船用電液驅動閥門遙控系統潛水性能試驗研究

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(中國艦船研究設計中心,武漢 430064)

近年來，隨著船舶自動化程度的提高，閥門遙控系統得到了迅猛的發展和廣泛的應用，絕大部分船舶的燃油輸送系統、壓載水系統、艙底水系統和消防系統都采用了遠程閥門遙控系統。閥門遙控系統以驅動方式分為液壓驅動、電液驅動、氣動驅動和電力驅動等，其中液壓驅動和電液驅動在船舶閥門遙控領域中應用最廣泛。

船舶系統最典型的特征為全船分布性，在采用液壓驅動閥門遙控系統時，閥門、驅動頭、液壓控制油管等遍布全船，管路長接頭多，泄露幾率高，發生故障也不易排查。此外，系統油泵開啟前后的常規檢查、油路中閥門的開關、液壓油的檢驗與補充、濾器清洗、濾芯更換等日常維護與保養極為繁瑣，且需專人定期更換液壓油，能源耗費及運行成本較高。更為不便的是其施工工藝要求高，安裝調試復雜，施工勞動強度大，建造成本巨大。

隨著閥門遙控技術的發展，集驅動頭和電液動力站于一體的電液控制系統已陸續應用于國內鋼鐵、石油化工、船船等領域要求較高的工程中，其系統功能、穩定性、可靠性都得到了極大的改善，成為了船舶燃油輸送系統、壓載水系統、艙底水系統和消防系統穩定、安全運行的有力保障。

電液驅動閥門遙控系統的潛水性能是保證船舶破損浸水后依然保持正常運行的重要指標，特別是大型、超大型船舶破損浸水后，系統可能浸沒在水中幾米乃至十幾米，其信息傳輸能力、閥門可靠性均會受到影響。而閥門遙控系統的快速響應能力直接關乎破損浸水船舶的安全。為此，通過對閥門遙控系統的潛水性能試驗，一方面了解閥門遙控系統響應性能，另一方面也是對其可靠性的一種驗證[1-7]。

1 電液驅動閥門遙控系統組成

電液式閥門遙控系統，是近年來發展非常迅速的一種系統，其常規布置見圖1。

圖1 電液驅動閥門遙控系統常規布置示意

整個系統由電液式遙控閥、數據采集箱、計算機操作站和移動式手遙泵站等組成。計算機控制站通過路由器(以太網)與數據采集箱連接，由此發出遠程控制開關信號，對電液驅動閥的控制電機進行正、反轉控制，從而使嵌入在電液控制單元中的液壓泵正、反轉，將液壓動力提供給開、閉油路驅動蝶閥或截止閥進行開、閉動作。

1.1 電液式遙控閥

圖1中給出了電液驅動的蝶閥、截止閥作為系統的執行部分，其組成包括閥和驅動頭，即微型電液控制單元。電液控制單元作為系統控制的核心部件采用了可編程控制器技術(PLC)，整個控制系統只需控制與通信兩條線路即可實現，其組成包括動力模塊、液壓執行模塊、安全保護模塊和閥位指示模塊，見圖2。

圖2 電液控制單元

1)動力模塊。電液控制單元將微型電機、微型徑向柱塞泵、溢流閥、單向閥等集成在動力模塊中。控制系統發出指令后，通過PLC分配到達嵌入在動力模塊中的電磁閥箱及控制模塊，控制模塊控制驅動頭內部電路，使嵌入在動力模塊中的微型電機及油泵改變轉向以驅動液壓油的不同流向來控制液壓執行模塊。

2)液壓執行模塊。液壓執行單元由液壓油缸、齒輪傳動機構等組成，有動力模塊控制和驅動，以改變液壓油缸的伸長、收縮動作，再通過齒輪傳動機構，將油缸的直線運動轉換為軸向運動，驅動與之相連接的閥桿，實現開、關蝶閥或截止閥。

3)安全保護及閥位指示模塊。安全保護及閥位指示模塊鍵入在信號盒及動力模塊中，由壓力開關、溢流閥組、微動開關和電阻(電流)式閥位指示器等組成，用于閥門的啟閉狀態、模塊的通訊狀態和故障信息等的指示和報警功能。

1.2 電液閥門遙控系統

1.2.1 系統原理

在電液閥門遙控系統中，計算機操作站主要對整個系統的閥門工作狀態、電液控制單元(驅動模塊)工作狀態等信息進行集中監控，并通過操作人員發出的開關指令，經通訊設施及數據采集箱或控制臺中的控制模塊處理后，輸送至電液控制單元，以驅動閥門的開閉動作。同時，電液控制單元將反饋信息傳輸回計算機操作站集中顯示系統狀態。

1.2.2 系統控制方式

1)閥門遠程遙控功能。根據實船管路系統原理圖，在計算機操作界面上編制MIMIC圖，通過點擊所要控制的遙控閥圖標，確認開或關操作，控制閥門的開閉動作，并通過圖標的不同顏色表示閥門的不同狀態，如閥門運行時為灰色，開關到位后，全開為紅色，關閉為綠色，發生故障時為黃色并閃爍。

此外，可在數據采集箱上的銘牌上設置管系原理MINIC圖和直接手動開關旋鈕，在面板上設置閥門的開、關信號燈，設置上可以與計算機操作站一致。如此，當計算機處于關閉狀態時，可實現對閥門的遙控操作。

在控制方式上可利用廣泛應用的智能控制方式，采用數字控制模塊，對輸入的信號進行處理，輸出4～20 mA位置反饋信號，對執行單元進行0°～90°的標定，實現柔性控制。

2)閥門就地控制。電液控制單元設有應急接頭，可通過快速接頭實現與移動式手搖泵的可靠連接，通過操作手搖泵的手動換向閥，對液壓油缸直接供油，控制閥門的開、關動作。此外，在液壓油缸上設置有旁通閥，可通過專用扳手直接驅動與閥門連接在一起的閥桿，實現閥門的開、關動作。通過閥門就地控制，可實現全船失電緊急狀態下對閥門的操控功能，增加系統的安全裕度。

1.3 系統優缺點分析

1.3.1 系統優點

1)電液閥門遙控系統集液壓和電氣于一體，系統集成性高，整個系統不再需要液壓泵站、復雜的液壓管路，避免了泵站故障導致系統的失效，杜絕了液壓管路泄露等問題。

2)在全壽命期費用方面，相對于液壓驅動閥門遙控系統，電液閥門遙控系統由于省去了液壓泵站及大量的液壓控制管路，在后期的維護保養中省去了更換大量液壓油的費用。

3)電液控制單元采用了PLC技術，具有強干擾能力，性能穩定，整個系統只需由控制和通信兩條線路與控制系統相連，從而更加可靠。

4)遙控閥與系統之間依靠電纜相連，極大地提高了閥門開關的響應性能，同時兼具液壓控制驅動轉矩大和電氣控制響應迅速的優點。

5)相對液壓驅動閥門遙控系統，電纜的安裝工藝相對于復雜的液壓管路而言簡單易行。

1.3.2 系統缺點

電液閥門遙控系統對環境的要求較高，特別是驅動頭部分，要求具備長期浸沒水中工作，滿足IP68的防護等級，這對于選型設計工作來說較為困難，而且能夠滿足這些要求的驅動頭部分價格昂貴，這也不利于電液閥門遙控系統的配套與保障。

2 電液驅動閥門試驗研究

2.1 試驗方案

鑒于電液閥門遙控系統潛水性能對其應用的限制，以驅動蝶閥為例，制定電液驅動閥門的試驗方案，見圖3。

a)空載

b)負載圖3 電液蝶閥潛水試驗

通過控制站發出閥門開關指令，經過控制柜對信號進行處理后，傳輸到電液控制單元，驅動蝶閥完成閥門的開閉動作。圖3a)中給出了電液控制單元及蝶閥集成在一起后置于密閉灌中，通過向密閉灌中注入海水模擬浸沒式工作環境。圖3b)則將潛水型排水泵及電液蝶閥連接在一起，進行負載試驗。方案在信號線進入密閉灌處設置電纜密封，以確保密閉灌的密封性能，以便在實驗中通過注氣口向密閉灌注入壓縮空氣，以模擬潛水深度要求。

試驗用電液蝶閥基本性能參數見表1。試驗裝置及試驗條件如下。

1)控制柜及控制站各一套。

2)密性壓力水罐(耐壓0.3 MPa)，通過視窗可以肉眼觀察閥門開關。

3)0～0.6 MPa壓力表(帶旋塞)。

4)0.2 MPa壓縮空氣氣源。

5)海水水溫，-2～32 ℃。

6)試驗水源，630 m3/h(CQX630-15-280潛水泵。

7)截止閥、安全閥等管路附件若干。

2.2 試驗內容及步驟

表2為電液驅動閥門試驗的內容及步驟。

表1 電液蝶閥的性能參數

表2 電液驅動閥門試驗的內容及步驟

2.3 試驗結果

2.3.1 電液蝶閥空載試驗

將電液蝶閥置于密閉罐中，驅動頭接控制柜，密封罐接入0.2 MPa氣壓，保壓48 h，即相當于潛水深度達20 m的工作環境。試驗時，每隔30 min控制蝶閥開關，通過觀察窗檢查開關是否靈活，并通過系統監測各模塊的響應時間。經過多次開關動作，各模塊響應時間略有波動，但總體平穩。進行平均值處理后，25、50、100和200 m信號線下，控制柜、閥的開、關響應時間見圖4。

圖4 空載工況控制柜及閥響應時間

由圖4可見，隨著信號線長度的增加，在控制柜、閥本地測得的閥門開、關的響應時間(指從控制站發出開關指令到閥門完成全開、全關所需時間)均略有上升，且控制柜更為明顯。同時控制柜的開、關響應時間均高于閥本地的開、關響應時間。這可能反映了控制柜需對控制站發來的指令傳輸給閥門完成開、關動作后，再由閥本地將閥門開、關狀態反饋回控制柜的信號傳輸過程。隨著信號線的增長，控制柜開、關曲線與閥本地開、關曲線的距離逐步拉大也印證了這一推論。但同時也可以看到，整個試驗過程中，響應時間均在23～27s以內，滿足試驗前預定(25±2)s的要求，驗證了驅動頭良好的潛水性能。

2.3.2 電液蝶閥的負載試驗

首先在陸地上開展電液蝶閥的負載試驗，即將電液蝶閥安裝在泵出口，啟動泵后對蝶閥進行開閉操作，并記錄額定功率下，蝶閥開閉動作的響應時間。然后將電液蝶閥及泵放置于密閉灌中，重復相同操作，并與陸上試驗數據比較，同時對25、50、100和200 m信號線進行試驗，結果見圖5。

圖5 非浸沒與浸沒環境下電液閥負載響應時間

由圖5可見，完成閥門全開、全關動作過程的響應時間曲線趨勢與空載試驗類似，隨著信號線長度的增加而有所衰減。但無論是陸地上還是潛水環境，閥門關閉動作的響應時間均大于開啟動作的響應時間，這可能是由關閉蝶閥時需要克服流體的阻力，因而轉動閥桿所需的轉矩更大，關閉動作更為困難造成的。總體而言，陸地上與潛水負載工況下，開啟動作或關閉動作的響應時間基于一致，都在(25±2)s的試驗預期范圍內，驗證了電液驅動控制在負載工況下的良好性能。

3 結束語

液壓驅動閥門遙控系統具有輸出轉矩大、適用范圍廣、驅動頭價格較為便宜等特點。而電液驅動閥門遙控系統具有將液壓和電氣集于一體，兼具了液壓驅動閥門輸出轉矩大、電氣驅動響應快的優點，同時節省了液壓驅動閥門遙控系統液壓泵站、控制油路等大量設備和管路附件，具有總體價格更為便宜、施工工藝簡單、運行維護費用低等特點。通過對電液驅動閥門潛水性能試驗，驗證了電液驅動閥門遙控系統的良好響應特性，能夠滿足IP68防護等級的浸沒式工作環境，論證了電液控制技術在船用閥門遙控系統特別是大型船舶破損浸水后有效運行的可行性及很好的應用價值。

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