論背壓在船舶液壓舵機系統中的作用

夏義江，姜守陽，李祥榮

(1. 北部灣大學 機械與船舶海洋工程學院，廣西 欽州 535011；2. 北部灣大學 廣西船舶數字化設計與先進制造工程技術研究中心，廣西 欽州 535011；3. 廣西壯族自治區北海船舶檢驗局，廣西 北海 536000；4. 廣西榮華船舶科技有限責任公司，廣西 梧州 543002)

0 引 言

隨著科技水平的快速提升、計算機的廣泛應用以及自動化生產水平的不斷提高, 液壓技術和液壓元件性能也在逐步地向更高層次的方向發展，液壓系統以其安全性能高、穩定性能好、響應速度快、輸出范圍廣、工作誤差小等特點，已廣泛應用于國民經濟的各個領域中[1-4]。而背壓力在液壓系統中有著比較重要的作用。

1 背壓的產生及特征

背壓力（簡稱背壓）是一種逆向壓力，也就是在液壓系統中執行元件的回油點到油箱之間的壓力降，也就是回油阻力[5]。對于執行機構來說，背壓就是當油液從執行機構流回到油泵或者油箱吸油口時，執行機構回油處的壓力；而對于液壓系統來說，背壓就是主換向閥T口的壓力。背壓的產生一般存在如下2種情況：一種是因為回油管路過細或者過長，所導致沿程壓力的損失；另一種則是因為管路直徑或者背壓閥的突變，所導致局部壓力的損失[6]。相對于廣義而言，在液壓缸運動時，將液壓油流出的腔稱為背壓腔。由于背壓力與進油腔液壓力的方向相反，因而損耗了液壓系統的一部分功率，但它卻可以提高液壓系統在運動時的平穩性，特別是在外加載荷突然變小并且減至為0的情況下，可以對液壓系統起到良好的緩沖作用，從而改善液壓系統的工作性能。能使背壓腔產生背壓的一種閥件叫做背壓閥，它可以使得從回油腔流到油箱的油液產生一定的阻力，該阻力稱之為背壓力。背壓閥主要作用是：可以根據系統的需求，利用背壓閥對系統的工作壓力進行調整，保證系統具有能夠滿足工作要求的壓力，從而使各執行機構能夠進行正常的工作。在液壓系統工作過程中，當壓力偏高時，會導致各閥件及液壓管道的損壞；當壓力偏低時，會導致閥件及各執行機構無法進行有效的動作。此時，就有必要對背壓在液壓系統中的作用進行討論研究，進而設計合適的背壓，對液壓系統進行合理的調整，從而使系統的工作性能更加完善可靠。依據背壓實質進行分類，背壓閥的形式通常有單向閥、節流閥、溢流閥、單向節流閥等。在這些背壓閥當中，溢流閥的效果是最好的，因為它能夠保持恒定的背壓；而當選取單向閥作為背壓閥時，由于它的彈簧剛度過軟，因而需要在單向閥中換上剛度較硬的彈簧，使得它的開啟壓力能夠達到0.2～0.6 MPa的范圍。

2 背壓在船舶液壓舵機系統中的作用

在船舶液壓舵機系統中，背壓的主要作用有如下兩方面：一方面，可以使回油管保持一定的工作壓力，從而使得執行機構的動作更加地平穩；另一方面，在不同的液壓系統中，合理地運用背壓，還能夠起到保持同步、補油、控制液動閥等的作用。

2.1 利用背壓閥使船舶液壓舵機2個油缸同步液壓回路保持同步

同步回路中，采用2個等排量的液壓泵，并用1個電動機帶動2臺液壓泵，2臺泵排量相同，轉速相同，向2個有效工作面積相等的液壓缸供油，理論上應該輸出相同的流量，能實現2個液壓缸同步。然而，實驗表明，在油泵壓力變化，2個油缸負載不同，管路長度不同，在沒有背壓閥的時候，2個油缸同步性能差（圖1沒有背壓閥），圖2在回油油路上加了背壓閥，可消除由于負載、管路、排量、泄漏等差異導致的不同步。

圖 1 無背壓閥的同步回路圖Fig. 1 Synchronous circuit diagram without back pressure valve

圖 2 有背壓閥的同步回路圖Fig. 2 Synchronous circuit diagram withback pressure valve

2.2 利用背壓控制液動閥實現船舶液壓舵機液壓管路的轉換

液壓系統中，互相獨立且互鎖、互為備用的2套泵組為同1個液壓缸提供動力，2套泵組的液壓管路也是相互獨立的，僅在液壓缸出口處通過液控二位三通閥匯合，當其中1套泵組或管路發生故障時，可迅速轉換到另1套泵組，使系統能正常運行。

啟動1#泵組，無論電磁閥通電與否，回油路上的節流閥作為背壓閥，為系統建立起背壓，推動液控三通閥換向，轉換管路。

圖 3 利用背壓控制液動閥實現液壓管路的轉換圖Fig. 3 Hydraulic circuit conversion using back pressure control hydraulic valve

啟動2#泵組，1#背壓由于泵組自動停止運行而消失，2#泵組建立背壓，管路起壓力，推動液控三通閥換向，自動轉換管路。

2.3 消除船舶液壓舵機系統機構液壓嘯叫聲

該回路為液壓起重機變幅臂架重力下降平衡回路，用液壓缸變幅，有桿腔進油為變幅降，無桿腔進油為變幅升。當有桿腔進油，變幅下降，進油油路建立控制壓力打開平衡閥，無桿腔回油進行變幅臂架下降動作，有可能因為回油太快，控制壓力不穩定，不能持續打開平衡閥，引起平衡閥關閉，只有進油油路再重新建立起控制壓力才再次打開平衡閥，如此反復，引起持續停頓的不平穩變幅下降現象，或引起“嘶嘶”的嘯叫聲現象（見圖4）。

圖 4 無背壓閥的平衡系統Fig. 4 Balance system without back pressure valve

用單向節流閥作為背壓閥（見圖5）可消除上述現象，而且變幅升動作時油液從單向節流閥中的單向閥通過，沒有影響上升的速度。

2.4 使船舶液壓舵機系統機構動作平穩

在液壓起重機系統中，回轉時由于有傾斜的工況，所以吊機在回轉動作時可能有需要爬坡或下坡的工況，在這種回路中，若沒有背壓閥，則有可能引起下坡時回轉速度快，上坡時回轉速度慢的問題，增加單向節流閥作為背壓閥后，回轉動作平穩，不受傾斜工況影響。

圖 5 有背壓閥的平衡系統Fig. 5 Balance system with back pressure valve

2.5 利用背壓對船舶液壓舵機系統補油

圖7 是液壓原理圖，在回油路上設置一個低壓溢流閥，可以用于機構的補油。

圖 6 利用背壓使機構動作平穩圖Fig. 6 Using the back pressure to make the mechanism move smoothly

圖 7 利用背壓對機構補油的原理圖Fig. 7 Principle of using the back pressure to replenish the mechanism

3 背壓閥的選取

船舶液壓舵機系統設計的好壞將會對整個動力裝置的工作效率、穩定性、可靠性等產生一定的影響[7]。在選取背壓閥時，需要從各個方面進行綜合性的考慮，如工況的復雜性、動作特性及功率消耗等[8]。因為選取的背壓閥是否合理，不僅僅會影響到系統運行的安全性和穩定性,同時還會影響到成本及環保等。相對液壓系統而言，由于背壓相當于運動阻力,因而增加了液壓系統對能量的消耗,因此不宜將背壓調整過大,只要能夠達到液壓系統的工作壓力要求即可[9]。

3.1 背壓閥形式的選取

在不同的液壓回路中，背壓的功能是具有差異的，可以根據背壓的功能，來選取合適的閥體作為背壓閥，一般在單向節流閥、單向閥、節流閥、溢流閥中選取。

表 1 背壓閥功能表Tab. 1 Back pressure valve function table

在同步回路和補油回路中，適合用溢流閥作為背壓閥，它的特點是背壓始終保持在調定值，不隨系統流量壓力的變化而變化。

在管路轉換的液壓系統中，適合用節流閥作為背壓閥，當從1#轉換2#泵組時，1#管路中的液壓油可以流回油箱，背壓消失，2#管路建立起背壓，推動液控三通閥換向。若采用溢流閥，1#的背壓并沒消失，不能順暢轉換管路，轉換瞬間還會發出響聲。

在平衡回路中或在其中一個動作機構回路中，通常用單向節流閥作為背壓閥，這樣不會影響其他動作的速度。

在其他要求無特殊要求的情況，可以用單向閥作為背壓閥。

3.2 背壓閥壓力的選取

在同步回路中，壓力一般為0.8～1.2 MPa，液壓過低時，同步效果不好，壓力過高會引起能源浪費。

在管路轉換回路中，調節在液動閥換向所需的背壓加上管路損失壓力即可，一般為0.8～1.5 MPa。

在平衡和回轉油路中，根據工況調節為1.5～2 MPa。在補油系統中，一般調節為0.15 MPa。

4 結 語

在船舶液壓舵機系統設計過程中，背壓是比較容易被忽視的，需理清背壓在液壓系統中的作用，即同步液壓回路中保持同步、控制液動閥實現液壓管路的轉換、消除液壓嘯叫聲、使機構動作平穩、補油等多種作用，給予高度的重視。在對液壓系統完成功能性的設計后，還需要考慮各機構動作是否需要利用背壓進行進一步的改善。雖然在液壓系統中背壓需要消耗一部分功率，而且還會對液壓系統的動作和性能產生一定的影響，甚至嚴重時還會損壞液壓附件，但是通過選取合適的背壓閥形式及壓力，合理地利用好背壓，可以提高系統運動時的平穩性，減少對系統的沖擊，在某種程度上會對一些液壓元件及附件起到保護作用。因此，合理利用背壓對液壓系統的作用，可以實現一些功能性的設計。在設定背壓力時，還需要特別注意背壓力的大小，背壓不易過大，否則功率損失過大，效率降低；但也不易過小，否則對系統起不了應有的作用。正是由于液壓系統具有工作安全、穩定、系統可靠性及平穩性好的特點，使得其在各個領域得到了廣泛的應用[10-12]。