项目背景及意义

随着社会发展的速度越来越快,科学技术水平不断提升,各行各业在近几十年来蓬勃发展,船舶航运业也不例外。虽然近年来船舶制造和运输行业受产能过剩的影响发展节奏放缓,但并不影响船舶向专业化、自动化、智能化大型化和新型化方向发展。随着船舶技术的发展,对船舶上各系统的要求也随之提高,而船舶压缩空气系统作为船上重要的辅助系统之一,对于船舶的起动和正常运行具有至关重要的作用。因此,在实际研究应用中利用计算机技术对该系统进行模型建立与模拟仿真对于压缩空气系统在实船上的良好运行具有极大的参考辅助价值。

目前大多数船舶是采用柴油机作为主推进动力装置，而柴油机本身没有起动能力，必须借助外力作用才能实现起动。根据起动外来能源的不同形式，柴油机的启动方式主要有人力手启动、电动起动及压缩空气起动等。大、中型功率柴油机上普遍采用压缩空气起动，船上压缩空气系统除用于主机的起动、换向和发电机柴油机的起动，也为其他需要压缩空气的辅助设备供气。压缩空气系统作为船上重要的动力系统之一，其设计是否得当直接影响船舶的营运安全。

随着船舶大型化、自动化及多功能化的发展，特别是柴油机推进的动力船舶，压缩空气系统是保证船舶航行安全必不可少的系统之一。压缩空气系统的设计既要以规范、法规等为依据，又要考虑现场实际管路布置对系统设计的影响，吸取实践中的经验教训，不断优化设计理念，使该系统设计既满足规范要求，又符合实际使用，保证船舶航行和海上人员安全。通过对柴油机启动所需的动力对压缩空气系统的环路，空气瓶的容量的参数进行计算，进一步解释说明了压缩空气在机械系统中的重要性。

船舶的低压压缩空气系统主要由电液控制阀来组成液压回路，电液控制系统的作用非常重要。

如图 1 所示，电液控制阀系统包括一级阀与二级阀两部分，一级阀采用直动式伺服阀，二级阀为电液控制阀。电液控制阀左右两侧控制腔连接压力传感器，用以实现压差反馈。由于电液控制阀两侧控制腔设有弹簧，通过弹簧力与控制腔液压力的匹配，可以实现对阀芯位置的控制。因此，压力传感器的采用在某种程度上取代了常用的位移传感器。而目前液压系统中常用的耐高压位移传感器普遍成本较高，并且密封难度远大于压力传感器。电液控制阀采用压差反馈来实现位置闭环，很好地解决了这个问题。

参考杨达飞的挖掘机液压系统比例式电液控制阀虚拟样机的仿真分析，主要对挖掘机虚拟样机中使用的数字液压伺服缸进行仿真分析。介绍数字液压系统的工作原理，给出数字液压伺服缸的原理图和组成结构，进而建立出数字液压伺服缸的模型。

数字电液控制系统是一种典型的电液一体化控制、执行元件，传统的数控步进液压缸由步进电机、阀、反馈器件、液压缸等组成，由步进电机通过传动轴带动控制阀的转动，从而推动对液压缸活塞的运动。在这种方式下，步进电机的转动方向决定了活塞的运动方向。这种方式的控制精度较低，速度慢。而数字电液控制系统比较好地弥补了传统方式下的不足。因此，主要通过对挖掘机的数字电液控制系统结构和工作原理分析，建立动态仿真模型并对运行过程进行观察和统计，获得其仿真输出，掌握模型基本特性，推断真实参数，以获得数字电液控制系统的实际性能。

数字电液控制系统的结构原理如图2所示， 活塞上开设有一对轴对称的低压孔R，缸筒内表面上开设有轴对称螺旋槽（截面为等边三角形），该槽一端和高压腔（小面积腔Ps）相通，另一端与工作腔（大面积腔Pc）相通，中间与R孔形成弓形重叠部分通流面积，其中，小孔R通过D孔与低压腔Pa相通，小面积腔始终与高压流体相通。静止稳定时，螺旋槽与低压孔形成一定的重叠面积，此时若不考虑摩擦力等干扰力，活塞轴向力平衡，工作腔的压力等于高压腔的压力与外载荷之和。当控制信号输入，由步进电机经过齿轮啮合使活塞转动，可改变弓形节流口面积，从而引起工作腔内的压力变化，此时活塞的上下推力不平衡，导致活塞轴向移动，直到节流口的面积恢复为原来的值，工作腔内的压力达到原平衡值，即转角输入、轴向图1数字电液控制系统的结构原理图位移输出。图示方向步进电机转动，使小R偏离螺旋槽，弓形节流口面积减小引起节流压降增大，此时Pmgt;Pc，油液流向工作腔，工作腔内的压力Pc增大，引起高压腔和外载荷对活塞的向下推力小于工作腔内压力对活塞的向上推力，活塞向上移动，而活塞向上运动过程中，又逐渐使R孔与螺旋槽之间的节流口面积增加，直到节流口的面积恢复为原来的值，工作腔内的压力增大至原平衡值，最终活塞重新达到一种平衡关系；反之亦然。这样计算机控制步进电机旋转一定的角度，油缸就产生相应的位移。