驗，即將電液蝶閥安裝在泵出口，啟動泵后對蝶閥進(jìn)行開閉操作，并記錄額定功率下，蝶閥開閉動作的響應(yīng)時間。然后將電液蝶閥及泵放置于密閉灌中，重復(fù)相同操作，并與陸上試驗數(shù)據(jù)比較，同時對25、50、100和200 m信號線進(jìn)行試驗，結(jié)果見圖5。

圖5 非浸沒與浸沒環(huán)境下電液閥負(fù)載響應(yīng)時間

由圖5可見，完成閥門全開、全關(guān)動作過程的響應(yīng)時間曲線趨勢與空載試驗類似，隨著信號線長度的增加而有所衰減。但無論是陸地上還是潛水環(huán)境，閥門關(guān)閉動作的響應(yīng)時間均大于開啟動作的響應(yīng)時間，這可能是由關(guān)閉蝶閥時需要克服流體的阻力，因而轉(zhuǎn)動閥桿所需的轉(zhuǎn)矩更大，關(guān)閉動作更為困難造成的?？傮w而言，陸地上與潛水負(fù)載工況下，開啟動作或關(guān)閉動作的響應(yīng)時間基于一致，都在(25±2)s的試驗預(yù)期范圍內(nèi)，驗證了電液驅(qū)動控制在負(fù)載工況下的良好性能。

3 結(jié)束語

液壓驅(qū)動閥門遙控系統(tǒng)具有輸出轉(zhuǎn)矩大、適用范圍廣、驅(qū)動頭價格較為便宜等特點。而電液驅(qū)動閥門遙控系統(tǒng)具有將液壓和電氣集于一體，兼具了液壓驅(qū)動閥門輸出轉(zhuǎn)矩大、電氣驅(qū)動響應(yīng)快的優(yōu)點，同時節(jié)省了液壓驅(qū)動閥門遙控系統(tǒng)液壓泵站、控制油路等大量設(shè)備和管路附件，具有總體價格更為便宜、施工工藝簡單、運行維護(hù)費用低等特點。通過對電液驅(qū)動閥門潛水性能試驗，驗證了電液驅(qū)動閥門遙控系統(tǒng)的良好響應(yīng)特性，能夠滿足IP68防護(hù)等級的浸沒式工作環(huán)境，論證了電液控制技術(shù)在船用閥門遙控系統(tǒng)特別是大型船舶破損浸水后有效運行的可行性及很好的應(yīng)用價值。

[1] 林 銳，劉 輝，張 軒.船舶閥門遙控系統(tǒng)的研究與分析[J].流體傳動與控制，2007，25(6)：15-16.

[2] 韓 章.船舶閥門遙控系統(tǒng)的選擇[J].上海造船，2009，28(2)：33-34.

[3] 林 銳，李 瑋，陳 濤.船舶壓載水系統(tǒng)閥門驅(qū)動裝置的現(xiàn)狀[J].流體傳動與控制，2009，37(6)：55.

[4] 鄭志敏，施 健，張嘉慧.閥門遙控系統(tǒng)的探討[J].船舶，2011，22(5)：50-54.

[5] 秦旭日，邵 昱，陳 棘.電液集成式閥門遙控系統(tǒng)嵌入式控制模塊的設(shè)計[J].上海造船，2010，83(3)：55-58.

[6] 徐自兵.電液閥在航油灌油作業(yè)中的應(yīng)用[J].河南科技，2009(6)：59.

[7] 靳占光.多功能船舶閥門遙控系統(tǒng)微機(jī)系統(tǒng)控制方案[J].海洋技術(shù)，2004，23(3)：130-133.