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船舵液压传动装置的振动特性分析和试验.pdf
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1、第45卷第17 期2023年9月舰船科学技术SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGYVol.45,No.17Sep.,2023船舵液压传动装置的振动特性分析和试验毛胜辉,吕蒙,李亚,郭海伟(河南省智慧教育与智能技术应用工程技术研究中心,河南郑州45146 0)摘要:本文构建船舶的液压传动装置数学模型,对其进行仿真分析,给出了船舶液压控制系统的结构图,并着重分析了船舶液压传动装置的振动特性。最后,设计了船舶液压传动装置的振动试验,分析了船舶液压传动装置拉杆处的振动加速度的变化曲线。关键词:船舵;液压传动;振动特性中图分类号:U664.22文章编号:16 7 2-7 6 49(2 0
2、 2 3)17-0 0 6 6-0 4Vibration characteristics analysis and testing of ship rudder hydraulic transmission device(Henan Intelligent Education and Intelligent Technology Application Engineering Technology Research Center,Abstract:In this paper,the mathematical model of the ships hydraulic transmission d
3、evice is constructed.The ship hy-draulic transmission device is simulated and analyzed,the structure diagram of the ship hydraulic control system is given,and the vibration characteristics of the ship hydraulic transmission device are emphatically analyzed.Finally,the vibrationtest of Marine hydraul
4、ic transmission device is designed,and the change curve of vibration acceleration at the pull rod ofMarine hydraulic transmission device is analyzed.Key words:ship rudder;hydraulic transmission;vibration characteristics0引言船舶在航行过程中对舒适度影响最大的因素在于机械噪声,这些噪声是由船舶上的各类动力以及辅助航行的机械装置在船舶航行过程中产生的,这些机械噪声不但会降低船舶的舒
5、适度,并且对于军舰来说,还会影响到舰船的隐身功能 。由于大海中的很多生物是凭借听力来进行位置的判断以及交流的,因此船舶在航行过程中产生的各类噪声会对海洋中各种动物的生活产生影响 2 。船体产生的噪声辐射,会扰乱这些动物的正常交流活动,对这些动物的成长和繁衍造成严重影响,严重时会导致物种迁移甚至灭绝 3。船舶机械结构间存在间隙,因此在运动过程中,除了会产生噪声,还会出现冲击振动等现象,对机械零件造成磨损以及破坏 4。船舵液压装置则会产生这类问题,根据国际海事组织对船舶噪声、冲击振动提出的要求,本文对船舵液压装置的振动特性进行了分析研究。收稿日期:2 0 2 3-0 3-2 0基金项目:河南省科技
6、攻关项目(2 32 10 2 2 2 0 0 59)作者简介:毛胜辉(19 7 2),男,硕士,副教授,研究方向为液压与气动、检测技术。文献标识码:Adoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.17.013MAO Sheng-hui,LV Meng,LI Ya,GUO Hai-weiZhengzhou 451460,China)1液压传动装置数学模型1.1液压舵机伺服控制系统模型船舶的舵叶偏转角度的控制是液压舵机通过调节双向变量泵来实现的,其中双向变量泵属于斜盘式柱塞泵,这种泵是采用调整斜盘倾斜角度的方法来完成变量泵流量调控的 5。采用直接调整双向变量泵斜盘角度的方式可
7、以实现该泵流量大小以及方向的改变,但是一旦双向变量泵的流量高于30 cm时,旋转的臂力将会变得很大,因此无法使用直接改变双向变量泵斜盘角的方法来调整双向变量泵的流量大小以及流通的方向 6 ,此时只能采用机旁操作的方法才能对双向变量泵的斜盘倾斜角度进行调整,因此这不符合船舶舵机控制要求。但是船舶液压舵机的伺服系统则可以实现和双向变量泵之间的物理联系,可以完成对船舶双向变量泵的调控,并且通过伺服系统进行控制的方法便捷又稳定 7。第45卷舰船在转舵的过程中,给定角和反馈角之间的差O如公式(1)所示,通过相敏整流之后,O可以转换成电信号e,并且将电信号e传送给控制设备,接着通过PI调节器处理之后,得到
8、电信号y。由于电信号y是由电信号e通过PI调节器得到的,因此电信号y和电信号e之间的关系可以用式(2)来表示。A0=0-0,yn=ynr-1+(en-en-1)kp-T;式中,T为采样周期。控制设备的输出电信号 和船舶扭转电机的扭转力之间的比例关系,如下式:M=kmy。式中,km为船舶扭转电机的扭转系数。船舶伺服阀阀杆的推力计算公式如下式:MkmyF=mmO由于船舶伺服阀阀杆还会受到弹簧反作用力的影响,因此可以得到:F-kx=ma。船舶伺服阀阀杆的位移大小可以通过式(6)来计算。1(6)假设船舶伺服阀阀套的运动距离为s,并且活塞的运动距离为s,则两者之间的关系如下式:14船舶的伺服活塞在运动过
9、程中,船舶的主泵中就会产生流量,同时船舶伺服活塞的位移s和船舶主泵的流量Q之间的比例关系如下式:Q=Kos。1.2双向变量泵模型船舶中的液压油一旦产生推力之后,则船舶的液压泵轴线和斜盘轴线之间的角度就会产生变化,同时泵中油液的流量以及流向也会出现一定的变化,最终实现转舵的目标,并且可以对船舶的运动方向以及速度产生一定的影响。除此之外,船舶柱塞泵的流量还会受油泵自身泄漏的影响,船舶变向泵的流量方程如下式:毛胜辉,等:船舵液压传动装置的振动特性分析和试验n=2元,因此式(9)可以进一步表示为:(1)Q=n(0.25 nd)D/z 2%tan,T-en。67Q=nv(0.25元d2)D,Zntan。
10、(9)式中:n,为容积效率;Z为船舶油泵柱塞的数量;船舶电机转速n的计算方法如下式:(10)(11)2元(2)式中,为斜盘轴线和液压泵轴线之间的倾斜角。在对柱塞泵进行数学模型构建的过程中,最重要的因素有船舶变量变向泵的总效率、船舶柱塞泵的容量、角速度以及公称压力,其数学关系如下式:(3)q=Dgw-kleakgp。式中:q为船舶柱塞泵的排量;p为船舶柱塞泵的压力;为角速度。(4)1.3转舵油缸模型由于弹性负载等其他负载和惯性负载相比要小很多,因此其他负载对船舶液压位置控制系统的影响可以忽略不计,船舶液压缸受到的静态力可以用式(13)(5)表示。式中,A为船舶油缸总面积。船舶液压系统的流量平衡数
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