二自由度艦船海況模擬搖擺臺(tái)的設(shè)計(jì)與研究

程陽，秦緒凱，楊晨光

(1.中國船舶集團(tuán)有限公司第七一六研究所，江蘇 連云港 222000；2.中國人民解放軍軍事科學(xué)院，北京 100091)

0 引言

艦船航行過程中的搖擺姿態(tài)是一個(gè)多自由度外加振動(dòng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)體系[1]，所有艦載設(shè)備均受到這一動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)體系的影響，尤其是艦載設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用受到艦船搖擺姿態(tài)的影響極大[2–5]。艦船海況模擬平臺(tái)是模擬實(shí)現(xiàn)艦載設(shè)備承受艦船搖擺環(huán)境后的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的理想設(shè)備，它能夠接近真實(shí)地再現(xiàn)艦船在不同海況下的搖擺情況，使艦載設(shè)備研制在陸基環(huán)境下接受艦載環(huán)境考核，對提升艦載設(shè)備的研制質(zhì)量具有重要意義。因此在岸基環(huán)境下，全面、真實(shí)地模擬艦船在航行狀態(tài)下的各種姿態(tài)特性，再現(xiàn)艦載設(shè)備在艦船搖擺環(huán)境下的工作環(huán)境，對艦載設(shè)備的研制、試驗(yàn)測試非常必要[6–8]。

1 系統(tǒng)組成

搖擺臺(tái)系統(tǒng)組成如圖 1 所示。整個(gè)系統(tǒng)由3 個(gè)部分組成。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of the system

1.1 機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)械系統(tǒng)由內(nèi)環(huán)體、外環(huán)體、十字軸系、軸承座、配重、零位鎖定及保護(hù)裝置等組成。通過液壓缸的直線運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)環(huán)體，模擬艦船搖擺。內(nèi)環(huán)體通過內(nèi)環(huán)軸安裝在外環(huán)體上,可繞橫搖軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)橫搖運(yùn)動(dòng)。外環(huán)體通過外環(huán)軸、軸承座安裝在地基支承板上，可繞縱搖軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)縱搖運(yùn)動(dòng)。配重塊數(shù)量可調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)臺(tái)體的平衡。

1.2 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)由液壓源系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成，工作原理如圖 2 所示。

圖2 液壓系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of hydraulic system

通過4 個(gè)液壓缸直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)臺(tái)體的縱搖、橫搖運(yùn)動(dòng)。伺服閥安裝組件上配有液控單向閥和電磁換向閥，作用是鎖緊油缸。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障的時(shí)候，伺服閥立即回到中位，使搖擺臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)，液控單向閥鎖住油缸，保持姿態(tài)。再利用旁路的電磁換向閥使臺(tái)體回到水平姿態(tài)，然后用輔助支撐將臺(tái)體固定，進(jìn)行維修。正常試驗(yàn)結(jié)束后，利用運(yùn)動(dòng)控制功能使臺(tái)體回到水平姿態(tài)，鎖住油缸，停機(jī)，然后用輔助支撐將臺(tái)體固定。

1.2.1 液壓源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓源系統(tǒng)由液壓源及蓄能器、分配器和管路組成，同時(shí)設(shè)有壓力傳感器、溫度傳感器、液位繼電器和壓力繼電器，用于檢測液壓源的壓力和油溫等。同時(shí)采用吸濕型空氣濾清器，防止潮濕的空氣進(jìn)入油箱污染液壓油。每臺(tái)液壓泵出口均設(shè)一個(gè)電磁溢流閥，保證每臺(tái)泵可以獨(dú)立啟動(dòng)停止。

分配器用于將系統(tǒng)液壓油進(jìn)行流量分配。分配器配有高壓蓄能器，能夠穩(wěn)定系統(tǒng)壓力并補(bǔ)充峰值流量。同時(shí)配有高精度過濾器，保證油液的清潔。

1.2.2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作時(shí)，系統(tǒng)的功率損失都轉(zhuǎn)化為熱量而使得液壓油溫度升高，這樣會(huì)導(dǎo)致液壓油粘度降低、泄漏增加、系統(tǒng)性能和效率降低，也容易使液壓系統(tǒng)發(fā)生氣蝕和振動(dòng)。因此必須設(shè)計(jì)一套合理的冷卻系統(tǒng)。

泵站有2 臺(tái)排量為131 mL/r的恒壓變量泵，電機(jī)功率為2×75 kW。按電機(jī)功率的50%配置冷卻功率，冷卻功率為75 kW，冷卻器進(jìn)出的油溫分別為50 ℃和40 ℃。油的循環(huán)流量為：

式中：T2-T1為液壓油溫差，取10 ℃；C為液壓油比熱；Ρ為液壓油密度。

理論輸出流量為：

式中：q為泵排量，?。?00+88.8）mL；n為泵轉(zhuǎn)速，1 440 r/min；泵在1 MPa 工作壓力下內(nèi)泄漏量為2 L/min，則實(shí)際輸出流量為269 L/min。冷卻水流量為：

式中：t2?t1為冷卻水溫差，取5 ℃；Cs為水的比熱；ρs為水的密度。

1.2.3 管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

a）供油管路選型計(jì)算

管道內(nèi)徑計(jì)算：

管道壁厚計(jì)算：

b）回油管路選型計(jì)算

管道內(nèi)徑計(jì)算：

管道壁厚計(jì)算：

c）冷卻油管路選型計(jì)算

管道內(nèi)徑計(jì)算：

管道壁厚計(jì)算：

因此供油管路選擇鋼管尺寸為φ60×6，回油管路為φ68×4，冷卻油管路為φ76×4。

1.3 控制系統(tǒng)

整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

圖3 控制系統(tǒng)硬件組成Fig.3 Hardware composition of control system

由以太網(wǎng)和RS-422/485 通信接口組成了一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的分布式一體化實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，完成搖擺臺(tái)的測量與控制[9]。

1）任務(wù)管理計(jì)算機(jī)

通過以太網(wǎng)與伺服單元通信，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)單元參數(shù)設(shè)置；通過RS-422/485 接口與液壓源控制單元通訊，完成啟停邏輯。

2）伺服控制單元

根據(jù)任務(wù)管理單元的控制參數(shù)指令，以固定周期完成搖擺臺(tái)的實(shí)時(shí)控制和狀態(tài)監(jiān)控。

3）液壓源控制單元

以PLC 控制器為核心的液壓源啟停邏輯控制單元，完成相關(guān)邏輯控制，并在液壓源出現(xiàn)故障時(shí)發(fā)出報(bào)警訊息。

4）測角裝置

將搖擺臺(tái)的角位移傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓輸出信號(hào)和自整角機(jī)信號(hào)，送至用戶測試中心。

5）急停按鈕

遇到緊急情況時(shí)，按下急停按鈕，平臺(tái)將落回至安全位置，液壓源停止工作。

6）LED 搖擺臺(tái)角度顯示器

通過通信接口實(shí)時(shí)接收搖擺臺(tái)角度信息并顯示。

2 硬件設(shè)計(jì)

搖擺試驗(yàn)臺(tái)的硬件主要有監(jiān)控單元、運(yùn)動(dòng)控制單元、信號(hào)調(diào)理單元和角度控制單元4 部分組成。

2.1 監(jiān)控單元

監(jiān)控單元是試驗(yàn)平臺(tái)與操作人員之間的信息交互界面。監(jiān)控單元主要完成的任務(wù)如下：

1）通過以太網(wǎng)監(jiān)測運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)；

2）數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與處理；

3）對上述信息進(jìn)行顯示和處理，同時(shí)接受操作人員的控制指令；

4）對系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行邏輯判斷，在出現(xiàn)異常情況時(shí)向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警指令。

2.2 運(yùn)動(dòng)控制單元

運(yùn)動(dòng)控制單元由運(yùn)動(dòng)控制器以及相應(yīng)的A/D，D/A 數(shù)據(jù)采集板、數(shù)字I/O 接口板和信號(hào)調(diào)理器等組成，實(shí)現(xiàn)搖擺臺(tái)試驗(yàn)系統(tǒng)的閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制。運(yùn)動(dòng)控制單元結(jié)構(gòu)如圖 4 所示，其完成的主要功能為：

圖4 運(yùn)動(dòng)單元控制結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Control structure of motion unit

1）接收監(jiān)控單元的試驗(yàn)系統(tǒng)控制信號(hào)，完成搖擺臺(tái)的實(shí)時(shí)閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制；

2）根據(jù)系統(tǒng)的位置反饋信號(hào)和數(shù)字I/O 接口監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)信息和參數(shù)，實(shí)現(xiàn)邏輯控制和故障診斷與保護(hù)。

2.3 信號(hào)調(diào)理單元

信號(hào)調(diào)理單元為計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備和傳感器的接口部分，分別完成與系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相關(guān)的各種傳感器信號(hào)、測試信號(hào)和數(shù)字I/O 信號(hào)的調(diào)理，以及伺服閥、電磁閥的驅(qū)動(dòng)等功能。實(shí)現(xiàn)輸入/輸出信號(hào)的歸一化處理以及接口的轉(zhuǎn)換。

2.4 角度測量單元

角度測量單元采用旋轉(zhuǎn)變壓器320×fs001，實(shí)時(shí)測量平臺(tái)角位移，并反饋到運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)高精度姿態(tài)測量與復(fù)現(xiàn)，并作為閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋信號(hào)。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 軟件結(jié)構(gòu)

搖擺臺(tái)軟件系統(tǒng)分為上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件兩部分。上位機(jī)軟件主要完成與用戶之間的交互，控制平臺(tái)復(fù)現(xiàn)指定運(yùn)動(dòng)。下位機(jī)完成搖擺臺(tái)的實(shí)時(shí)伺服控制，包含信號(hào)采集、伺服閉環(huán)、信號(hào)輸出、保障保護(hù)等任務(wù)。上、下位機(jī)通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信，軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 5 所示，主要具備以下功能：

圖5 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Software system structure diagram

1）復(fù)現(xiàn)正弦、常值、三次諧波、實(shí)錄譜等參考信號(hào)；

2）任意位置的定位與鎖定；

3）系統(tǒng)自檢及實(shí)時(shí)故障保護(hù)功能；

4）系統(tǒng)反饋信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示及數(shù)據(jù)處理功能。

3.2 故障處理保護(hù)

為了實(shí)現(xiàn)搖擺臺(tái)穩(wěn)定運(yùn)行，防止發(fā)生意外事故，軟件系統(tǒng)設(shè)置以下保護(hù)模式：

1）系統(tǒng)開機(jī)自檢

控制系統(tǒng)在運(yùn)行前，控制系統(tǒng)首先進(jìn)行自檢工作，包括看門狗自檢、控制回路自檢、關(guān)鍵部件自檢等，確認(rèn)平臺(tái)工作狀態(tài)；

2）輸入有效性檢測與處理

軟件運(yùn)行過程中，通過實(shí)時(shí)判斷外界輸入數(shù)據(jù)的有效性，拒絕執(zhí)行那些不能夠?qū)崿F(xiàn)或錯(cuò)誤的運(yùn)動(dòng)指令，同時(shí)給出提示信息。

3.3 人機(jī)界面交互

控制系統(tǒng)軟件采用圖形化的集成開發(fā)環(huán)境，基于快速原型技術(shù)的開發(fā)方式，控制系統(tǒng)軟件的主操作界面如圖 6 所示。

圖6 軟件操作界面Fig.6 Software operation interface

操作軟件界面主要包括系統(tǒng)運(yùn)行管理、實(shí)時(shí)曲線顯示、運(yùn)行報(bào)警監(jiān)控、信號(hào)發(fā)生器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理等部分。

系統(tǒng)運(yùn)行管理主要用于系統(tǒng)的啟?？刂坪妥詸z。搖擺臺(tái)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，首先進(jìn)控制系統(tǒng)硬件和控制系統(tǒng)軟件的檢測，自檢正常后方可運(yùn)行系統(tǒng)。

實(shí)時(shí)曲線顯示主要用于顯示橫搖、縱搖自由度的設(shè)定信號(hào)、反饋信號(hào)的實(shí)時(shí)曲線，以及伺服作動(dòng)器的位移、壓力等信號(hào)的實(shí)時(shí)曲線。顯示功能支持歷史曲線回溯、實(shí)時(shí)曲線跟蹤及鎖定，可行曲線的自由縮放和拖動(dòng)，便于用戶準(zhǔn)確、有效的駕馭試驗(yàn)過程。

運(yùn)行報(bào)警監(jiān)控主要包括試驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)信息顯示、各種報(bào)警監(jiān)測顯示?？梢酝ㄟ^狀態(tài)顯示界面監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)處于不同的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，運(yùn)行信息顯示欄會(huì)不斷刷新，并自動(dòng)保存這些運(yùn)行狀態(tài)信息和時(shí)間，以便試驗(yàn)后備查。

4 仿真分析

針對搖擺臺(tái)典型應(yīng)用工況，對上表面安裝平臺(tái)進(jìn)行軟件仿真設(shè)計(jì)驗(yàn)證[10]，平臺(tái)上表面直徑3 100～3 300 mm 圓環(huán)加載，應(yīng)力分析結(jié)果如圖7 所示。

由圖7 可知，在典型應(yīng)用場景下，最大應(yīng)力107.1 MPa，最大變形量0.190 9 mm，1 階頻率52.124 Hz，2 階頻率52.136 Hz，3 階頻率81.65 Hz 滿足實(shí)際使用要求。

圖7 仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results

5 結(jié)語

本文介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)，并針對搖擺臺(tái)典型應(yīng)用工況，對安裝平臺(tái)上表面進(jìn)行了軟件仿真分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。有效為艦載設(shè)備提供了海況搖擺環(huán)境，對裝備的研制具有重要的意義。