三峽升船機液壓系統運行減振節能優化分析

李明，陳新，龔國慶

（長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443000）

1 引言

液壓系統的運行普遍存在著壓力沖擊大、系統振動大、溢流熱能大等一系列問題，經過對液壓系統特征、運行參數數據和控制運行方式的分析研究，液壓系統的運行壓力曲線的壓力值P 和瞬時變化率，是影響系統壓力沖擊和振動的非常重要的源頭之一，可以作為衡量液壓系統振動沖擊大小的一種數學模型。目前的液壓系統運行控制主要關注于動作功能的實現、執行機構的速度控制和機構動作時間的控制等，但如何使液壓系統的運行參數在溢流壓力內，并保持平滑變化，是液壓系統減小壓力沖擊、減小振動，減少溢流發熱達到節能目的的一種可行的運行控制方法。

2 液壓系統啟動時的平穩控制分析

動力源采用比例變量泵，可以實時進行系統流量控制；控制閥組沿用已有的一系列控制閥件，用于系統的方向、壓力、流量等特征參數的控制；缸旁閥組沿用已有的保護閥件，用于系統運行的平穩和保護壓力等特征參數的控制；油缸/執行機構沿用已有的機構動作原理，用于液壓系統液壓能向機械能的轉換，同時將執行機構的負載實時反饋于液壓系統。

2.1 目前的液壓系統 大多采用如下控制方式

油泵輸出啟動后，系統電磁溢流閥得電建壓，同時換向閥得電機構動作，如圖1。

圖1 現有啟動運行方式

對于動力源為普通的常規變量泵或者比例泵輸出系數不合理的液壓系統，系統油泵輸出流量始終為機構最大運行速度Vmax時的流量Qmax，以一段具有彎曲角度質量為m 的不銹鋼管中流體為研究對象，在Δt 時間內，截面積為A 的流體段液壓沖擊波由截面1 傳至截面2，截面1 由P0升壓至壓力P1，流速為V1，如圖2。

圖2 彎曲管路流體

當系統啟動Δt 時間內，P2=0，V2=0，L 段流體的動量增量達到最大值，對管路的沖擊最大。由受力分析，系統啟動時，P2=0，外部沖量為：

同時，Q=Qmax,壓力則沖量增量I 會達到最大值。

這樣的啟動控制方式會造成，系統啟動時，系統啟動時機構負載較小，而系統建壓壓力較高，此時系統液壓能較高，換向閥動作時系統壓力根據負載反饋瞬間降至負載壓力，壓力P 的快速上升和下降導致啟動時有一部分液壓能轉化為了液壓系統的沖擊振動機械能，產生的液壓沖擊能量較大，造成系統運行的壓力沖擊等惡劣工況。

2.2 優化后的啟動控制方式

考慮到系統有可能出現非正常狀態，系統的正常運行邏輯要分下列兩種情況。在油缸處增加負載壓力傳感器P，以執行機構/油缸的實時負載值P負載作為目標值，同時將油缸缸旁平衡閥開啟壓力P平衡閥作為系統正常啟動的最小閾值，如圖3。

圖3 優化啟動運行方式

當P負載≥P平衡閥時，系統啟動建壓壓力P ≥P負載后，換向閥得電，機構動作；

當P負載＜P平衡閥時，系統啟動建壓壓力P≥P平衡閥后，換向閥得電，機構動作；

同時為達到此種動作模式的高響應要求，應該設計低流量加速區域Q加速，保證程序和電磁閥的動作響應與各系統的啟動加速流量Q加速相匹配，Q加速的具體數值應以各系統的管路尺寸參數等為基礎進行試驗調定。

3 液壓系統運行中的節能和故障預警控制分析

油缸或者執行機構的運行負載是復雜變化的，有可能出現負載突然變大，甚至卡阻等情況，較長時間地處于高溢流壓力運行，不僅對油缸和執行機構產生惡劣的受力工況，還是造成高壓溢流發熱。通常系統中主要采用壓力繼電器來進行壓力預警控制，但壓力繼電器的報警數值的富裕系數較大，且報警停機造成的系統振動沖擊較大。

如圖4，新的優化后運行控制方式采用油缸的負載速度反饋V油缸與系統動力源比例泵的流量供給Q 泵相比較匹配的方法，油缸速度對應的動作流量：

圖4 優化中間段運行方式

考慮到系統流量Q 檢測與壓力P 檢測具有振蕩和跳動性，數值的比較邏輯還需引入放大或縮小系數λ，以保證系統運行控制的穩定性。

當Q泵≥，P ≥時，控制動力源比例泵輸出Q泵減小，當出現極限工況卡阻時，控制比例泵Q泵一直減小，直至為0，系統停止運行，λ1、λ2和比例泵減小的幅度由試驗調定；

當Q泵≥時，控制動力源比例泵輸出Q泵減小，當出現極限工況較大漏油時，控制比例泵Q泵一直減小，直至為0，系統停止運行，λ3、λ4和比例泵減小的幅度由試驗調定。

此種優化運行控制方式能在機構卡阻、壓力異常、液壓滲漏等運行故障中起到預警作用，而且預警停機時不會造成較大的液壓沖擊振動，有利于系統運行工況的改善。

4 液壓系統停機時的減振控制分析

液壓系統目前的停機運行控制方式為，停機時控制閥組換向閥與系統溢流閥組同時失電，這種動作方式會造成控制閥組和油缸間管路中的高壓、高流速液壓油瞬間停止，實際中在控制閥組和油缸間的高壓困油會產生壓力振蕩，此處油液的液壓能通過溢流產生的熱能和振動沖擊產生的機械能等兩種方式釋放，并且主要轉化為振動沖擊產生的機械能，會造成系統管路及閥件的嚴重振動。

通過液壓系統的管路振動的檢測與分析，運行壓力值P 越大，越大，則振動越嚴重。對于大流量、大管徑的液壓系統，此種振動機理越嚴重，此種工況不適用于高壓、頻繁運行的液壓系統。

新的控制方式為系統到位信號停機時，將控制動力源油泵輸出Q泵=0，同時，系統溢流閥組失電泄壓，延時1s～2s 后，然后再控制閥組換向閥失電停機，如圖5。

圖5 優化停機運行方式

這樣的控制方式能使系統停機時管路中流體的液壓能通過系統壓力閥處零壓溢流，基本轉化為系統溢流時的熱能，溢流結束后，管路中的油液壓力P ≈0，油液的液壓能，系統流體沒有產生沖擊振動的液壓能，此種控制方式能極大地減小系統停機時的沖擊振動。

5 結論

（1）針對三峽升船機液壓系統沖擊振動的特點，找到了系統運行控制方式中造成沖擊振動工況的因素，以及對系統沖擊振動進行控制優化的介入點；

（2）針對三峽升船機液壓系統現有器件組成和運行控制方式中不合理的地方，通過理論分析、系統組成重構和運行控制方式優化策略分析，提出了在系統整個運行過程中的優化控制方式，以及其在減振、弱化液壓沖擊等方面能起到的預期作用，有利于液壓系統運行工況的改善。