基于AMESim的长江船闸液压启闭机液压系统中插装式平衡阀稳定性分析

杨国来， 冒越颖， 刘雨聪， 甘文军， 王旭东， 李 顺

(1.兰州理工大学 能源与动力工程， 甘肃 兰州 730050；2.浙江大学 流体动力与机电系统重点实验室， 浙江 杭州 310027)

引言

液压启闭机是由液压系统、油缸组件系统和电气系统联合控制的自动化设备。液压启闭机具有运输能力稳定、结构灵活紧凑且负载能力强故在水利工程上被广泛应用。水利工程中液压启闭机液压系统采用容积式变量泵调速、双向式平衡阀式平衡回路、多级插装阀式保护阀块。为防止执行元件在变负载情况下发生飞速转动或爬行影响船闸启闭的平稳可靠，主要依靠于液压系统中双向负载平衡阀式液压平衡回路，其中平衡阀性能的优劣直接关系到整个液压启闭机系统运行好坏[1-2]。由于近年来国民经济的快速发展，船闸启闭频繁，几乎终年不断运行。因此对于船闸运行性能的要求也相应提高，要求在变负载工况下船闸运行更稳定、响应更快[3]。目前该平衡回路选用的是CB型插装式平衡阀，具有结构紧凑、安装方便等优点，属于同向性平衡阀，故液压回路中需要的控制压力较低[4]。本研究基于AMESim仿真环境对船闸液压启闭机液压系统进行建模仿真，针对插装式平衡阀的控制阻尼孔和主阀芯弹簧刚度等主要参数进行单因素仿真，并研究分析各参数对系统稳定性的影响，最后采用正交试验法运用统计学中的方差与极差得到最佳参数组合[5-8]。

1 液压启闭机液压系统

1.1 系统原理

对长江船闸液压启闭机液压系统中的CB型螺纹插装式平衡阀的性能进行建模仿真，根据仿真结果研究分析影响该船闸开启和关闭时系统稳定性的关键性因素，优化该船闸液压启闭机液压系统的参数，提高系统运行的安全性和稳定性[9]，该船闸液压启闭机液压系统简化原理如图1所示[10]。

图1 长江船闸液压启闭机简化液压系统原理图

长江船闸液压启闭机液压系统是用于控制人字门船闸开启、关闭和闸门运行到终点后保持的控制系统，该系统要求船闸在输水系统完成充放水后稳定快速地开启或关闭[11-12]。该船闸液压启闭机液压系统采用容积式比例调速且采用双向负载平衡阀式平衡回路，整个系统配备多级插装阀式保护阀块和电气控制，实现人字门能无极变速控制运行，有效实现船闸启闭中的较稳定运行。并且在该船闸启闭完成后，为保持人字门开启或关闭状态，系统设置背压保持防止系统受到变负载和水头作用产生漂移和其他不安全稳定影响。该液压系统中的CB型平衡阀是双向负载平衡变回路平衡负载的重要液压元件[13-14]。

1.2 插装式平衡阀结构及原理

此长江船闸启闭机液压系统选用平衡阀式平衡回路，平衡阀性能决定液压系统的性能优劣。现选用CB型螺纹插装式平衡阀，该平衡阀结构如图2所示。该平衡阀属于同向型平衡阀，其中③口为平衡阀的控制油口，①口和②口作为平衡阀的主油口。当平衡阀②口进油，①口出油时，进油口压力推动单向阀芯1移动，单向阀芯弹簧5被压缩，此时该平衡阀在系统中作为单向阀使用，不具备平衡负载功能；当平衡阀①口进油，②口出油，③口作为控制油口工作时，进油口压力推动单向阀芯1和主阀芯2移动，控制油口压力推动主阀芯2移动，当单向阀芯1被顶住限位后，主阀芯受控制油口和进油口压力继续移动，主阀芯弹簧8被压缩，此时该平衡阀在系统中平衡负载，防止系统因为变负载而产生超速不稳定等危险工况；当平衡阀①口进油，②口出油时，③口不进行工作，进油口压力推动单向阀芯1和主阀芯2移动，单向阀芯1被限位后，主阀芯受进油口压力继续移动。此时该平衡阀作为溢流阀使用，不具备平衡负载功能[15-16]。

1.单向阀芯 2.主阀芯 3.螺纹阀套 4.螺纹阀套阻尼孔 5.单向阀芯弹簧 6.主阀套控制阻尼孔 7.单向阀芯弹簧阀座 8.主阀芯弹簧 9.主阀套 10.主阀芯弹簧阀座 11.调节螺杆

2 系统仿真模型建立及参数设定

长江船闸人字门的启闭稳定性主要依靠于液压启闭机液压系统中的双向负载平衡阀式平衡回路。根据该平衡回路原理和螺纹插装式平衡阀结构原理，使用AMESim中液压应用库、机械库、信号库和HCD库为基础对该系统中的双向负载平衡阀式平衡回路进行建模[17-20]，如图3所示。

图3 长江船闸液压启闭机液压系统简化平衡回路

为保证该船闸液压启闭机液压系统简化平衡回路仿真结果与实际工况参数相符，该仿真模型主要参数信息如表1所示。图4为仿真系统调整参数后仿真曲线，通过和现场运行实测曲线对比，发现系统运行压力曲线和基础参数规律基本吻合实测，证明该仿真模型是符合实际结构原理和参数。

图4 系统仿真曲线

表1 仿真主要参数

3 系统仿真结果及分析

3.1 单因素仿真分析及结果

1) 主阀芯弹簧刚度的影响

针对不同主阀芯弹簧刚度Tz对该船闸液压启闭机液压系统进行单因素仿真分析，主阀芯弹簧刚度范围选取342～502 N/mm，间距5 N/mm进行仿真分析。主阀芯弹簧刚度主要影响液压缸响应速度和运行稳定性。使用统计学采用方差K和极差R作为液压缸压力稳定的评判标准，用方差值作为判断压力曲线偏离度标准，方差越小，系统压力越稳定；极差作为压力曲线最大波动标准，极差越小，系统压力波峰波谷差值越小越稳定。如图5所示，根据液压缸压力方差曲线可以分析出，在船闸开启和关闭过程中主要规律为主阀芯弹簧刚度在选取范围内越小该系统压力方差越小越稳定；根据液压缸压力极差曲线可以分析出，在船闸开启和关闭过程中主要规律为：主阀芯弹簧刚度在选取范围内越小该系统压力极差越小越稳定。主阀芯弹簧刚度对于系统压力稳定性影响较明显，对于系统压力最大波峰波谷差值影响不大，其中主阀芯弹簧刚度对船闸开门过程影响较小。

图5 不同主阀芯弹簧刚度下船闸启闭液压缸压力曲线

2) 主阀芯弹簧预紧力的影响

针对不同主阀芯弹簧预紧力F对该船闸液压启闭机液压系统进行单因素仿真分析，主阀芯弹簧预紧力范围选取0～520 N，步长20 N进行仿真分析。主阀芯弹簧预紧力主影响液压缸响应速度。使用统计学知识采用方差和极差作为液压缸压力稳定的评判标准，用方差作为判断压力曲线偏离度标准，方差越小，系统压力越稳定；极差作为压力曲线最大波动标准，极差越小，系统压力波峰和波谷差值越小越稳定，如图6所示，根据液压缸压力方差曲线可以分析出，在船闸开启和关闭过程中主要规律为主阀芯弹簧预紧力在选取范围内越大该系统压力方差越小越稳定；根据液压缸压力极差曲线可以分析出，在船闸开启和关闭过程中主要规律为：主阀芯弹簧预紧力在选取范围内越大该系统压力极差越小越稳定。主阀芯弹簧预紧力对于系统压力稳定性影响较明显，对于系统压力最大波峰波谷差值影响较小，其中主阀芯弹簧预紧力对船闸关门过程影响较明显。

图6 不同主阀芯弹簧预紧力下船闸启闭液压缸压力曲线

3) 单向阀芯弹簧刚度的影响

针对不同单向阀芯弹簧刚度Td对该船闸液压启闭机液压系统进行单因素仿真分析，单向阀芯弹簧刚度范围选取3.47～5.07 N/mm，步长0.1 N/mm进行仿真运行。

单向阀芯弹簧刚度主要影响液压缸运行稳定性。使用统计学知识采用方差和极差作为液压缸压力稳定的评判标准，用方差作为判断压力曲线偏离度标准，方差越小，系统压力越稳定；极差作为压力曲线最大波动标准，极差越小系统压力波峰波谷差值越小越稳定，如图7所示，根据液压缸压力方差曲线可以分析出，在船闸开启和关闭过程中主要规律为单向阀芯弹簧刚度在选取范围内越大该系统压力方差越小越稳定；根据液压缸压力极差曲线可以分析出，在船闸开启和关闭过程中主要规律为主阀芯弹簧刚度在选取范围内越大该系统压力极差越小越稳定。单向阀芯弹簧刚度对于系统压力稳定性影响较小， 对于系统压力最大波峰波谷差值影较明显，其中单向芯弹簧刚度对船闸开门过程影响较小。

图7 不同单向阀芯弹簧刚度下船闸启闭液压缸压力曲线

4) 阻尼孔的影响

针对不同阻尼孔孔径d对该船闸液压启闭机液压系统进行仿真分析，阻尼孔孔径范围取0.36～1.56 mm，步长0.05 mm仿真运行。阻尼孔尺寸主要影响液压缸运行响应速度和运行稳定性。使用统计学知识采用方差和极差作为液压缸压力稳定的评判标准，用方差作为判断压力曲线偏离度标准，方差越小，系统压力越稳定；极差作为压力曲线最大波动标准极差越小，系统压力波峰波谷差值越小越稳定，如图8所示，根据液压缸压力方差曲线可以分析出，在船闸开启中主要呈现规律是阻尼孔过大过小都不稳定，在船闸关闭中主要呈现的规律是阻尼孔越小越稳定；根据液压缸压力极差曲线可以分析出，船闸在开启过程中阻尼孔过大或国小都不稳定，而在船闸关闭过程中主要呈现阻尼孔越小越稳定。阻尼孔孔径对于系统压力稳定性影响较小，对于系统压力最大波峰波谷差值影响较明显，其中主阀芯弹簧刚度对船闸关门过程影响较小。

图8 不同阻尼孔径下船闸启闭液压缸压力曲线

3.2 正交试验设计及结果

正交试验设计是一种高效快速的试验设计方法，根据正交性从全面试验中挑取具有代表性的点进行试验大大降低工作量。使用正交试验法对影响长江船闸液压启闭机液压系统简化平衡回路的主要参数进行稳定性研究分析。

根据影响该液压系统的主要单因素分析结果，选取主阀芯弹簧刚度、主阀芯弹簧预紧力、单向阀芯弹簧刚度和阻尼孔尺寸为4个主因素，每个因素选取单因素分析最优的5个水平值。

通过主阀芯弹簧刚度单因素分析，对比关门开门的仿真结果，选取372，382，402，422，462 N/mm作为主阀芯弹簧刚度的5个水平参数。通过主阀芯弹簧预紧力单因素分析，对比关门开门的仿真结果，选取60，100，140，160，380 N作为主阀芯弹簧刚度的5个水平参数。通过单向阀芯弹簧刚度单因素分析，对比关门开门的仿真结果，选取3.67，3.77，3.87，4.17，4.57 N/mm 作为单向阀芯弹簧刚度的5个水平参数。通过阻尼孔孔径单因素分析，对比关门开门的仿真结果，选取0.41，0.71，1.21，1.51，1.56 mm作为阻尼孔孔径的5个水平参数。选取L25(54)正交试验设计表，表2所示为L25(54)正交试验影响因素水平表，表3为该正交试验的正交表。

表2 影响因素及水平值

表3 正交试验表

根据正交表对系统进行仿真并对仿真结果选取方差作为液压缸压力稳定的评判指标，处理各因素各水平平均方差值，对比正交试验结果得到关门和开门过程中各自最优水平组合和试验因素影响程度大小，如表4和表5所示，最后对比分析两个过程得到最优水平组合。图9为正交试验结果曲线，由船闸关门过程的正交试验结果可知其影响因素由高到低为B>C>A>D；由船闸开门过程的正交试验结果可知其影响因素由高到低为C>B>A>D。根据船闸启闭两个过程的正交试验结果可以得到最优水平组合方案是A2B3C1D3，对应参数是阻尼孔孔径0.71 mm、主阀芯弹簧刚度402 N/mm、 主阀芯弹簧预紧力60 N、单向阀芯弹簧刚度3.87 N/mm。

图9 正交试验结果对比曲线

表4 关门过程正交试验结果

表5 开门过程正交试验结果

4 结论

通过AMESim软件对长江船闸液压启闭机液压系统简化平衡回路进行建模仿真，基于平衡阀结构和原理对影响液压缸压力稳定性的主要影响参数进行仿真分析。通过单因素仿真分析结果和正交试验结果可知。

(1) 主阀芯弹簧刚度主要影响液压缸响应速度和运行稳定性，在所选取的主阀芯弹簧刚度范围内弹簧刚度越小系统压力总体越稳定，且系统压力曲线最大波长越小；

(2) 主阀芯弹簧预紧力主要影响液压缸响应速度，在所选取的主阀芯弹簧预紧力范围内弹簧预紧力越大系统压力越稳定，且系统压力曲线最大波长越小；

(3) 单向阀芯弹簧刚度主要影响液压缸响应速度和运行稳定性，在所选取的单向阀芯弹簧刚度范围内弹簧刚度越大系统压力越稳定，且系统压力最大波长越小；

(4) 阻尼孔尺寸主要影响液压缸响应时间和运行稳定性，在所选取阻尼孔尺寸范围内阻尼孔孔径取中间范围时系统压力在船闸启闭时都较稳定，且系统压力最大波长越小；

(5) 对平衡阀内主要影响参数进行正交试验课得到在该系统运行工况下，平衡阀主要影响参数较优参数组合为阻尼孔尺寸0.71 mm，主阀芯弹簧刚度402 N/mm，主阀芯预紧力60 N，单向阀芯刚度3.87 N/mm。