基于隨動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)距槳液壓系統(tǒng)分析

許海東

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300452)

基于隨動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)距槳液壓系統(tǒng)分析

許海東

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300452)

摘要：針對(duì)調(diào)距槳雙向穩(wěn)距的功能需求和常規(guī)液壓系統(tǒng)存在的不足，提出基于隨動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)距槳液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，對(duì)比隨動(dòng)系統(tǒng)和鎖止閥系統(tǒng)兩種不同的雙向穩(wěn)距設(shè)計(jì)方法。結(jié)果表明，基于隨動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)距槳液壓系統(tǒng)具有更可靠的穩(wěn)距和卸荷性能。

關(guān)鍵詞：調(diào)距槳；隨動(dòng)系統(tǒng)；雙向穩(wěn)距

目前國(guó)內(nèi)外幾乎所有的調(diào)距槳裝置都采用液壓系統(tǒng)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，利用液壓系統(tǒng)的變距高壓油驅(qū)動(dòng)槳轂油缸活塞，從而帶動(dòng)活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞桿通過滑塊使曲柄銷盤在槳轂體內(nèi)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而改變槳葉的螺距角[1]，適應(yīng)船舶各種不同工況的需求[2-3]。通常，自由航行船舶的調(diào)距槳裝置不需要具備雙向穩(wěn)距功能，但是，對(duì)于變距頻繁、穩(wěn)距時(shí)間長(zhǎng)、控制精度要求高的海洋工程船舶[4]，由于其工況要求，調(diào)距槳的液壓系統(tǒng)不僅需要實(shí)現(xiàn)螺距的快速響應(yīng)和精確控制，而且需要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間雙向穩(wěn)距和穩(wěn)距卸荷。但是，閥件和系統(tǒng)的內(nèi)泄漏對(duì)穩(wěn)距卸荷和長(zhǎng)時(shí)間雙向穩(wěn)距都會(huì)造成不利影響，系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。為此，擬通過基于隨動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)距槳液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、雙向穩(wěn)距工作原理分析，對(duì)比常規(guī)的雙向穩(wěn)距設(shè)計(jì)原理，解決船舶的調(diào)距槳裝置穩(wěn)距卸荷和長(zhǎng)時(shí)間的雙向穩(wěn)距功能需求，為海洋工程船舶的調(diào)距槳裝置設(shè)計(jì)提供參考。

1調(diào)距槳隨動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

某型調(diào)距槳隨動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意于圖1，隨動(dòng)控制閥集成設(shè)計(jì)于槳轂組件內(nèi)部，取代液壓動(dòng)力單元上的主換向閥，將槳轂油缸活塞的位移與閥芯位移設(shè)定為隨動(dòng)關(guān)系，閥芯的位置作為控制量和反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)槳葉螺距的隨動(dòng)控制和穩(wěn)定。

圖1　調(diào)距槳隨動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2隨動(dòng)系統(tǒng)調(diào)距槳液壓系統(tǒng)原理

基于隨動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)距槳正倒車變距實(shí)現(xiàn)過程見參考文獻(xiàn)[5]。液壓系統(tǒng)原理圖見圖2，其中A口為壓力油口；B口為回油口；H1為倒車變距伺服油缸控制油口；H2為正車變距伺服油缸控制油口。

圖2　基于隨動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)距槳液壓系統(tǒng)原理圖

隨動(dòng)控制閥閥芯的前后運(yùn)動(dòng)是通過H1和H2驅(qū)動(dòng)伺服油缸來帶動(dòng)的，詳細(xì)結(jié)構(gòu)見圖3。由于閥芯與閥套之間采用正開口(負(fù)重疊)，變距時(shí)，無論閥芯向前或者向后移動(dòng)，閥芯開口都會(huì)與閥套開口接通，使得壓力油進(jìn)入槳轂油缸的正、倒車腔推進(jìn)槳葉變距，而槳葉變距又始終是使閥套向著閥芯開口關(guān)閉的方向運(yùn)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)槳葉螺距變化與閥芯運(yùn)動(dòng)的隨動(dòng)控制。

如圖2所示，該液壓系統(tǒng)最核心的是2個(gè)液壓回路,即槳轂變距油缸回路和隨動(dòng)伺服回路，2個(gè)液壓回路均是閥控缸液壓回路。當(dāng)推動(dòng)隨動(dòng)控制閥芯的伺服油缸停在任意位置時(shí)，槳轂變距油缸的活塞均跟隨動(dòng)作，最終實(shí)現(xiàn)螺距的變化。2個(gè)液壓回路通過順序閥V3進(jìn)行隔離，順序閥設(shè)定壓力值一般在2.2～2.4 MPa，一方面保證在穩(wěn)距過程中較低的卸荷壓力，另一方面保證伺服回路始終保證一定的油壓，系統(tǒng)隨時(shí)處在待命狀態(tài)。

圖3　隨動(dòng)控制閥結(jié)構(gòu)

3調(diào)距槳的雙向穩(wěn)距設(shè)計(jì)

通常，為了使槳葉實(shí)際螺距與指令螺距保持基本一致，當(dāng)槳葉螺距變化超出允許誤差范圍時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)反復(fù)地發(fā)出糾正指令，使液壓系統(tǒng)頻繁地帶負(fù)荷工作，影響液壓系統(tǒng)元器件的使用壽命。

調(diào)距槳在整個(gè)任務(wù)剖面中變距和瞬時(shí)變距是短時(shí)間的，而調(diào)距槳的穩(wěn)距是長(zhǎng)時(shí)間需要保持的工作狀態(tài)。但是，調(diào)距槳裝置任何形式的配油器都具有一定的間隙，導(dǎo)致變距油缸的液壓油會(huì)從配油器不斷地泄漏，從而使槳葉螺距變化，導(dǎo)致實(shí)際螺距與指令螺距不一致。

3.1鎖止閥雙向穩(wěn)距功能實(shí)現(xiàn)

常規(guī)的雙向穩(wěn)距設(shè)計(jì)原理是保證變距油缸中的油液外泄，將雙向鎖螺距機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在配油器與變距油缸之間的油路上。調(diào)距槳采用雙向鎖止閥的穩(wěn)距機(jī)理見圖4。

圖4　調(diào)距槳雙向穩(wěn)距機(jī)理

穩(wěn)距時(shí)，配油環(huán)處正、倒車油口(B口和A口)均沒有壓力油，雙向穩(wěn)距機(jī)構(gòu)的2個(gè)液控單向閥都不會(huì)開啟，那么變距油缸的正倒車腔的液壓油處于密封狀態(tài)，就可以使槳葉螺距穩(wěn)定。

當(dāng)槳葉需要向正車變距時(shí)，B口通高壓油，A口通回油，B口的壓力油可以順利地通過液控單向閥流到變距油缸的B腔，同時(shí)變距油缸A腔的液壓油在B口的先導(dǎo)壓力控制下開啟液控單向閥后回流到配油環(huán)的A口。反之，倒車變距時(shí)原理也一樣。

鎖止閥雙向穩(wěn)距功能大大減少了因配油器泄漏而引起的調(diào)距動(dòng)作次數(shù)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)距性能。但是，其雙向穩(wěn)距性能取決于鎖止閥的泄漏，鎖止閥開啟和關(guān)閉時(shí)閥芯存在一定的沖擊。

3.2隨動(dòng)系統(tǒng)雙向穩(wěn)距功能實(shí)現(xiàn)

隨動(dòng)控制閥采用正開口，即使槳葉螺距沒有進(jìn)行操縱時(shí)，也有油流通過閥門。槳葉有改變螺距傾向時(shí)，主控閥套的位置改變，活塞一側(cè)的油壓立即增大，使槳葉螺距不能改變。

槳葉在任意螺距位置時(shí)，若槳葉在外力作用下或者由于配油器泄漏等原因產(chǎn)生螺距向倒車變化時(shí)，主控閥套的位置會(huì)隨著活塞一起向后運(yùn)動(dòng)，此時(shí)主控閥芯壓力油口打開，液壓油進(jìn)入槳轂油缸正車腔，正車腔油壓立即增大，活塞將在液壓油的作用下帶動(dòng)槳葉克服外力，自動(dòng)向原來的位置運(yùn)動(dòng)。反之亦然，即實(shí)現(xiàn)了任意螺距的穩(wěn)定。

在雙向穩(wěn)距功能實(shí)現(xiàn)上，隨動(dòng)系統(tǒng)是最可靠的，只要隨動(dòng)控制閥閥芯的位置不變，活塞就不會(huì)運(yùn)動(dòng)，槳葉螺距就能一直穩(wěn)定不變，從而實(shí)現(xiàn)了槳葉螺距的雙向穩(wěn)定。

4隨動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)距卸荷

在隨動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)距槳液壓系統(tǒng)中，不僅需要考慮調(diào)距時(shí)所需較高的變距油壓和較大的流量，而且要考慮在長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)距時(shí)系統(tǒng)壓力卸荷、減少液壓系統(tǒng)發(fā)熱的問題。

隨動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)距槳均采用正開口型式隨動(dòng)控制閥。如圖5所示，當(dāng)采用負(fù)開口時(shí)，由于流量增益具有死區(qū)，會(huì)引起螺距控制精度誤差累積，而零開口對(duì)加工精度要求較高，一般也不采用[6-7]。

圖5　不同開口型式的流量曲線

正開口型式隨動(dòng)控制閥具有在零位泄漏量大的特點(diǎn)，在滿足控制精度的前提下正開口量一般較大。通過隨動(dòng)控制閥的正開口，解決隨動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)距槳液壓系統(tǒng)在穩(wěn)距航行期間的卸荷問題。

5結(jié)論

1) 基于隨動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)距槳液壓系統(tǒng)通過正開口隨動(dòng)閥實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)螺距的穩(wěn)定平衡，解決了常規(guī)系統(tǒng)內(nèi)泄漏造成雙向穩(wěn)距時(shí)間短的難題，提高了調(diào)距槳系統(tǒng)的可靠性。

2) 基于隨動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)距槳液壓系統(tǒng)采用正開口隨動(dòng)閥，具有良好的穩(wěn)距卸荷功能，減少了液壓系統(tǒng)發(fā)熱和功率損失。

3) 基于隨動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)距槳液壓系統(tǒng)適用于長(zhǎng)時(shí)間雙向穩(wěn)距功能需求的海洋工程船舶，為適應(yīng)特殊船舶應(yīng)用提供了一種優(yōu)化的解決方案。

參考文獻(xiàn)

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[2] 李方川，王鵬，劉飛.可調(diào)螺距螺旋槳的特性分析[J].中國(guó)水運(yùn)，2008(1)：57-58.

[3] BEEK T. Improved controllable pitch propeller concept offers better vessel performance[J]. The ship power supplier,2004(2)：28-33.

[4] JENSSEN S. Offshore supply vessels call for versatile design[J]. The ship power supplier,2009(1)：12-15.

[5] 劉麗飛，衛(wèi)建兵，胡哲.某船可調(diào)螺距螺旋槳推進(jìn)裝置應(yīng)急系統(tǒng)改進(jìn)[J].船海工程，2009(2)：12-15.

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[7] 李壯云.液壓元件與系統(tǒng)[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

Analysis of CPP Hydraulic System Based on Servo System

XU Hai-dong

(CNOOC Energy Technology and Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China)

Abstract:Focusing on the function demand of CPP's bidirectional steady-state pitch and the shortage of conventional hydraulic system, the design idea of CPP hydraulic system is put forward based on the servo system. Two different design methods of bidirectional steady-state pitch for the servo system and dual-pilot check valves system are compared with. The result shows that the servo system has more dependability on steady-state pitch performance.

Key words:controllable pitch propeller; servo system; bidirectional steady-state pitch

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.018

收稿日期：2015-11-04

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2012AA09A20902)

第一作者簡(jiǎn)介：許海東(1978—)，男，學(xué)士，工程師 E-mail:xuhd@cnooc.com.cn

中圖分類號(hào)：U664.33

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2016)03-0076-04

修回日期：2016-05-12

研究方向:船舶及海洋工程