舵传动装置的液压与电气驱动振动特性对比研究

向科兵，李维嘉，兰秋华

1华中科技大学船舶与海洋工程学院，湖北武汉430074

2华中科技大学能源与动力工程学院，湖北武汉430074

舵传动装置的液压与电气驱动振动特性对比研究

向科兵1，李维嘉1，兰秋华2

1华中科技大学船舶与海洋工程学院，湖北武汉430074

2华中科技大学能源与动力工程学院，湖北武汉430074

［目的］针对传统的液压驱动的舵传动装置，基于缩比舵传动装置试验台，开展电气驱动方式振动特性研究。［方法］首先研究舵传动装置在电气驱动下机构本身振动特性与负载力及转动角速度的关系，然后对液压、电气两种驱动方式下机构的振动特性进行对比分析。［结果］试验表明，传动装置产生的振动强度与舵叶加载力、舵角零点位置角速度呈正相关，电气驱动方式产生的振动加速度峰峰值和均方根值与液压驱动相比均降低了40%，有效降低了传动装置的整体振动，［结论］对舵传动装置电气化具有参考价值。

舵传动装置；液压驱动；电气驱动；振动特性

0 引 言

世界各国海军为提升整体作战能力、提高新一代主战舰艇和军辅船等作战平台的隐身性能，已在舰船上广泛使用综合全电力系统，并发展动态重构的“全电力战舰”。

舵机系统是舰船操控系统的重要组成部分，其产生的流体噪声和机械噪声也是舰船的重要噪声源之一［1］。抑制舵机系统自身的噪声，是提升舰船隐身性能和改善舰船内部工作环境的一项行之有效的措施。在传统的舰船操控系统中，舵机主要通过液压系统进行控制。液压舵机系统虽然可以提供较大负载和容易实现过载保护，但是其缺点也非常明显，占用体积大、泄漏无法避免、产生的机械噪声和流体噪声大［2］。近年来，随着综合全电力系统的运用，舵机系统开始采用伺服电机驱动，并且交流变频、现代控制等技术的高速发展解决了交流电机调速性能较差、响应速度较慢等问题。与液压舵机相比，电动舵机占用空间少、不会产生流噪声、机械噪声较小，能有效提升作战平台的隐身性能。目前，国内外关于液压舵机和电动舵机的模态分析及有限元仿真等方面的研究较多［3-7］，但大都缺乏实验研究。本文拟基于某船用舵传动装置缩比试验台，对液压和电气两种驱动控制方式下舵传动装置的振动加速度特性进行对比研究，探讨舰船舵机系统电气化的可行性。

1 舵传动装置缩比试验系统

舵传动装置缩比试验系统主要由试验台架、舵叶加载系统、集中控制系统和数据采集系统4部分组成。此装置是由某型实船舵机系统经过1∶4的缩比得到，在确定了试验系统的性能参数后，设计了如图1所示的试验台架，主要通过液压缸或者电动缸驱动与之直接相连的传动拉杆和曲柄拉杆提供动力，带动舵叶运动。另外，还提供2个加载液压缸分别对舵叶进行加载，模拟舵机系统在有载情况下的操舵过程。

图1 试验台架结构图Fig.1 Test bench structure

加载系统主要用于舵传动装置运行过程中给舵叶施加一定的负载压力，模拟舵机系统工作过程中受到的外作用力。实船操舵过程中，随着舵角变化，舵所受作用力比较复杂，为便于研究，将作用力大小近似成随着舵角进行线性变化。采用由预充压力蓄能器与加载液压缸构成液压弹簧的被动式加载系统，可以提供最大50 kN的加载能力，响应速度较快，且工作过程中没有振动噪声。

集中控制系统具有液压伺服驱动控制和电气伺服驱动控制两种控制模式。前者采用电液位置伺服控制方式［8］，通过模拟量信号反馈舵角的当前位置，经电液伺服阀驱动液压缸做出快速、准确、平稳的跟随动作，液压伺服控制原理图如图2所示。后者采用基于CANopen现场通讯的数字式交流伺服驱动控制方法［9］，上位机通过CANopen通讯向伺服驱动器发送目标位置的数字量控制指令，伺服驱动器驱动伺服电机转动，经滚珠丝杠及电动缸，带动舵叶做出快速、准确、平稳的跟随动作。电气伺服控制原理图如图3所示。

图2 液压伺服控制原理图Fig.2 Hydraulic servo control schematic

图3 电气伺服控制原理图Fig.3 Electro servo control schematic

测量系统对电动缸直接作用的传动拉杆产生的振动和从传动拉杆经过导向装置传到曲柄拉杆的振动进行测量。为对比研究两种驱动方式下驱动缸出口处的振动加速度和经过空间滑块机构驱动舵叶过程中振动加速度的传递、放大情况［10-11］，如图1所示布放加速度传感器。图中1～4代表1～4号传感器。其中，1号传感器布放在传动拉杆靠近液压缸或者电动缸出杆处，2号传感器布放在在曲柄拉杆上靠近导向装置处，3号传感器布放在曲柄拉杆上远离导向装置处，4号传感器布放在曲柄上。1号传感器测量驱动端的振动，其他3个测量传动装置端的振动，在这3个传感器中选取最典型的2号传感器进行研究。

数据采集系统采用的是日本东京测器研究所TML公司的TMR200测量仪，加速度传感器采用352C33型传感器，灵敏度为100 mV/g，测量范围±50g，频率工作范围0.5～10 kHz，可以满足本试验各工况下的测量要求。

2 电气驱动的振动特性研究

舵机系统在操舵过程中产生的振动噪声有很多影响因素，影响最大的是打舵过程中舵受到的作用力以及打舵速度的快慢。同时，舵叶受到的作用力不仅与舵角有关，也与船的航速密切相关。为研究电气驱动方式下舵传动装置在运行过程中的振动特性，控制舵传动装置做典型的正弦规律运动，分别在以下两种工况下开展振动试验并测量其加速度数据，分析振动特性。

1）定斜率加载力、舵叶不同转角速度下的振动试验研究；

2）舵叶定转角速度、不同斜率加载力下的振动试验研究。

其中，定斜率加载力工况近似于定航速时舵叶的受力工况；定转角速度工况近似于某一打舵速度下不同航速工况。考虑到舵机系统正常打舵范围是±20°，所以本次试验主要研究20°舵角以内系统的振动加速度特性。

在加载力为最大加载力60%的典型工况下，通过控制上位机的正弦信号值，使得舵叶运动经过舵角零点位置时转角速度分别为1，2，3，4和5（°）/s并进行振动试验，测得运动过程中1号和2号传感器振动加速度曲线如图4～图8所示。

从图中可以发现，传动拉杆处的振动加速度峰峰值和均方根值均比较小，曲柄拉杆处的振动较大，说明电动缸的控制效果较好，运行较为平稳。

同样，将加载力分别调整为最大加载力的40%和80%，进行定斜率加载力振动试验，测得运动过程中1号和2号传感器处的振动加速度，经过数据分析软件预处理后，将3组加载力试验的结果导入Matlab，计算得到定斜率加载力和定转角速度两种工况下各组加速度峰峰值和均方根值（单位：0.1 g），如表1和表2所示。

图4 舵叶转角速度1（°）/s时的振动加速度曲线Fig.4 Vibration acceleration curves when angular velocity of rudder blade is 1（°）/s

图5 舵叶转角速度2（°）/s时的振动加速度曲线Fig.5 Vibration acceleration curves when angular velocity of rudder blade is 2（°）/s

图6 舵叶转角速度3（°）/s时的振动加速度曲线Fig.6 Vibration acceleration curves when angular velocity of rudder blade is 3（°）/s

图7 舵叶转角速度4（°）/s时的振动加速度曲线Fig.7 Vibration acceleration curves when angular velocity of rudder blade is 4（°）/s

图8 舵叶转角速度5（°）/s时的振动加速度曲线Fig.8 Vibration acceleration curves when angular velocity of rudder blade is 5（°）/s

根据对舵传动装置电气驱动不同加载力、不同最大角速度的各种工况下测得的试验数据以及上面绘制的加速度峰峰值和均方根值图表的分析可知，舵叶运行到最大角度处的负载力越高、运行过程中舵角零点位置的角速度越大，驱动系统产生的振动强度越高；此外，在振动从传动拉杆向曲柄拉杆轴向传递过程中，振动强度快速增加，这主要是因为导向装置中旋转副与曲柄拉杆铰接处存在间隙，振动在经过间隙的过程中被放大了。

表1 不同工况下的加速度峰峰值Table 1 Peak-to-peak acceleration values in different conditions

表2 不同工况下的加速度均方根值Table 2 Root-mean-square acceleration values in different conditions

3 不同驱动方式下振动特性对比

为开展舵机系统在液压驱动和电气驱动两种方式下系统产生的机械噪声对比研究，分别在舵传动装置上进行一系列正弦运动试验。为在液压驱动方式下获得系统的控制平稳性，按文献［11］进行优化设计，以使在直线加速控制策略下系统产生的振动最小。调整舵叶加载系统使得加载力分别为最大加载力的40%，60%和80%，舵叶运动经过舵角零点位置时转角速度分别为1，2，2.5，3，4和5（°）/s，振动试验后测量1号和2号传感器处的振动加速度，经过Matlab计算得到各组加速度数据的峰峰值和均方根值，并绘制两种驱动方式在不同工况下计算结果的变化趋势图，如图9和图10所示。

图9 两种驱动方式下传动拉杆振动加速度峰峰值和均方根值变化图Fig.9 Peak-to-peak and root-mean-square values of vibration acceleration ofthe transmission rod under two drive modes

通过对比分析舵传动装置的液压伺服驱动和电气伺服驱动两种控制方式下传动拉杆、曲柄拉杆左端振动加速度的峰峰值和均方根值的变化情况，可以得出以下结论：

图10 两种驱动方式下曲柄拉杆左端振动加速度峰峰值和均方根值变化图Fig.10 Peak-to-peak and root-mean-square values of vibration acceleration of the left end crank rod under two drive modes

1）两种驱动方式下舵传动装置驱动系统产生的振动均随舵叶在舵角零点位置角速度的增大而增强，随着舵叶在最大角度处承受负载力的增加而增强。

2）随着舵传动装置在舵角零点位置角速度的逐渐增大、舵叶负载力的增加，特别是在4和5（°）/s转角速度时，液压驱动方式产生的振动增强较为快速，电气伺服驱动控制方式产生的振动增强较为平缓。

3）舵传动装置在小负载、低转角速度的工况下，两种驱动方式产生的振动加速度峰峰值和均方根值差距不大，均不超过10%；在较大负载、较高转角速度工况下，电气伺服驱动产生的振动加速度峰峰值和均方根值较液压伺服驱动均有较为明显的降低，降幅约为40%。

4）从舵传动装置的振动强度和系统平稳性来看，电气伺服驱动方式优于液压驱动方式。

4 结 语

通过舵传动装置在不同加载力、不同舵角零点位置角速度两种工况下的振动特性试验，首先研究了电气驱动方式下传动装置本身的振动加速度特性，试验表明驱动系统产生的振动强度与舵叶加载力、舵角零点位置角速度呈正相关，并且振动在机构中传递过程中强度逐渐增加；随后，对液压驱动和电气驱动两种方式下产生的振动加速度进行了对比研究，从试验来看，舵机电气驱动产生的振动加速度峰峰值和均方根值和液压驱动相比均降低了40%，电气驱动方式在机械振动噪声和系统运行平稳性方面性能更好，电动舵机替代液压舵机在性能指标上是可行的。

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Comparative study of rudder transmission vibration characteristics of electric and hydraulic drive

XIANG Kebing1，LI Weijia1，LAN Qiuhua2
1 School of Naval Architectureamp;Ocean Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China
2 School of Energy and Power Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China

［Objectives］A comparative study of the rudder transmission vibration characteristics of electric drive and traditional hydraulic drive is carried out on the basis of a telescopic rudder transmission test bed.［Method］First，a study is made of the rotational angular velocity and the relationship between the vibration characteristics and load force of a rudder transmission driven by an electric servo motor.Next，the vibration characteristics of the mechanism under hydraulic drive and electric drive are compared and analyzed.［Results］The results indicate that the vibration intensity has a positive correlation with the rudder blade loading force and angular velocity at the zero balance position.Both the peak-to-peak values and root-mean-square values of the vibration acceleration of the electric drive are reduced by 40%compared with the hydraulic drive，meaning that the electric drive can more effectively reduce the overall vibration of the rudder transmission.［Conclusions］The results provide a reference for the electrification of the rudder transmission.

rudder transmission；hydraulic drive；electric drive；vibration characteristics

U664.36

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.06.017

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20171128.1102.014.html期刊网址：www.ship-research.com

向科兵，李维嘉，兰秋华.舵传动装置的液压与电气驱动振动特性对比研究［J］.中国舰船研究，2017，12（6）：114-119.

XIANG K B，LI W J，LAN Q H.Comparative study of rudder transmission vibration characteristics of electric and hydraulic drive［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（6）：114-119.

2017-05-02 < class="emphasis_bold"> 网络出版时间：

时间：2017-11-28 11:02

向科兵，男，1991年生，硕士。研究方向：舰船液压与机电控制。E-mail：1215908069@qq.com

李维嘉（通信作者），男，1964年生，博士，教授，博士生导师。研究方向：水下作业系统，机电液智能控制系统，机器人。E-mail：liweijia@hust.edu.cn