基于AMESim的雙機(jī)并車(chē)仿真研究

，

(上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

聯(lián)合動(dòng)力裝置是指不同的動(dòng)力系統(tǒng)聯(lián)合，發(fā)展至今，有多種多樣的形式，最常見(jiàn)的為燃-燃、柴-燃、柴-柴聯(lián)合動(dòng)力裝置，其中尤其以柴-燃聯(lián)合為多。

然而，跟傳統(tǒng)的柴-燃聯(lián)合動(dòng)力裝置相比，雖然柴-柴聯(lián)合動(dòng)力裝置能提供的功率范圍相對(duì)較小，但在滿足需要的情況下，最佳選擇仍然是柴-柴聯(lián)合動(dòng)力裝置，尤其是將數(shù)臺(tái)中速柴油機(jī)聯(lián)合，則更能發(fā)揮出柴-柴聯(lián)合動(dòng)力裝置的優(yōu)勢(shì)[1]。

柴-柴聯(lián)合動(dòng)力裝置(CODAD)主要是將數(shù)臺(tái)柴油機(jī)通過(guò)齒輪箱并車(chē)。與其它的聯(lián)合動(dòng)力裝置相比，柴-柴聯(lián)合動(dòng)力裝置具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[2]:①能夠提供較大的輸出功率；②跟耗油率和燃油品質(zhì)都有高要求的柴-燃聯(lián)合動(dòng)力裝置中的燃汽輪機(jī)相比，CODAD具有更好的經(jīng)濟(jì)性；③能提供多種運(yùn)行模式，可以適應(yīng)不同的工況需求[3]。

1 試驗(yàn)臺(tái)介紹

雙機(jī)并車(chē)試驗(yàn)臺(tái)基本組成見(jiàn)圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)基本組成

1)試驗(yàn)臺(tái)的兩臺(tái)柴油機(jī)為6105Q和495AC，額定功率為95.6和31.6 kW，額定轉(zhuǎn)速為2 800和2 000 r/min。柴油機(jī)均通過(guò)軸系與減速齒輪箱相連，且?guī)в腥淌綑C(jī)械調(diào)速器。

2)該試驗(yàn)臺(tái)中選用了兩種減速齒輪箱。其中6105Q柴油機(jī)一側(cè)連接著MB170齒輪箱；而495AC柴油機(jī)一側(cè)則連接著S40雙速比減速齒輪箱。通過(guò)聯(lián)軸器，齒輪箱與SSS離合器相連。

3)SSS離合器的作用是當(dāng)輸入端與輸出端的轉(zhuǎn)速相同時(shí)，離合器會(huì)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)嚙合或脫離嚙合，從而使動(dòng)力輸入與輸出設(shè)備連接或分離。

4)并車(chē)齒輪箱。與測(cè)功器連接。

5)增速器型號(hào)為ZDH350，速比1∶3.5。

6)電渦流測(cè)功器型號(hào)為GW250，該電渦流測(cè)功器具有精度高，轉(zhuǎn)速大等優(yōu)點(diǎn)；另外，其功率調(diào)節(jié)范圍及控制性能也有明顯優(yōu)勢(shì)，實(shí)驗(yàn)可在更精確可靠的工況下進(jìn)行。

7)測(cè)控系統(tǒng)為FC2000發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)，生產(chǎn)商為湖南湘儀動(dòng)力測(cè)試儀器有限公司。該測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，通過(guò)數(shù)字分段PID調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速及負(fù)荷，控制特性無(wú)擾動(dòng)且種類多樣，具有良好的安全性能。

2 建立聯(lián)合動(dòng)力裝置模型

整個(gè)雙機(jī)并車(chē)系統(tǒng)由兩臺(tái)柴油機(jī)模型(用同一個(gè)模型，設(shè)置不同參數(shù))，傳動(dòng)裝置模型、并車(chē)控制器模型等幾部分組成。總體模型見(jiàn)圖2。

圖2 總體模型

2.1 柴油機(jī)本體模型

考慮到一般性，在對(duì)柴油機(jī)建模時(shí)，增加了渦輪增壓系統(tǒng)、空冷器系統(tǒng)以及集氣器系統(tǒng)[4]。另外，由于試驗(yàn)中一臺(tái)6105Q柴油機(jī)具體數(shù)據(jù)難以獲得，因此在試驗(yàn)中，假設(shè)兩臺(tái)495AC柴油機(jī)的模型進(jìn)行仿真。柴油機(jī)本體模型見(jiàn)圖3。

圖3 柴油機(jī)本體模型

本實(shí)驗(yàn)室購(gòu)買(mǎi)的AMESim軟件能夠較好地完成物理模擬，對(duì)外界環(huán)境簡(jiǎn)化，將輸入與輸出因素通過(guò)物理數(shù)值體現(xiàn)在具體模型上，見(jiàn)圖4。

2.2 PID調(diào)速器模型

PID控制包含PI和PD控制兩部分。PID控制器即是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例積分微分計(jì)算控制量而進(jìn)行的控制[5]。

PID調(diào)速器模型見(jiàn)圖5，PID參數(shù)見(jiàn)圖6。

2.3 SSS離合器模型

為了盡量接近SSS離合器實(shí)際需求，主要是實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)與柴油機(jī)之間動(dòng)力切換的試驗(yàn)，參考有關(guān)資料，利用MATLAB/SIMULINK建立柴油機(jī)與柴油機(jī)之間切換的SSS離合器模型見(jiàn)圖7。

3 仿真結(jié)果

初始外界輸入轉(zhuǎn)矩值設(shè)置為-1 000 N·m，通信時(shí)間間隔設(shè)為0.001 s，這樣每個(gè)變量可以得到10 000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，能更好地繪制光譜圖。

AMESim軟件可與MATLAB/SIMULINK軟件結(jié)合進(jìn)行聯(lián)合仿真，將該模型在SIMULINK模塊中調(diào)試，SIMULINK仿真見(jiàn)圖8。

由仿真結(jié)果知，AMESim與MATLAB的振動(dòng)模型仿真結(jié)果極其相似。其中，若考慮數(shù)字計(jì)算和模擬的準(zhǔn)確性，MATLAB更具優(yōu)勢(shì)；而AMESim可繪制三維圖，能更好地得到模擬對(duì)象對(duì)于激勵(lì)從圖9中可知對(duì)于激勵(lì)信號(hào)的轉(zhuǎn)矩共有4個(gè)階次，分別對(duì)應(yīng)著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的頻率及其2、3、4倍。在這4個(gè)階次中，最為猛烈的是第一階次，而第二階次則相對(duì)較弱，之后的第三、四階次則更是微弱。由此可見(jiàn)，在實(shí)驗(yàn)中，要考慮盡可能地減少第一、二階次的出現(xiàn)，防止共振。

圖4 AMESim柴油機(jī)模型

圖5 PID調(diào)速器模型

圖6PID調(diào)速器模型設(shè)置

圖7SSS離合器模型

圖8 聯(lián)合仿真轉(zhuǎn)矩曲線

信號(hào)的反應(yīng)。對(duì)仿真結(jié)果繪制三維圖，見(jiàn)圖9。

圖9 柴油機(jī)振動(dòng)階次三維圖

[1] 侯馨光，張 敏.船舶主柴油機(jī)并車(chē)運(yùn)行新方法[J].上海造船，2008(1)：24-27.

[2] 吳杰長(zhǎng)，陳國(guó)鈞，安玉昌，等.柴油機(jī)并車(chē)控制器試驗(yàn)平臺(tái)及監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2002(3)：257-261.

[3] 王朝紅.船舶動(dòng)力裝置雙機(jī)并車(chē)控制方法分析研究[J].船舶，2006(6)：32-34.

[4] 蔣德松，林洪貴.電力推進(jìn)原動(dòng)機(jī)雙機(jī)并車(chē)過(guò)程控制特性研究[J].集美大學(xué)學(xué)報(bào)，2006(4)：23-17.

[5] 陸金銘.基于MATLAB的柴油機(jī)動(dòng)力裝置仿真[J].船舶工程，2002(5)：38-40.