零航速減搖鰭節(jié)能型液壓系統(tǒng)研究

曹長(zhǎng)水，蔣衡捷，司黎明，鄧啟亮

（上海衡拓船舶設(shè)備有限公司，上海 200031）

0 引言

船舶在海上航行時(shí)，由于受到海浪、海風(fēng)及海流等因素的影響，不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種搖蕩，其中以橫搖最為顯著，影響也最大。劇烈的搖蕩對(duì)船舶的適航性、安全性、以及設(shè)備的正常工作、貨物的固定和乘員的舒適性都會(huì)有很大的影響。減搖鰭的出現(xiàn)，很大程度上減小了船舶航行中的 橫搖幅值，提高了船員工作和生活的舒適性。

1 減搖鰭概述

隨著人們生活水平的提高及對(duì)舒適工作生活環(huán)境的高要求，目前許多船舶既要求在航行中減搖，也要求在停泊或錨泊狀態(tài)下的減搖，而傳統(tǒng)意義上的減搖鰭只有船舶的航速較高時(shí)，減搖鰭 才能有效地減搖，無法滿足其在低速下或零航速下減搖的要求。有些船舶選擇了既安裝減搖鰭也安裝減搖水艙，在中高速時(shí)使用減搖鰭減搖，低速時(shí)使用減搖鰭和減搖水艙聯(lián)合減搖。雖然這種方法的優(yōu)點(diǎn)很明顯，但是安裝2 種減搖裝置，不但需要分別設(shè)計(jì)和維護(hù)2 套系統(tǒng)，而且還占用了大量船舶的內(nèi)部空間和排水量。

為彌補(bǔ)常規(guī)減搖鰭功能的不足，近來出現(xiàn)了一種新的方法，即采用特殊鰭形或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的減搖鰭來對(duì)零速或錨泊狀態(tài)下的船舶進(jìn)行減搖。這種新方法不但可在零航速情況下進(jìn)行減搖，而且在中高航速下仍然能滿足減搖的要求。更重要的是只需要設(shè)計(jì)和維護(hù)一套系統(tǒng)，而且比傳統(tǒng)的減搖鰭不會(huì)增加太多的成本。如果將這種減搖系統(tǒng)裝到船舶上，就可以得到船舶在需要停泊、零航速下執(zhí)行任務(wù)的減搖效果，節(jié)省船舶的內(nèi)部空間，大大減少船舶在零航速情況下的橫搖擺。

2 零航速液壓系統(tǒng)概述

減搖鰭使用液壓系統(tǒng)作為轉(zhuǎn)鰭運(yùn)動(dòng)動(dòng)力源與其他類型系統(tǒng)相比，液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率/重量比和扭矩/慣量比大，結(jié)構(gòu)緊湊。另外，液壓系統(tǒng)解決散熱問題比較方便，工作介質(zhì)（液壓油）能兼顧潤(rùn)滑作用，工作平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)。

一套好的減搖鰭裝置也離不開一套好的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。零航速工況下的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要為了解決零航速減搖鰭的驅(qū)動(dòng)問題。零航速減搖鰭裝置的設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于平衡多個(gè)指標(biāo)和跨學(xué)科的優(yōu)化問題，雖然主要功率消耗表現(xiàn)在液壓機(jī)組上，但是液壓機(jī)組只是整個(gè)裝置的驅(qū)動(dòng)源組件，單從液壓機(jī)組上做功率優(yōu)化效果并不是很明顯，減搖鰭液壓系統(tǒng)本身也有其特點(diǎn)。本部分的研究主要解決減搖鰭液壓系統(tǒng)本身的優(yōu)化問題。

零航速減搖鰭液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)既要滿足傳統(tǒng)減搖鰭的功能又要兼顧零航速下的液壓驅(qū)動(dòng)問題。由于傳統(tǒng)減搖鰭液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)成熟，因此給液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)雖然增加了限制，但也使得問題得到簡(jiǎn)化。

傳統(tǒng)方式設(shè)計(jì)零航速減搖鰭需要增加液壓機(jī)組的功率，即系統(tǒng)輸入功率將大大增加。但是怎樣降低功率又是與機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)控制策略及鰭形設(shè)計(jì)等相關(guān)，本文主要從液壓機(jī)組方面討論節(jié)能問題。

3 零航速節(jié)能式液壓系統(tǒng)

隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了負(fù)載敏感泵和多泵驅(qū)動(dòng)回路為代表的新的液壓傳動(dòng)元件和回路。對(duì)減搖鰭的零航速和有航速2 種工況進(jìn)行深入分析，在滿足負(fù)載功率要求的情況下，采用液壓系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)和合適的液壓節(jié)能技術(shù)，能夠明顯提高系統(tǒng)的效率，減少能源的浪費(fèi)。運(yùn)用液壓節(jié)能技術(shù)后，采用理論計(jì)算和AMESim 軟件搭建液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的模型，對(duì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的改進(jìn)進(jìn)行對(duì)比分析。

在液壓功率滿足負(fù)載要求的情況下，采用機(jī)理建模的方式對(duì)閥控系統(tǒng)進(jìn)行建模和分析，運(yùn)用MATLAB 軟件搭建零航速減搖鰭的電液伺服系統(tǒng)控制模型，為系統(tǒng)的控制率設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

零航速條件下尋求液壓系統(tǒng)功率和減搖效果之間的優(yōu)化平衡，是未來實(shí)現(xiàn)零航速產(chǎn)品必須面對(duì)的問題，既要滿足減搖效果要求，又要使功率盡可能小，尋求優(yōu)化的設(shè)計(jì)平衡點(diǎn)，是必須研究清楚的關(guān)鍵問題。

由于零航速減搖鰭在2 種工況下的升力產(chǎn)生機(jī)理不同，為了提高2 種狀態(tài)下的液壓能源的利用效率，需要零航速減搖鰭系統(tǒng)能夠根據(jù)船舶的航行狀態(tài)進(jìn)行切換功率，且零航速減搖鰭的同一種控制不一定能夠滿足2 種工況的要求，因此也需要進(jìn)行切換。結(jié)合2 種工況的需求，需要對(duì)零航速減搖鰭的系統(tǒng)狀態(tài)切換進(jìn)行研究。以下為依某型船的參數(shù)為參考，進(jìn)行液壓系統(tǒng)的仿真模擬運(yùn)行。

3.1 常規(guī)航速下的仿真模型

根據(jù)液壓系統(tǒng)及相關(guān)控制搭建常規(guī)航速仿真原理模型（如圖1 所示），對(duì)照相關(guān)元器件技術(shù)參數(shù)對(duì)仿真模型中的元件參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。由于本文主要針對(duì)的是系統(tǒng)功率的節(jié)能問題，故設(shè)定泵的額定輸出流量約136 L/min。

3.1.1 模擬常規(guī)航速負(fù)載曲線

根據(jù)船型設(shè)計(jì)及總體參數(shù)，參考減搖效果等，來近似模擬繪制轉(zhuǎn)角-負(fù)載變化曲線圖，如圖2 所示。

圖2 常規(guī)航速負(fù)載曲線

3.1.2 常規(guī)航速負(fù)載流量曲線

根據(jù)常規(guī)航速工況負(fù)載變化中的最大值，設(shè)置系統(tǒng)中主泵的最大壓力。并根據(jù)模擬航速及控制轉(zhuǎn)速，結(jié)合周期變化，選擇泵的排量，并進(jìn)行仿真計(jì)算，得到負(fù)載時(shí)間-流量曲線圖，如圖3，負(fù)載最大流量為108.4 L/min。

圖3 常規(guī)航速負(fù)載流量曲線

3.1.3 常規(guī)航速轉(zhuǎn)鰭泵流量曲線

根據(jù)計(jì)算，選擇主泵的最大排量，通過常規(guī)航速的控制策略，得到泵在常規(guī)航速下的時(shí)間-流量變化曲線，如圖4 所示，負(fù)載最大流量為112.5 L/min。

圖4 常規(guī)航速泵流量曲線

3.2 零航速下的仿真模型

根據(jù)液壓系統(tǒng)及相關(guān)控制搭建零航速仿真原理模型（如圖5 所示），并對(duì)照相關(guān)元器件技術(shù)參數(shù)對(duì)仿真模型中的元件參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

圖5 零航速下的仿真模型

3.2.1 零航速角加速度和水動(dòng)力矩曲線

根據(jù)零航速控制策略得到的角加速度特性及水動(dòng)力曲線圖，如圖6 所示。由圖6 可知，該角加速度最大值 0.9 rad/s2，最大負(fù)載力矩約6 000 N·m。

圖6 零航速角加速度和水動(dòng)力矩曲線

3.2.2 零航速負(fù)載流量曲線

根據(jù)零規(guī)航速工況負(fù)載變化中的最大值，設(shè)置系統(tǒng)中主泵的最大壓力，并根據(jù)1 rad/s 的轉(zhuǎn)速要求，結(jié)合周期變化，選擇泵的排量，并進(jìn)行仿真計(jì)算，得到負(fù)載時(shí)間-流量曲線圖，如圖7 所示，負(fù)載最大流量為209.5 L/min。

3.2.3 泵的流量曲線

常規(guī)航速中已選擇主泵的最大排量，在零航速中，通過零航速控制系統(tǒng)的控制策略，得到泵在零規(guī)航速下的時(shí)間-流量變化曲線，如圖8 所示，泵最大流量為136 L/min。

圖7 零航速負(fù)載流量曲線

圖8 零航速泵的流量曲線

3.3 仿真結(jié)果分析

由仿真結(jié)果可知，常規(guī)航速情況下，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，泵的流量已經(jīng)接近泵的流量峰值，由于系統(tǒng)所需流量小于泵的額定流量，故泵的實(shí)際輸出流量即為系統(tǒng)所需的流量。

在零航速工況下，由于鰭的轉(zhuǎn)動(dòng)速度加快，使系統(tǒng)所需流量增加（見圖7）。由圖8 可知，此刻泵的輸出流量已經(jīng)達(dá)到了極限值，相比系統(tǒng)的需求，已經(jīng)無法滿足。因此，需要增加蓄能器為系統(tǒng)補(bǔ)充空余的油液，以滿足系統(tǒng)的實(shí)際需求。

系統(tǒng)功率計(jì)算如式（1）

式中：W為輸入功率，kW；P為系統(tǒng)壓力，MPa；Q為泵輸出流量，L/min。

由上可知，在系統(tǒng)壓力P不變的情況下，泵的輸出流量Q越大，則系統(tǒng)的輸入功率需求也就越大。而由于零航速減搖鰭2 種工況下的負(fù)載不同，若取同一個(gè)系統(tǒng)壓力，則會(huì)造成較大的不必要的功率損耗。

4 結(jié)論

綜上所述，對(duì)于通過運(yùn)動(dòng)獲得升力的零航速減搖，在裝機(jī)功率受限的條件下，為了獲得足夠高的升力進(jìn)行減搖，需要較大的運(yùn)動(dòng)速度，因此要有足夠大的峰值功率，客觀上需要大的儲(chǔ)能元件，并有合適的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以控制能量的釋放并達(dá)到較大的運(yùn)動(dòng)速度。

零航速條件下尋求液壓系統(tǒng)功率和減搖效果之間的優(yōu)化平衡，是未來實(shí)現(xiàn)零航速產(chǎn)品必須面對(duì)的問題，既要滿足減搖效果要求，又要使功率盡可能小，尋求優(yōu)化的設(shè)計(jì)平衡點(diǎn)，是今后設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。