一種深海作業(yè)級ROV用電控負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)

于會民，劉可安，張定華

（1.上海中車艾森迪海洋裝備有限公司，上海 200120；2.株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際需求輸出相應(yīng)的壓力和流量（即在負(fù)載所需的工作壓力下僅提供維持系統(tǒng)壓力所需要的流量），并根據(jù)不同的負(fù)載和工況調(diào)節(jié)輸出的壓力和流量，具有能源節(jié)約、效率高的優(yōu)點(diǎn)[1-3]。負(fù)載壓力傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和速度是影響液壓系統(tǒng)性能的重要因素，而負(fù)載壓力一般通過單獨(dú)的控制油路傳輸至負(fù)載敏感泵控制口，傳輸過程中易因管道過長而產(chǎn)生較大的壓降，同時還會出現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)滯后等問題[4-6]。對此，近年來設(shè)計師們利用壓力傳感技術(shù)和電比例控制技術(shù)研發(fā)了電控負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于折臂式海工起重機(jī)等高端液壓裝備，相關(guān)技術(shù)也日趨成熟[7-8]。本文設(shè)計了一種可用于深海作業(yè)級遙控潛水器（remotely operated vehicle, ROV）推進(jìn)系統(tǒng)和工具系統(tǒng)的電控負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)，其控制方式更加靈活，兼具負(fù)載敏感模式和電控恒壓模式，可根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行自由切換。

1 傳統(tǒng)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)缺陷的分析

負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)通過負(fù)載敏感泵自帶的壓力-流量補(bǔ)償閥及彈簧復(fù)位機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)壓力控制；利用液壓油流經(jīng)節(jié)流閥產(chǎn)生的壓差來進(jìn)行流量控制 。本文通過分析液壓油流經(jīng)節(jié)流孔的特性，從理論上研究負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)存在的不足。圖1示出液壓油流經(jīng)節(jié)流孔的液流情況，其中Q為液壓油流量；ρ為液壓油密度；p1為A1斷面處壓力，p2為A2斷面處壓力，pin為節(jié)流閥前壓力，pout為節(jié)流閥后壓力；Ain為閥口面積，Aout為縮流斷面面積，A1為上端斷面面積，A2為下端斷面面積；v1為A1斷面處液壓油流速，v2為A2斷面處液壓油流速，vin為節(jié)流閥前液壓油流速，vout為節(jié)流閥后液壓油流速。

圖1 節(jié)流孔液流Fig.1 Flow at ori fice

將Aout和A1列寫入伯努利方程，整理后可得流量計算公式：

定義收縮系數(shù)：

則理想液體的流量計算式為

考慮到實(shí)際液壓油的黏性摩擦阻力，流量計算時需增加一個修正系數(shù)Cv；另外，在工程應(yīng)用中，pout難以被測量，一般使用p2替代[11]，則流量公式為

式中：Cq——流量系數(shù)。

由式（4）可以看出，對液壓系統(tǒng)常用的滑閥而言，Ain為固定值，液壓油流量Q取決于Cq、閥口面積Ain和壓差（p1-p2），而Cq是Ain和雷諾數(shù)的函數(shù)，因此流經(jīng)節(jié)流閥的流量取決于閥口面積Ain和滑閥的前后壓差（p1-p2）。對傳統(tǒng)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)而言，節(jié)流閥的閥后壓力作為負(fù)載壓力在傳輸過程中會出現(xiàn)壓力降低情況，即液壓泵接收到的控制壓力不準(zhǔn)確，因此系統(tǒng)的輸出壓力會出現(xiàn)偏差；系統(tǒng)的輸出壓力即節(jié)流閥閥前壓力的偏差量還會導(dǎo)致節(jié)流閥壓差的實(shí)際值與目標(biāo)值之間存在偏差，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的流量控制不準(zhǔn)確。

2 ROV用電控負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)

ROV（圖2）是深?？碧胶妥鳂I(yè)的必備裝備，其推進(jìn)系統(tǒng)要求液壓系統(tǒng)提供恒定、較高的壓力以確保充足的動力供應(yīng)，當(dāng)負(fù)載壓力較小時，冗余的壓力將通過發(fā)熱消耗在閥口；其工具系統(tǒng)要求液壓系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)工具的需求提供對應(yīng)的壓力和流量。由于ROV的推進(jìn)系統(tǒng)和工具系統(tǒng)的動力源均來自同一個液壓動力單元，因此ROV對液壓系統(tǒng)的控制方式提出了多樣性的要求，而傳統(tǒng)的負(fù)載敏感系統(tǒng)已無法滿足要求。

圖2 ROV系統(tǒng)組成Fig.2 Components of ROV system

圖3 電控負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)Fig.3 Electronically controlled load-sensitive hydraulic system

針對傳統(tǒng)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)的缺點(diǎn)，本文設(shè)計了一種電控負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)（圖3），其優(yōu)點(diǎn)在于無需將遠(yuǎn)程負(fù)載端的壓力通過液壓管路傳輸至液壓泵的壓力控制口，消除了液壓沿程阻力等干擾因素，控制精度更高；因用于壓力控制的比例閥靠近液壓泵端，故系統(tǒng)響應(yīng)速度更快；系統(tǒng)兼具負(fù)載敏感模式和電控恒壓模式，控制方式更加靈活。當(dāng)推進(jìn)器單獨(dú)工作時，該系統(tǒng)默認(rèn)使用電控恒壓模式；當(dāng)作業(yè)工具系統(tǒng)單獨(dú)工作時，系統(tǒng)默認(rèn)使用負(fù)載敏感模式；當(dāng)推進(jìn)器和作業(yè)工具同時動作時，可以根據(jù)需求進(jìn)行模式設(shè)置，需注意的是，負(fù)載敏感模式下的負(fù)載壓力取壓力傳感器（圖3中傳感器11和傳感器12）中數(shù)值較大者。

負(fù)載敏感液壓泵是負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)的核心元件，本設(shè)計選擇斜盤式變量柱塞泵，其變量控制機(jī)構(gòu)包含了壓力-流量補(bǔ)償閥、壓力切斷閥和伺服活塞。壓力-流量補(bǔ)償閥的左端是液壓泵的輸出壓力，右側(cè)是控制壓力和彈簧力（2 MPa）的疊加。壓力切斷閥實(shí)際也是一種恒壓變量控制方式，當(dāng)液壓泵的輸出壓力達(dá)到壓力切斷閥的設(shè)定壓力時，液壓泵的排量向最小排量方向調(diào)節(jié)，這也起到了安全保護(hù)的作用。本設(shè)計通過壓力傳感器（圖3中傳感器11和12）實(shí)時監(jiān)測負(fù)載壓力，通過由單向節(jié)流閥和比例溢流閥組成的液壓回路模擬出負(fù)載端的壓力，并將壓力作用于負(fù)載敏感液壓泵的X口。待機(jī)狀態(tài)液壓泵的輸出壓力為系統(tǒng)背壓加壓力-流量補(bǔ)償閥的彈簧壓力，液壓泵的輸出流量僅用于補(bǔ)償系統(tǒng)泄露。實(shí)際工作狀態(tài)下，控制方式可以根據(jù)需要設(shè)置為電控恒壓（高壓冗余）或電控負(fù)載敏感等控制方式。對于流量控制，系統(tǒng)根據(jù)比例閥組或伺服閥組的開口和壓差感知流量需求，并最終通過壓力信號的形式反饋至負(fù)載敏感泵的X口，控制液壓泵排量相應(yīng)地變化。

電控負(fù)載敏感液壓泵系統(tǒng)還包含了溢流閥以及監(jiān)測液壓泵輸出壓力的壓力傳感器（圖3中傳感器9）。為消減主油路的液壓脈動，在液壓泵出口油路設(shè)置了蓄能器，系統(tǒng)的執(zhí)行元件為雙作用液壓油缸或液壓馬達(dá)。

3 控制策略

電控負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)的控制策略如圖4所示，壓力傳感器1和壓力傳感器2分別監(jiān)測液壓執(zhí)行件1和執(zhí)行件2的工作壓力，兩個傳感器的壓力值被輸入至控制器并取數(shù)值較大者作為負(fù)載壓力用于控制，然后控制器輸出與負(fù)載壓力值對應(yīng)的電流至比例溢流閥模擬出負(fù)載壓力p′LS。p′set為圖3中液壓泵壓力補(bǔ)償閥預(yù)設(shè)彈簧力所對應(yīng)的壓力，p′out為液壓泵出口壓力。當(dāng)p′out＜p′LS+p′set時，壓力補(bǔ)償閥處于右側(cè)位，液壓泵排量將向大排量調(diào)節(jié)，使輸出流量增大并使得液壓泵與主控閥之間的壓力增大；當(dāng)p′out≥p′LS+p′set時，液壓泵壓力補(bǔ)償閥處于左側(cè)位，液壓泵排量將向最小排量調(diào)節(jié)，輸出流量僅用于系統(tǒng)潤滑。手柄開度正比于主控閥的流量輸出，當(dāng)手柄處于某一開度時流量需求建立，液壓泵根據(jù)p′out與p′LS+p′set壓力大小的比較控制液壓泵斜盤在某一位置處于動態(tài)平衡狀態(tài)；需求變化時，負(fù)載敏感系統(tǒng)通過壓力感知變化，并通過壓力控制液壓泵排量變化實(shí)現(xiàn)新的動態(tài)平衡。

圖4 電控負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)控制策略Fig.4 Control strategy of the electronically controlled loadsensitive hydraulic system

4 電控負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)的性能仿真分析

為驗(yàn)證設(shè)計的電控負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)的可行性，包括比例溢流閥模擬負(fù)載壓力的實(shí)現(xiàn)過程、電控負(fù)載敏感模式和電控恒壓模式的實(shí)現(xiàn)方式、輸出流量的穩(wěn)定性等，使用液壓仿真軟件進(jìn)行仿真分析，并針對執(zhí)行元件為液壓油缸的回路，建立了電控負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)簡化仿真模型[12]，具體如圖5所示。使用仿真軟件自帶的壓力補(bǔ)償器模型對三位四通換向閥進(jìn)行壓力補(bǔ)償控制,負(fù)載壓力（圖5中傳感器13）的反饋回路通過PID控制器控制比例溢流閥設(shè)定的壓力值，控制目標(biāo)是使作用于泵端X口的壓力與負(fù)載壓力保持一致。當(dāng)使用電控恒壓控制模式時，通過模式選擇信號④控制信號開關(guān)⑤的通斷，將信號開關(guān)⑤的輸入信號由PID控制器③切換為控制信號⑥。

圖5 電控負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)仿真模型Fig. 5 Simulation model of the electronically controlled loadsensitive hydraulic system

4.1 定義邊界條件

圖5示出信號參數(shù)的定義如表1所示，圖中主要部件參數(shù)的定義如表2所示。

表2 主要部件參數(shù)Tab. 2 Main component parameters

4.2 仿真分析結(jié)果

選擇負(fù)載敏感模式運(yùn)行仿真軟件，利用PID控制器與比例溢流閥（圖5）模擬出負(fù)載壓力和實(shí)際負(fù)載壓力，見圖6?？梢钥闯?，當(dāng)負(fù)載施加后，負(fù)載壓力迅速上升且呈正弦變化狀態(tài)，而電控系統(tǒng)模擬出的負(fù)載壓力經(jīng)調(diào)整與實(shí)際負(fù)載壓力保持一致。

圖6 負(fù)載壓力與模擬負(fù)載壓力Fig.6 Load pressure and simulated pressure

在負(fù)載敏感模式下，研究負(fù)載敏感閥閥前壓力和閥后壓力的差值，并將兩個壓力值的仿真結(jié)果繪制成圖7所示的壓力曲線。由圖示曲線可以看出，在0～2 s時刻（啟動階段），閥前與閥后壓差逐漸增大；在2 s時刻后，壓差穩(wěn)定在2 MPa左右。

圖7 換向閥的閥前、閥后壓力Fig.7 Front and rear pressure of reversing valve

圖8 示出液壓閥在波動負(fù)載的作用下流量隨時間的變化曲線，其采樣周期為0.01 s。0～0.17 s期間，流量從0逐漸增大，響應(yīng)速度較快；0.17 s時刻后，流量趨于穩(wěn)定。流量的算術(shù)平均偏差σ如式（5）所示，依此來衡量流量的波動率，分析0.18～20 s期間（共1 983個采樣點(diǎn)）流量的穩(wěn)定性，可得σ≈1.51%，即在負(fù)載壓力波動±30%的情況下，液壓閥輸出流量的波動率僅1.51%，可以看出液壓執(zhí)行件的速度受負(fù)載變化的影響很小。

圖8 液壓油缸流量曲線Fig.8 Flow of the hydraulic cylinder

切換模式選擇信號設(shè)定值，將系統(tǒng)由電控負(fù)載敏感模式切換為電控恒壓模式，系統(tǒng)輸出的壓力值由圖5中信號⑥施加電流信號給比例溢流閥9。運(yùn)行仿真軟件后，將負(fù)載壓力、液壓泵控制壓力和液壓泵輸出壓力繪制成如圖9所示的壓力曲線?？梢钥闯觯?～1 s期間，泵輸出壓力和泵控制壓力同時迅速升高，1 s后泵輸出壓力始終高于泵控制壓力2 MPa，且兩者均各自保持為恒定值，不受負(fù)載壓力變化的影響；同時，負(fù)載壓力始終低于泵的輸出壓力，因此泵的壓力輸出有一定的冗余。電控恒壓控制模式的優(yōu)勢是通過壓力冗余設(shè)計使液壓執(zhí)行元件（液壓馬達(dá)或液壓油缸）驅(qū)動負(fù)載時保持充足的動力供應(yīng)，對ROV的推進(jìn)系統(tǒng)而言，就是使推進(jìn)器始終保持充足的動力供應(yīng)。

圖9 泵壓、控制壓力和負(fù)載壓力對比Fig.9 Comparison of pump pressure, control pressure and load pressure

5 結(jié)語

為解決傳統(tǒng)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)因負(fù)載油路長而產(chǎn)生沿程壓力損失導(dǎo)致控制不精確、響應(yīng)速度慢的問題，本文設(shè)計了一種深海作業(yè)級ROV用電控負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)同時具備負(fù)載敏感模式和電控恒壓模式，滿足深海作業(yè)級ROV對液壓系統(tǒng)控制方式多樣性的要求。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)壓力控制精確；流量從0至目標(biāo)值的響應(yīng)時間僅0.17 s；在負(fù)載波動±30%的情況下，系統(tǒng)輸出流量波動僅1.51%，完全能夠滿足深海作業(yè)級ROV正常的工程應(yīng)用需求。