船舶吊舱式液压推进系统的设计分析

孔定新

摘 要：近些年来，由于船舶不断的朝着大型化、高速化的方向快速发展，使得船舶中主机所需要的功率也在不断的加大，而这种情况的出现使得在进行船舶主机的设计时所面临的困难也越来越大，此外，又由于主机所占的范围越来越大，使得船舶可以有效使用的空间范围不断变小，这就促使将多个主机进行联合使用不断被采用。到目前为止，船舶的推进方式主要是包括机械推进以及电力推进两种方式，对于机械推进来讲主要是在传动效率方面比较良好，而在机动性、功率重量比大小等方面却不够完善；而电力推进则机动性能较好，但由于功率重量比较小，而大功率调速的问题仍然没有得到有效的解决。而液压推进则有着驱动功率大、控制方便以及安全性能好等诸多优点，所以在本次的研究中主要对液压推进系统进行分析。

关键词：船舶吊舱式 液压推进 设计分析

船舶液压推进技术主要是指在船舶的推进系统中加入液压技术，然后有效的通过液压泵将船舶主机所输出的机械能更好的转化为压力能。在本次的研究中，主要是在原有船舶推进系统设计的基础上对液压推进方式进行分析并设计，在设计的过程中主要是从船舶油路的循环方式、调速方式以及油源选择系统等多方面的情况对船舶液压推进系统进行了有效的研究与分析，并对其中的泵、螺旋桨以及柴油机等原件进行了有效的选型与计算。从实际的数据上对影响系统设计中所涉及的各个参数进行准确的分析，从而为液压推进方式的设计提供数据依据。

1.船舶现有的推进方式

目前，船舶的推进方式主要有以下几种：

①直接推动。直接推进主要是通过改变主机的转速与转向来有效的改变螺旋桨的转速与转向。随着船舶不断的朝着大型化、高速化的方向发展，使得柴油机在制动、换向等性能方面出现了较大的下降，从而对柴油机的可靠性造成了极大的影响。

②电力推进。电力推进主要是在电动机的电力驱动下对螺旋桨进行推动，然后通过调节电动机的电流方向和转速来调节螺旋桨的转速与转向。电力推进的机动性能较高，但是动力装置的重量增大，使得制造和使用成本大大增加，而且由于推进船舶的主要技术发展还不够成熟，从一定程度上限制了电力推进方式在船舶中的使用。

③超导电磁推进。这种推进方式主要指把带电的电极插在水筒中，通电后在水中产生一定的电流，然后与安装在船上的磁铁产生的磁场进行相互作用，通过电磁力的产生喷出高速水流，从而推进船舶。超导电磁推进方式所产生的噪音相对于其他推进方式较小，但是由于海水的阻力大，使得对磁场的强度有极高的要求，而目前的水平远远达不到这个标准，所以在船舶中采用较少，同时由于磁场材料的一些问题无法很好的解决也使得超导电磁推进方式应用范围不大。

④喷水推进。喷水推进是指通过船尾的喷水机产生的高速水流，然后通过喷头喷出，对船舶形成一种强大的反冲击力，从而促使船舶前进、转向等运转。喷水推进的优点主要有机动性好、高速等，但一旦船速低于20kn时，产生的推进效率是非常小的，而且还由于管道中水的重量增加，从而增加了排水量，所以极易出现堵塞而影响船舶的速度。

⑤液力推进方式。液力推进在运作的过程中主要是通过液力耦合器来推动螺旋桨，从而达到推进船舶的目的，液力推进方式有着传递能力大等优点，但是由于该推进方式的传动效率较低，一般只有在特殊的情况下才会选择使用。而近些年来，由于船舶不断的朝着大型化、高速化的方向发展使得这几种推进方式都受到了较大的限制，从而促使了船舶吊舱式液压推进系统的设计。

2.船舶液压推进

2 . 1液压传动技术

液压传动技术具有很多适合在船舶推进装置中应用的优点，如运动惯性小、船舱布置灵活、设备重量、体积小、操纵控制方便以及科研实现大范围的调速；同时故障率低，使用寿命较长，容易更好的实现自动化。而且将液压传动技术运用为液压推进系统的设计提供了更加有力的实践依据。船舶液压推进技术主要是指在船舶的推进系统中加入液压技术，然后有效的通过液压泵将船舶主机所输出的机械能更好的转化为压力能。液压油的压力能通过液压马达转换为螺旋桨的机械能，从而来控制调节螺旋桨的转速与转向，达到更好的适应船舶的各种运作。

2 . 2船舶液压推进方式的优点及其缺点

与目前所存在的各种船舶推进方式相比，液压推进方式主要有以下几个方面的优点：

①机动性能高，集中控制方便。在船舶中采用液压推进系统可以对螺旋桨进行有效的制动，提高系统对控制信号的响应速度，从而更快的实现快速启动、换向等运作。

②船舱范围布置灵活。在过程中可以将柴油机与螺旋桨安装在不同的位置，从而达到有效避免柴油机与螺旋桨的轴线在同一条直线上而出现不合理的布置。灵活的布置可以为船舱提供更多的利用空间。

③安全、可靠性好，噪音低。由于液压推进系统自身机动性能较好，而且不会受柴油机转速的制约，此外还由于液压推进可以同时使用对台原动机，在出现骨折时也不会对船舶的航线带来影响。并且液压油的润滑性能好，同时液压装置易于进行超载保护，使得该系统具有较好的安全、可靠性。

④功率重量比大。在同等的功率情况下，液压装置的重量轻、体积小。着也使得液压推进比电力推进更有利于机舱和螺旋桨的布置。

⑤延长了发动机以及元件的使用寿命。使用液压推进有效的减少了主机的起、停次数，因此很好的降低了热疲劳损坏，从而大大的增加了使用寿命。

液压推进方式主要有以下几个方面的缺点：

①与之前所选用的推进方式相比，液压推进方式需要更多的成本，同时管理技术要求也比较高。

②液压推进系统的安装和调试都较为复杂，而且对建造以及调试的人员的水平要求高。

③液压系统的故障原因较多，且不能进行及时快速的排除。

3.船舶液压推进系统的设计原理及计算方法

3 . 1船舶液压推进系统的设计原理endprint

在进行船舶液压推进方式的设计时，必须要详细的考虑系统中所要包含各种调节机构，如主机、液压马达、螺旋桨、泵站、控制器等。通过液压泵将船舶主机所输出的机械能更好的转化为压力能。而通过系统中的液压马达又可以有效的将转化的压力能进一步转换为机械能，从而对系统中螺旋桨的转速以及转向进行有效的调节，从而实现螺旋桨等个辅助装置协调工作。

3 . 2液压系统参数的计算极易元件选择

3.2.1液压系统中参数的计算

极易元件选择如下：

①螺旋桨选型计算。螺旋桨所需的力矩为：Mf=Kρn2D5pp，负载力矩方程为：M = J t×d 2 Q /dx2+Bmn+GQ+Mf。

②柴油机选型计算。柴油机的有效功率计算方程：Ne=neiVhPe/30000δ，在实际的运作过程中柴油机是在负荷特性下来带动液压泵站的运转，这就说明在实际的运作中只需要对喷油泵的循环供油量进行适量的改变以满足系统的要求。

③泵的选型计算。由于在实际运作中，变量泵中所具备的高、低压腔在正常情况下是可以转换的，这就可以看出在运作的过程中可以对液压马达的方向进行改变。另外液压马达的运作程度都是通过高压腔所产生的压力来决定的，而在这个过程中低压腔的压力基本上是保持不变的，所以变量泵的计算方程为：Qp=qp×dQp/dtCip（p1-p2）-CepP1。

④液压马达的选型计算。如果在设计的过程中不需要考虑螺旋桨在运作的过程中所造成的损害，那在这种情况下液压马达的输出转矩与负载转矩应保持相等，即：pV=Jt×d2Q/ dx2+Bmn+GQ+ Mf。

3.2.2液压系统的发热散热的计算

在液压系统中所产生的热量主要包括液压泵以及液压马达的功率损失、油液通过阀体以及管道等压力损失而产生热量。系统的总发热量的计算估算公式为：H=Ppi-Pao。而实际上油箱等散热面都有效的将液压系统中所产生的热量散发到空气中，减少损坏。

3.2.3滤油器的选择

对滤油器的要求主要是为了满足过滤精度的要求。过滤器还需具备一定的机械强度，从而有效的保证在一定的压力下不会因为液压力的作用而出现破坏，同时过滤器还应具有稳定的性能、耐久性以及良好的抗腐蚀力。根据这些方面在选择过滤器时要充分考虑一下机方面的指标：

①过滤精度。一个新的过滤器，过滤精度是指油液在经过滤油器时滤芯能够清除的颗粒度的尺寸。而设计精度的目的则在于解决两个方面的问题，一是保证充分的使用寿命时间，二是获得所需的过滤精度。

②最大允许压力降。由于滤油器是通过滤芯里的无数小孔来清除油液中的杂质，所以在过滤的过程中就会产生压力降。而压降的大小与粘液的流速、杂质的多少有着较大的关系，所以必须根据压降的大小来选择过滤率。

③通油能力。油液在经过过滤器时，一般可以视为多重、直通的层流运动，而通过一个小孔的速度为：ν=K×ΔP/μ。在当已知油液的动力粘度以及过滤器前后压差ΔP，则可以通过流量来计算过了面积，从而正确的选择过滤器。

4.讨论

目前，随着机电一体化在现代设备中的广泛应用，液压装置在一台设备中的造价也非常高，所以对亚也推进系统进行有效的设计与分析，对船舶液压推进技术的发展有着极为重要的作用。吊舱式液压推进是一种全新的推进方式，液压推进技术为船舶的设计与开发都带来了良好的效益，同时也大大的改善船舶的机动性能，提高了安全可靠性，同时也大大的延长了使用寿命，所以吊舱式液压推进具有很好的优势，并且也拥有了更大的发展空间与潜力，应提高对吊舱式液压推进方式的重视，并且要加大对液压推进技术的设计研究，促进船舶行业的更快的发展。

参考文献：

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[3]王守成，荣一鸣.液压与气压传动[M].北京：北京大学出版社，2012，33（10）：45-47.endprint