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一種基于變頻技術的泵閥聯控液壓舵機裝置及控制方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510506163.1

申請日:

2015.08.17

公開號:

CN105151266A

公開日:

2015.12.16

當前法律狀態:

駁回

有效性:

無權

法律詳情: 發明專利申請公布后的駁回IPC(主分類):B63H 25/12申請公布日:20151216|||實質審查的生效IPC(主分類):B63H 25/12申請日:20150817|||公開
IPC分類號: B63H25/12; F15B11/00 主分類號: B63H25/12
申請人: 南通航運職業技術學院
發明人: 蔡冬林; 安亮; 吳燦; 王琪
地址: 226000江蘇省南通市開發區通盛大道185號
優先權:
專利代理機構: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249 代理人: 徐激波
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510506163.1

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.05.04|||2016.01.13|||2015.12.16

法律狀態類型:

發明專利申請公布后的駁回|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種基于變頻技術的泵閥聯控液壓舵機裝置及控制方法,包括泵控液壓回路和閥控液壓回路,泵控液壓回路是由變頻液壓泵、單向閥和雙向溢流閥構成的液壓回路,變頻液壓泵連接有變頻電機;閥控液壓回路是由電液換向閥、低壓溢流閥、負荷閥、溢流閥和輔助油泵構成的液壓回路,輔助油泵還連接有輔助電機和油箱;泵控液壓回路和閥控液壓回路并聯連接,泵控液壓回路和閥控液壓回路并聯連接后通過手動隔離閥連接有撥叉式轉舵機構組。其控制方法是通過監測舵葉的角度值選擇使用變頻電機單獨工作或與電磁閥共同工作。本發明通過將閥控和泵控技術相結合,操舵速度快,且實現方便,能耗低,使用壽命長,具有較強的實用性,具有廣闊的市場前景。

權利要求書

權利要求書
1.  一種基于變頻技術的泵閥聯控液壓舵機裝置,其特征在于:包括泵控液壓回路和閥控液壓回路,所述泵控液壓回路是由變頻液壓泵(15)、單向閥(5)和雙向溢流閥(8)構成的液壓回路,所述變頻液壓泵(15)連接有變頻電機(2);所述閥控液壓回路是由電液換向閥(7)、低壓溢流閥(12)、負荷閥(6)、溢流閥(14)和輔助油泵(3)構成的液壓回路,所述輔助油泵(3)還連接有輔助電機(3)和油箱(11);所述泵控液壓回路和閥控液壓回路并聯連接,所述泵控液壓回路和閥控液壓回路并聯連接后通過手動隔離閥(10)連接有撥叉式轉舵機構組(9),所述撥叉式轉舵機構組(9)連接有舵葉,所述舵葉通過舵角反饋裝置與初始輸入舵角端連接。

2.  根據權利要求1所述的一種基于變頻技術的泵閥聯控液壓舵機裝置,其特征在于:還包括控制器,所述控制器分別與所述變頻電機(2)以及各電磁閥相互通訊連接。

3.  根據權利要求1或2所述的一種基于變頻技術的泵閥聯控液壓舵機裝置,其特征在于:所述變頻電機(2)連接有變頻器,所述變頻器采用矢量變頻方式實現對變頻電機(2)的調速。

4.  根據權利要求1所述的一種基于變頻技術的泵閥聯控液壓舵機裝置,其特征在于:所述油箱(11)內還設有浮球液位計(1)和溫度控制器(16)。

5.  根據權利要求1所述的一種基于變頻技術的泵閥聯控液壓舵機裝置,其特征在于:所述泵控液壓回路還連接有高置油柜(17),高置油柜(17)內還設有浮球液位計(1)。

6.  根據權利要求1所述的一種基于變頻技術的泵閥聯控液壓舵機裝置,其特征在于:所述撥叉式轉舵機構組(9)上還設有壓力表(13)。

7.  根據權利要求1所述的一種基于變頻技術的泵閥聯控液壓舵機裝置,其特征在于:還包括儲能器。

8.  根據權利要求1-7任一一項所述的一種基于變頻技術的泵閥聯控液壓舵機裝置的控制方法,其特征在于:包括如下步驟:
(1)當接受到舵機指令信號時,在控制器的作用下,變頻電機以及各電磁閥同時動作,向舵機液壓缸的一側輸入液體流量,舵葉往需要的方向運動;
(2)通過舵角反饋裝置實時監測舵葉角度值,并傳輸至初始輸入舵角端于初始舵機指令進行比較;
(2)當舵葉的轉角與駕駛臺的指令角度差值小于設定偏差值時,電磁閥停止工作,變頻液壓泵繼續向舵機液壓缸輸入液體流量,直至舵葉的轉角達到指令信號的要求時,變頻液壓泵停止工作;
(3)當舵葉的轉角與駕駛臺的指令角度差值達到或大于設定偏差值時,電磁閥和變頻液壓泵同時動作,向舵機液壓缸的一側輸入液體流量,以減小偏差值。

說明書

說明書一種基于變頻技術的泵閥聯控液壓舵機裝置及控制方法
技術領域
本發明屬于船舶控制技術領域,具體涉及一種基于變頻技術的泵閥聯控液壓舵機裝置及控制方法。
背景技術
目前船舶舵機系統主要為液壓系統,液壓系統以其功率密度大、操縱能力強、工作可靠性好在船舶領域中受到了廣泛的好評。在船舶航行過程中,為了保證船舶安全,船舶舵機始終處于運行狀態,以應對船舶操縱的要求。
但在航程的大部分時間里,舵機都是處于空載運行的狀態,雖然此時液壓系統處于卸載狀態,但電機、泵等卻仍高速運轉,存在一定的功率消耗,且設備磨損加快,使用壽命降低,系統總體效率不高。變頻液壓泵調速從源頭上解決功率匹配問題,通過調節系統運行的參數控制電機轉速,避免了電機和液壓泵的高速連續運轉,能夠有效地降低系統噪聲和機件磨損,提高系統使用壽命和可靠性,減少液壓系統能量損失。與閥控系統相比,變頻液壓泵控系統存在動態響應慢,不能適應船舶舵機快速操縱的要求,特別是在港內機動航行時矛盾更為突出。
綜合目前船舶舵機為液壓系統,根據調速原理不同主要有泵控液壓舵機和閥控液壓舵機兩種形式。
1.泵控液壓舵機的缺點:
(1)即使無轉舵操作,只要船舶航行舵機必須運轉,效率低,能耗高;
(2)由于電機和泵長期處于高速運轉狀態,噪聲大,磨損大,壽命較短;
(3)為了達到較精確調速目的,伺服機構復雜;
2.閥控液壓舵機的缺點:
(1)沖擊大;
(2)效率低。
發明內容
發明目的:本發明的目的是為了解決現有技術中的不足,提供一種減少船舶航行中的操舵能量損失,提高操舵響應時間,延長舵機壽命的基于變頻技術的泵閥聯控液壓舵機裝置及控制方法。
技術方案:本發明所述的一種基于變頻技術的泵閥聯控液壓舵機裝置,包括泵控液壓回路和閥控液壓回路,所述泵控液壓回路是由變頻液壓泵、單向閥和雙向溢流閥構成的液壓回 路,所述變頻液壓泵連接有變頻電機;所述閥控液壓回路是由電液換向閥、低壓溢流閥、負荷閥、溢流閥和輔助油泵構成的液壓回路,所述輔助油泵還連接有輔助電機和油箱;所述泵控液壓回路和閥控液壓回路并聯連接,所述泵控液壓回路和閥控液壓回路并聯連接后通過手動隔離閥連接有撥叉式轉舵機構組,所述撥叉式轉舵機構組連接有舵葉,所述舵葉通過舵角反饋裝置與初始輸入舵角端連接。
進一步的,還包括控制器,所述控制器分別與所述變頻電機以及各電磁閥相互通訊連接。
進一步的,所述變頻電機連接有變頻器,所述變頻器采用矢量變頻方式實現對變頻電機的調速。
進一步的,所述油箱內還設有浮球液位計和溫度控制器。
進一步的,所述泵控液壓回路還連接有高置油柜,高置油柜內還設有浮球液位計。
進一步的,所述撥叉式轉舵機構組上還設有壓力表。
進一步的,還包括儲能器。
本發明還公開了一種基于變頻技術的泵閥聯控液壓舵機裝置的控制方法,包括如下步驟:
(1)當接受到舵機指令信號時,在控制器的作用下,變頻電機以及各電磁閥同時動作,向舵機液壓缸的一側輸入液體流量,舵葉往需要的方向運動;
(2)通過舵角反饋裝置實時監測舵葉角度值,并傳輸至初始輸入舵角端于初始舵機指令進行比較;
(2)當舵葉的轉角與駕駛臺的指令角度差值小于設定偏差值時,電磁閥停止工作,變頻液壓泵繼續向舵機液壓缸輸入液體流量,直至舵葉的轉角達到指令信號的要求時,變頻液壓泵停止工作;
(3)當舵葉的轉角與駕駛臺的指令角度差值達到或大于設定偏差值時,電磁閥和變頻液壓泵同時動作,向舵機液壓缸的一側輸入液體流量,以減小偏差值。
有益效果:本發明采用的泵閥聯控變頻液壓舵機系統的開發較好地解決了節能和快響應之間的矛盾,這對于提高和改善當前船舶舵機工作性能具有重要的理論研究和實際應用價值,也能夠進一步推動現代船舶高效經濟安全航行。且本發明還具有如下有益效果:
(1)變頻舵機僅在操舵時工作,效率提高,能耗大幅度降低(至少減低50%);
(2)采用變頻電機,噪聲小,磨損降低,壽命延長一倍;
(3)采用變頻泵控和閥控結合,操舵響應提高,操舵速度至少提高30%;
(4)通過參數匹配可廣泛應用于各類航區船舶;
(7)該技術填補了國內變頻舵機技術的空白;
該技術實現方便,能耗低,使用壽命長,具有較強的實用性,具有廣闊的市場前景。
附圖說明
圖1為本發明的整體控制結構框圖;
圖2為本發明的泵閥聯控液壓舵機裝置液壓原理圖;
圖3為本發明的泵閥聯控變頻液壓舵機系統的傳遞函數方框圖;
圖4為本發明的泵閥聯控、閥控和泵控變頻液壓舵機系統舵機轉角輸出曲線圖;
圖5為本發明的泵閥不同流量占比的舵角響應曲線圖。
具體實施方式
如圖1和圖2所示的一種基于變頻技術的泵閥聯控液壓舵機裝置,包括泵控液壓回路和閥控液壓回路,所述泵控液壓回路是由變頻液壓泵15、單向閥5和雙向溢流閥8構成的液壓回路,所述變頻液壓泵15連接有變頻電機2;所述閥控液壓回路是由電液換向閥7、低壓溢流閥12、負荷閥6、溢流閥14和輔助油泵3構成的液壓回路,所述輔助油泵3還連接有輔助電機3和油箱11;所述泵控液壓回路和閥控液壓回路并聯連接,所述泵控液壓回路和閥控液壓回路并聯連接后通過手動隔離閥10連接有撥叉式轉舵機構組9,所述撥叉式轉舵機構組9連接有舵葉,所述舵葉通過舵角反饋裝置與初始輸入舵角端連接。
作為上述技術方案的進一步優化,所述油箱11內還設有浮球液位計1和溫度控制器16,便于對油箱11進行液位監測和溫度監測。所述泵控液壓回路還連接有高置油柜17,高置油柜17內還設有浮球液位計1。所述撥叉式轉舵機構組9上還設有壓力表13。
本裝置還包括控制器,所述控制器分別與所述變頻電機2以及各電磁閥相互通訊連接。所述變頻電機2連接有變頻器,所述變頻器采用矢量變頻方式實現對變頻電機2的調速,以達到與直流電機一樣的輸出特性。
矢量變頻控制的電機運行特性與直流電機相似,由電流負反饋和轉速負反饋兩個回路構成,動態過程近似一階環節即Kp和Tp為電機調速回路放大系數和時間常數。
變頻液壓泵空載流量:Qpo=DpKpupTps+1---(1)]]>
式中,Dp為每轉排量,up為輸入電壓。因此,變量泵的實際流量為Qp=Qp0-CtpPh(2)
式中,Ctp為泵的泄漏系數,Ph為系統高壓側壓力。
伺服閥的動態過程為Kqs2ωsv2+2ξsvωsvs+1---(3)]]>
式中,Kq、ωsv、ξsv為伺服閥的流量系數、固有頻率、阻尼比。
伺服閥線性化流量方程:Qv=Kvuv-KcPf(4)
式中Qv、Kc、Pf、uv、Csv為伺服閥實際輸出流量、流量壓力系數、泵的輸出壓力、閥輸入電壓、閥常數。
伺服閥的空載流量:Qv0=uvKqs2ωsv2+2ξsvωsvs+1---(5)]]>
泵閥聯控系統流量連續性方程:
Qp+Qv=Adydt+CtPf+V0βedPfdt---(6)]]>
式中,Ct=Ctp+Cm+Kc,A為液壓缸柱塞的作用面積,Ct為總泄漏系,Cm為液壓缸泄漏系數,V0為伺服閥至液壓缸的容腔總容積,βe為液壓流體的彈性模量。
液壓缸負載力平衡方程:
APf=md2yd2t+Bmdydt+Ky+Fl---(7)]]>
式中,m為等效負載質量,Bm為等效阻尼系數,K為等效負載彈簧剛度,K值為0(在液壓缸內無需彈簧復位),y為液壓缸的位移,Fl為外干擾力。
液壓缸與舵葉轉角之間的關系:
θ=Kyθy(8)
式中,θ為舵葉轉角位移,Kyθ為位移轉換系數。
聯立式(2)(4)(6)(7),得泵控機構的傳遞函數式:
Y(s)=Kpv(Qp+Qv)-Fl(s)Kl(VoβeCts+1)s(s2ωp2+2ξpωps+1)---(9)]]>
式中,Kpv=AA2+BmCt,Kl=CtA2+BmCt,ξp=12(V0Bm22(BmCt+A2)e+Ct2βem(BmCt+A2)V0),]]>
聯合上述三個子模型得到泵閥聯控變頻液壓舵機系統的傳遞函數方框圖,如圖3所示。
用AMESIM平臺的信號控制庫對泵閥聯控變頻液壓舵機系統進行建模與仿真,系統仿真參數見表1,舵機轉角的輸出曲線如圖4所示,圖中列出了閥控10%流量、泵控90%流量和泵閥聯控狀態下,變頻液壓舵機系統舵機轉角的輸出曲線,通過比較發現,舵機系統的動態響應有了顯著的提升。
表1泵閥聯控變頻液壓舵機系統仿真參數
參數數值單位參數數值單位Kq8.6×10-6m3(sv)βe7×108N/m2Dp116ml/rCt9.2×10-11(m3/s)/PaKp5.75×10-1sv/rBm0.5N/(m/s)Tp0.315sA4.2×10-2m2Vo0.008m3m1000kgKyθ1.3m/°Kc4.5°/vωsv320Rad/sξsv0.7
在本發明的泵閥聯控變頻液壓舵機系統中,隨著閥控系統流量增加,舵機的響應速度會相應提高。如圖5,閥控系統供給流量分別是60%、40%、20%的舵機轉角的輸出曲線,但舵機系統的整體效率會下降。在船舶頻繁操舵的場合,應考慮閥控系統流量占比大一些,否則在滿足操舵的基本要求下,還應保證系統的高效率。
本泵閥聯控變頻液壓舵機系統在泵閥同時參與控制時仍是定值穩定調節系統,因為雙重回路的存在,增加了系統的開環零點,而零點的位置可通過改變伺服閥的參數進行調整。還可在系統中安裝儲能器,相當于增加一個積分環節,即可防海浪沖擊舵葉形成的壓力波動,也能提高系統的穩定性。合理整定PID控制器的參數值,可以改善舵機系統的動態品質,如增大K值,能提高系統的響應速度。通過調整閥控系統供油壓力,使其為高壓側壓力的2倍,也能實現響應快的效果,但要注意對系統穩定性的不利影響。
本發明還公開了一種基于變頻技術的泵閥聯控液壓舵機裝置的控制方法,包括如下步驟:
(1)當接受到舵機指令信號時,在控制器的作用下,變頻電機以及各電磁閥同時動作,向舵機液壓缸的一側輸入液體流量,舵葉往需要的方向運動;
(2)通過舵角反饋裝置實時監測舵葉角度值,并傳輸至初始輸入舵角端于初始舵機指令進行比較;
(2)當舵葉的轉角與駕駛臺的指令角度差值小于設定偏差值時,電磁閥停止工作,變頻液壓泵繼續向舵機液壓缸輸入液體流量,直至舵葉的轉角達到指令信號的要求時,變頻液壓泵停止工作;
(3)當舵葉的轉角與駕駛臺的指令角度差值達到或大于設定偏差值時,電磁閥和變頻液壓泵同時動作,向舵機液壓缸的一側輸入液體流量,以減小偏差值。
上述針對本裝置的控制方法,使得本裝置具有兩種工作模式:正常模式和節能模式。
正常模式:舵角偏差高于設定角度時,變頻泵控和閥控同時工作;舵角偏差不高于設定角度時,僅變頻泵控工作。適用于船舶機動航行。節能模式:僅變頻泵控工作,適用于正常航行。
在正常模式下變頻泵和伺服閥同時參與控制時,伺服閥輸出的流量是對動態響應較慢的變頻泵液壓系統的有效補償,系統的快速性好、效率較高,此種模式適合于船舶機動操縱時以滿足頻繁操縱舵機的需求;在節能模式下變頻泵單獨參與控制時,系統效率最高,但動態響應較快,此種模式適合于船舶海上定速航行時操舵需求少的工況,此時可將溢流閥卸荷,使閥控系統處于不作功狀態。此外船用舵機,通常設置兩套相互獨立的供給系統,在任一泵閥聯控變頻液壓供油系統發生故障時,另一系統會自動立即投入運行,以確保舵機在航行中始終處于正常工作狀態。
正常模式下,泵閥聯控變頻液壓舵機系統中的閥控系統還起到補油冷卻的作用,閥控回油路上單向閥可以使回油管路保持一定的低壓,以確保變頻液壓泵獲得良好的吸入性能。節能模式下,在泵閥聯控變頻液壓舵機系統中閥控輔助泵同軸再安裝一臺低壓泵,或在變頻液壓泵吸入性能好和系統散熱要求不高的情況下采用高置油柜,通過液控止回閥向系統補油。
泵閥聯控變頻液壓舵機系統的開發較好地解決了節能和快響應之間的矛盾,這對于提高和改善當前船舶舵機工作性能具有重要的理論研究和實際應用價值,也能夠進一步推動現代船舶高效經濟安全航行。
且本發明還具有如下有益效果:
(1)變頻舵機僅在操舵時工作,效率提高,能耗大幅度降低(至少減低50%);
(2)采用變頻電機,噪聲小,磨損降低,壽命延長一倍;
(3)采用變頻泵控和閥控結合,操舵響應提高,操舵速度至少提高30%;
(4)通過參數匹配可廣泛應用于各類航區船舶;
(7)該技術填補了國內變頻舵機技術的空白;
該技術實現方便,能耗低,使用壽命長,具有較強的實用性,具有廣闊的市場前景。
以上所述,僅是本發明的較佳實施例而已,并非對本發明作任何形式上的限制,雖然本發明已以較佳實施例揭露如上,然而并非用以限定本發明,任何熟悉本專業的技術人員,在不脫離本發明技術方案范圍內,當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例,但凡是未脫離本發明技術方案的內容,依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾,均仍屬于本發明技術方案的范圍內。

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一種 基于 變頻 技術 泵閥聯控 液壓 舵機 裝置 控制 方法
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