船舶液壓推進(jìn)系統(tǒng)螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩模擬研究

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(大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院， 遼寧 大連　116026)

引言

船舶液壓推進(jìn)是指1臺(tái)或者多臺(tái)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵，通過液壓管路和閥件將液壓油泵入液壓馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)，即柴油機(jī)發(fā)出的功率通過液壓油傳遞給螺旋槳，實(shí)現(xiàn)船舶運(yùn)動(dòng)。船舶液壓推進(jìn)系統(tǒng)中螺旋槳作為推進(jìn)器占有重要地位，對(duì)它進(jìn)行研究將對(duì)船舶液壓推進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用起到催化器的作用。對(duì)于船舶動(dòng)力裝置加載，造船界普遍采用把螺旋槳放入封閉式循環(huán)水池，為推進(jìn)系統(tǒng)提供螺旋槳負(fù)載，但此方法造價(jià)太高，不適宜在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究[1]。本研究提出一種基于液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的螺旋槳負(fù)載模擬系統(tǒng)，如若船舶液壓推進(jìn)螺旋槳模擬加載研究成功，將大大節(jié)約科研成本，有助于對(duì)船舶液壓推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行深入研究。

1　船舶液壓推進(jìn)負(fù)載模擬系統(tǒng)

船舶液壓推進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。2臺(tái)電機(jī)通過聯(lián)軸節(jié)分別帶動(dòng)2臺(tái)A4VG液壓變量泵，將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤河偷膲毫δ?，通過液壓管路將液壓油泵送到液壓馬達(dá)，以驅(qū)動(dòng)模擬螺旋槳的加載液壓泵。為了滿足實(shí)驗(yàn)裝置的加載需要，本研究提出一種基于液壓系統(tǒng)雙向加載的負(fù)載模擬系統(tǒng)。

圖1　船舶液壓推進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置

1.1　負(fù)載模擬系統(tǒng)原理

船舶液壓推進(jìn)負(fù)載模擬系統(tǒng)如圖2所示。當(dāng)推進(jìn)裝置帶動(dòng)加載泵1正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，從加載回路低壓側(cè)吸油(假設(shè)圖2中下線為系統(tǒng)低壓側(cè))，泵出口高壓油經(jīng)單向閥2.1、電液比例溢流閥3流回油箱；反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，從加載回路低壓側(cè)吸油，這時(shí)圖2的上線變?yōu)橄到y(tǒng)低壓側(cè)，泵出口高壓油則經(jīng)單向閥2.2、電液比例溢流閥3流回油箱，實(shí)現(xiàn)船舶液壓推進(jìn)裝置的雙向加載。加載泵1的壓力由電液比例溢流閥4設(shè)定，表1給出船舶液壓推進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置的主要參數(shù)。

表1　系統(tǒng)主要參數(shù)

1.2　負(fù)載模擬策略

船舶航行過程中，船舶航速和螺旋槳轉(zhuǎn)速的變化都會(huì)引起進(jìn)速比的變化，而螺旋槳扭矩系數(shù)是進(jìn)速比的函數(shù)，因此進(jìn)速比的變化將會(huì)導(dǎo)致螺旋槳扭矩隨之變化?？梢姡刂萍虞d泵提供的阻轉(zhuǎn)矩與船舶液壓推進(jìn)裝置實(shí)際帶動(dòng)螺旋槳工作時(shí)的螺旋槳轉(zhuǎn)矩一致是螺旋槳負(fù)載模擬的關(guān)鍵。本研究通過實(shí)時(shí)采集螺旋槳轉(zhuǎn)速信號(hào)，經(jīng)船槳模型計(jì)算得出螺旋槳的阻轉(zhuǎn)矩，作為加載泵的給定轉(zhuǎn)矩?？紤]加載泵各部件的摩擦損失以及壓力損失，加載泵所能提供的阻轉(zhuǎn)矩為：

(1)

式中，Tj為加載泵提供的阻轉(zhuǎn)矩，N/m；Δp為加載泵進(jìn)出口壓差，MPa；Vj為加載泵排量，mL；ηj為機(jī)械效率?？梢?，在機(jī)械效率ηj不變的情況下，加載泵扭矩Tj與進(jìn)出口壓差Δp和排量Vj有關(guān)，因此對(duì)于加載泵扭矩的控制有兩種方式：

(1) 加載泵采用定量泵，保持排量Vj不變，改變加載泵的壓差Δp；

(2) 加載泵采用變量泵，保持壓差Δp不變，改變加載泵的排量Vj。

對(duì)于第一種方式，在圖2所示的閉式液壓系統(tǒng)，一般情況下，輔泵7和溢流閥6能夠?yàn)榧虞d系統(tǒng)低壓側(cè)提供一個(gè)恒壓力油源，故只需改變加載泵的高壓側(cè)壓力，理論上即可使加載泵扭矩跟隨螺旋槳扭矩的變化。實(shí)際上，根據(jù)螺旋槳的反轉(zhuǎn)特性(如圖3所示)，在反轉(zhuǎn)過程中，螺旋槳的轉(zhuǎn)矩變化較為特殊，螺旋槳產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩逐漸減小，在螺旋槳正向轉(zhuǎn)速時(shí)，甚至出現(xiàn)負(fù)值，而對(duì)加載泵高壓側(cè)壓力來說，很難模擬這一過程，因此選擇改變加載泵排量的方式來改變加載泵的扭矩，以再現(xiàn)螺旋槳特性。

1.加載泵　2.單向閥　3.電液比例溢流閥　4.過濾器 5.輔泵溢流閥　6.輔泵　7.油箱圖2　船舶液壓推進(jìn)負(fù)載模系統(tǒng)

2　螺旋槳轉(zhuǎn)矩特性及船槳建模

為船舶液壓推進(jìn)裝置提供具有螺旋槳負(fù)載特性的模擬系統(tǒng)，分析螺旋槳負(fù)載特性特別是螺旋槳轉(zhuǎn)矩特性是研究的關(guān)鍵[2]。

2.1　螺旋槳轉(zhuǎn)矩特性

螺旋槳轉(zhuǎn)矩特性是指螺旋槳扭矩和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系， 螺旋槳的扭矩為：

T=KTρn2D5

(2)

式中，T為螺旋槳的扭矩，Nm；KT為螺旋槳的扭矩系數(shù)；ρ為海水密度，一般為1025 kg/m3；n為螺旋槳的轉(zhuǎn)速，r/s；D為螺旋槳的直徑，m。扭矩系數(shù)KT是進(jìn)速比J的函數(shù)，進(jìn)速比J與船舶航行工況有關(guān)。螺旋槳的扭矩在不同的航行工況下會(huì)呈現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)矩特性。根據(jù)船舶實(shí)際運(yùn)行情況，可以分為自由航行特性、系纜特性以及反轉(zhuǎn)特性[3]，如圖3所示。

圖3　螺旋槳轉(zhuǎn)矩特性

2.2　船槳運(yùn)動(dòng)建模

根據(jù)螺旋槳各參數(shù)之間的關(guān)系以及螺旋槳和船體相互作用關(guān)系，可以得到船槳運(yùn)動(dòng)建模流程，如圖4所示。

圖4　船槳建模流程

船槳運(yùn)動(dòng)建模的關(guān)鍵在于進(jìn)速比、螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)的求解。在船舶工況動(dòng)態(tài)變化時(shí)，進(jìn)速比的變化范圍較大，在數(shù)字仿真中較為困難。為表達(dá)螺旋槳全工況下的動(dòng)態(tài)特性，根據(jù)文獻(xiàn)[4]，對(duì)螺旋槳的進(jìn)速比、推力系數(shù)和扭矩系數(shù)進(jìn)行如下改進(jìn)：

(3)

(4)

(5)

螺旋槳推力：

(6)

螺旋槳扭矩：

(7)

考慮螺旋槳的推力減額，則螺旋槳有效推力：

(8)

式中，F(xiàn)E為螺旋槳的有效推力，N;t為推力減額系數(shù)。

船舶運(yùn)動(dòng)方程為：

(9)

式中，m為船體質(zhì)量，kg；Δm為隨船一起運(yùn)動(dòng)的附著水的質(zhì)量；Δm一般可取總質(zhì)量(m+Δm)的5%～15%[5]；R為船舶總阻力，N。

船舶總阻力方程為：

(10)

螺旋槳進(jìn)速方程為：

vP=vS(1-w)

(11)

式(10)、式(11)中，vS為船舶航速，m/s；w為伴流分?jǐn)?shù)。

3　仿真分析

3.1　仿真模型

根據(jù)A4VG變量泵的工作原理，在AMESim環(huán)境中，利用液壓庫、信號(hào)控制庫和機(jī)械庫中的元件搭建出子模型，并進(jìn)行封裝，以方便顯示和界面美觀。對(duì)液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速(螺旋槳轉(zhuǎn)速)采用PID閉環(huán)控制策略，即通過采集液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速，與給定轉(zhuǎn)速信號(hào)作差，得到偏差信號(hào)，通過PID控制器，調(diào)節(jié)A4VG變量泵變量機(jī)構(gòu)的電信號(hào)，進(jìn)而控制變量泵的輸出流量，達(dá)到液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速 (螺旋槳轉(zhuǎn)速)可控的目的。結(jié)合船舶液壓推進(jìn)系統(tǒng)原理圖、 負(fù)載模擬系統(tǒng)液壓原理圖和螺旋槳負(fù)載模擬策略， 完成船舶液壓推進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體仿真模型，如圖6所示。 根據(jù)船槳運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，在Simulink環(huán)境中建立船槳仿真模型，如圖7所示。本研究采用AMESim-Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái)分別對(duì)液壓推進(jìn)模擬系統(tǒng)和船槳仿真模型行建模，充分利用AMESim液壓系統(tǒng)建模和Simulink數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢(shì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

圖5　Chebyshev多項(xiàng)式擬合結(jié)果

圖6　螺旋槳負(fù)載模擬系統(tǒng)AMESim模型

3.2　仿真分析

由于系統(tǒng)參數(shù)受到實(shí)驗(yàn)裝置的限制， 難以找到相應(yīng)的船舶數(shù)據(jù)。而整個(gè)液壓推進(jìn)模擬系統(tǒng)的仿真，其目的主要用于驗(yàn)證模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及控制策略是否合理，與實(shí)際螺旋槳負(fù)載特性是否吻合。因此，為了在較短的時(shí)間內(nèi)獲得模擬系統(tǒng)的仿真結(jié)果，選擇船舶質(zhì)量m為1000 kg，隨船一起運(yùn)動(dòng)的附著水的質(zhì)量Δm為總質(zhì)量的10%，螺旋槳直徑為0.4 m，對(duì)于伴流分?jǐn)?shù)w和推力減額t的取值，根據(jù)文獻(xiàn)[6]對(duì)各類船舶伴流分?jǐn)?shù)和推力減額的取值范圍的界定，取w=0.30，t=0.10。

圖7　Simulink船槳模型

圖8　加載泵轉(zhuǎn)矩變化

基于AMESim-Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái)，對(duì)船舶起航和倒航工況進(jìn)行仿真分析。仿真時(shí)間設(shè)置0～60 s起航過程，60～180 s為倒航過程，通過不斷調(diào)試PID控制器的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)比例系數(shù)為1，積分系數(shù)為1，微分系數(shù)為0.1時(shí)，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速(螺旋槳轉(zhuǎn)速)能夠較好的跟蹤給定轉(zhuǎn)速變化，其中螺旋槳轉(zhuǎn)矩和加載泵的轉(zhuǎn)矩及液壓推進(jìn)系統(tǒng)壓力的仿真結(jié)果如圖8、圖9所示。可以看出無論船舶起航或者倒航，加載泵提供的扭矩均能很好地跟蹤螺旋槳扭矩變化，只是在起初階段，由于負(fù)載模擬系統(tǒng)建立壓力需要時(shí)間使得加載泵扭矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢。根據(jù)液壓推進(jìn)系統(tǒng)壓力變化情況，可以看出分級(jí)起航和分級(jí)倒航操作方式比直接起航和直接倒給液壓推進(jìn)系統(tǒng)帶來

圖9　液壓推進(jìn)系統(tǒng)壓力變化

的壓力沖擊較小。

4　結(jié)論

本研究采用面向系統(tǒng)原理建模的AMESim軟件，搭建了船舶液壓推進(jìn)系統(tǒng)仿真模型，利用Simulink仿真工具建立了船槳模型，通過采集的液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速(螺旋槳轉(zhuǎn)速)，經(jīng)船槳模型計(jì)算得出螺旋槳轉(zhuǎn)矩，作為加載泵的給定轉(zhuǎn)矩，聯(lián)合二者完成了船舶液壓推進(jìn)負(fù)載模擬整體仿真模型。在此基礎(chǔ)上，對(duì)船舶起航、倒航工況進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明液壓推進(jìn)負(fù)載模擬系統(tǒng)能夠很好地模擬實(shí)際工況的螺旋槳扭矩。根據(jù)液壓推進(jìn)系統(tǒng)在船舶起航工況、倒航工況下壓力變化得出了船舶液壓推進(jìn)裝置操縱的一些基本規(guī)則。

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