小型救助船舶主動式液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

王 默，度紅望，熊 偉

(大連海事大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

引言

隨著我國海上絲綢之路與海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的實(shí)施，海上安全問題逐漸成為一個不容忽視的話題[1]。目前專業(yè)救助船舶是水上救助的主要力量，但在海況復(fù)雜的區(qū)域，現(xiàn)有的被動式減振救助船對波浪的適應(yīng)能力并不理想，操縱穩(wěn)定性較差，無法靠近遇險人員，不能提供有效的救助[2]； 而搭載主動式液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)的小型救助船舶具有隔振避波、行駛平穩(wěn)及操作靈活等優(yōu)點(diǎn)，是未來水面救助力量新的發(fā)展趨勢[3]。

主動式懸架是指懸架系統(tǒng)的剛度和阻尼可以根據(jù)行駛狀態(tài)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，以達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)[4-5]。國外眾多學(xué)者對船舶主動式懸架系統(tǒng)展開了廣泛的研究，取得了一定的研究成果。澳大利亞Nauti-Craft公司于2011發(fā)表液壓互聯(lián)懸架的相關(guān)專利，該專利公開了多種具有自適應(yīng)能力的懸架，可應(yīng)用于多船體的船舶中，以提供不同懸架運(yùn)動模式下的模式剛度[6]；美國Velodyne Marine公司于2012年推出了Martini 1.5型小艇，該艇搭載主動式空氣彈簧減振系統(tǒng)，通過對空氣流通孔大小、充氣量和彈簧氣室的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了較好的耐波性[1]；東京大學(xué)DAISUKE Kitazawa教授團(tuán)隊(duì)制作的WHzer-4的懸架系統(tǒng)主要采用螺旋彈簧和齒輪齒條機(jī)構(gòu)，該試驗(yàn)機(jī)通過齒輪齒條的嚙合，吸收波浪的沖擊，同時電機(jī)也可通過主動控制保持船體的平穩(wěn)[7]。

針對小型救助船舶在高海況下對波浪適應(yīng)能力較差這一問題，提出一種主動式液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)，該系統(tǒng)能主動連續(xù)調(diào)節(jié)船體姿態(tài)，維持船身的平衡，使其具有良好的波浪適應(yīng)能力。本研究對系統(tǒng)的關(guān)鍵元件及回路設(shè)置進(jìn)行了分析，基于AMESim建立了懸架系統(tǒng)模型，通過仿真得到了雙作用液壓缸在不同信號激勵下的響應(yīng)曲線，驗(yàn)證了懸架系統(tǒng)的性能。

1 主動式液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖1所示，主動式液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)包括泵站、比例伺服閥、三段式液壓缸、單作用液壓缸和電子控制單元，其中電子控制單元包括各類傳感器和伺服控制器。主動式液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)位于救助船的船身與浮筒之間，單作用液壓缸6～9的兩端通過虎克鉸鏈分別與船身和浮筒相連，使船身和浮筒之間能夠相對運(yùn)動，對船身起支撐作用。泵站為系統(tǒng)提供液壓油，伺服控制器接收輸入信號控制比例伺服閥4，12的開口度，壓力油通過比例伺服閥驅(qū)動三段式液壓缸5，10的活塞桿運(yùn)動，進(jìn)而驅(qū)動單作用液壓缸6～9的活塞桿運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)對船身姿態(tài)的控制，達(dá)到主動減振的效果。

三段式液壓缸5為側(cè)傾控制液壓缸，其中左右兩腔與比例伺服閥4的中位相連，中間四腔與4個單作用液壓缸相連。當(dāng)救助船遇到使船身向左(右)側(cè)傾倒的波浪時，輸入信號控制比例伺服閥4左(右)位接通，控制三段式液壓缸5的活塞向上(下)運(yùn)動，單作用液壓缸6，7無桿腔容積增大(減小)，活塞桿伸出(縮回)，單作用液壓缸8，9無桿腔容積減小(增大)，活塞桿縮回(伸出)，使船身整體維持水平狀態(tài)，提高了救助船對波浪的適應(yīng)能力，保證了駕駛?cè)藛T對救助船操作的穩(wěn)定性。

1.油箱 2.過濾器 3.液壓泵 4、12.三位四通比例換向閥5、10.三段式液壓缸 6～9.單作用液壓缸 11. 溢流閥圖1 液壓原理圖

三段式液壓缸10為俯仰控制液壓缸，其中左右兩腔與比例伺服閥12的中位相連，中間四腔與4個單作用液壓缸相連。當(dāng)救助船遇到使船身向船首(船尾)傾倒的波浪時，輸入信號控制比例伺服閥12左(右)位接通，控制三段式液壓缸10的活塞向下(上)運(yùn)動，單作用液壓缸7，8無桿腔容積增大(減小)，活塞桿伸出(縮回)，單作用液壓缸6，9無桿腔容積減小(增大)，活塞桿縮回(伸出)，補(bǔ)償了船首(船尾)的高度，使救助船具有更好的舒適性。

當(dāng)救助船遇到多種復(fù)雜波浪時，基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)解耦和運(yùn)動學(xué)逆解的思想，電子控制單元對合成的波浪進(jìn)行計算，分別給伺服驅(qū)動器輸入相應(yīng)的信號，控制單作用液壓缸活塞桿運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)船身高度補(bǔ)償，達(dá)到減振效果。

綜上，當(dāng)小型救助船舶在波濤洶涌的海面上航行時，該主動式液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)可通過連續(xù)的輸入信號控制作動器進(jìn)行船身的姿態(tài)補(bǔ)償，以達(dá)到減振的效果。

2 懸架系統(tǒng)關(guān)鍵原件的選用及回路分析

2.1 三段式液壓缸的選用

三段式液壓缸共有6個腔室，左右兩腔為無桿腔，中間四腔為有桿腔。三段式液壓缸相鄰兩腔的容積變化規(guī)律相反，且中間四腔單位時間內(nèi)的流量相同。與傳統(tǒng)閥控液壓缸的懸架系統(tǒng)相比，采用“比例伺服閥-三段式液壓缸-單作用壓缸”的方式，2個比例伺服閥分別獨(dú)立控制2個三段式液壓缸，進(jìn)而控制4個單作用液壓缸，不僅節(jié)省液壓油、減小油箱體積、減輕懸架系統(tǒng)的重量，更減少了比例伺服閥的數(shù)量，使懸架系統(tǒng)的控制更加方便，經(jīng)濟(jì)性更好。

2.2 系統(tǒng)其他元件取值

本系統(tǒng)研究對象為小型救助船舶的主動式液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)，以下元件參數(shù)通過模擬工況進(jìn)行整數(shù)估計和設(shè)定，取值如表1所示。

表1 元件參數(shù)

2.3 互聯(lián)回路的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

本研究采用互聯(lián)的液壓懸架系統(tǒng)，相比于獨(dú)立控制懸架，互聯(lián)懸架雖計算略顯復(fù)雜，但其自身就有一定的波浪適應(yīng)能力[8]。在波浪波高較小、頻率較低的海況下，無需給伺服驅(qū)動器輸入信號，僅被動地依靠互聯(lián)的油路緩沖減振即有較好的波浪適應(yīng)能力，簡化了控制系統(tǒng)的計算環(huán)節(jié)[9]。

互聯(lián)的回路在響應(yīng)速度方面也具有一定的優(yōu)勢[10]。如圖1所示，三段式液壓缸5，10的兩腔分別通過2條管路與單作用液壓缸7的無桿腔相連。若在某種海況下，波浪使船身向左前傾斜，則自側(cè)傾控制液壓缸5流出的液壓油和俯仰控制液壓缸10流入的液壓油不必全部流經(jīng)單作用液壓缸7，僅二者流量之差驅(qū)使液壓缸7活塞桿運(yùn)動，大大縮減了活塞桿的移動時間，提高了懸架系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使船身更加迅速地達(dá)到平穩(wěn)。

3 系統(tǒng)建模與AMESim仿真驗(yàn)證

根據(jù)液壓原理圖建立懸架系統(tǒng)的AMESim仿真模型，如圖2所示。利用HCD液壓庫，對關(guān)鍵元件三段式液壓缸進(jìn)行了詳細(xì)建模[11]，通過改變2個控制信號的大小，得出單作用液壓缸活塞桿的位移曲線。

1.油箱 2.電機(jī) 3.液壓泵 4、12.三位四通電磁比例換向閥5、10.三段式液壓缸 6～9.單作用液壓缸 11.溢流閥圖2 懸架系統(tǒng)的AMESim仿真模型

3.1 輸入線性信號

分別對伺服閥4,12施加如圖3所示的俯仰、側(cè)傾信號，得到單作用液壓缸活塞桿位移曲線如圖4所示。

圖3 輸入的分段信號

由圖4可以看出，0～4 s，回路僅受俯仰信號控制，此時比例伺服閥開口度保持不變，液壓缸7，8的活塞桿同步縮回，液壓缸6，9的活塞桿同步伸出，且活塞桿補(bǔ)償?shù)奈灰屏咳Q于信號時長[12]；4～7 s，回路僅受側(cè)傾信號控制，伺服閥4的開口度大小呈線性變化，此時液壓缸6，7的活塞桿位移變化相同，液壓缸8，9的活塞桿位移變化一致，均為非線性變化；7～10 s，回路同時受俯仰信號和側(cè)傾信號控制，此時液壓缸活塞桿的位移為2個信號單獨(dú)控制時運(yùn)動規(guī)律的耦合。

圖4 輸入分段信號時液壓缸活塞桿的位移

分別對伺服閥4,12施加如圖5所示的俯仰、側(cè)傾時鐘信號，該信號頻率為0.2 Hz，占空比50%，最大值為40 mA，最小值為-40 mA，2個信號相位間隔1/4周期。設(shè)定仿真時長10 s，運(yùn)行得到單作用液壓缸活塞桿位移曲線如圖6所示。

圖5 輸入的時鐘信號

圖6 輸入時鐘信號時液壓缸活塞桿的位移

分別對伺服閥4,12施加如圖7所示的俯仰、側(cè)傾時鐘信號，該信號頻率為0.2 Hz，占空比50%，最大值為40 mA，最小值為-40 mA，2個信號重合。設(shè)定仿真時長10 s，運(yùn)行得到單作用液壓缸活塞桿位移曲線如圖8所示。

圖7 輸入的重合時鐘信號

圖8 輸入重合時鐘信號時液壓缸活塞桿的位移

由圖6、圖8可以看出，當(dāng)控制信號發(fā)生突變時，回路中存在一定的壓力沖擊，雙作用液壓缸活塞桿的位移曲線有明顯的波動；當(dāng)某液壓缸受到俯仰伺服閥和側(cè)傾伺服閥的同時控制，且二者流量大致相等時，該液壓缸活塞桿的位移基本不變。

3.2 輸入非線性信號

圖9 輸入的正弦信號

圖10 輸入正弦信號時液壓缸活塞桿的位移

圖11 輸入相位差為π的正弦信號

圖12 輸入相位差為π的正弦信號時液壓缸活塞桿的位移

圖10、圖12與圖6、圖8對比可得，當(dāng)伺服閥的控制信號連續(xù)變化時，回路壓力沖擊較小，單作用液壓缸活塞桿的位移曲線連續(xù)變化。

3.3 輸入隨機(jī)信號時的響應(yīng)

給伺服驅(qū)動器施加10 s的隨機(jī)信號，如圖13所示，運(yùn)行仿真得到圖14單作用液壓缸活塞桿位移曲線。

圖14 輸入隨機(jī)信號時液壓缸活塞桿的位移

通過上述仿真結(jié)果可知，該液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)的雙作用液壓缸活塞桿的位移可以通過伺服閥的信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)時地對船身位移進(jìn)行補(bǔ)償，維持船身平衡，從而達(dá)到緩沖減振的效果。

4 結(jié)論

本研究提出了一種由泵站、比例伺服閥、三段式液壓缸、單作用液壓缸和電子控制單元構(gòu)成的主動式液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)。對系統(tǒng)關(guān)鍵元件的選用和回路的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，運(yùn)用AMESim軟件建模并進(jìn)行系統(tǒng)仿真，得到系統(tǒng)在不同激勵下4個單作用液壓缸活塞桿的位移曲線。結(jié)合理論分析和仿真研究，得出如下結(jié)論：

(1) 該懸架系統(tǒng)具有一定的波浪自適應(yīng)能力，系統(tǒng)在不同海況下均能主動調(diào)整船身姿態(tài)，維持船身保持水平，達(dá)到緩沖吸振的效果，提高了舒適度和操作穩(wěn)定性；

(2) 系統(tǒng)回路存在一定程度上的壓力沖擊，且當(dāng)控制信號變化較大時，作動器會產(chǎn)生較大的剛性沖擊和柔性沖擊，不利于系統(tǒng)的維護(hù)和補(bǔ)償?shù)木珳?zhǔn)，舒適度不足。

本研究補(bǔ)充了小型救助船舶懸架的懸架控制形式并驗(yàn)證了其可行性，具有一定的借鑒意義；但在整個回路依然存在剛性沖擊和柔性沖擊，還需更為深入的分析改進(jìn)。