减摇鳍减横遥系统设计

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哈尔滨工程大学硕士学位论文减摇鳍减横遥系统设计姓名：杨林申请学位级别：硕士专业：项目管理指导教师：彭秀艳2011-06-16 减摇鲭减横摇系统设计摘要在船舶运动控制领域中如何更好的减小船舶横摇是一个非常重要的研究课题。船舶减摇鳍作为一种主动式减摇装置被广泛应用于船舶工程中。现代船舶能够不断增长使用寿命，提高其耐波性，这与减摇鳍技术的不断发展提高有着密不可分的关系。减摇鳍在船舶上的应用，可以为乘船人员提供一个非常舒适良好的生活空间，能有效改善船用设备的工况。特别是在军用舰船领域方面的应用，减摇鳍能够使舰船在更加恶劣的海况中航行并有效提高舰船的战斗能力。本文对减摇鳍的控制系统、电液随动系统和鳍三大组成部分及关键零部件进行了功能特性分析。提出了减摇鳍系统设计的技术指标和要求。根据减摇鳍系统的设计指标和要求，对减摇鳍系统的控制系统、电液随动系统和鳍进行了详细的功能设计和结构设计。论文分别对所设计的鳍、电液系统、船舶横摇运动、海浪干扰和控制系统进行了建模分析，仿真分析验证了每个设计部分的可行性，验证其满足了船舶减摇的需求，可以达到很好的减摇效果。论文采用台架试验环境对减摇鳍系统的静态、动态参数的测试试验；采用无源加载系统对机械组合体的转鳍力矩进行试验验证。对液压随动系统各项技术指标进行考核。本文通过结合理论分析和工程应用试验，验证了本减摇鳍设计方法是合理可行的。关键词：船舶减摇；减摇鳍；PID控制；液压； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 减摇鳍减横摇系统设计AbstractHowtodiminishship—buildinglateralrockingintheShip—buildingControllingfieldmoreproperlyisaverysignificantsubjecttostudy．Asanactiveanti—rollingequipment，ship—buildingfinstabilizerisappliedintheShip—buildingprojectmorebroadly．ModemShip—buildingisabletoincreaseitsavailableageanditsseakeeping，whichishighlyconnectedwiththeincreasinglydevelopmentoffinstabilizer．InthefieldofShip—building，theapplicationoffinstabilizecanprovidepeopleontheshipwithaverycomfortablespacetoliveandcarleffectivelyimprovethesituationofship—usingfacility，especiallyintheapplicationofShip—buildingfieldformilitaryuse．finstabilizeisabletomaketheshipavailablenomatterhowterribletheenvironmentisandincreaseitsbattleability．Thisdiscourseanalysesthecontrollingsystem，electrohydraulicservosystem，andfin，thesethreecomponentsaswellassomeimportantaccessoryaccordingtotheirownfunctions，yieldingtheguidelineandpersuasionofthedevisedsystemoffinstabilize，accordingtowhichthisdiscoursebringsforwardtheparticularfunctionalandconfigurationdeviseofthecontrollingsystemoffinstabilize，electrohydraulicservosystem，andfin．Thisdiscourseappliedmodelinganalysestothedevisedfin，electrohydraulicsystems，rollingmotionofship—building，waveinterferenceandcontrollingsystemandtoeverycomponentsthathavebeendevisedbycounterfeitanalysis，provingthatithassatisfiedthedemandofrollstabilizationandtherealeffectofrollstabilization．Thisdiscourseappliesthetestingforthestationalandemotionalparameteroffinstabilizeinthetestingcircumstancewithstandaswellasteststhefinrotationmomentofmechanism’Sassemblybyunpowerloadingsystem．Italsoteststheguidelineofeverytechniqueofelectrohydraulicservosystemandprovesthisapproachofdevisingthefinstabilizeisrationalandproperbycombiningtheoreticalanalysisandproject—appliedexperiment．Keywords：ShipStabilizing；FinStabilizer；PIDControl；Hydraulic 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1章绪论第l章绪论1．1课题研究的背景和意义船舶对于很多国家来说都是重要的交通及运输工具，而我国又是世界造船大国之一。船舶制造业是我国国民经济建设的重要组成部分。随着人类社会的不断发展进步，工业及科技技术的不断革新，人们对生存环境和生活质量的要求逐渐由实用型向舒适型转变。就船舶而言，人们对其航行的安全性、乘坐的舒适性较以往提出了更高的要求。船舶在海上航行时，受到海风及海浪的影响，会产生横摇、首摇、纵摇等各种摇摆运动。其中由于船舶的横摇阻尼较小，往往会产生很大的横摇运动，这种摇摆运动会对船舶的安全性造成非常严重的影响。在所有发生的海难中大部分的直接原因都是船舶产生了大幅度的横摇；横摇必然会对船用设备的正常使用产生影响，损害船上的货物；它还会影响人员的适航性，当横摇角度超过4。时，人的运动能力会明显下降；超过10。时，人在船上行走、用餐也会产生困难。根据鱼鳍在水中保持平衡的仿生原理研制设计的减摇鳍，它是一种能够减小船舶在风浪中的横摇幅度的集机电液于一体的特种装置。研制的目的就是为了在船舶上安装并使用减摇鳍后能提高船舶的安全性和舒适性，适应了社会发展的需要。1．2国内外研究现状减摇鳍这一概念最早出现在1889年，是由约翰·I·克罗夫特提出的。日本的元良信太郎第一个将减摇鳍工程化，他在1923年设计并生产了一套减摇鳍，在“莫桑·玛鲁”号内燃机船上成功运用，起到了很好的减摇效果。减摇鳍的广泛应用是从1935年开始，英国的一艘2200吨的海峡渡轮上安装了由布朗兄弟公司设计制造的减摇鳍。1961年，英国的“苏格兰公主”号火车渡船上安装了由丹尼一布朗公司生产的AEG型减摇鳍，1971年至1974年这三年多时间里，丹尼一布朗公司制造了120套AEG型减摇鳍。上述减摇鳍均为非收放式减摇鳍。1956年，美国Speery公司研制出收放式减摇鳍，在“蒙脱莱”号商船和“玛丽波莎”号商船上得到成功应用，这种收放式减摇鳍的减摇性能明显优于传统的非收放式减摇鳍。发展至今，在世界范围内减摇鳍技术得到了很大发展，很多国家都在广泛使用减摇鳍。我国的减摇鳍研制工作起步较晚，是从上世纪60年代初才开始的。1966年，哈尔滨工程大学设计生产出了国内首台减摇鳍样机，并顺利完成了该样机的台架联调试验和航海试验，取得了很好的试验结果，获得了大量宝贵的试验数据。1975年，完成设计和相关试验的ND(62)型减摇鳍被海军首次批准定型后，随即投入了生产并装备军舰。1981年，NJ4型减摇鳍完成海上试验后被海军再次批准定型。1986年结束研发工作成 哈尔滨工程大学硕士学位论文功通过航海试验的NJ5型减摇鳍被海军又次批准定型。这些都是减摇鳍在军船运用方面取得的辉煌成绩。在民用方面，这些年也是累累硕果，减摇鳍在很多各种用途的大中型船舶上都有很广泛的使用。目前从事减摇鳍设计研究和制造的单位和个人越来越多，这对国内减摇鳍产业的快速发展是非常有好处的。迄今为止，世界上主要使用的船舶减摇装置有以下几种：1、舭龙骨如图1．1所示，舭龙骨是固定于船体舭部的鳍状板。当船舶受海浪的作用发生横摇时，舭龙骨可以改变船体周围的流场，使船舶增加横摇阻尼，以此达到减小船舶横摇的目的。它虽然会增加船舶的航行阻力，但很小，而且它结构简单，有明显的减横摇效果，并且适合于各种船舶的安装，使其成为世界上最简单、应用最广泛的减摇装置。图1．1舭龙骨示意图2、减摇水舱如图1．2所示，减摇水舱对称设置于船体两侧，并在水舱内注入一定量的水。当船舶发生横摇时，减摇水舱内的水会从船体的一侧流向另一侧，在此过程中使船舶产生一个可以抵抗横摇的稳定力矩，以此来达到减小船舶横摇的目的。因为它需要占用船体较大空间，所有装船要求较高。3、舵减摇图1．2减摇水舱示意图2 第1章绪论船舶在转舵时会产生横摇力矩，利用这一特性，当船舶发生横摇时通过操纵舵来产生一个抵抗力矩，通过此举以达到减小横摇的目的。因为用舵减摇时，对转舵的频率要求较高，所以会增加其机械部分的负荷及磨损。4、减摇鳍如图1．3所示减摇鳍对称安装于船体的舭部。利用鱼鳍的生物原理，在船舶发生横摇时转动鳍产生抵抗力矩，起到减小横摇的目的。减摇鳍是目前减摇效果最好的一种减摇装置，其结构形式分为收放式和非收放式两种。图1．3减摇鳍示意图1．3论文主要工作及结构安排本论文根据实际工程需要，以减摇鳍为研究对象，核算减摇鳍装置主要零部件的设计、选型的各项重要参数，选择工程中应用最广泛的控制方法进行控制器设计。通过建模分析和试验验证，来粗浅研究减摇鳍设计的可靠性。论文分为四章进行阐述，具体介绍如下：第一章，绪论。阐述了本课题的研究背景和意义，以及国内外减摇鳍装置的研究历史与现状。第二章，减摇鳍系统功能特性分析。对减摇鳍系统的控制系统、电液随动系统和鳍分别进行了功能特性分析，明确了减摇鳍系统的设计方向。第三章，船舶减摇鳍设计。对减摇鳍系统的控制系统、电液随动系统和鳍分别进行 哈尔滨工程大学硕士学位论文设计，详细核算了减摇鳍主要零部件的关键设计参数，描述了减摇鳍功能性设计。第四章，减摇鳍系统建模分析与控制设计。对设计好的控制系统、电液随动系统和鳍进行建模分别。对减摇鳍的控制方法进行PID设计，仿真验证该控制方法实用有效。通过试验验证减摇鳍系统设计合理可行。最后，结论部分对本论文所做的工作进行了总结。4 第2章减摇鳍系统功能特性分析第2章减摇鳍系统功能特·I"-b分析减摇鳍作为提高船舶适航能力、改良装船设备工况、改善船上人员乘船条件的重要船用设备，装置本身的设计可靠性和运行稳定性也就显得尤为重要了。在设计之前对减摇鳍系统进行功能特性分析，明确系统中各关键部位及部件的设计需求是非常有必要的。表2．1综合对比了几种常用减摇装置的主要减摇性能指标。通过对比可以看出，各具优缺点，其中舭龙骨的造价最低，减摇鳍的减摇效果最佳。同时还可以看出，深入研究减摇鳍系统设计是非常具有意义的。表2．1常用减摇装置的性能指标对比减摇鳍系统主要由控制系统、随动系统和鳍三大部分组成，如图2．1所示。当减摇鳍系统处于减摇工作状态时，控制系统负责采集和处理包括船舶横摇、航速，系统自身工作、故障等信号在内的多种系统控制所需要的信号，根据控制规律将处理结果转换成控制指令发送到随动系统，随动系统将接收到的电控信号转换成执行系统所需的液控信号，执行系统(鳍)接受控制指令，按要求转动一定角度，在流体动力作用下，由鳍产生一个稳定力矩来抵抗波浪力矩对船舶的作用，从而实现减小船舶横摇的目的。 图2．1减摇鳍工作原理示意框图2．1控制系统功能特性分析控制系统的工作原理如图2．2所示。图2．2减摇鳍控制系统工作原理框图仁信左争礁麟雠鹪始晰存潜开镧块运跏嘞蜮航誊址剐、勃发引量变并删度惠澳故运一一一一蛐销鞑虽一一一一撕仪刊角鲫程彦的 第2苹减摇鳍系统功能特性分析得出的控制信号送至各路随动系统，以完成减摇鳍控制工作。一、角速度传感器角速度传感E40n,|J量船舶的横摇角速度。当船舶受海浪的作用而发生横摇时，放置在控制操纵箱内的角速度传感器就会测量出船舶的横摇角速度，并以电压的形式输出该角速度信号。它是减摇鳍控制系统中正确控制鳍工作的基础元件。它的线性度、输出梯度、零位及稳定性、可靠性都将直接影响到减摇鳍系统的减摇效果和稳定可靠性。二、微机控制模块减摇鳍控制系统的微机控制模块通过数字软件控制数学模型来完成PID控制、航速灵敏度调节、浪级灵敏度调节、控制信号管理及信息传递。微机控制模块是控制系统的核心部件。三、模数转换模块模数转换模块对船舶横摇角速度信号进行数字转换，对输出的控制信号进行数模转换。模数转换模块是控制系统的重要部件。四、综合控制模块综合控制模块主要完成对所有鳍的逻辑控制、动力损管报警、鳍角复示等功能。2．2电液随动系统功能特性分析如图2．3所示，减摇鳍电液随动随动系统主要由随动箱、液压控制装置、鳍机械组合体三大部分组成。其中随动箱内包含有综合复示、功放限位和控制转换三大核心模块。随动箱接受减摇鳍控制系统发出的控制信号后，首先送到综合复示模块，该模块将对这些控制信号进行隔离、放大、综合和校正后，送到功能限位模块对其进行功率放大。液压控制装置将放大的控制电信号通过电液伺服阀转换成液控信号并对其进行放大。放大后的液控信号作为液压变量泵斜盘变量液压缸的推动力，以此来对轴向柱塞泵的输出流量进行控制。机械组合体上的液压缸根据柱塞泵向其注入液压油的流量和流速，进行运动方向改变和速度增减，摇臂因此产生联动，使鳍按照控制要求进行转动。为了实现减摇鳍鳍角的闭环控制(及鳍角负反馈)，使用位移传感器将变量泵的斜盘转角信号反馈到控制转换模块；使用鳍角反馈电位器把鳍转角信号反馈至综合复示模块，使其与输入的控制信号进行比对。 哈尔滨二[程大学硕士学位论文随动箱液压控制装置鳍机械组合体j一。一一⋯’‘一一’一一一一⋯’’一一‘一。一一一j‘’一‘’’一‘‘一一一‘一’一一一一‘一‘。。‘。4’l一一一’‘一一。‘。‘’。’。’⋯。一一一j隔U综合髟功阀挎梭正放Il乜液敏缶f：变x变Qy转鲭y《恩液压螭●一限伺服量机*离复示闷祭缸位构U崾％盘位反{；：Il鲒角反馈L一综合复示模块图2．3减摇鳍电液随动系统工作原理框图综合复示模块将控制系统发送的控制信号隔离、放大后与机械组合体反馈的鳍角信号进行综合并校正，并发送给功放限位模块。同时综合复示模块将反馈的鳍角信号放大后分别送到控制操纵箱和鳍角复示板。二、功放限位模块功放限位模块将综合复示模块综合、校正后的信号进行功率放大。并将功放后控制电信号送给液压控制系统的电液伺服阀，以实现液压控制系统的控制。三、控制转换模块控制转换模块主要承担随动系统的启动和停止，使系统的启停能够按照设计的程序和延时时间有条不紊的进行。四、液压控制装置及机械组合体液压控制装置完成控制信号的电液转换，将微弱的电控信号转换成液压控制信号，通过电液伺服阀控制轴向柱塞泵流量的大小和方向，从而控制机械组合体转鳍油缸的推拉方向和速度。油缸又通过鳍轴将动作传递给鳍，使鳍发送转动从而产生一定的升力或反向升力，使舰船产生升摇或减摇。液压控制装置的工作原理如图2．4所示。 第2章减摇鲭系统功能特性分析图2．4减摇鳍液压控制装置工作原理图根据液压控制装置和机械组合体的工作特点，可以确定：在液压控制装置中，液压缸、驱动电机、泵和集装块等零部件是会影响装置正常工作的重要件。在机械组合体中，鳍轴、轴承和鳍箱等零部件是会影响机械组合体和鳍正常工作的重要件。2．3鳍功能特性分析鳍是最终完成船舶减摇的执行部件。如图2．5所示，由于鳍的外形和舵非常相似，剖面为翼型，平面投影形状为矩形或梯形，所以它的水动力特性也和舵非常相近。中小型船舶通常会采用非收放式鳍，而大型或经济价值高的船舶则可能会采用收放式鳍。由于鳍所具有的特定形状，决定了当鳍正反转到相同角度时，会对船舶产生相同大小的升力。根据减摇鳍的工作要求和使用环境，在对鳍型进行设计时，应该考虑它能够具有减摇升力大、航行阻力小、水压力分布均匀的特点。 哈尔滨工程大学硕士学位论文2．4本章小结图2．5鳍结构示意图本章详细分析了减摇鳍系统在实现减摇过程中控制系统、电液随动系统和鳍三大部分的功能和需求。同时对控制系统和电液随动系统中的关键、重要零部件进行更深一步的功能和需求分析。为后续的减摇鳍系统设计指明了研究方向。 第3章船舶减摇鳍系统硬件设计本文以某型收方式减摇鳍为对象对部分关键零部件的设计进行研究。该减摇鳍按一对鳍设计，安装于船体的#63一#71肋位舷侧，为后置式，即向船艉方向放出鳍。该型鳍如图3．1所示由控制系统、鳍角复示板、电液随动系统和鳍组成。。。i图3．1收放式减摇鳍局部示意图3．1收放式减摇鳍主要技术、性能指标减摇剩余横摇角幅值的平均值：<3。；减摇鳍使用航速范围：6Kn到最高航速；适用海情：8级以下；生摇摇摆周期：14秒；最大限位鳍角：22。±0．5。；归零鳍角：O。±0．5。；过渡过程时间：tp≤1．3S；超调量：o≤10％；振荡次数：N≤2；平均故障间隔时间：MTBF>1000h；两次失灵的平均时间：>6000h；平均维修时间：MTTR≤lh。v≯鬈渗一 哈尔滨工程人学硕士学位论文3．2控制单元选择与设计控制系统是整个减摇鳍系统的重要组成部分，它主要由角速度传感器、微机控制模块、模数转换模块、综合控制模块、可视化触摸屏、操作按钮等部件组成。主要负责控制指令的动态计算及其系统的监测控制，具体完成的减摇鳍系统工作有以下几点：(1)采集船舶横摇运动信号，计程仪航速信号，减摇鳍解脱、工作、故障等各类信号；(2)减摇鳍工作状态信号，提供给动力损管，包括系统综合故障信号，系统工作信号；(3)减摇鳍控制规律；(4)航速、浪级调节。当船舶在不同的航速时，自动改变最大工作鳍角，根据浪级情况进行控制器参数的动态调节。(5)减摇鳍逻辑操纵控制及系统监控指示。逻辑操控包括系统的肩动、停止、收鳍、放鳍、转鳍、归零等操纵控制：系统监控包括鳍角、故障、解脱等信息指示。一、角速度传感器选型设计作为减摇鳍控制系统的核心元件，选择CS61A一3型角速度传感器来完成船舶横摇角速度的检测元件。因为角速度传感器的线性度、输出梯度、零位及稳定性、可靠性都会直接影响到减摇鳍系统的减摇效果及稳定可靠性，所以应严格控制该角速度传感器的关键技术指标，所使用的CS61A一3型角速度传感器必须满足线性度≤O．5％，输出梯度300±30mW。／S，测量范围±200／S，寿命≥10000这几项技术指标。二、微机控制模块设计微机控制模块负责控制软件的运行及信号的采集监控，理应成为控制系统的核心部件。因为PC／104控制器具有尺寸小、开放的高可靠性工业规范、可自由扩展、能耗低、采用堆栈式连接、具有丰富的软件资源、可大大简化系统设计的复杂性等众多优点，采用PC／104嵌入式控制器作为系统控制模块是非常科学的。三、浪级灵敏度调节器设计浪级灵敏度调节器在减摇鳍控制系统中起着辅助作用。从所周知，任何机械装置如果长期处于满负荷工作状态，不但会对装置本身造成严重的损害，还会降低装置的工作稳定性。在减摇鳍系统设计时，会确定一个最高海况，并按照这个海况设计出减摇鳍的最：赶工作鳍角。在船舶航行时，减摇鳍遭遇到的实际海况随时都可能会达到或超过设计海况。这样一来，减摇鳍就经常会在鳍角达到极限值的状态下工作。因此产生的后果就是降低减摇鳍的减摇效果，增加液压系统的工作压力，加速减摇鳍机械装置的磨损。为 第3苹船舶减摇鳝系统硬件没计II了避免这种现象的发生，浪级灵敏度调节器会在海况超标时，自动降低控制系统增益，使鳍角的实际工作角度不会超过设计的最大角度，达到减摇鳍系统能够长期在额定范围内正常工作的目的。浪级灵敏度调节器引入了控制权因子九，调整控制器对干扰的灵敏度，以此来约束系统控制量的幅值，从而起到减小鳍角达到极限值概率的目的。入因子随浪级的变化而进行增减，改变它对鳍角衰减的强度，使鳍能够长期处于一种良好的工作状态。四、系统控制触摸式设计为了使减摇鳍控制系统具有一个良好的人机界面，该控制系统采用触摸屏的方式向用户提供一个可视化操纵界面，通过该界面，可以完成减摇鳍和各类逻辑操纵控制，同时通过可视化界面，实时动态指示系统的各类工作信息，包括鳍解脱、故障、工作状态、鳍角指示和故障声光报警。五、操作按钮设计“生摇／减摇”、“工作／停止”这两个按钮对减摇鳍的安全性有重要影响，它们的操作不受触摸屏的影响，并自带指示灯，明确指示相应按钮的工作状态。“生摇／减摇”按钮负责生摇和减摇工况两种运行模式的切换；“工作／停止”按钮对鳍进行工作和停止操作。该按钮还可以在触摸屏界面不能正常操作的情况下，确保鳍能够安全归零、收鳍并停机。3．3鳍角复示板的设计鳍角复示板预安装在驾驶室，船员可仅在驾驶室就能对减摇鳍进行监控。鳍角复示板也采用可视化触摸屏，其操纵、监控功能与控制操纵箱触摸屏相同。可以通过触摸屏操纵界面进行系统参数设置，调整两触摸屏的主从关系。以此增强减摇鳍控制系统的可操作性。3．4随动控制箱设计每个鳍都由一个独立的电液随动系统进行控制，该控制系统由承运箱、液压机组、机械组合体等组成。在控制系统发出的信号控制下，每个电液随动控制系统形成独立的控制操纵系统。考虑到单鳍控制和操纵的需求，单鳍电液随动控制系统的电气部分主要包括电液伺服阀、启动器、随动箱、鳍角传感器、电磁换向阀等部件。随动控制箱主要由综合复示模块、功放限位模块和控制转换模块组成，完成鳍信号的综合、控制规律计算和本地控制的实现，主要功能包括：(1)接收从控制系统传递过来的控制操纵指令，包括转鳍控制信号，鳍操纵信号； 哈尔滨工程大学硕士学位论文(2)向控制系统发送单鳍电液随动系统的工作信息、故障信息；(3)单鳍电液随动系统的信号综合与控制规律计算；(4)单鳍电液随动系统的逻辑操纵控制；(5)单鳍电液随动系统的性能测试。一、综合复示模块设计在对综合复示模块进行设计时，考虑动态特性检测装置，选用高性能的OP一07运算放大器。在使用该运算放大器前应对其进行的应力筛选，加强有关性能指标的考核。二、功放限位模块设计为了保证系统可靠工作，在设计功放限位模块时采用电限位，当主令信号和鳍角同时达到设定值时，输出信号将被限幅，而使鳍角控制在定值内，以达到保护减摇鳍系统的目的。用于功放限位模块的电器元件必须进行应力筛选，加强有关性能指标的考核。三、控制转换模块设计设计控制转换模块时，程序延时电路采用高性能的OP一0'7运算放大器，用于控制转换模块的电器元件必须进行应力筛选，加强有关性能指标的考核。四、操纵控制按钮设计操纵控制按钮包括“本地／远程”按钮、“应急”按钮、“转鳍／收放”切换按钮和“收鳍(正转)／放鳍(反转)”按钮等。指示灯用于指示单鳍电液随动系统的油温、油位故障、滤油器故障、鳍解脱、收鳍、放鳍状态。五、鳍角传感器功能设计鳍角传感器动态检测鳍角，作为单鳍电液随动控制系统的反馈信号。六、启动器功能设计设计两个启动器，一个完成液压系统的启动和停止，一个完成应急液压回路的启动和停止。3．5液压控制装置设计液压控制装置的作用是进行鳍指令信号的放大并与反馈信号综合，进行电液信号的转换，最终由收放鳍液压缸驱动摇臂收、放鳍，由转鳍液压缸驱动曲柄实现鳍的摆动。如图3．2所示，液压控制装置主要包括双轴伸电机及其带动的轴向柱塞泵和辅泵、应急泵、油箱、冷却器、集装块堆、阀件、滤油器、压力表以及单个鳍随动系统的电控部件——随动箱和磁力启动器。为了便于安装和维护，将液压控制装置的有关设备和元器件集中组装在一个支架上，使其形成一个相对独立的液压系统。为保证液压控制装置的安全运行，设置了最低油位、油温超限和供油压力超限的声 第3章船舶减摇鲭系统硬件设计光报警装置。图3．2液压控制装置结构图液压控制装置设计的技术要求为：单鳍面积为8．5m2，鳍的最大摆角0max=22。，最大转鳍力矩Mmax=10300kgf．m，转鳍臂长L=0．32m，横摇周期T。=14s。3．5．1动力机构的最大输出力动力机构的输出力为F：坠：塑兰婴：3．22×105Ⅳ(3一1)￡0．32因动力机构驱动时还要受到摩擦力和其他T扰，在确定其输出力时应留有足够的余量，取动力机构输出力的安全系统n=1．4，所以动力机构的最大输出力设计为：f。。=，2×F=1．4×3．22×105=4．5×105N(3—2)3．5．2液压动力机构的最大速度液压动力机构驱动转臂旋转，折算到液压缸上的最大行程为1S 哈尔滨工程大学硕士学位论文，)7smax=9mx×三=_二3二=6二_0×2万×0．32=0．123m取液压缸的行程S。。=150mm(3—3)假设液压动力机构按照正弦运动，取∞。。。。=三，则动力机构在最大角频率下的正弦运动规律为s=&。。×sin(∞r)=0．13xsin(4r]在此情况下运动的最大速度为‰。。=s⋯×∞姐13×三-0．102m／J(3--4)(3—5)为了保证一定设计裕量，取Vm。。=O．12m／s。则在此情况下动力机构的运动速度,i]DH速方程分别表示为y=Vm=×COS(<00=0．12xcos(4r](3—6)口=口。。。×sin(国r)=0．11xsin(三r)c3—7，3．5．3负载轨迹假设负载仅为惯性负载和粘性负载，动力机构最大输出力对应最小周期下的负载力，则此情况下的负载轨迹方程为斟+㈢=，在此负载轨迹下，最大功率点出现在(t，圪)处，其中F一怛F叱一1／2』1”1f1吃2√互‰对应于液压动力机构来说，最大功率点出现在．{1≥s，√易。)点。(3—8)(3—9)(3一10) 第3苹船舶减摇鳝系统埂件设计3．5．4液压缸的选型计算假设能源压力为e=20MPa，则液压缸的最小作用面积为‰n=等=器以25枷～朋2泞⋯‰r下一面万矿叫z蹦川朋(3—11)液压缸采用双出杆，假设活塞杆的直径d为活塞直径Da-#2_～，则液压缸的作用面积A=罟D2，所以活塞的最小直径为D⋯=√等=6x2．25x10-2一一。舶6m∽㈦选取D=200mm，d=100mm的液压缸，则液压缸的作用面积42署(D2一d2)=孔22_0．12)_2．356×10～聊2睁13)液压缸的作用面积A>Amin，所以该液压缸满足设计要求。3．5．5泵的选型计算根据液压缸的尺寸以及动力机构的运动规律，动力机构中泵的最大输出流量为Q=AX％。。=2．356X10～X0．12=2．827X10。3朋3／s=169．63L／min(3—14)假设电动机的定额转速为咒。=1450rpm，则泵的最小排量dpmln=罟=等芋=“7删，㈣㈣一百一—i万一_1¨删"¨1副选取由美国萨奥一丹佛斯一大金公司生产的闭式系统90系列排量d。：130m，／r的轴向柱塞变量泵，则泵的额定流量为蜴=188．5L／min=3．14×10～m3／s(3—16)3．5．6电动机的选型计算电动机的输出功率只需大于负载轨迹的最大功率点即可，设从电动机到液压动力机构输出的总效率(包括电动机的功率、泵的容积效率、机械效率)为n=0．75，则电动尸：等：壁r／生：塑掣075卅胀∥∽⋯77．LJ一上fJ 哈尔滨二[程大学硕士学位论文以此选择额定转速，z，=1450rpm，额定功率尸，=45KW的三相异步电动机。3．5．7收放鳍液压缸的选型计算假设收放鳍过程中，鳍所受到的阻力为Fz=4T=4×104N，阻力作用点距离机械组合体收放鳍中心点L。=3．25m，收放鳍液压缸力的作用点距离机械组合体收放鳍中心点L：=0．8m，两者之间的夹角在一45。～45。之间变化，根据机械组合体上的转矩平衡方程可得收放鳍液压缸的输出力为一=丽FzLlLCOS45=筹08COS45=2．3×1。5Ⅳ(3一18)1．o．×oLJ—l巧J液压缸驱动时还要受到摩擦力和其他干扰力，为留有适当的裕量，取安全系数r／，=1．3，则收放鳍液压缸的最大输出力为E。。。=，zlE=1．3×2．3×105=2．99×105N(3-19)假设收放鳍液压缸的油源压力只，=14MPa，则收放鳍液压缸的最小作用面积为‰=等=等等观m圳～聊2净2。，以2m扩百一i百矿≈J加Ⅵu"2(3—20)液压缸采用单出杆，假设活塞杆的直径d。为活塞直径D。的二分之一，则液压缸的最小作用面积彳：=3_1SK6D2，所以活塞的最小直径为‰=√等=16x2．136x10-2-一。舶聊㈣2，，选择D1=200mm，dl=100mm的液压缸，则液压缸的作用面积妒三(D】2一引=≯22-O．12)-2．356×10～聊2∽22)因为液压缸的作用面积爿：>彳：。in，所以此型号的液压缸满足设计要求。3．6机械组合体的设计机械组合体由十字轴组，鳍轴及其支承，密封填料盒，曲柄与转鳍油缸，摇臂与收放鳍油缸，止动器，鳍角反馈装置等组成。其中鳍轴为核心部件。3．6．1鳍轴的设计(1)作用力的确定鳍轴的作用是安装鳍，鳍轴顶端与鳍角反馈装置连接，中部通过曲柄与转鳍油缸连 第3章船舶减摇鲭系统硬什设计接，下部与鳍连接，当鳍工作时，鳍轴将转鳍液压缸的往复运动转化为鳍的往复摆动，以达到减小船舶横摇的目的。鳍轴承受扭矩T，同时因鳍是以悬臂方式伸出舷外，鳝上又受到流体动力R，所以鳍轴又承受弯矩。因此，鳍轴承受的是弯扭组合的正反向交变应力。根据鳍模在水池中作拖拽实验的资料进行水动力计算结果，作用在鳍上的合力R和扭矩T分别为：R=47t=47000kgf(3—23)T=9tm=900000kgf．cm(3—24)鳍轴的受力简图、弯矩图和扭矩图如图3．3所示。鲻轴承慧碍事受力示意圈弩矩网圭H矩图1I2700ReC图3．3鳍轴的受力简图、弯矩图和扭矩图(2)鳍轴的强度分析①I—I断面强度校核如图3．3所示，由轴受力分析可知，鳍轴在下轴承安装处(工一I断面)受到的弯矩最大，为最危险断面。该处受到的扭矩仍为T，而该处受到弯矩 哈尔滨工程大学硕+学位论文M1247000×270=12，690，000kgf．cm(3—25)该处设计的轴径d=48cm，则：Z一：垄：型：-1085一Icm3=——=——=U西)。32Zp=2Z=21714cm3(3-26)(327)鳍轴的材料选用35crMo合金钢。根据《船舶减摇鳍装置通用技术条件》(CBI172—86)中规定合金钢制造的鳍轴的综合等效应力盯=止孑干万应不超过1200kgf／cm2。仃。：—M—1：—1269—0000：1168kgfl／cm2“Z10857f=三Z=竺217塑14=42蟛／c垅2n一6=鼯(3-28)(3—29)：正面丽：117l啊／c聊2<1200蟛／c川2(3—30)由以上计算可知，鳍轴在下轴承处断面(I—I断面)直径取为≯480mm是安全的。②II—II断面强度校核为与鳍厚度相吻合，鳍轴与鳍结合部的最大直径(II—II断面)取为矽460mm，如图3．3所示。II—II断面的弯矩M2=47000×(270—40)=10，810，000kgf．cIn(3—31)其扭矩仍为T=900000kgf．cm而该断面处：z：—era—／3：—z4—63：9556cm332Zp=2Z=19112cm3仃。：—M丁2：—10磊81丁0000：1131kgf／c聊2“Z9556彳：～T：—900—000：47蟛／c聊2Z19112ndO-=√万：+4r220(3—32)(3—33)(3—35)(3—36) 第3苹船舶减摇鲭系统{1史件i焚计=√11312+4x472=1135kgf／cm2<1200kgf／cm2(3—37)可见II—II断面处直径取为(b460mm也是安全的。3．6．2轴承的选型设计鳍轴用滚动轴承支撑(上下两处)，上支撑处受力为69200kgf，选用调心滚子轴承23072(GB／T288—1994)，其额定负载为381000kgf；下支撑处(即鳍轴危险断面处)受力为104200kgf，选用调心滚子轴承23096(GB／T288—1994)，其额定负载为574000kgf。根据减摇鳍的工作原理可知，鳍的摆动周期大致与船的固有周期一致。按横摇周期为14s计算，鳍的摆动速度为60／14=4．29rpm。因轴的摆动速度很小，轴承选取按额定静负荷计算即可。根据受力简图(图3．6)可计算出安装上、下轴承处的支反力分别为：R4：—47i×i27—00：84丁：840删(3—38)n1510R占=R爿+R=8404-470=13IOKN(3—39)选取的上轴承为调心滚子轴承23072GB／T288—1994，其额定静负荷为[Cor]=4180KN选取的下轴承为调心滚子轴承23096GB／T288—1994，其额定静负荷为[Cor]=6440KN由以上可知，轴承的选取是十分安全的。3．6．3十字轴组功能设计十字轴组是机械组合体的框架，如图3．4所示，它由两个正交的圆筒体组成。水平位置的圆筒体内安装鳍轴、轴承、曲柄和密封填料盒等，以此实现摆鳍动作。垂直位置的圆筒体上下端支撑在鳍箱上，随收放鳍油缸及摇臂的动作而转动，从而实现收放鳍操作。 哈尔滨工程大学硕士学位论文3．6．4鳍箱结构特性设计转鳍十字轴体中心线图3．4十字轴组’TT、1I／llI＼：【41]丁弧：_靛≥，I●III＼～＼=一』。L’：一一一；。!一f—IllI一I-彩—＼‘5：：i}；墙越I【lI、3岱Il，一与一．一■_11．I—』—．4一一U．，蘩岁．{图3．5鳍箱结构图鳍箱用于安装机械组合体并收纳鳍，具体结构如图3．5所示，其尺寸由鳍及十字轴组的尺寸决定，为保证鳍在鳍箱内转动时不发生干涉，设计要求当鳍在鳍箱内转动±3。时，鳍和鳍箱板间的间隙均不小于25mm。鳍箱在舷边的开孔使船体的强度和刚度受到损失，必须进行补偿，为此采取如下技术手段，有效保证船体强度和刚度不低于未开口时的 第3章船舶减摇鲭系统硬件设汁强度和刚度：①将鳍箱处船的外板加厚为22mm。鳍箱上下面板和侧面板厚设为20mm，在安装十字轴组处，鳍箱下面板厚设为50mm，上面板厚设为70mm。②在鳍箱上下两面横向焊接6道T型材j_堕塑，在鳍箱上下两面纵向焊接3道T20X100型材上!i兰!婴2UXlUU3．6．5摇臂与止动器功能设计摇臂是收放鳍的旋臂，止动器用于摇臂的定位。摇臂一端固定在十字轴组上，另一端与收放鳍液压缸连接。摇臂扇形板的两侧有2个矽85的孔(孔距90。)，当止动器解脱，摇臂逆时针旋转90。，鳍从鳍箱中放出并处于工作状态，当鳍收入鳍箱后，止动器中的止动销插入扇形板左侧的孑L中，将鳍锁紧在鳍箱中。3．6．6鳍轴与鳍的配合鳍轴锥体部分与鳍内锥套的锥孔配合，锥度为l：15。规定鳍轴锥体段与锥孑L配作，在25×25mm2的面积上必须有2个以上均匀分布的接触斑点，接触而积应高于配合面积的75％。为有效保证鳍轴与鳍的牢固连接，鳍轴锥体与锥孔的配合不使用键配合，而采用锥面配合，用液压装配法对鳍轴锥体通过液压螺母向鳍锥孔施加足够大的压力，使锥面的配合形成涨紧套式的过盈配合。鳍与鳍轴液压连接核算：液压螺母的螺纹Dg=O．65D=0．65×640=299mm式中：D——锥部大头直径实取300mm。液压螺母的外径Dg=1．5Dg=1．5×300=450mm实取460mm。液压螺母的高度H=O．6Dg=O．6×300=180mm实取200mill。鳍轴的设计屈服力矩 哈尔滨工程大学硕士学位论文Q=0．002664XD3／K=0．02664×4603／O．614=4223178N．m(3—40)式中：K——材料系数对于35CrMo合金钢，根据规范。可取为450MPa，K=(235／o)0．75=0．164作用在鳍轴上的扭矩T=9000kgf．m=9000X9．8=88200N·m。所以，采用鳍与鳍轴锥面连接并加装液压螺母以传递作用在鳍轴上的扭矩是足够安全的。3．6．7密封设计减摇鳍装置与海水接触部件的密封设计至关重要，其密封性能的好坏直接影响减摇鳍产品的安全性、可靠性及使用寿命。与海水接触的部件主要有鳍轴、鳍箱、十字轴体：和鳍。鳍轴采用动密封，通过填料盒内的密封圈及其支撑环对鳍轴进行密封，在填料盒与鳍轴之问设计安装3层U型夹层织物密封圈，并用密封盖压紧，确保海水不能渗进，以保护鳍轴和轴承免遭海水腐蚀。设计规定，在该装置的装配调试过程中，应对鳍箱进行压力为0．06MPa保压时间为20分钟的气密实验，对十字轴体和鳍内腔进行压力为0．1MPa保压时间为20分钟的气密实验。通过该手段进一步确保鳍箱、十字轴体和鳍具备良好的密封性。孓7鳍设计按照该型减摇鳍的指标要求，确定单鳍面积为8．5m2。为了使鳍具有较大的升力、较小的阻力，并且压力分布比较均匀。同时高速船舶在高速航行时鳍面周围会产生空泡，这会降低减摇鳍的减摇性能，因此在设计翼型时还要考虑鳍在空泡状态下具有较好的水动力特性。所以将鳍的翼型设计为鱼尾型(整体式)，这是目前国际上采用的新型鳍(替代后缘带襟翼的鳍)。鳍的展弦比为2．185：展长4．324m，平均弦长1．979m。鳍的最大工作角度为±20。。鳍轴中心线距鳍根首缘0．694mm，鳍的平衡系数为0．305(平均弦长处)。鳍的结构由锥套、面板和纵横骨架焊接而成。材料选用B级船钢。按《船舶减摇鳍装置通用技术条件》(CBll72—86)要求，“对于6m2以上的大型鳍，面板厚度不小于10mm”。本型鳍的面板厚度确定为14mm，鳍内纵、横筋板的厚度确定为16mm。该型鳍的具体结构形式如图3．6所示。24 一厂]n^、、、、、＼、、、、⋯习．阐’、、、、、、、、、、、、j、验‘一_-，——J』。I3．8收、放鳍安全措施设计图3．6鳍结构图为了保证减摇鳍的收鳍、放鳍安全，在设计中采取了如下措施：(1)当实际鳍角与零位鳍角的偏差小于±3。时，才能进行收、放鳍操作；C2)箜耆安全放出后才能进行减摇、生摇操作；(3)减摇、生摇与收、放鳍操作互锁；⋯E。二兰，?篓。、篓鳍装置上设有止动器，完成鳍放出位置和收进位置的定位，保证鳍放出后鳍能平稳工作，鳍收进鳍箱后不会自动滑出；⋯～⋯”(5)设置应急泵，用以在应急条件下，将鳍电动归零、收进鳍箱并锁紧；(6)设置手摇泵，用以在失去动力时，操作手摇泵将鳍归零后，收进鳍箱锁紧。州，一篓篓蔫二尊?减摇鳍系统的功能分析，本章对船舶减摇鳍装置中的重要零部件分别进行了功能、结构设计。对部分关键设计参数进行核算，以保证设计的合矗性鞴。；≤茬： 哈尔滨工程大学硕士学位论文第4章减摇鳍系统建模分析与性能验证减摇鳍系统主要有控制系统、电液随动系统和鳍三部分组成。每个部分的设计是否合理，都会影响到整个系统的减摇效果。其中电液随动系统中的液压控制装置是一个相对独立的机构。4．1随机海浪扰动及船舶横摇运动建模分析4．1．1随机海浪扰动建模分析根据海浪特性，本文建立长峰波和短峰波两种随机海浪及波倾角模型，并分别对其进行频谱分析。长峰波随机海浪的数学模型为：‘(f)=∑√2sf(国f)△∞cos(甜，+占f)(4—1)i=1式中：∞i——波倾角频率；占i——均匀分布在0～2Ⅱ之问的随机初相位；S。(∞)——波倾角谱；S，(缈)——波谱密度。长峰波随机海浪的PM谱表达式为：&(国)：些罢至exp[-0．74(～一gr1(4_2)CO式中：一V——海面上空19．5m处的平均风速用PM谱仿真的长峰波随机海浪曲线如图4．1所示。∞“EX8∞∞(rad／s)图4．1长峰波随机海浪PM谱仿真曲线 第4章减摇鳝系统建模分析与性能验证长峰波随机海浪的波倾角数学模型为：口(r，=喜√乏_】画c。scoir+占，)长峰波随机海浪的波倾角PM谱表达式为：其中：蹦㈦=s形争㈣蹦班譬蹦∞)CO：CO+竺矿COS沙=+——∥沙g用PM谱仿真的长峰波随机海浪波倾角曲线如图4．2所示。图4．2长峰波随机海浪波倾角PM谱仿真曲线船舶在航行过程中对海浪产生干扰，这时海浪的有效波倾角数学模型为：倪。(f)=sinqJ}-"(4—3)(4—4)(4—5)(4—6)cos(∞。t+￡f)(4—7)对长峰波随机海浪的波倾角进行仿真，得仿真曲线如图4．3所示 哈尔滨工程大学硕士!学位论文图4．3长峰波随机海浪波倾角仿真曲线图短峰波随机海浪的数学模型为：f(孝，叩，f)=∑∑f。口cos(k，cos工t，+尼f77sin／．t／--Oil+,9∥)(4—8)i=1j=l短峰波随机海浪的波面数学模型为：f(亏，r／，f)=∑∑、／呸磊灭乙_-云丽cos(ki善COS／1J+尼，77sin∥，一缈，f+gU)(4—9)i=1j=l对短峰波随机海浪的波谱进行三维仿真如图4．4所示。一埘岂按孽髫一氅按娶蹙一琶掼骚燃 第4章减摇鲭系统建模分析与性能验证0．4O．3仨O．2c，)O．10—22．5，2、+冒1．5。t；<舌1．∞0．5．0一-2p(rad)1“rad／s)3O8O6一c。呈0．4三jj、c，)0．20．-2，，．1叼叱S穹’弓·c,3654321、0．．2加d)20“rad，s)图4．4短峰波随机海浪波谱的三维仿真图4．1．2船舶横摇运动建模分析在海浪作用下，船舶横摇的运动情况如图4．5所示。向左横摇向右横摇图4．5船舶横摇角示意图293 哈尔滨工程大学硕士学位论文船舶的横摇运动主要受到复原力矩、阻尼力矩、惯性力矩、波浪扰动力矩和扶正力矩的共同影响。其中：复原力矩数学表达式为M(≯)=-Dh≯(4—10)阻尼力矩数学表达式为M(≯)=一2N,，≯(4—11)惯性力矩数学表达式为A夕(≯)=一(，，-4-A／，)≯(4—12)波浪扰动力矩数学表达式为M(al，＆l，&1)=Dhal+2Nal+址。&l(4—13)扶正力矩数学表达式为M(≯)=一Dha，(4—14)通过对船舶横摇受力分析，建立船舶横摇数学模型：U，+△，。眵+2N,。矽+D办≯=一Dhal(4—15)当≯(o)=≯(o)={；i(o)=0时，船舶横摇的传递函数为：喇2器2矿壶再件㈣其巾：L=Ix+AIx一(4．17)N白2面赢㈡。18’船舶横摇固有周期为：r：2万，怪±竺(4-19)4．2鳍建模分析在设计的减摇鳍系统中，液压控制系统驱动鳍，使鳍角转换到波倾角，这是一个比例环节K。。针对所设计的减摇鳍系统，当波倾角为5．64。时，它对应的鳍角角度∥。。=22。，从鳍角转换到波倾角的转换系数为：耻罢-o．25644．3随动系统建模分析随动系统是联接来自控制系统的控制信号和转鳍的中间转换和功率放大环节。它主要由随动箱、液压控制系统和机械组合体三部分组成。液压系统的元器件主要集中在液压控制装置上，它们组合化集成度较高，对安装、使用、维修以及提高可靠性都有益处。 第4章减摇鳍系统建模分析与性能验证图4．6随动系统结构图随动系统的工作原理如图4．6所示：来自控制系统的主令信号首先送到随动箱，通过综合复示模块对信号进行隔离、综合、校正和放大，接着送给功放限位模块进行功率放大后送到液压控制装置上的射流管电液伺服阀，进行电——液信号的转换，放大液压信号，液压变量泵依靠放大后的液压信号来推动其液压缸，轴向柱塞泵以此达到控制输出流量的目的。柱塞泵输出的液压油送到机械组合体上的液压缸中，使液压缸的工作状态发生变化，通过机械组合体上的摇臂使鳍转动。当斜盘变量机构和鳍转动时，通过各自的反馈电位器装置把它们的位移分别以电压的形式送到功放限位模块和综合复示模块的输入端，与前面送来的主令信号进行比较，实现负反馈。由于随动系统要有足够的功率输出，以克服鳍上的水动力转矩，故液压控制装置选用了相应功率的电动机和液压泵。为保证随动系统工作可靠和使用维修方便，系统设置了辅助电路及油路，分别实现电气和液压限位、鳍角复示、自动保护和手动归零等。随动系统的启动、停止、自动保护系统、鳍锁紧机构、自动显示功能等既可统一由整个减摇鳍控制操纵箱上的操纵电路操纵，也可由随动箱进行独立操作。对随动系统进行数学模型建立，具体描述为：G。G)=纛(4-20S)。+13S+223根据设计可得，液压控制系统工作原理如图4．7所示： 哈尔滨工程大学硕士学位论文图4．7液压控制系统工作原理图主油路由液控变量泵、液控单向阀和液压缸组成。主泵送出不同方向和流量的液压油通过液控单向阀到液压缸，推动活塞做往复运动。鳍通过机械组合体中联动机构的力传递而发生转动。单向阀和电磁溢油阀跨接在主油路上，限制了主油路的最高压力，对主油路提供了有效保护。主油路工作时，应对泄漏的液压油进行补充。补油系统由泵、溢流阀和滤油器等元件组成。补油系统工作时，单向阀会对主油路中压力较低的一侧进行液压油补充。伺服油路由双联齿轮泵、电液伺服阀、溢流阀、滤油器、换向阀和高压泵回油腔等元件组成。它对主泵的斜盘位置进行小功率的节流调速。射流管电液伺服阀线圈根据电流信号确定阀芯开口大小，以此来控制供给主泵变量油缸的液压油的流量和方向。最终控制主液压泵的输出流量。伺服油路的油压同时送到机械组合体上的止动器，形成止动油路，使系统工作时自动解脱，鳍停止在零位时自动锁住。手动归零油路由手摇泵，手动换向阀和滤油器等组成。当系统不工作时，若鳍不在零位，操作手摇泵和手动换向阀，可使鳍回到零位。 第4章减摇鲭系统建模分析与性能验证鳍角限位装置是安装于机械组合体上鳍角反馈盒中的二个接近开关。在鳍角达到±32。±1。时其触点闭合，使随动箱中的继电器动作，控制电磁溢流阀的电磁铁断电，主油路卸荷，实现卸荷限位。液压油的冷却由冷却器完成。冷却水外供。随动系统的主电机为双轴伸交流电动机，装于液压控制装置下支座上，电机主轴伸端连接液动变量轴向柱塞泵，副轴伸端连接双联齿轮泵，该电机由舰用交流磁力启动器控制。电磁溢流阀用于启动时锁鳍止动销拔出之前和最大鳍角限位保护。当系统在止动器未解脱及转鳍到设定最大鳍角时，溢流阀处于卸载状态。电磁换向阀在系统发出“停止”指令时对伺服油路压力进行主动释放，使止动销迅速插入销孔锁鳍。它由启动器辅触点控制。位移传感器，用于测量变量泵斜盘的角度。它装于丰泵的变量活塞反馈杆上。旋转电位器，用于测量鳍的转动角度。它装于鳍轴端部的鳍角反馈盒中。一温度继电器，用于监测油箱内液压油温度。液位继电器，用于监测油箱内的液位。压力继电器，用于监测滤芯的前后压差，它装在滤油器上。4．3．1液压控制系统建模分析液压控制系统主要就是控制变量泵的排量，电液伺服阀控制液压缸的位置，伺服阀通过液压控制系统发出的指令信号与油缸的位移反馈信号作差得到偏差信号来反馈控制变量泵斜盘摆角。液压控制系统输出和输入之间的传递函数表达式为：a：』Lf(4．一2—1)a=——-z(一1)瓦S+1式中a——变量泵的斜盘摆角角度，radi——控制变量泵排量的伺服阀输入电流，AK。——变量泵的输入电流与斜盘摆角角度的增益，rad／AL——时间常数，1／s在系统设计过程中，对变量泵的斜盘摆角设定了一个最大值，并对这个极限值进行了机械限位。所以在建立液压系统仿真模型时，增加一个限幅环节，放置在变量泵的斜盘摆角输出后面，这样就能有效控制控制变量泵斜盘摆角的输出最大只能达到摆角极限值。 哈尔滨工程大学硕士学位论文4．3．2液压控制系统动力机构建模用连续性方程对变量泵的高压腔建模，其表达式为np尼，口一c驴(p。一p，．)一Cpp。一CeP。=缈+{}p。其中胛。——泵转速，rad／sk。——泵排量梯度，(m3／rad)／radCm——泵内泄系数，(m3／s)／PaP，——进油腔压力，N／m2p，．——补油压力，N／m2巳——泵外泄系数，(m3／s)／PaC，——液压缸外泄系数，(m3／s)／PaA——液压缸有效工作面积，m2v——液压缸位移，iil环——一个液压腔的容积，m3液压缸的受力分析表达式为：F=ApIW---m|≯+Bc；萝4-Ky4-Fd其中F——液压缸的驱动力，Nm，——活塞和液压缸负载的质量，妇Bd——液压缸的粘性阻尼系数，N／(m／s)K——转鳍执行机构与液压缸连接的刚度，N／mB——液压缸的负载力，N设Pr为定值，线性化分析式((3—2)，拉氏变换该数学表达式，可得：Qy2np七p口=彳·sy+【、去s+c，jp。式中Q。——泵流量，m3／sC，——泄漏系数C，=C加4-C。。4-C。，(m3／s)／Pa用传递函数描述转鳍液压缸活塞的位移量与斜盘摆角之间的关系为～饥和一睁托卜炉——1孬一其嘶，=警^∽+等¨九％+科崛简化式(4-25)为(4—22)(4—23)(4—24)(4—25) 第4章减摇鳙系统建模分析与性能验证、，：：n丝k；i：丝Ci,＼(垒V!竺o!I『／=』竺(4—26)y。—)Is妄—20时，控制量u(t)随时间推移不断增大。控制量u(t)在积分环节作用下，包含了控制偏差e(t)的过去值信息。被控系统的传递函数由积分环节增加了一个极点，该极点与原点重合，以此达到消除系统静差的目的，使系统的无差度得到提高。积分系数K，，K，决定了积分作用的强度。为了解决积分环节漂移的问题，用下述传递函数表述积分环节：G，(s)：土(4—47)Z；S+1式中：兀=24．607；K，可调。43 哈尔滨工程大学硕士学位论文3、微分环节微分环节加快系统响应速度。令KP=K，=0，由式(4—43)可得“(f)：K。掣(4_48)在偏差信号变大之前，由微分环节向系统引入一个修Ⅱ：信号，从而减少系统调节时间，加快系统的反应速度。因为高频信号对微分环节的干扰很大，为克服高频信号的干扰，微分环节由如下传递函数表述：G。G)2面‰㈤49)式中：乃。=0．064；乃2=0．18；KD可变。综上所述，控制系统中实际使用的PID控制器是经过改进的，其传递函数为：=砗+志一t-面丽O．0砜64K丽Ds24607s1而‘4-50)1．+(O．064s+1×O．18s+1)4．5．2减摇鳍控制规律减摇鳍工作时，产生一个控制力矩K，对抗海浪的干扰，船舶的横摇数学模型为：(，，+u。胗+2N,。≯+D五矽=一Dhal—K。(4—51)鳍的升力为：三=去脚Fy2CL～ar(4—52)式中：p——海水密度；4，——鳍的投影面积；V——船舶航速；C?——鳍的升力系数斜率。鳍的控制力矩为：K。=2LlrCOSsr(4—53)通常占，很小，式(4—19)可表述为：K。=2Ll，(4-54)式中：s，——鳍轴轴线与鳍中心至船重心连线间的夹角；，，——升力力臂。由于控制器控制鳍角口，，所以也控制鳍的升力L。减摇鳍的理想控制力矩应该是线性组合的横摇角、角速度和角加速度，即：K。=彳≯+B矽+C≯(4—55)此时，船舶安装减摇鳍后的横摇运动模型为： 第4章减摇鳍系统建模分析与性能验证(，，+Ⅳ，+c眵+(2N。，+B弦+(Dh+4弦=一D庇a1一K。(4—56)令：Ixjr△Ix+C2N,t+B：—Dh—+A：KIx七AIx2N,tDh4．5．3PID控制仿真KP，K，，KD的初值由下述公式选定：PID控制仿真图如图4．18所示∞"22孝。杀耻告KP(4—58)(4—59)(4—60)图4．18减摇鳍PID控制的Simulink框图45半Ⅳ变式石丁，，，UV 哈尔滨工程大学硕士学位论文图4．19和图4．20显示了PID控制的仿真结果。浪向角45。：浪向角90。：横摇角度(。)浪．向角135。：⋯鞯-。●_∥●一⋯-⋯●_r--妒扩氏，／●l、一：：p～w沁1020304050E；070BO90100∥●●●忒jI、⋯⋯o⋯一⋯／．门_j咿／。?‘一I⋯⋯■，．_nf、h⋯．■．．∥．V＼{／；．．．．、∥．．．．．．：．．．．．．⋯●●。--．图4．19未减摇船舶横摇角曲线46时间(S)50505 第4章减摇鳍系统建模分析与性能验证横摇角度(。)浪向角45。：n50．05．15．2浪向角90。：浪向角135。：K蝴_．．』●●‘_：．_÷I≯W心I◇≯Ⅵ-I钐●_010203040506D708090100图4．20PID控制船舶减摇时横摇角曲线通过对图4．19和图4．20的比较，可以明显看到PID控制减摇鳍的减摇效果非常良好，达到了90％以上。4．6减摇鳍系统的试验验证在减摇鳍设计制造后，需要通过一系列的试验予以验证。建立专用的减摇鳍台架试验环境，对减摇鳍控制系统、液压随动系统的技术指标进行验证。将机械组合体安装在试验台架上，鳍轴上安装有耳环，耳环和无源加载油缸相连，调节加载系统的油路压力，可以设定施加到鳍轴上的扭矩，模拟鳍在海水中水流冲击作用于鳍轴的力矩。通过试验油管将液压装置与机械组合体油缸连接，控制箱与随动系统连接，实现主控制器对液压随动系统的控制。试验项目：l、机械部件安装检查机械组合体装配后鳍轴、液压缸安装无卡死现象，液压控制装置主泵、电机、辅泵联轴器同轴度合适。47 哈尔滨：[程大学硕士学位论文各套液压控制装置与机械组合体间的三根试验油管按顺序接好。2、系统绝缘试验在检测系统绝缘电阻之前，将角速度传感器和电路板从箱体撤离，用250V兆欧表测量，电源连线与箱体之间的绝缘电阻，要求不低于20MQ。用500V兆欧表测量电机及启动器内各线端对箱体绝缘电阻。要求测量冷态不低二于二2MQ，热态不低于lMQ。3、手动转鳍试验用手摇泵驱动鳍转动，应能改变转向且转动灵活；机械指示鳍角与电气指示应极性⋯致，静态指示误差在±1。以内。鳍角限位检查。用手摇泵驱动鳍转动，观察电磁卸荷阀动作时的最大鳍角，要求此值为±32。±l。。4、起动、停止试验手动启动、停止。每个随动系统手动启动、要求启、停功能正常可靠。在控制操纵箱部位启、停，要求自动启、停功能正常可靠。在启、停时还要检查止动销插拔情况，要求插拔可靠。在启、停时，同时检查各种工作指示灯，应正确指示相应动作，不出差错。5、随动系统静态精度检查将液压随动系统输入指令设置为零，检查转鳍角度应为0。±0．5。，调节反馈电位器电气零点，校正液压随动控制器零位的精度。在液压随动系统输入正阶跃(或负阶跃)指令，检查转鳍角度应在规定的鳍角，通过调节反馈放大器增益，减小或增大反馈量，使随动系统静态精度达到设计要求。6、随动系统动态特性检查液压随动系统按照控制函数设计后，应对其动态特性进行验证，用数字信号记录分析仪表监测鳍角信号，绘制出动态曲线，解算出运动特性参数。根据上述章节对液压随动系统的分析可知，液压随动系统是典型的二阶控制系统，衡量其动态特性有三项指标：超调量、过渡时间、振荡次数。要满足随动系统响应速度，并留有足够的相位余度以保证控制器稳定，验证控制器指标满足下列要求过渡过程时间tp≤1．2s超调量6≤15％振荡次数N≤27、生摇工况试验启动生摇，将航速置低速(18Kn)，检查鳍摆动周期应满足设计指标中摇摆周期要求，转鳍角度为26。±1。，将航速置中速(22Kn)，检查转鳍角度为18。±1。，将航速置高速(26Kn)，检查转鳍角度为13。±l。。48 第4章减摇鳍系统建模分析与性能验证8、减摇工况试验将角速度传感器置于摇摆台上，摇摆台按下式描述的规律运动矽“)：臼·sin兰兰f一7T(4．61)式中中(t)为摇摆台摆动幅度，T为船舶摆动周期，0为船舶横摇角度。启动减摇，将航速置低速(18Kn)，检查鳍摆动周期应满足设计指标中摇摆周期要求，转鳍角度为26。±l。9、航速调节检查在减摇工况时，设置船舶航速，检查转鳍角度与航速的关系，应满足如下关系：航速≤8Kn18Kn22Kn26Kn摆鳍角度0。±l。26。±l。18。±l。13。±1。lO、液压油路检测在空载时各鳍主油路峰值压力不大于2．0MPa。对各液控装置的主油路进行加压试验。要求加压至14MPa，管路不渗漏。对各液控装置的伺服油路进行加压试验。要求加压至10MPa，保管路不渗漏。对各液控装置的补油路进行加压试验。要求加压至1MPa，管路不渗漏。将鳍加载至主油路峰值压力7MPa，要求系统工作可靠，液压管路无渗漏。4．7本章小结本章对减摇鳍系统的各关键、重要部件进行了建模分析。完成了系统PID控制设计，经仿真验证取得了良好的减摇效果。最后通过试验验证减摇鳍系统设计的实际效果，达到了预期的设计要求。 哈尔滨工程大学硕士学位论文50 减摇鳍减横摇系统设计结论一直以来，船舶减摇鳍作为应用最广泛的一种减摇装置而被广泛应用于船舶控制系统中，不但改善了船舶的适航性和安全性、而且保证了船舶设备的正常工作。本论文把船舶减摇鳍作为研究对象，按照船舶减摇鳍系统的功能特性分析对减摇鳍系统和控制方法进行了设计，并通过建模、仿真和台架联调试验对设计减摇鳍系统和PID控制器进行了理论和实际工程验证。本文主要完成了以下研究工作：1、对减摇鳍的控制系统、电液随动系统和鳍三大组成部分及关键零部件进行了功能特性分析。提出了减摇鳍系统设计的技术指标和要求。2、根据减摇鳍系统的功能特性分析提出的设计指标和要求，对减摇鳍系统的控制系统、电液随动系统和鳍进行了详细的功能设计和结构设计。3、建立了长峰波、短峰波两种随机波浪数学模型和船舶横摇数学模型，为建模分析减摇鳍系统的设计效果打下理论基础，通过对鳍、液压系统和控制系统的建模，仿真验证每个设计部分的合理性。4、根据功能特性分析设计了适合减摇鳍的PID控制器，并对控制器进行了仿真，验证其满足了船舶减摇的需求，可以达到很好的减摇效果。5、提出了利用台架试验环境对减摇鳍PID控制系统的静态、动态参数的试验项目和需达到的技术指标要求。采用无源加载系统对机械组合体的转鳍力矩进行试验验证。对液压随动系统各项技术指标进行考核。由于本人研究的时间不长，水平有限，加之时间仓促，本文的不妥之处，敬请审阅本文的专家指正，在此向你们表示衷心的感谢! 哈尔滨T程大学硕士学位论文 减摇鲔减横摇系统设计参考文献[1]金鸿章，姚绪梁．船舶控制原理．第1版．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2001．[2]李积德．船舶耐波性．第l版．哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院出版社，1992．[3]R巴塔杳雅．海洋运载工具动力学．乌仔明川，戴仁元，陶尧森译．第1版，北京：海洋出版社，1982．[4]吴秀叵．船舶操纵性与耐波性．第2版．北京：人民交通出版社，1999．[5]金鸿章，李国斌．船舶特种装置控制系统．第1版．北京：国防工业出版社，1995．[6]陶尧森．船舶耐波性．第1版．上海：上海交通大学出版社，1985．[7]冯铁城．船舶摇摆与操纵．第1版一匕京：国防工业出版社，1980．[8]刘应中．船舶在波浪上的运动理论．上海：上海交通大学出版社，1987．[9]黄继起．自适应控制理论及其在船舶系统中的应用．第2版，北京：国防I,lk@版社，1992．[101t华羽．NJ系列减摇鳍技术手册．第1版．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1997．[11]孟克勤．舰船减摇装置．机电设备．2000．第3期：11—14．[12]孟克勤．我国减摇鳍装置的发展和一些设计问题．机电设备．1995．第5期：1—6页[13]应浩．关于模糊控制理论与应用的若干问题．自动化学报．2001．27(4)：591—592页[14]楼顺天，胡昌华，张伟．基于MATLAB的系统分析与设计一模糊控制．西安：西安电子科技大学出版社，2001．[15]金鸿章．智能技术在船舶减摇鳍系统中的应=Applicationofintelligenttechniquetofillstabilizers．北京：国防工业出版社，2003．[16]李人厚．张平安等译．精通MATLAB综合辅导与指南．第1版．西安：西安交通大学出版社，1998．[17]黄忠霖．控制系统MATLAB计算及其仿真．第1版．北京：国防工业出版社，2001．[18]邓自立，郭一新．现代时间序列分析及其应用．第l版j匕京：知识出版社，1989．『19]#lJ兆寿，刘胜，杨文春．随机海浪信号仿真器的研究，信号与控制．1989．6．f20]冯铁城，陶尧森．可控被动式水舱研究．中国造船．1997(2)：8—14．f21]谭越，U型被动减摇水舱研究：(硕士学位论文)．大连：大连理工大学．2003．[22]BassDW．RollstabilizationforsmallfishingvesselSUsl‘ngparavanesandantirollingtanks．MarineTechnology．V01．35，No．2，1998(4)：74—84P[23]AbdelGawad，Ragab，S．A．etal．Rollstabilizationbyanti—rollpassivetanks．JournalofoceanEngineering．Z002(3)：l78—189P[24]Hirano，M．Ontheequationsofmotionofshipsequippedwithananti—Rolltankinbeams 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减摇鲭减横摇系统设计攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果 哈尔滨工程大学硕士学位论文56 减摇鲭减横摇系统设计致谢本文是在导师彭秀艳教授的悉心指导下完成的。老师渊博的知识、丰富的实践经验、严谨的治学态度、精益求精的工作作风、不断追求创新的进取精神、坦诚豁达的处事态度给予了我极大的肩迪，是我终身学习的榜样。在研究生阶段，老师不但在我的课程学习、研究方向、研究方法及论文写作等方面提供了精心的指导，使本文得以顺利完成：在生活方面，还教导我如何为人处事，在对未来迷茫的时候为我指引方向。在此，谨向彭秀艳教授致以衷心的感谢。最后，衷心感谢为评阅此论文而付出辛勤劳动的各位专家和学者，你们所提的宝贵意见和诚恳批评将使我受益匪浅。 哈尔滨：[程大学硕士学位论文58 减摇鳍减横摇系统设计个人简历1996年9月——2000年7月西南工学院2000年7月至今重庆华渝电气仪表总厂机械设计制造及其自动化专业本科技术员工程师