王力，劉楠，陳松貴，王收軍

(1.天津理工大學(xué)，天津市先進機電系統(tǒng)設(shè)計與智能控制重點實驗室，天津 300384；2.天津理工大學(xué)，機電工程國家級實驗教學(xué)示范中心，天津 300384；3.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究院，港口水工建筑技術(shù)國家工程實驗室，天津 300456)

0 前言

傳統(tǒng)的系泊方法主要是通過固定在系船柱上的纜繩約束艦船的運動，在系泊過程中，由于纜繩長度不變，艦船的運動必然會使運動方向的纜繩松弛，同時纜繩收緊，極端情況下只有1-2根纜繩受力，從而發(fā)生斷纜事故[1-2]。而且由于天氣條件越來越惡劣以及艦船尺寸和質(zhì)量的不斷提高[3-5]，纜繩斷纜事故將更為頻繁，使得系泊工人和船員的人身安全受到極大威脅。所以，開發(fā)一套安全快捷的船舶系泊裝置是航運業(yè)亟待解決的問題。

吸附式電磁系泊裝置將電磁技術(shù)應(yīng)用到艦船系泊系統(tǒng)中[6-7]，雖然該系泊裝置的優(yōu)點在于不需要傳統(tǒng)系泊系統(tǒng)中的絞車、導(dǎo)纜孔、纜繩和系船柱，并且可以遠程控制液壓驅(qū)動臂和真空吸盤，在極短的時間內(nèi)就可以完成系靠泊作業(yè)，減少系靠泊過程中的燃料消耗和排放，但在已有碼頭上改造安裝比較困難，且大型艦船的船型外立面多為傾斜斜面，很難找到平直的吸附表面，且船體強度是否滿足吸附力的要求也需進一步論證。船基系泊裝置是在艦船上安裝系泊設(shè)備，以實現(xiàn)對船體的系泊，但是在艦船上安裝系泊設(shè)備不僅需要手動系泊，使得工作效率低下、耗費大量的人力，而且還會占據(jù)船體體積、增加船體的質(zhì)量，使得船體空間的有效利用率減低的同時還增加了船體的噸位[8-9]。

常見的恒張力液壓控制方式有閥控缸式液壓系統(tǒng)[10-11]、鋼纜絞車式液壓系統(tǒng)[12-14]和容積變化式液壓系統(tǒng)[15]。對比了這幾種恒張力液壓控制方式的優(yōu)缺點，綜合考慮之后，本文作者采用容積變化式的恒張力液壓控制原理設(shè)計新型岸基恒張力系泊裝置，用長度可調(diào)的纜繩代替?zhèn)鹘y(tǒng)長度不變的纜繩，通過收進或放出纜繩來控制纜繩張力，使艦船所受突變高峰載荷減小，從而減小艦船運動量，提升系泊和作業(yè)安全性。

1 設(shè)計要求及工作原理

1.1 技術(shù)要求與系泊環(huán)境

恒張力系泊裝置最大承受纜繩的張力需要大于等于8×9.8×104N，張力的控制精度需要控制在5%以內(nèi)，張力的控制響應(yīng)時間需要不大于1 s，此外防護等級應(yīng)為IP65。根據(jù)系泊裝置的工作環(huán)境以及水工的計算，暫取液壓缸的最大速度為0.4 m/s。

系泊裝置的安裝如圖1所示，位于碼頭的兩個系船柱之間。系泊裝置的一端連接到碼頭后系船柱，而艦船的船纜連接到該設(shè)備的可移動部分。碼頭前系船柱用于引導(dǎo)艦船的船纜。

圖1 系泊環(huán)境示意

1.2 恒張力系泊裝置工作原理

此系泊裝置采用容積變化式的液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)恒張力，其工作原理如圖2所示，在密閉容積中既充入液壓油又充入惰性氣體，當(dāng)傳感器監(jiān)測到實際纜繩拉力大于安全拉力時，液壓缸的柱塞收縮，液壓油的容積不變，密閉容積中的氣體所占的體積減小，壓力升高；反之，壓力減小。

圖2 容積變化式恒張力系泊裝置工作原理

2 理論計算及關(guān)鍵元器件選型

2.1 液壓缸的設(shè)計計算

系泊裝置液壓系統(tǒng)選擇的液壓缸為柱塞缸，要求柱塞缸的響應(yīng)速度快，則柱塞運動的加速度就要大，所以設(shè)計的柱塞質(zhì)量和體積應(yīng)該在條件允許的情況下盡量小。在液壓系統(tǒng)中，為了便于液壓元件和管路的設(shè)計選用，往往將壓力分級為低壓、中壓、中高壓、高壓和超高壓。因為此系統(tǒng)為艦船液壓控制系統(tǒng)，按照常規(guī)選擇應(yīng)選擇中高壓，暫定為17 MPa。系泊裝置所承受的纜繩張力為8×9.8×104N 。

根據(jù)公式p=F/A、A=π/4D2，則柱塞缸柱塞直徑：

(1)

式中：p為液壓缸工作壓力，Pa；F為系泊纜繩最大張力，N；A為液壓缸的有效面積，m2；D為液壓缸的柱塞直徑，m。

因此，系泊系統(tǒng)液壓缸選擇柱塞直徑d=250 mm；行程L=3 000 mm的柱塞缸。

則柱塞缸有效工作面積：

(2)

柱塞全行程導(dǎo)致的體積變化

V=LA=3×0.049=147 L

(3)

根據(jù)系泊裝置設(shè)計要求，柱塞缸上的最大負載為8×9.8×104N，柱塞缸的最大工作壓力為

(4)

式中：p為液壓缸工作壓力，MPa；F為系泊纜繩最大張力，N；A為液壓缸的有效面積，m2。

考慮泄漏、摩擦、黏性阻尼等因素的影響，取液壓缸的最大工作壓力為p=17 MPa。液壓缸動作所需最大流量：

q=Av=0.049×0.4=19.6 L/s=1 176 L/min

(5)

式中：q為液壓缸動作所需最大流量，L/min；A為液壓缸的有效面積，m2；v為柱塞的最大速度，暫取v=0.4 m/s。

2.2 蓄能器的選擇

蓄能器作為能量存儲設(shè)備在液壓系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，液壓缸和蓄能器共同構(gòu)成了可壓縮容積式液壓控制系統(tǒng)，基于容積變化式恒張力液壓控制系統(tǒng)需求以及皮囊式蓄能器的特點，此液壓系統(tǒng)的蓄能器選擇皮囊式蓄能器[16]。

2.2.1 蓄能器充氣壓力p0的選擇

蓄能器內(nèi)部氣體的壓縮和膨脹是根據(jù)波義耳定律關(guān)于理想氣體中狀態(tài)變化的定律進行的，基于壓力和容積的關(guān)系可得：

(6)

式中：p0為充氣壓力，Pa；V0為充氣容積，即蓄能器的總?cè)莘e，m3；p1為最低壓力，Pa；V1為壓力為p1時的氣體容積，m3；p2為最高工作壓力，Pa；V2為壓力為p2時的氣體容積，m3；ΔV為所排放的或所儲存的液體體積，m3；n為系數(shù)，等溫n=1，絕熱n=1.4。

系泊裝置液壓系統(tǒng)蓄能器充氣壓力p0是根據(jù)使蓄能器單位容積的存儲能量最大并使蓄能器的總?cè)莘e最小來選擇的。

假設(shè)蓄能器總體積為V0，液缸的容積ΔV=λV0(即為蓄能器的有效排油量)。依據(jù)波義爾定律原理可得：

(7)

由于蓄能器的放油量ΔV=λV0與最終的膨脹壓力p0成反比，故有關(guān)系式：

(8)

對式(8)進行計算可知，既要使蓄能器總體積V0最小，又使單位容積的存儲能量最大時，應(yīng)取λ=0.416，且蓄能器工作在絕熱過程中則n=1.4?？捎墒?8)求得對應(yīng)的p0值為

p0=(1-λ)np2=(1-λ)1.4p2=0.471p2

(9)

由上述分析可知蓄能器兩種狀態(tài)之間的壓力關(guān)系。

2.2.2 蓄能器總?cè)莘eV0的計算

蓄能器總?cè)莘e的選取非常關(guān)鍵：容積太大，液壓系統(tǒng)的尺寸和質(zhì)量就會增加；容積太小，就不能滿足系統(tǒng)的工作要求。

有效工作容積(即有效排油量)ΔV的計算：

ΔV=∑Viξ′1-∑Qt

(10)

式中：∑Vi為系統(tǒng)最大耗油量時各工作點的總耗油量，m3；I為系統(tǒng)最大耗油量時的工作點數(shù)(執(zhí)行元件數(shù))；t為最大耗油量時泵的工作時間，s；ξ′1為考慮到密封、管路連接及其他液壓元件的泄漏系數(shù)，一般取ξ′1=1.2；∑Q為泵站的總供油量，m3/s。

(11)

根據(jù)實際工程提出的設(shè)計要求，處于標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)時有工作壓力ps=17 MPa，負載動作所導(dǎo)致的最大壓力差不超過5%，由此可得：

(12)

(13)

為了恒張力的控制效果能夠更好地滿足，設(shè)計時按照最大超調(diào)量±3%進行設(shè)計，則有臨界狀態(tài)壓力：

p1=(1-3%)ps=16.49 MPa

(14)

p2=(1+3%)ps=17.51 MPa

(15)

液壓系統(tǒng)對蓄能器的常規(guī)充氣要求是0.25p2

當(dāng)氣體在絕熱條件下時，取n=1.4、p0=0.471p2可得：

(16)

式中：p2/p1=1.06；ΔV=147 L。

蓄能器的總?cè)萘浚?/p>

(17)

2.3 驅(qū)動電機及其液壓泵計算和選定

2.3.1 電機的選擇

補償方式一般分為固定費用和市場化方式兩種。其中市場化方式分為備用服務(wù)競價和容量市場，部分電力市場沒有容量市場。一般備用服務(wù)可以解決電力系統(tǒng)短期運行可靠性問題，容量市場可以解決電力系統(tǒng)的長期運行可靠性問題。云南的煤電機組補償問題需要區(qū)分所面臨的問題和能量市場的現(xiàn)狀進行選擇。

系泊裝置容積變化式的張力液壓系統(tǒng)的電機只在液壓系統(tǒng)補油和檢修時使用，平時都處于斷電狀態(tài)。因節(jié)能考慮，電機暫定功率選擇37 kW。

2.3.2 液壓泵的選擇

(1)液壓泵的最高工作壓力

前述已確定液壓系統(tǒng)所提供的最高工作壓力為17 MPa，這一壓力也是液壓泵的額定工作壓力。

(2)液壓泵的總流量

根據(jù)公式p0=pqt/60可得：

(18)

前述計算得到了液壓泵所需要的理論流量為qt=130.6 L/min，假設(shè)液壓泵的容積效率為ηv=0.9，則液壓泵的實際流量應(yīng)為

q=qtηv=130.6×0.9=117.5 L/min

(19)

已知驅(qū)動液壓泵的四級電機轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min，則液壓泵的排量應(yīng)為V=81 mL/r。因此選取型號為A10VSO80DR的德國力士樂恒壓變量柱塞泵，其參數(shù)見表1。

表1 液壓泵主要性能參數(shù)

3 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

系泊裝置機械結(jié)構(gòu)(展開狀態(tài))如圖3所示，由地面支撐、液壓缸、防護罩、后系纜結(jié)構(gòu)、前系纜結(jié)構(gòu)和控制箱組成?？刂葡鋬?nèi)包含液壓元件和電氣控制元件，前、后系纜結(jié)構(gòu)用于連接系泊纜繩，液壓缸的柱塞可來回伸縮。系泊裝置機械結(jié)構(gòu)(收回狀態(tài))如圖4所示。在這兩幅圖中將防護罩的顏色設(shè)置成透明色，為了能將防護罩內(nèi)的柱塞桿以及柱塞缸顯示出來。

圖3 系泊裝置機械結(jié)構(gòu)(展開狀態(tài))

圖4 系泊裝置機械結(jié)構(gòu)(收回狀態(tài))

系泊裝置機械結(jié)構(gòu)中的纜繩導(dǎo)向機構(gòu)如圖5所示，由導(dǎo)向滾輪、系纜銷軸、導(dǎo)輪支撐架組成。纜繩導(dǎo)向機構(gòu)是引導(dǎo)纜繩按一定方向從舷內(nèi)通向舷外，改變纜繩走向并限制其位置，減少纜繩與舷邊的磨損，避免因急劇彎折而增大所受應(yīng)力。船首尾及兩舷都設(shè)有纜繩導(dǎo)向機構(gòu)。

圖5 纜繩導(dǎo)向機構(gòu)

4 液壓系統(tǒng)設(shè)計

4.1 主工作液壓系統(tǒng)回路設(shè)計

主工作液壓系統(tǒng)回路可實際采用如圖6所示的由柱塞缸、蓄能器組以及管路共同組成的回路。當(dāng)負載運動時，柱塞隨之做伸縮運動，負載大于充氣壓力時，柱塞收回，負載小于充氣壓力時，柱塞伸出。在此過程中，蓄能器中的壓力由于柱塞缸變動引起的容積變化會隨之變化，但柱塞變化導(dǎo)致的容積變化占整個蓄能器容積比例不大，按照氣體絕熱過程考慮，上述過程引起的壓力變化也不會很大，因此滿足恒力控制。

圖6 主工作回路設(shè)計原理

4.2 充氣與充液回路設(shè)計

系泊裝置液壓系統(tǒng)充氣部分如圖7所示，工作部件由高壓氣閥1、高壓沖氮裝置2、蓄能器組3、安全閥4、電動閥門5、閥體6、壓力傳感器7、氣壓表開關(guān)8、氣壓表9組成。使用高壓沖氮裝置向蓄能器中充入所需要的壓力，充氣之后需要根據(jù)充液的情況再次進行氣壓調(diào)節(jié)，通過觀察壓力表9查看氣壓是否合適，電動閥門5用于檢修時放掉高壓氣體，壓力傳感器7用于遠程顯示充氣壓力。由于蓄能器常規(guī)使用會導(dǎo)致兩個問題：(1)每個蓄能器的充氣壓力可能不會完全一致；(2)每次改變負載的時候需要對每個蓄能器進行充氣、排氣操作，過程復(fù)雜，因此需要用特制管路連接，安裝電動高壓排氣閥以及氣體安全閥。

圖7 充氣原理

系泊裝置液壓系統(tǒng)充液部分如圖8所示，工作部件由電機1、液壓泵2、電磁溢流閥3、單向閥4、壓力表開關(guān)5、壓力表6、液壓馬達7、編碼器8、二位三通電磁閥9、安全閥10、蓄能器組11組成。液壓系統(tǒng)由一臺恒壓變量柱塞泵供油，系統(tǒng)的最高壓力由電磁溢流閥3調(diào)定。二位三通電磁閥9的作用是在工作開始之初向系統(tǒng)內(nèi)補充液壓油以及控制過程中如果有需要也可以打開該閥增加密閉容積中的液壓油容量，適當(dāng)提升壓力，正常工作的大部分時間都是處于常閉狀態(tài)。壓力表6.1和6.2檢測系統(tǒng)壓力和蓄能器組壓力，單向閥4可防止高壓油液反沖，充入蓄能器中的液壓油量由馬達上的旋轉(zhuǎn)編碼器測量。

4.3 冷卻與過濾回路設(shè)計

系泊裝置液壓系統(tǒng)冷卻與過濾回路如圖9所示，工作部件由冷卻器1、過濾器2、電機3、液壓泵4組成。冷卻與過濾回路可將油液進行冷卻與過濾，保證油溫不超標(biāo)，控制油液污染度等級。

4.4 恒張力液壓系統(tǒng)原理設(shè)計

恒張力液壓系統(tǒng)原理如圖10所示，液壓系統(tǒng)主要包括動力元件、控制元件、執(zhí)行元件和輔助元件。動力元件由恒壓變量柱塞泵組成；控制元件由主工作液壓系統(tǒng)回路、充油充氣控制回路組成；執(zhí)行元件由柱塞缸組成；輔助元件由油箱、過濾器、冷卻器等組成。

圖10 恒張力液壓控制系統(tǒng)原理

5 系統(tǒng)仿真分析

5.1 主工作回路的數(shù)學(xué)建模和方塊圖建立

在恒張力液壓控制系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)主要工作性能的就是由蓄能器、管路和柱塞缸組成的主工作回路。為了較方便地建立數(shù)學(xué)模型，利用圖11表示出了系統(tǒng)的動態(tài)特性分析簡圖，根據(jù)簡圖可以列出系統(tǒng)各部分的微分方程。

圖11 主工作回路動態(tài)分析圖

柱塞缸的受力平衡方程為

(20)

式中：p為系統(tǒng)輸出的工作壓力；A為液壓缸的有效面積；m為液壓缸柱塞上的所有當(dāng)量質(zhì)量；x為柱塞的位移量；B為油液黏性阻尼系數(shù)；F為負載作用力。

根據(jù)流量的連續(xù)性方程和孔口流量方程p-p2=Kq、q=Adx/dt得：

(21)

式中：q為系統(tǒng)中的瞬時流量；K為管道的液阻；p2為阻尼孔口前壓力。

當(dāng)系統(tǒng)以負載變化量ΔF作為輸入，通過泰勒級數(shù)展開和拉氏變換可以得到以柱塞位移x為輸出的傳遞函數(shù)方程：

(22)

當(dāng)以柱塞位移x為輸入量，通過泰勒級數(shù)展開和拉氏變換可以得到以系統(tǒng)壓力變化p為輸出的方程：

p(s)=KAsX(s)+CX(s)+p1

(23)

結(jié)合式(22)和式(23)可得到如圖12所示的恒張力液壓控制系統(tǒng)主工作回路的方塊圖。

圖12 恒張力液壓控制系統(tǒng)方塊圖

5.2 系統(tǒng)仿真參數(shù)的確定

根據(jù)理論分析，并結(jié)合圖12，利用MATLAB中的Simulink模塊建立仿真模型，如圖13所示。仿真主要參數(shù)見表2。

表2 液壓系統(tǒng)仿真主要參數(shù)

圖13 液壓系統(tǒng)Simulink模型

5.3 系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析

在系統(tǒng)工作過程中纜繩的情況多變，而在多數(shù)情況下為了研究需要將纜繩視作以正弦規(guī)律運動，所以仿真過程中以正弦信號作為輸入，得到恒張力液壓控制系統(tǒng)的壓力變化情況如圖14所示。

圖14 系統(tǒng)壓力變化情況

由圖14可知：恒張力液壓控制系統(tǒng)是一種近似的恒力系統(tǒng)，其壓力的波動范圍為16.49～17.51 MPa，其超調(diào)量在3%之內(nèi)，符合工況要求的恒張力要求。此壓力通過液壓系統(tǒng)反映到纜繩上，能夠?qū)Υ笮团灤瑢崿F(xiàn)恒力加載。利用Simulink軟件對恒張力液壓控制系統(tǒng)進行仿真分析，通過液壓系統(tǒng)對纜繩的響應(yīng)，得到蓄能器壓力變化情況，分析得出系統(tǒng)的響應(yīng)速度能夠滿足恒張力的要求，故驗證了恒張力液壓控制系統(tǒng)的可行性和優(yōu)越性。

6 總結(jié)

新型岸基恒張力系泊裝置采用容積變化式恒張力液壓控制系統(tǒng)，旨在讓所有系泊纜繩保持持續(xù)、一致的張力，不僅可以應(yīng)對艦船卸荷和過往艦船引起的吸力，也可以應(yīng)對臺風(fēng)、潮汐、海浪等極端天氣，這對艦船的安全穩(wěn)定系泊尤為重要。并且此系泊裝置在不改變現(xiàn)有系泊設(shè)施和纜繩的情況下，能夠減小艦船所受的突變高峰載荷，有效降低艦船的運動量，解決了惡劣海況艦船系泊難的問題，有效避免了斷纜的風(fēng)險。除此之外還不需要電力，除了一個外部液壓系統(tǒng)，只需要使用一次，以獲得系泊裝置正確的設(shè)置。在此之后，系泊裝置的油缸會隨著纜繩所受到的力而移動，這個過程永遠持續(xù)下去，不需要額外的能量，節(jié)省能源，降低成本，減少二氧化碳排放。