吊舱式海事公务船液压推进系统

王成刚，徐加俊，张　博

(武汉工程大学 机电学院，湖北 武汉 430205)

吊舱式海事公务船液压推进系统

王成刚，徐加俊，张博

(武汉工程大学 机电学院，湖北 武汉 430205)

摘要：随着船舶业的迅猛发展，大型、高速、专业船舶是发展的趋势。国内船舶推进系统研究也在不断深入，逐渐缩小与发达国家之间的差距。本文通过对国内外船舶液压推进系统的研究，根据船舶推进系统的工作原理和船舶推进系统中柴油机、液压泵、螺旋桨、液压马达等关键元件的选型计算，对压系统主回路、补油回路、系统过载保护回路进行设计。

关键词：吊舱式；液压推进；液压泵；液压马达

0引言

近年来，随着船舶业的迅猛发展，大型、高速、专业船舶是发展的趋势，这势必要求船舶推进系统操控方便、效率高、安全性强，工艺优良。现有的船舶推进方式有直接推进、电力推进、超导电磁推进、喷水推进、液力推进等。目前在船舶推进领域研发比较热门的是吊舱式液压推进系统。

吊舱式液压推进系统是将吊舱推进器设计在船体的下方，取消了主机和螺旋桨的连接，螺旋桨可以不受主机制约进行360°回转运动。这种推进方式增加了船舱的利用率，系统响应灵敏，操作性强，推进效率高。本文主要研究在设计吊舱式海事公务船液压推进系统时所涉及到的关键元件的选择，以及推进系统的回路组成。

1船舶液压推进研究现状

1.1　国内研究现状

我国在船舶液压推进器的研究方面起步较晚，目前上海交通大学、大连海事大学、哈尔滨工程大学等高校在这方面的研究已经取得了一些成果。哈尔滨工程大学对舵面水动力对液压舵机系统的干扰进行了分析，通过AMESim模型进行仿真分析了PID控制器参数，结果证明模糊PID对液压舵机系统中启停、换向时的冲击力具有明显的消减作用[1]。吴伯才[2]通过对液压推进系统的能量传递形式、扭矩特点和转速控制的分析，指出液压推进具有功率大、推进效率高、机动性强等优点。纪玉龙、孙玉清等[3]通过研究船舶液压推进系统的数学模型和仿真，提出了船舶综合液压推进恒功率与变功率联合控制方法—CVCC，该控制方法可以使主机一直维持在最佳工况下，克服了主机在持续重载下功率低的状况。

1.2　国外研究现状

20世纪50年代英国、德国、俄罗斯等国已开始研发和使用船舶液压推进系统。

表1　国外对船舶液压推进系统研究历程

2船舶液压推进系统设计

2.1　船舶液压推进工作原理

船舶液压推进主要包括柴油机、液压泵、液压马达、螺旋桨、控制器、各种传感器件以及相应调节装置。柴油机输出的机械能通过液压泵转化为压力能，螺旋桨、舵机、船舶侧推装置(当采用吊舱式推进器时,可以取消舵机以及首侧推)以及其它辅助装置在压力能的推进作用下工作。经过马达液压油的压力转化为螺旋桨的机械能，通过对泵站以及柴油机的控制来调节螺旋桨的转速与转向，实现螺旋桨、舵机、侧推装置等其他辅助装置协调工作，满足船舶的各种运动工况。其工作原理如图1所示。

图1　船舶液压推进系统原理图Fig.1　Sehematic diagram of ship hydrau1ic propulsion system

2.2　船舶液压系统关键元件选型计算

功率对于大型船舶来说至关重要，吊舱式液压推进系统的功率传递为图2所示。

图2　船舶液压推进系统功率传递图Fig.2　The power flow of the hydraulic propulsion system

图中：ηA为柴油机的传递效率；η0为螺旋桨敞水效率；ηH为船体效率；ηR为相对旋转效率。

1)柴油机选型计算

根据在中国的磁流体船舶推进项目[4]中对柴油机有效功率的定义可知：

Ne=neiVhPe/3×104δ。

(1)

式中：ne为柴油机曲轴转速；i为汽缸数；Vh为气缸工作容积；Pe气缸有效压力；δ为冲程数目。

液压泵需要在柴油机的带动下工作，当柴油机的循环供油量发生改变时，液压泵的输出功率也要发生改变，并且柴油机的输出功率一定要大于液压泵所需的功率，才能保证船舶的正常运转。

2)液压泵选型计算

液压泵分为高压腔和低压腔，高压腔的流量和压力使得马达能够克服螺旋桨负载正常运转，低压腔基本不变，高压腔的流量方程为：

(2)

式中：Qp为液压泵的输出流量；qp为泵的容积量；Cip和Cep为泵的内、外漏系数；θp为泵的选择角度。

由于低压很低可忽略不计，故式(2)可改写为：

(3)

等价于：

(4)

或者

(5)

当ηp=1时，由式(5)可得液压泵的最大流量为：

(6)

3)螺旋桨选型计算

根据文献[5]定义螺旋桨的力矩为：

(7)

式中: K为螺旋桨的扭矩系数；ρ为海水密度； Dpp为螺旋桨直径；n为螺旋桨的转速。

船舶负载力矩为：

(8)

式中：Jt为船舶总转动惯量；Bm为船舶总粘性阻尼系数；G为负载扭簧系数；θ为马达转角[6]。

4)液压马达选型计算

理想情况下，马达的输出力矩等于负载力矩，则：

(9)

故马达的压力为：

(10)

由式(8)和式(10)可得

(11)

将θ=θmsinwt代入式(8)可得：

(12)

对式(12)求极值求出Mmax，代入式(11)可求得液压马达的排量V。

液压马达流量仅取决于高压腔流量，得：

(13)

由于低压很低，故式(13)改写为：

(14)

由式(12)得：

(15)

当Mf随时间变化时

(16)

因此可根据V， ps和Qm选择马达。

2.3　船舶推进系统设计

根据船舶航行时启动、加速、工进和减速制动的要求，整个船舶推进系统设计包括液压系统主回路、补油回路、系统过载保护回路。

1)液压系统主回路

液压系统主回路分为开式回路和闭式回路，一般从系统稳定性和经济性角度出来选择液压系统主回路。开式回路系统设计简单，设计的油箱大，液压油与空气大面积的接触，容易发生化学反应，损耗大，效率低，系统不够稳定。与开式回路相对比，闭式回路设计复杂，进油口和回油口直接通过管件相连，减少了与空气的接触，功率得到大幅提升，增加了液压泵旋转的动力，但是由于封闭性强导致散热性较差，所以在系统设计中需要增加辅助油泵来换油冷却。

本文设计液压系统主回路由双向变量泵2和双速定量马达12组成。液压泵的转速通过调节柴油机的转速，在最大输出流量范围内，通过调节液压泵转速和排量可以实现整个系统流量的无级调速。液压泵的吸排方向随着液压泵的斜盘倾斜方向而改变，可是实现正反转的不同转动。当船舶航行平稳的状态下，柴油机转速和转向都保持在恒定状态时更有利于柴油机的长期工作。

2)补油回路

本文设计的补油回路由补油泵3、补油溢流阀9、滤油器10、单向阀8组成。

电机带动补油泵3，经过滤油器10、单向阀8和低压选择阀将低温液压油补给给系统低压侧。补油溢流阀9的作用是设置补油压力，同时使多余的低温液压油回流到油箱，压力设置为1.5 MPa。

液压系统工作与否时产生的压力差冲洗阀阀芯发生变化，不工作时，冲洗阀停在中间，工作时，冲洗阀移到高压侧，此时低压侧部分高温油经过冲洗阀4、滤器和冷却液流回油箱。冲洗溢流阀压力应低于补油压力约0.5 MPa，这样能够保证部分高温液压油流出和持续对系统补充低温液压油，有利于油液的冷却和更换。

3)系统过载保护回路

船舶液压推进系统在工作过程，螺旋桨承受的负载突然增大时会导致液压系统工作压力瞬间升高，这就需要系统元件有较大范围的承受能力，不然会对系统造成严重损坏，导致航海事故，所以在液压系统中必须设置过载保护装置。

正常工况下安全阀为闭合状态，安全阀为2个液控先导式溢流阀，设置的压力为系统额定压力的1.05%~1.10%[6]，本文设置为38 MPa。当设置的压力小于相对应侧的工作压力时，此侧的安全阀就会开启，经过安全阀和单向阀高压油液溢流到低压侧，保证液压系统的安全。

根据对柴油机、液压泵、螺旋桨、液压马达等关键元件的选型计算，以及液压推进系统的原理设计船舶液压推进系统如图3所示。

图3　船舶液压推进系统设计图Fig.3　Sim pledesignschemeofintegratedhydrau1iePr0Pulsionsystem

3结语

本文通过研究船舶推进系统的工作原理，船舶推进系统中柴油机、液压泵、螺旋桨、液压马达等关键元件的选型计算，对压系统主回路、补油回路、系统过载保护回路进行了设计。

参考文献：

[1]马兴瑞.船舶液压舵机系统中的流体噪声控制[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2010.

[2]吴伯才.船舶液压推进的可行性探讨[J].宁波大学学报(理工版)，2002(2).

[3]纪玉龙,张英,郭阳,等.船舶液压推进技术评述[J].大连海事大学学报,2011(3):102-106.

[4]YAN L G,SHA C W,ZHOU K,et al.Progress of the MHD ship propulsion projeet in China[J].IEEE Transactions on Applied Superconduetivity,2000,10(1):951-954.

[5]吴恒.船舶动力装置技术管理[M].大连:大连海事大学出版社,1999.

[6]彭秀英,卢飞平.溢流阀的压力整定值及其确定方法[J].贵州工业大学学报(自然科学版),2005,34(5).

[7]OHTSUKI K.Boat propulsion system: United States, US 7168997 B2[P].2007-01-30.

Podded maritime official ship hydraulic propulsion system design

WANG Cheng-gang,XU Jia-jun,ZHANG Bo

(School of Mechanical and Electrical,Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430205,China)

Abstract：As shipping industry developed rapidly in recent years, large, high-speed, professional development trend of ship. Research on ship propulsion systems are constantly depth in China. The gap between the developed countries is gradually narrowing. Based on the research of domestic and international marine hydraulic propulsion system, according to the working principle of the ship propulsion system, selection calculation of the key element in ship propulsion systems, such as diesel engines, pumps, propellers, hydraulic motors. The article designs pressure system on the main circuit, fill the oil circuit, system overload circuits.

Key words：podded; hydraulic propulsion; pump; hydraulic motor

作者简介：王成刚( 1974 - ) ，男，博士，副教授，主要研究方向为新型化工设备开发、机电控制及新型液压气动关键技术。

收稿日期：2014-03-21； 修回日期： 2014-08-15

文章编号：1672-7649(2015)02-0140-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.030

中图分类号：U664.3

文献标识码：A