劉永超 陳萬宏

摘要：為了對船舶舵機負載進行動態(tài)分析，開展基于Labview的船舶舵機負載模擬研究。本文介紹了Labview的數(shù)據(jù)測控系統(tǒng)建立及其數(shù)據(jù)信號的實時采集、存儲等功能；對建立的船舶舵機水動力負載、海浪負載和隨機沖擊負載的模擬加載系統(tǒng)進行模擬試驗。試驗證明模擬系統(tǒng)運行較為穩(wěn)定，為進一步研究控制技術(shù)在船舶舵機上的應(yīng)用提供了驗證依據(jù)。

關(guān)鍵詞：船舶舵機；水動力矩；模擬

中圖分類號：U664.4+1文獻標識碼：A

Research on the simulation of the load on the marine

steering gear based on Labview

LIU Yongchao,CHEN Wanhong

( Guamgzhou marine engineering corporation,Guangzhou 510250 )

Abstract: In order to analysis the load of marine steering gear dynamically , this paper researches on the simulation of marine steering gear based on Labview and introduces the measurement and control system, the acquisition and storage of data and other functions. It testes the simulative loading system for the ship steering gear, including hydrodynamic load, the sea-wave load and the random impact-load. The experiment shows that the load simulation system runs stability. It provides thereunder for the research on the control techniques of the marine steering gear.

Key words: marine steering gear;hydrodynamic;simulation

1Labview數(shù)據(jù)測控系統(tǒng)的建立

labview虛擬器采集系統(tǒng)可以實現(xiàn)連續(xù)采集，同時具有存儲數(shù)據(jù)量大等優(yōu)點，在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1][2][3]。文中采用labview數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其組成包括有：采集卡、工業(yè)控制計算機、Labview采集儀器[4][5][6]。其通用模式如圖1所示。

圖1labview監(jiān)控系統(tǒng)原理圖

1.1測控系統(tǒng)硬件組成

測控平臺系統(tǒng)的硬件主要由四個部分組成：工業(yè)控制計算機、采集卡、信號調(diào)理機構(gòu)、傳感器設(shè)備；主要采集數(shù)據(jù)有：液壓系統(tǒng)壓力、流量、舵機角度等；同時，可以通過模擬輸出控制變頻電機轉(zhuǎn)速；通過輸出數(shù)字信號控制電磁閥左右位置。

1.2測控系統(tǒng)軟件組成

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化的設(shè)計方式，按照功能來可以劃分為：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)實時顯示模塊、數(shù)據(jù)控制輸出模塊。用戶可根據(jù)需要在Labview軟件驅(qū)動程序設(shè)置接口，以控制通道的電壓值、接口等。

船舶舵機測控系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖2所示。

圖2采集系統(tǒng)軟件控制界面

2舵機負載模擬算法分析

目前常用的舵機模擬加載系統(tǒng)主要有兩種：電動機械式模擬負載器和液壓式負載模擬器。電動機械式模擬負載器，主要針對于加載力矩較小、響應(yīng)較快而且對加載精度和環(huán)境要求較高的領(lǐng)域；液壓式負載模擬器，主要應(yīng)用于加載力矩較大、對加載精度要求高、但加載響應(yīng)不高的領(lǐng)域[7][8]。結(jié)合船舶舵機負載環(huán)境，選用液壓式模擬加載器，如圖3所示。

1—底架、2—加載機構(gòu)、3—負載機構(gòu)、4—負載模擬閥組

圖3撥叉式液壓舵機負載系統(tǒng)原理圖

船舶舵機在轉(zhuǎn)舵的過程中，舵葉所受的水動力合力 ，可分解為：垂直于來流方向的分量升力Py和水動力平行于來流方向的分量阻力Py[9][10]：

（1）

舵的水動力矩合力P作用于舵剖面前緣的力矩M：

（2）

式中：ρ—水的密度(kg/m3)；

Ar—舵的面積(m2)；

b—舵剖面的弦長(m)；

V—來流速度(m/s)；

e—平衡比；

Cx—阻力系數(shù)；

Cy—升力系數(shù)；

Cp—水壓力中心系數(shù)。

轉(zhuǎn)舵扭矩 為水動力矩和舵葉轉(zhuǎn)動過程中摩擦力矩之和。根據(jù)經(jīng)驗公式，普通平衡舵的摩擦扭矩為：

（3）

本文舵機加載系統(tǒng)中摩擦力矩幾乎不存在，所以取

Ma=M （4）

根據(jù)流體力學中相關(guān)知識，作用在舵葉上的水動力與各種無因次系數(shù)有關(guān)，系數(shù)之間存在以下關(guān)系：

（5）

舵的水動力參數(shù)變化隨著流場的變化而變化，按理論計算無法獲得，通常根據(jù)相似理論法，確定舵葉模型及各部分參數(shù)。本文選用NACA0018型舵葉[10]，并采用相似理論法確定舵葉的相關(guān)參數(shù)，其水動力特性曲線如圖4所示。

圖4NACA0018剖面的水動力特性曲線

舵型NACA0018參數(shù)為：λ=1.47，Ar=21.28 m2， b=3.8 m，e=0.25， ρ=1 025 kg/m3，V=17 kn。

得出水動力系數(shù)公式為：

（6）

（7）

（8）

按照舵機轉(zhuǎn)舵時候的原理（見圖5），根據(jù)L1、L2、A3、A4值可得：

式中：P-加載油缸進油腔壓力；

A3 --加載油缸活塞桿腔面積；

A4 --加載油缸活塞腔面積；

L1 --加載油缸支撐點與舵桿中心的距離。

用加載油缸模擬水動力矩時：

（9）

即

（10）

再結(jié)合上述水動力系數(shù)公式，即可得出舵機在轉(zhuǎn)動過程中，某舵角時對應(yīng)的出油腔壓力的大小。

3基于Labview的模擬舵機負載模擬系統(tǒng)的建立

3.1水動力矩模擬舵機負載系統(tǒng)的建立

在Labview建立的模擬動力矩系統(tǒng)，主要分成兩部分：前面板主要顯示各種測量值，確定相關(guān)的舵型參數(shù)；程序框圖主要根據(jù)上述公式建立的算法程序。根據(jù)舵型參數(shù)，程序自動運行計算出不同轉(zhuǎn)舵角度時Cx、Cy、Cp、Cn，如圖6所示。

、

圖6Cx、Cy、Cp和Cn與轉(zhuǎn)舵角度圖

由圖4可以看出，得出的水動力特性曲線基本上與參考文獻[7]的水動力特性吻合，說明了理論模擬的正確性。由圖7可知：水動力矩在轉(zhuǎn)舵一側(cè)有兩個部分是為正值的，水動力矩在舵角±15°左右為最大阻力矩；在±30°左右為最大動力矩，正負角度成對稱模式；開始小角度成正向動力矩，而后轉(zhuǎn)化為負向動力矩，實驗結(jié)果表明符合平衡舵的水動力特性規(guī)律。

圖7水動力矩與轉(zhuǎn)舵角度圖

3.2海浪工況模擬負載系統(tǒng)的建立

船舶在海上航行過程中會遇到各種惡劣的天氣，舵葉會受到海浪沖擊而出現(xiàn)跑舵或沖舵的現(xiàn)象。為了模擬舵機的海浪瞬間沖擊工況，文中利用Labview控制換向電磁閥的左右轉(zhuǎn)向位置模擬海浪頻率，同時調(diào)整系統(tǒng)溢流閥模擬輸出電壓值模擬海浪力度，模擬海上海浪沖擊工況。圖8為海浪工況實測系統(tǒng)壓力變化圖。

圖8 舵機海浪工況實測系統(tǒng)壓力變化圖

4總結(jié)

文中利用Labview軟件建立了船舶液壓舵機測控系統(tǒng)，實驗表明該測控系統(tǒng)性能運行較為穩(wěn)定；在液壓舵機試驗臺的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了水動力矩與轉(zhuǎn)舵角度之間規(guī)律的控制，模擬平衡舵在水中所受水動力矩的功能。在實驗的過程中，一方面可根據(jù)不同海水流速、舵機型號等修改其中變量，簡單的實現(xiàn)各種舵機型號模擬加載過程；另外，基于Labview建立了模擬海浪瞬間沖擊和海浪周期性沖擊兩種情況，可以實時模擬海上的各種工況特性.

參考文獻

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作者簡介：劉永超（1985-），男，助理工程師。主要從事艦船輪機設(shè)計工作。

陳萬宏（1973-），男，高級工程師。主要從事艦船輪機設(shè)計工作。

收稿日期：2013-11-18