舵?zhèn)鲃?dòng)裝置的液壓與電氣驅(qū)動(dòng)振動(dòng)特性對(duì)比研究

向科兵，李維嘉，蘭秋華

1華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，湖北武漢430074

2華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢430074

舵?zhèn)鲃?dòng)裝置的液壓與電氣驅(qū)動(dòng)振動(dòng)特性對(duì)比研究

向科兵1，李維嘉1，蘭秋華2

1華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，湖北武漢430074

2華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢430074

［目的］針對(duì)傳統(tǒng)的液壓驅(qū)動(dòng)的舵?zhèn)鲃?dòng)裝置，基于縮比舵?zhèn)鲃?dòng)裝置試驗(yàn)臺(tái)，開展電氣驅(qū)動(dòng)方式振動(dòng)特性研究。［方法］首先研究舵?zhèn)鲃?dòng)裝置在電氣驅(qū)動(dòng)下機(jī)構(gòu)本身振動(dòng)特性與負(fù)載力及轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的關(guān)系，然后對(duì)液壓、電氣兩種驅(qū)動(dòng)方式下機(jī)構(gòu)的振動(dòng)特性進(jìn)行對(duì)比分析。［結(jié)果］試驗(yàn)表明，傳動(dòng)裝置產(chǎn)生的振動(dòng)強(qiáng)度與舵葉加載力、舵角零點(diǎn)位置角速度呈正相關(guān)，電氣驅(qū)動(dòng)方式產(chǎn)生的振動(dòng)加速度峰峰值和均方根值與液壓驅(qū)動(dòng)相比均降低了40%，有效降低了傳動(dòng)裝置的整體振動(dòng)，［結(jié)論］對(duì)舵?zhèn)鲃?dòng)裝置電氣化具有參考價(jià)值。

舵?zhèn)鲃?dòng)裝置；液壓驅(qū)動(dòng)；電氣驅(qū)動(dòng)；振動(dòng)特性

0 引 言

世界各國海軍為提升整體作戰(zhàn)能力、提高新一代主戰(zhàn)艦艇和軍輔船等作戰(zhàn)平臺(tái)的隱身性能，已在艦船上廣泛使用綜合全電力系統(tǒng)，并發(fā)展動(dòng)態(tài)重構(gòu)的“全電力戰(zhàn)艦”。

舵機(jī)系統(tǒng)是艦船操控系統(tǒng)的重要組成部分，其產(chǎn)生的流體噪聲和機(jī)械噪聲也是艦船的重要噪聲源之一［1］。抑制舵機(jī)系統(tǒng)自身的噪聲，是提升艦船隱身性能和改善艦船內(nèi)部工作環(huán)境的一項(xiàng)行之有效的措施。在傳統(tǒng)的艦船操控系統(tǒng)中，舵機(jī)主要通過液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制。液壓舵機(jī)系統(tǒng)雖然可以提供較大負(fù)載和容易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，但是其缺點(diǎn)也非常明顯，占用體積大、泄漏無法避免、產(chǎn)生的機(jī)械噪聲和流體噪聲大［2］。近年來，隨著綜合全電力系統(tǒng)的運(yùn)用，舵機(jī)系統(tǒng)開始采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并且交流變頻、現(xiàn)代控制等技術(shù)的高速發(fā)展解決了交流電機(jī)調(diào)速性能較差、響應(yīng)速度較慢等問題。與液壓舵機(jī)相比，電動(dòng)舵機(jī)占用空間少、不會(huì)產(chǎn)生流噪聲、機(jī)械噪聲較小，能有效提升作戰(zhàn)平臺(tái)的隱身性能。目前，國內(nèi)外關(guān)于液壓舵機(jī)和電動(dòng)舵機(jī)的模態(tài)分析及有限元仿真等方面的研究較多［3-7］，但大都缺乏實(shí)驗(yàn)研究。本文擬基于某船用舵?zhèn)鲃?dòng)裝置縮比試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)液壓和電氣兩種驅(qū)動(dòng)控制方式下舵?zhèn)鲃?dòng)裝置的振動(dòng)加速度特性進(jìn)行對(duì)比研究，探討艦船舵機(jī)系統(tǒng)電氣化的可行性。

1 舵?zhèn)鲃?dòng)裝置縮比試驗(yàn)系統(tǒng)

舵?zhèn)鲃?dòng)裝置縮比試驗(yàn)系統(tǒng)主要由試驗(yàn)臺(tái)架、舵葉加載系統(tǒng)、集中控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4部分組成。此裝置是由某型實(shí)船舵機(jī)系統(tǒng)經(jīng)過1∶4的縮比得到，在確定了試驗(yàn)系統(tǒng)的性能參數(shù)后，設(shè)計(jì)了如圖1所示的試驗(yàn)臺(tái)架，主要通過液壓缸或者電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)與之直接相連的傳動(dòng)拉桿和曲柄拉桿提供動(dòng)力，帶動(dòng)舵葉運(yùn)動(dòng)。另外，還提供2個(gè)加載液壓缸分別對(duì)舵葉進(jìn)行加載，模擬舵機(jī)系統(tǒng)在有載情況下的操舵過程。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Test bench structure

加載系統(tǒng)主要用于舵?zhèn)鲃?dòng)裝置運(yùn)行過程中給舵葉施加一定的負(fù)載壓力，模擬舵機(jī)系統(tǒng)工作過程中受到的外作用力。實(shí)船操舵過程中，隨著舵角變化，舵所受作用力比較復(fù)雜，為便于研究，將作用力大小近似成隨著舵角進(jìn)行線性變化。采用由預(yù)充壓力蓄能器與加載液壓缸構(gòu)成液壓彈簧的被動(dòng)式加載系統(tǒng)，可以提供最大50 kN的加載能力，響應(yīng)速度較快，且工作過程中沒有振動(dòng)噪聲。

集中控制系統(tǒng)具有液壓伺服驅(qū)動(dòng)控制和電氣伺服驅(qū)動(dòng)控制兩種控制模式。前者采用電液位置伺服控制方式［8］，通過模擬量信號(hào)反饋舵角的當(dāng)前位置，經(jīng)電液伺服閥驅(qū)動(dòng)液壓缸做出快速、準(zhǔn)確、平穩(wěn)的跟隨動(dòng)作，液壓伺服控制原理圖如圖2所示。后者采用基于CANopen現(xiàn)場通訊的數(shù)字式交流伺服驅(qū)動(dòng)控制方法［9］，上位機(jī)通過CANopen通訊向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送目標(biāo)位置的數(shù)字量控制指令，伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)滾珠絲杠及電動(dòng)缸，帶動(dòng)舵葉做出快速、準(zhǔn)確、平穩(wěn)的跟隨動(dòng)作。電氣伺服控制原理圖如圖3所示。

圖2 液壓伺服控制原理圖Fig.2 Hydraulic servo control schematic

圖3 電氣伺服控制原理圖Fig.3 Electro servo control schematic

測量系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)缸直接作用的傳動(dòng)拉桿產(chǎn)生的振動(dòng)和從傳動(dòng)拉桿經(jīng)過導(dǎo)向裝置傳到曲柄拉桿的振動(dòng)進(jìn)行測量。為對(duì)比研究兩種驅(qū)動(dòng)方式下驅(qū)動(dòng)缸出口處的振動(dòng)加速度和經(jīng)過空間滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)舵葉過程中振動(dòng)加速度的傳遞、放大情況［10-11］，如圖1所示布放加速度傳感器。圖中1～4代表1～4號(hào)傳感器。其中，1號(hào)傳感器布放在傳動(dòng)拉桿靠近液壓缸或者電動(dòng)缸出桿處，2號(hào)傳感器布放在在曲柄拉桿上靠近導(dǎo)向裝置處，3號(hào)傳感器布放在曲柄拉桿上遠(yuǎn)離導(dǎo)向裝置處，4號(hào)傳感器布放在曲柄上。1號(hào)傳感器測量驅(qū)動(dòng)端的振動(dòng)，其他3個(gè)測量傳動(dòng)裝置端的振動(dòng)，在這3個(gè)傳感器中選取最典型的2號(hào)傳感器進(jìn)行研究。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的是日本東京測器研究所TML公司的TMR200測量儀，加速度傳感器采用352C33型傳感器，靈敏度為100 mV/g，測量范圍±50g，頻率工作范圍0.5～10 kHz，可以滿足本試驗(yàn)各工況下的測量要求。

2 電氣驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)特性研究

舵機(jī)系統(tǒng)在操舵過程中產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲有很多影響因素，影響最大的是打舵過程中舵受到的作用力以及打舵速度的快慢。同時(shí)，舵葉受到的作用力不僅與舵角有關(guān)，也與船的航速密切相關(guān)。為研究電氣驅(qū)動(dòng)方式下舵?zhèn)鲃?dòng)裝置在運(yùn)行過程中的振動(dòng)特性，控制舵?zhèn)鲃?dòng)裝置做典型的正弦規(guī)律運(yùn)動(dòng)，分別在以下兩種工況下開展振動(dòng)試驗(yàn)并測量其加速度數(shù)據(jù)，分析振動(dòng)特性。

1）定斜率加載力、舵葉不同轉(zhuǎn)角速度下的振動(dòng)試驗(yàn)研究；

2）舵葉定轉(zhuǎn)角速度、不同斜率加載力下的振動(dòng)試驗(yàn)研究。

其中，定斜率加載力工況近似于定航速時(shí)舵葉的受力工況；定轉(zhuǎn)角速度工況近似于某一打舵速度下不同航速工況?？紤]到舵機(jī)系統(tǒng)正常打舵范圍是±20°，所以本次試驗(yàn)主要研究20°舵角以內(nèi)系統(tǒng)的振動(dòng)加速度特性。

在加載力為最大加載力60%的典型工況下，通過控制上位機(jī)的正弦信號(hào)值，使得舵葉運(yùn)動(dòng)經(jīng)過舵角零點(diǎn)位置時(shí)轉(zhuǎn)角速度分別為1，2，3，4和5（°）/s并進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，測得運(yùn)動(dòng)過程中1號(hào)和2號(hào)傳感器振動(dòng)加速度曲線如圖4～圖8所示。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，傳動(dòng)拉桿處的振動(dòng)加速度峰峰值和均方根值均比較小，曲柄拉桿處的振動(dòng)較大，說明電動(dòng)缸的控制效果較好，運(yùn)行較為平穩(wěn)。

同樣，將加載力分別調(diào)整為最大加載力的40%和80%，進(jìn)行定斜率加載力振動(dòng)試驗(yàn)，測得運(yùn)動(dòng)過程中1號(hào)和2號(hào)傳感器處的振動(dòng)加速度，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析軟件預(yù)處理后，將3組加載力試驗(yàn)的結(jié)果導(dǎo)入Matlab，計(jì)算得到定斜率加載力和定轉(zhuǎn)角速度兩種工況下各組加速度峰峰值和均方根值（單位：0.1 g），如表1和表2所示。

圖4 舵葉轉(zhuǎn)角速度1（°）/s時(shí)的振動(dòng)加速度曲線Fig.4 Vibration acceleration curves when angular velocity of rudder blade is 1（°）/s

圖5 舵葉轉(zhuǎn)角速度2（°）/s時(shí)的振動(dòng)加速度曲線Fig.5 Vibration acceleration curves when angular velocity of rudder blade is 2（°）/s

圖6 舵葉轉(zhuǎn)角速度3（°）/s時(shí)的振動(dòng)加速度曲線Fig.6 Vibration acceleration curves when angular velocity of rudder blade is 3（°）/s

圖7 舵葉轉(zhuǎn)角速度4（°）/s時(shí)的振動(dòng)加速度曲線Fig.7 Vibration acceleration curves when angular velocity of rudder blade is 4（°）/s

圖8 舵葉轉(zhuǎn)角速度5（°）/s時(shí)的振動(dòng)加速度曲線Fig.8 Vibration acceleration curves when angular velocity of rudder blade is 5（°）/s

根據(jù)對(duì)舵?zhèn)鲃?dòng)裝置電氣驅(qū)動(dòng)不同加載力、不同最大角速度的各種工況下測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及上面繪制的加速度峰峰值和均方根值圖表的分析可知，舵葉運(yùn)行到最大角度處的負(fù)載力越高、運(yùn)行過程中舵角零點(diǎn)位置的角速度越大，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)強(qiáng)度越高；此外，在振動(dòng)從傳動(dòng)拉桿向曲柄拉桿軸向傳遞過程中，振動(dòng)強(qiáng)度快速增加，這主要是因?yàn)閷?dǎo)向裝置中旋轉(zhuǎn)副與曲柄拉桿鉸接處存在間隙，振動(dòng)在經(jīng)過間隙的過程中被放大了。

表1 不同工況下的加速度峰峰值Table 1 Peak-to-peak acceleration values in different conditions

表2 不同工況下的加速度均方根值Table 2 Root-mean-square acceleration values in different conditions

3 不同驅(qū)動(dòng)方式下振動(dòng)特性對(duì)比

為開展舵機(jī)系統(tǒng)在液壓驅(qū)動(dòng)和電氣驅(qū)動(dòng)兩種方式下系統(tǒng)產(chǎn)生的機(jī)械噪聲對(duì)比研究，分別在舵?zhèn)鲃?dòng)裝置上進(jìn)行一系列正弦運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)。為在液壓驅(qū)動(dòng)方式下獲得系統(tǒng)的控制平穩(wěn)性，按文獻(xiàn)［11］進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以使在直線加速控制策略下系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)最小。調(diào)整舵葉加載系統(tǒng)使得加載力分別為最大加載力的40%，60%和80%，舵葉運(yùn)動(dòng)經(jīng)過舵角零點(diǎn)位置時(shí)轉(zhuǎn)角速度分別為1，2，2.5，3，4和5（°）/s，振動(dòng)試驗(yàn)后測量1號(hào)和2號(hào)傳感器處的振動(dòng)加速度，經(jīng)過Matlab計(jì)算得到各組加速度數(shù)據(jù)的峰峰值和均方根值，并繪制兩種驅(qū)動(dòng)方式在不同工況下計(jì)算結(jié)果的變化趨勢(shì)圖，如圖9和圖10所示。

圖9 兩種驅(qū)動(dòng)方式下傳動(dòng)拉桿振動(dòng)加速度峰峰值和均方根值變化圖Fig.9 Peak-to-peak and root-mean-square values of vibration acceleration ofthe transmission rod under two drive modes

通過對(duì)比分析舵?zhèn)鲃?dòng)裝置的液壓伺服驅(qū)動(dòng)和電氣伺服驅(qū)動(dòng)兩種控制方式下傳動(dòng)拉桿、曲柄拉桿左端振動(dòng)加速度的峰峰值和均方根值的變化情況，可以得出以下結(jié)論：

圖10 兩種驅(qū)動(dòng)方式下曲柄拉桿左端振動(dòng)加速度峰峰值和均方根值變化圖Fig.10 Peak-to-peak and root-mean-square values of vibration acceleration of the left end crank rod under two drive modes

1）兩種驅(qū)動(dòng)方式下舵?zhèn)鲃?dòng)裝置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)均隨舵葉在舵角零點(diǎn)位置角速度的增大而增強(qiáng)，隨著舵葉在最大角度處承受負(fù)載力的增加而增強(qiáng)。

2）隨著舵?zhèn)鲃?dòng)裝置在舵角零點(diǎn)位置角速度的逐漸增大、舵葉負(fù)載力的增加，特別是在4和5（°）/s轉(zhuǎn)角速度時(shí)，液壓驅(qū)動(dòng)方式產(chǎn)生的振動(dòng)增強(qiáng)較為快速，電氣伺服驅(qū)動(dòng)控制方式產(chǎn)生的振動(dòng)增強(qiáng)較為平緩。

3）舵?zhèn)鲃?dòng)裝置在小負(fù)載、低轉(zhuǎn)角速度的工況下，兩種驅(qū)動(dòng)方式產(chǎn)生的振動(dòng)加速度峰峰值和均方根值差距不大，均不超過10%；在較大負(fù)載、較高轉(zhuǎn)角速度工況下，電氣伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)加速度峰峰值和均方根值較液壓伺服驅(qū)動(dòng)均有較為明顯的降低，降幅約為40%。

4）從舵?zhèn)鲃?dòng)裝置的振動(dòng)強(qiáng)度和系統(tǒng)平穩(wěn)性來看，電氣伺服驅(qū)動(dòng)方式優(yōu)于液壓驅(qū)動(dòng)方式。

4 結(jié) 語

通過舵?zhèn)鲃?dòng)裝置在不同加載力、不同舵角零點(diǎn)位置角速度兩種工況下的振動(dòng)特性試驗(yàn)，首先研究了電氣驅(qū)動(dòng)方式下傳動(dòng)裝置本身的振動(dòng)加速度特性，試驗(yàn)表明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)強(qiáng)度與舵葉加載力、舵角零點(diǎn)位置角速度呈正相關(guān)，并且振動(dòng)在機(jī)構(gòu)中傳遞過程中強(qiáng)度逐漸增加；隨后，對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)和電氣驅(qū)動(dòng)兩種方式下產(chǎn)生的振動(dòng)加速度進(jìn)行了對(duì)比研究，從試驗(yàn)來看，舵機(jī)電氣驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)加速度峰峰值和均方根值和液壓驅(qū)動(dòng)相比均降低了40%，電氣驅(qū)動(dòng)方式在機(jī)械振動(dòng)噪聲和系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)性方面性能更好，電動(dòng)舵機(jī)替代液壓舵機(jī)在性能指標(biāo)上是可行的。

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Comparative study of rudder transmission vibration characteristics of electric and hydraulic drive

XIANG Kebing1，LI Weijia1，LAN Qiuhua2
1 School of Naval Architectureamp;Ocean Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China
2 School of Energy and Power Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China

［Objectives］A comparative study of the rudder transmission vibration characteristics of electric drive and traditional hydraulic drive is carried out on the basis of a telescopic rudder transmission test bed.［Method］First，a study is made of the rotational angular velocity and the relationship between the vibration characteristics and load force of a rudder transmission driven by an electric servo motor.Next，the vibration characteristics of the mechanism under hydraulic drive and electric drive are compared and analyzed.［Results］The results indicate that the vibration intensity has a positive correlation with the rudder blade loading force and angular velocity at the zero balance position.Both the peak-to-peak values and root-mean-square values of the vibration acceleration of the electric drive are reduced by 40%compared with the hydraulic drive，meaning that the electric drive can more effectively reduce the overall vibration of the rudder transmission.［Conclusions］The results provide a reference for the electrification of the rudder transmission.

rudder transmission；hydraulic drive；electric drive；vibration characteristics

U664.36

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.06.017

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20171128.1102.014.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

向科兵，李維嘉，蘭秋華.舵?zhèn)鲃?dòng)裝置的液壓與電氣驅(qū)動(dòng)振動(dòng)特性對(duì)比研究［J］.中國艦船研究，2017，12（6）：114-119.

XIANG K B，LI W J，LAN Q H.Comparative study of rudder transmission vibration characteristics of electric and hydraulic drive［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（6）：114-119.

2017-05-02 < class="emphasis_bold"> 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：

時(shí)間：2017-11-28 11:02

向科兵，男，1991年生，碩士。研究方向：艦船液壓與機(jī)電控制。E-mail：1215908069@qq.com

李維嘉（通信作者），男，1964年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：水下作業(yè)系統(tǒng)，機(jī)電液智能控制系統(tǒng)，機(jī)器人。E-mail：liweijia@hust.edu.cn