大型船舶重力拋錨控制系統設計

王恒智，張 雷，胡發國，張 彪，楊龍霞

（1. 武漢船用機械有限責任公司，武漢 430084；2. 上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

錨機是船舶錨系泊系統的主要設備之一，其主要用途是收、放（拋）錨和錨鏈，使船舶在錨地實現停泊，或在狹水道航行時緊急避讓等特殊情況下配合車、舵共同控制船舶運動姿態。重力拋錨（或稱自由拋錨）是錨機的一項重要功能，其運行狀態對錨機實現上述用途具有重大影響。

現階段，船舶重力拋錨控制仍主要依靠人工操作實現[1]，這種控制方法對操作者技能水平要求較高，一旦出現失誤將會嚴重損壞錨系泊設備甚至危及操作人員生命安全。隨著船舶大型化、智能化的趨勢，人工控制已逐漸不能滿足使用需求。

針對上述問題，本文結合某型船用液壓起錨機開發項目，提出一種重力拋錨控制系統方案，可為類似產品的設計提供一定參考。

1 重力拋錨控制原理

重力拋錨控制的核心是速度控制，但為實現速度控制的自動化，必須使系統擁有識別設備運行狀態的能力。一個可行的方案是在離合器、制動器上均設置傳感器以判斷其所處狀態。當檢測到表1中序號a對應組合時，即可判定進入重力 拋錨工況。

表1 離合器、制動器狀態與錨機工況對應關系

重力拋錨控制流程如圖1所示，當觸發重力拋錨速度控制程序后，PLC開始控制制動器壓力閥動作，降低作用在錨鏈輪上的扭矩直至錨鏈輪開始轉動。錨鏈輪軸上安裝有編碼器，系統通過讀取編碼器信號實時監控錨鏈輪轉速N并與預設值N0進行對比判斷。當N＜N0時，系統逐漸降低制動力提高錨鏈輪轉速；當N≥N0時，系統逐漸增大制動力降低錨鏈輪轉速。這一過程往復循環使得拋錨速度在某一限定區間內波動，實現重力拋錨速度控制功能。當按下制動器抱閘按鈕后，PLC驅動剎車控制閥將制動扭矩提升至最大，使錨鏈輪完全停止。

圖1 系統控制流程圖

2 重力拋錨控制系統設計

2.1 制動器結構設計

現有錨機制動器絕大多數采用帶式制動器，這種制動器具有結構簡單，制動力矩大，制動力施加平穩等優點[2]。按照動力來源劃分，常見的有手動式、油壓與彈簧聯合作用式、彈簧式3類（見表2）[3]。

表2 各類制動器特點比較

對于本項目而言，錨機所處甲板空間較為寬裕，且整船對錨機的重量變化不敏感?；诖?，為了提高安全性和可靠性，選擇彈簧式作為錨機制動器，即所有制動力均由制動器油缸彈簧提供。

制動器工作原理為：油缸與連桿一端A通過滑動銷相連，連桿中部通過銷軸鉸接在機座固定點B上，連桿另一端C與帶式制動器松邊通過銷軸鉸接；當PLC控制閥件使油液進入油缸無桿腔時，油缸內彈簧被壓縮，活塞桿伸出，制動器松閘；當PLC切斷控制閥油路時，油液在有桿腔內彈簧作用下被壓出，活塞桿縮回，制動器抱閘。見圖2。

圖2 彈簧帶式制動器原理

制 動 器輸出扭矩與油缸拉力之間的關系為[2]

式中：T為制動器輸出扭矩，N·m；FC為油缸拉力，N；η為制動器傳動總效率；D為制動輪直徑，m；e為自然底數；μ為制動帶與制動輪間摩擦系數；α為制動器理論包角，(°)。

油缸拉力與控制油壓的關系表述為

式中：FS為油缸有桿腔內彈簧預壓縮力，N；P為控制油壓，MPa；A為油缸無桿腔面積，mm2。

本文的帶式制動器具體參數如表3所示。

2.2 液壓系統設計

出于安全性和可靠性考慮，液壓系統采用獨立回路和冗余備份設計。液壓控制回路原理如圖3所示，重力拋錨控制系統正常工作時，壓力油從A口經過安全減壓閥、電比例調壓閥后，再經過電磁兩位四通換向閥進入制動器油缸無桿腔，有桿腔液壓油經過兩位四通換向閥從B口返回油箱。

表3 錨機制動器主要參數

圖3 液壓控制回路原理圖

安全減壓閥設定為固定值，限制進入制動器油缸的最高壓力。電比例調壓閥由PLC控制，根據錨鏈輪轉速變化實時調整制動器油缸輸出力大小，從而控制錨鏈輪轉速。電磁兩位四通換向閥同樣由PLC控制，重力拋錨過程中，換向閥電磁鐵得電切換至左位，配合電比例調壓閥完成速度控制；停止拋錨時，換向閥電磁鐵失電，閥芯在彈簧作用下回復至右位切斷油路，制動器在彈簧作用下抱閘剎停錨鏈輪。

液壓系統的主要技術參數如表4所示。

表4 液壓系統主要參數

該系統中的泵采用用一備一的設計方案，當任意一臺泵出現故障時，系統仍能啟動另一臺泵以確保制動器正常工作；安全減壓閥和電比例調壓閥可實現雙重壓力保護，避免制動器油缸因壓力過高發生損壞；電磁換向閥零（右）位對應制動器抱閘，保證系統失電時制動器自動抱閘。

2.3 控制系統設計

控制系統基于PLC進行設計，采取閉環控制策略（見圖4）。PLC模塊中高速計數通道讀取錨鏈輪編碼器轉速信號，經過換算處理后獲得錨鏈輪轉速信息，對比判斷后由 CPU模塊控制4 mA～20 mA模擬量輸出通道改變液壓系統中電比例調壓閥輸出值，調整制動力大小以改變錨鏈輪轉速。

圖4 控制系統結構圖

PLC中重力拋錨控制函數設置為受錨鏈輪轉速N控制的分段函數

式中：y為電比例調壓閥控制信號，與控制油壓P呈正比，mA；t為時間變量，每段函數皆從0開始，s；k0、k、-k為變化速率，mA/s；N為錨鏈輪實際轉速，r/min；N0為錨鏈輪預設轉速，r/min。

式（3）物理意義如下：當按下制動器松閘按鈕進入重力拋錨工況后，PLC以斜率k0快速提高電比例調壓閥輸出壓力至臨界值P0，達到制動力略小于外負載的臨界狀態，隨后錨鏈輪開始轉動（N＝0段）；此時PLC降低控制函數斜率至k，減緩制動器松閘速率，這一過程中錨鏈輪持續處于增速狀態（0＜N＜N0段）；當錨鏈輪轉速達到設定值時，PLC將控制函數斜率k取反變為-k，電比例調壓閥輸出壓力降低，制動器開始緩慢抱閘，錨鏈輪轉速降低（N≥N0段）；當錨鏈輪轉速再次低于設定值時，PLC將控制函數斜率變回k，電比例調壓閥輸出壓力提升，制動器緩慢松閘，錨鏈輪再次進入加速狀態；如此往復循環直至完成重力拋錨。

式（3）中變化速率可根據式（1）和式（2）以及錨重、錨機制動器具體技術參數等，按照文獻[4]-[5]中提供的錨下落運動數學模型進行初步估算，并結合試驗進行適當修正。其中k0的選取一般應滿足2 s≤t≤3 s時，制動力矩T與外負載平衡，即重力拋錨開始約2 s～3 s時，錨鏈輪開始轉動。

轉速預設值N0可根據實際使用需求和文獻[6]推薦值進行選取。需要注意的是，制動器的松閘和抱閘均需要反應時間，錨機本身也具有在較大的轉動慣量，因此錨鏈輪轉速達到預設值N0的增速和減速必定需要一段過程，即為：

式中：Nmax為錨鏈輪實際最大轉速，r/min；Nmin為錨鏈輪實際最小轉速，r/min。

進一步分析可知，為了盡可能使得Nmax和Nmin趨近于N0減小拋錨時的速度波動，錨鏈輪開始轉動后的加速度值必須盡量小，即k值應盡量小，建議不超過控制油壓總變化量的5%。

3 重力拋錨實船試驗

為驗證重力拋錨控制系統的有效性，需進行試驗驗證。本項目中實船拋錨試驗的設備參數如表5所示。

表5 試驗設備基本參數

試驗方案如下。

1）選擇水深30 m左右的錨地作為試驗環境，車舵配合調整船舶姿態為頂流，退速約1 kn。

2）備錨，通過液壓馬達將放出1節錨鏈，此時錨距離海底約為20 m，脫開錨鏈輪離合器，準備開始重力拋錨。

3）按下制動器松閘按鈕，開始重力拋錨，拋出2節錨鏈后停止。

4）觀察錨鏈狀態，待錨鏈受力后，再次開始重力拋錨，拋出1節錨鏈后停止。

5）重復步驟4）直至拋出7節錨鏈。

6）操作錨機收回錨鏈和錨，完成試驗。

試驗過程中通過PLC讀取錨鏈輪轉速。分析拋錨速度曲線如圖5、圖6所示。

圖5 拋出第2、3節錨鏈速度曲線圖

圖6 拋出第6節錨鏈速度曲線圖

開始拋錨時錨和錨鏈負載較大，加速過程明顯，錨鏈運行速度最高為4.2 m/s；錨觸底后載荷減小并基本保持穩定，后續拋出的每節錨鏈運行速度顯著降低，平均值約為3.1 m/s。試驗結果表明重力拋錨控制系統工作穩定有效。

4 結論

本文提出的重力拋錨控制系統基于彈簧帶式制動器，利用編碼器和PLC實現拋錨速度閉環控制，具有系統組成簡單，工作穩定可靠的優點，未來經過更充分驗證后可推廣至各類船舶。

根據所提出重力拋錨控制系統特點，給出控制函數及其物理意義；在此基礎上結合相關研究成果，總結控制函數中各參數的選取方法，為后續相關研究和改進提供一定理論基礎。

開展實船拋錨試驗，結果表明所提出的重力拋錨控制系統基本達到預期設計目標，可以滿足船舶使用需求。