船用多执行器负载敏感系统仿真

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

船用驱动系统由于负载较大、工况恶劣、可靠性要求高等原因，常采用液压驱动的方式。某船用液压系统为满足多执行器的驱 动要求及简化系统控制起见 ，采用 了定 量泵 蓄能器组成 的定压系统 。

该系统长时间运行表明，其工作稳定可靠，可满足驱动要求。但在运行过程中常出现冲击振动噪声较大等现象，经分析是因工作中负载变化大，在定压系统中易导致主阀进出口压差过大，从而引起液压冲击振动，这-因素也可导致系统的能耗增大。

负载敏感系统由于能 自动地将负载所需压力或流量的信号反馈给负载敏感阀或泵变量机构，使其压力发生变化，从而调整供油单元的运行状态。因其仅向系统提供负载所需的压力或流量，因而可最大限度地减少功率损失I4 ，同时主阀进出口的压差也可减小，从而降低过大压差带来的冲击振动。

因此拟对原液压系统进行改进 ，采用负载敏感的控制方式，在满足多执行器驱动的前提下，降低液压冲击和能耗。

本文 利 用 高 级 工 程 系 统 仿 真 环 境 软 件 平 台AMESim对改进前后的系统进行建模仿真，并对比改进前后的效果。

1 船用多执行器液压系统1.1 系统原理本文研究的某船用多执行器液压系统原理如图1所示。

系统包括 2个液压缸及相对应 的主阀、安全阀 ，采用定量泵和大容量蓄能器为油源。工作时先由蓄收稿 日期 ：2012-06-04；修 回日期 ：2012-07-27作者简介：骆海民(1966-)，男，硕士，高级工程师，研究方向为船舶工程。

第 4期 骆海民，等 ：船用多执行器负载敏感 系统仿真 ·95·能器供油，当蓄能器压力降低至设定的下限值时，定量泵启动，给负载供油和蓄能器充油。当压力上升到设定的上限值时，定量泵停止，再由蓄能器供油 ，如此往复工作 。

在这种工作模式中，由于控制定量泵启动/停止的设定压力下限值和上限值相差不大，系统可近似认为定压系统。为保证执行器驱动的需要，系统的压力须满足最大负载的要求，但由于负载在运行过程 中的波动较大 ，因而在很多工况下供油压力 远大于负载压力 ，导致主阀压损过大 和能量浪费 ，并带来液压冲击振动。

蓄能图 1 船用多执行器液压系统原理Fig.1 Schematic of shipboard multi-actuators hydraulic system1.2 仿真模型及参数AMESim是 IMAGINE公 司于 1995年推 出 的高级工程系统仿真环境软件平台，为流体动力、机械和控制系统等提供了完善、优越的仿真环境㈧，可广泛用于液压系统的仿真。图2所示为利用 AMESim图 2 仿真模型Fig.2 Simulation model软件平台建立的该系统仿真模型，模型主要元件的参数如表 1所示 。其 中执行 器 、主 阀、蓄能 器 、安全阀及定量泵等模型分别选择液压库中的对应元件。采用变步长仿真，误差 1×10～，仿真时间30 S。

表 1 主要元件参数Tab.1 Parameters of main components1.3 仿真结果图3所示为 1个工作循环 (活塞从液缸底部运动至末端，再回到底部为 1个工作循环)左执行器主阀进 出 口 (活塞伸 出时为 P-A，活塞缩 回时为P-B) 的压差 。由图可 以看到，主阀进出 口的压差均大于 40 bar，且随负载的波动变化很大 。

目 60喇 40出呈20稍0O 5 lO 15 20 25 30时间s图 3 压差 波动 图Fig.3 Fluctuation curve of pressure difference图4所示为 1个工作循环中负载所需功率与油源提供功率的对比，可见该系统存在较大的能量浪费。

403O2010 / ： 露 图 4 负载功率与油源功率对比Fig.4 Comparison of load power and oil supply power· 96· 舰 船 科 学 技 术 第 35卷2 多执行器负载敏感系统仿真2.1 系统原理为降低液压冲击和能耗，对原系统进行了改进，设计了如图5所示的采用负载敏感的液压系统，并采用压力补偿器进行分流流量控制。梭阀链将各执行器之间的最高负载压力反馈到变量泵 的变量机构，使泵的输出压力比该压力略高，以保证最高负载回路的驱动需要，当负载波动时，泵的输出压力随之变化。各执行器主阀进出口的压差由压力补偿器调节为给定值，通过对节流口开口面积的调节，就可以控制流过节流口的流量，从而使执行器的运动不受负载波动的影响，完全可控。

图 5 改进后 的液压系统原理Fig.5 Schematic of the improved hydraulic system2.2 仿真模型在 AMESim软件平台中建立改进后的液压系统仿真模型，如图6(a)所示；压力补偿器经过封装，其模型见图6(b)。

压力补偿器的工作原理如下 ：(p。-P：)A k ( 。- )-F 。 (1)式中：p 和p 为压力补偿器进出口压力；A 为作用面积；k 为弹簧刚度； 。和 为弹簧预压缩量和压缩量；F 为液动力。

按式(1)，利用 AMESim的 HCD库建立压力补偿器的模型。主要元器件的参数与表 1相同，压力X AP(b)压力补偿器模型图6 改进后液压系统仿真模型Fig.6 Simulation model of the improved hydraulic system补偿器的补偿压差为 1，4 MPa。

2.3 仿真结果图7所示为 1个工作循环左执行器主阀进 出口的压差。 由图可 以看到 ，与改进 前相 比，由于采用了负载敏感与压力补偿，主阀进出口的压差较小，且 随负载的波动很小，可有效减小液压冲击 。

童20喇詈10蜀 帮 00 5 lO l5 20 25 30时间，吕图 7 压差波动 图Fig.7 Fluctuation curve of pressure difference图8为 1个工作循环中负载所需功率与油源提供功率的对比，可见采用负载敏感后所需功率与提供功率匹配较好。

第 4期 骆海民，等 ：船 用多执行器负载敏感 系统仿真 ·97·3O耋20赫奄 1000 5 10 15 20 25 30时间，s图8 负载功率与油源功率对比Fig.8 Comparison of load power and 0il supply power3 结 语1)为降低船用多执行器液压系统的压力冲击和能耗 ，采 用 负 载 敏 感 技 术 对 系统 进 行 了 改 进设计。

2)利用 AMESim软件分别建立了原液压系统和改进后液压系统的仿真模型，仿真结果表明，与原系统相比，由于采用了负载敏感和压力补偿，改进后的液压系统主 阀进 出口的压差 大幅降低 ，且波动较小，有利于降低液压冲击；油源提供的功率与负载功率匹配较好，可有效减少系统能耗。