液壓推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用在DP定位上的可行性分析

安克揚(yáng)，安 驥，王 科，張 杰

(上海海事大學(xué)，上海201306)

0 引言

目前，動(dòng)力定位系統(tǒng)(DP定位)在船舶上得到廣泛應(yīng)用，其優(yōu)異的性能使得世界各海洋大國(guó)對(duì)其表現(xiàn)出濃厚的興趣[1]。船舶DP定位的傳動(dòng)方式主要有直接傳動(dòng)、用調(diào)矩槳、電力吊艙式傳動(dòng)等3種，目前以使用電力吊艙式傳動(dòng)為主流。本文提出1種新型DP定位傳動(dòng)系統(tǒng):液壓傳動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)，通過(guò)與上述3種定位方式的比較，探討其用在半潛式鉆井平臺(tái)上的可行性。

1 動(dòng)力定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介

動(dòng)力定位系統(tǒng)(Dynamic Positioning System，DP系統(tǒng))是一種閉環(huán)的控制系統(tǒng)，其采用推力器來(lái)提供抵抗風(fēng)、浪、流等對(duì)船位的干擾力，從而使船舶盡可能地保持在海平面上要求的位置，但定位成本不會(huì)隨著水深增加而增加，并且操作也比較方便。其工作原理是:根據(jù)位置參照系統(tǒng)測(cè)得的船位信息與DP傳感器測(cè)得的環(huán)境信息，經(jīng)濾波后得到估算值，根據(jù)估算值與期望值進(jìn)行比較和運(yùn)算，然后經(jīng)推力器分配模塊計(jì)算后發(fā)出對(duì)各推力器的指令[2]。

動(dòng)力定位船推進(jìn)系統(tǒng)負(fù)載的動(dòng)態(tài)波動(dòng)性比較大，在不同的工況下，推進(jìn)負(fù)載差異很大。如風(fēng)平浪靜的工況下推進(jìn)負(fù)載幾乎沒(méi)有變化;在進(jìn)行動(dòng)力定位作業(yè)工況時(shí)，如果海況非常惡劣，則會(huì)出現(xiàn)各推進(jìn)器接近滿負(fù)荷工作的情況，并且推進(jìn)器需要經(jīng)常變換工作方向，以此來(lái)保證鉆井平臺(tái)進(jìn)行精確定位;但同時(shí)又要對(duì)推進(jìn)負(fù)載進(jìn)行動(dòng)態(tài)的限制，以保證推進(jìn)系統(tǒng)不受損壞[3]。

由于推進(jìn)系統(tǒng)故障對(duì)海上作業(yè)會(huì)造成巨大的損失以及嚴(yán)重的后果，所以動(dòng)力定位船的推進(jìn)系統(tǒng)要求高安全可靠性、高冗余度及高靈敏度。

2 目前船舶常用的定位方式的特點(diǎn)

目前船舶常用的動(dòng)力定位方式有艏側(cè)推、變矩槳和吊艙式電力推進(jìn)等，其每一項(xiàng)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。比如在艏側(cè)推裝置中，機(jī)艙布置時(shí)，電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)軸以及螺旋槳中心線要在同一直線上，這對(duì)機(jī)艙布置極為不利，機(jī)艙空間得不到有效利用，傳動(dòng)裝置慣性大，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，這使得船舶在定位過(guò)程中機(jī)動(dòng)性變差。調(diào)距槳從設(shè)計(jì)到加工制造都比普通螺旋槳復(fù)雜很多，而且管理麻煩，不易維修。由于槳轂中的轉(zhuǎn)葉機(jī)構(gòu)零件尤其是運(yùn)動(dòng)部件多，可靠性不及定距槳，并且調(diào)距槳設(shè)計(jì)之初的目的并不是進(jìn)行船舶DP定位的，所以這2種方式不適合用在需要專門的定位系統(tǒng)的鉆井平臺(tái)上。另外特別指出，在鉆井平臺(tái)上之所以不直接用柴油機(jī)帶動(dòng)螺旋槳進(jìn)行定位，是因?yàn)椴裼蜋C(jī)的變速性能很差以及管理較麻煩。

第3種吊艙式電力推進(jìn)方式可以專門用來(lái)進(jìn)行DP定位，并且該方式目前已經(jīng)在鉆井平臺(tái)上得到了廣泛的應(yīng)用。電力推進(jìn)方式:電力傳動(dòng)是由主機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，然后直接或經(jīng)變頻器給推進(jìn)電動(dòng)機(jī)供電，由推進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)，使船舶運(yùn)動(dòng)[4]。本文主要通過(guò)對(duì)比液壓推進(jìn)和電力推進(jìn)的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)一步探究其用在鉆井平臺(tái)上的可行性。

3 電力傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 電力傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)

首先電力傳動(dòng)直接由穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的柴油機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，因此推進(jìn)用的電動(dòng)機(jī)不受柴油機(jī)最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的限制，最低轉(zhuǎn)速每分鐘可達(dá)0.1轉(zhuǎn)。另外船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的功率質(zhì)量比要比直接推進(jìn)方式大很多，所以船舶從正車至倒車只要很少的時(shí)間，這樣在面對(duì)負(fù)荷變化較大的船舶時(shí)，可有效降低油耗和維修量，降低營(yíng)運(yùn)成本。其次電力推進(jìn)系統(tǒng)可通過(guò)增加冗余，減少系統(tǒng)單個(gè)故障弱點(diǎn)，增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)單個(gè)故障的抵抗力，將原來(lái)由1臺(tái)或2臺(tái)推進(jìn)主機(jī)承擔(dān)的任務(wù)分擔(dān)至多臺(tái)發(fā)電機(jī)組。對(duì)主機(jī)而言，發(fā)電用的中、高速機(jī)相對(duì)大型低速柴油機(jī)重量要輕，體積也小，便于機(jī)艙布置，同時(shí)可有效增加倉(cāng)儲(chǔ)容量。電力推進(jìn)采用電纜傳送能量，便于船舶艙室的布局，可最大限度利用船舶有限的空間。最后，在電力推進(jìn)中采用吊艙推進(jìn)器，船舶制動(dòng)距離和回轉(zhuǎn)半徑將進(jìn)一步減小，機(jī)動(dòng)性更好，安全性和效率更高[5]。以上這些優(yōu)點(diǎn)在液壓推進(jìn)系統(tǒng)中也可表現(xiàn)出來(lái)。

3.2 電力傳動(dòng)的缺點(diǎn)

首先電力推進(jìn)的效率在低負(fù)荷時(shí)比較高，在其他情況下比較低，因此電力推進(jìn)系統(tǒng)只是在某種情況下節(jié)省燃油。其次，電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和變壓器需要額外大的尺寸，較易發(fā)熱并且不易維護(hù);電推系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)一般達(dá)不到滿負(fù)荷設(shè)計(jì)點(diǎn)，在此過(guò)程中不可避免的會(huì)出現(xiàn)諧波問(wèn)題并且有軸承損壞的現(xiàn)象[6];而且整個(gè)裝置的初期投資比較大，總體可靠性也不如直接傳動(dòng)和液壓傳動(dòng)。

4 液壓傳動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

液壓傳動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)是指利用柴油機(jī)帶動(dòng)變量泵，變量泵帶動(dòng)液壓馬達(dá)，然后液壓馬達(dá)再帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)。

4.1 液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)

液壓傳動(dòng)相比其他的傳動(dòng)方式最大的優(yōu)點(diǎn)在于功率質(zhì)量比較高，因?yàn)橐簤簜鲃?dòng)輸出力較大，所以在當(dāng)今工業(yè)傳動(dòng)設(shè)備中，液壓傳動(dòng)具有不可替代的地位。在船舶上，將液壓馬達(dá)布置在吊艙內(nèi)，可有效減小吊艙體積，使船體艉部流場(chǎng)更加均勻。如果采用殼轉(zhuǎn)式油馬達(dá)，螺旋槳和油馬達(dá)一體化設(shè)計(jì)，效果更好。因其功率質(zhì)量比較高，可使船舶由正轉(zhuǎn)至反轉(zhuǎn)時(shí)間減少，以致系統(tǒng)響應(yīng)快，船舶機(jī)動(dòng)性更好。液壓系統(tǒng)的零件都是經(jīng)過(guò)精密加工的，并且有良好的潤(rùn)滑系統(tǒng)，所以運(yùn)行平穩(wěn)，振動(dòng)小，噪聲低，系統(tǒng)隱蔽性較好。同時(shí)液壓系統(tǒng)的可靠性較高，所以船舶生命力較強(qiáng)[7]。

4.2 液壓傳動(dòng)的缺點(diǎn)

液壓傳動(dòng)與直接傳動(dòng)和電力傳動(dòng)相比，其傳動(dòng)效率比較低。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)工作液壓油的溫度及工作環(huán)境溫度的變化比較敏感，因此如果想要液壓傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)揮良好的工作性能，就要保證液壓系統(tǒng)穩(wěn)定的工作溫度。雖然液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中液壓油對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)都有著良好的潤(rùn)滑，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的故障率低，但是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生故障的原因較多，一旦液壓傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，不易及時(shí)排除，當(dāng)液壓系統(tǒng)傳輸距離比較長(zhǎng)時(shí)會(huì)造成時(shí)滯變長(zhǎng)，控制易出現(xiàn)震蕩。

5 在傳動(dòng)方面液壓系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的對(duì)比

從所能達(dá)到的最大功率來(lái)看，液壓系統(tǒng)遠(yuǎn)不如電力傳動(dòng)系統(tǒng)。但在電力及液壓系統(tǒng)容量分別為2×150 kW時(shí)，液壓傳動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)的效率僅比電力系統(tǒng)小約5%。液壓傳動(dòng)最突出的優(yōu)點(diǎn)是重量輕，慣性小以及由此引出的響應(yīng)速度快。

5.1 功率質(zhì)量比大

輸出同樣功率的傳動(dòng)系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)體積小，重量輕，這是因?yàn)楝F(xiàn)有機(jī)電元件受到磁性材料飽和作用的限制，單位質(zhì)量的設(shè)備所能輸出的功率比較小，液壓系統(tǒng)可通過(guò)提高系統(tǒng)的壓力來(lái)提高輸出功率，這時(shí)僅受到機(jī)械強(qiáng)度和密封技術(shù)的限制。在典型情況下，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的功率質(zhì)量比為165 W/kg左右，而液壓泵和液壓馬達(dá)可達(dá)1 650 W/kg，是機(jī)電元件的10倍。

5.2 控制性能

液壓傳動(dòng)在組成控制系統(tǒng)時(shí)，與電氣控制相配合，可較方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的程序動(dòng)作和遠(yuǎn)程控制。此外，流體傳動(dòng)還具有傳遞運(yùn)動(dòng)均勻平穩(wěn)，反應(yīng)速度快，沖擊小，能高速起動(dòng)、制動(dòng)和換向，易于實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

5.3 成本及制造方面

相同功率的電動(dòng)馬達(dá)的成本比液壓馬達(dá)高約21%，整個(gè)電力系統(tǒng)的成本比液壓系統(tǒng)高約26%[8]。而且流體控制元件標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化程度高，有利于縮短系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造周期和降低制造成本。在使用過(guò)程中，液壓系統(tǒng)可靠性好，維護(hù)費(fèi)用低，全壽命成本低。

6 智能化液壓傳動(dòng)技術(shù)的影響分析

傳統(tǒng)的液壓馬達(dá)和使用配油軸或類似的部件實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的連續(xù)單向運(yùn)轉(zhuǎn)，而最近出現(xiàn)的液壓馬達(dá)取消了機(jī)械式的配油軸，以電磁閥取代，電磁閥的開(kāi)關(guān)信號(hào)來(lái)源于軸的轉(zhuǎn)角傳感器。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了馬達(dá)的結(jié)構(gòu)，降低了造價(jià)，進(jìn)一步提高了馬達(dá)的功率質(zhì)量比。通過(guò)設(shè)計(jì)良好的流道，可以改變傳統(tǒng)的配油軸流道復(fù)雜，流動(dòng)損失大的缺點(diǎn)。電磁閥的動(dòng)作由計(jì)算機(jī)控制，可以根據(jù)不同的工況加以改變，例如當(dāng)需要馬達(dá)換向時(shí)，可以迅速改變流向每個(gè)缸的流體流向，實(shí)現(xiàn)迅速換向剎車。這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)以換向迅速為最重要性能的DP定位系統(tǒng)十分重要，可大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

7 結(jié)語(yǔ)

DP定位系統(tǒng)目前主要以電力傳動(dòng)為主，但是液壓傳動(dòng)技術(shù)也具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)為功率質(zhì)量比大，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，造價(jià)低。雖然目前的效率與電動(dòng)系統(tǒng)相比低3%～5%，但是考慮到整個(gè)系統(tǒng)的造價(jià)和成本，以及高精度的控制，應(yīng)當(dāng)具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。如果考慮到智能化的液壓馬達(dá)和液壓泵技術(shù)在近年來(lái)的迅速發(fā)展，這種競(jìng)爭(zhēng)力會(huì)進(jìn)一步得到提高。

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