絞吸式挖泥船絞刀系統(tǒng)液壓沖擊研究

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(燕山大學(xué) 河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制實(shí)驗(yàn)室， 河北 秦皇島　066004)

引言

隨著沿海經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，絞吸式挖泥船的使用至今超過(guò)一百多年，英國(guó)早在1880年就已經(jīng)使用。絞吸式挖泥船的主要結(jié)構(gòu)是絞刀、泥泵和排泥管。這種挖泥船能夠連續(xù)挖泥，工作效率高，成本低，在國(guó)外的使用也比較廣泛。

目前，我國(guó)挖泥船有些采取整機(jī)購(gòu)進(jìn)的方式，或是從國(guó)外采購(gòu)?fù)谀啻闹饕考?，這些挖泥船的液壓系統(tǒng)都是由廠家直接提供，對(duì)其中的設(shè)計(jì)技術(shù)還是不了解，系統(tǒng)出現(xiàn)故障，也只能從原廠家購(gòu)進(jìn)或維修。但由于絞吸式挖泥船的工況惡劣，絞刀系統(tǒng)經(jīng)常遭受液壓沖擊，不僅增加了挖泥船的維修成本，還大大降低了挖泥船的工作效率，因此減小絞刀部分液壓系統(tǒng)的沖擊具有實(shí)際意義。

針對(duì)絞吸式挖泥船液壓系統(tǒng)吸收液壓沖擊不理想的問(wèn)題，在葉片泵出口安裝帶有單向節(jié)流閥的蓄能器。帶有單向節(jié)流閥的蓄能器，能很好的吸收液壓沖擊，并且能減小囊式蓄能器吸收沖擊后的反復(fù)振蕩。通過(guò)改變節(jié)流閥開(kāi)口的大小， 來(lái)實(shí)現(xiàn)最大限度減小系統(tǒng)存在的液壓振蕩?；贏MESim仿真研究平臺(tái)校驗(yàn)了改善后的系統(tǒng)性能，對(duì)比驗(yàn)證改善后的系統(tǒng)對(duì)液壓沖擊的吸收效果更好。在改善絞刀系統(tǒng)存在液壓沖擊的問(wèn)題后，還進(jìn)一步研究了管路對(duì)絞刀系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響，以便絞刀系統(tǒng)能選取最佳的管長(zhǎng)和管徑。

1　絞刀系統(tǒng)的壓力緩沖回路原理

絞吸式挖泥船的控制系統(tǒng)大多采用全液壓，泵組由多聯(lián)葉片泵組成，整個(gè)系統(tǒng)均由多組插裝閥控制。絞刀由絞刀馬達(dá)直接控制，工作時(shí)液壓泵直接向絞刀馬達(dá)供油，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)絞刀對(duì)淤泥進(jìn)行切割時(shí)，由于土質(zhì)不均，外負(fù)載變化劇烈，絞刀系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大的壓力沖擊。

絞刀系統(tǒng)的原液壓系統(tǒng)原理圖如圖1a，在絞刀系統(tǒng)中加上蓄能器后，蓄能器能較好的吸收液壓沖擊，液壓原理圖如圖1b，在蓄能器與絞刀系統(tǒng)管路之間連上單向節(jié)流閥，單向節(jié)流閥能減小蓄能器吸收完沖擊后存在振蕩的問(wèn)題，進(jìn)一步改善后的絞刀系統(tǒng)原理圖如圖1c。

2　絞刀壓力回路的AMESim仿真

AMESim有自己的應(yīng)用庫(kù)，應(yīng)用庫(kù)種類(lèi)齊全，可以在許多領(lǐng)域進(jìn)行建模和仿真。AMESim在進(jìn)行液壓領(lǐng)域的建模時(shí)，只要根據(jù)液壓原理圖的元件符號(hào)很容易就在液壓庫(kù)中找到相應(yīng)模型。

壓力控制插裝閥在AMESim中沒(méi)有可用的模型，通過(guò)對(duì)其分析原理可知，壓力控制插裝閥由插裝閥作為主閥，溢流閥作為先導(dǎo)閥實(shí)現(xiàn)壓力控制。參照絞刀系統(tǒng)的液壓原理圖所建AMESim模型如圖2所示。

由于液壓泵與單向閥和單向閥與蓄能器之間的管路對(duì)系統(tǒng)壓力沖擊有顯著影響，需要考慮這些管路的動(dòng)態(tài)特性。而對(duì)于AMESim，如想提高所建模型的準(zhǔn)確性需考慮相關(guān)模型的頻率，故這些管路選用HL40模型，其他管路對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性影響較小，故采用HL01模型。

3　絞刀壓力回路的仿真分析

參照實(shí)際系統(tǒng)，仿真參數(shù)設(shè)置如下：泵額定轉(zhuǎn)速n=1781 r/min，組泵額定排量q1=0.0587 L/min，q2=0.214 L/min，q3=0.138 L/min，三組蓄能器的充氣壓力V0=20 L，預(yù)充壓力p=80 bar，90 bar，100 bar。

對(duì)原系統(tǒng)仿真曲線加以分析。將絞刀系統(tǒng)的模型建立完成后，對(duì)馬達(dá)加載，模擬實(shí)際工況，負(fù)載輸入信號(hào)與實(shí)際工作時(shí)的負(fù)載變化相似。由于絞刀系統(tǒng)所產(chǎn)生的液壓沖擊，就是負(fù)載的突變，故可以通過(guò)突然增大的力矩信號(hào)模擬壓力沖擊。由于絞刀實(shí)際工作時(shí)，土質(zhì)硬度有所不同，負(fù)載變化頻繁，導(dǎo)致作用在絞刀上的力矩也會(huì)有經(jīng)常變化。當(dāng)遇到較硬土質(zhì)時(shí)，作用在馬達(dá)上的力矩會(huì)突然增大，由于負(fù)載決定系統(tǒng)壓力，所以絞刀部分的液壓系統(tǒng)的壓力會(huì)瞬間升高，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生壓力沖擊，土質(zhì)硬度越大，系統(tǒng)所產(chǎn)生的壓力沖擊就會(huì)越大，對(duì)泵的損害也會(huì)越大。得到各泵出口的壓力曲線如圖3a所示。

從圖3b可以看出，蓄能器對(duì)絞刀系統(tǒng)的壓力沖擊有很好地吸收作用，但是由于蓄能器快速地吸收完高壓油后，隨著系統(tǒng)壓力的降低，蓄能器又迅速的將油液釋放出去，而油液在單向閥處停止，且越積越多， 但是壓力值仍小于蓄能器值，這時(shí)油液又向蓄能器流動(dòng)并發(fā)生壓力沖擊，形成頻繁振蕩。

圖2　AMESim仿真模型圖

圖3　絞刀系統(tǒng)的仿真曲線

從圖3c可以看出，當(dāng)蓄能器吸收完沖擊后系統(tǒng)頻繁振蕩是由于蓄能器釋放液壓油過(guò)快，所以應(yīng)在蓄能器釋放液壓油時(shí)增大液阻，減緩液流的釋放速度，可以將蓄能器的入口處安裝單向節(jié)流閥。適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)節(jié)流閥開(kāi)口大小來(lái)更好地減少系統(tǒng)存在的振蕩問(wèn)題。

把單向節(jié)流閥連接在囊式蓄能器的入口處，并對(duì)單向節(jié)流閥的開(kāi)口加以合理調(diào)節(jié)，可以達(dá)到改善系統(tǒng)振蕩的問(wèn)題。當(dāng)絞刀系統(tǒng)產(chǎn)生液壓沖擊時(shí)，液壓油能夠通過(guò)單向閥順利進(jìn)入蓄能器內(nèi)部，而當(dāng)絞刀系統(tǒng)壓力減小時(shí)，由于節(jié)流閥開(kāi)口的節(jié)流阻尼控制，液阻增加，振蕩得到了很好的控制，壓力波也得到了明顯衰減。

泵出口壓力最大值由179 bar減小到了143 bar，與正常工作壓力110 bar計(jì)算，沖擊峰值由69 bar減小到了33 bar，減小了53.2%，蓄能器吸收液壓沖擊效果顯著。

4　絞刀系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)是在絞吸式挖泥船港航浚5上進(jìn)行的，針對(duì)絞刀系統(tǒng)工作時(shí)采集各泵壓力曲線，通過(guò)分析壓力曲線來(lái)找出減小挖泥船工作時(shí)產(chǎn)生的壓力沖擊。通過(guò)壓力傳感器對(duì)港航浚5的絞刀系統(tǒng)原系統(tǒng)與加完蓄能器的液壓系統(tǒng)分別記錄葉片泵的出口曲線。將實(shí)驗(yàn)取得的曲線與仿真后的曲線比較分析，驗(yàn)證理論分析和仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。如圖4a黑色曲線所示，各泵出口的仿真曲線和實(shí)驗(yàn)曲線。

圖4　實(shí)驗(yàn)曲線與仿真曲線對(duì)比

圖4a和圖4b是原系統(tǒng)和依據(jù)原系統(tǒng)所建模型未改善前所得的壓力曲線，比較圖4a和4b可知，實(shí)驗(yàn)曲線顯示，葉片泵出口壓力最大值為177 bar，而仿真所得曲線壓力最大值為179 bar，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真所得數(shù)據(jù)基本吻合，但是還是存在些許差異，主要是由于對(duì)絞刀系統(tǒng)建模時(shí)簡(jiǎn)化很多液壓模型參數(shù)，所以仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在差異。

從圖4c和4d可以看出，對(duì)絞刀系統(tǒng)進(jìn)行改善，實(shí)測(cè)最大壓力值為145 bar，仿真所得壓力最大值為143 bar，對(duì)比可得，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真所得數(shù)據(jù)基本吻合。

時(shí)下，簡(jiǎn)政并節(jié)制政府支出，無(wú)疑乃當(dāng)務(wù)之急。發(fā)達(dá)國(guó)家的行政支出可能占財(cái)政支出的10%左右，中國(guó)大約在20%以上。這么高的行政支出是不是必要？是不是用得都合理？其實(shí)有很多不合理的地方。比如說(shuō)，我們政府機(jī)構(gòu)很臃腫，機(jī)構(gòu)很多，好幾套班子，領(lǐng)導(dǎo)干部一個(gè)正職，七八個(gè)、十來(lái)個(gè)副職，人浮于事。多年來(lái)未能解決，常常是精簡(jiǎn)了又膨脹，“廟多神多，香火錢(qián)多”，諸多政府支出不盡合理，壓縮空間很大。

綜上所述，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果存在不同的原因加以分析，主要是因?yàn)椋寒?dāng)對(duì)液壓系統(tǒng)建模時(shí)，對(duì)好多液壓模型參數(shù)模都進(jìn)行了簡(jiǎn)化，如系統(tǒng)中油液壓縮性、油液含氣量、軟管的壓縮性等，導(dǎo)致仿真時(shí)與實(shí)際存在些許差異，這些需要進(jìn)一步分析研究。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)分析可得，在系統(tǒng)中安裝蓄能器能很好地吸收由于土質(zhì)等原因引起的壓力沖擊，并通過(guò)比較實(shí)驗(yàn)曲線和數(shù)據(jù)與第四章所得泵出口壓力曲線和數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了第四章仿真模型的正確性。

5　結(jié)論

應(yīng)用AMESim軟件對(duì)絞刀系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真。經(jīng)對(duì)仿真和實(shí)驗(yàn)曲線分別分析可得出以下結(jié)論。

(1) 絞刀系統(tǒng)中安裝蓄能器后，雖然絞刀系統(tǒng)壓力最大值有所減小，但是系統(tǒng)振蕩比較頻繁，對(duì)系統(tǒng)仍有較大的損害。

(2) 在囊式蓄能器前安裝單向節(jié)流閥，合理的調(diào)節(jié)節(jié)流閥開(kāi)口的大小，不僅能有效地吸收液壓沖擊，而且能減小絞刀系統(tǒng)中存在振蕩頻繁的問(wèn)題。

[1]趙航.蓄能器減小液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓沖擊的試驗(yàn)研究[D]. 長(zhǎng)安: 長(zhǎng)安大學(xué), 2006:8-15.

[2]陸超. 利用蓄能器減小液壓沖擊的仿真和實(shí)驗(yàn)研究[D]. 南京: 南京農(nóng)業(yè)大學(xué), 2010: 5-10

[3]JEONG K. Quantitative Analysis Flow inside the Accumulator of a Rotary Compressor[J]. International Journal of Refrigeration, 2003, 26(1): 321-327.

[4]權(quán)凌霄, 孔祥東, 高英杰, 等. 不考慮進(jìn)口特性的蓄能器的吸收沖擊理論及試驗(yàn)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2007,43(9): 28-32.

[5]劉亞波,成建平,姚平喜. 一種新型液壓制動(dòng)閥的原理與性能研究[J]. 液壓與氣動(dòng),2014,(10):103-106.

[6]繆雄輝,羅福勝,徐金云. 先導(dǎo)式換向閥的仿真與試驗(yàn)研究[J]. 液壓與氣動(dòng),2013,(12):55-57.