某型柴油机调速器调速系统仿真与试验分析

徐茂

摘要：本文以某型柴油机液压调速器为研究对象，首先介绍了其结构和工作原理，然后基于AMESim平台对系统各个环节分别进行了建模，并将各个环节进行组合形成了系统的仿真分析模型，接着对其中关键环节进行了分析。最后对调速器及调速系统进行了仿真和试验分析，仿真结果与试验结果基本一致。

关键词：船用柴油机调速器;AMESim仿真;实验分析

0  引言

调速器是柴油机的转速控制机构，根据外界负荷变化来调节喷油泵的供油量进行相应增减，保证柴油机的稳定运行。液压调速器是用飞块的离心力带动滑阀来控制窗口，通过改变动力伺服马达活塞上下端油压变化带动动力伺服马达活塞运动，驱动喷油泵齿条控制喷油泵供油量。由于液压系统的调节具有滞后性，所以此类调速器一般响应缓慢。本文针对这一现状，研究了不同于常规的滑阀控制窗口的结构，并使用两个伺服马达，使调速器响应迅速，很好的解决了这一问题。

1  液压调速器

1.1 调速器基本结构

该型液压调速器主要由底座部件、中间壳体部件、上壳体部件和上盖部件组成。底座内布置传动轴和齿轮滑油泵。中间壳体内布置滑阀偶件、转子部件、动力和辅助伺服马达、杠杆传动装置和滑油蓄油器。滑阀偶件包括固定套筒、活动套筒和滑阀。转子部件包括缓冲器部分、飞块、罩壳等零件。动力伺服马达和辅助伺服马达经杠杆和杠杆传动装置与滑阀偶件的活动套筒连接，动力伺服马达的活塞经吊环和杠杆与输出轴连接。与常规液压调速器相比，该调速器在输出方面采用了动力伺服马达和辅助伺服马达，动力伺服马达主要进行位移输出，辅助伺服马达进行位移反馈;在液压油路控制方面，该调速器的滑阀偶件采用了一个阀芯和两个套筒，阀芯上有两个凸肩分别与固定套筒和活动套筒的窗口配合进行油路控制。

1.2 工作原理

在柴油机稳定工况时，柴油机曲轴实际转速与指定转速相等，此时滑阀处于中间位置，辅助伺服马达与动力伺服马达的活塞位于固定位置。

实际转速变化时，飞块离心力变化，滑阀从中间位置偏移，产生自动调整过程。柴油机转速下降时，飞块离心力小于调速弹簧力，滑阀向下移动，A型腔与溢油孔联通，而该腔与压力管联通，动力伺服马达的活塞向下移动，将输出轴转动到增加燃油供油量位置，辅助伺服马达的活塞向上移动。动力伺服马达的活塞驱使活动套筒跟随滑阀向下移动，辅助伺服马达的活塞向上移动，即向滑阀移动相反方向移动。活动套筒有比固定套筒大的孔，因此动力伺服马达的活塞的运动，比辅助伺服马达的活塞迅速得多，活动套筒实际上瞬间就赶上滑阀，到达活动套筒工作孔被滑阀凸肩遮断的位置。

动力伺服马达活塞通过改变燃油供油量，控制柴油机的速度变化。在这个过程中，当辅助伺服马达活塞停止，且固定套筒和活动套筒上的孔都被遮断时过渡过程结束，完成调速且柴油机重新稳定。

2  调速系统

2.1 伺服马达

动力伺服马达是一个液压油缸，一端接高压油，另一端接控制油，控制油的压力由滑阀位置确定。辅助伺服马达与动力伺服马达输出之差通过活动套形成位移反馈。辅助伺服马达由两级活塞组成，滑阀从中间位置有较大偏移时，缓冲活塞移到顶部，允许辅助伺服马达的活塞迅速移动一定的量。

2.2 控制部件

根据柴油机液压调速器控制部件结构，其中包括滑阀、固定套筒和活动套筒等元件，活动套筒与滑阀在调速器工作过程中存在相对位移，通过其位移的变化，控制窗口发生变化，从而控制动力活塞的移动，进一步控制柴油机油量增减。

2.3 柴油机模型

文献[1]根据达朗贝尔原理推导出了柴油机的数学模型，文献[2]则分别给出了供油装置的微分方程和柴油机的微分方程，当把供油装置的微分方程带入柴油机的微分方程以后，发现后一种的数学模型与前一种的数学模型有着相似之处。

本文采用文献[1]里所使用的柴油机数学模型：

模型的具体说明请参考相关文献。

2.4 调速系统模型

将调速系统各个环节模型进行组合，即得调速系统模型，如图1所示。

3  关键环节分析

3.1 调速弹簧特性曲线

调速弹簧属于截锥螺旋非线性压缩弹簧，其特性曲线取决于弹簧的尺寸参数，如钢丝直径、各圈节距和节径等。

通过离散的方法（分割法）对弹簧进行计算，其大致步骤如下：①分割单元;②离散化模型;③求各单元的弹簧刚度;④合成单元。

在MATLAB对调速弹簧进行计算，计算结果与弹簧的测量结果基本吻合，如圖2所示。

3.2 调速弹簧飞块匹配计算

3.3 滑阀组件窗口特性分析

滑阀两个凸肩分别与固定套筒和活动套筒的窗口位置关系为内外嵌套型，根据结构设计尺寸可得滑阀与活动套筒的窗口特性曲线如图4所示。

4  仿真及试验分析

4.1 仿真分析

图5-图7为调速系统仿真结果。从图中可以看出，柴油机启动时，滑阀瞬时产生移动，打开动力伺服马达的控制窗口，动力伺服马达产生一定位移，从而带动喷油器供油，柴油机转速在很短的时间内升高到1000r/min，该转速是由控制信号决定的。

在10s时刻，柴油机突加负载，柴油机转速下降，滑阀移动，动力伺服马达下腔接通低压油，动力伺服马达下移，柴油机燃油量增加，其转速逐渐升高并稳定在970r/min左右，稳定时间在4s左右。

在20s时刻，柴油机突卸负载，柴油机转速上升，动力伺服马达上升，柴油机燃油量减小，其转速逐渐降低并稳定在1000r/min左右，稳定时间在4.5s左右。

4.2 试验分析

在柴油机发电机组上进行试验，突加载荷时，转速变化为1000r/min～925r/min～970r/min，稳定时间在4s左右;突卸载荷时，转速变化为970r/min～1050r/min～1000r/min，稳定时间在4.5s左右。对比仿真分析结果和试验结果，两者基本一致，仿真分析结果基本能够反应调速器及调速系统的实际工作情况。

5  结论

本文结合某型柴油机调速器的结构说明了其工作原理，然后基于AMESim平台对调速器内部各个环节进行了建模，形成了整个调速系统的仿真模型;对调速系统中部分关键环节进行了分析，这些环节的特性曲线直接决定了调速系统的性能水平;对调速器进行仿真及试验分析，仿真结果与试验结果基本一致，表明所建立的仿真分析模型是合理的。

参考文献：

[1]田雨.柴油机电液调速技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，2010.

[2]杨波，杜宝国，等.基于AMESim的柴油机调速器仿真优化分析[J].柴油机，2015，37（4）：18-22.

[3]付永领，祁晓野.LMS Imagine.Lab AMESim系统建模和仿真[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011：2-26.