船舶液壓系統功率智能匹配設計研究

晁紅芬

(1. 河南省黃淮實驗室, 河南 駐馬店 463000；2. 駐馬店職業技術學院, 河南 駐馬店 463000)

0 引 言

近年來，液壓控制技術在精密機械、自動控制等技術的加持下獲得了突飛猛進的發展，傳統的液壓傳動技術主要應用于機械部件的助力、操縱等，靈活性和精度較差，而液壓控制技術不論是在控制精度上，還是在設備的靈活性上都具有顯著的優勢，特別是自適應控制技術的應用，使液壓控制與神經網絡、AI 智能算法充分結合，利用計算機實現液壓控制的可靠性、精密性。因此，液壓控制技術在各種工業系統中有巨大的應用潛力。

大型船舶的液壓系統往往采用集成式設計，動力柴油機位于船舶機艙，液壓站結合船舶的液壓部件分布情況設計不同的支路，通常，船舶液壓系統的動力柴油機往往大于2 臺，常見的液壓機械設備包括起重機、船舵、調距槳等，液壓系統為船舶液壓機械提供液壓動力，驅動對應的機械部件執行各種任務。在船舶液壓系統中，不同液壓機械設備的負載各不相同，采用單一的柴油機控制策略往往會造成功率與負載的匹配性差等問題，使船舶液壓柴油機的能耗增大，不利于提高船舶的整體經濟性。

本文首先介紹船舶液壓系統的基本構成，從液體動力學等方面進行液壓系統的數學建模，然后在此基礎上研究液壓系統的功率匹配智能控制技術，并詳細介紹液壓系統智能控制系統的設計過程。

1 船舶液壓系統的基本構成與原理

船舶液壓系統的關鍵組成單元包括柴油機、油箱、液壓泵、分動機構、控制閥組和負載等，以海上大型運輸船為例，負載包括船舵液壓助力系統、甲板貨物吊裝系統等。

圖1 為船舶液壓系統的原理圖。

圖1 船舶液壓系統的原理圖Fig. 1 Schematic diagram of ship hydraulic system

船舶液壓系統的流體動力學基本方程包括流體的連續性方程和質量守恒方程。

1）連續性方程；

液壓系統的流體連續性方程如下式：

式中： V0為 變量泵初始泵送流量，L/min ； ρ為管路中介質的密度，kg.m3；Vt為液壓系統泵在時間t時的泵送流量；S0，S1分 別為流體位置分量； λ為油管中介質的粘度，m2·s-1。

2）質量守恒方程

液壓系統質量守恒方程為：

式中，Q為液壓泵的額定流量。

船舶液壓系統的動力來源是柴油機[1]，柴油機的負荷取決于液壓系統的負載，建立船舶液壓系統柴油機的功率模型為：

式中：Pi為液壓系統柴油發動機總功率；pi為每個柴油機工作壓力； τ為柴油發動機沖程系數， τ =0.39；N0為柴油發動機額定轉速；n為實際轉速；Mi為柴油發動機輸出轉矩；Vi為柴油箱容積。

液壓系統柴油發動機的負載特性曲線如圖2 所示。

圖2 液壓系統柴油發動機的負載特性曲線Fig. 2 Load characteristic curve of diesel engine in hydraulic system

圖中，柴油機負載特性曲線的橫坐標為時間T，縱坐標分別為柴油機的有效功率be、油液溫度tr、柴油機的油耗量B。顯示的曲線為：柴油發動機轉速為1 800 r/min 時，有效功率be、油液溫度tr、油耗量B隨外部負荷變化的特性曲線。

2 船舶液壓系統功率匹配智能控制技術的

2.1 船舶液壓系統功率智能匹配的整體設計

目前，船舶機械組件中液壓驅動的裝載量較高，相對于電驅動，液壓驅動具有很多的優勢：

1)在液壓驅動系統中，液壓回路中的元件可以在很大壓力下工作，功率質量比大，因此可以實現體積小、功率大的設計，對于船舶機艙這種空間有限的場景具有明顯優勢。

2) 借助于流體的不可壓縮特性和壓力傳遞特性，液壓驅動系統的輸出壓力、力矩大，能夠滿足船舶大負載的工況。

3)由于流體不可壓縮，液壓回路中的元件慣性很小，從動作啟動到執行中間的響應很快，特別是液壓控制器的換向等操作。

4)液壓驅動系統能夠實現大范圍的無級調速，其它驅動形式難以實現。

5)由于液體介質具有吸振功能，液壓驅動當出現過載的情況時，可通過液壓蓄能器等部件進行過載保護，提高系統的安全性。

6)液壓元件易實行通用化、標準化和系列化，便于設計、制造、使用和海上維修。

與此同時，液壓系統的功率匹配也是一個需要重點關注的問題，隨著船舶液壓系統的復雜度提升，液壓系統柴油機的功率也在不斷提高，針對船舶不同的工況，對應的外負載也各不相同，當負載很低而柴油機處于大功率輸出時，液壓系統的功率損耗就會比較大。為了解決功率浪費的問題，本文設計液壓系統的功率智能匹配模塊。首先建立柴油機實際輸出功率為：

Me為 柴油機的實際輸出轉矩；Ne為 柴油機的實際轉速。

液壓泵的實際輸入功率方程為：

式中：MP為 液壓泵的輸入扭矩；nP為液壓泵的轉速[2]；Q為液壓泵的輸出流量；P為液壓泵的出口壓力。

本文設計的船舶液壓系統功率智能匹配模塊原理如圖3 所示。

圖3 船舶液壓系統功率智能匹配模塊原理圖Fig. 3 Power intelligent matching module schematic diagram of marine hydraulic system

液壓系統的功率匹配過程是通過采集負載信號，設計對應的液壓控制回路，實現柴油機輸出功率和泵輸入功率的平衡，即

2.2 船舶液壓系統的功率匹配模塊詳細設計

對船舶液壓系統的功率智能匹配模塊進行詳細設計，主要包括液壓源的選擇、恒壓控制回路、控制元件的選擇、液壓執行機構回路的設計等。

1)液壓源的選擇

設計過程結合的液壓系統實例為散貨船舶裝卸液壓系統，由于貨物負載隨著重量不斷發生變化，因此，選擇的液壓源為軸向柱塞式變量泵，包括1 臺大排量泵和1 臺小排量泵，驅動液壓泵的柴油主機功率為400 kW，包括主柴油機和副柴油機2 臺并聯使用。

2)液壓系統功率匹配的恒壓控制回路設計。

在功率匹配過程中，系統的恒壓控制主要讓負載持續在一段時間內保持穩定的工況，此時，恒壓閥和柱塞泵同時發生作用，當液壓系統的工作壓力增大到恒壓閥閾值時，油液可使活塞產生動作，降低變量泵的輸出流量，直到油液的壓力與恒壓閥的調定壓力相同時，變量泵的流量保持恒定。

液壓系統功率匹配的恒壓控制回路原理如圖4 所示。

圖4 液壓系統功率匹配的恒壓控制回路原理圖Fig. 4 Hydraulic system power matching constant pressure control circuit schematic

3)控制元件選擇

為了滿足船舶液壓系統的精確控制，控制回路的控制元件必須要具有良好的性能，常見的液壓系統控制包括電液比例控制和電液伺服控制2 種。考慮到船舶空間結構的復雜性及使用工況的惡劣程度，本文采用電液比例閥作為液壓系統的控制元件[3]。

電液比例換向閥通過檢測進油口和出油口的壓力實現液壓回路的控制，圖5 為電液比例換向閥的原理圖。

圖5 電液比例換向閥的原理圖Fig. 5 Schematic diagram of electro-hydraulic proportional directional valve

電液比例換向閥的閥芯動力方程為：

進行Laplace 變換可得：

式中：m為閥芯質量；D為阻尼系數；Ks為電流增益；Ky彈簧的剛度；KI為電磁鐵的剛度[4]； ζn， ωn分別為彈簧和閥芯的頻率。

4)液壓系統功率匹配的執行回路設計；

在設計散貨船的液壓系統功率匹配執行回路時，采用開式液壓回路，原理圖如圖6 所示。

圖6 液壓系統功率匹配的執行回路Fig. 6 Design of executive circuit for power matching of hydraulic system

3 結 論

船舶液壓系統的功率損耗特性與船舶能效密切相關，針對這一問題，本文結合液壓系統的功率特性，設計了一種液壓系統功率智能匹配的系統，從系統的控制回路設計、控制元件選取等方面進展開研究。