船舶液压传动技术的应用与发展.pdf

机械制造 郝立华， 等 船舶液压传动技术的应用与发展 船舶液压传动技术 的应用与发展 郝立华。 吴鸣宇 大连海洋大学 应用技术学院 。 辽宁 大连 1 1 6 3 0 0 摘要 论述了船舶各主要部分中液压技术的应用与发展现状， 特别在船舶辅机和特种机械， 如舵机、 锚机、 起货机、 减摇鳍、 可变距推进器等上的应用。时船舶液压用工作介质作 了阐述， 对船 舶设 备液压化的发展前景作 了探讨 与展 望。 关键 词 船舶辅机 ； 液压 系统 ； 船用液压介质 中图分类- - T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 1 ． 5 2 7 6 { 2 0 1 5 0 6 ． 0 0 3 3 ． 0 2 Ap pl i c a t i o n a nd De v e l o p me n t o f M a r i ne Hy dr a ul i c Tr a n s mi s s i o n Te c hn o l o g y HAO L i h u a ．W U Mi n g y u A p p l i e d T e c h n o l o g y C o l l e g e o f t h e D a L i a n Oc e a n U n iv e r s i t y ，D a l ia n 1 1 6 3 0 0， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r d is c u s s e s t h e a p p li c a t i o n a n d d e v e l o p me n t s t a t u s o f ma i n h y d r a u l ic t e c h n o l o g y o n b o a r d s h i p ，e s p e ciall y i n ma r ine au x i l iar y ma c h i n e r y an d c on s t r u c t i o n ma ch in er y，f o r e x amp l e，t h e a p plica t ion o f s t ee r in g e ng i n e ，wi n d l a s s，wi n c h，an t i r ol li n g f in，v ar i a ble pit c h pr o pe l ler a n d S O on． An d it als o d e s cr i b e s t h e s h ip h y dr au li c med i u m a n d s u ms u D t h e pr o s p e c t o f h y d r a u l ic s h ip e qu i p men t ． Ke y wo r d s ma ri n e a u x i li a r y ma c h in e r y ；h y d r a u li c s y s t e m；s h i p h y d r a u l ic me d i u m 0 引言 船舶是一种水上建筑， 具有环境条件特殊、 类型多、 系 统复杂 、 技术含量高 、 投资巨大 、 使用周期长、 船上可利用 空间有限等特点， 因此许多设备无法应用在船舶上。最初 液压系统仅应用在舵的操控、 军舰火炮 回旋等几个方 面⋯。但随着液压技术的发展 ， 特别是由于液压传动的 体积小、 质量轻 ， 当突然过载或停车时． 不会发生大的冲 击， 而且易换向、 操纵控制简便 ， 自动化程度高等优点 ， 使 其应用在船舶上的领域越发广泛， 逐渐成为船舶上不可缺 少的一部分。 1 船舶辅机 中关键液压传动技术 船舶要求辅机具有较轻的质量指标和较好的控制品 质， 而在现代超大型船舶和海洋工程 中． 需要与之相适应 的大功率 、 高效率的液压传动系统， 所以在船舶辅机和特 种机械上， 如调距螺旋桨、 舵机、 可变距推进器、 锚机、 起货 机、 减摇鳍上船舶采用液压传动技术 日益增多， 论述如下。 1 - 1 调距螺旋桨液压系统 船用可调螺距螺旋桨 简称调距桨 由桨叶、 桨毂机 构、 配油器 、 液压系统及 电子遥控系统等五大部件或系统 组成 。调距桨是集机一 电一 液为一体的典型复杂系统． 而 液压系统是其重要组成部分。其原理如图 1 [ 2 所示 由油 泵 1 泵出高压油， 通过电液伺服阀 2 、 P I D反馈控制模块 3 l 一液压泵； 2 一 比例阀； 3 一P I D控制块 ； 4 一指令信号； 5 一伺服油缸； 6 一驱动质量块； 7 一位置传感器； 8 一外负载 图 1 船舶驾驶调距桨主推液压控制 系统原理 图 及指令信号 4实现闭环反馈控制 ， 使方向和油量都精确受 控制的高压油输入到位于螺旋桨桨毂中的伺服油缸 5中， 并通过转叶机构， 驱动桨叶， 保证外负载 8在全正车和全 倒车范围内， 无级调节螺距角。 采用液压传动系统。 可对螺距角进行任意角度的调 距控制 ， 而对于任一规定的螺距角， 主机驱动的某一转 速运转的螺旋桨 ， 可将吸收的扭矩转化为前进的力或倒 退的力。而且调距桨船的紧急制动较定距桨船缩短制动 距离 3 0 ％ 5 0 ％ 调距桨船可在零至最大航速问无级调 速， 具有优 良的低速性能， 从而显 著提高 了船舶操纵机 动性能， 给作业工况 ， 离靠码头、 通过狭窄航面带来莫大 的方便与安全 ， 特别是把螺距 角从全正车调节到全倒 车， 即可实现船舶的紧急制动， 不需要主机反转 ， 这对于 不可倒车的燃气轮机动力装置的船舶来说 ， 具有特别重 要的意义。 基 金项 目 辽宁省教 育厅科学研究一般项 目 L 2 0 1 3 2 8 2 作者简介 郝立华 1 9 6 1 - ， 女， 辽宁大连人， 教授， 研究方向为液压与气动技术。 Ma c h i n e B u i l d i n g 8 Au to ma t io n ，De c 2 0 1 5 ， 4 4 6 3 3 3 4， 4 5 3 3 机械制造 - 郝立华． 等 船舶液压传动技术的应用与发展 1 ． 2 船舶舵机 液压 系统 现代化大型船舶广泛应用液压舵机 ， 其主要包括 转 舵机构、 液压系统与操舵控制系统。转舵机构的作用是将 液压能转换成机械能， 推动舵叶转动。液压系统的作用是 向舵机提供足够的液压能， 并设置所需的保护和控制装 置。通过液体的不可压缩性． 而控制流量、 流向来达到操 舵 的 目的。 其工作原理可见图 2 ， 通过液压换向阀 1 控制转舵油 缸 2的转向， 并通过伺服油缸 4和电气控制系统 3中舵角 指示器的发送器等、 进而控制舵柄、 反馈杆、 舵杆机构实现 自动控制转舵角度， 在 目前实际应用中， 为解决大流量的 供油不足， 可设储能器， 实现大舵角操舵一次性到位， 油泵 持续大排量供油并提高转舵速度。 1 一 电磁换 向阀； 2 一转舵油缸 ； 3 一 电气控制系统 ； 4 一伺服油缸 图 2 舵 机系统简化原 理图 在液压舵机系统中， 我国与国外发达国家还有一定的 差距 。 目前 国外舵机普 遍设置 了两套液 压系 统 。 且 具有 人 工和自动隔离装置 ． 并且阀控型舵机的应用功率范围在扩 大 ， 性能也在改善。特别是新型液压阀件也开始用于液压 舵机中。 如 日本川崎泵控型舵机的液压系统使用了逻辑 阀， 丹麦狄沙麦润四缸活塞式舵机的控制系统中使用了比 例方向阀， 取消了机械追随机构 ， 从而转舵精度大大提高 ， 相比较普通电磁换 向阀控制精度提高了两倍以上。 1 ． 3 船舶液压推进技术 船舶主推进系统采用液压推进技术 图 3 ， 取消了主 轴的直接连接方式， 螺旋桨的最低转速以及最大扭矩将不 再受主机限制， 传动平稳， 振动小， 磨损少； 在不改变柴油 机转速与转向情况下， 即可实现螺旋桨的调速和换向， 并 且通过流量的控制可以实现无级调速 ． 因此螺旋桨与主机 可获得非常优良的工况配合特性。 如图 3所示， 主机 1与变量泵 2刚性连接， 随着主机 转动 。泵 2将机械能转化成液压油 的压力能 ， 驱动变量定 向马达 1 0做回旋运动， 马达 1 O与螺旋桨 1 1刚性连接。 单向阀6用来实现对封闭式系统低压侧的补油。 而哪一侧 为低压侧视变量泵 2斜盘倾角方向而定。溢流阀 7组成 安全阀， 防止系统过载， 起安全保护作用。溢流阀 5限定 了补 油泵 3的补油 压力 。溢 流 阀 8经液 动换 向阀 9用 以 限定低压侧的压力， 在需要时可排除系统杂质并散热。 3 4 1 一 主机 ； 2 ～变量泵 ； 3 一 补油泵 ； 4 一过滤器 ； 5 一溢流 阀； 6 一 单向阀 ； 7 一安全 阀； 8 一溢流阀 ； 9 一液控换 向阀； 1 0 一 变向定量马达 ； 1 1 一螺旋桨 图 3 液压推进设备传动原理图 采用液压推进后 。 通过液压 马达可使几 台柴油机 的功 率供给一个螺旋桨， 功率汇集非常容易， 适合大功率传动， 而且整个动力装置的质量和尺寸都大大减小， 同时由于柴 油机与螺旋桨之间没有轴系连接， 主机可以根据需要安装 于机舱任何位置， 使机舱布置灵活． 另外通过溢流阀可以 很好地解决螺旋桨负载突增或者堵转时的系统保护问题 ， 提高系统安全可靠性。目前开展船舶液压推进研究已逐 步成为 国际相关领域 的关 注热点 。 1 ． 4 其他液压系统 锚机安装在船舶首艉部主甲板上， 供舰船起锚、 抛锚、 系缆时使用。目前大部分采用液压起锚机， 并附有液压泵 站 ， 与液压传动系统相连接时。安装中要保证锚链与链轮 的包角为 1 1 7 。 ～1 2 0 。 ， 按锚链直径在 d 1 2 ～ d 1 2 0 mm 其技术 指标 、 除锚链直径、 起锚公称速度外 ． 应考虑液压系统的额 定载荷 、 支持负载、 无极变速系统等。 船舶起货机应有足够的功率， 反转或换向， 调速和限 速， 制动和锁紧等技术要求， 所以船舶大部分采用液压起 货机。液压起货机主要分为开式系统和闭式系统， 开式系 统， 其结构简单， 散热好， 可用一台油泵驱动几部机械， 但 油泵必须有良好的自吸能力或浸没式布置。闭式系统 即 是油马达排油返回油泵的吸入口， 油在油泵和油马达之间 形成封闭的循环。其结构复杂， 散热差， 不能用一台油泵 驱动几部机械； 采用双向变量泵易于实现换向和容易调 速， 能实现再生限速。 经济性好。 减摇鳍是 目前效果最好的减摇装置， 又称侧舵， 通过 操纵机构转动减摇鳍 ， 使水流向上产生作用力． 从而形成 减摇力矩， 减小摇摆， 以便减少船体横摇， 目前在实船应用 中， 也有将液压传动技术应用其中。 2 船用液压 系统工作介质 船舶液压工作介质可分为可燃型液压油 矿物油型、 合 成烃 、 阻燃型液压油 水一 乙二醇型、 合成型等 以及专用液 压油三大类。因此根据船舶液压系统的工作压力、 工作环境 及工作抗燃、 抗凝要求选择合适的船舶液压工作介质_ 4 ] 。 目前， 国内船舶液压系统中大部分工作介质采用矿物 油型液压油以及专用液压油。矿物油型液压油有许多优 点， 其主要缺点是具有可燃性 ， 属于石油产品危险等级第 下转 第 4 5页 h t t p ∥Z Z H D ． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． o n E - m a i l Z Z H D c h a i n a j o u r n a 1 ． 1 l e t ． o i l 机械制造与自动化 机械制造 - 黄群 ， 等 高速铣 削过程刀具加 工路径的选择和优化技 术 针对两镜像对称的三角孑 L 竖边之间的直壁面， 右三角 孔为逆时针走刀时， 向变形出现了明显 的波动 云图出 现不同的色块 ； 右三角为顺时针走刀时， 向、 Y向变形都 分布均匀。从数值上看 ， 各种铣削路径下， 右三角采用顺 时针， 各轴 向变形 的最小值及最大值 都要 小于逆时针 加 工。 因此后加工三角孔 的铣 削采用顺 时针 走刀 路径将 更 有利于变形的均匀分布， 而先加工的三角孔的走刀无论是 顺 时针还 是逆时针 ， 对变形的影响不大 。 3 结语 将陀螺台体的薄壁铣削分解成三个模型， 通过对这三 种模型的有限元仿真以及对仿真结果的分析 ， 得到以下 结论 1 对于三角槽铣削模型， 逆时针走刀时， 各轴向的变 形值均小于顺时针走刀路径， 变形分布也更为均匀， 因此 逆时针走刀路径相比于顺时针更优。 2 对于圆孔铣削模型， 由内到 l - ／ J时针、 由内向外逆 时针这两种走刀路径对于变形的影响类似。 并没有明显的 优劣 。 3 对于两个三角孔铣削模型， 后加工三角孔的铣削 采用顺时针走刀路径将可获得较小的变形值以及更均匀 的变形分布， 而先加工的三角孑 L 的走刀无论是顺时针还是 逆时针， 对加工变形的影响不大。 参考文献 [ 1 ]程志刚 ，王巧生 ，王成勇． 模具高 速加工 中的走刀路 径策略 [ J ] ． 模具制造 ，2 0 0 6， 8 6 1 6 4 ． [ 2 ] 刘玉梅． 薄板件切削回弹变形机理及装夹优化方法研究[ D ] ． 山东大学 ． 2 0 1 2 ． [ 3 ]王立涛 ， 柯映林 ，黄志 刚 ， 等 ． 航空结 构件铣 削残余应力 分 布规律的研究 [ J 1 ． 航空学报 ，2 0 0 3 ，2 4 3 2 8 6 ． 2 8 8 ． [ 4 ]刘 学武 ． 大型复杂 钢结构施工力学分 析及应用研究 [ D] ． 北 京 清华大学 ． 2 0 0 8 ． [ 5 ]杜茂华 ， 庞新福． 二维正交铣削加工有限元仿真分析[ J ] ． 机 械 与电子 ，2 0 0 8 ， 9 7 ． 1 0 ． 收稿 日期 2 0 1 4 0 40 2 上接 第 3 4页 四级。在接近明火 、 高温热源以及其他易发生火灾的地 方， 有着火的危险。阻燃型液压介质由于具有良好的抗燃 性。 能降低火灾的蔓延以及扩散， 已经广泛地应用于国外 船舶行业热源附近或易发生火灾的液压系统中。相 比同 等粘度的矿物油 ． 阻燃型液压介质的润滑性能较差， 因此 在高压系统中一般不使用阻燃性液压介质。使用阻燃性 介质的液压系统液压泵必须降压使用， 同时还需注意材料 的适应性， 选用和液压液相容的材质。 3 信息及诊断技术在船舶液压 中的 应用 由于船舶的工作环境恶劣， 所以其液压系统极易出现 故障， 而对故障诊断技术 目前应是船舶液压化的主要发展 方向， 特别是随着信息技术、 大数据技术、 传感器技术的发 展， 不断有新的技术将应用到船舶液压传动之中。 目前在非线性建模中普遍采用的神经网络技术， 可进 一 步应用到船舶液压系统的诊断技术之中。可先将对液 压流量、 功率、 压力等技术参数输入到神经网络模型之 中， 然后对该模型进行训练， 在预测易发生故障的的基础上， 建立相应的物理模型及故障诊断规律． 并最终输出故障单 元。特别是 目前生物传感器、 智能传感器的发展 ， 在远洋 船舶、 甚至是深海潜艇的应用中， 更突显出故障诊断技术 的重要性， 成为船舶液压化的一个重要发展方向。 4 结论与展 望 由以上分析可以看出， 船舶传动技术正朝着液压化方 向发展， 在不久的将来液压系统将会成为船舶辅机不可分 Ma c h i n e B u i ld i n g日Au t o m a t i o n ， De c 2 0 1 5 ，4 4 6 4 2 ～ 割的一部分． 并将更广泛地应用在船舶辅机及其特种设备 上， 但 目前还需在以下几个方面做深人研究 1 在船舶辅机的液压设计方面， 应进一步优化液压 油路及结构设计， 例如， 在满足船舶舵机及主推液压系统 船舶航行标准的基础上， 应进一步探讨驱动装置的同步问 题 ， 主机与舵机及螺旋桨的功率匹配等问题。 2 在船舶液压化的发展方面 ． 为进一步提高船舶辅 机及特种机械的操纵精度 ， 可进一步讨论将液压比例、 液 压伺服技术应用于实船的船舶辅机及特种机械上。 3 在船舶液压介质 的应用及液压故障故障诊断方 面。 可与信息技术及传感 、 控制技术相结合， 解决 目前船 舶液压 技术 中存在 的关键 问题 及设备 的可靠性 与安 全性 。 总之， 随着大力发展远洋航运技术巨大需求 ， 船舶液 压技术作为实船中的主要传动与控制系统， 其技术水平 直接限制了船舶、 远洋航运技术 的发展。因此 ， 可把船 舶液压技术上升为一项船舶工业中的核心技术， 以船舶 液压化为目标 ， 以机械工业以及 电子技术为基础， 提升 我 国远洋航运 开发的技术 与水平 。 参考文献 [ 1 ]菊地忠雄． 船舶液压化 [ J ] ． 油压技术 ， 1 9 7 6 ， 1 5 7 4 7 - 5 9 ． f 2 ] 陈燕平， 汪华， 李杨． 船用主推调距桨装置液压系统仿真研 究 [ J ] ． 机电设备 ， 2 0 1 0 ， 4 3 3 ． 3 5 ． [ 3 ]阎欣． 船舶综合液压推进系统设 计及动态仿真[ D] ． 辽宁 大 连海事大学硕士论文 ． 2 0 0 6 ． [ 4 ]林锐 ， 曾荣辉 ， 陈捷． 船舶 液压系统工作介质 的选择与[ J ] ． 流 体传动与控制． 2 0 1 0 ， 5 4 2 3 5 ． 3 6 ． 收稿 日期 2 0 1 4一O 6 一l 1 45