船艦轉葉舵機用復式液壓擺動缸結構解耦研究

趙文奎，李閣強，毛波

(1.河南科技大學機電工程學院，河南洛陽 471003；2.山東萬通液壓股份有限公司，山東日照 262313)

0 前言

舵機作為船舶操縱設備中重要的輔機之一，其控制品質直接關系到船舶是否能安全、穩定航行，因此，研制穩定性、準確度和轉速更高的舵機系統成為我國艦船工業發展的重點和難點。影響舵機控制品質的因素較多，通?？蓺w因于系統自身的設計和外負載兩類。以電動液壓舵機系統為對象，它由工控機、電機驅動裝置、液壓動力元件和位移傳感器所組成。由于存在電機磁滯、聯軸器同軸度、摩擦力矩、液壓元件非線性和液壓油可壓縮性等問題，該電液控制裝置自身具有較強的非線性；此外，作用于舵葉上的水動力具有隨機性和時變特性，與轉舵角度、角速度構成強力位耦合關系，使得舵機系統非線性更為復雜，這些因素制約著舵機系統控制品質的提升。針對上述問題，國內外學者進行了大量研究。JIANG、蘇文海等率先研制出直驅式電液伺服轉葉舵機，用變頻電機驅動定量泵閉環控制轉葉馬達取代傳統的伺服電機驅動變量泵或伺服閥的控制方式，簡化系統，用定量反饋魯棒控制器消除水動力干擾帶來的影響；劉彥文、LIANG、張宇、ODA等均設計了舵機系統控制器用來抑制系統自身非線性和外干擾帶來的舵角控制問題，提升船舶操縱性能。通過優化校正裝置，補償系統自身非線性帶來的舵角偏差可以達到良好的效果，但舵葉上的水動力通常較大，又與舵角、船速等緊密相關，將其視為干擾、采用控制器補償的方式效果欠佳。

本文作者提出復式液壓擺動缸結構，內層為舵驅動缸，外層為水動力力矩解耦缸，利用外層液壓缸產生的主動力矩抵消水動力作用力矩，同時內、外層液壓缸的同向轉動也可增大舵角工作區間，異向轉動能及時制動，有效提高舵機控制性能。

1 水動力與舵角耦合分析

通常舵機運動模型可用下式表示。

(1)

基于MMG模型，在來流速度為、沖角為的均勻流場中，舵葉上產生的水動力為，作用點至舵軸的距離為，如圖1所示。為垂直于來流方向的舵升力和沿來流方向的舵阻力的合力，也可分解為垂直于舵葉軸面的正壓力和沿舵葉軸面的切向力，力的表達式為

(2)

式中：為舵合力系數，為無量綱量，與舵的幾何因素、運動因素和流體動力學因素相關；為流體的密度，kg/m；為舵葉的面積，m。

從圖1可知，研究舵葉-舵軸運動所受的水動力和力矩時只需考慮舵的流體正壓力，對于敞水舵，當沖角較小時，可用近似估算的方法確定其表達式為

圖1 舵葉表面流體作用力示意

(3)

水動力作用在舵軸上的負載力矩為

=··cos-··sin=··cos·

(4)

式中:為舵的升力與舵的阻力的比值，其他參數同上。

由上述分析可知，負載力矩通常較大且與舵角構成強力位耦合關系，是造成轉舵控制不平穩、精度不高和轉速較慢的主要原因，在極端情況下甚至出現跑舵和嚴重的遲滯現象。為從舵機結構上解決該問題，設計復式液壓擺動缸。

2 復式液壓擺動缸解耦

2.1 結構解耦原理

如圖2所示，復式擺動缸由舵驅動缸轉子1,力矩解耦缸轉子2，殼體3，定葉片4、5和動葉片6、7等組成。

圖2 復式液壓擺動缸原理

驅動缸轉子與解耦缸轉子之間形成內密閉容腔，解耦缸轉子與殼體之間形成外密閉容腔，內外層轉子上均開設環形油道，內密閉容腔采用軸配流的方式配流，外密閉容腔采用殼體配流的方式配流。當高壓油液進入內密閉容腔，驅動缸轉子在液壓力作用下順時針轉動，此時舵葉在與驅動缸轉子固連的舵桿的帶動下順時針旋轉一角度。在舵葉轉動過程中必然存在反方向水動力的干擾，使容腔Ⅰ體積減小Δ，轉子到達新的平衡位置，對于傳統擺動缸(單層擺動缸)轉子將回旋，造成跑舵。而復式擺動缸為確保驅動缸轉子不動，可通過順時針旋轉解耦缸轉子(驅動缸定子)，使容腔Ⅰ體積減小Δ，達到平衡狀態。即相當于解耦缸與水動力在舵驅動缸轉子上產生大小相等、方向相反的力矩，合力矩為零達到解耦目的。此外，在復式擺動缸解耦過程中，由于內、外層轉子同向旋轉，內層轉子與外層轉子的相對非飽和線性區間不變，但內層轉子的絕對非飽和線性區間是增大的，即舵葉有更大的轉角范圍(此原理類似于多級液壓缸)，以備緊急轉向。

2.2 解耦參數匹配原則

利用負載最佳匹配的原則，采用解析法確定舵機系統各組成元件的參數。

(1)轉葉舵機系統特性分析

鑒于舵機工況低速、大扭矩的特點，系統穩定性是首要特性，其次為準確性和快速性。因此在參數設計的過程中，首先要保證系統中機械結構的剛度和強度。在滿足系統穩定性裕度的前提下，通過提高機構剛度或減小摩擦力，降低系統阻尼，使其位置控制精度得以提升；減小系統慣性，提高固有頻率，保證其靈敏度。

(2)轉葉舵機負載特性分析

舵機系統的負載是慣性負載、黏性阻尼負載與摩擦負載的組合且波浪等外干擾力運動形式復雜，難以得到負載軌跡方程。在系統各組成元件參數匹配時，以最大功率工況點為設計目標，使動力裝置輸出特性曲線包圍負載軌跡，且動力裝置最大輸出功率點與負載的最大功率點盡量接近，節約能耗。

(3)復式擺動缸解耦特性分析

復式擺動缸內、外層轉子同向轉動可增大舵葉的工作區間，而要消除水動力對舵驅動缸轉子轉角的干擾，不僅需要內、外層轉子同向轉動，還要使內層轉子與外層轉子在相同力矩的作用下，其旋轉角度相同，確保解耦缸轉子在產生與水動力大小相等、方向相反的反力矩時，容腔Ⅰ體積減小Δ，使得舵驅動缸轉子靜止不動。因此，在復式擺動缸結構設計過程中，按內、外層轉子阻尼比相等，固有頻率接近的原則進行參數匹配，以保證內外層轉子有相同或相近的動態響應特性。舵驅動缸轉軸采用中空結構，不僅減小其轉動慣量，而且便于安裝舵桿，同時選用轉動慣量較大的變頻電機為動力源，使傳動部件折算到電機軸上的慣量與電機轉動慣量的比值介于0.5～1之間，盡量接近0.5，保證機械系統的靈敏度。此外，各個元件的固有頻率應避開波浪頻率，防止產生共振，縮短使用壽命。

3 解耦仿真分析

綜上所述，復式擺動缸相較于單層轉葉馬達具有諸多優勢。為驗證該執行元件用于舵機系統實際解耦的效果，以直驅式液壓系統為對象，通過控制變頻電機轉速，改變雙向定量泵流量的方式進行舵機角度、角速度的控制。建立的AMESim仿真模型如圖3所示，仿真參數的設置如表1所示。

圖3 復式液壓擺動缸結構解耦AMESim仿真

表1 仿真參數設置

舵機系統仿真時，通過參數設置分別在單層擺動缸和復式擺動缸操舵模式下進行加載試驗。因外負載較大，產生的控制偏差較大，為確保加載試驗的正常進行，單層擺動缸的操舵試驗在系統中附加了校正裝置。圖4為直驅式轉葉舵機在外載荷下舵桿轉角與負載力矩的關系曲線?？梢钥闯觯簡螌訑[動缸舵桿上的負載力矩隨舵角的增大而增大，且負載力矩與舵角有較強的力位關系。而復式擺動缸操舵可以極大地消除舵桿上因外載荷產生的負載，在5°～35°區間內，負載力矩幾乎不變且數值較小，但由于摩擦力的影響，舵機低速穩定性較差，在0～5°區間和35°～40°區間內曲線也表現出波動。

圖4 舵桿轉角與負載力矩耦合關系曲線

圖5為轉葉舵機一個運動周期內的仿真曲線，可以看出：復式擺動缸用于操舵，可以極大解除外負載(水動力)的干擾，完全滿足艦船液壓舵機通用規范的軍用標準；滯舵時間不超過1 s，舵角偏差在±0.5°以內，舵葉從一舷30°轉至另一舷30°的時間不超過28 s。相較于單層擺動缸操舵，復式擺動缸用于操舵在極大消除外負載的情況下，舵機啟動更靈敏，平均速度更高且無超調。

圖5 舵機運動仿真曲線

4 結論

針對船舶用液壓舵機轉動慣量大、舵葉所受水動力負載復雜、干擾力矩與舵角構成強力位耦合等問題，以直驅式轉葉舵機為對象，設計出新型復式液壓擺動缸替代單層轉葉馬達，利用前饋控制輸出主動力矩與水動力作用在舵桿上的負載力矩相抵消，達到結構解耦的目的。仿真分析結果證明：采用復式擺動缸組成的舵機系統，可以抵消水動力導致的負載力矩，極大減小系統的非線性，有助于舵機控制器的設計和控制品質的提升，為機電液一體化系統操控性能提升提供新的思路。該復式擺動缸尚在研制階段，其實際使用情況仍需要進一步的試驗驗證。