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液壓在船舶中的促進作用


現代船舶逐漸向大型化、專業化、高速化方向發展,傳統的船舶推進方式―――柴油機直接推進逐漸表現出一些不適應。為此,探尋機動性能良好、綜合性能優良的推進方式來迎合現代船舶發展的要求已勢在必行。
  隨著各種先進技術的發展,電子、磁流體等技術已經應用於船舶推進裝置中,先後出現了電力推進、超導電磁推進、噴水推進等推進方式。這些推進方式相對於柴油機直接推進方式各有優點,但都存在不足。
  本文在分析各種推進方式的優缺點的基礎上,結合液壓傳動技術在船舶中的應用,提出了一種新的推進方式―――船舶綜合液壓推進,說明其優點,並通過實驗驗證了其可行性。
  1現有推進方式及其特點比較現代船舶所應用的推進方式主要有四種:柴油機直接推進、電力推進、超導電磁推進和噴水推進。這些推進方式的特點比較如所示,柴油機直接推進雖然結構簡單,控製方便,但其推進裝置功率體積比過大,並且其主機、軸和推進器要求在同一高度,有效艙容小;電力推進似乎是目前最理想的推進方式,但由於其主要元件物理特性的限製,增大船舶功率比較困難;噴水推進與磁流體推進尚在研究階段,仍有許多問題需要研究解決。
  2船舶綜合液壓推進船舶液壓推進是通過雙向變量液壓泵來調節螺旋槳的轉速與方向,進而實現船舶前進、後退、變速等動作。
  目前,液壓傳動技術在船舶上的應用日益廣泛,如舵機、起貨機、錨機、絞纜機、吊艇機、旋梯升降機、艙蓋板啟閉裝置等船舶甲板機械多采用液壓係統作為動力源或推進裝置,而傳統的氣動、蒸汽甲板機械已逐漸淘汰。采用柴油機直接推進、電力推進、超導電磁推進和噴水推進的船舶均需要在船舶上設置兩套動力係統,以供主推進裝置與船舶輔機使用。液力推進雖然使用液壓源,但其推進效率極低,僅為60,限於特殊場合應用。而若主推進裝置采用液壓推進,就可與輔機使用同一動力源,這樣既利於能源的使用,又利於液壓設備的整合,即“船舶綜合液壓推進”。
  與現有的推進方式相比,液壓推進的船舶有如下優點:(1)操縱控製方便,機動性能好。船舶采用液壓推進時,螺旋槳轉速可以在反向額定轉速與正向額定轉速之間進行無級調速和換向,完全不受主機最低穩定轉速的限製。由於液壓推進係統幾乎不受執行機構和機械係統運動慣性的影響,因此對螺旋槳可進行有效的製動,而且其動態過程穩定、時間短。與用柴油機變速的直接傳動係統相比,對控製信號的響應快得多,易於實現快速起動、換向以及製動等操作,尤其是在船舶高速航行時,該特點更加明顯。
  (2)輸出恒定扭矩。這是其它傳動方式所不具備的,充分迎合了螺旋槳轉速常變而扭矩恒定的要求。
  (3)機艙布置靈活。柴油機和螺旋槳的安裝位置可以根據機艙位置進行多層布置,互不影響,避免了直接推動係統柴油機軸線必須與軸係中心線、螺旋槳中心線在同一直線上而不得不墊高機座位置的不合理布置情況的出現。靈活的布置使機艙空間得到充分的利用,機艙所需容積減少,有利於貨物的裝載。
  (4)功率重量比大。在同等功率情況下,液壓執行裝置具有體積小、重量輕、結構緊湊等優點。例如,液壓馬達的體積隻有同等功率電動機的12左右。據SIEMENS公司對電力推進船舶設備重量的統計,其值比直接推進的同功率船舶設備總重量減少30,液壓推進比電力推進布置更緊湊,重量更輕,因此更有利於機艙和螺旋槳的布置。
  (5)安全可靠性好,振動小,噪聲低。首先,液壓推進自身具有較高的機動性能。其次,不受柴油機最低穩定轉速的限製,可實現微速航行。再次,可使用多台原動機,各原動機既可以獨立工作又可以聯合使用,推進器可采用多個螺旋槳,且都獨立控製,因而即便是部分原動機和螺旋槳出現故障也不會導致船舶沒有航行能力。最後,由於液壓油具有良好的潤滑性能,隻要管理得當,液壓係統的故障率很低,同時液壓裝置也易於實現過載保護。
  (6)延長了發動機以及元件的使用壽命。如采用液壓推進,則船舶航速與航向的改變不依賴主機轉速、轉向的變化。主機轉速可以為固定值,減少了主機起、停、換向次數,因此減輕了運動部件的磨損和受熱部件的熱疲勞損壞。
  (7)有利於主機驅動輔助負荷,合理利用能源。采用液壓推進,主機可以恒速運轉,這一特點有利於船舶中要求恒速運轉的軸帶發電機的使用,也有利於某些裝有軸帶輔機的工程船舶的應用,如挖泥船、消防船等。
  (8)適用於某些特殊船舶。相對於電力推進,從安全角度考慮,液壓推進船舶更適於某些特殊船舶,如天然氣船、油船等。
  3實驗驗證船舶液壓推進在理論上適於在現代船舶上應用,但它能否應用到實船當中還需要深入研究,許多問題尚需驗證和解決。為此,設計了船舶液壓推進實驗裝置並進行初步試驗。
  所開發的實驗裝置共分三部分:一是作為液壓推進裝置的主回路;二是模擬螺旋槳負載特性的加載回路;三是對整個係統實施控製的控製回路。電動機2代替船舶柴油機作為主機帶動變量泵3旋轉,將機械能轉換成液壓油的壓力能。驅動雙向定量馬達7做回轉運動,通過步進電動機調節雙向變量泵3的斜盤傾角的大小和方向來改變馬達的轉速和轉向。
  雙向液壓泵9作為加載泵,與馬達7剛性聯接,利用它的正反轉來體現螺旋槳的正轉和反轉,通過調節電液比例溢流閥12進口壓力改變液壓泵進出油口壓差,使液壓泵的轉矩發生改變,從而模擬螺旋槳特性。
  經初步試驗,裝置設定液壓回路壓力範圍為0~25MPa,在此範圍內,係統性能穩定,密封良好,噪聲較小;馬達調速和換向過程中,工作平穩,響應速度快,液壓回路壓力波動在1MPa之內,速度誤差在5之內;電液比例閥可實現在0~25MPa壓力範圍內調壓,使加載泵吸排油口壓差在1~20MPa壓力範圍內變化。
  反複實驗驗證,在不同負載大小下,推進效率均在85以上。而根據資料顯示,柴油機直接推進的推進效率為95,電力推進的推進效率為90.
  4結論通過理論分析及初步試驗證明,船舶液壓推進具有性能穩定、響應速度快、推進效率高等優點,並且在機動性、安全性等方麵與現有推進方式均有可比之處。可見,對船舶綜合液壓推進的研究是極有價值的,該推進方式在未來船舶推進裝置的設計製造中必將占有一席之地。