基于Labview的船舶舵機(jī)負(fù)載模擬研究

劉永超 陳萬(wàn)宏

摘要：為了對(duì)船舶舵機(jī)負(fù)載進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，開(kāi)展基于Labview的船舶舵機(jī)負(fù)載模擬研究。本文介紹了Labview的數(shù)據(jù)測(cè)控系統(tǒng)建立及其數(shù)據(jù)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)等功能；對(duì)建立的船舶舵機(jī)水動(dòng)力負(fù)載、海浪負(fù)載和隨機(jī)沖擊負(fù)載的模擬加載系統(tǒng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)證明模擬系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定，為進(jìn)一步研究控制技術(shù)在船舶舵機(jī)上的應(yīng)用提供了驗(yàn)證依據(jù)。

關(guān)鍵詞：船舶舵機(jī)；水動(dòng)力矩；模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：U664.4+1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research on the simulation of the load on the marine

steering gear based on Labview

LIU Yongchao,CHEN Wanhong

( Guamgzhou marine engineering corporation,Guangzhou 510250 )

Abstract: In order to analysis the load of marine steering gear dynamically , this paper researches on the simulation of marine steering gear based on Labview and introduces the measurement and control system, the acquisition and storage of data and other functions. It testes the simulative loading system for the ship steering gear, including hydrodynamic load, the sea-wave load and the random impact-load. The experiment shows that the load simulation system runs stability. It provides thereunder for the research on the control techniques of the marine steering gear.

Key words: marine steering gear;hydrodynamic;simulation

1Labview數(shù)據(jù)測(cè)控系統(tǒng)的建立

labview虛擬器采集系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)采集，同時(shí)具有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1][2][3]。文中采用labview數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其組成包括有：采集卡、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、Labview采集儀器[4][5][6]。其通用模式如圖1所示。

圖1labview監(jiān)控系統(tǒng)原理圖

1.1測(cè)控系統(tǒng)硬件組成

測(cè)控平臺(tái)系統(tǒng)的硬件主要由四個(gè)部分組成：工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、采集卡、信號(hào)調(diào)理機(jī)構(gòu)、傳感器設(shè)備；主要采集數(shù)據(jù)有：液壓系統(tǒng)壓力、流量、舵機(jī)角度等；同時(shí)，可以通過(guò)模擬輸出控制變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速；通過(guò)輸出數(shù)字信號(hào)控制電磁閥左右位置。

1.2測(cè)控系統(tǒng)軟件組成

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，按照功能來(lái)可以劃分為：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊、數(shù)據(jù)控制輸出模塊。用戶(hù)可根據(jù)需要在Labview軟件驅(qū)動(dòng)程序設(shè)置接口，以控制通道的電壓值、接口等。

船舶舵機(jī)測(cè)控系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖2所示。

圖2采集系統(tǒng)軟件控制界面

2舵機(jī)負(fù)載模擬算法分析

目前常用的舵機(jī)模擬加載系統(tǒng)主要有兩種：電動(dòng)機(jī)械式模擬負(fù)載器和液壓式負(fù)載模擬器。電動(dòng)機(jī)械式模擬負(fù)載器，主要針對(duì)于加載力矩較小、響應(yīng)較快而且對(duì)加載精度和環(huán)境要求較高的領(lǐng)域；液壓式負(fù)載模擬器，主要應(yīng)用于加載力矩較大、對(duì)加載精度要求高、但加載響應(yīng)不高的領(lǐng)域[7][8]。結(jié)合船舶舵機(jī)負(fù)載環(huán)境，選用液壓式模擬加載器，如圖3所示。

1—底架、2—加載機(jī)構(gòu)、3—負(fù)載機(jī)構(gòu)、4—負(fù)載模擬閥組

圖3撥叉式液壓舵機(jī)負(fù)載系統(tǒng)原理圖

船舶舵機(jī)在轉(zhuǎn)舵的過(guò)程中，舵葉所受的水動(dòng)力合力 ，可分解為：垂直于來(lái)流方向的分量升力Py和水動(dòng)力平行于來(lái)流方向的分量阻力Py[9][10]：

（1）

舵的水動(dòng)力矩合力P作用于舵剖面前緣的力矩M：

（2）

式中：ρ—水的密度(kg/m3)；

Ar—舵的面積(m2)；

b—舵剖面的弦長(zhǎng)(m)；

V—來(lái)流速度(m/s)；

e—平衡比；

Cx—阻力系數(shù)；

Cy—升力系數(shù)；

Cp—水壓力中心系數(shù)。

轉(zhuǎn)舵扭矩 為水動(dòng)力矩和舵葉轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中摩擦力矩之和。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，普通平衡舵的摩擦扭矩為：

（3）

本文舵機(jī)加載系統(tǒng)中摩擦力矩幾乎不存在，所以取

Ma=M （4）

根據(jù)流體力學(xué)中相關(guān)知識(shí)，作用在舵葉上的水動(dòng)力與各種無(wú)因次系數(shù)有關(guān)，系數(shù)之間存在以下關(guān)系：

（5）

舵的水動(dòng)力參數(shù)變化隨著流場(chǎng)的變化而變化，按理論計(jì)算無(wú)法獲得，通常根據(jù)相似理論法，確定舵葉模型及各部分參數(shù)。本文選用NACA0018型舵葉[10]，并采用相似理論法確定舵葉的相關(guān)參數(shù)，其水動(dòng)力特性曲線如圖4所示。

圖4NACA0018剖面的水動(dòng)力特性曲線

舵型NACA0018參數(shù)為：λ=1.47，Ar=21.28 m2， b=3.8 m，e=0.25， ρ=1 025 kg/m3，V=17 kn。

得出水動(dòng)力系數(shù)公式為：

（6）

（7）

（8）

按照舵機(jī)轉(zhuǎn)舵時(shí)候的原理（見(jiàn)圖5），根據(jù)L1、L2、A3、A4值可得：

式中：P-加載油缸進(jìn)油腔壓力；

A3 --加載油缸活塞桿腔面積；

A4 --加載油缸活塞腔面積；

L1 --加載油缸支撐點(diǎn)與舵桿中心的距離。

用加載油缸模擬水動(dòng)力矩時(shí)：

（9）

即

（10）

再結(jié)合上述水動(dòng)力系數(shù)公式，即可得出舵機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，某舵角時(shí)對(duì)應(yīng)的出油腔壓力的大小。

3基于Labview的模擬舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)的建立

3.1水動(dòng)力矩模擬舵機(jī)負(fù)載系統(tǒng)的建立

在Labview建立的模擬動(dòng)力矩系統(tǒng)，主要分成兩部分：前面板主要顯示各種測(cè)量值，確定相關(guān)的舵型參數(shù)；程序框圖主要根據(jù)上述公式建立的算法程序。根據(jù)舵型參數(shù)，程序自動(dòng)運(yùn)行計(jì)算出不同轉(zhuǎn)舵角度時(shí)Cx、Cy、Cp、Cn，如圖6所示。

、

圖6Cx、Cy、Cp和Cn與轉(zhuǎn)舵角度圖

由圖4可以看出，得出的水動(dòng)力特性曲線基本上與參考文獻(xiàn)[7]的水動(dòng)力特性吻合，說(shuō)明了理論模擬的正確性。由圖7可知：水動(dòng)力矩在轉(zhuǎn)舵一側(cè)有兩個(gè)部分是為正值的，水動(dòng)力矩在舵角±15°左右為最大阻力矩；在±30°左右為最大動(dòng)力矩，正負(fù)角度成對(duì)稱(chēng)模式；開(kāi)始小角度成正向動(dòng)力矩，而后轉(zhuǎn)化為負(fù)向動(dòng)力矩，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明符合平衡舵的水動(dòng)力特性規(guī)律。

圖7水動(dòng)力矩與轉(zhuǎn)舵角度圖

3.2海浪工況模擬負(fù)載系統(tǒng)的建立

船舶在海上航行過(guò)程中會(huì)遇到各種惡劣的天氣，舵葉會(huì)受到海浪沖擊而出現(xiàn)跑舵或沖舵的現(xiàn)象。為了模擬舵機(jī)的海浪瞬間沖擊工況，文中利用Labview控制換向電磁閥的左右轉(zhuǎn)向位置模擬海浪頻率，同時(shí)調(diào)整系統(tǒng)溢流閥模擬輸出電壓值模擬海浪力度，模擬海上海浪沖擊工況。圖8為海浪工況實(shí)測(cè)系統(tǒng)壓力變化圖。

圖8 舵機(jī)海浪工況實(shí)測(cè)系統(tǒng)壓力變化圖

4總結(jié)

文中利用Labview軟件建立了船舶液壓舵機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)表明該測(cè)控系統(tǒng)性能運(yùn)行較為穩(wěn)定；在液壓舵機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了水動(dòng)力矩與轉(zhuǎn)舵角度之間規(guī)律的控制，模擬平衡舵在水中所受水動(dòng)力矩的功能。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，一方面可根據(jù)不同海水流速、舵機(jī)型號(hào)等修改其中變量，簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)各種舵機(jī)型號(hào)模擬加載過(guò)程；另外，基于Labview建立了模擬海浪瞬間沖擊和海浪周期性沖擊兩種情況，可以實(shí)時(shí)模擬海上的各種工況特性.

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：劉永超（1985-），男，助理工程師。主要從事艦船輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。

陳萬(wàn)宏（1973-），男，高級(jí)工程師。主要從事艦船輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2013-11-18