零航速減搖鰭節能型液壓系統研究

曹長水，蔣衡捷，司黎明，鄧啟亮

（上海衡拓船舶設備有限公司，上海 200031）

0 引言

船舶在海上航行時，由于受到海浪、海風及海流等因素的影響，不可避免地會產生各種搖蕩，其中以橫搖最為顯著，影響也最大。劇烈的搖蕩對船舶的適航性、安全性、以及設備的正常工作、貨物的固定和乘員的舒適性都會有很大的影響。減搖鰭的出現，很大程度上減小了船舶航行中的 橫搖幅值，提高了船員工作和生活的舒適性。

1 減搖鰭概述

隨著人們生活水平的提高及對舒適工作生活環境的高要求，目前許多船舶既要求在航行中減搖，也要求在停泊或錨泊狀態下的減搖，而傳統意義上的減搖鰭只有船舶的航速較高時，減搖鰭 才能有效地減搖，無法滿足其在低速下或零航速下減搖的要求。有些船舶選擇了既安裝減搖鰭也安裝減搖水艙，在中高速時使用減搖鰭減搖，低速時使用減搖鰭和減搖水艙聯合減搖。雖然這種方法的優點很明顯，但是安裝2 種減搖裝置，不但需要分別設計和維護2 套系統，而且還占用了大量船舶的內部空間和排水量。

為彌補常規減搖鰭功能的不足，近來出現了一種新的方法，即采用特殊鰭形或結構設計的減搖鰭來對零速或錨泊狀態下的船舶進行減搖。這種新方法不但可在零航速情況下進行減搖，而且在中高航速下仍然能滿足減搖的要求。更重要的是只需要設計和維護一套系統，而且比傳統的減搖鰭不會增加太多的成本。如果將這種減搖系統裝到船舶上，就可以得到船舶在需要停泊、零航速下執行任務的減搖效果，節省船舶的內部空間，大大減少船舶在零航速情況下的橫搖擺。

2 零航速液壓系統概述

減搖鰭使用液壓系統作為轉鰭運動動力源與其他類型系統相比，液壓執行機構的功率/重量比和扭矩/慣量比大，結構緊湊。另外，液壓系統解決散熱問題比較方便，工作介質（液壓油）能兼顧潤滑作用，工作平穩、壽命長。

一套好的減搖鰭裝置也離不開一套好的液壓驅動系統。零航速工況下的液壓系統設計主要為了解決零航速減搖鰭的驅動問題。零航速減搖鰭裝置的設計的難點在于平衡多個指標和跨學科的優化問題，雖然主要功率消耗表現在液壓機組上，但是液壓機組只是整個裝置的驅動源組件，單從液壓機組上做功率優化效果并不是很明顯，減搖鰭液壓系統本身也有其特點。本部分的研究主要解決減搖鰭液壓系統本身的優化問題。

零航速減搖鰭液壓系統的設計既要滿足傳統減搖鰭的功能又要兼顧零航速下的液壓驅動問題。由于傳統減搖鰭液壓系統的設計已經成熟，因此給液壓系統的設計雖然增加了限制，但也使得問題得到簡化。

傳統方式設計零航速減搖鰭需要增加液壓機組的功率，即系統輸入功率將大大增加。但是怎樣降低功率又是與機械機構設計、系統控制策略及鰭形設計等相關，本文主要從液壓機組方面討論節能問題。

3 零航速節能式液壓系統

隨著液壓技術的發展，出現了負載敏感泵和多泵驅動回路為代表的新的液壓傳動元件和回路。對減搖鰭的零航速和有航速2 種工況進行深入分析，在滿足負載功率要求的情況下，采用液壓系統的最優化設計技術和合適的液壓節能技術，能夠明顯提高系統的效率，減少能源的浪費。運用液壓節能技術后，采用理論計算和AMESim 軟件搭建液壓傳動系統的模型，對液壓傳動系統的改進進行對比分析。

在液壓功率滿足負載要求的情況下，采用機理建模的方式對閥控系統進行建模和分析，運用MATLAB 軟件搭建零航速減搖鰭的電液伺服系統控制模型，為系統的控制率設計提供基礎。

零航速條件下尋求液壓系統功率和減搖效果之間的優化平衡，是未來實現零航速產品必須面對的問題，既要滿足減搖效果要求，又要使功率盡可能小，尋求優化的設計平衡點，是必須研究清楚的關鍵問題。

由于零航速減搖鰭在2 種工況下的升力產生機理不同，為了提高2 種狀態下的液壓能源的利用效率，需要零航速減搖鰭系統能夠根據船舶的航行狀態進行切換功率，且零航速減搖鰭的同一種控制不一定能夠滿足2 種工況的要求，因此也需要進行切換。結合2 種工況的需求，需要對零航速減搖鰭的系統狀態切換進行研究。以下為依某型船的參數為參考，進行液壓系統的仿真模擬運行。

3.1 常規航速下的仿真模型

根據液壓系統及相關控制搭建常規航速仿真原理模型（如圖1 所示），對照相關元器件技術參數對仿真模型中的元件參數進行設定。由于本文主要針對的是系統功率的節能問題，故設定泵的額定輸出流量約136 L/min。

3.1.1 模擬常規航速負載曲線

根據船型設計及總體參數，參考減搖效果等，來近似模擬繪制轉角-負載變化曲線圖，如圖2 所示。

圖2 常規航速負載曲線

3.1.2 常規航速負載流量曲線

根據常規航速工況負載變化中的最大值，設置系統中主泵的最大壓力。并根據模擬航速及控制轉速，結合周期變化，選擇泵的排量，并進行仿真計算，得到負載時間-流量曲線圖，如圖3，負載最大流量為108.4 L/min。

圖3 常規航速負載流量曲線

3.1.3 常規航速轉鰭泵流量曲線

根據計算，選擇主泵的最大排量，通過常規航速的控制策略，得到泵在常規航速下的時間-流量變化曲線，如圖4 所示，負載最大流量為112.5 L/min。

圖4 常規航速泵流量曲線

3.2 零航速下的仿真模型

根據液壓系統及相關控制搭建零航速仿真原理模型（如圖5 所示），并對照相關元器件技術參數對仿真模型中的元件參數進行設定。

圖5 零航速下的仿真模型

3.2.1 零航速角加速度和水動力矩曲線

根據零航速控制策略得到的角加速度特性及水動力曲線圖，如圖6 所示。由圖6 可知，該角加速度最大值 0.9 rad/s2，最大負載力矩約6 000 N·m。

圖6 零航速角加速度和水動力矩曲線

3.2.2 零航速負載流量曲線

根據零規航速工況負載變化中的最大值，設置系統中主泵的最大壓力，并根據1 rad/s 的轉速要求，結合周期變化，選擇泵的排量，并進行仿真計算，得到負載時間-流量曲線圖，如圖7 所示，負載最大流量為209.5 L/min。

3.2.3 泵的流量曲線

常規航速中已選擇主泵的最大排量，在零航速中，通過零航速控制系統的控制策略，得到泵在零規航速下的時間-流量變化曲線，如圖8 所示，泵最大流量為136 L/min。

圖7 零航速負載流量曲線

圖8 零航速泵的流量曲線

3.3 仿真結果分析

由仿真結果可知，常規航速情況下，在系統運行過程中，泵的流量已經接近泵的流量峰值，由于系統所需流量小于泵的額定流量，故泵的實際輸出流量即為系統所需的流量。

在零航速工況下，由于鰭的轉動速度加快，使系統所需流量增加（見圖7）。由圖8 可知，此刻泵的輸出流量已經達到了極限值，相比系統的需求，已經無法滿足。因此，需要增加蓄能器為系統補充空余的油液，以滿足系統的實際需求。

系統功率計算如式（1）

式中：W為輸入功率，kW；P為系統壓力，MPa；Q為泵輸出流量，L/min。

由上可知，在系統壓力P不變的情況下，泵的輸出流量Q越大，則系統的輸入功率需求也就越大。而由于零航速減搖鰭2 種工況下的負載不同，若取同一個系統壓力，則會造成較大的不必要的功率損耗。

4 結論

綜上所述，對于通過運動獲得升力的零航速減搖，在裝機功率受限的條件下，為了獲得足夠高的升力進行減搖，需要較大的運動速度，因此要有足夠大的峰值功率，客觀上需要大的儲能元件，并有合適的運動規律以控制能量的釋放并達到較大的運動速度。

零航速條件下尋求液壓系統功率和減搖效果之間的優化平衡，是未來實現零航速產品必須面對的問題，既要滿足減搖效果要求，又要使功率盡可能小，尋求優化的設計平衡點，是今后設計的關鍵問題。