船用智能柴油機液壓伺服油泵的仿真研究

翁石光

(廈門海洋職業技術學院航海學院,福建 廈門 361012)

0 引言

船用柴油機的智能化能夠有效降低油耗、節約成本、提高利潤,也能有效地降低NOx排放,實現無煙運行,保護海洋生態環境[1],還能夠精準控制柴油機的運行工況,提高柴油機的工作可靠性和延長使用周期[2]。船用智能柴油機的液壓伺服系統的仿真研究可系統地揭示液壓伺服系統各運動部件的運動規律和液壓腔室壓力的波動,為液壓伺服系統各參數的設定和系統設計提供依據[3]。文章以6S60ME-C 型低速船用柴油機的液壓伺服油泵為仿真研究對象,通過建立仿真模型,借助仿真軟件獲得模型工作過程中液壓的壓力變化,并與實測壓力對比,判斷得出仿真結果與實際液壓供油單元的特性基本一致。為船用電控柴油機液壓伺服油泵的研究及應用提供研究思路和借鑒。

1 液壓伺服系統的組成與原理

智能柴油機的液壓伺服系統原理圖如圖1所示。以滑油為介質,由伺服油泵為伺服系統提供約20 MPa 的工作壓力油,通過分配閥單元驅動燃油升壓泵、排氣閥執行機構、氣缸液壓單元等[4]使液壓伺服系統工作。

圖1 智能柴油機液壓伺服系統

伺服油泵由電機驅動泵和自帶泵共同為伺服系統提供液壓油[5]。自帶泵型號為Bosch Rexroth A4VSO 180 HS3 的斜盤式軸向變量柱塞泵,其儲壓器和安全保護裝置通過安裝在各處的壓力傳感器采集信息,再通過柴油機控制系統ECS 發出模擬信號控制超壓調節閥、自帶泵和電機驅動升壓泵,以此保證柴油機在不同的負荷工況下,伺服液壓供油單元的油壓穩定和流量連續[6]。

儲壓器一端由一定壓力(約10.5 MPa)的氮氣充入,另一端充入穩定壓力(約20 MPa)的液壓油,保證伺服系統的液壓油壓力穩定[7]。

2 液壓伺服油泵的仿真模型

液壓伺服油泵仿真模型的建立是以液壓油在液壓系統內部的流動特性為依據,模型既遵從液壓油流動的物態方程又符合流體動力學連續性方程,再簡化一些外在的影響因素,以簡單的數學式進行描述,依靠仿真軟件對液壓伺服油泵進行仿真研究[8]。

2.1 液壓動力單元軸向柱塞泵的數學模型

2.1.1 泵的單個柱塞位移方程

式中,Shsp為柱塞的位移,m;R0為泵軸與泵缸中心線之間的平均距離,m;α為斜盤傾斜角,rad;φ為缸體轉角,rad;γ為泵缸與泵軸中心線之間的夾角,rad。

2.1.2 泵的單個柱塞腔內連續性方程

式中,Vhsp為單個柱塞腔容積,m3;Phsp為柱塞腔壓力,MPa;Ahsp為柱塞面積,m2;Qacc_in為流入儲壓器的流量,m3/s;μhspt為泵的進油口流量系數;Ahspt為泵的進油口面積,m2;Phspt為泵的進油壓力,MPa;μacc為儲壓器進出油口流量系數;Aacc_in為儲壓器進口流通面積,m2;Pacc為儲壓器的壓力,MPa;

2.1.3 儲壓器連續性方程

式中,Vacc為儲壓器容積,m3;Qacc_out為流出儲壓器的流量,m3/s;Aacc_out為儲壓器出油口流通面積,m2;Puce為FIVA 在三個不同位置流出儲壓器的壓力,MPa;Qpfi=m 為FIVA 在P-FI 位液壓油的流入量;m3/s;Qpua-in 為FIVA 在P-UA 位液壓油的流入量,m3/s;Ppfi為FIVA 在P-FI 位的油壓,Mpa;Ppva為FIVA 在P-VA 位的油壓,Mpa。

2.2 液壓伺服油泵邊界條件和相關參數的初始化

液壓伺服油泵柱塞腔的初始壓力就是主滑油泵出口油壓(0.17～0.23 MPa),假定油泵一個柱塞的位置位于壓油行程的開始位置,其他柱塞根據泵軸1 260 r/min 的轉速和柱塞的個數進行相應的角度延遲。對于儲壓器,假定其內部初始充滿一定的油壓[9]。

3 設計液壓伺服油泵仿真程序

仿真程序設計使用MATLAB 軟件,其具有文字處理、超強的數值運算、可視化的仿真及實時控制的能力。MATLAB 提供了實時狀態仿真功能,該功能可借助Simulink 工具箱實現。我們按照模塊的功能和輸入輸出特性,構造了一個系統模型所需要的軟件包。該軟件包可以實現圖形化的交互環境,建立系統框圖模型[10]。

通過建立系統的物理和數學模型,借助MATLAB/Simulink 工具箱,形成伺服油泵、儲壓器的仿真程序,再輸入6S60ME-C 型液壓伺服油泵的邊界條件與初始參數,就可以模擬輸出伺服油泵和儲壓器正常工作且處于穩態時各參數的變化曲線[3]。

FIVA 的結構圖如圖2所示,其主閥芯的運動方向由二位二通先導閥的油流方向控制,而氣缸控制單元CCU 通過4～20 mA 的電流信號,改變其大小和脈寬可以控制二位二通先導閥的動作。同時,通過LVDT 傳感器反饋主閥芯的位置[11]。

圖2 FIVA 電磁閥結構圖

柴油機運行負荷工況直接反映在曲軸的轉角和轉速上,氣缸控制單元CCU 按照預定的程序以及柴油機運行負荷工況控制通往FIVA 的電流信號大小和脈寬,從而控制燃油噴油率和排氣閥的啟閉。整個控制為閉環反饋控制,從而實現柴油機的智能控制[4]。

氣缸控制單元CCU 發出4～11 mA 的電流時,該缸FIVA 處于排氣執行狀態;發出12 mA 的電流時,該缸FIVA 處于中位,即處于壓縮或膨脹狀態;發出13～20 mA 的電流時,該缸FIVA 處于供油狀態[12]。

3.1 液壓伺服油泵、儲壓器仿真框圖

6S60ME-C 柴油機的液壓伺服油泵和儲壓器的仿真框圖見圖3、圖4所示。油泵在額定負荷時的轉速為105 r/min,即曲軸旋轉周期為0.58 s(也是CCU 發給FIVA 電流脈沖信號的周期),假設以CCU 發出第一缸FIVA 的燃油噴射信號為整個仿真的起點[13]。

圖3 液壓伺服油泵模型仿真框圖

圖4 儲壓器模型仿真框圖

3.2 仿真過程

將液壓動力單元油泵及儲壓器的數學模型各參數寫入.m 文件,并初始化各參數;啟動MATLAB;打開運行仿真模型ME.mdl 文件。模型運行過程的參數被輸送至scope 或display 進行實時顯示[14]。

6S60ME-C 型柴油機液壓伺服系統為連續系統,仿真起止時間周期需要滿足曲軸、伺服油泵泵軸均旋轉一周或多周,氣缸控制單元CCU 發出的FIVA 電磁閥電流脈沖信號也需完成一個或多個工作周期即至少0.58 s 或其倍數,且可根據需要設置與修改[15]。

仿真可選擇定步長或變步長的數值計算法,為保證仿真精度,最大步長應不超過0.000 01。選擇該系統預定的相對誤差為0.001,絕對誤差采用系統“自動(auto) ”設置的[16]。

4 6S60ME-C 液壓伺服油泵仿真的結論分析

依據液壓伺服油泵仿真程序,經伺服油泵加壓,儲壓器穩壓后,對顯示在示波器上的結果進行分析來判斷模型是否正確。判斷主要包括伺服油泵柱塞運動軌跡、柱塞腔壓力的波動以及儲壓器壓力的變化規律,驗證仿真模型的符合性[17]。

仿真時的柴油機及油泵工作狀態為:在額定轉速105 r/min、100%負荷條件下運行,同時,伺服油泵油缸與泵軸之間的夾角為10°,斜盤傾角為45°,3 個儲壓器容積均為3.14×10-5m3[18]。

4.1 伺服油泵仿真

6S60ME-C 型柴油機的伺服油泵的6 個柱塞油缸沿泵軸圓周方向均勻布置,控制系統采用HS3 控制,油缸每個柱塞的位移變化呈現出正弦函數(如圖5所示)。油泵6 個柱塞交替起壓,互為疊加參與補償以保證伺服系統油壓穩定[5]。

圖5 伺服油泵柱塞位移仿真圖

仿真以某個油缸柱塞開始壓縮行程為始點,隨著缸體的轉動,柱塞腔內的壓力急劇上升,柱塞的運動速度在不斷增大的同時,腔內油壓增大的速率也隨之增加;當缸體轉到某角度時,柱塞油腔與泵的出油口相通,腔內油壓升高速率明顯減少,但柱塞運動壓力升高的量多于柱塞腔與出油口相通使油壓下降的油量,因此油壓仍處于升高的趨勢;當到某一臨界點時,排出的油量增多,油壓下降,而且下降速率不斷增大。隨著缸體的繼續轉動,到某一角度時,柱塞腔與泵的吸排口隔離,柱塞運動壓縮液壓油使得腔內的油壓再次急劇升高。缸體繼續隨泵軸旋轉,柱塞腔與泵的吸油口相通,腔內油壓迅速下降到吸油口油壓300 kPa左右,從而轉入下一次工作循環。伺服油泵的柱塞腔內壓力的變化仿真如圖6中虛線所示,與船用低速智能柴油機在船臺試驗報告中的伺服油泵的柱塞腔內壓力變化(圖6中的實線)基本符合,達到了仿真的預期目標[19]。

圖6 柱塞腔壓力仿真圖和柱塞腔壓力船臺試驗數據比較

4.2 儲壓器仿真

柴油機在正常運行時,由于充有約10.5 MPa的氮氣,故儲壓器始終留有一定的油壓,同時伺服油泵也能提供給儲壓器液壓油。仿真起始于當FIVA 收到氣缸控制單元CCU 發出的13～20 mA的電流信號時,FIVA 處于FI 工作位,儲壓器開始向高壓油泵柱塞下腔提供液壓油,油泵柱塞上行,該缸噴油,而儲壓器的油壓持續下降,直至氣缸控制單元CCU 發出噴油結束的12 mA 電流信號時,FIVA 閥芯復位,儲壓器通向高壓油泵的液壓油路封閉,隨著伺服油泵不斷給儲壓器提供液壓油,儲壓器中的油壓開始不斷升高,達到最高壓力(20 MPa)且高于初始油壓(19.8 MPa)[20]。當氣缸控制單元CCU 向FIVA 電磁閥發出4～11 mA 的電流信號時,FIVA 閥芯工作于VA 位,儲壓器開始向液壓排氣閥提供動力液壓油,該缸排氣閥打開,同時儲壓器內壓力持續下降,氣缸控制單元CCU發出4～11 mA 的電流信號脈寬比13～20 mA 的電流信號脈寬長,此時儲壓器內壓力下降的時間較長,其最低油壓比噴油結束時的油壓要低。當氣缸控制單元CCU 發出12 mA 電流信號時,FIVA 電磁閥閥芯復位,排氣結束,儲壓器通向排氣閥的液壓油路封閉,隨著伺服油泵持續向儲壓器供油,儲壓器中油壓不斷升高,升高到前一個周期壓力,為下一個周期做好準備[21],如圖7所示。

圖7 儲壓器壓力仿真圖

柴油機正常運行期間,假設液壓伺服系統中的液壓油密度、流通面積及流通系數均保持不變,那么,液壓油在伺服系統內的流量與壓差成正比。當CCU 控制單元向FIVA 電磁閥發出13～20 mA的電流信號時,儲壓器開始給高壓油泵柱塞下腔提供液壓油,儲壓器內油壓開始下降,伺服油泵與儲壓器內壓差增大,流向儲壓器內的液壓油流量逐漸增大。儲壓器內液壓油流向高壓油泵柱塞下腔的同時,儲壓器與柱塞下腔之間的壓差減少,流向柱塞下腔的油流量逐漸減少,這剛好驗證了儲壓器內的壓力曲線在開始階段液壓壓力下降的速率逐漸減少的特性,其他各段的壓力變化曲線可同理分析。在單位氣缸完成一個工作循環,氣缸控制單元CCU 向FIVA 電磁閥發出3 次電流脈沖信號時,儲壓器內的壓力歷經兩次升高與兩次下降。綜合上述分析,其仿真結果與儲壓器內壓力變化的理論分析相吻合,達到了預期的仿真目的[19]。

5 結論

以6S60ME-C 型低速船用柴油機的液壓伺服油泵、儲壓器為仿真研究對象,建立的仿真模型可以準確地預測船用電控柴油機液壓伺服油泵、儲壓器等壓力的變化。該結果與低速船用柴油機試驗時的液壓伺服油泵內壓力變化,以及儲壓器內壓力變化的理論分析相吻合。該仿真研究方法可為船用電控柴油機液壓伺服油泵的研究提供思路。