1、 大连海事大学 毕业论文 “育鲲”轮减摇鳍系统控制浅析及 可靠性的提高 专业班级： 轮 机 2006-4 姓 名： 指导教师： 轮机工程学院目 录 前言 . 4 1 减摇鳍简介 . 4 1.1 减摇鳍的作用 . 4 1.2 “育鲲”轮减摇鳍的参数 . 4 1.3 “育鲲”轮减摇鳍的优点 . 4 2 减摇鳍减摇原理 . 5 3 减摇鳍液压系统 . 7 3.1 液压泵站 . 9 3.2 油路板（元件 16） . 9 3.3 比例阀（元件 17） . 9 3.4 旁通阀（元件 13） /双向溢流阀（元件 2） . 10 3.5 减摇鳍收放阀（元件 1）和平衡阀（元件 36） . 10 3.6 负载感
2、应 /插装补偿阀组 . 10 3.7 油冷却器（元件 31）和回油滤器（元件 29） .11 4 减摇鳍控制原理 .11 4.1 减摇鳍控制系统 .11 4.2 电动机控制 . 13 4.2.1 主电动机的起动 . 13 4.2.2 主电动机的保护 . 14 4.2.3 主电动机的停止 . 15 4.2.4 应急电动机起动单元 . 15 4.3 叶片伸出和回笼控制 . 15 4.3.1 叶片伸出 . 15 4.3.2 叶片回笼 . 16 4.3.3 SOLAS 面板 . 16 4.4 叶片倾斜控制 . 17 4.4.1 电液随动系统 . 17 （ 1）随动系统的工作原理 . 17 （ 2）船舶
3、航速控制 . 17 （ 3）稳心优化作用 . 18 4.4.2 叶片倾斜的具体实现 . 18 5 提高“育鲲”轮减摇鳍可靠性 . 19 5.1 航速控制的改进 . 19 5.1.1 航速控制规律的设计 . 19 5.1.2 航速信号的接入 . 20 5.2 叶片助摇问题的解决 . 20 5.2.1 叶片助摇监测 . 20 5.2.2 助摇现象的解决 . 22 【参考文献】 . 23 “育鲲”轮减摇鳍系统控制浅析 前言 1 减摇鳍简介 1.1 减摇鳍的作用 船舶在海上航行，由于风、浪的扰动，要产生摇摆，包括纵摇、横摇、首摇等等。由于船舶横摇阻尼较小，往往导致过大的横摇摆动，船舶横摇会增加船舶倾覆
4、的危险性，增加甲板上浪次数，产生船体和设备的附加应力，增加人员的疲劳程度。特别是在“育鲲”轮教学实习船上，横摇会影响学生的实习效果，设计横摇性能优良的船舶非常必要。 1.2 “育鲲”轮减摇鳍的参数 “育鲲”使用的减摇鳍型号是 Aquarius 50 系列，每舷各有一个叶片，叶片面积为 3.03，总重量为 20.3 吨 ,叶片伸出长度 2.75m，叶片长宽比为 2.5，工作叶片角为 21.5，最大叶片角为 25，叶片角减小发生在船舶航速 16.7 节以上。 “育鲲”轮减摇鳍在船舶航速为 16.7 节（海浪输入为 4.111）的表现： 没有安装减摇鳍时横摇角为 16.5，安装减摇鳍后的横摇角为 3
5、.5，横摇减少百分比为 80% 每个叶片上的升力为 160.435KN 力矩臂为 11.318m 稳定力矩为 3671.747KN.m 每个海浪输入度的横倾力矩为 1277.22 KN.m 波倾斜能力（叶片功率）为 2.843 1.3 “育鲲”轮减摇鳍的优点 Aquarius 折叶式减摇鳍用紧凑的、轻量级的设计和最先进的控制来提供高性能的横摇阻尼，用最小尺寸、最小重量、最小数量零部件的鳍板操作机构满足更小船舶的需求。 1、采用大升力的鳍片来提高减摇效果 2、液压、机械和控制设备安装费用低 3、船舶的报警和监视系统结合容易 4、鳍叶的倾斜和伸展由线性执行器完成 5、采用内部润滑系统 6、液压系统
6、采用负载感应 2 减摇鳍减摇原理 AQUARIUS 折叶式减摇鳍减摇系统的设计，是通 过控制两个（一个左舷， 一个右舷）叶片击水角度（攻角），来减少海浪导致的船舶摇摆力矩。 假设在波浪作用下，作为刚体的船舶横摇可以用绕首尾线摆动的角度 ，角速度 ，角加速度 来表征运动情况，并规定从船尾向船首看时，以顺时针方向为正，逆时针方向为负。船舶在海浪中的横摇所受的力矩可以看成船舶在静水中横摇所受的力矩加上波浪对正浮状态船体的扰动力矩。为此，船舶在海浪上 的横摇受以下五种力矩的作用，如图 2.1。 图 2.1 力矩对船舶的作用 （ 1）复原力矩 当船舶横摇某一角度 时，此时浮心和重心不在同一垂线上，形成了
7、一个使船舶回复到原位置的力矩，即复原力矩 ()M ，使船舶回复到原位置。当横摇角不大于 1015 度时，可以应用初稳性公式： ( ) sinM Dh （ 2.1） 式中： D 为船舶排水量， h 为初稳性高度。 （ 2）阻尼力矩 船舶在水中横摇，由于船体和水之间存在相对速度，船体必须受到阻尼，阻尼力矩大体G zy中线面波 面水平面M( m , m , m )M( ) M( ) M( )SMfLL受到三个原因的作用，摩擦阻尼，兴波阻尼，漩涡阻尼。小角度横摇时，认为船舶是时间恒定的线性系统，即阻尼力矩与角速度成线性关系。 ( ) 2 MN （ 2.2） 式中： N 为阻尼力矩系数。 （ 3）惯性力
8、矩 船舶在横摇过程中有角加速度存在，必然产生惯性力矩。横摇的惯性力矩是由两部分组成的，即船体本身的惯性力矩和附加惯性力矩。惯性力矩与角加速度成线性关系。 ( ) ( ) xx xxM I J （ 2.3） 式中： xxI 为船体对 x 轴的质量惯性矩， xxJ 为船舶绕 x 轴转动时其附连水的惯性矩。 （ 4）波浪扰动力矩 波浪改变了船体水下的体积形状，从而产生复原扰动力矩，船体的存在阻止了波浪的运动，反之波浪也给船体一个作用力矩，此力矩为阻尼扰动力矩，附加质量也存在有惯性扰动力矩。故扰动力矩可以写成： ( , , ) s i n 2 m m m m m x x mM D h N J （ 2.
9、4） 式中： m 为有效波倾角。 （ 5）扶正力矩 由于减摇鳍的存在，当船舶在航行中，当两个叶片以一定角度倾斜，（根据流体力学，叶片前端向上倾斜时，产生正的液压升力。当叶片前端向下倾斜时，则产生负的液压升力，如图 2.2，升力由式（ 2.5）计算。升力会在船舶上联合产生一个扶正力矩，作用在 S 点，以使船舶的横摇角减小，用于抵消波浪对船舶的作用力。 图 2.2 鳍片受力图 2 F L fL V A C （ 2.5） 式中： L 为扶正力矩， f 为鳍片攻角、 V 为船舶航速， FA 为有效受力面积 拉力拉力拉力零角度冲击 正角度冲击 负角度冲击+ve 升力-ve 升力叶片轴2fDM S L （
10、 2.6） 式中： DS 为升力的有效力臂。 综合船舶在规则波的横摇时所受的各种力矩，由动平衡原理，船舶的平衡条件为力矩之和为零，故有： ( ) 2 s i n 2 s i n 2 x x x x D m x x m mI J N D h S L D h J N （ 2.7） 从上式可以看出，我们可以通过改变减摇鳍所产生的扶正力矩来使所受的总力矩之和为零，而调节叶片角度可以改变扶正力矩的大小，来使船舶避免横摇。 （说明有点少） 3 减摇鳍液压系统 “育鲲”轮减摇鳍液压系统采用开式系统，实现叶片回笼和延展以及叶片倾斜操作，而且对流向叶片倾斜系统的流体实施闭合式电子 -液压比例控制，并且还有负载感
11、应功能，如图3.1 所示。 图 3.1 “育鲲”减摇鳍液压系统图 1-减摇鳍收放阀； 2-双向溢流阀； 3-补偿阀； 4-补偿阀先导溢流阀； 5-溢流阀 ； 6-节流阀； 7-节流阀； 8-单向阀； 9-法兰； 10-压力测试点； 11-负载感应隔离阀； 12-电磁线圈； 13-截止阀； 14-过载销； 15-梭阀； 16-油路板； 17；电液比例阀； 18-补偿阀盖； 19-压力表截止阀； 20-压力表； 21-液位 /温度指示器； 22-油尺；23-吸入滤器； 24-主电动机； 25-应急电动机； 26-双向叶片泵； 27-齿轮泵； 28-透气装置； 29-回油滤器； 30-溢流阀； 31
12、-冷 却器； 32-卸荷阀； 33-放残阀； 34-旋塞； 35-油箱； 36-平衡阀； 37-取样阀； 38-抽吸管道；39、 40-软管 3.1 液压泵站 主泵由一个液压油泵（元件 26）和一台主电动机（元件 24）构成，泵的出口连接有一个旁通阀（元件 32）。发动机通过活动耦合为泵提供动力。泵是连续运行双叶结构，一个泵壳内有两个独立的泵单元（即叶片盒）。泵有一个共用的抽吸管道，两条独立的输出线。泵盒的流量分布，使得高流量单元的流量约为低流量单元的 4 倍。 应急泵由一个齿轮泵（元件 27）和一台应急电动机（元件 25）构成，泵沿垂直轴 定位，泵体完全浸没在罐内油中，以利于自吸。 主泵的高
13、流量单元的出口设有远程控制的泵卸载阀（元件 32），除转叶操作外，在启动及所有其他操作中，高流量单元都在卸载。这使得发动机可以在最小负载状态下启动。由于低流量单元流量较小，这也使得回笼和延展操作以及叶片对中操作减速进行。 3.2 油路板（元件 16） 油路板里面有叶片控制所需的全部阀门。主泵和应急泵的加压流体分别通过单向阀（元件 8）进入油路板进行分配和输出，进入一个共同的压力走廊，压力走廊被分割成多个部分，对应多个出口。流体流经压力走廊，进入比例阀（元件 17）以及回笼和延展阀（元件 1），作为控制油。压力走廊还通过管道分别连接至压力计（元件 20）和取样阀（元件 37），压力计的支架通过手
14、动操作的切断阀（元件 19）安装在动力单元上，通过取样阀可以对液压油进行取样化验，以保证液压油的质量。 压力走廊通过补偿阀（元件 3）和负载感应旁通阀（元件 5）与回路连接。 同样，回路也是一个共同的压力走廊，将系统的多条回流通过油冷却器（元件 31）和回路过滤器（元件 29）导回供油罐（元件 35）。 3.3 比例阀（元件 17） 叶片倾斜操作的控制是通过电液压比例阀实现的，比例 阀由电磁线圈操纵，为流向叶片倾斜机构的液压油提供流量和方向控制。比例阀由一个导阀和一个主阀构成。 导阀由两个比例减压阀组成，用两个电磁线圈控制。如果两个线圈中的一个带电，滑阀移动，距离与电子输入信号强度成正比。这就
15、在主阀压力室中产生与输入电流成比例的压力。 主阀是一个简单的导向滑阀弹簧装置，两端各有一个压力室。如果两个压力室中的压力相等，对中弹簧使得主滑阀居中（中位）。一个压力室的压力增大，就会产生一个新的力平衡，主滑阀处在新的位置。 比例阀将变量电子信号转换为变量液压流体。控制电流先是通过电磁线圈，产 生一个与之电流信号成正比的导阀滑阀位置，然后在主阀相应的压力室形成与导阀滑阀位置成正比的压力，最后产生一个比例主滑阀位置。当电流信号降到 0 的时候，主滑阀回到中位。 比例阀的中央位置附近有一个静止带，以尽量减少内部泄漏，必须用伺服放大单元中的电子设备进行补偿漏泄。 3.4 旁通阀（元件 13） /双向
16、溢流阀（元件 2） 比例阀出口将液压油导至叶片倾斜柱塞，各个出口之间还有手动旁通阀和双向溢流阀互相连接。双向溢流阀使得高压（超过安全阀设置压力）可以从高压管路向回油管路释放，避免系统内压力积累过高。所有正常操作中，手动 的旁通阀都关闭，打开时可以将液压油导入另一管路，消除叶片倾斜柱塞上的方向压力。 3.5 减摇鳍收放阀（元件 1）和平衡阀（元件 36） 平衡阀（元件 36 中的元件 36.1 和 36.2）与回笼和延展汽缸的两条输入线连接，防止叶片在回笼和延展位置上有任何运动。 在叶片延展操作中， 延展线圈 （元件 1 的 b 部分） 带电， 使得液压油通过补偿阀 （元件 36.1）的通道进入
17、回笼和延展汽缸中环形区域（差动活塞的左部），把活塞杆推回原位。同时控制油流体被引导至对面的平衡阀（元件 36.2），液体回流入罐。在延展位置上， 液压拉力使得叶片保持外伸，十字箱的止停块提供了液压推力的反作用力。 在叶片回笼操作中，回笼线圈 （元件 1 的 a 部分）带电， 使得液压油通过补偿阀 （元件 36.2）的通道进入回笼和延展汽缸中的主区域，回笼和延展活塞杆外伸，叶片回笼。导流体被引导至对面的补偿阀（元件 36.1） ，打开这个阀门，液体回流入油箱。 叶片延展或回笼完成后，线圈都断电。 3.6 负载感应 /插装补偿阀组 负载感应 /插装补偿阀组由补偿阀（元件 3）、溢流阀（元件 5）和负载感应隔离阀（元件11）组成，构成一个负载感应器和安全阀。 补偿阀本质上是一个变量安全阀，与定量泵（元件 26 和 27）共同使用，以防止产生过热（产生的热量等于流速与压力的乘积；在泵的最大流速固定的情况下，减小工作压力十分关键）。当与比例阀（元件 17）共同使用时，补偿阀与比例阀（元件 17）共享定量泵（元件 26 和 27）的输出流体，其比例取决于比例阀（元件 17）的开口大小。比例阀开口为 0 ，补偿阀流量最大；比例阀完全打开，补偿阀流量最小（或者为零）。 补偿阀与比例阀共享输出流体很重要，因为它决定了补偿阀的先导溢流阀（元件 4）的
