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1、试验水池中造波机的液压系统 姜琪立 0 前言 在码头、堤坝、海岸、海上等建筑工程中, 需研究及测试其对波浪的抗击能力; 在舰船制造领域, 需测试船只在波浪中航行的各项综合性能, 这些实验都要用造波设备。 一般造波机按照驱动方式来分可以分为:电机驱动、气动驱动、液压驱动三种。不同的驱动方式会使得造波机的工作环境有一定要求。本文着重讨论液压驱动的造波机。 1 不同造波机液压系统原理分析 1.1 港池式造波机液压系统 图1 港池蛇形不规则波造波机 。 造波机为电液伺服系统。液压油源采用定量泵 一溢流阀恒压油源。为实现多级变量供油, 采用P V ZR F 4 一1 5 3 单叶片泵和P V ZR F
2、3 3-7 6一9 4 双联叶片泵各一台。由三个分泵的不同工作组合, 可以实现5 级不同流量供油。 电液伺服系统由指令装置(微型计算机)伺服放 大器、伺服阀液压缸和反馈传感器等组成一个闭环系统。闭环系统方块图如图2所示。整个造波机由18-36个相同的闭环系统组成。它们共用一个液压能源。微型计算机产生的造波指令(电压ui) 与来自反馈传感器的信号(电压uf）相比较, 给出偏差信号ue, 该信号经伺服放大器放大后变为电流信号i 去控制电液伺服阀, 电液伺服阀输出压力油推动液压缸动作。液压缸活塞杆与推波板铰接, 当微机输人造波信号时,活塞杆推动推波板作往复运动推波板往复运动频率和行程跟随造波信号连续
3、变化, 于是在推波板前造出了各种模拟规则波和不规则波波谱。该造波机推波板频率0.25-2.5Hz , 推波板行程为士200mm。 。 图2 电液伺服系统方块图 1.2 电液伺服摇板式造波机泵源系统 电液伺服摇板式造波机. 它的结构如图3 所示. 在一定水深的水池中竖立一组摇板,摇板绕下支点O 做往复摇摆运动时, 水的质点因受到扰动而离开其平衡位置, 作为恢复力的重力又使质点回到平衡位置, 但由于惯性, 质点在回到平衡位置时将继续朝前运动, 这样恢复力矩又将发挥作用, 因此, 水的质点将反复振荡, 在自由表面上形成波浪.摇板摆动一次, 产生一个波浪, 摇板摆动的时间就是波浪的周期. 在某一水深H
4、 和摆动周期T 下, 摇板摆角B 愈大, 波高h 就愈大, 但至某一极限时, 摇板即将水拍成水花. 摇板的运动由电液伺服系统来控制的, 这种多块板式的组合系统, 统一由电液伺服系统来控制执行, 就能制造出各种波谱的波浪. 设备主要分成两大部分: 摇板系统; 电液伺服控制系统. 图3电液伺服摇板式造波机结构示意图 电液伺服式摇板造波机实际是一个位移控制系统, 如图3 所示, 计算机发出指令经伺服放大器、伺服阀、伺服缸以及位移反馈装置形成一个闭环系统. 根据信号的连续变化, 油缸带动摇板连续运动, 产生各种类型的波浪 . 图4单元系统方块图 该型造波机的运动通常是一种间隔运动, 对泵源 而言系统所
5、需的流量和压力是个变量, 如果按最大流量来进行系统设计, 则浪费能源, 所以往往采用一套多台泵组和蓄能器组的组合, 以满足不同时间所需的流量和压力, 以实现高效、节能. 该单元主要解决两个问题, 即多台泵组结合的控制、蓄能器的配备和高低压力的控制.按照常规伺服控制理论, 伺服阀的输入信号多数为正弦波, 在一个周期内, 泵源配合蓄能器联合向系统供油, 这时泵源的额定流量仅为系统最大流量的2/, 即2/*Qmax, 且在造不同波时是不同的, 因此泵源额定流量往往是几台泵组的组合, 即 几台泵组( 如3 台) 可能是同时工作, 也可能是先两台, 中途加入第三台, 这就要求每台泵组都能单独安全启、停而
6、不影响系统工作. 其工作原理如图4 所示, 泵组A、B、C 都配有新型安全启动油路, 随时随地都可不带载启动或停止而系统仍正常工作, 相关缓冲蓄能器的容量L 1 则根据泵的额定流量Q0而定 . 2 图5 泵源系统原理图 由前所述, 系统泵源仅为系统最大流量的2/ 倍, 其余容积VW 则由系统蓄能器组提供, 由于一般反应过程很快, 往往为绝热过程, 则蓄能器的容积为 : 式中: P 0 为充力压力; P1 为最低工作压力; P 2 为最高工作压力. 确定了总的蓄能器所需容积V0 后, 往往根据系统配置, 分若干只蓄能器分散分布, 蓄能器应尽量接近执行结构, 提高响应速度. 2 液压复合式造波机
7、复合式造波机如图6所示，机座安装有液压缸、横轴以及导轨，滑块安装在滑架上，与导轨结合使得滑架在导轨上的移动摩擦力可以忽略；液压缸是动力装置，做往复运动带动第二摆臂旋转，第二摆臂把扭矩传导给横轴，横轴再把扭矩传到第一摆臂，第一摆臂推着长推杆把推板向前后方向移动。另外，切换杆的位置推杆的位置要高，便于在实验过程中切换；推板的宽度略大于机座的宽度，保证两边的各个杆相互对称且平行，通过切换杆在整个传动机构中所处的位置的不同实现平推、摇摆及平推-摇摆复合运动。 3 图6复合式造波机示意图 此类型造波机液压系统如图7所示，通过调定比例轴向变量柱塞泵和比例溢流阀给造波时提供所需的压力和流量，系统的安全压力由
8、电磁溢流阀来设定。变量泵把油液经过冷却器从油箱中抽出来输送到换向阀中再推动液压缸运动。换向阀不断的改变着油液流动的方向使得液压缸做往复运动。 图7液压激振系统图 新型的电液激振器采用的是高速换向阀。为了实现阀的高速换向，目前采用的方法有很多例如：伺服换向阀，换向频率取决于伺服阀频响，响应的速度比较快。但是它有很大的缺点，第一，伺服阀目前来讲还比较昂贵，成本较高；第二，伺服阀频响照目前的发展来看，受到了一个发展的瓶颈提高的空间不是很大，因此我们需要探寻其他的方法来获得较大的换向频率。对于这一点我们采用了转阀的方式来获得较高的换向频率。转方式液压激振器的控制相对来说比较稳定，而且便于调整，结构紧凑
9、，是一种新型的液压激振方式。图8是转阀式液压激振器的示意图。 转阀式液压激振器是由转阀、传动机构、和步 进电机组成，其中转阀是最主要的部件，也是设计 的核心，。转阀相对体积小，可以直接安装在造波机上，这样对于某些需要对造波机位置进行改变的实验来说方便很多。 图8转阀式液压激振器示图 3 设计难点及解决方法 3.1伺服液压缸 伺服液压缸与拖动液压缸不同, 它是控制系统的执行元件, 应该具有良好的动态性能活塞组件高速往复运动, 最高速度为0.5m/s, 易产生外泄漏; 伺服液压缸为双活塞杆式, 缸筒直径为40mm 活塞杆直径28mm活塞行程很长, 为40mm, 缸筒长度与缸筒直径比大, 属细长型,
10、 加工难度大。为了满足伺服液压缸的性能要求, 我们采取下列措施： 活塞和缸盖上采用组合密封圈在缸盖上采用阶梯型组合密封圈; 在活塞上采用格来圈, 其两侧设置支承环。传统的O 形圈静止时间过长, 产生粘滞现象, 静、动摩擦系数不等, 启动阻力增大。液压缸从静止到运动, 摩擦力突然降低, 尽管这时伺服阀阀芯还未移动, 而液压缸却发生一次跳动, 因而偏离平衡位置, 有可能形成极限环振荡。组合密封圈一般由两个结构元件组成, 如图9 所示其中一个是由耐磨性好的工程塑料制成的密封圈。与滑动面接触; 另一个是特种橡胶O 形圈。该O 形圈使密封圈在滑动表面上产生密封压力在O 形圈和密封圈装入密封槽后,0 形圈
11、产生初始压缩变形。在无液压力的情况下, 由于O 形圈具有良好的弹性, 它通过密封圈对滑动表面产生初始接触压力当密封腔充人压力油时, 在液压力的作用下,密封圈和0 形 圈移至沟槽的一边, 液压力直接作用在O 形圈的一侧, 使O 形圈产生附加的弹性变形, 于是O 形圈通过密封圈使其接触压力升高, 且自动随油液工作压力的增加而增加从而保证高压条件下的可靠密封组合密封圈摩擦系数低, 静动摩擦系数相同, 起动无粘滞现象, 密封效果好, 寿命长表1 为采用不同密封圈的两种伺服液压缸的测试结果。 图9 组合密封圈 在缸盖上采用双唇口形防尘圈和设置泄漏油道设计要求液压缸无明显外泄漏, 液压缸活塞杆往复运动最高
12、速度为0.5m/s在动密封中, 由于在液压力的作用下, 油液分子与金属表面相互作用, 油液中所含的“ 极性分子” 在金属表面上紧密而整齐地排列起来, 形成一个坚固的边界层油膜, 它以极大的附着力粘附在活塞杆上当活塞杆向外伸出时, 轴上的油膜被轴拉出, 当活塞杆缩回时, 油膜被密封圈阻留在外边, 形成油滴, 从轴上或缸盖外端面落下, 由上分析, 液压缸外泄漏是很难避免的。 为了达到设计要求, 在缸盖上设置两道组合密封圈, 一个泄漏油道和一个双唇口形防尘圈。双唇口形防尘圈如图4 所示, 既可以防尘又可以阻止泄漏。防尘圈阻漏唇口1 在活塞外伸出时, 粘在活塞杆上途经组合密封圈带出来的油膜, 被阻漏唇
13、口刮下, 使活塞杆不带油膜。防尘圈防尘唇口2对活塞杆有一定的过盈量, 在活塞杆往复运动时, 防尘唇口刃部能将附在活塞杆上的灰尘等除掉。 4 为了避免在防尘圈和组合密封圈之间造成内压, 以至引起外泄漏, 在它们之间设置了一个泄漏油道, 它将阻漏唇口刮下的微量油液引至一个容器内试验证明液压缸无外泄漏, 完全满足设计要求。 主、副活塞杆造波机液压缸只有一边活塞杆受力, 受力的活塞杆称为主活塞杆另一边活塞杆的作用仅是使双作用液压缸两个油腔有效工作面积相等, 不受力的活塞杆称副活塞杆, 伺服液压缸总长为1101mm缸筒长540mm内径40mm活塞杆直径28mm可见, 活塞杆和缸筒要达到规定的技术要求,
14、加工难度很大采用主、副活塞杆后, 在保证液压缸性能的前提下, 使其工艺要求大大降低。 试验结果表明: 虽然伺服液压缸行程很长用于快速往复运动时, 仍具有令人满意的动态性能并且伺服液压缸无外泄漏。 3.2油液清洁度 油液的污染度对伺服阀的寿命、性能和可靠性有着决定性影响, 一般伺服阀的寿命可以很久国外可高达40000h而如果油液不符合要求, 很可能不到40h就发生故障任何喷咀孔或固定节流孔被堵塞, 伺服阀就不能工作。经验证明, 固定节流孔部分堵塞,会使流量增益曲线发生严重的非线性, 使额定流量减小, 如图10所示喷咀部分堵塞, 使流量增益曲线在零点附近产生许多波折, 如图11所示由于反馈杆小球磨
15、损小球与阀芯槽间产生间隙, 使流量增益曲线流量发生突变, 如图12所示。在伺服阀的工作过程中,控制棱边不断受到高速流动油液中的细微污染颗粒磨蚀, 棱边逐渐变圆, 因而使零位流量增大其他伺服阀常见故障。如阀输出流量不可控, 响应降低和系统出现抖动等等，大都是由于油液太脏造成的。 图10 固定节流孔部分堵塞伺服阀的必Qr一i特性 5 图11 喷咀部分堵塞伺服阀的Q一i 特性 图12 为了使油液达到规定的清洁度, 我们采取的主要措施如下: (1)仔细清洗油箱和管道。对油箱和管道进行酸洗, 彻底去除表面氧化物。最后用和好的富强粉面团在油箱内滚动, 直至富强粉面团不再见黑为止。 (2)选择高精度过滤器。
16、在电液伺服系统中, 约80% 的污染颗粒小于10-15m, 适当去除和控制系统中这个尺寸范围的污染颗粒数目, 能显著提高系统的寿命。为此, 采用5m 公称过滤精度的全流量回油过滤器。在压力管路上设置10m 公称过滤精度的高压全流量无旁通阀的过滤器, 安装在伺服阀的上游, 用以滤除可能进人伺服阀的较大尺寸的污染颗粒。从厂家新买来的液压油, 只能达到N A s g 级污染度等级。可见, 新油并不清洁。在向油箱内注油时, 通过5-10m 公称过滤精度的精滤器过滤。 (3) 调试前, 用冲洗板替代伺服阀, 冲洗全部管路。油液体积通过过滤器约500次。油液经检测, 达到N A S 7 一8 级污染度等级
17、以上, 再安装伺服阀进行调试。 4结论及展望 （1）液压系统在造波机的驱动控制方面有着重 要的地位。 （2）液压元件外配套的选择往往在液压系统的泄漏中起着决定性的影响。这就决定我们技术人员在新产品设计、老产品的改进中，对缸、泵、阀件，密封件，液压辅件等的选择，要本着好中选优，优中选廉的原则慎重的、有比较的进行。 （3）液压传动系统由于其独特的优点，即具有广泛的工艺适应性、优良的控制性能和较低廉的成本，在各个领域中获得愈来愈广泛的应用。但由于客观上元件、辅件质量不稳定和主观上使用、维护不当，且系统中各元件和工作液体都是在封闭油路内工作，不象机械设备那样直观，也不象电气设备那样可利用各种检测仪器方便地测量各种参数,液压设备中，仅靠有限几个压力表、流量计等来指示系统某些部位的工作参数，其他参数难以测量，而且一般故障根源有许多种可能，这给液压系统故障诊断带来一定困难。 参 考 文 献 1 孟昭林，王收军，解宁，刘增丽，宗生发，赵连瑞， 曹振钧.造波机电液伺服系统J.液压与气动期刊，1994-12-5 2 邓 勇, 王收军.摇板式造波机的控制系统设计.天津理 工大学学报,2005-8 3 杨志国，国内外水池造波设备与造波技术的发展现状 J科院论坛 4 刘毅，程少科，朱敏佳，章聪，龚国芳，陈俊华.一种 基于液压驱动方式的造波机：中国，CN 103806406 A 2014-05-21