基于Labview的船舶舵机负载模拟研究

刘永超 陈万宏

摘要：为了对船舶舵机负载进行动态分析，开展基于Labview的船舶舵机负载模拟研究。本文介绍了Labview的数据测控系统建立及其数据信号的实时采集、存储等功能；对建立的船舶舵机水动力负载、海浪负载和随机冲击负载的模拟加载系统进行模拟试验。试验证明模拟系统运行较为稳定，为进一步研究控制技术在船舶舵机上的应用提供了验证依据。

关键词：船舶舵机；水动力矩；模拟

中图分类号：U664.4+1文献标识码：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数据测控系统的建立

labview虚拟器采集系统可以实现连续采集，同时具有存储数据量大等优点，在各个领域得到了广泛的应用[1][2][3]。文中采用labview数据采集系统，其组成包括有：采集卡、工业控制计算机、Labview采集仪器[4][5][6]。其通用模式如图1所示。

图1labview监控系统原理图

1.1测控系统硬件组成

测控平台系统的硬件主要由四个部分组成：工业控制计算机、采集卡、信号调理机构、传感器设备；主要采集数据有：液压系统压力、流量、舵机角度等；同时，可以通过模拟输出控制变频电机转速；通过输出数字信号控制电磁阀左右位置。

1.2测控系统软件组成

本系统的软件设计采用模块化的设计方式，按照功能来可以划分为：数据采集模块、数据存储模块、数据实时显示模块、数据控制输出模块。用户可根据需要在Labview软件驱动程序设置接口，以控制通道的电压值、接口等。

船舶舵机测控系统总体架构，如图2所示。

图2采集系统软件控制界面

2舵机负载模拟算法分析

目前常用的舵机模拟加载系统主要有两种：电动机械式模拟负载器和液压式负载模拟器。电动机械式模拟负载器，主要针对于加载力矩较小、响应较快而且对加载精度和环境要求较高的领域；液压式负载模拟器，主要应用于加载力矩较大、对加载精度要求高、但加载响应不高的领域[7][8]。结合船舶舵机负载环境，选用液压式模拟加载器，如图3所示。

1—底架、2—加载机构、3—负载机构、4—负载模拟阀组

图3拨叉式液压舵机负载系统原理图

船舶舵机在转舵的过程中，舵叶所受的水动力合力 ，可分解为：垂直于来流方向的分量升力Py和水动力平行于来流方向的分量阻力Py[9][10]：

（1）

舵的水动力矩合力P作用于舵剖面前缘的力矩M：

（2）

式中：ρ—水的密度(kg/m3)；

Ar—舵的面积(m2)；

b—舵剖面的弦长(m)；

V—来流速度(m/s)；

e—平衡比；

Cx—阻力系数；

Cy—升力系数；

Cp—水压力中心系数。

转舵扭矩 为水动力矩和舵叶转动过程中摩擦力矩之和。根据经验公式，普通平衡舵的摩擦扭矩为：

（3）

本文舵机加载系统中摩擦力矩几乎不存在，所以取

Ma=M （4）

根据流体力学中相关知识，作用在舵叶上的水动力与各种无因次系数有关，系数之间存在以下关系：

（5）

舵的水动力参数变化随着流场的变化而变化，按理论计算无法获得，通常根据相似理论法，确定舵叶模型及各部分参数。本文选用NACA0018型舵叶[10]，并采用相似理论法确定舵叶的相关参数，其水动力特性曲线如图4所示。

图4NACA0018剖面的水动力特性曲线

舵型NACA0018参数为：λ=1.47，Ar=21.28 m2， b=3.8 m，e=0.25， ρ=1 025 kg/m3，V=17 kn。

得出水动力系数公式为：

（6）

（7）

（8）

按照舵机转舵时候的原理（见图5），根据L1、L2、A3、A4值可得：

式中：P-加载油缸进油腔压力；

A3 --加载油缸活塞杆腔面积；

A4 --加载油缸活塞腔面积；

L1 --加载油缸支撑点与舵杆中心的距离。

用加载油缸模拟水动力矩时：

（9）

即

（10）

再结合上述水动力系数公式，即可得出舵机在转动过程中，某舵角时对应的出油腔压力的大小。

3基于Labview的模拟舵机负载模拟系统的建立

3.1水动力矩模拟舵机负载系统的建立

在Labview建立的模拟动力矩系统，主要分成两部分：前面板主要显示各种测量值，确定相关的舵型参数；程序框图主要根据上述公式建立的算法程序。根据舵型参数，程序自动运行计算出不同转舵角度时Cx、Cy、Cp、Cn，如图6所示。

、

图6Cx、Cy、Cp和Cn与转舵角度图

由图4可以看出，得出的水动力特性曲线基本上与参考文献[7]的水动力特性吻合，说明了理论模拟的正确性。由图7可知：水动力矩在转舵一侧有两个部分是为正值的，水动力矩在舵角±15°左右为最大阻力矩；在±30°左右为最大动力矩，正负角度成对称模式；开始小角度成正向动力矩，而后转化为负向动力矩，实验结果表明符合平衡舵的水动力特性规律。

图7水动力矩与转舵角度图

3.2海浪工况模拟负载系统的建立

船舶在海上航行过程中会遇到各种恶劣的天气，舵叶会受到海浪冲击而出现跑舵或冲舵的现象。为了模拟舵机的海浪瞬间冲击工况，文中利用Labview控制换向电磁阀的左右转向位置模拟海浪频率，同时调整系统溢流阀模拟输出电压值模拟海浪力度，模拟海上海浪冲击工况。图8为海浪工况实测系统压力变化图。

图8 舵机海浪工况实测系统压力变化图

4总结

文中利用Labview软件建立了船舶液压舵机测控系统，实验表明该测控系统性能运行较为稳定；在液压舵机试验台的基础上，实现了水动力矩与转舵角度之间规律的控制，模拟平衡舵在水中所受水动力矩的功能。在实验的过程中，一方面可根据不同海水流速、舵机型号等修改其中变量，简单的实现各种舵机型号模拟加载过程；另外，基于Labview建立了模拟海浪瞬间冲击和海浪周期性冲击两种情况，可以实时模拟海上的各种工况特性.

参考文献

[1] 任璐娟,韩焱.基于Labview和PCI-5124的数据采集系统设计[J].电子设计工

程，2010(2):31-33.

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[3] 李科杰等.现代传感技术[M].北京:电子工业出版社,2005.34～72.

[4] National Instruments Corporation. Labview User Manual. April 2003 Edtion.56～97.

[5] 张守庭.研华公司基于USB总线的虚拟仪器测量技术概述[J].电子技术应用,

2009(4):78.

[6] Q.Fang,Y.Yao,L.Fan.Modeling and Validating of Electric Torque Load Simulator.

Proceedings of the First Asia International Symposium on Mechatronics.2004,Xi'an,Ch

ina,(1): 83-88

[7] 方强.被动式力矩伺服控制系统设计方法及应用研究[D].哈尔滨工业大学工学

博士学位论文,2006.

[8] 叶邦全,纪国利, 赵达荣等. 船舶设计实用手册[M]. 北京: 国防工业出版社,

2002: 1-24.

[9] 盛振邦主编.船舶原理(下册)[M]. 上海: 上海交通大学出版社, 2004. 308-326.

作者简介：刘永超（1985-），男，助理工程师。主要从事舰船轮机设计工作。

陈万宏（1973-），男，高级工程师。主要从事舰船轮机设计工作。

收稿日期：2013-11-18