船舶吊艙式液壓推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

孔定新

摘 要：近些年來，由于船舶不斷的朝著大型化、高速化的方向快速發(fā)展，使得船舶中主機(jī)所需要的功率也在不斷的加大，而這種情況的出現(xiàn)使得在進(jìn)行船舶主機(jī)的設(shè)計(jì)時(shí)所面臨的困難也越來越大，此外，又由于主機(jī)所占的范圍越來越大，使得船舶可以有效使用的空間范圍不斷變小，這就促使將多個(gè)主機(jī)進(jìn)行聯(lián)合使用不斷被采用。到目前為止，船舶的推進(jìn)方式主要是包括機(jī)械推進(jìn)以及電力推進(jìn)兩種方式，對(duì)于機(jī)械推進(jìn)來講主要是在傳動(dòng)效率方面比較良好，而在機(jī)動(dòng)性、功率重量比大小等方面卻不夠完善；而電力推進(jìn)則機(jī)動(dòng)性能較好，但由于功率重量比較小，而大功率調(diào)速的問題仍然沒有得到有效的解決。而液壓推進(jìn)則有著驅(qū)動(dòng)功率大、控制方便以及安全性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，所以在本次的研究中主要對(duì)液壓推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：船舶吊艙式 液壓推進(jìn) 設(shè)計(jì)分析

船舶液壓推進(jìn)技術(shù)主要是指在船舶的推進(jìn)系統(tǒng)中加入液壓技術(shù)，然后有效的通過液壓泵將船舶主機(jī)所輸出的機(jī)械能更好的轉(zhuǎn)化為壓力能。在本次的研究中，主要是在原有船舶推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)液壓推進(jìn)方式進(jìn)行分析并設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)的過程中主要是從船舶油路的循環(huán)方式、調(diào)速方式以及油源選擇系統(tǒng)等多方面的情況對(duì)船舶液壓推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了有效的研究與分析，并對(duì)其中的泵、螺旋槳以及柴油機(jī)等原件進(jìn)行了有效的選型與計(jì)算。從實(shí)際的數(shù)據(jù)上對(duì)影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所涉及的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，從而為液壓推進(jìn)方式的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1.船舶現(xiàn)有的推進(jìn)方式

目前，船舶的推進(jìn)方式主要有以下幾種：

①直接推動(dòng)。直接推進(jìn)主要是通過改變主機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向來有效的改變螺旋槳的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向。隨著船舶不斷的朝著大型化、高速化的方向發(fā)展，使得柴油機(jī)在制動(dòng)、換向等性能方面出現(xiàn)了較大的下降，從而對(duì)柴油機(jī)的可靠性造成了極大的影響。

②電力推進(jìn)。電力推進(jìn)主要是在電動(dòng)機(jī)的電力驅(qū)動(dòng)下對(duì)螺旋槳進(jìn)行推動(dòng)，然后通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電流方向和轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)螺旋槳的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向。電力推進(jìn)的機(jī)動(dòng)性能較高，但是動(dòng)力裝置的重量增大，使得制造和使用成本大大增加，而且由于推進(jìn)船舶的主要技術(shù)發(fā)展還不夠成熟，從一定程度上限制了電力推進(jìn)方式在船舶中的使用。

③超導(dǎo)電磁推進(jìn)。這種推進(jìn)方式主要指把帶電的電極插在水筒中，通電后在水中產(chǎn)生一定的電流，然后與安裝在船上的磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行相互作用，通過電磁力的產(chǎn)生噴出高速水流，從而推進(jìn)船舶。超導(dǎo)電磁推進(jìn)方式所產(chǎn)生的噪音相對(duì)于其他推進(jìn)方式較小，但是由于海水的阻力大，使得對(duì)磁場(chǎng)的強(qiáng)度有極高的要求，而目前的水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，所以在船舶中采用較少，同時(shí)由于磁場(chǎng)材料的一些問題無法很好的解決也使得超導(dǎo)電磁推進(jìn)方式應(yīng)用范圍不大。

④噴水推進(jìn)。噴水推進(jìn)是指通過船尾的噴水機(jī)產(chǎn)生的高速水流，然后通過噴頭噴出，對(duì)船舶形成一種強(qiáng)大的反沖擊力，從而促使船舶前進(jìn)、轉(zhuǎn)向等運(yùn)轉(zhuǎn)。噴水推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)主要有機(jī)動(dòng)性好、高速等，但一旦船速低于20kn時(shí)，產(chǎn)生的推進(jìn)效率是非常小的，而且還由于管道中水的重量增加，從而增加了排水量，所以極易出現(xiàn)堵塞而影響船舶的速度。

⑤液力推進(jìn)方式。液力推進(jìn)在運(yùn)作的過程中主要是通過液力耦合器來推動(dòng)螺旋槳，從而達(dá)到推進(jìn)船舶的目的，液力推進(jìn)方式有著傳遞能力大等優(yōu)點(diǎn)，但是由于該推進(jìn)方式的傳動(dòng)效率較低，一般只有在特殊的情況下才會(huì)選擇使用。而近些年來，由于船舶不斷的朝著大型化、高速化的方向發(fā)展使得這幾種推進(jìn)方式都受到了較大的限制，從而促使了船舶吊艙式液壓推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.船舶液壓推進(jìn)

2 . 1液壓傳動(dòng)技術(shù)

液壓傳動(dòng)技術(shù)具有很多適合在船舶推進(jìn)裝置中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)，如運(yùn)動(dòng)慣性小、船艙布置靈活、設(shè)備重量、體積小、操縱控制方便以及科研實(shí)現(xiàn)大范圍的調(diào)速；同時(shí)故障率低，使用壽命較長(zhǎng)，容易更好的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。而且將液壓傳動(dòng)技術(shù)運(yùn)用為液壓推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了更加有力的實(shí)踐依據(jù)。船舶液壓推進(jìn)技術(shù)主要是指在船舶的推進(jìn)系統(tǒng)中加入液壓技術(shù)，然后有效的通過液壓泵將船舶主機(jī)所輸出的機(jī)械能更好的轉(zhuǎn)化為壓力能。液壓油的壓力能通過液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)換為螺旋槳的機(jī)械能，從而來控制調(diào)節(jié)螺旋槳的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，達(dá)到更好的適應(yīng)船舶的各種運(yùn)作。

2 . 2船舶液壓推進(jìn)方式的優(yōu)點(diǎn)及其缺點(diǎn)

與目前所存在的各種船舶推進(jìn)方式相比，液壓推進(jìn)方式主要有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

①機(jī)動(dòng)性能高，集中控制方便。在船舶中采用液壓推進(jìn)系統(tǒng)可以對(duì)螺旋槳進(jìn)行有效的制動(dòng)，提高系統(tǒng)對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)速度，從而更快的實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、換向等運(yùn)作。

②船艙范圍布置靈活。在過程中可以將柴油機(jī)與螺旋槳安裝在不同的位置，從而達(dá)到有效避免柴油機(jī)與螺旋槳的軸線在同一條直線上而出現(xiàn)不合理的布置。靈活的布置可以為船艙提供更多的利用空間。

③安全、可靠性好，噪音低。由于液壓推進(jìn)系統(tǒng)自身機(jī)動(dòng)性能較好，而且不會(huì)受柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的制約，此外還由于液壓推進(jìn)可以同時(shí)使用對(duì)臺(tái)原動(dòng)機(jī)，在出現(xiàn)骨折時(shí)也不會(huì)對(duì)船舶的航線帶來影響。并且液壓油的潤(rùn)滑性能好，同時(shí)液壓裝置易于進(jìn)行超載保護(hù)，使得該系統(tǒng)具有較好的安全、可靠性。

④功率重量比大。在同等的功率情況下，液壓裝置的重量輕、體積小。著也使得液壓推進(jìn)比電力推進(jìn)更有利于機(jī)艙和螺旋槳的布置。

⑤延長(zhǎng)了發(fā)動(dòng)機(jī)以及元件的使用壽命。使用液壓推進(jìn)有效的減少了主機(jī)的起、停次數(shù)，因此很好的降低了熱疲勞損壞，從而大大的增加了使用壽命。

液壓推進(jìn)方式主要有以下幾個(gè)方面的缺點(diǎn)：

①與之前所選用的推進(jìn)方式相比，液壓推進(jìn)方式需要更多的成本，同時(shí)管理技術(shù)要求也比較高。

②液壓推進(jìn)系統(tǒng)的安裝和調(diào)試都較為復(fù)雜，而且對(duì)建造以及調(diào)試的人員的水平要求高。

③液壓系統(tǒng)的故障原因較多，且不能進(jìn)行及時(shí)快速的排除。

3.船舶液壓推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及計(jì)算方法

3 . 1船舶液壓推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理endprint

在進(jìn)行船舶液壓推進(jìn)方式的設(shè)計(jì)時(shí)，必須要詳細(xì)的考慮系統(tǒng)中所要包含各種調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，如主機(jī)、液壓馬達(dá)、螺旋槳、泵站、控制器等。通過液壓泵將船舶主機(jī)所輸出的機(jī)械能更好的轉(zhuǎn)化為壓力能。而通過系統(tǒng)中的液壓馬達(dá)又可以有效的將轉(zhuǎn)化的壓力能進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，從而對(duì)系統(tǒng)中螺旋槳的轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)向進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)螺旋槳等個(gè)輔助裝置協(xié)調(diào)工作。

3 . 2液壓系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算極易元件選擇

3.2.1液壓系統(tǒng)中參數(shù)的計(jì)算

極易元件選擇如下：

①螺旋槳選型計(jì)算。螺旋槳所需的力矩為：Mf=Kρn2D5pp，負(fù)載力矩方程為：M = J t×d 2 Q /dx2+Bmn+GQ+Mf。

②柴油機(jī)選型計(jì)算。柴油機(jī)的有效功率計(jì)算方程：Ne=neiVhPe/30000δ，在實(shí)際的運(yùn)作過程中柴油機(jī)是在負(fù)荷特性下來帶動(dòng)液壓泵站的運(yùn)轉(zhuǎn)，這就說明在實(shí)際的運(yùn)作中只需要對(duì)噴油泵的循環(huán)供油量進(jìn)行適量的改變以滿足系統(tǒng)的要求。

③泵的選型計(jì)算。由于在實(shí)際運(yùn)作中，變量泵中所具備的高、低壓腔在正常情況下是可以轉(zhuǎn)換的，這就可以看出在運(yùn)作的過程中可以對(duì)液壓馬達(dá)的方向進(jìn)行改變。另外液壓馬達(dá)的運(yùn)作程度都是通過高壓腔所產(chǎn)生的壓力來決定的，而在這個(gè)過程中低壓腔的壓力基本上是保持不變的，所以變量泵的計(jì)算方程為：Qp=qp×dQp/dtCip（p1-p2）-CepP1。

④液壓馬達(dá)的選型計(jì)算。如果在設(shè)計(jì)的過程中不需要考慮螺旋槳在運(yùn)作的過程中所造成的損害，那在這種情況下液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)保持相等，即：pV=Jt×d2Q/ dx2+Bmn+GQ+ Mf。

3.2.2液壓系統(tǒng)的發(fā)熱散熱的計(jì)算

在液壓系統(tǒng)中所產(chǎn)生的熱量主要包括液壓泵以及液壓馬達(dá)的功率損失、油液通過閥體以及管道等壓力損失而產(chǎn)生熱量。系統(tǒng)的總發(fā)熱量的計(jì)算估算公式為：H=Ppi-Pao。而實(shí)際上油箱等散熱面都有效的將液壓系統(tǒng)中所產(chǎn)生的熱量散發(fā)到空氣中，減少損壞。

3.2.3濾油器的選擇

對(duì)濾油器的要求主要是為了滿足過濾精度的要求。過濾器還需具備一定的機(jī)械強(qiáng)度，從而有效的保證在一定的壓力下不會(huì)因?yàn)橐簤毫Φ淖饔枚霈F(xiàn)破壞，同時(shí)過濾器還應(yīng)具有穩(wěn)定的性能、耐久性以及良好的抗腐蝕力。根據(jù)這些方面在選擇過濾器時(shí)要充分考慮一下機(jī)方面的指標(biāo)：

①過濾精度。一個(gè)新的過濾器，過濾精度是指油液在經(jīng)過濾油器時(shí)濾芯能夠清除的顆粒度的尺寸。而設(shè)計(jì)精度的目的則在于解決兩個(gè)方面的問題，一是保證充分的使用壽命時(shí)間，二是獲得所需的過濾精度。

②最大允許壓力降。由于濾油器是通過濾芯里的無數(shù)小孔來清除油液中的雜質(zhì)，所以在過濾的過程中就會(huì)產(chǎn)生壓力降。而壓降的大小與粘液的流速、雜質(zhì)的多少有著較大的關(guān)系，所以必須根據(jù)壓降的大小來選擇過濾率。

③通油能力。油液在經(jīng)過過濾器時(shí)，一般可以視為多重、直通的層流運(yùn)動(dòng)，而通過一個(gè)小孔的速度為：ν=K×ΔP/μ。在當(dāng)已知油液的動(dòng)力粘度以及過濾器前后壓差ΔP，則可以通過流量來計(jì)算過了面積，從而正確的選擇過濾器。

4.討論

目前，隨著機(jī)電一體化在現(xiàn)代設(shè)備中的廣泛應(yīng)用，液壓裝置在一臺(tái)設(shè)備中的造價(jià)也非常高，所以對(duì)亞也推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)與分析，對(duì)船舶液壓推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展有著極為重要的作用。吊艙式液壓推進(jìn)是一種全新的推進(jìn)方式，液壓推進(jìn)技術(shù)為船舶的設(shè)計(jì)與開發(fā)都帶來了良好的效益，同時(shí)也大大的改善船舶的機(jī)動(dòng)性能，提高了安全可靠性，同時(shí)也大大的延長(zhǎng)了使用壽命，所以吊艙式液壓推進(jìn)具有很好的優(yōu)勢(shì)，并且也擁有了更大的發(fā)展空間與潛力，應(yīng)提高對(duì)吊艙式液壓推進(jìn)方式的重視，并且要加大對(duì)液壓推進(jìn)技術(shù)的設(shè)計(jì)研究，促進(jìn)船舶行業(yè)的更快的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳伯才.船舶液壓推進(jìn)的可行性探討[J].寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版），2010，15（2）：76-78.[2]魏德寶.船舶液壓推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及效率研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2011，35（9）：22-23.

[3]王守成，榮一鳴.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2012，33（10）：45-47.endprint