高集成阀门电液驱动装置的研制_蔡存坤.pdf

液压气动与密封年第期 高集成阀门电液驱动装置的研制蔡存坤，韩 旭，孟淑平，张立娟，潘 英（北京精密机电控制设备研究所，北京）摘 要：针对目前舰船上采用集中能源控制和驱动阀门启闭的液压驱动装置，提出了一种分布式自带油源系统的高集成阀门电液驱动装置。该装置将控制驱动器、增压油箱、电机、泵、控制阀组、双液压缸及执行机构高度集成为一体，通过控制驱动器控制并驱动电机和阀组动作，实现阀门的启闭。该装置的研制和应用既可改变原全船液压长管路的不足，又可提高全船使用效率，并达到减振降噪的效果。性能试验结果显示其伸出和缩回的全行程时间均小于 ，运行稳定可靠。关键词：液压驱动装置；分布式；高集成；阀门电液驱动；减振降噪中图分类号：文献标志码：文章编号：（）o o o k，g，Yg（o o oo，）：o oo o o，o o o oo oo ，o，oo，oo o，o o o o，o oo oo oo o o，o o o o o o o o o o o o o o，o o o o，o o o o o o o ，oo ：；o；o o o收稿日期：作者简介：蔡存坤（），男，山东莘县人，工程师，硕士，主要研究方向为流体传动及控制。引言舰船作为海洋工作重要的使用装备，其静音性和可靠性对工作性能起到至关重要的作用。在舰船上遍布着各种阀门，众多系统均依靠阀门的开启和关闭来实现操纵，而阀门开闭是通过阀门驱动装置进行控制的。目前，舰船阀门驱动装置主要采用液压驱动的方式，而油源为集中能源。集中能源主要存在液压油管遍布，管路长且连接复杂，从而易引起液压脉动及液压冲击，并且为单点故障模式，导致单点噪声大且可靠性较低，进而直接影响着舰船的静音性和可靠性，而且这种复杂性也会导致管路漏油几率增大，并且发生故障也不易排查。此外，其安装、调试、维护和保养也比较复杂，建造成本高，占用空间大。因此，亟需一种集动力单元和电控部分为一体，便于集成化分布控制的阀门电液驱动装置。针对以上问题，研制了一种高集成阀门电液驱动装置，为阀门提供动力。该装置将电机、泵、油箱及控制器进行高度集成，集液压动力单元和电控部分为一体，可应用于单个阀门控制系统，摆脱集中能源限制，减少管路使用，降低液压脉动及冲击在长管路中的影响，进而减轻振动和噪声，而且可多点布控，提高了舰船静音性和可靠性。装置工作原理高集成阀门电液驱动装置主要包括电动液压能源和阀体，其工作原理如图 所示。当控制驱动器接受到开关指令信号时，控制驱动器控制伺服电机运转带动泵为液压系统建压，同时控制电磁换向阀；液压油经电磁换向阀的控制，轮换进入左右液压缸。当液压油进入左液压缸（右液压缸）时，液压油将液缸内活塞推向右边（左边），同时，右液压缸（左液压缸）排油，活塞的运动将齿条向右（向左）推动，通过齿条带动曲轴逆时针（顺时针）旋转，则曲轴带动连杆运动，连杆带动顶 o杆向下（向上）运动，从而实现阀门的开启（关闭）。图 工作原理简图 液压系统原理电动液压能源的液压系统主要由电机、泵、自增压油箱、电磁换向阀、溢流阀、旁通阀及左、右液压缸等组成，其液压原理图如图 所示。电机 泵 油滤 自增压油箱 液面传感器 溢流阀 电磁换向阀 旁通阀 单向阀 左液压缸 右液压缸 液控单向阀 加注活门 低压安全阀 储油箱图 液压系统原理图该液压系统采用封闭式设计，在闭式液压系统中，泵的进出油口直接与液压缸的左右腔相连，液体介质在液压管道中封闭的循环。并且，油液采用真空加注的方式，最大程度减少油液的空气含量，并利用自增压油箱实现对油液的温度补偿，维持回油压力，充分降低空穴及气蚀现象发生的可能性，从而保证油液流动的稳定性，避免出现较大的液压冲击。顶杆伸出动作结束并停机后，液控单向阀无反向液控力，此时右液压缸的油路被液控单向阀截断，实现液压自锁功能。旁通阀平时处于截止状态，通过手动按钮使旁通阀处于通路状态时，左、右液压缸油腔沟通，可通过工具手动驱动曲轴实现手操功能。当回油压力过高，低压安全阀开启，释放多余的油液到外部的外接储油箱，保证系统的安全性。当自增压油箱液位过低时，可通过液面传感器向控制驱动器进行反馈，保证系统工作的安全性。装置结构设计针对舰船内部空间有限，为尽可能保证内部人员工作活动要求的现实情况，需对装置的体积进行优化设计，确定装置整体结构布局和功能的实现方式，因此装置采用集成化结构设计，以实现系统小型化的设计特点。阀门电液驱动装置整体采用 字型结构，以实现整体结构的优化设计，如图 所示主要包括阀体及电动液压能源两部分。阀体主要包括曲轴连杆、齿轮齿条。电动液压能源主要结构由控制驱动器、电机、泵、电磁换向阀、自增压油箱、左液压缸、右液压缸等组成。电气控制系统、液压控制系统集中在左液压缸壳体上，通过油管与右液压缸相连。阀体 控制驱动器 电机泵 左液压缸 电磁换向阀 液控单向阀 低压安全阀 旁通阀 储油箱 溢流阀 加注活门 自增压油箱 右液压缸图 三维结构图壳体的三维模型如图 所示，为了分析整个结构设计的可靠性，采用 仿真软件对主壳体进行静力学仿真，材料选取，其弹性模量为，抗拉强度为 ，等效应力云图及形变云图结果如图、图 所示。图 壳体的三维模型从计算结果可以查看结构中各个部位应力应变分布图及局部细节处的应力值及应变值。从图 中可以看出，应力较大部位出现在缸孔外端，最大应力为液压气动与密封年第期 ，其安全系数为，完全满足设计要求。图 结构在承受最大静外压力时的应力云图壳体位移分布云图，如图 所示。根据分析结果，可以看到，壳体在工作油压载荷的作用下，产生了一定的变形。从图中可以看出位移较大的部位出现在缸孔最外端与最里端，最大位移为 。图 位移分布云图因此，从分析结果可以看出，该壳体可以满足设计要求。试验测试结果分析4.1 原理采用负载性能测试系统，对电液驱动装置的负载性能进行考核。测试系统主要由支架、滑轮、砝码及钢丝绳组成，结构示意图如图 所示。被试电液驱动装置安装到支架上部，利用相应质量的砝码为装置进行加载，通过装置顶杆推动滑轮，钢丝绳带动砝码，进而实现加载。通过该测试系统可以测出装置在不同负载情况下工作的全行程时间。4.2 结果电液驱动装置的全行程运行时间是装置的一项重要参数。而本文设计的执行机构主要用于舰船系统，因此较短的全行程时间是一项重要参考指标。针对电液驱动装置的全行程时间，分别进行负载为 （砝码 ）与 （砝码 ）各 次顶杆伸出和缩回的试验，如图、图 所示。在试验中，伸出和缩回的全行程时间均在 内。图 装置测试原理图图 负载测试图 负载测试 结论研制了一种采用独立闭式油源控制方式的高集成阀门电液驱动装置，改变了原全船液压长管路导致的液压冲击、单点噪声及单点故障模式，实现了舰船阀门执行器分布式安装、控制及多点冗余的功能。通过对装置在不同负载工况下伸出和缩回全行程时间的测试，得到以下结论：（）负载测试时，电液驱动装置伸出的全行程时间略大于缩回时间。（）当负载为 （砝码 ）与 （砝码 ）时，电液驱动装置伸出和缩回的全行程时间差异性未出现明显区别，且均小于 。（下转第 页）o表 蝶阀寿命试验试验压力 启闭次数结果结论 次目视零部件无明显磨损，密封面泄漏量双向均为 滴。合格 次目视零部件无明显磨损，密封面泄漏量双向均为 滴。合格 次目视零部件无明显磨损，密封面泄漏量双向均为 滴。合格 次目视零部件无明显磨损，密封面泄漏量双向均为 滴。合格 次目视零部件无明显磨损，密封面泄漏量双向均为 滴。合格 注：试验温度是常温，试验介质为水。寿命试验结束后，将试验盲板拆除后进行最终检查时发现：阀门上阀杆附近的密封副有少许磨损痕迹；利用内六角扳手调紧阀座固定螺钉时，靠近阀门颈部一端的螺钉有些许松动，与密封面磨损位置基本一致。结语（）通过改良三偏心蝶阀的阀座结构，利用弹簧等蓄能零件，为密封副提供满足密封要求的推力，在增加极少的工作量和制造成本情况下，从理论角度提高了蝶阀的使用可靠性和性价比。（）利用专业试验设备对改良后的金属密封蝶阀，进行密封性能和使用寿命的测试，验证了自补偿阀座结构金属密封蝶阀，正反两个方向都具有良好的操作性能、密封性和使用性。参考文献 张清双，吴斌彬，茅岭峰 高温高压四偏心蝶阀设计及零件强度计算 阀门，（）：，压力管道元件型式试验规则王宝森 蜗轮蜗杆传动蝶阀开闭困难的检修方法研究 生产质量，（）：何世全，明友 三偏心金属蝶阀的干涉分析 流体机械，（）：李洪武 浮动式双向金属密封蝶阀的设计 阀门，（）：，金属密封蝶阀 ，工业阀门 压力试验 ，蝶阀静压寿命试验规程陆培文 实用阀门设计手册 北京：机械工业出版社，引用本文：冯玉林，明友，余中华，等 三偏心金属密封蝶阀自补偿阀座密封机理研究 液压气动与密封，（）：，o，o，o o o o ，（）：（上接第 页）（）当负载为（砝码）时，伸出状态下全行程时间最大值为 ，缩回状态下全行程时间最大值为 。（）当负载为（砝码）时，伸出状态下全行程时间最大值为 ，缩回状态下全行程时间最大值为 。参考文献 王庆云 操纵装置对潜艇操纵性能的影响研究 哈尔滨：哈尔滨工程大学，宋杨，王桂波，苏强 潜艇噪声控制与利用新兴技术研究 湛江：中国声学学会水声学分会 年全国水声学学术会议，丁虎，赵丹，刘少刚，等 钛合金通海阀不同开度下的流噪声分析及优化 海军工程大学学报，（）：林锐，李玮，陈涛 船舶压载水系统阀门驱动装置的现状 流体传动与控制，（）：潘方冬 微型电液驱动通海阀及其分布控制系统研究 哈尔滨：哈尔滨工程大学，李明 液动阀门电液控制系统的分析与研究 阀门，（）：王晓艳 履带起重机起升机构闭式液压控制系统研究 大连：大连理工大学，孙东宁，刘会祥，冯伟，等 一种低噪声集成式伺服电机螺杆泵的试验研究 甘肃科学学报，（）：徐文才，郭庆，朱政，等 一种舰船型电动执行机构研制 通用机械，（）：引用本文：蔡存坤，韩旭，孟淑平，等 高集成阀门电液驱动装置的研制 液压气动与密封，（）：，o o o ，（）：，