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摘 要：设计了一种船用蝶阀启、闭液压控制系统，确定了该液压系统的控制方案；结合该系统的实际工况要求，对该系统中各主要元件的选型和参数进行了分析和计算；结合船用蝶阀液压遥控系统的工作特点，对液压泵站进行了设计，设置两台液压泵互为备用，并增加蓄能器辅助供油，同时泵站采用自动卸荷方式，保证系统油压维持在允许的工作范围内，从而确保了整个船用阀门液压遥控系统的的安全稳定运行。
关键字：蝶阀 液压控制系统 液压泵站
0 前言
随着船舶自动化技术的迅速发展，船舶阀门遥控系统已被广泛应用于压载水系统，舱底水系统以及油船输油系统等需要对管道阀门进行远距离操控的场合，成为船舶上一个至关重要的组成部分。该系统允许操作员在控制室中控制阀门的开与关动作，监督阀门开度指示及系统报警等，进而保证压载水等系统各项功能的正常运行。目前，国内外不少学者针对阀门遥控系统进行了一定的研究，Min-KyuPARK等研究了独立式的电液阀门遥控系统并对其工作性能进行了试验验证，结果表明其在简化液压系统构成的同时，进一步提升了该系统的工作效率，降低了其能量损耗。YeHUANG等人研究并设计了大型蝶阀液压控制系统，并针对执行机构摆动液压缸的结构设计进行了详细的计算和校核。林锐、支平总结了各种阀门遥控系统的组成及优缺点，并就其选用原则及发展趋势进行了分析，为后续阀门遥控系统的研究工作提供了重要参考。通过调研分析，目前对阀门遥控系统的研究主要集中在对该系统的功能介绍和综述等方面，而具体到对阀门遥控系统的设计、分析及选型等的研究相对较少。
本文作者针对船用需求，设计了一种多液动蝶阀启闭液压控制系统，用于对某船舶压载水系统32个开关阀和2个开度阀进行控制。同时，对该液压系统的各级控制方案及其工作原理进行了分析研究，对系统中各主要元件的选型计算和泵站的设计思路进行了探讨。
1 系统总体介绍
相对于其他阀门遥控系统（如：气动式、电动式和电液式驱动方式），液压式阀门遥控系统以其结构简单、驱动力大、适应范围广、维护成本低等特点被广泛应用于船舶压载水系统、船底水系统以及油船输油系统等需要对管道阀门进行远距离操纵和控制的场合，使其成为目前应用最广泛的阀门遥控系统。该系统主要由液压动力泵站、远程控制板、电磁阀箱、执行单元及应急操作单元等组成。其工作原理为：由液压泵提供高压的液压油至蓄能器，液压油在电磁阀箱中由电磁换向阀换向和蓄能器压力作用下流经不同管路，驱动双作用蝶阀或单作用蝶阀开启或关闭，由控制台监控和操作阀门运行状况的整个过程。如图1所示。
图1 液动蝶阀遥控系统结构图
1.1 液压动力单元
液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。文中设计的系统采用一个液压泵站，液压泵站内设置两台液压泵，两台液压泵除了互为备用，切换灵活之外，还能集中向所有液压执行器提供液压能。
该系统工作时，部分蝶阀开启，部分蝶阀关闭，且蝶阀所需流量小。为降低系统的能量损耗，同时有效维持液压泵的使用寿命，在该系统液压泵站中设置了蓄能器组，起到辅助动力源的作用。
1.2 控制单元
控制单元主要由远程控制板组成。远程控制板装在控制室或机舱集控室的控制台上，并配有模拟管系图，用于显示阀门和阀位的工作状态，以便在系统运行的实际工况中能直观的了解系统运行状况，实现远程遥控。
1.3 电磁阀箱
电磁阀箱一般分为分散式和集中式两种，主要用于接受控制台发出的控制信号或由计算机系统发出的指令信号。电磁阀箱主要有高压滤器、电磁阀、节流阀和供便携式手动泵连接的快速接头等元件构成。
1.4 执行单元
执行单元包括液压驱动器和阀门。其中，液压驱动器是安装在阀体上且由电磁阀控制的执行器件。通常执行器可分为单作用和双作用的两种，而阀门有蝶阀、截止阀、球阀和闸阀等。文中设计的阀门控制系统由于要实现蝶阀的启闭控制功能，故选用双作用液动执行器，而船舶上使用的大部分阀门为蝶阀，故选用蝶阀作为该系统的主要阀门元件。
1.5 应急操作单元
为满足安全操作规范要求，应对不可预计突发事件的发生，需设置应急操作单元，以便随时终止错误的操作和系统故障。一般采用手轮、手柄、扳手或便携式手动液压泵实现对蝶阀的应急操作。由于手摇泵出来的两根软管头部为快速接头，可直接插入单向阀内，打开单向阀，摇动手摇泵操作杆，即可控制驱动头的开关动作。
2 液压遥控系统原理图的拟定
2.1 系统设计参数及控制要求
（1）系统最高压力为9.8MPa，系统工作压力为8～9MPa；
（2）系统控制要求：实现蝶阀开、关及开度控制；
（3）系统控制对象：32个开关阀和2个开度阀。
2.2 液压遥控系统基本方案的确定
（1）选择液压动力源
液压源的核心是液压泵，系统采用两台液压泵互为备用，也可两台泵同时供油，同时，采用两台蓄能器辅助供液，当蓄能器组的工作压力下降到系统设定的最低压力值8MPa时，液压泵启动；当蓄能器的工作压力达到系统设定的最高压力值9MPa时，液压泵停止工作，如此循环往复。
（2）确定压力控制方案
在节流调速系统中，用定量泵供油，用卸荷阀调节所需压力并保持恒定。
（3）确定调速方案
鉴于整个系统输出功率不大，从结构简单、成本低的角度出发，该液压系统采用定量泵供油，用节流阀改变液压执行元件的输入或输出流量，实现调节供油速度的目的。
（4）位置锁紧回路
对于蝶阀开度控制回路，使用双向液压锁可使液压缸活塞在任一位置停止并可防止其停止后窜动。让执行元件锁紧最简单的方法是利用三位换向阀的M型或O型中位机能，封闭液压缸两腔，使执行元件在其行程的任一位置锁紧。传统的蝶阀开关控制回路就是利用电磁换向阀的O型中位机能，当蝶阀开关到位时将液压缸活塞锁紧，其不足之处在于，由于液控单向阀的控制腔压力油被闭死而不能使其立即关闭，影响锁紧精度。而相比传统的电磁阀O型中位机能锁紧功能，双向液压锁的锁紧精度更高，即使在外力作用下也能使执行元件锁紧。故该系统中，蝶阀开度控制回路采用双向液压锁锁紧回路，从而保证蝶阀在任一角度精确锁紧。
（5）液压辅件
液压泵出口有过滤精度为20μm的过滤器，当过滤器前后压差大于0.6MPa时，其附带旁通阀开启保证液压系统正常运行。为防止系统中杂质流回油箱，需在回油路上设置相应的的过滤器。其他辅助元件，如液温计、空气滤清器、压力继电器、压力表等也是必不可少的。
2.3 液压遥控系统原理图的设计
根据系统功能要求及所拟定的方案，确定系统液压原理图如图2。
图2 液压控制系统原理图
2.4 液压系统工作原理介绍
该系统由液压泵站提供动力源，电磁阀箱中的换向阀通过转换工作油路控制齿轮齿条式液压缸的往复运动来实现蝶阀的开、关和开度控制。具体的工作过程如下：按下动力泵站控制箱上的启动按钮，启动一台工作电机5带动液压泵3工作，通过液压泵3的动力传输，将经过过滤器2过滤的液压油从油箱1中压出，液压油经单向阀6流向蓄能器，同时液压油被输送到电磁换向阀21，进一步至执行元件液压驱动头26以控制蝶阀27的开、关或开度。当液压泵3的排油压力超过系统所设定的较高工作压力（9MPa）时，压力开关11断开，二位二通电磁阀8断电，溢流阀7遥控口开启，二位二通电磁阀与油箱相通，液压泵卸荷。当排油压力低于系统所设定的较低压力（8MPa）时，压力开关11闭合，二位二通电磁换向阀8通电，溢流阀7遥控口关闭，液压泵供油加载，如此往复循环。蓄能器18起辅助动力源的作用。
两台液压泵也可以同时工作，此时当系统压力高达9.5MPa或低至7.4MPa时，压力开关12工作，实现高、低压力报警，可通过蜂鸣器和信号灯提示，由人工解除系统故障。当系统压力持续上升至最高压力9.8MPa或下降至7.7MPa时，此时压力开关13工作，液压泵自动停止工作，启动另一台泵工作。通常只有一组液压泵工作，当系统温度低于60℃时，两台泵可同时工作。
由于各方面的原因，导致自动控制系统失效时，可通过应急手动泵来实现蝶阀的开关或调节。
3 系统主要元件的选择及其参数确定
依据整个系统方案及主要参数，并结合实际工况分析，确定了该液压系统主要元件的选型，包括齿轮泵、电机、蓄能器的型号及性能参数规格。
3.1 液压泵和电机的选择
3.1.1 液压泵的选择
（1）确定液压泵的最大工作压力pp
![]() （1）
式中：p1为执行元件最大工作压力；ΣΔp为从液压泵出口到液压缸入口之间总的管路压力损失。ΣΔp初算时可按经验数据选取：管路简单、流速不大的，取ΣΔp=（0.2～0.5）MPa；管路复杂，进口有调阀的，取ΣΔp=（0.5～1.5）MPa。文中取ΣΔp=1MPa。
pp=p1+ΣΔp=（9.8+1）MPa=10.8MPa
为使液压泵有一定的压力储备，所选泵的额定压力一般要比最大工作压力高25%～60%，设计中取泵的额定压力
pn=1.5pp=1.5×10.8=16.2MPa。
（2）确定液压泵的最大流量qp
设计的系统为多液动执行器系统，故其液压泵的流量需满足3台液动执行器同时工作所需要的最大的流量，并考虑系统的泄漏，即
qq≥K（Σq）max （2）
式中：K为系统泄漏系数，一般取K=1.1～1.3（大流量取大值，小流量取小值）；（Σq）max为3台液动执行器同时工作时所需要的最大的流量。若实际工况中用节流调速的系统，还需加上溢流阀的最小溢流量，一般取2～3L/min。
设计的系统取K=1.2，3个DN250的液动执行器，油缸端面直径为63mm，工作行程为150mm，蝶阀启闭时间取25s（参考范围10～30s），由此计算液压泵最大流量：
qq≥K（Σq）max=1.2×3.367L/min=4.04L/min考虑溢流量的损耗，系统选液压泵的额定输出流量为Vp=10L/min。
3.1.2 电动机的选择
鉴于设计的系统采用难燃液为工作介质，为提高液压泵的使用寿命，故选用六级电机驱动。液压泵的最大输出流量按下式计算：
![]() （3）
式中：nm为电机转速，取970r/min；ηm为液压泵的容积效率，取0.95。
由式（3）的计算结果可知，选择排量为10L/min的定量齿轮泵，并采用六级电机驱动时，液压泵的最大输出流量能满足式（2）以及船用液压系统主要技术指标要求。
根据液压泵站的最大工作压力以及液压泵的最大输出流量，电动机功率按下式计算：
![]() （4）
式中：ηpm为液压泵的机械效率，取ηpm=0.9。
为保证液压泵能长期稳定工作，选择额定转速为970r/min，功率为2.2kW的电动机。
3.2 蓄能器的选型计算
（1）蓄能器充气压力p1的计算
液压泵站中选用皮囊式蓄能器。皮囊式蓄能器的结构尺寸小，质量轻，安装方便，维护简单，皮囊惯性小，反应灵敏。从保护气囊延长使用寿命的角度出发，蓄能器的充气压力p按下式计算：
p1≈（0.8～0.85）pL （5）
式中：pL为蓄能器最低工作压力，取pL=8MPa。
为了使蓄能器的容积最小，取式中的系数为0.85，根据上式可计算蓄能器的充气压力为
p1=0.85×8=6.8MPa
（2）蓄能器有效排液量ΔV的计算
要保证DN250三台液动执行器同时往或返动作一次，以使各液动蝶阀开启或关闭一次所需液压液的容积
ΔV=ξ×QP×t （6）
（3）充气压力下蓄能器的容积按下式计算：
![]() （7）
式中：p1为充气压力；p2，p3为分别为最低、最高工作压力8MPa、9MPa；k为绝热变化时多变指数，取k=1.4。
参照上述值选取单台蓄能器的容量为16L，其有效排液量既能够满足系统的实际工作要求，且保有一定的余量。
4 液压泵站的设计
液压泵站是整个阀门遥控系统的动力源，文中设计的系统中设置两台液压泵互为备用，并设置蓄能器辅助供油及高、低油压报警和油箱低油位报警自动停泵的装置。
泵站的控制方式有自动卸载和自动启、停两种方式。该系统由于遥控阀门数量多，系统泄漏量大，油压下跌快，蓄能器保持时间短，造成频繁启动，对油泵和电机都很不利。故采用自动卸荷方式，依靠压力继电器和卸荷用的电磁阀，使溢流阀的遥控口与油箱接通或隔断，保证油泵电动机交替有载和空载运行。同时，由蓄能器补充系统内泄漏，使系统油压维持在规定的工作压力范围内。所设计的泵站结构图如图3所示。
图3 泵站结构简图
5 结束语
设计了一种船用蝶阀启闭液压控制系统，结合系统要求确定了该液压系统的控制方案，同时结合该系统的实际工况要求，对该系统中主要元件的选型及其参数进行了分析和计算。此外，结合船用阀门遥控系统的工作特点，对液压泵站进行了设计，设置两台液压泵站互为备用，并增加蓄能器辅助供油，以保证整个船用阀门遥控系统的安全稳定运行。
来源：网络转载
转载请注明：电子人社区 | 
发表于 2016-12-21 11:40:26
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