零航速减摇鳍节能型液压系统研究

曹长水，蒋衡捷，司黎明，邓启亮

（上海衡拓船舶设备有限公司，上海 200031）

0 引言

船舶在海上航行时，由于受到海浪、海风及海流等因素的影响，不可避免地会产生各种摇荡，其中以横摇最为显著，影响也最大。剧烈的摇荡对船舶的适航性、安全性、以及设备的正常工作、货物的固定和乘员的舒适性都会有很大的影响。减摇鳍的出现，很大程度上减小了船舶航行中的 横摇幅值，提高了船员工作和生活的舒适性。

1 减摇鳍概述

随着人们生活水平的提高及对舒适工作生活环境的高要求，目前许多船舶既要求在航行中减摇，也要求在停泊或锚泊状态下的减摇，而传统意义上的减摇鳍只有船舶的航速较高时，减摇鳍 才能有效地减摇，无法满足其在低速下或零航速下减摇的要求。有些船舶选择了既安装减摇鳍也安装减摇水舱，在中高速时使用减摇鳍减摇，低速时使用减摇鳍和减摇水舱联合减摇。虽然这种方法的优点很明显，但是安装2 种减摇装置，不但需要分别设计和维护2 套系统，而且还占用了大量船舶的内部空间和排水量。

为弥补常规减摇鳍功能的不足，近来出现了一种新的方法，即采用特殊鳍形或结构设计的减摇鳍来对零速或锚泊状态下的船舶进行减摇。这种新方法不但可在零航速情况下进行减摇，而且在中高航速下仍然能满足减摇的要求。更重要的是只需要设计和维护一套系统，而且比传统的减摇鳍不会增加太多的成本。如果将这种减摇系统装到船舶上，就可以得到船舶在需要停泊、零航速下执行任务的减摇效果，节省船舶的内部空间，大大减少船舶在零航速情况下的横摇摆。

2 零航速液压系统概述

减摇鳍使用液压系统作为转鳍运动动力源与其他类型系统相比，液压执行机构的功率/重量比和扭矩/惯量比大，结构紧凑。另外，液压系统解决散热问题比较方便，工作介质（液压油）能兼顾润滑作用，工作平稳、寿命长。

一套好的减摇鳍装置也离不开一套好的液压驱动系统。零航速工况下的液压系统设计主要为了解决零航速减摇鳍的驱动问题。零航速减摇鳍装置的设计的难点在于平衡多个指标和跨学科的优化问题，虽然主要功率消耗表现在液压机组上，但是液压机组只是整个装置的驱动源组件，单从液压机组上做功率优化效果并不是很明显，减摇鳍液压系统本身也有其特点。本部分的研究主要解决减摇鳍液压系统本身的优化问题。

零航速减摇鳍液压系统的设计既要满足传统减摇鳍的功能又要兼顾零航速下的液压驱动问题。由于传统减摇鳍液压系统的设计已经成熟，因此给液压系统的设计虽然增加了限制，但也使得问题得到简化。

传统方式设计零航速减摇鳍需要增加液压机组的功率，即系统输入功率将大大增加。但是怎样降低功率又是与机械机构设计、系统控制策略及鳍形设计等相关，本文主要从液压机组方面讨论节能问题。

3 零航速节能式液压系统

随着液压技术的发展，出现了负载敏感泵和多泵驱动回路为代表的新的液压传动元件和回路。对减摇鳍的零航速和有航速2 种工况进行深入分析，在满足负载功率要求的情况下，采用液压系统的最优化设计技术和合适的液压节能技术，能够明显提高系统的效率，减少能源的浪费。运用液压节能技术后，采用理论计算和AMESim 软件搭建液压传动系统的模型，对液压传动系统的改进进行对比分析。

在液压功率满足负载要求的情况下，采用机理建模的方式对阀控系统进行建模和分析，运用MATLAB 软件搭建零航速减摇鳍的电液伺服系统控制模型，为系统的控制率设计提供基础。

零航速条件下寻求液压系统功率和减摇效果之间的优化平衡，是未来实现零航速产品必须面对的问题，既要满足减摇效果要求，又要使功率尽可能小，寻求优化的设计平衡点，是必须研究清楚的关键问题。

由于零航速减摇鳍在2 种工况下的升力产生机理不同，为了提高2 种状态下的液压能源的利用效率，需要零航速减摇鳍系统能够根据船舶的航行状态进行切换功率，且零航速减摇鳍的同一种控制不一定能够满足2 种工况的要求，因此也需要进行切换。结合2 种工况的需求，需要对零航速减摇鳍的系统状态切换进行研究。以下为依某型船的参数为参考，进行液压系统的仿真模拟运行。

3.1 常规航速下的仿真模型

根据液压系统及相关控制搭建常规航速仿真原理模型（如图1 所示），对照相关元器件技术参数对仿真模型中的元件参数进行设定。由于本文主要针对的是系统功率的节能问题，故设定泵的额定输出流量约136 L/min。

3.1.1 模拟常规航速负载曲线

根据船型设计及总体参数，参考减摇效果等，来近似模拟绘制转角-负载变化曲线图，如图2 所示。

图2 常规航速负载曲线

3.1.2 常规航速负载流量曲线

根据常规航速工况负载变化中的最大值，设置系统中主泵的最大压力。并根据模拟航速及控制转速，结合周期变化，选择泵的排量，并进行仿真计算，得到负载时间-流量曲线图，如图3，负载最大流量为108.4 L/min。

图3 常规航速负载流量曲线

3.1.3 常规航速转鳍泵流量曲线

根据计算，选择主泵的最大排量，通过常规航速的控制策略，得到泵在常规航速下的时间-流量变化曲线，如图4 所示，负载最大流量为112.5 L/min。

图4 常规航速泵流量曲线

3.2 零航速下的仿真模型

根据液压系统及相关控制搭建零航速仿真原理模型（如图5 所示），并对照相关元器件技术参数对仿真模型中的元件参数进行设定。

图5 零航速下的仿真模型

3.2.1 零航速角加速度和水动力矩曲线

根据零航速控制策略得到的角加速度特性及水动力曲线图，如图6 所示。由图6 可知，该角加速度最大值 0.9 rad/s2，最大负载力矩约6 000 N·m。

图6 零航速角加速度和水动力矩曲线

3.2.2 零航速负载流量曲线

根据零规航速工况负载变化中的最大值，设置系统中主泵的最大压力，并根据1 rad/s 的转速要求，结合周期变化，选择泵的排量，并进行仿真计算，得到负载时间-流量曲线图，如图7 所示，负载最大流量为209.5 L/min。

3.2.3 泵的流量曲线

常规航速中已选择主泵的最大排量，在零航速中，通过零航速控制系统的控制策略，得到泵在零规航速下的时间-流量变化曲线，如图8 所示，泵最大流量为136 L/min。

图7 零航速负载流量曲线

图8 零航速泵的流量曲线

3.3 仿真结果分析

由仿真结果可知，常规航速情况下，在系统运行过程中，泵的流量已经接近泵的流量峰值，由于系统所需流量小于泵的额定流量，故泵的实际输出流量即为系统所需的流量。

在零航速工况下，由于鳍的转动速度加快，使系统所需流量增加（见图7）。由图8 可知，此刻泵的输出流量已经达到了极限值，相比系统的需求，已经无法满足。因此，需要增加蓄能器为系统补充空余的油液，以满足系统的实际需求。

系统功率计算如式（1）

式中：W为输入功率，kW；P为系统压力，MPa；Q为泵输出流量，L/min。

由上可知，在系统压力P不变的情况下，泵的输出流量Q越大，则系统的输入功率需求也就越大。而由于零航速减摇鳍2 种工况下的负载不同，若取同一个系统压力，则会造成较大的不必要的功率损耗。

4 结论

综上所述，对于通过运动获得升力的零航速减摇，在装机功率受限的条件下，为了获得足够高的升力进行减摇，需要较大的运动速度，因此要有足够大的峰值功率，客观上需要大的储能元件，并有合适的运动规律以控制能量的释放并达到较大的运动速度。

零航速条件下寻求液压系统功率和减摇效果之间的优化平衡，是未来实现零航速产品必须面对的问题，既要满足减摇效果要求，又要使功率尽可能小，寻求优化的设计平衡点，是今后设计的关键问题。