论背压在船舶液压舵机系统中的作用

夏义江，姜守阳，李祥荣

(1. 北部湾大学 机械与船舶海洋工程学院，广西 钦州 535011；2. 北部湾大学 广西船舶数字化设计与先进制造工程技术研究中心，广西 钦州 535011；3. 广西壮族自治区北海船舶检验局，广西 北海 536000；4. 广西荣华船舶科技有限责任公司，广西 梧州 543002)

0 引 言

随着科技水平的快速提升、计算机的广泛应用以及自动化生产水平的不断提高, 液压技术和液压元件性能也在逐步地向更高层次的方向发展，液压系统以其安全性能高、稳定性能好、响应速度快、输出范围广、工作误差小等特点，已广泛应用于国民经济的各个领域中[1-4]。而背压力在液压系统中有着比较重要的作用。

1 背压的产生及特征

背压力（简称背压）是一种逆向压力，也就是在液压系统中执行元件的回油点到油箱之间的压力降，也就是回油阻力[5]。对于执行机构来说，背压就是当油液从执行机构流回到油泵或者油箱吸油口时，执行机构回油处的压力；而对于液压系统来说，背压就是主换向阀T口的压力。背压的产生一般存在如下2种情况：一种是因为回油管路过细或者过长，所导致沿程压力的损失；另一种则是因为管路直径或者背压阀的突变，所导致局部压力的损失[6]。相对于广义而言，在液压缸运动时，将液压油流出的腔称为背压腔。由于背压力与进油腔液压力的方向相反，因而损耗了液压系统的一部分功率，但它却可以提高液压系统在运动时的平稳性，特别是在外加载荷突然变小并且减至为0的情况下，可以对液压系统起到良好的缓冲作用，从而改善液压系统的工作性能。能使背压腔产生背压的一种阀件叫做背压阀，它可以使得从回油腔流到油箱的油液产生一定的阻力，该阻力称之为背压力。背压阀主要作用是：可以根据系统的需求，利用背压阀对系统的工作压力进行调整，保证系统具有能够满足工作要求的压力，从而使各执行机构能够进行正常的工作。在液压系统工作过程中，当压力偏高时，会导致各阀件及液压管道的损坏；当压力偏低时，会导致阀件及各执行机构无法进行有效的动作。此时，就有必要对背压在液压系统中的作用进行讨论研究，进而设计合适的背压，对液压系统进行合理的调整，从而使系统的工作性能更加完善可靠。依据背压实质进行分类，背压阀的形式通常有单向阀、节流阀、溢流阀、单向节流阀等。在这些背压阀当中，溢流阀的效果是最好的，因为它能够保持恒定的背压；而当选取单向阀作为背压阀时，由于它的弹簧刚度过软，因而需要在单向阀中换上刚度较硬的弹簧，使得它的开启压力能够达到0.2～0.6 MPa的范围。

2 背压在船舶液压舵机系统中的作用

在船舶液压舵机系统中，背压的主要作用有如下两方面：一方面，可以使回油管保持一定的工作压力，从而使得执行机构的动作更加地平稳；另一方面，在不同的液压系统中，合理地运用背压，还能够起到保持同步、补油、控制液动阀等的作用。

2.1 利用背压阀使船舶液压舵机2个油缸同步液压回路保持同步

同步回路中，采用2个等排量的液压泵，并用1个电动机带动2台液压泵，2台泵排量相同，转速相同，向2个有效工作面积相等的液压缸供油，理论上应该输出相同的流量，能实现2个液压缸同步。然而，实验表明，在油泵压力变化，2个油缸负载不同，管路长度不同，在没有背压阀的时候，2个油缸同步性能差（图1没有背压阀），图2在回油油路上加了背压阀，可消除由于负载、管路、排量、泄漏等差异导致的不同步。

图 1 无背压阀的同步回路图Fig. 1 Synchronous circuit diagram without back pressure valve

图 2 有背压阀的同步回路图Fig. 2 Synchronous circuit diagram withback pressure valve

2.2 利用背压控制液动阀实现船舶液压舵机液压管路的转换

液压系统中，互相独立且互锁、互为备用的2套泵组为同1个液压缸提供动力，2套泵组的液压管路也是相互独立的，仅在液压缸出口处通过液控二位三通阀汇合，当其中1套泵组或管路发生故障时，可迅速转换到另1套泵组，使系统能正常运行。

启动1#泵组，无论电磁阀通电与否，回油路上的节流阀作为背压阀，为系统建立起背压，推动液控三通阀换向，转换管路。

图 3 利用背压控制液动阀实现液压管路的转换图Fig. 3 Hydraulic circuit conversion using back pressure control hydraulic valve

启动2#泵组，1#背压由于泵组自动停止运行而消失，2#泵组建立背压，管路起压力，推动液控三通阀换向，自动转换管路。

2.3 消除船舶液压舵机系统机构液压啸叫声

该回路为液压起重机变幅臂架重力下降平衡回路，用液压缸变幅，有杆腔进油为变幅降，无杆腔进油为变幅升。当有杆腔进油，变幅下降，进油油路建立控制压力打开平衡阀，无杆腔回油进行变幅臂架下降动作，有可能因为回油太快，控制压力不稳定，不能持续打开平衡阀，引起平衡阀关闭，只有进油油路再重新建立起控制压力才再次打开平衡阀，如此反复，引起持续停顿的不平稳变幅下降现象，或引起“嘶嘶”的啸叫声现象（见图4）。

图 4 无背压阀的平衡系统Fig. 4 Balance system without back pressure valve

用单向节流阀作为背压阀（见图5）可消除上述现象，而且变幅升动作时油液从单向节流阀中的单向阀通过，没有影响上升的速度。

2.4 使船舶液压舵机系统机构动作平稳

在液压起重机系统中，回转时由于有倾斜的工况，所以吊机在回转动作时可能有需要爬坡或下坡的工况，在这种回路中，若没有背压阀，则有可能引起下坡时回转速度快，上坡时回转速度慢的问题，增加单向节流阀作为背压阀后，回转动作平稳，不受倾斜工况影响。

图 5 有背压阀的平衡系统Fig. 5 Balance system with back pressure valve

2.5 利用背压对船舶液压舵机系统补油

图7 是液压原理图，在回油路上设置一个低压溢流阀，可以用于机构的补油。

图 6 利用背压使机构动作平稳图Fig. 6 Using the back pressure to make the mechanism move smoothly

图 7 利用背压对机构补油的原理图Fig. 7 Principle of using the back pressure to replenish the mechanism

3 背压阀的选取

船舶液压舵机系统设计的好坏将会对整个动力装置的工作效率、稳定性、可靠性等产生一定的影响[7]。在选取背压阀时，需要从各个方面进行综合性的考虑，如工况的复杂性、动作特性及功率消耗等[8]。因为选取的背压阀是否合理，不仅仅会影响到系统运行的安全性和稳定性,同时还会影响到成本及环保等。相对液压系统而言，由于背压相当于运动阻力,因而增加了液压系统对能量的消耗,因此不宜将背压调整过大,只要能够达到液压系统的工作压力要求即可[9]。

3.1 背压阀形式的选取

在不同的液压回路中，背压的功能是具有差异的，可以根据背压的功能，来选取合适的阀体作为背压阀，一般在单向节流阀、单向阀、节流阀、溢流阀中选取。

表 1 背压阀功能表Tab. 1 Back pressure valve function table

在同步回路和补油回路中，适合用溢流阀作为背压阀，它的特点是背压始终保持在调定值，不随系统流量压力的变化而变化。

在管路转换的液压系统中，适合用节流阀作为背压阀，当从1#转换2#泵组时，1#管路中的液压油可以流回油箱，背压消失，2#管路建立起背压，推动液控三通阀换向。若采用溢流阀，1#的背压并没消失，不能顺畅转换管路，转换瞬间还会发出响声。

在平衡回路中或在其中一个动作机构回路中，通常用单向节流阀作为背压阀，这样不会影响其他动作的速度。

在其他要求无特殊要求的情况，可以用单向阀作为背压阀。

3.2 背压阀压力的选取

在同步回路中，压力一般为0.8～1.2 MPa，液压过低时，同步效果不好，压力过高会引起能源浪费。

在管路转换回路中，调节在液动阀换向所需的背压加上管路损失压力即可，一般为0.8～1.5 MPa。

在平衡和回转油路中，根据工况调节为1.5～2 MPa。在补油系统中，一般调节为0.15 MPa。

4 结 语

在船舶液压舵机系统设计过程中，背压是比较容易被忽视的，需理清背压在液压系统中的作用，即同步液压回路中保持同步、控制液动阀实现液压管路的转换、消除液压啸叫声、使机构动作平稳、补油等多种作用，给予高度的重视。在对液压系统完成功能性的设计后，还需要考虑各机构动作是否需要利用背压进行进一步的改善。虽然在液压系统中背压需要消耗一部分功率，而且还会对液压系统的动作和性能产生一定的影响，甚至严重时还会损坏液压附件，但是通过选取合适的背压阀形式及压力，合理地利用好背压，可以提高系统运动时的平稳性，减少对系统的冲击，在某种程度上会对一些液压元件及附件起到保护作用。因此，合理利用背压对液压系统的作用，可以实现一些功能性的设计。在设定背压力时，还需要特别注意背压力的大小，背压不易过大，否则功率损失过大，效率降低；但也不易过小，否则对系统起不了应有的作用。正是由于液压系统具有工作安全、稳定、系统可靠性及平稳性好的特点，使得其在各个领域得到了广泛的应用[10-12]。