SHIP & OCEAN ENGINEERING
Vol. 45 No. 4Aug. 2016
DOI：10. 3963/j. issn. 1671-7953.2016.04.026
船舶风翼回转液压系统负载启动策略优化
傅超\\闫亚胜2，黄连忠\\孟令平1
(1.大连海事大学轮机工程学院，辽宁大连116026;2.中海油能源发展股份有限公司销售服务分公司，天津300450)
摘要:针对液压系统大负载启动时出现的短暂反向回转现象，根据风翼回转液压系统原理建立系统仿 真模型，并基于风翼回转液压实验台对液压驱动系统仿真模型进行实验验证，提出制动器延时松闸控制策略， 根据AMESim模型仿真实验结果确定不同风阻力矩值和制动器延时松闸时间的对应关系，消除了大负载启动 时出现的反向回转现象。
关键词:风翼;液压系统;仿真;延时松闸中图分类号：U664.31;TH137.1
文献标志码：A
文章编号：1671-7953 (2016)04-0113-05
船舶对风能的利用可以通过在船舶甲板上加 装风翼来完成，由于船舶航向的变化和风的非定 常性，需要适时调整风翼至最佳迎风角来使船舶 获得最大的辅助推进力[1]，而风翼的转动需要驱 动系统驱动。目前国内外对风翼与船舶动力装置 的耦合特性研究较多，而对风翼驱动系统的研究 较少。驱动现代翼型帆的回转系统不同于一般的 回转系统，因为该系统的负载主要为风阻力矩，而 风阻力矩是随着风速和风向的变化不断变化的， 具有随机性，并且风阻力矩的数值往往较大，这就 对驱动系统的运行工况提出了更高的要求。因 此，拟建立仿真模型并且利用实验台验证的方法 对风翼的回转液压系统出现的问题和影响因素进 行分析并提出相对应的优化策略。
比例调速阀和换向阀后通往液压马达，比例调速 阀的作用是通过控制信号来调节阀口开度的大小 进而调节液压马达的输入流量，从而驱动液压马 达以不同的转速运转，液压马达通过啮合齿轮连 接风翼回转平台，驱动风翼回转平台旋转[2]。
1 风翼回转液压系统设计分析
1.1风翼回转液压系统原理
风翼回转液压驱动系统为开式液压系统，原 理图见图1。由主泵从液压油箱中吸取油液，经
收稿日期=2016 -03 -04 修回日期:2016 -04 -12
基金项目：工信部高技术船舶科研计划“风帆技术示
范应用开发”项目（工信部联装（2014) 508 号）；国家自然科学基金资助项目风力助 航条件下的海运船舶最优航线设计方法 研究(51179020);船舶轮机节能和新能源 利用创新团队项目（3132014333)
第一作者简介:傅超（1991 一），男，硕士生 研究方向：轮机工程
1.2风翼回转液压实验台
风翼回转液压实验台对实船液压驱动系统按
照10:1的比例进行缩小，保持回转速度和控制方 式不变。见图2。
此实验台严格按照风翼回转液压系统原理设 计，主要由液压驱动机构、加载器和控制器组成。 实验台为自动控制，其中的转矩传感器、角度传感 器、压力传感器和流量传感器会将采集到的信号 传输给控制器，控制器将采集的数据传输给上位 机以显示和记录;控制器同时会根据设定的程序
E-mail ： funcrease@ 163. com
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图2
风翼回转液压实验台
精确控制回转平台的转速和方向、加载器的输出阻力矩等参数[3];。
1.3风翼回转液压驱动系统仿真模型
根据液压系统原理图，在AMESim平台中建 立液压驱动系统的仿真模型。见图3。
参数见表1。
表1
液压泵和发动机参数
泵排量
500 mL/r液压栗
机械效率0.98容积效率0.96额定转速1 320 r/min马达排量
10 051 mL/r液压马达
工作压力35 MPa机械效率0.98容积效率
0.96原动机轴速1 320 r/min
减速齿轮
齿轮比
7
2 液压系统AMESim模型的实验验证
液压系统的运行状况很大程度上取决于负 载，为了得到该系统的运行特性，通过风洞试验得
到的26 m/s风速下的风阻力矩经拟合后的曲线 见图4ifl，将比例缩小后的风阻力矩值拟合函数 分别输入到仿真模型和液压回转实验台的加载器 中。在设定模型的相应元件参数后，设置系统运 114
第45卷
行时间为20 s，在液压实验台中得到的液压马达 转速、液压系统压力和回转平台旋转角度结果分 别见图5a)、6a)、7a)，在相同的控制策略和负载 的作用下设置仿真时间间隔为0.1 s，对风翼回转 液压实验台进行仿真分析，得到的液压马达转速、 液压系统压力和回转平台旋转角度曲线分别如图 5b)、6b)、7b)Q
1 200 r
-20
0
20 40
60
80
攻角/。
图4风阻力矩随攻角变化
由图5〜7可见，仿真和实验结果保持了较好 的一致性，证明仿真模型的正确性。
3
负载启动影响因素以及优化策略
3.1
液压系统负载启动影响因素
为了验证大负载下的液压系统回转特性，首
先对液压系统进行仿真分析。在启动阶段根据风 阻力矩随攻角变化曲线将风阻力矩设置为攻角为
20°时的额定值（约700 kN • m)，同时设置1 s时
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开始启动，得到的风翼回转角变化见图8。
图8
较大负载下风翼回转角度
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由图8可见，液压系统在额定风阻力矩下启 动时回转平台出现了短暂的反向回转现象，液压 系统在额定风阻力矩下启动时，系统会存在一个 短暂的负载拖动阶段。原因是当制动器打开时， 液压系统还没形成足够的压力来克服风阻力 矩[6]。因此，如何对制动器进行有效的控制，实 现风阻力矩与系统建压相匹配是解决问题的关 键[7_8]。液压系统中的多种因素如管路容腔体积、 马达容积效率、液压油弹性模量和负载大小均会 对这种反向回转现象产生影响[9]。
分别取液压油的体积弹性模量为700、1 000、 1 400 MPa,在风速为20m/s的情况下设置风翼驱 动装置开启时刻承受的风阻力矩同样为20°攻角 的对应值进行仿真，液压系统换向阀在1 s时刻 切换位置，同时制动器松开回转平台，结果见图9。
(。)/趔职—回贓匡
1 2
3 4 5
时间/s
图9不同液压油弹性模量下风翼回转角度
由图9可知，对应3种液压油弹性模量情况， 系统启动阶段风翼的反向回转角度分别为1.6°、 1.8°和2. 1°。可见液压油的弹性模量对系统的影 响较大，随着液压油弹性模量的增加，液压系统反 向回转的角度变小。
液压油弹性模量为1 〇〇〇 MPa,保持风阻力矩 不变，分别设定3种液压马达的容积效率，仿真结 果见图10。
0()1/趔5|回贓匡
0 0.5 1.0
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
时间/s
图10不同液压马达容积效率下风翼回转角度
由图10可见，对应3种液压马达容积效率，
115
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风翼反向回转角度差不太明显，但是随着液压马 达容积效率的提高，风翼反向的回转角度值越来 越小。因此在液压系统工作中，要适时关注马达 容积效率，以免马达容积效率过低影响系统的正 常工作。
设定液压马达的容积效率为〇. 95，保持其他 参数不变，改变液压系统所受的风阻力矩大小，分 别设定3种系统启动时所受的风阻力矩，可得不 同风阻力矩下的风翼回转角度变化见图11。
-----风阻力矩400 kN • m
(
-----风阻力矩600 kN • m。)-----风阻力矩800kN.m
/趔职—回贓匡
0
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
时间/s
图11不同风阻力矩下风翼回转角度
由图11可见，在启动阶段不同的风阻力矩 下，风翼的回转运动情况大不相同：随着风阻力矩 的增大，风翼反向回转的时间和角度都增大;当风 阻力矩小于400 kN • m时，风翼反向回转的角度 不太明显，因此在实船运用风翼过程中，要特别注 意在大风阻力矩下启动风翼的情况，必要时应采 取适当措施。
保持风阻力矩值为700 kN • m，其他参数保 持不变，改变平衡阀到马达之间液压管路容腔的 容积，观察不同的容腔容积对风翼回转角度的影 响。设定管路内壁直径为25 mm，管路长度分别 设定为2、4、6 m，仿真后得到的风翼回转角度曲 线见图12。
(
。)/趔职—回贓匡
0
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
时间/s
图12不同管路长度下风翼回转角度
由图12可见，在液压系统管径相同时，随着 管路长度的逐渐增加，风翼的反向回转角度依次 116
第45卷
增大，但增加的幅度较小。因此在实船风翼回转 液压系统中，应尽量减少平衡阀至液压马达的管 路长度，也可以考虑将平衡阀装在靠近液压马达 处，这样既节省了管路原料，又能提高液压系统回 转性能。
3.2优化策略
回转平台在较大负载作用下启动时出现的反 向回转现象是由于液压系统建压和制动器松开的 时间差造成的，要消除这种现象，可以采用制动器 后开启的形式，实现调速阀与制动器的协同控制。 即在系统开始启动的同时，将调速阀的控制信号 引入制动器的控制电磁阀处，实现两者的联动控 制。
液压系统启动过程中，调速阀的开启采用线 性信号，制动器松闸控制信号根据非工作性制动 器的特性采用阶跃输入，其控制信号设定为略滞
后于调速阀的开启信号，滞后的时间分别设定为: 0.3、0.5、0.8和1.0 s。在保持风阻力矩为额定 值的情况下对制动器不同的松闸滞后时间分别进 行仿真分析，结果见图13。
-----滞后时间1.0 S
(
-----滞后时间0.8 s。-
)-----滞后时间0.5 s/趔--滞后时间0.3 s
/
职—回贓匡_
0.5 1.0
1.5 2.0 2.5 3.0
时间/s
图13不同制动器滞后时间时风翼回转角度
由图13可见，采用制动器延时松闸的方法可以解决液压系统在大负载下启动时的反向回转问 题。通过4种不同制动器松闸滞后时间的比较， 发现随着滞后时间的延长，风翼反向回转的角度 越来越小。滞后时间为0.8 s时存在轻微的反向 回转现象，滞后时间为1.0 s时已基本消除了反 向回转现象，但是滞后时间又不能无限延长，因为 这样势必会造成液压系统启动时压力较大，0.9 s 确定为最佳时间。
由于实船上的风阻力矩值是随风速和攻角的 变化而不断变化的，所以需要在不同的风阻力矩下 对系统进行分析，确定风阻力矩值和制动器延时 时间的对应关系，这样可以为液压系统控制策略 的完善提供依据。最终在给定不同风阻力矩的情
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况下得到相匹配的制动器延时松闸时间见图14。
距为700 kN • m，延时松闸时间设为0.9 s时，可 基本消除反向回转现象，并进一步确定了不同风 阻力距下的最佳延时松闸时间。
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参考文献
[1] 刘绪儒，黄连忠，林煜翔，等.基于AMESim船舶风翼
回转液压系统仿真分析[J].液压气动与密封，2013(4) ：30-34,
0
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000
风阻力矩值/ (kN«m)
[2] 闫亚胜，黄连忠，赵志强，等.基于AMESim船舶风翼
回转液压系统泄漏仿真研究[J].液压气动与密封，
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[6] 王益华.现代大型液压起重机起升性能研究[D].大
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析[D].大连:大连理工大学，2012.
[8] 徐丽.起重机液压起升机构二次起升下滑仿真及其
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[9] 张成龙.超大型履带起重机起升系统研究及其优化
[D].杭州:浙江大学，2014.
图14不同风阻力矩下制动器延时松闸时间
当需要转动风翼时，计算机根据检测到的风 速、攻角等参数进而计算出液压系统承受的风阻 力矩，这样在启动时能根据制动器延时时间和风 阻力矩的对应关系自动输出信号作用于制动器换 向阀处，在保证了制动器的延时松闸时间的同时， 也保证了液压系统的稳定运行。
4 结论
1)
响发现:液压油弹性模量越大、马达容积效率越高 则反向回转角度越小，；管路容腔体积越大，负载 越大则反向回转角度越大;且液压油弹性模量和 负载的大小对液压系统的影响较大。
2) 对于本文设计的液压系统来说，当风阻力
通过研究不同因素对反向回转现象的影
[7] 刘永平.闭式液压系统二次起升动态特性仿真与分
Research on On-load Startup Strategy Optimization of
Wing-sailed Slewing Hydraulic System
FU Chao1，YAN Ya-sheng2，HUANG Lian-zhong1，MENG Ling-ping1
(1. Marine Engineering College，Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China；2. CNOOC Energy Technology and Services-Marketing Services Co. , Tianjin 300450, China)
Abstract ： Based on the phenomenon that the platform will reverse rotation in a short time when starting with heavy load and the principle of wing-sailed slewing hydraulic system, the simulation model is established. Based on the hydraulic experimental table, the simulation model is certified by experiment. A control strategy of delaying start of the brake is proposed. In terms of the AMEsim simulation results, the relationship between different load moments and delaying time of the brake is gotten. The phenomenon of reverse rotation can almost disappear.
Key words： wing-sail； hydraulic system； simulation； delaying star
117
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