某型柴油機調速器調速系統仿真與試驗分析

徐茂

摘要：本文以某型柴油機液壓調速器為研究對象，首先介紹了其結構和工作原理，然后基于AMESim平臺對系統各個環節分別進行了建模，并將各個環節進行組合形成了系統的仿真分析模型，接著對其中關鍵環節進行了分析。最后對調速器及調速系統進行了仿真和試驗分析，仿真結果與試驗結果基本一致。

關鍵詞：船用柴油機調速器;AMESim仿真;實驗分析

0 ?引言

調速器是柴油機的轉速控制機構，根據外界負荷變化來調節噴油泵的供油量進行相應增減，保證柴油機的穩定運行。液壓調速器是用飛塊的離心力帶動滑閥來控制窗口，通過改變動力伺服馬達活塞上下端油壓變化帶動動力伺服馬達活塞運動，驅動噴油泵齒條控制噴油泵供油量。由于液壓系統的調節具有滯后性，所以此類調速器一般響應緩慢。本文針對這一現狀，研究了不同于常規的滑閥控制窗口的結構，并使用兩個伺服馬達，使調速器響應迅速，很好的解決了這一問題。

1 ?液壓調速器

1.1 調速器基本結構

該型液壓調速器主要由底座部件、中間殼體部件、上殼體部件和上蓋部件組成。底座內布置傳動軸和齒輪滑油泵。中間殼體內布置滑閥偶件、轉子部件、動力和輔助伺服馬達、杠桿傳動裝置和滑油蓄油器。滑閥偶件包括固定套筒、活動套筒和滑閥。轉子部件包括緩沖器部分、飛塊、罩殼等零件。動力伺服馬達和輔助伺服馬達經杠桿和杠桿傳動裝置與滑閥偶件的活動套筒連接，動力伺服馬達的活塞經吊環和杠桿與輸出軸連接。與常規液壓調速器相比，該調速器在輸出方面采用了動力伺服馬達和輔助伺服馬達，動力伺服馬達主要進行位移輸出，輔助伺服馬達進行位移反饋;在液壓油路控制方面，該調速器的滑閥偶件采用了一個閥芯和兩個套筒，閥芯上有兩個凸肩分別與固定套筒和活動套筒的窗口配合進行油路控制。

1.2 工作原理

在柴油機穩定工況時，柴油機曲軸實際轉速與指定轉速相等，此時滑閥處于中間位置，輔助伺服馬達與動力伺服馬達的活塞位于固定位置。

實際轉速變化時，飛塊離心力變化，滑閥從中間位置偏移，產生自動調整過程。柴油機轉速下降時，飛塊離心力小于調速彈簧力，滑閥向下移動，A型腔與溢油孔聯通，而該腔與壓力管聯通，動力伺服馬達的活塞向下移動，將輸出軸轉動到增加燃油供油量位置，輔助伺服馬達的活塞向上移動。動力伺服馬達的活塞驅使活動套筒跟隨滑閥向下移動，輔助伺服馬達的活塞向上移動，即向滑閥移動相反方向移動。活動套筒有比固定套筒大的孔，因此動力伺服馬達的活塞的運動，比輔助伺服馬達的活塞迅速得多，活動套筒實際上瞬間就趕上滑閥，到達活動套筒工作孔被滑閥凸肩遮斷的位置。

動力伺服馬達活塞通過改變燃油供油量，控制柴油機的速度變化。在這個過程中，當輔助伺服馬達活塞停止，且固定套筒和活動套筒上的孔都被遮斷時過渡過程結束，完成調速且柴油機重新穩定。

2 ?調速系統

2.1 伺服馬達

動力伺服馬達是一個液壓油缸，一端接高壓油，另一端接控制油，控制油的壓力由滑閥位置確定。輔助伺服馬達與動力伺服馬達輸出之差通過活動套形成位移反饋。輔助伺服馬達由兩級活塞組成，滑閥從中間位置有較大偏移時，緩沖活塞移到頂部，允許輔助伺服馬達的活塞迅速移動一定的量。

2.2 控制部件

根據柴油機液壓調速器控制部件結構，其中包括滑閥、固定套筒和活動套筒等元件，活動套筒與滑閥在調速器工作過程中存在相對位移，通過其位移的變化，控制窗口發生變化，從而控制動力活塞的移動，進一步控制柴油機油量增減。

2.3 柴油機模型

文獻[1]根據達朗貝爾原理推導出了柴油機的數學模型，文獻[2]則分別給出了供油裝置的微分方程和柴油機的微分方程，當把供油裝置的微分方程帶入柴油機的微分方程以后，發現后一種的數學模型與前一種的數學模型有著相似之處。

本文采用文獻[1]里所使用的柴油機數學模型：

模型的具體說明請參考相關文獻。

2.4 調速系統模型

將調速系統各個環節模型進行組合，即得調速系統模型，如圖1所示。

3 ?關鍵環節分析

3.1 調速彈簧特性曲線

調速彈簧屬于截錐螺旋非線性壓縮彈簧，其特性曲線取決于彈簧的尺寸參數，如鋼絲直徑、各圈節距和節徑等。

通過離散的方法（分割法）對彈簧進行計算，其大致步驟如下：①分割單元;②離散化模型;③求各單元的彈簧剛度;④合成單元。

在MATLAB對調速彈簧進行計算，計算結果與彈簧的測量結果基本吻合，如圖2所示。

3.2 調速彈簧飛塊匹配計算

3.3 滑閥組件窗口特性分析

滑閥兩個凸肩分別與固定套筒和活動套筒的窗口位置關系為內外嵌套型，根據結構設計尺寸可得滑閥與活動套筒的窗口特性曲線如圖4所示。

4 ?仿真及試驗分析

4.1 仿真分析

圖5-圖7為調速系統仿真結果。從圖中可以看出，柴油機啟動時，滑閥瞬時產生移動，打開動力伺服馬達的控制窗口，動力伺服馬達產生一定位移，從而帶動噴油器供油，柴油機轉速在很短的時間內升高到1000r/min，該轉速是由控制信號決定的。

在10s時刻，柴油機突加負載，柴油機轉速下降，滑閥移動，動力伺服馬達下腔接通低壓油，動力伺服馬達下移，柴油機燃油量增加，其轉速逐漸升高并穩定在970r/min左右，穩定時間在4s左右。

在20s時刻，柴油機突卸負載，柴油機轉速上升，動力伺服馬達上升，柴油機燃油量減小，其轉速逐漸降低并穩定在1000r/min左右，穩定時間在4.5s左右。

4.2 試驗分析

在柴油機發電機組上進行試驗，突加載荷時，轉速變化為1000r/min～925r/min～970r/min，穩定時間在4s左右;突卸載荷時，轉速變化為970r/min～1050r/min～1000r/min，穩定時間在4.5s左右。對比仿真分析結果和試驗結果，兩者基本一致，仿真分析結果基本能夠反應調速器及調速系統的實際工作情況。

5 ?結論

本文結合某型柴油機調速器的結構說明了其工作原理，然后基于AMESim平臺對調速器內部各個環節進行了建模，形成了整個調速系統的仿真模型;對調速系統中部分關鍵環節進行了分析，這些環節的特性曲線直接決定了調速系統的性能水平;對調速器進行仿真及試驗分析，仿真結果與試驗結果基本一致，表明所建立的仿真分析模型是合理的。

參考文獻：

[1]田雨.柴油機電液調速技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，2010.

[2]楊波，杜寶國，等.基于AMESim的柴油機調速器仿真優化分析[J].柴油機，2015，37（4）：18-22.

[3]付永領，祁曉野.LMS Imagine.Lab AMESim系統建模和仿真[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011：2-26.