船艦轉(zhuǎn)葉舵機(jī)用復(fù)式液壓擺動缸結(jié)構(gòu)解耦研究

趙文奎，李閣強(qiáng)，毛波

(1.河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽 471003；2.山東萬通液壓股份有限公司，山東日照 262313)

0 前言

舵機(jī)作為船舶操縱設(shè)備中重要的輔機(jī)之一，其控制品質(zhì)直接關(guān)系到船舶是否能安全、穩(wěn)定航行，因此，研制穩(wěn)定性、準(zhǔn)確度和轉(zhuǎn)速更高的舵機(jī)系統(tǒng)成為我國艦船工業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)和難點(diǎn)。影響舵機(jī)控制品質(zhì)的因素較多，通?？蓺w因于系統(tǒng)自身的設(shè)計(jì)和外負(fù)載兩類。以電動液壓舵機(jī)系統(tǒng)為對象，它由工控機(jī)、電機(jī)驅(qū)動裝置、液壓動力元件和位移傳感器所組成。由于存在電機(jī)磁滯、聯(lián)軸器同軸度、摩擦力矩、液壓元件非線性和液壓油可壓縮性等問題，該電液控制裝置自身具有較強(qiáng)的非線性；此外，作用于舵葉上的水動力具有隨機(jī)性和時變特性，與轉(zhuǎn)舵角度、角速度構(gòu)成強(qiáng)力位耦合關(guān)系，使得舵機(jī)系統(tǒng)非線性更為復(fù)雜，這些因素制約著舵機(jī)系統(tǒng)控制品質(zhì)的提升。針對上述問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。JIANG、蘇文海等率先研制出直驅(qū)式電液伺服轉(zhuǎn)葉舵機(jī)，用變頻電機(jī)驅(qū)動定量泵閉環(huán)控制轉(zhuǎn)葉馬達(dá)取代傳統(tǒng)的伺服電機(jī)驅(qū)動變量泵或伺服閥的控制方式，簡化系統(tǒng)，用定量反饋魯棒控制器消除水動力干擾帶來的影響；劉彥文、LIANG、張宇、ODA等均設(shè)計(jì)了舵機(jī)系統(tǒng)控制器用來抑制系統(tǒng)自身非線性和外干擾帶來的舵角控制問題，提升船舶操縱性能。通過優(yōu)化校正裝置，補(bǔ)償系統(tǒng)自身非線性帶來的舵角偏差可以達(dá)到良好的效果，但舵葉上的水動力通常較大，又與舵角、船速等緊密相關(guān)，將其視為干擾、采用控制器補(bǔ)償?shù)姆绞叫Ч芳选?/p>

本文作者提出復(fù)式液壓擺動缸結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為舵驅(qū)動缸，外層為水動力力矩解耦缸，利用外層液壓缸產(chǎn)生的主動力矩抵消水動力作用力矩，同時內(nèi)、外層液壓缸的同向轉(zhuǎn)動也可增大舵角工作區(qū)間，異向轉(zhuǎn)動能及時制動，有效提高舵機(jī)控制性能。

1 水動力與舵角耦合分析

通常舵機(jī)運(yùn)動模型可用下式表示。

(1)

基于MMG模型，在來流速度為、沖角為的均勻流場中，舵葉上產(chǎn)生的水動力為，作用點(diǎn)至舵軸的距離為，如圖1所示。為垂直于來流方向的舵升力和沿來流方向的舵阻力的合力，也可分解為垂直于舵葉軸面的正壓力和沿舵葉軸面的切向力，力的表達(dá)式為

(2)

式中：為舵合力系數(shù)，為無量綱量，與舵的幾何因素、運(yùn)動因素和流體動力學(xué)因素相關(guān)；為流體的密度，kg/m；為舵葉的面積，m。

從圖1可知，研究舵葉-舵軸運(yùn)動所受的水動力和力矩時只需考慮舵的流體正壓力，對于敞水舵，當(dāng)沖角較小時，可用近似估算的方法確定其表達(dá)式為

圖1 舵葉表面流體作用力示意

(3)

水動力作用在舵軸上的負(fù)載力矩為

=··cos-··sin=··cos·

(4)

式中:為舵的升力與舵的阻力的比值，其他參數(shù)同上。

由上述分析可知，負(fù)載力矩通常較大且與舵角構(gòu)成強(qiáng)力位耦合關(guān)系，是造成轉(zhuǎn)舵控制不平穩(wěn)、精度不高和轉(zhuǎn)速較慢的主要原因，在極端情況下甚至出現(xiàn)跑舵和嚴(yán)重的遲滯現(xiàn)象。為從舵機(jī)結(jié)構(gòu)上解決該問題，設(shè)計(jì)復(fù)式液壓擺動缸。

2 復(fù)式液壓擺動缸解耦

2.1 結(jié)構(gòu)解耦原理

如圖2所示，復(fù)式擺動缸由舵驅(qū)動缸轉(zhuǎn)子1,力矩解耦缸轉(zhuǎn)子2，殼體3，定葉片4、5和動葉片6、7等組成。

圖2 復(fù)式液壓擺動缸原理

驅(qū)動缸轉(zhuǎn)子與解耦缸轉(zhuǎn)子之間形成內(nèi)密閉容腔，解耦缸轉(zhuǎn)子與殼體之間形成外密閉容腔，內(nèi)外層轉(zhuǎn)子上均開設(shè)環(huán)形油道，內(nèi)密閉容腔采用軸配流的方式配流，外密閉容腔采用殼體配流的方式配流。當(dāng)高壓油液進(jìn)入內(nèi)密閉容腔，驅(qū)動缸轉(zhuǎn)子在液壓力作用下順時針轉(zhuǎn)動，此時舵葉在與驅(qū)動缸轉(zhuǎn)子固連的舵桿的帶動下順時針旋轉(zhuǎn)一角度。在舵葉轉(zhuǎn)動過程中必然存在反方向水動力的干擾，使容腔Ⅰ體積減小Δ，轉(zhuǎn)子到達(dá)新的平衡位置，對于傳統(tǒng)擺動缸(單層擺動缸)轉(zhuǎn)子將回旋，造成跑舵。而復(fù)式擺動缸為確保驅(qū)動缸轉(zhuǎn)子不動，可通過順時針旋轉(zhuǎn)解耦缸轉(zhuǎn)子(驅(qū)動缸定子)，使容腔Ⅰ體積減小Δ，達(dá)到平衡狀態(tài)。即相當(dāng)于解耦缸與水動力在舵驅(qū)動缸轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生大小相等、方向相反的力矩，合力矩為零達(dá)到解耦目的。此外，在復(fù)式擺動缸解耦過程中，由于內(nèi)、外層轉(zhuǎn)子同向旋轉(zhuǎn)，內(nèi)層轉(zhuǎn)子與外層轉(zhuǎn)子的相對非飽和線性區(qū)間不變，但內(nèi)層轉(zhuǎn)子的絕對非飽和線性區(qū)間是增大的，即舵葉有更大的轉(zhuǎn)角范圍(此原理類似于多級液壓缸)，以備緊急轉(zhuǎn)向。

2.2 解耦參數(shù)匹配原則

利用負(fù)載最佳匹配的原則，采用解析法確定舵機(jī)系統(tǒng)各組成元件的參數(shù)。

(1)轉(zhuǎn)葉舵機(jī)系統(tǒng)特性分析

鑒于舵機(jī)工況低速、大扭矩的特點(diǎn)，系統(tǒng)穩(wěn)定性是首要特性，其次為準(zhǔn)確性和快速性。因此在參數(shù)設(shè)計(jì)的過程中，首先要保證系統(tǒng)中機(jī)械結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度。在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性裕度的前提下，通過提高機(jī)構(gòu)剛度或減小摩擦力，降低系統(tǒng)阻尼，使其位置控制精度得以提升；減小系統(tǒng)慣性，提高固有頻率，保證其靈敏度。

(2)轉(zhuǎn)葉舵機(jī)負(fù)載特性分析

舵機(jī)系統(tǒng)的負(fù)載是慣性負(fù)載、黏性阻尼負(fù)載與摩擦負(fù)載的組合且波浪等外干擾力運(yùn)動形式復(fù)雜，難以得到負(fù)載軌跡方程。在系統(tǒng)各組成元件參數(shù)匹配時，以最大功率工況點(diǎn)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，使動力裝置輸出特性曲線包圍負(fù)載軌跡，且動力裝置最大輸出功率點(diǎn)與負(fù)載的最大功率點(diǎn)盡量接近，節(jié)約能耗。

(3)復(fù)式擺動缸解耦特性分析

復(fù)式擺動缸內(nèi)、外層轉(zhuǎn)子同向轉(zhuǎn)動可增大舵葉的工作區(qū)間，而要消除水動力對舵驅(qū)動缸轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的干擾，不僅需要內(nèi)、外層轉(zhuǎn)子同向轉(zhuǎn)動，還要使內(nèi)層轉(zhuǎn)子與外層轉(zhuǎn)子在相同力矩的作用下，其旋轉(zhuǎn)角度相同，確保解耦缸轉(zhuǎn)子在產(chǎn)生與水動力大小相等、方向相反的反力矩時，容腔Ⅰ體積減小Δ，使得舵驅(qū)動缸轉(zhuǎn)子靜止不動。因此，在復(fù)式擺動缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，按內(nèi)、外層轉(zhuǎn)子阻尼比相等，固有頻率接近的原則進(jìn)行參數(shù)匹配，以保證內(nèi)外層轉(zhuǎn)子有相同或相近的動態(tài)響應(yīng)特性。舵驅(qū)動缸轉(zhuǎn)軸采用中空結(jié)構(gòu)，不僅減小其轉(zhuǎn)動慣量，而且便于安裝舵桿，同時選用轉(zhuǎn)動慣量較大的變頻電機(jī)為動力源，使傳動部件折算到電機(jī)軸上的慣量與電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量的比值介于0.5～1之間，盡量接近0.5，保證機(jī)械系統(tǒng)的靈敏度。此外，各個元件的固有頻率應(yīng)避開波浪頻率，防止產(chǎn)生共振，縮短使用壽命。

3 解耦仿真分析

綜上所述，復(fù)式擺動缸相較于單層轉(zhuǎn)葉馬達(dá)具有諸多優(yōu)勢。為驗(yàn)證該執(zhí)行元件用于舵機(jī)系統(tǒng)實(shí)際解耦的效果，以直驅(qū)式液壓系統(tǒng)為對象，通過控制變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變雙向定量泵流量的方式進(jìn)行舵機(jī)角度、角速度的控制。建立的AMESim仿真模型如圖3所示，仿真參數(shù)的設(shè)置如表1所示。

圖3 復(fù)式液壓擺動缸結(jié)構(gòu)解耦A(yù)MESim仿真

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

舵機(jī)系統(tǒng)仿真時，通過參數(shù)設(shè)置分別在單層擺動缸和復(fù)式擺動缸操舵模式下進(jìn)行加載試驗(yàn)。因外負(fù)載較大，產(chǎn)生的控制偏差較大，為確保加載試驗(yàn)的正常進(jìn)行，單層擺動缸的操舵試驗(yàn)在系統(tǒng)中附加了校正裝置。圖4為直驅(qū)式轉(zhuǎn)葉舵機(jī)在外載荷下舵桿轉(zhuǎn)角與負(fù)載力矩的關(guān)系曲線?？梢钥闯觯簡螌訑[動缸舵桿上的負(fù)載力矩隨舵角的增大而增大，且負(fù)載力矩與舵角有較強(qiáng)的力位關(guān)系。而復(fù)式擺動缸操舵可以極大地消除舵桿上因外載荷產(chǎn)生的負(fù)載，在5°～35°區(qū)間內(nèi)，負(fù)載力矩幾乎不變且數(shù)值較小，但由于摩擦力的影響，舵機(jī)低速穩(wěn)定性較差，在0～5°區(qū)間和35°～40°區(qū)間內(nèi)曲線也表現(xiàn)出波動。

圖4 舵桿轉(zhuǎn)角與負(fù)載力矩耦合關(guān)系曲線

圖5為轉(zhuǎn)葉舵機(jī)一個運(yùn)動周期內(nèi)的仿真曲線，可以看出：復(fù)式擺動缸用于操舵，可以極大解除外負(fù)載(水動力)的干擾，完全滿足艦船液壓舵機(jī)通用規(guī)范的軍用標(biāo)準(zhǔn)；滯舵時間不超過1 s，舵角偏差在±0.5°以內(nèi)，舵葉從一舷30°轉(zhuǎn)至另一舷30°的時間不超過28 s。相較于單層擺動缸操舵，復(fù)式擺動缸用于操舵在極大消除外負(fù)載的情況下，舵機(jī)啟動更靈敏，平均速度更高且無超調(diào)。

圖5 舵機(jī)運(yùn)動仿真曲線

4 結(jié)論

針對船舶用液壓舵機(jī)轉(zhuǎn)動慣量大、舵葉所受水動力負(fù)載復(fù)雜、干擾力矩與舵角構(gòu)成強(qiáng)力位耦合等問題，以直驅(qū)式轉(zhuǎn)葉舵機(jī)為對象，設(shè)計(jì)出新型復(fù)式液壓擺動缸替代單層轉(zhuǎn)葉馬達(dá)，利用前饋控制輸出主動力矩與水動力作用在舵桿上的負(fù)載力矩相抵消，達(dá)到結(jié)構(gòu)解耦的目的。仿真分析結(jié)果證明：采用復(fù)式擺動缸組成的舵機(jī)系統(tǒng)，可以抵消水動力導(dǎo)致的負(fù)載力矩，極大減小系統(tǒng)的非線性，有助于舵機(jī)控制器的設(shè)計(jì)和控制品質(zhì)的提升，為機(jī)電液一體化系統(tǒng)操控性能提升提供新的思路。該復(fù)式擺動缸尚在研制階段，其實(shí)際使用情況仍需要進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。