某新型液压联锁开关阀组件开发仿真

于 亮，张 睿

（1. 海军装备部驻上海地区第三代表室，上海 200031；2. 上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

液压技术具有诸多特点，如功率比大、体积小、频响高以及压力流量可控性好等，而且还有可柔性传送动力和易实现直线运动等优点[1]。液压技术是现代化传动与控制领域的关键技术，在现代工业领域，液压技术具有广泛的应用。

目前，由于质量体系中产品安全性、可靠性能理念的广泛推广，很多机电液集成设备设计中都会采用电气联锁、液压联锁等保护措施，在人员误操作或程序失效时避免发生设备损坏或人身伤害等事故。特别是近年来电子电气工业技术的极大发展，电气联锁被广泛应用于各型设备中；而液压联锁由于相关集成产品的缺失和应用复杂性远高于电气联锁，其应用范围越来越小。然而，在某些细分领域（如有手动工况应急操作要求的设备及设计规范中明确要求液压联锁的情况或者有强电磁干扰的应用场景），液压联锁还是具有其不可替代的作用。本文结合某设备的使用要求，提出2种液压联锁开关阀型式并进行比较分析。

1 需求分析

1.1 液压联锁当前现状

目前液压联锁应用的形式种类多样，能够完成多种联锁逻辑，如常见的与、或、非门等均有很多应用案例，但是应用形式也是多种多样，使用效果也各有不同，很大程度上取决于设计人员的经验和企业的历史经验积累。常见的应用形式 有以下几种，见图1。

图1 常见液压联锁形式

液压联锁从原理上可以分为直动式和先导式，从输入信号上可以区分为机械式、液动式、电气式[2]。直动式液压联锁结构是指采用多个开关阀元件串联或并联的方式进行组合，每个输入信号直接控制各个开关阀的通断；先导式液压联锁结构是指采用一个主开关阀，通过控制油路控制主开关阀的先导级，从而实现主油路的液压联锁功能。

直动式液压联锁具有原理简单、工作可靠的特点，但缺点是只能适用于小流量和联锁条件不多的应用工况，否则随着流量增大或串联开关阀数量的增多会造成很大的压降，造成不必要的能源浪费；对于行程换向阀前期安装定位要求很高，大部分行程换向阀的压缩行程只有不到4 mm，若行程压缩不合要求则可能造成阀压降增大或阀件损坏。先导式液压联锁具有设计灵活，功能多样的特点，设计人员根据标准元件进行选型设计即可完成预定功能，但是对设计人员专业水平有一定要求，不利于推广应用。

1.2 液压联锁开关阀开发需求的确定

我国船用多型设备上都应用了液压联锁的工作原理，在实际应用中也取得了良好的实践效果，有效避免了由于船员不熟悉操作规程可能造成的设备损坏事故。然而，在实际应用中也发现一些可以持续优化的地方，简要可以概括为以下3点：

1）部分应用场合存在较高压力损失的问题，某设备驱动油缸液压回路原理图见图2。

图2 驱动油缸液压回路原理图

在P口油路上串联了2个行程方向阀，这样实现的液压联锁原理简单，但相当于在主油路上串联了2个阻尼孔，样本见图3，2个6通径的行程方向阀在额定工况（50 L/min）下会造成近2 MPa的压力损失，随着温度减低和阀口开启不到位，都会继续增大压力损失，造成系统资源的浪费。

图3 6 通径行程方向阀流量-压差曲线

2）有些应用开关阀元件（如行程方向阀）故障率较高。

根据液压滑阀的经典稳态液动力计算公式可知，圆柱滑阀阀芯的稳态液动力与通过流量成正比例关系[3]，对于一些高流量应用场合，可能造成故障率变高；对于一些将行程方向阀直接串入主油路的应用，行程方向阀的安装状况对于油路压力损失影响很大。

3）很多液压联锁应用在设计时未考虑测试性。

随着船舶智能化技术的发展，用户对于设备在线监控、在线故障诊断的要求更高。而作为故障模式中重要一环，目前很多液压联锁应用不具备直观的工作显示能力。

综上所述，结合某设备的使用工况，得出了本次液压联锁的开发需求，可归类为以下4点：

1）可靠性高，在电动和手动工况能可靠工作。

2）压降尽可能小（在使用L-HM32号液压油，油温30 ℃～40 ℃，流量不低于50 L/min的条件下，液压联锁开关阀组件在导通状态时，压降≤0.5 MPa）。

3）截止工况时内泄露尽可能小（在使用L-HM32号液压油，油温30 ℃～40 ℃，试验用压力6.5 MPa的条件下，液压联锁开关阀组件在截至状态下内泄漏量小于等于200 mL/min）。

4）能有工作状态显示或反馈。

2 液压联锁开关阀组件开发仿真分析

本文采用插装式开关阀进行集成设计，液压原理见图4，基本原理如下：高压油从A口进入液压联锁开关阀，当2个行程换向阀均处于弹簧复位状态时，开关阀的控制口X口为封堵状态，则开关阀A腔压力和B腔压力一致，在液压力和弹簧力的作用下，开关阀处于截止状态；当2个行程换向阀均处于打开状态时，开关阀的控制口X口与油箱相通，主油路中的油液会经过阻尼孔1流回油箱，同时阻尼孔1两端会产生压降，故开关阀B腔的压力会大于A腔压力，当作用于B腔的液压力足以克服A腔液压力和复位弹簧力时，开关阀处于打开状态。

图4 液压联锁开关阀组件开发方案原理图

为了定量的研究各阻尼孔直径等参数对开关阀性能的影响，本文通过AMESim软件的HCD库对液压联锁开关阀组件方案进行系统仿真建模，见图5，在此模型基础上进行定量分析，研究各个参数对开关阀组件的开关特性的影响（如开启/关闭时间、泄漏量和流量压力曲线等）。

图5 液压联锁开关阀组件开发方案分析模型

在Parameters模式下，为元件设置模型参数，该系统主要参数的选择和设定如下：油液温度为40 ℃，黏度为51 cP，系统压力P为7 MPa，阀芯直径为20 mm，阀口直径为16 mm，阀口倒角为45°，阀杆直径5 mm，初始复位弹簧力为392.5 N其余参数采用系统默认。

液压联锁滑阀采用复位状态为截止的机能，通过设置仿真模型参数来模拟滑阀由截止到打开的过程，在动态的环境下分析开关阀的动态响应状态，信号输入为在2s时输入为1的值，模拟液压联锁滑阀得电开启。

假定加载阻尼孔（原理图中的阻尼孔1）通流面积为0.2 mm2，通过参数化赋值，将泄漏阻尼孔（原理图中的阻尼孔2）通流面积分别设置为0.2 mm2、0.6 mm2、1 mm2、2 mm2、4 mm2、6 mm2、8 mm2、10 mm2和20 mm2。

将各个参数代入模型仿真计算后，发现泄漏阻尼孔不影响开关阀稳定状态下的流量、压差、泄漏流量特性，只影响开关阀的开启和关闭响应时间，泄漏阻尼孔通流面积越小，关闭和打开响应越慢，但超调量也越小，液压冲击越小。综合考虑液压冲击和开关阀启闭响应时间，选定泄漏阻尼孔通流面积为2 mm2。

同理，假定泄漏阻尼孔通流面积为10 mm2时，通过参数化赋值，将泄漏阻尼孔（原理图中的阻尼孔2）通流面积分别设置为0.2 mm2、0.4 mm2、0.6 mm2、0.8 mm2、1 mm2、1.2 mm2、1.4 mm2、1.6 mm2和1.8 mm2，将各个参数代入模型仿真计算后，发现泄漏阻尼孔不影响开关阀稳定状态下的流量、压差特性，但对阀的泄露流量有很大影响，通流面积越小泄漏量越小，阀芯关闭和打开响应越慢，但超调量也越小，液压冲击越小。此处考虑到应用场合对阀芯响应速度不敏感，但是要求泄漏量尽量少且液压冲击小，故选定泄漏阻尼孔通流面积为0.2 mm2。

综上，液压连锁开关阀组件方案泄漏阻尼孔孔径选用0.25 mm，加载阻尼孔孔径选用1.8 mm，插装式开关阀拟选用16通径插装阀，阀体和阻尼孔自行设计并加工，在设计阀体时综合考虑开关阀的测试性，设置充分的内部和外部测试点，以便于在各维修级别实施测试，保障在使用和维修中能及时、正确地提供测试数据，以此提高开关阀的可靠性。

3 结论

本文通过研究开发一种新型式的集成液压联锁开关阀组件，通过加装液压联锁开关阀组件，显著减小液压联锁上的压降，提升设备的战术性能，释放更多的船总体功率裕量。在电气联锁被广泛应用于各型设备中，而液压联锁由于相关集成产品的缺失和应用复杂性远高于电气联锁，其应用范围越来越小的当前情况下。本次设计新型式的集成液压联锁开关阀组件的在某些细分领域（如有手动工况应急操作要求的设备及设计规范中明确要求液压联锁的情况或者有强电磁干扰的应用场景），发挥着其不可替代的作用。