傅　超，閆亞勝，黃連忠，孟令平

(1.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司銷(xiāo)售服務(wù)分公司，天津 300450)

?

船舶風(fēng)翼回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)負(fù)載啟動(dòng)策略?xún)?yōu)化

傅超1，閆亞勝2，黃連忠1，孟令平1

(1.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司銷(xiāo)售服務(wù)分公司，天津 300450)

針對(duì)液壓系統(tǒng)大負(fù)載啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的短暫反向回轉(zhuǎn)現(xiàn)象，根據(jù)風(fēng)翼回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)原理建立系統(tǒng)仿真模型，并基于風(fēng)翼回轉(zhuǎn)液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出制動(dòng)器延時(shí)松閘控制策略，根據(jù)AMESim模型仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定不同風(fēng)阻力矩值和制動(dòng)器延時(shí)松閘時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，消除了大負(fù)載啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的反向回轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

風(fēng)翼；液壓系統(tǒng)；仿真；延時(shí)松閘

船舶對(duì)風(fēng)能的利用可以通過(guò)在船舶甲板上加裝風(fēng)翼來(lái)完成，由于船舶航向的變化和風(fēng)的非定常性，需要適時(shí)調(diào)整風(fēng)翼至最佳迎風(fēng)角來(lái)使船舶獲得最大的輔助推進(jìn)力[1]，而風(fēng)翼的轉(zhuǎn)動(dòng)需要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)翼與船舶動(dòng)力裝置的耦合特性研究較多，而對(duì)風(fēng)翼驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究較少。驅(qū)動(dòng)現(xiàn)代翼型帆的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)不同于一般的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，因?yàn)樵撓到y(tǒng)的負(fù)載主要為風(fēng)阻力矩，而風(fēng)阻力矩是隨著風(fēng)速和風(fēng)向的變化不斷變化的，具有隨機(jī)性，并且風(fēng)阻力矩的數(shù)值往往較大，這就對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行工況提出了更高的要求。因此，擬建立仿真模型并且利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證的方法對(duì)風(fēng)翼的回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題和影響因素進(jìn)行分析并提出相對(duì)應(yīng)的優(yōu)化策略。

1　風(fēng)翼回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

1.1風(fēng)翼回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)原理

風(fēng)翼回轉(zhuǎn)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為開(kāi)式液壓系統(tǒng)，原理圖見(jiàn)圖1。由主泵從液壓油箱中吸取油液，經(jīng)比例調(diào)速閥和換向閥后通往液壓馬達(dá)，比例調(diào)速閥的作用是通過(guò)控制信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)閥口開(kāi)度的大小進(jìn)而調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的輸入流量，從而驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)以不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，液壓馬達(dá)通過(guò)嚙合齒輪連接風(fēng)翼回轉(zhuǎn)平臺(tái)，驅(qū)動(dòng)風(fēng)翼回轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)[2]。

圖1　風(fēng)翼回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)原理示意

1.2風(fēng)翼回轉(zhuǎn)液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)

風(fēng)翼回轉(zhuǎn)液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)實(shí)船液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)按照10∶1的比例進(jìn)行縮小，保持回轉(zhuǎn)速度和控制方式不變。見(jiàn)圖2。

圖2　風(fēng)翼回轉(zhuǎn)液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)

此實(shí)驗(yàn)臺(tái)嚴(yán)格按照風(fēng)翼回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)，主要由液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、加載器和控制器組成。實(shí)驗(yàn)臺(tái)為自動(dòng)控制，其中的轉(zhuǎn)矩傳感器、角度傳感器、壓力傳感器和流量傳感器會(huì)將采集到的信號(hào)傳輸給控制器，控制器將采集的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)以顯示和記錄；控制器同時(shí)會(huì)根據(jù)設(shè)定的程序精確控制回轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)速和方向、加載器的輸出阻力矩等參數(shù)[3]。

1.3風(fēng)翼回轉(zhuǎn)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)液壓系統(tǒng)原理圖，在AMESim平臺(tái)中建立液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型。見(jiàn)圖3。

圖3　風(fēng)翼回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)液壓元件的選型結(jié)果[4]，設(shè)置子模型的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　液壓泵和發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

2　液壓系統(tǒng)AMESim模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

液壓系統(tǒng)的運(yùn)行狀況很大程度上取決于負(fù)載，為了得到該系統(tǒng)的運(yùn)行特性，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)得到的26 m/s風(fēng)速下的風(fēng)阻力矩經(jīng)擬合后的曲線(xiàn)見(jiàn)圖4[5]，將比例縮小后的風(fēng)阻力矩值擬合函數(shù)分別輸入到仿真模型和液壓回轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的加載器中。在設(shè)定模型的相應(yīng)元件參數(shù)后，設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為20 s，在液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)中得到的液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速、液壓系統(tǒng)壓力和回轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度結(jié)果分別見(jiàn)圖5a)、6a)、7a)，在相同的控制策略和負(fù)載的作用下設(shè)置仿真時(shí)間間隔為0.1 s，對(duì)風(fēng)翼回轉(zhuǎn)液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行仿真分析，得到的液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速、液壓系統(tǒng)壓力和回轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度曲線(xiàn)分別如圖5b)、6b)、7b)。

圖4　風(fēng)阻力矩隨攻角變化

圖5　實(shí)驗(yàn)和仿真回轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)速

圖6　實(shí)驗(yàn)和仿真液壓系統(tǒng)壓力

圖7　實(shí)驗(yàn)和仿真回轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)速

由圖5～7可見(jiàn)，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果保持了較好的一致性，證明仿真模型的正確性。

3　負(fù)載啟動(dòng)影響因素以及優(yōu)化策略

3.1液壓系統(tǒng)負(fù)載啟動(dòng)影響因素

為了驗(yàn)證大負(fù)載下的液壓系統(tǒng)回轉(zhuǎn)特性，首先對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。在啟動(dòng)階段根據(jù)風(fēng)阻力矩隨攻角變化曲線(xiàn)將風(fēng)阻力矩設(shè)置為攻角為20°時(shí)的額定值(約700 kN·m)，同時(shí)設(shè)置1 s時(shí)開(kāi)始啟動(dòng)，得到的風(fēng)翼回轉(zhuǎn)角變化見(jiàn)圖8。

圖8　較大負(fù)載下風(fēng)翼回轉(zhuǎn)角度

由圖8可見(jiàn)，液壓系統(tǒng)在額定風(fēng)阻力矩下啟動(dòng)時(shí)回轉(zhuǎn)平臺(tái)出現(xiàn)了短暫的反向回轉(zhuǎn)現(xiàn)象，液壓系統(tǒng)在額定風(fēng)阻力矩下啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)存在一個(gè)短暫的負(fù)載拖動(dòng)階段。原因是當(dāng)制動(dòng)器打開(kāi)時(shí)，液壓系統(tǒng)還沒(méi)形成足夠的壓力來(lái)克服風(fēng)阻力矩[6]。因此，如何對(duì)制動(dòng)器進(jìn)行有效的控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)阻力矩與系統(tǒng)建壓相匹配是解決問(wèn)題的關(guān)鍵[7-8]。液壓系統(tǒng)中的多種因素如管路容腔體積、馬達(dá)容積效率、液壓油彈性模量和負(fù)載大小均會(huì)對(duì)這種反向回轉(zhuǎn)現(xiàn)象產(chǎn)生影響[9]。

分別取液壓油的體積彈性模量為700、1 000、1 400 MPa，在風(fēng)速為20m/s的情況下設(shè)置風(fēng)翼驅(qū)動(dòng)裝置開(kāi)啟時(shí)刻承受的風(fēng)阻力矩同樣為20°攻角的對(duì)應(yīng)值進(jìn)行仿真，液壓系統(tǒng)換向閥在1 s時(shí)刻切換位置，同時(shí)制動(dòng)器松開(kāi)回轉(zhuǎn)平臺(tái)，結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9　不同液壓油彈性模量下風(fēng)翼回轉(zhuǎn)角度

由圖9可知，對(duì)應(yīng)3種液壓油彈性模量情況，系統(tǒng)啟動(dòng)階段風(fēng)翼的反向回轉(zhuǎn)角度分別為1.6°、1.8°和2.1°?？梢?jiàn)液壓油的彈性模量對(duì)系統(tǒng)的影響較大，隨著液壓油彈性模量的增加，液壓系統(tǒng)反向回轉(zhuǎn)的角度變小。

液壓油彈性模量為1 000 MPa，保持風(fēng)阻力矩不變，分別設(shè)定3種液壓馬達(dá)的容積效率，仿真結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10　不同液壓馬達(dá)容積效率下風(fēng)翼回轉(zhuǎn)角度

由圖10可見(jiàn)，對(duì)應(yīng)3種液壓馬達(dá)容積效率，風(fēng)翼反向回轉(zhuǎn)角度差不太明顯，但是隨著液壓馬達(dá)容積效率的提高，風(fēng)翼反向的回轉(zhuǎn)角度值越來(lái)越小。因此在液壓系統(tǒng)工作中，要適時(shí)關(guān)注馬達(dá)容積效率，以免馬達(dá)容積效率過(guò)低影響系統(tǒng)的正常工作。

設(shè)定液壓馬達(dá)的容積效率為0.95，保持其他參數(shù)不變，改變液壓系統(tǒng)所受的風(fēng)阻力矩大小，分別設(shè)定3種系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)所受的風(fēng)阻力矩,可得不同風(fēng)阻力矩下的風(fēng)翼回轉(zhuǎn)角度變化見(jiàn)圖11。

圖11　不同風(fēng)阻力矩下風(fēng)翼回轉(zhuǎn)角度

由圖11可見(jiàn)，在啟動(dòng)階段不同的風(fēng)阻力矩下，風(fēng)翼的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)情況大不相同：隨著風(fēng)阻力矩的增大，風(fēng)翼反向回轉(zhuǎn)的時(shí)間和角度都增大；當(dāng)風(fēng)阻力矩小于400 kN·m時(shí)，風(fēng)翼反向回轉(zhuǎn)的角度不太明顯，因此在實(shí)船運(yùn)用風(fēng)翼過(guò)程中，要特別注意在大風(fēng)阻力矩下啟動(dòng)風(fēng)翼的情況，必要時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)措施。

保持風(fēng)阻力矩值為700 kN·m，其他參數(shù)保持不變，改變平衡閥到馬達(dá)之間液壓管路容腔的容積，觀(guān)察不同的容腔容積對(duì)風(fēng)翼回轉(zhuǎn)角度的影響。設(shè)定管路內(nèi)壁直徑為25 mm，管路長(zhǎng)度分別設(shè)定為2、4、6 m，仿真后得到的風(fēng)翼回轉(zhuǎn)角度曲線(xiàn)見(jiàn)圖12。

圖12　不同管路長(zhǎng)度下風(fēng)翼回轉(zhuǎn)角度

由圖12可見(jiàn)，在液壓系統(tǒng)管徑相同時(shí)，隨著管路長(zhǎng)度的逐漸增加，風(fēng)翼的反向回轉(zhuǎn)角度依次增大，但增加的幅度較小。因此在實(shí)船風(fēng)翼回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)中，應(yīng)盡量減少平衡閥至液壓馬達(dá)的管路長(zhǎng)度，也可以考慮將平衡閥裝在靠近液壓馬達(dá)處，這樣既節(jié)省了管路原料，又能提高液壓系統(tǒng)回轉(zhuǎn)性能。

3.2優(yōu)化策略

回轉(zhuǎn)平臺(tái)在較大負(fù)載作用下啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的反向回轉(zhuǎn)現(xiàn)象是由于液壓系統(tǒng)建壓和制動(dòng)器松開(kāi)的時(shí)間差造成的，要消除這種現(xiàn)象，可以采用制動(dòng)器后開(kāi)啟的形式，實(shí)現(xiàn)調(diào)速閥與制動(dòng)器的協(xié)同控制。即在系統(tǒng)開(kāi)始啟動(dòng)的同時(shí)，將調(diào)速閥的控制信號(hào)引入制動(dòng)器的控制電磁閥處，實(shí)現(xiàn)兩者的聯(lián)動(dòng)控制。

液壓系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中，調(diào)速閥的開(kāi)啟采用線(xiàn)性信號(hào)，制動(dòng)器松閘控制信號(hào)根據(jù)非工作性制動(dòng)器的特性采用階躍輸入，其控制信號(hào)設(shè)定為略滯后于調(diào)速閥的開(kāi)啟信號(hào)，滯后的時(shí)間分別設(shè)定為：0.3、0.5、0.8和1.0 s。在保持風(fēng)阻力矩為額定值的情況下對(duì)制動(dòng)器不同的松閘滯后時(shí)間分別進(jìn)行仿真分析，結(jié)果見(jiàn)圖13。

圖13　不同制動(dòng)器滯后時(shí)間時(shí)風(fēng)翼回轉(zhuǎn)角度

由圖13可見(jiàn)，采用制動(dòng)器延時(shí)松閘的方法可以解決液壓系統(tǒng)在大負(fù)載下啟動(dòng)時(shí)的反向回轉(zhuǎn)問(wèn)題。通過(guò)4種不同制動(dòng)器松閘滯后時(shí)間的比較，發(fā)現(xiàn)隨著滯后時(shí)間的延長(zhǎng)，風(fēng)翼反向回轉(zhuǎn)的角度越來(lái)越小。滯后時(shí)間為0.8 s時(shí)存在輕微的反向回轉(zhuǎn)現(xiàn)象，滯后時(shí)間為1.0 s時(shí)已基本消除了反向回轉(zhuǎn)現(xiàn)象，但是滯后時(shí)間又不能無(wú)限延長(zhǎng)，因?yàn)檫@樣勢(shì)必會(huì)造成液壓系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)壓力較大，0.9 s確定為最佳時(shí)間。

由于實(shí)船上的風(fēng)阻力矩值是隨風(fēng)速和攻角的變化而不斷變化的，所以需要在不同的風(fēng)阻力矩下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，確定風(fēng)阻力矩值和制動(dòng)器延時(shí)時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這樣可以為液壓系統(tǒng)控制策略的完善提供依據(jù)。最終在給定不同風(fēng)阻力矩的情況下得到相匹配的制動(dòng)器延時(shí)松閘時(shí)間見(jiàn)圖14。

圖14　不同風(fēng)阻力矩下制動(dòng)器延時(shí)松閘時(shí)間

當(dāng)需要轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)翼時(shí)，計(jì)算機(jī)根據(jù)檢測(cè)到的風(fēng)速、攻角等參數(shù)進(jìn)而計(jì)算出液壓系統(tǒng)承受的風(fēng)阻力矩，這樣在啟動(dòng)時(shí)能根據(jù)制動(dòng)器延時(shí)時(shí)間和風(fēng)阻力矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系自動(dòng)輸出信號(hào)作用于制動(dòng)器換向閥處，在保證了制動(dòng)器的延時(shí)松閘時(shí)間的同時(shí)，也保證了液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4　結(jié)論

1)通過(guò)研究不同因素對(duì)反向回轉(zhuǎn)現(xiàn)象的影響發(fā)現(xiàn)：液壓油彈性模量越大、馬達(dá)容積效率越高則反向回轉(zhuǎn)角度越小，；管路容腔體積越大，負(fù)載越大則反向回轉(zhuǎn)角度越大；且液壓油彈性模量和負(fù)載的大小對(duì)液壓系統(tǒng)的影響較大。

2)對(duì)于本文設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)風(fēng)阻力距為700 kN·m，延時(shí)松閘時(shí)間設(shè)為0.9 s時(shí)，可基本消除反向回轉(zhuǎn)現(xiàn)象，并進(jìn)一步確定了不同風(fēng)阻力距下的最佳延時(shí)松閘時(shí)間。

[1] 劉緒儒,黃連忠,林煜翔,等.基于AMESim船舶風(fēng)翼回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)仿真分析[J].液壓氣動(dòng)與密封，2013(4):30-34.

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[3] 趙志強(qiáng),閆亞勝,黃連忠,等.翼帆回轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)特性研究[J].液壓與氣動(dòng),2014(9):15-18，42.

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Research on On-load Startup Strategy Optimization of Wing-sailed Slewing Hydraulic System

FU Chao1, YAN Ya-sheng2, HUANG Lian-zhong1, MENG Ling-ping1

(1.Marine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China;2.CNOOC Energy Technology and Services-Marketing Services Co., Tianjin 300450, China)

Based on the phenomenon that the platform will reverse rotation in a short time when starting with heavy load and the principle of wing-sailed slewing hydraulic system, the simulation model is established. Based on the hydraulic experimental table, the simulation model is certified by experiment. A control strategy of delaying start of the brake is proposed. In terms of the AMEsim simulation results, the relationship between different load moments and delaying time of the brake is gotten. The phenomenon of reverse rotation can almost disappear.

wing-sail; hydraulic system; simulation; delaying star

2016-03-04

2016-04-12

工信部高技術(shù)船舶科研計(jì)劃“風(fēng)帆技術(shù)示范應(yīng)用開(kāi)發(fā)”項(xiàng)目(工信部聯(lián)裝(2014)508號(hào))；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目風(fēng)力助航條件下的海運(yùn)船舶最優(yōu)航線(xiàn)設(shè)計(jì)方法研究(51179020)；船舶輪機(jī)節(jié)能和新能源利用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(3132014333)

傅超(1991—)，男，碩士生

U664.31；TH137.1

A

1671-7953(2016)04-0113-05

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.026

研究方向:輪機(jī)工程

E-mail:funcrease@163.com