楊　杰,張銀東　,王生海,陳海泉

(大連海事大學輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

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船舶綜合液壓推進系統(tǒng)主機的恒功率控制分析

楊杰,張銀東,王生海,陳海泉

(大連海事大學輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

[摘要]在船舶綜合液壓推進系統(tǒng)的理論研究層面上，提出主機的恒功率控制．為證明此觀點，建立了系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型，并基于AMEsim對該系統(tǒng)的主機恒功率控制過程進行仿真分析．結果表明：在船舶綜合液壓推進系統(tǒng)主機定速運行過程中，當船舶負載發(fā)生變化時，通過控制系統(tǒng)對主泵排量的調節(jié)，主機的實際功率基本保持設定功率值．因此，船舶綜合液壓推進系統(tǒng)主機的恒功率控制是合理的．

[關鍵詞]船舶；綜合液壓推進系統(tǒng)；主機；仿真；恒功率

0引言

船舶綜合液壓推進技術是將液壓傳動技術運用于船舶推進系統(tǒng)中[1]，通過對泵以及主機的控制來調節(jié)螺旋槳的轉速和轉向，該推進系統(tǒng)與柴油機直接傳動以及電力傳動系統(tǒng)相比較有更高的功率重量比[2-3]．

從20世紀50年代開始，英國、日本、德國以及挪威等國都先后對這一推進方式進行過研究[4]，將其安裝在拖輪或漁船上做為主推進或輔助推進裝置，但由于泄露、效率低等問題而沒有得到廣泛應用．進入20世紀90年代后，由于液壓傳動技術進一步成熟[5]，國外相關研究人員又重新開始對這一推進方式進行研究，但仍然無法解決傳動效率低以及船舶大功率化的問題．在國內，船舶綜合液壓推進技術的相關研究尚處于理論層面，其工作過程中的功率分配原則以及控制機理還未得到深入地研究，本文將對船舶綜合液壓推進系統(tǒng)主機的恒功率控制進行分析．

1主機恒功率控制的理論分析

傳統(tǒng)的柴油機一般采用直接傳動推進系統(tǒng)或齒輪傳動推進系統(tǒng)，主機直接通過軸系或通過減速齒輪箱經傳動軸把功率傳給螺旋槳．雖然除了軸系及齒輪的傳動損失外并無其他的功率損失，但柴油機工作轉速的保持及控制受到螺旋槳轉速變化的影響．根據(jù)柴油機的速度特性可知，在柴油機噴油泵油量調節(jié)機構固定在某一位置上時，改變柴油機外負荷，使柴油機的轉速變化，則柴油機的輸出功率也會隨之發(fā)生變化[6]．因此當船舶的工況變化后，柴油機的運行工況也會隨之變化，不利于柴油機運行的經濟性．

然而，船舶綜合液壓推進系統(tǒng)的柴油機與螺旋槳之間沒有剛性連接，在不改變柴油機轉速與轉向的情況下就可實現(xiàn)螺旋槳的調速和換向．當船舶工況變化后，螺旋槳的載荷變化不會直接影響到柴油機．同時，柴油機直接驅動的外負荷為液壓主泵，若保持液壓主泵吸收柴油機的功率恒定，則在理論上即可實現(xiàn)主機的運行工況穩(wěn)定不變．由于泵吸收柴油機的功率近似等于泵的輸出功率，所以保持船舶綜合液壓推進系統(tǒng)主泵的輸出功率不變即可使其吸收柴油機的功率恒定．

在進行具體分析之前，首先要對系統(tǒng)進行理想化的假設：

1)假設柴油機在調速器的控制作用下恒速運轉，即主泵的轉速恒定；

2)由于船舶轉向過程中，阻力難以確定，而且本文研究的是主機定速航行過程中的恒功率控制，所以只考慮直線運動．

主泵的輸出功率為Pp=Qp(p1-p2)[7].其中，Qp為泵的輸出流量；p1為泵的高壓側壓力；p2為泵的低壓側壓力．

若主泵采用斜盤式軸向柱塞泵，則其輸出流量為Qp=qpdθp/dt-Cip(p1-p2)/μT-Cepp1/μT[8].其中： qp為泵的排量；θp為泵的轉角；t為時間；Cip為泵的內漏系數(shù)；μT為溫度T時液壓油的動力粘度；Cep為泵的外漏系數(shù)．

qp=Kdpφp；Kdp=qpmax/φpmax；μT=μT0e-λ(T-T0).其中：Kdp為變量泵的排量增益；φp為斜盤傾角；qpmax為變量泵的最大排量；φpmax為斜盤最大傾角；μT0為溫度T0時液壓油的動力粘度；λ為液壓油黏溫系數(shù)．

對于液壓主泵高、低壓側的壓差，其值等同于液壓馬達相應高、低壓側的壓差，根據(jù)馬達軸上的力矩方程可知qm(p1-p2)=Id2θm/dt2+Bmdθm/dt+Gθm+ML.其中：qm為馬達排量；θm為馬達轉角；I為系統(tǒng)轉動慣量；Bm為黏性阻尼系數(shù)；G為系統(tǒng)扭轉剛度；ML為負載力矩．

I=Im+Is+IP.其中：Im為馬達轉動慣量； Is為連接軸轉動慣量；IP為負載(螺旋槳)轉動慣量．

當主泵采用較好的密封措施時，流量的泄漏損失很?。虼瞬豢紤]主泵流量的內漏和外漏，則其輸出功率為Pp=φp(qpmax/φpmax)dθp/dt(Id2θm/dt2+Bmdθm/dt+Gθm+ML)/qm.

由于泵、馬達等系統(tǒng)結構上的相關參數(shù)基本固定，所以當船舶工況變化后，主要的變化參數(shù)為負載力矩ML．若此時根據(jù)負載力矩ML的變化對斜盤傾角φp進行相應的調節(jié)，則可在理論上實現(xiàn)主泵輸出功率PP的恒定，進而實現(xiàn)主機的恒功率控制．

為驗證上述推論，本文將通過相關軟件進行仿真分析．

2主機恒功率控制的仿真分析

本文仿真分析所采用的軟件為AMEsim，具體的仿真模型設計如圖1所示.

由于假設柴油機恒速運轉，所以仿真模型中選用電動機來替代柴油機，作為原動機驅動液壓泵運轉．液壓泵選用斜盤式軸向柱塞變量泵模型，通過斜盤傾角的變化來改變泵的每轉排量．兩臺液壓主泵輸出壓力油，共同驅動定量液壓馬達，再通過液壓馬達驅動負載．

考慮到螺旋槳載荷變化對系統(tǒng)的影響表現(xiàn)為馬達及主泵高低壓側的壓差變化，本文選用雙向液壓泵來近似模擬螺旋槳，并將其作為加載泵與馬達剛性連接．這樣可以利用它的正反轉來體現(xiàn)螺旋槳的正轉與反轉．同時，通過調節(jié)電液比例溢流閥的設定壓力即可改變雙向液壓泵的進出油口壓差，使液壓泵的轉矩發(fā)生變化，從而引起馬達及主泵高低壓側的壓差變化，即模擬了螺旋槳載荷變化對系統(tǒng)的影響．

仿真過程中加載壓力變化如下表1所示

表1　仿真過程中不同時間段的加載壓力

仿真系統(tǒng)中主要模型的相關參數(shù)如下：主泵最大排量為120 ml/r；液壓馬達排量為150 ml/r；加載泵排量為90 ml/r；電機轉速為1000 r/min；主泵1設定功率為7.5 kW；主泵2設定功率為7.5 kW；溢流閥初始設定值為10 MPa．經過仿真軟件的計算，最終結果如圖2—圖3所示．其中：p為加載泵的加載壓力；Q1為主泵1的流量；Q2為主泵2的流量；P0為主泵的設定功率；P1為主泵1的實際功率；P2為主泵2的實際功率．

從圖2中可以看到，隨著加載泵的加載壓力發(fā)生變化，主泵1和主泵2的排量也隨即發(fā)生變化．當加載泵加載壓力增大時，主泵1、2的流量減小；當加載泵加載壓力減小時，主泵1、2的流量增大．通過前文的理論分析可知，加載泵加載壓力的變化將引起主泵進出口間壓差變化，當主泵的實際功率與設定功率出現(xiàn)偏差，PID控制器將對主泵的斜盤傾角進行調節(jié)，改變主泵的排量和流量，使主泵的功率回到設定值．另外，由于主泵1和主泵2的相關參數(shù)以及功率的設置完全相同，并且每臺泵的PID控制器的參數(shù)設置也相同，所以主泵1和主泵2的流量變化完全相同．

從圖3可以看到，在加載泵加載壓力變化的過程中，主泵實際功率與設定功率之間的動態(tài)偏差不超過4.44%，最后的靜態(tài)偏差為0.13%，實際功率基本等同于設定功率．

3總結與展望

通過理論分析及仿真結果可知，船舶綜合液壓推進系統(tǒng)能夠在船舶負載變化的過程中維持主機定速定功率的運行，實現(xiàn)主機的恒功率控制．可見，船舶綜合液壓推進系統(tǒng)在優(yōu)化主機運行工況方面擁有著一定的優(yōu)勢．隨著船舶綜合液壓推進系統(tǒng)研究地不斷深入，相關的技術條件越來越成熟，該系統(tǒng)必將被實際船舶廣泛應用．

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(責任編輯陳敏英文審校鄭青榕)

Analysis of Constant Power Control of Main Engine ofIntegrated Hydraulic Propulsion Systems for Ships

YANG Jie，ZHANG Yin-dong，WANG Sheng-hai，CHEN Hai-quan

(School of Marine Engineering，Dalian Maritime University，Dalian 116026，China)

Abstract:A constant power control for a main engine is presented based on the results from theoretical study on its integrated hydraulic propulsion system.Verification of the control method was carried out by developing a dynamic mathematic model,which was further used to simulate by employing software AMEsim.It shows that,even though the load of ship has been changed ,by adjusting the displacement of the main pump,the actual output power of a main engine running at a constant speed can basically keep the set value where a hydraulic propulsion system has been integrated.It is therefore reasonable that a main engine integrating a hydraulic propulsion system emploies a constant power control.

Key words:ship;integrated hydraulic propulsion;main model;simulation;constant power control

[文獻標志碼]A

[中圖分類號]U 664

[文章編號]1007-7405(2015)03-0208-04

[作者簡介]楊杰(1989—)，男，助理實驗師，從事輪機工程及液壓傳動與控制研究.

[基金項目]國家自然科學基金資助項目(51109021)；交通部基礎研究資助項目(2014329225040)

[收稿日期]2015-01-08[修回日期]2015-04-16