論背壓在船舶液壓舵機(jī)系統(tǒng)中的作用

夏義江，姜守陽(yáng)，李祥榮

(1. 北部灣大學(xué) 機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院，廣西 欽州 535011；2. 北部灣大學(xué) 廣西船舶數(shù)字化設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造工程技術(shù)研究中心，廣西 欽州 535011；3. 廣西壯族自治區(qū)北海船舶檢驗(yàn)局，廣西 北海 536000；4. 廣西榮華船舶科技有限責(zé)任公司，廣西 梧州 543002)

0 引 言

隨著科技水平的快速提升、計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用以及自動(dòng)化生產(chǎn)水平的不斷提高, 液壓技術(shù)和液壓元件性能也在逐步地向更高層次的方向發(fā)展，液壓系統(tǒng)以其安全性能高、穩(wěn)定性能好、響應(yīng)速度快、輸出范圍廣、工作誤差小等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域中[1-4]。而背壓力在液壓系統(tǒng)中有著比較重要的作用。

1 背壓的產(chǎn)生及特征

背壓力（簡(jiǎn)稱背壓）是一種逆向壓力，也就是在液壓系統(tǒng)中執(zhí)行元件的回油點(diǎn)到油箱之間的壓力降，也就是回油阻力[5]。對(duì)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，背壓就是當(dāng)油液從執(zhí)行機(jī)構(gòu)流回到油泵或者油箱吸油口時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)回油處的壓力；而對(duì)于液壓系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，背壓就是主換向閥T口的壓力。背壓的產(chǎn)生一般存在如下2種情況：一種是因?yàn)榛赜凸苈愤^(guò)細(xì)或者過(guò)長(zhǎng)，所導(dǎo)致沿程壓力的損失；另一種則是因?yàn)楣苈分睆交蛘弑硥洪y的突變，所導(dǎo)致局部壓力的損失[6]。相對(duì)于廣義而言，在液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)，將液壓油流出的腔稱為背壓腔。由于背壓力與進(jìn)油腔液壓力的方向相反，因而損耗了液壓系統(tǒng)的一部分功率，但它卻可以提高液壓系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)時(shí)的平穩(wěn)性，特別是在外加載荷突然變小并且減至為0的情況下，可以對(duì)液壓系統(tǒng)起到良好的緩沖作用，從而改善液壓系統(tǒng)的工作性能。能使背壓腔產(chǎn)生背壓的一種閥件叫做背壓閥，它可以使得從回油腔流到油箱的油液產(chǎn)生一定的阻力，該阻力稱之為背壓力。背壓閥主要作用是：可以根據(jù)系統(tǒng)的需求，利用背壓閥對(duì)系統(tǒng)的工作壓力進(jìn)行調(diào)整，保證系統(tǒng)具有能夠滿足工作要求的壓力，從而使各執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠進(jìn)行正常的工作。在液壓系統(tǒng)工作過(guò)程中，當(dāng)壓力偏高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致各閥件及液壓管道的損壞；當(dāng)壓力偏低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致閥件及各執(zhí)行機(jī)構(gòu)無(wú)法進(jìn)行有效的動(dòng)作。此時(shí)，就有必要對(duì)背壓在液壓系統(tǒng)中的作用進(jìn)行討論研究，進(jìn)而設(shè)計(jì)合適的背壓，對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行合理的調(diào)整，從而使系統(tǒng)的工作性能更加完善可靠。依據(jù)背壓實(shí)質(zhì)進(jìn)行分類，背壓閥的形式通常有單向閥、節(jié)流閥、溢流閥、單向節(jié)流閥等。在這些背壓閥當(dāng)中，溢流閥的效果是最好的，因?yàn)樗軌虮３趾愣ǖ谋硥?；而?dāng)選取單向閥作為背壓閥時(shí)，由于它的彈簧剛度過(guò)軟，因而需要在單向閥中換上剛度較硬的彈簧，使得它的開(kāi)啟壓力能夠達(dá)到0.2～0.6 MPa的范圍。

2 背壓在船舶液壓舵機(jī)系統(tǒng)中的作用

在船舶液壓舵機(jī)系統(tǒng)中，背壓的主要作用有如下兩方面：一方面，可以使回油管保持一定的工作壓力，從而使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作更加地平穩(wěn)；另一方面，在不同的液壓系統(tǒng)中，合理地運(yùn)用背壓，還能夠起到保持同步、補(bǔ)油、控制液動(dòng)閥等的作用。

2.1 利用背壓閥使船舶液壓舵機(jī)2個(gè)油缸同步液壓回路保持同步

同步回路中，采用2個(gè)等排量的液壓泵，并用1個(gè)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)2臺(tái)液壓泵，2臺(tái)泵排量相同，轉(zhuǎn)速相同，向2個(gè)有效工作面積相等的液壓缸供油，理論上應(yīng)該輸出相同的流量，能實(shí)現(xiàn)2個(gè)液壓缸同步。然而，實(shí)驗(yàn)表明，在油泵壓力變化，2個(gè)油缸負(fù)載不同，管路長(zhǎng)度不同，在沒(méi)有背壓閥的時(shí)候，2個(gè)油缸同步性能差（圖1沒(méi)有背壓閥），圖2在回油油路上加了背壓閥，可消除由于負(fù)載、管路、排量、泄漏等差異導(dǎo)致的不同步。

圖 1 無(wú)背壓閥的同步回路圖Fig. 1 Synchronous circuit diagram without back pressure valve

圖 2 有背壓閥的同步回路圖Fig. 2 Synchronous circuit diagram withback pressure valve

2.2 利用背壓控制液動(dòng)閥實(shí)現(xiàn)船舶液壓舵機(jī)液壓管路的轉(zhuǎn)換

液壓系統(tǒng)中，互相獨(dú)立且互鎖、互為備用的2套泵組為同1個(gè)液壓缸提供動(dòng)力，2套泵組的液壓管路也是相互獨(dú)立的，僅在液壓缸出口處通過(guò)液控二位三通閥匯合，當(dāng)其中1套泵組或管路發(fā)生故障時(shí)，可迅速轉(zhuǎn)換到另1套泵組，使系統(tǒng)能正常運(yùn)行。

啟動(dòng)1#泵組，無(wú)論電磁閥通電與否，回油路上的節(jié)流閥作為背壓閥，為系統(tǒng)建立起背壓，推動(dòng)液控三通閥換向，轉(zhuǎn)換管路。

圖 3 利用背壓控制液動(dòng)閥實(shí)現(xiàn)液壓管路的轉(zhuǎn)換圖Fig. 3 Hydraulic circuit conversion using back pressure control hydraulic valve

啟動(dòng)2#泵組，1#背壓由于泵組自動(dòng)停止運(yùn)行而消失，2#泵組建立背壓，管路起壓力，推動(dòng)液控三通閥換向，自動(dòng)轉(zhuǎn)換管路。

2.3 消除船舶液壓舵機(jī)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)液壓嘯叫聲

該回路為液壓起重機(jī)變幅臂架重力下降平衡回路，用液壓缸變幅，有桿腔進(jìn)油為變幅降，無(wú)桿腔進(jìn)油為變幅升。當(dāng)有桿腔進(jìn)油，變幅下降，進(jìn)油油路建立控制壓力打開(kāi)平衡閥，無(wú)桿腔回油進(jìn)行變幅臂架下降動(dòng)作，有可能因?yàn)榛赜吞?，控制壓力不穩(wěn)定，不能持續(xù)打開(kāi)平衡閥，引起平衡閥關(guān)閉，只有進(jìn)油油路再重新建立起控制壓力才再次打開(kāi)平衡閥，如此反復(fù)，引起持續(xù)停頓的不平穩(wěn)變幅下降現(xiàn)象，或引起“嘶嘶”的嘯叫聲現(xiàn)象（見(jiàn)圖4）。

圖 4 無(wú)背壓閥的平衡系統(tǒng)Fig. 4 Balance system without back pressure valve

用單向節(jié)流閥作為背壓閥（見(jiàn)圖5）可消除上述現(xiàn)象，而且變幅升動(dòng)作時(shí)油液從單向節(jié)流閥中的單向閥通過(guò)，沒(méi)有影響上升的速度。

2.4 使船舶液壓舵機(jī)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作平穩(wěn)

在液壓起重機(jī)系統(tǒng)中，回轉(zhuǎn)時(shí)由于有傾斜的工況，所以吊機(jī)在回轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)可能有需要爬坡或下坡的工況，在這種回路中，若沒(méi)有背壓閥，則有可能引起下坡時(shí)回轉(zhuǎn)速度快，上坡時(shí)回轉(zhuǎn)速度慢的問(wèn)題，增加單向節(jié)流閥作為背壓閥后，回轉(zhuǎn)動(dòng)作平穩(wěn)，不受傾斜工況影響。

圖 5 有背壓閥的平衡系統(tǒng)Fig. 5 Balance system with back pressure valve

2.5 利用背壓對(duì)船舶液壓舵機(jī)系統(tǒng)補(bǔ)油

圖7 是液壓原理圖，在回油路上設(shè)置一個(gè)低壓溢流閥，可以用于機(jī)構(gòu)的補(bǔ)油。

圖 6 利用背壓使機(jī)構(gòu)動(dòng)作平穩(wěn)圖Fig. 6 Using the back pressure to make the mechanism move smoothly

圖 7 利用背壓對(duì)機(jī)構(gòu)補(bǔ)油的原理圖Fig. 7 Principle of using the back pressure to replenish the mechanism

3 背壓閥的選取

船舶液壓舵機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞將會(huì)對(duì)整個(gè)動(dòng)力裝置的工作效率、穩(wěn)定性、可靠性等產(chǎn)生一定的影響[7]。在選取背壓閥時(shí)，需要從各個(gè)方面進(jìn)行綜合性的考慮，如工況的復(fù)雜性、動(dòng)作特性及功率消耗等[8]。因?yàn)檫x取的背壓閥是否合理，不僅僅會(huì)影響到系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性,同時(shí)還會(huì)影響到成本及環(huán)保等。相對(duì)液壓系統(tǒng)而言，由于背壓相當(dāng)于運(yùn)動(dòng)阻力,因而增加了液壓系統(tǒng)對(duì)能量的消耗,因此不宜將背壓調(diào)整過(guò)大,只要能夠達(dá)到液壓系統(tǒng)的工作壓力要求即可[9]。

3.1 背壓閥形式的選取

在不同的液壓回路中，背壓的功能是具有差異的，可以根據(jù)背壓的功能，來(lái)選取合適的閥體作為背壓閥，一般在單向節(jié)流閥、單向閥、節(jié)流閥、溢流閥中選取。

表 1 背壓閥功能表Tab. 1 Back pressure valve function table

在同步回路和補(bǔ)油回路中，適合用溢流閥作為背壓閥，它的特點(diǎn)是背壓始終保持在調(diào)定值，不隨系統(tǒng)流量壓力的變化而變化。

在管路轉(zhuǎn)換的液壓系統(tǒng)中，適合用節(jié)流閥作為背壓閥，當(dāng)從1#轉(zhuǎn)換2#泵組時(shí)，1#管路中的液壓油可以流回油箱，背壓消失，2#管路建立起背壓，推動(dòng)液控三通閥換向。若采用溢流閥，1#的背壓并沒(méi)消失，不能順暢轉(zhuǎn)換管路，轉(zhuǎn)換瞬間還會(huì)發(fā)出響聲。

在平衡回路中或在其中一個(gè)動(dòng)作機(jī)構(gòu)回路中，通常用單向節(jié)流閥作為背壓閥，這樣不會(huì)影響其他動(dòng)作的速度。

在其他要求無(wú)特殊要求的情況，可以用單向閥作為背壓閥。

3.2 背壓閥壓力的選取

在同步回路中，壓力一般為0.8～1.2 MPa，液壓過(guò)低時(shí)，同步效果不好，壓力過(guò)高會(huì)引起能源浪費(fèi)。

在管路轉(zhuǎn)換回路中，調(diào)節(jié)在液動(dòng)閥換向所需的背壓加上管路損失壓力即可，一般為0.8～1.5 MPa。

在平衡和回轉(zhuǎn)油路中，根據(jù)工況調(diào)節(jié)為1.5～2 MPa。在補(bǔ)油系統(tǒng)中，一般調(diào)節(jié)為0.15 MPa。

4 結(jié) 語(yǔ)

在船舶液壓舵機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，背壓是比較容易被忽視的，需理清背壓在液壓系統(tǒng)中的作用，即同步液壓回路中保持同步、控制液動(dòng)閥實(shí)現(xiàn)液壓管路的轉(zhuǎn)換、消除液壓嘯叫聲、使機(jī)構(gòu)動(dòng)作平穩(wěn)、補(bǔ)油等多種作用，給予高度的重視。在對(duì)液壓系統(tǒng)完成功能性的設(shè)計(jì)后，還需要考慮各機(jī)構(gòu)動(dòng)作是否需要利用背壓進(jìn)行進(jìn)一步的改善。雖然在液壓系統(tǒng)中背壓需要消耗一部分功率，而且還會(huì)對(duì)液壓系統(tǒng)的動(dòng)作和性能產(chǎn)生一定的影響，甚至嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞液壓附件，但是通過(guò)選取合適的背壓閥形式及壓力，合理地利用好背壓，可以提高系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)的平穩(wěn)性，減少對(duì)系統(tǒng)的沖擊，在某種程度上會(huì)對(duì)一些液壓元件及附件起到保護(hù)作用。因此，合理利用背壓對(duì)液壓系統(tǒng)的作用，可以實(shí)現(xiàn)一些功能性的設(shè)計(jì)。在設(shè)定背壓力時(shí)，還需要特別注意背壓力的大小，背壓不易過(guò)大，否則功率損失過(guò)大，效率降低；但也不易過(guò)小，否則對(duì)系統(tǒng)起不了應(yīng)有的作用。正是由于液壓系統(tǒng)具有工作安全、穩(wěn)定、系統(tǒng)可靠性及平穩(wěn)性好的特點(diǎn)，使得其在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[10-12]。