全回轉舵槳液壓系統回轉抖動控制方法探析

武 哲， 李寶仁， 楊 鋼， 高隆隆

(華中科技大學 機械科學與工程學院 FESTO氣動中心， 武漢 430074)

全回轉舵槳是集舵與槳為一體的一種新型船舶推進裝置，可提供360°全方位矢量的推力，具有推進效率高、操作靈活、機動性強等優點，它可以使船舶作回轉、直航、倒航、斜航、橫移等運動，是動力定位工程類船舶、港作船、拖輪、消防船等的重要設備[1-4]。回轉是全回轉舵槳工作過程中最頻繁的動作之一，其是通過控制含平衡閥的回轉液壓系統驅動減速機帶動回轉支撐的旋轉才能得以完成。因此，全回轉舵槳回轉液壓系統的動態特性直接影響船舶航向控制的穩定性以及動力定位準確性。

振動是影響系統正常工作的最大問題之一，含平衡閥的系統更容易振動，人們認為平衡閥很難穩定[5-6]。近年來國內外許多學者對回轉機構液壓系統的動態特性開展了相關研究。Miyakawa通過求解線性方程組方式研究了平衡閥彈簧剛度、閥芯錐角、先導阻尼孔對含平衡閥回路穩定的影響。陳晉市等[7]研究了平衡閥阻尼以及平衡閥與馬達之間的敏感容腔對起重機起升系統抖動現象的影響以及改善措施。閔為等[8]研究了不同閥芯和閥體結構條件下壓力調節錐閥開啟過程的振動特性和系統激勵因素。袁士豪等[9]分析了平衡閥不同結構參數對其動態特性的影響。湯何勝等[10]研究了平衡閥節流孔直徑和彈簧剛度對馬達制動特性的影響。張紅軍等[11]針對工程機械行業存在的負負載提出了泵控馬達和閥控缸系統的液壓平衡及限速方法。許益民等[12]分析了超越負載工況下馬達制動回路的典型故障機理以及液壓制動方法。馬來好等[13]基于聯合仿真模型分析了全回轉工況和沖擊載荷工況下吊艙回轉液壓系統的動態特性。然而，關于回轉機構液壓系統發生回轉抖動現象的機理及控制方法的研究并不多。

作者在進行某自升式海工平臺全回轉舵槳裝置的系泊試驗時，其回轉液壓系統出現周期性“嗒嗒”的打擊聲，并伴隨著回轉動作發抖現象，簡稱回轉抖動現象(rotation jitter phenomena，RJP)。作者分析認為，由于全回轉舵槳液壓系統集成設計過程中多閥件耦合匹配技術尚未突破，系統運行過程中平衡閥控制壓力不穩定，會引起平衡閥的閥芯處于頻繁啟閉狀態，導致系統出現回轉抖動現象。為此，通過在平衡閥控制口處設置分壓節流孔構造液壓半橋的方式消除了全回轉舵槳的回轉抖動現象[14-15]。然而，設置分壓節流孔構造液壓半橋進行分壓濾波時，必須提高系統驅動腔的壓力才能保證控制腔必要的壓力，這會改變系統工況點，并且會增加耗能。另外，為尋求分壓節流孔直徑與系統的最佳匹配關系需要更換不同孔徑的節流孔進行試驗驗證，浪費人力物力。

本文基于AMESim搭建了全回轉舵槳回轉液壓系統仿真模型，從元件與系統性能相匹配的內在關系層面，揭示了具有普適意義的含平衡閥系統發生回轉抖動現象的機理以及抑制回轉抖動的控制方法，以期為含平衡閥系統的回轉機構液壓系統的設計、使用提供一定參考。

1 含平衡閥的回轉液壓系統工作原理

1.1 平衡閥結構

圖1是CB系列平衡閥剖面圖和符號圖。該平衡閥為經典類非卸荷產品，其集成了單向功能、溢流功能、液控節流功能三種模式。當出口②的壓力油通過主閥芯1圓周方向的孔進入主閥芯內腔推動單向閥芯2右移，克服單向彈簧6的預緊力，開啟出口②至負載口①的通道流出，進入單向功能模式；當控制口③無控制壓力時，負載口①的壓力油同時作用在主閥芯1和單向閥芯2上克服主彈簧4的預緊力，推動主閥芯1和單向閥芯2左移，單向閥芯2被止動桿5限位后，主閥芯1繼續左移，負載口①至出口②的通道開啟，進入溢流功能模式；當控制口③有控制壓力時，此壓力經過控制壓力通道7作用于主閥芯1的控制腔面積上克服主彈簧4的預緊力，推動主閥芯1和單向閥芯2左移，直至單向閥芯2被止動桿5限位后，主閥芯1繼續左移，負載口①至出口②的通道開啟，進入液控節流功能模式。

1．主閥芯； 2. 單向閥芯； 3. 閥套； 4. 主彈簧； 5. 止動桿；6. 單向彈簧； 7. 控制壓力通道 (a) 剖面圖

① 負載口； ② 出口； ③ 控制口 (b) 符號圖圖1 CB系列平衡閥剖面圖和符號圖Fig.1 Cross-section and symbol diagram of CB series counterbalance valve

由圖1可知，CB系列平衡閥的主閥芯采用錐面密封，其閥芯行程-通流面積特性是逐步過渡的，不易實現多斜率特性[16]。因此，CB系列平衡閥將六瓣梅花形的節流槽加工在閥套上，用不同長度的節流槽來實現不同的閥芯行程-通流面積特性，即節流特性。在相同的外形尺寸條件下，CB系列平衡閥有標準型、半節流型、全節流型3種經典結構。圖2為CB系列平衡閥不同節流特性的閥套。

1.2 回轉液壓系統工作原理

圖3為全回轉舵槳回轉液壓系統原理圖，該系統為典型的“一拖二”開式液壓源回路。其中：溢流閥2調定系統工作壓力；平衡閥4、5減小回轉制動過程中的沖擊，尤其在系統受到負負載時可使系統保持穩定以及在回轉動作停止后起穩定舵角的作用；過載溢流閥9和單向閥10～13組成緩沖補油回路[17]，可實現對馬達制動或換向時的雙向緩沖及馬達失速時充分補油功能；梭閥15是將馬達兩個工作口中壓力高的端口連接到信號口；單向節流閥16是對液壓剎車起“快松慢合”的作用；當換向閥4在左位工作時，平衡閥6進入單向功能，平衡閥5進入液控節流功能，液壓泵1輸出的液壓油液驅動馬達14順時針轉動，馬達帶動減速機進而驅動回轉支承逆時針旋轉，最終實現全回轉舵槳逆時針旋轉；反之，當換向閥4在右位工作時，平衡閥5進入單向功能，平衡閥6進入液控節流功能，液壓泵1輸出的液壓油液帶動馬達14逆時針轉動，馬達帶動減速機進而驅動回轉支承順時針旋轉，最終實現全回轉舵槳順時針旋轉；當換向閥3在中位時，全回轉舵槳停止工作，液壓剎車鎖死回轉驅動裝置。

(a) 標準型

(b) 半節流型

(c) 全節流型圖2 CB系列平衡閥不同節流特性的閥套剖面圖Fig.2 Cross-section for sleeve of CB series counterbalance valve with different throttling characteristics

1. 液壓泵； 2. 單向閥； 3. 溢流閥； 4. 比例閥； 5、6. 平衡閥； 7、15. 梭閥； 8. 邏輯閥； 9. 過載溢流閥； 10～13. 單向閥；14. 馬達； 16. 單向節流閥； 17. 回轉支承

2 數學模型

2.1 平衡閥

當平衡閥的閥芯為錐閥和滑錐閥時，則通過閥口的流量方程為

(1)

式中：Cd為閥口流量系數；d為閥口直徑，mm；x為閥芯位移，mm；α為閥芯的半錐角；Δp為閥口壓差，MPa；ρ為油液密度，kg/m3。

平衡閥閥芯的動力學平衡方程為

f-Fs

(2)

式中：m為閥芯質量及三分之一彈簧質量之和，kg；p1為負載口壓力，MPa；A1為主閥芯作用面積，m2；p2為出口壓力，MPa；A2為出口作用面積，m2；p3為控制口壓力，MPa；A3為控制口作用面積，m2；k0為彈簧剛度，N/mm；x0為彈簧預壓縮量，mm；f為閥芯所受摩擦力，N;Fs為穩態液動力，N。

2.2 旋轉馬達

旋轉馬達的泄漏流量與平衡閥的控制壓力和負載壓力有關，馬達的流量方程為

Qm=Ctm(p3-p1)+qmωm

(3)

式中：Ctm為旋轉馬達的總泄漏系數；qm為馬達理論排量，mL/r；ωm為液壓馬達的轉速，r/min。

馬達的負載力矩平衡方程為

(4)

式中：Jt為負載轉動慣量，kg·m2；Bt為阻尼系數；TL為變負載力矩，N·m。

3 理論結果及分析

根據式(1)～(4)建立含平衡閥系統的數學模型、元件的實際結構以及液壓原理圖，搭建全回轉舵槳回轉液壓系統的仿真模型，如圖4所示。該模型主要包括旋轉馬達模型、減速裝置模型、平衡閥模型、緩沖補油回路模型、梭閥模型、邏輯閥模型、比例閥模型等。其中，旋轉馬達模型14為“一拖二”回路中雙馬達的等效模型，減速裝置模型15是減速機以及回轉支承的等效模型。根據實際工況，確定系統仿真模型主要元件的參數，如表1所示。

全回轉舵槳液壓系統的回轉平穩性不僅與慣性負載、平衡閥控制比有關，而且受平衡閥的最大節流流量、閥芯行程-通流面積特性的影響。本節將主要分析平衡閥最大節流流量、閥芯行程-通流面積特性對全回轉舵槳液壓系統動態特性的影響。

3.1 最大節流流量的影響

基于逆向思維驗證平衡閥最大節流流量與含平衡閥系統設計流量的匹配關系。當平衡閥選取為:CBDC-LHN，最大節流流量為80 L/min時，取液壓泵排量分別為40 mL/r、45 mL/r、50 mL/r、55 mL/r。圖5為不同排量時全回轉舵槳回轉速度曲線。

由圖5可知，當液壓泵排量為55 mL/r時，全回轉舵槳回轉速度穩定，比例閥開啟后回轉速度一直維持在3.48 r/min；當液壓泵排量為50 mL/r時，全回轉舵槳回轉速度存在輕微的振蕩現象，且這種振蕩現象隨著時間的增加并未平息；當液壓泵排量為45 mL/r時，全回轉舵槳回轉速度存在明顯的周期性振蕩現象，振動幅度明顯增大；當液壓泵排量為40 mL/r時，全回轉舵槳回轉速度出現劇烈的周期性振蕩現象，與前者相比其振動幅度明顯增大，且相位存在明顯的滯后現象。

1. 液壓泵； 2. 單向閥； 3. 溢流閥； 4. 比例閥； 5、6. 平衡閥； 7. 梭閥； 8. 邏輯閥； 9. 安全閥； 10～13. 單向閥； 14. 馬達； 15. 減速裝置； 16. 慣性負載； 17. 速度傳感器； 18. 等效負載

表1 模型中主要元件參數

圖5 不同排量時全回轉舵槳回轉速度曲線

圖6和圖7是液壓泵排量分別為40 mL/r、45 mL/r、50 mL/r、55 mL/r時平衡閥控制口壓力曲線圖和平衡閥閥芯位移曲線圖。

圖6 不同排量時平衡閥控制口壓力曲線Fig.6 Control pressure curve of the counterbalance valve at different displacements

圖7 不同排量時平衡閥閥芯位移曲線Fig.7 Displacement curve of the counterbalance valve spool at different displacements

由圖6、圖7可知，當液壓泵排量為40 mL/r時，回轉過程中平衡閥的控制壓力在13.8～18 MPa之間周期性波動，波動幅度約為4.2 MPa，而平衡閥閥芯也隨著控制壓力的周期性波動處于頻繁的運動狀態。隨著液壓泵排量增大，平衡閥控制壓力由波動較大逐步減少直至變得比較平穩，平衡閥閥芯位移也由頻繁啟閉狀態逐漸變為比較穩定狀態。當液壓泵排量為55 mL/r時，平衡閥控制壓力、閥芯位移均處于穩定狀態，回轉動作平穩，有效地消除了回轉抖動現象，提高了操作穩定性。其原因是平衡閥CBDC-LHN的最大節流流量為80 L/min，而液壓泵的理論流量等于液壓泵的排量與轉速的乘積，因此，在不考慮泄漏及油液壓縮條件下，當液壓泵排量為40 mL/r、45 mL/r、50 mL/r、55 mL/r時理論流量分別為60 L/min、67.5 L/min、75 L/min、82.5 L/min。當液壓泵的理論流量明顯小于平衡閥最大節流流量時，平衡閥閥芯開啟瞬間將會通過較大的流量而此刻液壓泵的輸出流量來不及補充，進而導致平衡閥控制壓力急劇降低，平衡閥閥芯開度隨之減小甚至關閉。當系統壓力重新建立之后，平衡閥閥芯又逐漸打開，周而復始，平衡閥控制壓力的周期性波動就會導致閥芯位置、通流面積較大的波動甚至出現頻繁的啟閉狀態，反過來又會導致控制壓力的波動，對系統的穩定性影響較大，從而誘發了全回轉舵槳的回轉抖動現象。然而，當液壓泵流量大于或等于平衡閥最大節流流量時，平衡閥控制壓力和閥芯位移對流量的變化越不敏感，全回轉舵槳的回轉速度就相對平穩。

3.2 不同行程-通流面積特性的影響

當液壓泵排量取45 mL/r時，取4種外形尺寸相同、控制比為3∶1、設定壓力均為28 MPa，而行程-通流面積特性不同的CBEA-LHN標準型、CBDC-LHN半節流型、CBDA-LHN全節流型、MBE*-LHN改進型平衡閥，上述4種平衡閥的技術參數對比如表2所示。

表2 技術參數對比

如前文所述，當液壓泵排量為45 mL/r時，其理論流量為67.5 L/min。含平衡閥的系統需要的最大節流流量67.5 L/min遠比上述4種平衡閥的名義流量120 L/min小得多。圖8是不同行程—通流面積特性時回轉速度曲線。

由圖8可知，平衡閥選取CBEA標準型時，回轉速度出現劇烈的周期性波動現象，且隨著時間的增加波動的幅度無衰減的趨勢；平衡閥選取CBDC半節流型時，回轉速度仍存在波動現象，但波動的幅度明顯減小、相位明顯滯后。由表2可知，CBEA標準型、CBDC半節流型平衡閥的最大節流流量分別為120 L/min、80 L/min，兩者均大于設計流量(液壓泵理論流量)67.5 L/min，這會引起平衡閥閥芯處于頻繁啟閉狀態，且當平衡閥最大節流流量與設計流量差值越大，回轉速度波動越明顯；平衡閥選取CBDA全節流型時，回轉速度穩定，回轉抖動現象消除，系統獲得了良好的平穩性，但是其回轉速度2.31 r/min遠小于理論計算值2.85 r/min，無法滿足全回轉舵槳對機動性的要求。其原因是CBDA全節流型平衡閥的最大節流流量30 L/min遠小于液壓泵的理論流量67.5 L/min，系統產生了較大的壓力損失和溢流發熱現象所致；然而，平衡閥選取為MBE*改進型時，僅在比例閥開啟瞬間存在輕微波動現象，隨后系統進入穩定狀態，回轉速度平穩，流量調節性能更精準。仿真結果與系泊試驗時用上述4種行程-通流面積特性不同的平衡閥消除回轉抖動時獲得的結果完全吻合。

圖8 不同行程-通流面積特性時回轉速度曲線Fig.8 Slewing speed curve of azimuth thruster at different stroke-flow area characteristic

圖9是MBE*平衡閥剖面圖和通流孔示意圖。對比圖1發現，MBE*改進型平衡閥與CB系列平衡閥的結構顯著不同，其差異性主要體現在阻尼套和節流套上。由圖9(a)可知，在主閥芯1左端增加了一個阻尼套5，在主閥芯1復位關閉通道后，阻尼套靠左處于卸荷位置，當控制口③壓力油推動主閥芯向左運動時，彈簧腔中壓力油需要排出進而推動阻尼套5向右移動，封住了彈簧腔中油液通過主閥芯中通孔的流出通道，只留下一個直徑很小的阻尼孔，這樣就延緩了主閥芯的運動和負載口①至出口②的通道開啟，從而改善了動態響應性能。

由圖9(a)、9(b)可知，在負載口①、出口②之間仍采用內錐面密封，但是在主閥芯1增加了一個節流套6，其圓周表面有沿軸向錯開分布的圓孔通道以及斜孔7。這樣既保持了與CB系列相同的孔型，又延長了閥芯的有效行程，使其節流特性更接近滑閥，流量調節性能更精準。圖10是平衡閥不同行程—通流面積特性對比曲線圖。

1． 主閥芯； 2. 單向閥芯； 3. 單向彈簧； 4. 主彈簧； 5. 阻尼套； 6. 節流套； 7. 斜孔

(b)通流孔示意圖圖9 MBE*平衡閥剖面圖和通流孔示意圖Fig.9 Cross-section and flow-through hole diagram of MBE* counterbalance valve

圖10 平衡閥不同行程-通流面積特性對比曲線Fig.10 Comparison curve of different stroke-flow area characteristic for counterbalance valve

由圖10可知，當平衡閥閥芯行程小于6 mm時，CB**系列平衡閥的通流面積梯度明顯大于MBE*改進型的，且隨著閥芯位移的增加，CB系列平衡閥的通流面積呈指數趨勢快速遞增，而MBE*改進型通流面積呈近似線性趨勢平緩增長。對比發現，當閥芯行程大于等于6 mm時，CB系列平衡閥通流面積達到其對應的最大值，MBE*改進型平衡閥的通流面積才呈指數規律遞增，然而其通流面積梯度卻略小于與其有同等通流能力的CBEA標準型平衡閥。因此，MBE*改進型平衡閥的閥芯有效行程遠大于前者，有效地提高了閥芯分辨率，也即降低了通流面積對閥芯行程的敏感度，控制性能更好。CB**系列中CBEA標準型的通流面積梯度最大，CBDC半節流型的通流面積梯度次之，CBDA全節流型的通流面積梯度最小。通流面積梯度越大，通流面積對閥芯行程越敏感，特別是在剛開啟時，很容易出現通流面積一下開得很大，然后又關閉得過小，全回轉舵槳回轉速度就相對波動嚴重一些，不易控制。故可推斷，平衡閥開啟調節過程中控制壓力的周期性波動是由閥芯行程—通流面積特性不同所導致的節流特性不同而引起的受迫周期性波動。

4 結 論

(1) 平衡閥控制壓力的周期性波動會導致閥芯位置、通流面積較大的波動甚至出現頻繁的啟閉狀態，反過來又會導致控制壓力的波動，對含平衡閥系統的穩定性問題影響較大，這是誘發全回轉舵槳液壓系統發生回轉抖動現象的根本原因。

(2) 平衡閥開啟調節過程中控制壓力的周期性波動是由閥芯行程—通流面積特性不同所導致的節流特性不同而引起的受迫周期性波動。這一發現與工程實踐十分一致。

(3) 含平衡閥系統的設計流量必須同時考慮兼顧平衡閥的名義流量、最大節流流量。CB系列平衡閥的最大節流流量略小于或者等于系統設計流量時回轉機構更容易獲得良好的平穩性。在設計流量較小的場合，CB系列平衡閥如果沒有選擇全節流型的話可能出現回轉抖動現象。然而，MBE*改進型平衡閥就沒有此問題，可以選取較大規格，從而在設計流量較大時仍能保持較低的壓力損失。