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摘要

輕型燃?xì)廨啓C(jī)通常作為發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、泵組的驅(qū)動(dòng)設(shè)備,廣泛應(yīng)用于發(fā)電、油氣輸送、環(huán)保等領(lǐng)域。燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)系統(tǒng)是燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的重要組成部分,其作用是將燃?xì)廨啓C(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)加速至自持轉(zhuǎn)速,保證燃?xì)廨啓C(jī)正常起動(dòng),液壓起動(dòng)系統(tǒng)是一種常見的輕型燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)系統(tǒng)。本文根據(jù)液壓起動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型,對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析,并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化,使其控制穩(wěn)定性得到提高。該研究對(duì)改善燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)條件,提高其穩(wěn)定性和安全性有重要意義。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī);動(dòng)態(tài)特性;電液伺服控制;系統(tǒng)優(yōu)化 

燃?xì)廨啓C(jī)由氣體壓縮機(jī)、燃燒室和動(dòng)力渦輪組成。燃?xì)獍l(fā)生器和動(dòng)力渦輪核心都是高速旋轉(zhuǎn)的葉輪組軸,通過氣流軸向流動(dòng)可將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。燃?xì)廨啓C(jī)以天然氣或燃油為燃料,工作效率高于其他動(dòng)力機(jī)械,排放物中NOx、CO等有害物質(zhì)含量也相對(duì)較低。輕型燃?xì)廨啓C(jī)一般基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),或由航空發(fā)動(dòng)機(jī)改制而成,核心部件為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),無往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)行平穩(wěn)。基于以上優(yōu)點(diǎn),輕型燃?xì)廨啓C(jī)可作為艦船螺旋槳、天然氣壓縮機(jī)、發(fā)電機(jī)、大型泵組等設(shè)備的驅(qū)動(dòng)機(jī),在艦船制造、分布式能源開采、油氣管道運(yùn)輸、電力輸送等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。

起動(dòng)系統(tǒng)是燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組中的重要輔助系統(tǒng),在燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)或冷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)工作,其作用是將燃?xì)廨啓C(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)帶動(dòng)至冷運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速或自持轉(zhuǎn)速。起動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性是起動(dòng)系統(tǒng)輸出質(zhì)量的重要表征,是影響燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)階段的穩(wěn)定性和點(diǎn)火成功率的關(guān)鍵因素。液壓起動(dòng)系統(tǒng)在輕型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組中被普遍使用,因此,研究液壓起動(dòng)系統(tǒng)對(duì)研究輕型燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)性能,提高燃?xì)廨啓C(jī)工作穩(wěn)定性,增加燃?xì)廨啓C(jī)使用壽命有重要的意義。 

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液壓起動(dòng)系統(tǒng)功能與原理

1.1 燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)方法

系統(tǒng)中的起動(dòng)機(jī)帶動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),根據(jù)起動(dòng)機(jī)形式的不同,起動(dòng)系統(tǒng)可分為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)、內(nèi)燃機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)、壓縮氣體起動(dòng)系統(tǒng)、液壓起動(dòng)系統(tǒng)、微型燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)系統(tǒng)等。液壓起動(dòng)系統(tǒng)通過壓力油驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)帶動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。相對(duì)于其他起動(dòng)系統(tǒng),液壓起動(dòng)系統(tǒng)具有輸出力矩平穩(wěn)、避免沖擊和振動(dòng)的優(yōu)點(diǎn),特別適用于中、小型燃?xì)廨啓C(jī)。液壓起動(dòng)系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)液壓泵組或液壓馬達(dá)排量,可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速或扭矩的精準(zhǔn)控制。系統(tǒng)中僅有馬達(dá)安裝在燃?xì)廨啓C(jī)本體上,其余設(shè)備通過橡膠軟管與液壓馬達(dá)連接,系統(tǒng)對(duì)安裝空間和燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)要求都比較低。液壓起動(dòng)系統(tǒng)還具有一般液壓系統(tǒng)推力大、傳動(dòng)比高、零部件標(biāo)準(zhǔn)化程度高、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn), 并適用于高溫、高海拔、潮濕腐蝕、防爆區(qū)域等特殊環(huán)境,在輕型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組中應(yīng)用非常普遍。國(guó)產(chǎn)大部分輕型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組起動(dòng)系統(tǒng)均采用了液壓起動(dòng)形式。 

附件機(jī)匣是燃?xì)廨啓C(jī)的一部分,安裝在燃?xì)獍l(fā)生器外部。附件機(jī)匣核心是兩到三級(jí)齒輪組成的齒輪變速機(jī)構(gòu)。附件機(jī)匣的輸入端為內(nèi)花鍵軸,與液壓起動(dòng)馬達(dá)輸出軸連接,輸出端位于燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)部,通過錐齒輪與燃?xì)廨啓C(jī)主軸上的齒輪嚙合。液壓起動(dòng)系統(tǒng)接到起動(dòng)命令后,液壓馬達(dá)帶動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)附件機(jī)匣內(nèi)的齒輪組轉(zhuǎn)動(dòng),附件機(jī)匣將轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提升,并帶動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

在燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)過程中,燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速先按照固定加速率上升至一定轉(zhuǎn)速,隨后將該轉(zhuǎn)速穩(wěn)定維持一段時(shí)間, 利用該轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的氣流對(duì)燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)部進(jìn)行清吹,以清除燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)可能殘留的燃?xì)饣蛴鸵?以免點(diǎn)火或停機(jī)過程中這些殘留物引起爆燃或起火。清吹過程結(jié)束后,轉(zhuǎn)速短暫下降,隨后以更高的固定加速率增速,并點(diǎn)火。燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火后保持固定加速率,直至點(diǎn)火器關(guān)閉。

點(diǎn)火后,燃料燃燒參與做功,燃燒產(chǎn)生的推力逐漸增大并超過液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)力,成為驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿Α４藭r(shí)液壓馬達(dá)隨附件機(jī)匣輸入軸保持固定增速率跟轉(zhuǎn),直至燃?xì)獍l(fā)生器達(dá)到自持轉(zhuǎn)速,液壓馬達(dá)輸出軸與附件機(jī)匣通過超越離合器分離,起動(dòng)系統(tǒng)退出,完成起動(dòng)過程。

1.2 液氣起動(dòng)系統(tǒng)工動(dòng)原理 

燃?xì)廨啓C(jī)液壓起動(dòng)系統(tǒng)通常安裝在燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組撬體內(nèi)部,或以獨(dú)立撬體安裝在機(jī)組附近,系統(tǒng)供油可單獨(dú)設(shè)置液壓油箱,也可取自燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組潤(rùn)滑系統(tǒng)供油管道。液壓起動(dòng)系統(tǒng)由起動(dòng)電機(jī)、聯(lián)軸器、液壓起動(dòng)泵、液壓馬達(dá)、單向閥、溢流閥及壓力表、壓力變送器、溫度變送器等零組件構(gòu)成。液壓馬達(dá)一般直接掛載在燃?xì)廨啓C(jī)附件機(jī)匣上,通過橡膠軟管與液壓泵或油箱輸、回油管道連接,以隔絕燃?xì)獍l(fā)生器與燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組底座間的相對(duì)振動(dòng)。

液壓泵組從油箱吸油,并將油液經(jīng)單向閥輸入液壓馬達(dá),推動(dòng)液壓馬達(dá)帶動(dòng)附件機(jī)匣轉(zhuǎn)動(dòng),液壓馬達(dá)回油及殼體泄油經(jīng)管道流回油箱。單向閥出口設(shè)有溢流閥,作為安全閥使用,在系統(tǒng)壓力過高時(shí)溢流。

在燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)點(diǎn)火前,燃料不產(chǎn)生推力,燃?xì)獍l(fā)生器完全靠液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng),液壓馬達(dá)以最大扭矩輸出,系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速通過調(diào)節(jié)泵的排量控制,此時(shí)液壓馬達(dá)輸出扭矩不變,功率變化趨勢(shì)與轉(zhuǎn)速一致。這一階段燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)推力完全由液壓起動(dòng)系統(tǒng)提供,該階段起動(dòng)系統(tǒng)工況特性對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)質(zhì)量有重要影響。點(diǎn)火后燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速主要通過調(diào)節(jié)燃料供應(yīng)量控制,液壓起動(dòng)系統(tǒng)只起輔助推動(dòng)作用,對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)影響很小。因此本文重點(diǎn)討論點(diǎn)火前階段起動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

燃?xì)廨啓C(jī)冷運(yùn)轉(zhuǎn)起動(dòng)過程與燃?xì)廨啓C(jī)正常起動(dòng)時(shí)從靜止到清吹轉(zhuǎn)速升轉(zhuǎn)過程相似,在此不做贅述。 

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系統(tǒng)建模與分析

2.1 機(jī)組對(duì)系統(tǒng)性能要求

為保證燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的正常起動(dòng),液壓起動(dòng)系統(tǒng)必須滿足一些關(guān)鍵性能要求,系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需以這些要求中的參數(shù)為設(shè)計(jì)依據(jù)。根據(jù)某輕型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的實(shí)際工況,整理出液壓起動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),如表1所示。

根據(jù)1.2節(jié)內(nèi)容分析,在60s時(shí)液壓氣動(dòng)系統(tǒng)輸出扭矩和功率達(dá)到峰值,根據(jù)此時(shí)馬達(dá)輸出扭矩選取馬達(dá)排量Vm為107mL/min。此時(shí)泵的輸出流量最大,計(jì)算泵的輸出流量Q: 

式中,n60為60s時(shí)系統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)速;η3為液壓馬達(dá)容積效率;計(jì)算得Q為185L/min。

計(jì)算液壓泵的最大排量Vp:

式中,n*為液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速;η2為液壓泵容積效率;計(jì)算得Vp為130mL/r。

系統(tǒng)最大功率為60s時(shí)系統(tǒng)消耗功率,忽略泵和馬達(dá)的機(jī)械損耗,計(jì)算系統(tǒng)消耗功率P為: 

式中,η1為電機(jī)機(jī)械效率;計(jì)算得P為72kW。 

2.2 系統(tǒng)建模與仿真

液壓起動(dòng)系統(tǒng)采用電液伺服控制方式,控制系統(tǒng)下達(dá)量命令時(shí),向燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)輸入4~20mA控制電流,由電氣控制器轉(zhuǎn)換為控制電壓,與反饋電壓比較后將電壓信號(hào)輸入電磁鐵,控制閥芯發(fā)生位移,經(jīng)液壓控制機(jī)構(gòu)放大后,控制液壓泵斜盤驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)生位移,同時(shí)斜盤驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過位置反饋器將位移變化轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào), 反饋給電氣控制器,形成控制閉環(huán)。斜盤驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作改變柱塞泵斜盤傾斜角度,導(dǎo)致泵的排量改變,從而控制系統(tǒng)流量。 

液壓控制機(jī)構(gòu)由控制閥、液壓控制缸等部件組成,泵組供油斜盤傾斜角度由兩個(gè)控制缸位移控制,如圖1所示。液壓泵打出壓力為Ps的高壓油分為兩路,一路接入控制缸1,另一路接入控制閥P口，控制閥A口與控制缸2連接,T口與油箱連接。

圖1 流量控制機(jī)構(gòu)示意圖

當(dāng)電磁力F為0時(shí),控制閥芯保持中位,各油路封閉,斜盤角固定;當(dāng)電磁力F為正值時(shí),閥芯左移,壓力油經(jīng)閥口流入控制缸2,壓力降為Pp,但控制缸2活塞截面大于控制缸1,故產(chǎn)生推力大于控制缸1,斜盤角增大;當(dāng)電磁力F為負(fù)值時(shí),閥芯右移,控制缸2內(nèi)的壓力油經(jīng)閥口流入油箱，控制缸1推力大于控制缸2，斜盤角減小。

根據(jù)薄壁小孔節(jié)流公式,控制閥出口流量方程為:

式中,Cd為小孔流量系數(shù);ω為閥口面積梯度。

將式(4)在工作點(diǎn)A(xv=xa,pp=pa)處展開成泰勒級(jí)數(shù)，并忽略高階無窮小項(xiàng),則該式可化簡(jiǎn)為: 

式中,A2為控制缸2截面積;Ctp為控制缸2泄漏系數(shù)。

忽略負(fù)載摩擦產(chǎn)生阻尼,控制缸2活塞受力平衡方程為:

式中,A1為控制缸1截面積;F為負(fù)載力;m為控制缸1、2活塞及其附屬運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量;B為控制缸1、2的阻尼比;K1為控制缸1無桿腔彈簧剛度。

流量控制機(jī)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

根據(jù)式(10)通過軟件繪制bode圖,如圖2所示,相位裕度為5.97°,裕度較小,系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)較大。為提高系統(tǒng)響應(yīng)速率,應(yīng)通過加入滯后控制器進(jìn)行相位補(bǔ)償。

相位滯后控制器傳遞函數(shù)Gc(s)如式(11)所示: 

式(11)中,T1值計(jì)算如下,其中ωc為原傳遞函數(shù)G(s)的穿越頻率。

設(shè)計(jì)相位裕度為30°，增加補(bǔ)償量10°，代入式(11)得到傳遞函數(shù)Gc(s)：

計(jì)算校正后傳遞函數(shù)G1(s),可得到: 

通過軟件繪制bode圖,如圖2所示,相位裕度為37.7°。

圖2 校正前后系統(tǒng)bode圖對(duì)比

對(duì)矯正前后單位反饋系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比,對(duì)各系統(tǒng)輸入單位階躍信號(hào)進(jìn)行仿真,時(shí)域響應(yīng)曲線如圖3所示。

圖3 單位階躍響應(yīng)

階躍響應(yīng)初期,原系統(tǒng)產(chǎn)生高應(yīng)頻振蕩,超調(diào)量達(dá)到1.8個(gè)單位,在1s以后振蕩逐漸收斂,這種振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。矯正優(yōu)化后的系統(tǒng)基本消除了響應(yīng)中的超調(diào)量,并且振蕩次數(shù)顯著下降,在1s以后振蕩逐漸收斂,控制質(zhì)量明顯提高。

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結(jié)束語

本文對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的起動(dòng)規(guī)律和液壓起動(dòng)系統(tǒng)輸出主要參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析和歸納,并對(duì)典型的液壓起動(dòng)系統(tǒng)和其流量控制機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析。對(duì)該結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出了一種基于數(shù)學(xué)模型的控制系統(tǒng)優(yōu)化方法,通過該方法對(duì)典型系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算,得出系統(tǒng)傳遞函數(shù),并得出系統(tǒng)裕度和穿越頻率。通過相位滯后補(bǔ)償方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,并通過計(jì)算軟件對(duì)優(yōu)化前后的模型進(jìn)行頻域和時(shí)域分析和對(duì)比。分析結(jié)果表明,采用正確的優(yōu)化方法,能有效改善液壓起動(dòng)系統(tǒng)的控制質(zhì)量,減小輸入變化引起的振動(dòng)幅度和振動(dòng)頻率。同時(shí)也可以將該計(jì)算方法作為同類型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。

論文來源：內(nèi)燃機(jī)與配件www.nrjpj.cn

作者：陳光