雙排量馬達(dá)排量切換時(shí)間對收放裝置平穩(wěn)性的影響分析

陳卓 董朋鵬 王家鑫

（1.海軍駐杭州地區(qū)軍事代表室，杭州，310023）（2.第七一五研究所，杭州，310023；3.海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局，上海，201206）

雙排量馬達(dá)的排量切換時(shí)間對收放裝置平穩(wěn)性具有重要影響。雙排量馬達(dá)的排量可以根據(jù)工作需要在半排量和全排量之間切換，能夠滿足小負(fù)載高速收放和大負(fù)載低速收放的使用要求，因此廣泛應(yīng)用在聲吶、溫鹽深測試儀、海洋地質(zhì)取樣儀等海洋科考船的收放裝置中。

海洋科考儀器屬于精密儀器，對收放過程的平穩(wěn)性具有較高要求，因此，如何提高收放裝置平穩(wěn)性、減少收放過程中產(chǎn)生的沖擊，是目前各類收放裝置的研究重點(diǎn)。波浪補(bǔ)償起艇絞車[1]、具有升沉補(bǔ)償功能的半主動式液壓絞車[2]、自適應(yīng)波浪動態(tài)補(bǔ)償液壓絞車[3]等都是通過波浪補(bǔ)償?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)平穩(wěn)收放。有研究者基于閥口結(jié)構(gòu)建立了高速液壓絞車的數(shù)學(xué)模型，探討了降低收放過程沖擊振動的相關(guān)措施[4]。還有研究者對液壓盤式剎車的控制策略進(jìn)行數(shù)字仿真，探究減緩收放絞車起停沖擊的理論和方法[5]。本文以雙排量馬達(dá)收放裝置液壓系統(tǒng)為研究對象，分析排量切換時(shí)間對收放平穩(wěn)性的影響，并提出排量切換時(shí)間與馬達(dá)剎車時(shí)間匹配的收放控制流程，以消除重載收放時(shí)收放裝置平穩(wěn)性較差的現(xiàn)象。

1 雙排量馬達(dá)收放液壓系統(tǒng)

具有重載收放能力的雙排量馬達(dá)收放液壓系統(tǒng)原理圖見圖1。圖中，馬達(dá)排量通過獨(dú)立的控制油路進(jìn)行切換，當(dāng)收放系統(tǒng)不工作時(shí)，馬達(dá)處于全排量狀態(tài)；當(dāng)收放系統(tǒng)負(fù)載較輕時(shí)，馬達(dá)處于半排量狀態(tài)；當(dāng)收放系統(tǒng)負(fù)載較重時(shí)，馬達(dá)可根據(jù)需要切換至全排量狀態(tài)。圖中編號示意分別為：1-雙排量馬達(dá)；2-馬達(dá)編碼器；3-壓力傳感器；4-安全閥；5-平衡閥；6-梭閥；7-排量切換調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥；8-剎車調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥；9-比例方向閥；10-壓力補(bǔ)償器；11-補(bǔ)油閥；12電磁換向閥。

圖1 雙排量馬達(dá)收放液壓系統(tǒng)原理圖

雙排量馬達(dá)收放液壓系統(tǒng)的控制流程如圖 2所示。正常情況下，馬達(dá)處于半排量收放狀態(tài)，當(dāng)收到停止指令后，控制器先使比例方向閥回中位，在T1時(shí)刻發(fā)出剎車動作指令（剎車動作時(shí)間為Δt1），T2時(shí)刻發(fā)出排量切換指令（排量切換時(shí)間為Δt2），最終實(shí)現(xiàn)收放裝置停止。

圖2 雙排量馬達(dá)收放裝置停止控制流程

2 收放停止過程試驗(yàn)分析

采用雙排量馬達(dá)收放液壓系統(tǒng)進(jìn)行收放試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)實(shí)際使用的控制程序中關(guān)于時(shí)間參數(shù)的設(shè)置如下：Δt1=3.0 s（從下達(dá)剎車指令至完全剎車的時(shí)間），Δt2=2.5 s（從下達(dá)排量切換指令至完成排量切換的時(shí)間），T2?T1=0.5 s（剎車指令下達(dá)后0.5 s下達(dá)排量切換指令）。

試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。在試驗(yàn)過程中，可以看到明顯的負(fù)載下墜現(xiàn)象，圖3中也可以看到由于負(fù)載下墜而產(chǎn)生的壓力沖擊。事實(shí)上，為了防止負(fù)載下墜，圖1所示的液壓系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了平衡閥。在有平衡閥的情況下，仍發(fā)生負(fù)載下墜，說明剎車過程或馬達(dá)半排量切換至全排量的過程中，發(fā)生了馬達(dá)平衡閥側(cè)壓力下降的現(xiàn)象。由圖1所示的原理圖可知，馬達(dá)盤式剎車油路相對獨(dú)立，不會引起馬達(dá)平衡閥側(cè)的壓力下降。

圖3 不平穩(wěn)的負(fù)載停止過程試驗(yàn)曲線

對馬達(dá)排量切換回路進(jìn)行分析，可知馬達(dá)排量切換是在一個液控兩位五通換向閥的控制下完成的。當(dāng)換向閥的先導(dǎo)油口壓力為10～30 bar時(shí)（在液壓傳動專業(yè)術(shù)語中，壓強(qiáng)一般被稱為壓力，常用單位有Pa、bar、MPa，其中1 bar=0.1 MPa），換向閥工作在右位，馬達(dá)處于半排量狀態(tài)；當(dāng)換向閥的先導(dǎo)油口壓力為0～10 bar時(shí)，換向閥工作在左位，馬達(dá)處于全排量狀態(tài)。換向閥實(shí)際工作時(shí)，還存在過渡位，如圖4所示。

圖4 排量切換閥工作原理

由圖4可知，在排量切換閥控制油口壓力降低的過程中（用時(shí)2.5 s，馬達(dá)由半排量切換至全排量），換向閥處于過渡位，馬達(dá)兩個油口之間相互連通，且同時(shí)與外部管路連通。在這種情況下，馬達(dá)平衡閥側(cè)的壓力容腔體積變大，根據(jù)靜液壓傳動原理，此時(shí)用于支撐負(fù)載的平衡閥側(cè)壓力將會降低，外在的宏觀表現(xiàn)即為負(fù)載下墜。在排量切換閥完成排量切換后，馬達(dá)平衡閥側(cè)的壓力容腔與外部管路系統(tǒng)再次隔離，壓力容腔體積變小，用于支撐負(fù)載的平衡閥側(cè)壓力將會增大，具體表現(xiàn)為圖3所示的壓力沖擊。

3 收放流程優(yōu)化及試驗(yàn)分析

為解決上述問題，減小重載收放過程中的沖擊，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)收放，對圖2所示的雙排量馬達(dá)收放裝置停止控制流程進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的控制流程見圖5。優(yōu)化原則為：馬達(dá)排量切換時(shí)間與馬達(dá)剎車時(shí)間互相匹配，保證在馬達(dá)剎車完成后，再進(jìn)行半排量至全排量的切換流程。在這種情況下，負(fù)載由馬達(dá)剎車支撐，馬達(dá)平衡閥側(cè)的壓力容腔體積變化對系統(tǒng)壓力無影響，馬達(dá)排量切換不會引起沖擊，停止過程平穩(wěn)。

圖5 優(yōu)化控制流程

對優(yōu)化后的雙排量馬達(dá)收放液壓系統(tǒng)進(jìn)行收放試驗(yàn)，優(yōu)化后控制程序中關(guān)于時(shí)間參數(shù)的設(shè)置如下：Δt1=3.0 s，Δt2=2.5 s，T2?T1=4.0 s（滿足T1+Δt1＜T2的判定條件）。

試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，在試驗(yàn)過程中，明顯的負(fù)載下墜現(xiàn)象不再發(fā)生，圖6中也未發(fā)生壓力沖擊，實(shí)現(xiàn)了雙排量馬達(dá)液壓系統(tǒng)的平穩(wěn)收放。

圖6 平穩(wěn)的負(fù)載停止過程試驗(yàn)曲線

4 結(jié)論

（1）在雙排量馬達(dá)切換排量過程中，排量切換閥的過渡位機(jī)能容易誘發(fā)液壓沖擊，使收放過程不平穩(wěn)。采用馬達(dá)排量切換時(shí)間與馬達(dá)剎車時(shí)間相匹配的解決方法，可有效消除液壓沖擊，對此類液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有工程參考意義。

（2）下一步工作可圍繞排量切換閥過渡位時(shí)馬達(dá)平衡閥壓力容腔變化展開，進(jìn)行參數(shù)化數(shù)學(xué)建模、仿真分析和試驗(yàn)校準(zhǔn)，量化排量切換時(shí)的液壓沖擊，為液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

[1]劉賀, 李彬, 胡曉東. 波浪補(bǔ)償起艇絞車的研究[J]. 船舶與海洋工程，2008,(2):30-31.

[2]劉美英. 半主動式液壓絞車升沉補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 中國石油大學(xué), 2013.

[3]孫影. 自適應(yīng)波浪動態(tài)補(bǔ)償液壓絞車及成套控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)[J]. 流體傳動與控制, 2013,(4):12-14.

[4]徐濤, 楊曙東, 方德魁, 等. 基于閥口結(jié)構(gòu)的高速液壓絞車動態(tài)特性分析[J]. 液壓與氣動, 2014,(7):124-129.

[5]周豐. 液壓盤式剎車 ABS控制策略及數(shù)字仿真[D].長江大學(xué), 2012.