船舶液压推进系统螺旋桨负载转矩模拟研究

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(大连海事大学 轮机工程学院， 辽宁 大连　116026)

引言

船舶液压推进是指1台或者多台柴油机驱动液压泵，通过液压管路和阀件将液压油泵入液压马达，驱动螺旋桨旋转，即柴油机发出的功率通过液压油传递给螺旋桨，实现船舶运动。船舶液压推进系统中螺旋桨作为推进器占有重要地位，对它进行研究将对船舶液压推进的技术应用起到催化器的作用。对于船舶动力装置加载，造船界普遍采用把螺旋桨放入封闭式循环水池，为推进系统提供螺旋桨负载，但此方法造价太高，不适宜在实验室进行研究[1]。本研究提出一种基于液压传动系统的螺旋桨负载模拟系统，如若船舶液压推进螺旋桨模拟加载研究成功，将大大节约科研成本，有助于对船舶液压推进技术进行深入研究。

1　船舶液压推进负载模拟系统

船舶液压推进实验装置如图1所示。2台电机通过联轴节分别带动2台A4VG液压变量泵，将旋转机械能转变为液压油的压力能，通过液压管路将液压油泵送到液压马达，以驱动模拟螺旋桨的加载液压泵。为了满足实验装置的加载需要，本研究提出一种基于液压系统双向加载的负载模拟系统。

图1　船舶液压推进实验装置

1.1　负载模拟系统原理

船舶液压推进负载模拟系统如图2所示。当推进装置带动加载泵1正向旋转时，从加载回路低压侧吸油(假设图2中下线为系统低压侧)，泵出口高压油经单向阀2.1、电液比例溢流阀3流回油箱；反向旋转时，从加载回路低压侧吸油，这时图2的上线变为系统低压侧，泵出口高压油则经单向阀2.2、电液比例溢流阀3流回油箱，实现船舶液压推进装置的双向加载。加载泵1的压力由电液比例溢流阀4设定，表1给出船舶液压推进实验装置的主要参数。

表1　系统主要参数

1.2　负载模拟策略

船舶航行过程中，船舶航速和螺旋桨转速的变化都会引起进速比的变化，而螺旋桨扭矩系数是进速比的函数，因此进速比的变化将会导致螺旋桨扭矩随之变化。可见，控制加载泵提供的阻转矩与船舶液压推进装置实际带动螺旋桨工作时的螺旋桨转矩一致是螺旋桨负载模拟的关键。本研究通过实时采集螺旋桨转速信号，经船桨模型计算得出螺旋桨的阻转矩，作为加载泵的给定转矩。考虑加载泵各部件的摩擦损失以及压力损失，加载泵所能提供的阻转矩为：

(1)

式中，Tj为加载泵提供的阻转矩，N/m；Δp为加载泵进出口压差，MPa；Vj为加载泵排量，mL；ηj为机械效率。可见，在机械效率ηj不变的情况下，加载泵扭矩Tj与进出口压差Δp和排量Vj有关，因此对于加载泵扭矩的控制有两种方式：

(1) 加载泵采用定量泵，保持排量Vj不变，改变加载泵的压差Δp；

(2) 加载泵采用变量泵，保持压差Δp不变，改变加载泵的排量Vj。

对于第一种方式，在图2所示的闭式液压系统，一般情况下，辅泵7和溢流阀6能够为加载系统低压侧提供一个恒压力油源，故只需改变加载泵的高压侧压力，理论上即可使加载泵扭矩跟随螺旋桨扭矩的变化。实际上，根据螺旋桨的反转特性(如图3所示)，在反转过程中，螺旋桨的转矩变化较为特殊，螺旋桨产生的转矩逐渐减小，在螺旋桨正向转速时，甚至出现负值，而对加载泵高压侧压力来说，很难模拟这一过程，因此选择改变加载泵排量的方式来改变加载泵的扭矩，以再现螺旋桨特性。

1.加载泵　2.单向阀　3.电液比例溢流阀　4.过滤器 5.辅泵溢流阀　6.辅泵　7.油箱图2　船舶液压推进负载模系统

2　螺旋桨转矩特性及船桨建模

为船舶液压推进装置提供具有螺旋桨负载特性的模拟系统，分析螺旋桨负载特性特别是螺旋桨转矩特性是研究的关键[2]。

2.1　螺旋桨转矩特性

螺旋桨转矩特性是指螺旋桨扭矩和转速之间的关系， 螺旋桨的扭矩为：

T=KTρn2D5

(2)

式中，T为螺旋桨的扭矩，Nm；KT为螺旋桨的扭矩系数；ρ为海水密度，一般为1025 kg/m3；n为螺旋桨的转速，r/s；D为螺旋桨的直径，m。扭矩系数KT是进速比J的函数，进速比J与船舶航行工况有关。螺旋桨的扭矩在不同的航行工况下会呈现不同的转矩特性。根据船舶实际运行情况，可以分为自由航行特性、系缆特性以及反转特性[3]，如图3所示。

图3　螺旋桨转矩特性

2.2　船桨运动建模

根据螺旋桨各参数之间的关系以及螺旋桨和船体相互作用关系，可以得到船桨运动建模流程，如图4所示。

图4　船桨建模流程

船桨运动建模的关键在于进速比、螺旋桨推力系数和扭矩系数的求解。在船舶工况动态变化时，进速比的变化范围较大，在数字仿真中较为困难。为表达螺旋桨全工况下的动态特性，根据文献[4]，对螺旋桨的进速比、推力系数和扭矩系数进行如下改进：

(3)

(4)

(5)

螺旋桨推力：

(6)

螺旋桨扭矩：

(7)

考虑螺旋桨的推力减额，则螺旋桨有效推力：

(8)

式中，FE为螺旋桨的有效推力，N;t为推力减额系数。

船舶运动方程为：

(9)

式中，m为船体质量，kg；Δm为随船一起运动的附着水的质量；Δm一般可取总质量(m+Δm)的5%～15%[5]；R为船舶总阻力，N。

船舶总阻力方程为：

(10)

螺旋桨进速方程为：

vP=vS(1-w)

(11)

式(10)、式(11)中，vS为船舶航速，m/s；w为伴流分数。

3　仿真分析

3.1　仿真模型

根据A4VG变量泵的工作原理，在AMESim环境中，利用液压库、信号控制库和机械库中的元件搭建出子模型，并进行封装，以方便显示和界面美观。对液压马达输出转速(螺旋桨转速)采用PID闭环控制策略，即通过采集液压马达输出转速，与给定转速信号作差，得到偏差信号，通过PID控制器，调节A4VG变量泵变量机构的电信号，进而控制变量泵的输出流量，达到液压马达输出转速 (螺旋桨转速)可控的目的。结合船舶液压推进系统原理图、 负载模拟系统液压原理图和螺旋桨负载模拟策略， 完成船舶液压推进实验系统整体仿真模型，如图6所示。 根据船桨运动数学模型，在Simulink环境中建立船桨仿真模型，如图7所示。本研究采用AMESim-Simulink联合仿真平台分别对液压推进模拟系统和船桨仿真模型行建模，充分利用AMESim液压系统建模和Simulink数据处理的优势对系统进行仿真分析。

图5　Chebyshev多项式拟合结果

图6　螺旋桨负载模拟系统AMESim模型

3.2　仿真分析

由于系统参数受到实验装置的限制， 难以找到相应的船舶数据。而整个液压推进模拟系统的仿真，其目的主要用于验证模拟系统的设计以及控制策略是否合理，与实际螺旋桨负载特性是否吻合。因此，为了在较短的时间内获得模拟系统的仿真结果，选择船舶质量m为1000 kg，随船一起运动的附着水的质量Δm为总质量的10%，螺旋桨直径为0.4 m，对于伴流分数w和推力减额t的取值，根据文献[6]对各类船舶伴流分数和推力减额的取值范围的界定，取w=0.30，t=0.10。

图7　Simulink船桨模型

图8　加载泵转矩变化

基于AMESim-Simulink联合仿真平台，对船舶起航和倒航工况进行仿真分析。仿真时间设置0～60 s起航过程，60～180 s为倒航过程，通过不断调试PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数，发现当比例系数为1，积分系数为1，微分系数为0.1时，液压马达转速(螺旋桨转速)能够较好的跟踪给定转速变化，其中螺旋桨转矩和加载泵的转矩及液压推进系统压力的仿真结果如图8、图9所示。可以看出无论船舶起航或者倒航，加载泵提供的扭矩均能很好地跟踪螺旋桨扭矩变化，只是在起初阶段，由于负载模拟系统建立压力需要时间使得加载泵扭矩动态响应较慢。根据液压推进系统压力变化情况，可以看出分级起航和分级倒航操作方式比直接起航和直接倒给液压推进系统带来

图9　液压推进系统压力变化

的压力冲击较小。

4　结论

本研究采用面向系统原理建模的AMESim软件，搭建了船舶液压推进系统仿真模型，利用Simulink仿真工具建立了船桨模型，通过采集的液压马达转速(螺旋桨转速)，经船桨模型计算得出螺旋桨转矩，作为加载泵的给定转矩，联合二者完成了船舶液压推进负载模拟整体仿真模型。在此基础上，对船舶起航、倒航工况进行了仿真分析，仿真结果表明液压推进负载模拟系统能够很好地模拟实际工况的螺旋桨扭矩。根据液压推进系统在船舶起航工况、倒航工况下压力变化得出了船舶液压推进装置操纵的一些基本规则。

参考文献：

[1]李俊科.电力推进船舶螺旋桨负载的研制[D].厦门:集美大学,2013.

[2]刘勇,丛望.螺旋桨负载特性动态仿真实验的研究[J].船电技术,2002,(4):22-24.

[3]周伟.螺旋桨负载仿真装置[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2006.

[4]LI Dian-pu, WANG Zong-yi, CHI Hai-hong. Chebysh-ev Fitting Way and Error Analysis for Propeller Atlas Across Four Quadrants[J].Journal of Marine Science and Application,2002,(1):52-59.

[5]马继先,陈源,陆振伟.船舶电力推进系统螺旋桨负载的建模与仿真[J].电子设计工程，2014,1(22):56-59.

[6]白志平.船舶液压推进系统设计与性能研究[D].大连:大连海事大学,2014.