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      零航速減搖鰭節(jié)能型液壓系統(tǒng)研究

      2020-06-28 07:46:26曹長(zhǎng)水蔣衡捷司黎明鄧啟亮
      機(jī)電設(shè)備 2020年3期
      關(guān)鍵詞:航速液壓船舶

      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。

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