某型液壓裝置冷卻策略的分析與研究?

2018-03-31 06:04:59侯志巖孫忠奇

艦船電子工程 2018年3期

侯志巖孫忠奇

1 引言

傳統的機械設備，如液壓泵、風機等，在以前的應用中一般都不設上位機，自成體系，即依靠自身采集溫度、壓力、流量等模擬量通過表頭在控制箱上顯示，當需要這些狀態量參與控制時，往往是通過溫度開關、壓力開關、流量開關等將其轉化成相應的開關量才能實現［1］。同時在人機工程方面的可視度也較差，操作者只能在問題發生時才能發現問題，對設備的過程狀態一無所知［2］。

隨著計算機和信息技術的長足發展，這種傳統方式已經逐漸被新型信息化手段取代。常見的處理方式是設置上位機，將傳感器采集的各種狀態量全部上傳給上位機，通過上位機進行綜合信息處理，通過遠程控制完成執行機構所需功能［3］。這樣做的好處［4］：一是由上位機遠程控制，邏輯方便修改，控制更加靈活；二是可實現綜合故障診斷，甚至故障預測等以前不可能實現的功能；三是便于與整個系統聯網，實現協調、互鎖控制等功能；四是提高了裝置的可維修性、可靠性等；五是改善了人機工程。

但在信息化改進的過程中，也有可能出現某些新問題。本文以艦船某型液壓裝置為對象，介紹了上位機對其控制時發生的冷卻策略不當的故障，并研究了一種新的冷卻策略解決了該問題。

2 原冷卻策略

該型液壓裝置由液壓泵站和機旁控制箱組成，將采集的液壓油溫度、冷卻水壓力等狀態量上傳給上位機，正常工作狀態下，由上位機遠程實現液壓裝置的啟停、保護以及其它控制操作。在維護保養或應急時可從機旁控制箱進行操作。其原理示意圖如圖1所示。

圖1 液壓裝置原理示意圖

該型液壓裝置通過普通淡水冷卻，原冷卻控制策略是：當冷卻水壓力高于0.15Mpa時允許啟動液壓泵；當冷卻水壓力低于0.15Mpa且持續20s以上時，則停止液壓泵。該策略在初期運行良好，但長期運行之后，由于供水水質不佳，閥芯臟堵，導致冷卻水壓力波動，繼而出現液壓泵停機保護的故障。某次故障時采集到的冷卻水供水壓力波形如圖2所示。

圖2 冷卻水壓力故障時波形圖

原冷卻策略不合理的地方主要在于：

1）全系統的功能實現需要優先保障液壓裝置可用，因此不希望液壓泵的保護過于敏感；

2）冷卻水的主要作用是冷卻液壓油，在液壓油的溫度還沒到保護值之前，液壓泵不應該停機保護；對液壓系統適當的冷卻，可以延長使用壽命，提高工作效率；

3）該液壓裝置是一個低頻率使用設備，在冷卻水壓力不夠或無冷卻水的情況下，液壓油溫升也不快，因此原停機保護的策略過于苛刻。

3 液壓油溫升規律研究

針對該型液壓裝置，為了制定一種更好的冷卻策略，首先需要對液壓油的溫升規律進行研究。

液壓油的熱量平衡關系主要與以下三個方面的因素有關［5～7］：

1）液壓裝置在待機狀態下（負載不工作），液壓油吸收的熱量在一定范圍內隨時間近似呈線性增長；

2）液壓裝置在接負載工作時，液壓油吸收的熱量與負載的啟動次數有關，負載啟動次數越多，吸收的熱量越多；

3）忽略裝置的輻射散熱和管道的傳導散熱，液壓油的熱量主要靠冷卻水帶走，冷卻水流量越大，帶走的熱量越多。

綜上所述，根據熱力學第一定律，可以得到式（1）［8～10］。

其中，P為待機狀態時液壓裝置的發熱功率，t為時間，W為負載動作一次時液壓裝置額外的發熱量，k為負載的動作次數，cW為水的比熱，ρ為水的密度，Q為冷卻水流量，TW是冷卻水的出口溫度，TW0是冷卻水的入口溫度，cO為液壓油的比熱，m為液壓油質量，TO是液壓油的當前溫度，TO0是液壓油的初始溫度。

通過式（1）可得液壓油的溫度表達式如式（2）所示。

液壓油溫升規律的相關參數取值如表1所示。

表1 液壓油溫升相關參數

4 新冷卻策略

以上述液壓油溫升規律為基礎，制定新的冷卻控制策略為：取消將冷卻水壓力作為液壓泵停機保護的條件，并設置液壓油報警溫度閾值為60℃。規定當液壓油溫升至60℃時，上位機上顯示黃燈報警，當液壓油溫升至65℃時，上位機上顯示紅燈故障并立即停泵保護。當冷卻水故障、液壓裝置正常使用，即取Q＝0，k=10時，根據式（2）計算，油溫升高5℃約需1.4h，因此，當操作人員發現黃燈報警時，應立即檢查并在1.4h內恢復冷卻水。

設置液壓油報警溫度閾值為60℃的依據是：

1）整個系統工作在艦船艙內環境條件下，技術要求規定的工作溫度范圍是-10℃～40℃，另外考慮到溫度檢測的誤差為±2，因此報警溫度閾值必須大于42℃，以防止環境溫度達到上限時，上位機發生誤報；

2）根據系統的可維修性指標（平均故障修復時間1h），為了滿足從報警到故障保護的時間大于1h，由式（2）反算可得到報警溫度閾值需小于等于60℃。

設置液壓油保護溫度閾值為65℃是受限于液壓油本身的特性，液壓油溫度過高時，其粘度減小，則液壓裝置的功能將失效［11～12］。

新冷卻策略的優點是

1）對冷卻水供水的要求大大降低，徹底解決了冷卻水壓力不穩導致液壓泵停機保護的問題；

2）解決了液壓裝置在冷卻水供水不足或不供水的情況下應急工作的問題，并定量計算了能夠應急工作的時間；

3）提高了可維護性，可使液壓裝置不依賴外界條件而單獨進行維護保養。

5 試驗驗證

為了驗證上述新冷卻策略的有效性，通過實際液壓裝置進行試驗。利用溫度傳感器采集液壓油溫度和冷卻水入口溫度，通過上位機實現系統的啟停、負載加載、負載卸載等控制。

正式試驗前，先啟動液壓裝置半小時，冷卻水正常供水，待穩定后先記錄液壓油初始溫度再開始正式試驗。試驗中每隔半小時記錄一次液壓油溫、冷卻水入口溫度以及冷卻水出口溫度。第一輪試驗保持冷卻水正常供水，但液壓裝置處于待命狀態，即負載不加載；第二輪試驗保持冷卻水正常供水，負載模擬正常工況使用，即每隔6min，負載加載一次，完成后即卸載負載；第三輪試驗全程冷卻水不供水，同樣每隔6min，負載加載一次，完成后即卸載負載。試驗結果見圖3所示。

從圖3試驗波形來看，正常工作下，油箱的起始溫度和冷卻水入口溫度都與環境溫度基本一致；在第一輪試驗中，冷卻水正常供水，液壓裝置待命時，液壓油溫度基本維持穩定，每小時上升幅度為0.25℃左右；在第二輪試驗中，冷卻水正常供水，液壓裝置也正常工作，液壓油溫度會緩慢上升，每小時上升幅度為2.0℃左右；在第三輪試驗中，冷卻水不供水，液壓裝置仍然正常工作，液壓油溫度上升較快，4h就升至32℃左右，每小時上升幅度為3.0℃左右。由此驗證了新冷卻策略的有效性。