王成剛，徐加俊，張　博

(武漢工程大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，湖北 武漢 430205)

吊艙式海事公務(wù)船液壓推進(jìn)系統(tǒng)

王成剛，徐加俊，張博

(武漢工程大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，湖北 武漢 430205)

摘要：隨著船舶業(yè)的迅猛發(fā)展，大型、高速、專業(yè)船舶是發(fā)展的趨勢。國內(nèi)船舶推進(jìn)系統(tǒng)研究也在不斷深入，逐漸縮小與發(fā)達(dá)國家之間的差距。本文通過對(duì)國內(nèi)外船舶液壓推進(jìn)系統(tǒng)的研究，根據(jù)船舶推進(jìn)系統(tǒng)的工作原理和船舶推進(jìn)系統(tǒng)中柴油機(jī)、液壓泵、螺旋槳、液壓馬達(dá)等關(guān)鍵元件的選型計(jì)算，對(duì)壓系統(tǒng)主回路、補(bǔ)油回路、系統(tǒng)過載保護(hù)回路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：吊艙式；液壓推進(jìn)；液壓泵；液壓馬達(dá)

0引言

近年來，隨著船舶業(yè)的迅猛發(fā)展，大型、高速、專業(yè)船舶是發(fā)展的趨勢，這勢必要求船舶推進(jìn)系統(tǒng)操控方便、效率高、安全性強(qiáng)，工藝優(yōu)良?，F(xiàn)有的船舶推進(jìn)方式有直接推進(jìn)、電力推進(jìn)、超導(dǎo)電磁推進(jìn)、噴水推進(jìn)、液力推進(jìn)等。目前在船舶推進(jìn)領(lǐng)域研發(fā)比較熱門的是吊艙式液壓推進(jìn)系統(tǒng)。

吊艙式液壓推進(jìn)系統(tǒng)是將吊艙推進(jìn)器設(shè)計(jì)在船體的下方，取消了主機(jī)和螺旋槳的連接，螺旋槳可以不受主機(jī)制約進(jìn)行360°回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這種推進(jìn)方式增加了船艙的利用率，系統(tǒng)響應(yīng)靈敏，操作性強(qiáng)，推進(jìn)效率高。本文主要研究在設(shè)計(jì)吊艙式海事公務(wù)船液壓推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)所涉及到的關(guān)鍵元件的選擇，以及推進(jìn)系統(tǒng)的回路組成。

1船舶液壓推進(jìn)研究現(xiàn)狀

1.1　國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國在船舶液壓推進(jìn)器的研究方面起步較晚，目前上海交通大學(xué)、大連海事大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)等高校在這方面的研究已經(jīng)取得了一些成果。哈爾濱工程大學(xué)對(duì)舵面水動(dòng)力對(duì)液壓舵機(jī)系統(tǒng)的干擾進(jìn)行了分析，通過AMESim模型進(jìn)行仿真分析了PID控制器參數(shù)，結(jié)果證明模糊PID對(duì)液壓舵機(jī)系統(tǒng)中啟停、換向時(shí)的沖擊力具有明顯的消減作用[1]。吳伯才[2]通過對(duì)液壓推進(jìn)系統(tǒng)的能量傳遞形式、扭矩特點(diǎn)和轉(zhuǎn)速控制的分析，指出液壓推進(jìn)具有功率大、推進(jìn)效率高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。紀(jì)玉龍、孫玉清等[3]通過研究船舶液壓推進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和仿真，提出了船舶綜合液壓推進(jìn)恒功率與變功率聯(lián)合控制方法—CVCC，該控制方法可以使主機(jī)一直維持在最佳工況下，克服了主機(jī)在持續(xù)重載下功率低的狀況。

1.2　國外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)50年代英國、德國、俄羅斯等國已開始研發(fā)和使用船舶液壓推進(jìn)系統(tǒng)。

表1　國外對(duì)船舶液壓推進(jìn)系統(tǒng)研究歷程

2船舶液壓推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1　船舶液壓推進(jìn)工作原理

船舶液壓推進(jìn)主要包括柴油機(jī)、液壓泵、液壓馬達(dá)、螺旋槳、控制器、各種傳感器件以及相應(yīng)調(diào)節(jié)裝置。柴油機(jī)輸出的機(jī)械能通過液壓泵轉(zhuǎn)化為壓力能，螺旋槳、舵機(jī)、船舶側(cè)推裝置(當(dāng)采用吊艙式推進(jìn)器時(shí),可以取消舵機(jī)以及首側(cè)推)以及其它輔助裝置在壓力能的推進(jìn)作用下工作。經(jīng)過馬達(dá)液壓油的壓力轉(zhuǎn)化為螺旋槳的機(jī)械能，通過對(duì)泵站以及柴油機(jī)的控制來調(diào)節(jié)螺旋槳的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)螺旋槳、舵機(jī)、側(cè)推裝置等其他輔助裝置協(xié)調(diào)工作，滿足船舶的各種運(yùn)動(dòng)工況。其工作原理如圖1所示。

圖1　船舶液壓推進(jìn)系統(tǒng)原理圖Fig.1　Sehematic diagram of ship hydrau1ic propulsion system

2.2　船舶液壓系統(tǒng)關(guān)鍵元件選型計(jì)算

功率對(duì)于大型船舶來說至關(guān)重要，吊艙式液壓推進(jìn)系統(tǒng)的功率傳遞為圖2所示。

圖2　船舶液壓推進(jìn)系統(tǒng)功率傳遞圖Fig.2　The power flow of the hydraulic propulsion system

圖中：ηA為柴油機(jī)的傳遞效率；η0為螺旋槳敞水效率；ηH為船體效率；ηR為相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率。

1)柴油機(jī)選型計(jì)算

根據(jù)在中國的磁流體船舶推進(jìn)項(xiàng)目[4]中對(duì)柴油機(jī)有效功率的定義可知：

Ne=neiVhPe/3×104δ。

(1)

式中：ne為柴油機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速；i為汽缸數(shù)；Vh為氣缸工作容積；Pe氣缸有效壓力；δ為沖程數(shù)目。

液壓泵需要在柴油機(jī)的帶動(dòng)下工作，當(dāng)柴油機(jī)的循環(huán)供油量發(fā)生改變時(shí)，液壓泵的輸出功率也要發(fā)生改變，并且柴油機(jī)的輸出功率一定要大于液壓泵所需的功率，才能保證船舶的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2)液壓泵選型計(jì)算

液壓泵分為高壓腔和低壓腔，高壓腔的流量和壓力使得馬達(dá)能夠克服螺旋槳負(fù)載正常運(yùn)轉(zhuǎn)，低壓腔基本不變，高壓腔的流量方程為：

(2)

式中：Qp為液壓泵的輸出流量；qp為泵的容積量；Cip和Cep為泵的內(nèi)、外漏系數(shù)；θp為泵的選擇角度。

由于低壓很低可忽略不計(jì)，故式(2)可改寫為：

(3)

等價(jià)于：

(4)

或者

(5)

當(dāng)ηp=1時(shí)，由式(5)可得液壓泵的最大流量為：

(6)

3)螺旋槳選型計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[5]定義螺旋槳的力矩為：

(7)

式中: K為螺旋槳的扭矩系數(shù)；ρ為海水密度； Dpp為螺旋槳直徑；n為螺旋槳的轉(zhuǎn)速。

船舶負(fù)載力矩為：

(8)

式中：Jt為船舶總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Bm為船舶總粘性阻尼系數(shù)；G為負(fù)載扭簧系數(shù)；θ為馬達(dá)轉(zhuǎn)角[6]。

4)液壓馬達(dá)選型計(jì)算

理想情況下，馬達(dá)的輸出力矩等于負(fù)載力矩，則：

(9)

故馬達(dá)的壓力為：

(10)

由式(8)和式(10)可得

(11)

將θ=θmsinwt代入式(8)可得：

(12)

對(duì)式(12)求極值求出Mmax，代入式(11)可求得液壓馬達(dá)的排量V。

液壓馬達(dá)流量僅取決于高壓腔流量，得：

(13)

由于低壓很低，故式(13)改寫為：

(14)

由式(12)得：

(15)

當(dāng)Mf隨時(shí)間變化時(shí)

(16)

因此可根據(jù)V， ps和Qm選擇馬達(dá)。

2.3　船舶推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)船舶航行時(shí)啟動(dòng)、加速、工進(jìn)和減速制動(dòng)的要求，整個(gè)船舶推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括液壓系統(tǒng)主回路、補(bǔ)油回路、系統(tǒng)過載保護(hù)回路。

1)液壓系統(tǒng)主回路

液壓系統(tǒng)主回路分為開式回路和閉式回路，一般從系統(tǒng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性角度出來選擇液壓系統(tǒng)主回路。開式回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，設(shè)計(jì)的油箱大，液壓油與空氣大面積的接觸，容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，損耗大，效率低，系統(tǒng)不夠穩(wěn)定。與開式回路相對(duì)比，閉式回路設(shè)計(jì)復(fù)雜，進(jìn)油口和回油口直接通過管件相連，減少了與空氣的接觸，功率得到大幅提升，增加了液壓泵旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力，但是由于封閉性強(qiáng)導(dǎo)致散熱性較差，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要增加輔助油泵來換油冷卻。

本文設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)主回路由雙向變量泵2和雙速定量馬達(dá)12組成。液壓泵的轉(zhuǎn)速通過調(diào)節(jié)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，在最大輸出流量范圍內(nèi)，通過調(diào)節(jié)液壓泵轉(zhuǎn)速和排量可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)流量的無級(jí)調(diào)速。液壓泵的吸排方向隨著液壓泵的斜盤傾斜方向而改變，可是實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的不同轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)船舶航行平穩(wěn)的狀態(tài)下，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向都保持在恒定狀態(tài)時(shí)更有利于柴油機(jī)的長期工作。

2)補(bǔ)油回路

本文設(shè)計(jì)的補(bǔ)油回路由補(bǔ)油泵3、補(bǔ)油溢流閥9、濾油器10、單向閥8組成。

電機(jī)帶動(dòng)補(bǔ)油泵3，經(jīng)過濾油器10、單向閥8和低壓選擇閥將低溫液壓油補(bǔ)給給系統(tǒng)低壓側(cè)。補(bǔ)油溢流閥9的作用是設(shè)置補(bǔ)油壓力，同時(shí)使多余的低溫液壓油回流到油箱，壓力設(shè)置為1.5 MPa。

液壓系統(tǒng)工作與否時(shí)產(chǎn)生的壓力差沖洗閥閥芯發(fā)生變化，不工作時(shí)，沖洗閥停在中間，工作時(shí)，沖洗閥移到高壓側(cè)，此時(shí)低壓側(cè)部分高溫油經(jīng)過沖洗閥4、濾器和冷卻液流回油箱。沖洗溢流閥壓力應(yīng)低于補(bǔ)油壓力約0.5 MPa，這樣能夠保證部分高溫液壓油流出和持續(xù)對(duì)系統(tǒng)補(bǔ)充低溫液壓油，有利于油液的冷卻和更換。

3)系統(tǒng)過載保護(hù)回路

船舶液壓推進(jìn)系統(tǒng)在工作過程，螺旋槳承受的負(fù)載突然增大時(shí)會(huì)導(dǎo)致液壓系統(tǒng)工作壓力瞬間升高，這就需要系統(tǒng)元件有較大范圍的承受能力，不然會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p壞，導(dǎo)致航海事故，所以在液壓系統(tǒng)中必須設(shè)置過載保護(hù)裝置。

正常工況下安全閥為閉合狀態(tài)，安全閥為2個(gè)液控先導(dǎo)式溢流閥，設(shè)置的壓力為系統(tǒng)額定壓力的1.05%~1.10%[6]，本文設(shè)置為38 MPa。當(dāng)設(shè)置的壓力小于相對(duì)應(yīng)側(cè)的工作壓力時(shí)，此側(cè)的安全閥就會(huì)開啟，經(jīng)過安全閥和單向閥高壓油液溢流到低壓側(cè)，保證液壓系統(tǒng)的安全。

根據(jù)對(duì)柴油機(jī)、液壓泵、螺旋槳、液壓馬達(dá)等關(guān)鍵元件的選型計(jì)算，以及液壓推進(jìn)系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)船舶液壓推進(jìn)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3　船舶液壓推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖Fig.3　Sim pledesignschemeofintegratedhydrau1iePr0Pulsionsystem

3結(jié)語

本文通過研究船舶推進(jìn)系統(tǒng)的工作原理，船舶推進(jìn)系統(tǒng)中柴油機(jī)、液壓泵、螺旋槳、液壓馬達(dá)等關(guān)鍵元件的選型計(jì)算，對(duì)壓系統(tǒng)主回路、補(bǔ)油回路、系統(tǒng)過載保護(hù)回路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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[7]OHTSUKI K.Boat propulsion system: United States, US 7168997 B2[P].2007-01-30.

Podded maritime official ship hydraulic propulsion system design

WANG Cheng-gang,XU Jia-jun,ZHANG Bo

(School of Mechanical and Electrical,Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430205,China)

Abstract：As shipping industry developed rapidly in recent years, large, high-speed, professional development trend of ship. Research on ship propulsion systems are constantly depth in China. The gap between the developed countries is gradually narrowing. Based on the research of domestic and international marine hydraulic propulsion system, according to the working principle of the ship propulsion system, selection calculation of the key element in ship propulsion systems, such as diesel engines, pumps, propellers, hydraulic motors. The article designs pressure system on the main circuit, fill the oil circuit, system overload circuits.

Key words：podded; hydraulic propulsion; pump; hydraulic motor

作者簡介：王成剛( 1974 - ) ，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)樾滦突ぴO(shè)備開發(fā)、機(jī)電控制及新型液壓氣動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)。

收稿日期：2014-03-21； 修回日期： 2014-08-15

文章編號(hào)：1672-7649(2015)02-0140-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.030

中圖分類號(hào)：U664.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A