小型救助船舶主動式液壓互聯懸架系統的設計與仿真

王 默，度紅望，熊 偉

(大連海事大學 船舶與海洋工程學院，遼寧 大連 116026)

引言

隨著我國海上絲綢之路與海洋強國戰略的實施，海上安全問題逐漸成為一個不容忽視的話題[1]。目前專業救助船舶是水上救助的主要力量，但在海況復雜的區域，現有的被動式減振救助船對波浪的適應能力并不理想，操縱穩定性較差，無法靠近遇險人員，不能提供有效的救助[2]； 而搭載主動式液壓互聯懸架系統的小型救助船舶具有隔振避波、行駛平穩及操作靈活等優點，是未來水面救助力量新的發展趨勢[3]。

主動式懸架是指懸架系統的剛度和阻尼可以根據行駛狀態進行自適應調節，以達到最優狀態[4-5]。國外眾多學者對船舶主動式懸架系統展開了廣泛的研究，取得了一定的研究成果。澳大利亞Nauti-Craft公司于2011發表液壓互聯懸架的相關專利，該專利公開了多種具有自適應能力的懸架，可應用于多船體的船舶中，以提供不同懸架運動模式下的模式剛度[6]；美國Velodyne Marine公司于2012年推出了Martini 1.5型小艇，該艇搭載主動式空氣彈簧減振系統，通過對空氣流通孔大小、充氣量和彈簧氣室的大小進行調節，實現了較好的耐波性[1]；東京大學DAISUKE Kitazawa教授團隊制作的WHzer-4的懸架系統主要采用螺旋彈簧和齒輪齒條機構，該試驗機通過齒輪齒條的嚙合，吸收波浪的沖擊，同時電機也可通過主動控制保持船體的平穩[7]。

針對小型救助船舶在高海況下對波浪適應能力較差這一問題，提出一種主動式液壓互聯懸架系統，該系統能主動連續調節船體姿態，維持船身的平衡，使其具有良好的波浪適應能力。本研究對系統的關鍵元件及回路設置進行了分析，基于AMESim建立了懸架系統模型，通過仿真得到了雙作用液壓缸在不同信號激勵下的響應曲線，驗證了懸架系統的性能。

1 主動式液壓互聯懸架系統的結構與工作原理

如圖1所示，主動式液壓互聯懸架系統包括泵站、比例伺服閥、三段式液壓缸、單作用液壓缸和電子控制單元，其中電子控制單元包括各類傳感器和伺服控制器。主動式液壓互聯懸架系統位于救助船的船身與浮筒之間，單作用液壓缸6～9的兩端通過虎克鉸鏈分別與船身和浮筒相連，使船身和浮筒之間能夠相對運動，對船身起支撐作用。泵站為系統提供液壓油，伺服控制器接收輸入信號控制比例伺服閥4，12的開口度，壓力油通過比例伺服閥驅動三段式液壓缸5，10的活塞桿運動，進而驅動單作用液壓缸6～9的活塞桿運動，實現對船身姿態的控制，達到主動減振的效果。

三段式液壓缸5為側傾控制液壓缸，其中左右兩腔與比例伺服閥4的中位相連，中間四腔與4個單作用液壓缸相連。當救助船遇到使船身向左(右)側傾倒的波浪時，輸入信號控制比例伺服閥4左(右)位接通，控制三段式液壓缸5的活塞向上(下)運動，單作用液壓缸6，7無桿腔容積增大(減小)，活塞桿伸出(縮回)，單作用液壓缸8，9無桿腔容積減小(增大)，活塞桿縮回(伸出)，使船身整體維持水平狀態，提高了救助船對波浪的適應能力，保證了駕駛人員對救助船操作的穩定性。

1.油箱 2.過濾器 3.液壓泵 4、12.三位四通比例換向閥5、10.三段式液壓缸 6～9.單作用液壓缸 11. 溢流閥圖1 液壓原理圖

三段式液壓缸10為俯仰控制液壓缸，其中左右兩腔與比例伺服閥12的中位相連，中間四腔與4個單作用液壓缸相連。當救助船遇到使船身向船首(船尾)傾倒的波浪時，輸入信號控制比例伺服閥12左(右)位接通，控制三段式液壓缸10的活塞向下(上)運動，單作用液壓缸7，8無桿腔容積增大(減小)，活塞桿伸出(縮回)，單作用液壓缸6，9無桿腔容積減小(增大)，活塞桿縮回(伸出)，補償了船首(船尾)的高度，使救助船具有更好的舒適性。

當救助船遇到多種復雜波浪時，基于并聯機構解耦和運動學逆解的思想，電子控制單元對合成的波浪進行計算，分別給伺服驅動器輸入相應的信號，控制單作用液壓缸活塞桿運動，實現船身高度補償，達到減振效果。

綜上，當小型救助船舶在波濤洶涌的海面上航行時，該主動式液壓互聯懸架系統可通過連續的輸入信號控制作動器進行船身的姿態補償，以達到減振的效果。

2 懸架系統關鍵原件的選用及回路分析

2.1 三段式液壓缸的選用

三段式液壓缸共有6個腔室，左右兩腔為無桿腔，中間四腔為有桿腔。三段式液壓缸相鄰兩腔的容積變化規律相反，且中間四腔單位時間內的流量相同。與傳統閥控液壓缸的懸架系統相比，采用“比例伺服閥-三段式液壓缸-單作用壓缸”的方式，2個比例伺服閥分別獨立控制2個三段式液壓缸，進而控制4個單作用液壓缸，不僅節省液壓油、減小油箱體積、減輕懸架系統的重量，更減少了比例伺服閥的數量，使懸架系統的控制更加方便，經濟性更好。

2.2 系統其他元件取值

本系統研究對象為小型救助船舶的主動式液壓互聯懸架系統，以下元件參數通過模擬工況進行整數估計和設定，取值如表1所示。

表1 元件參數

2.3 互聯回路的優點與缺點

本研究采用互聯的液壓懸架系統，相比于獨立控制懸架，互聯懸架雖計算略顯復雜，但其自身就有一定的波浪適應能力[8]。在波浪波高較小、頻率較低的海況下，無需給伺服驅動器輸入信號，僅被動地依靠互聯的油路緩沖減振即有較好的波浪適應能力，簡化了控制系統的計算環節[9]。

互聯的回路在響應速度方面也具有一定的優勢[10]。如圖1所示，三段式液壓缸5，10的兩腔分別通過2條管路與單作用液壓缸7的無桿腔相連。若在某種海況下，波浪使船身向左前傾斜，則自側傾控制液壓缸5流出的液壓油和俯仰控制液壓缸10流入的液壓油不必全部流經單作用液壓缸7，僅二者流量之差驅使液壓缸7活塞桿運動，大大縮減了活塞桿的移動時間，提高了懸架系統的響應速度，使船身更加迅速地達到平穩。

3 系統建模與AMESim仿真驗證

根據液壓原理圖建立懸架系統的AMESim仿真模型，如圖2所示。利用HCD液壓庫，對關鍵元件三段式液壓缸進行了詳細建模[11]，通過改變2個控制信號的大小，得出單作用液壓缸活塞桿的位移曲線。

1.油箱 2.電機 3.液壓泵 4、12.三位四通電磁比例換向閥5、10.三段式液壓缸 6～9.單作用液壓缸 11.溢流閥圖2 懸架系統的AMESim仿真模型

3.1 輸入線性信號

分別對伺服閥4,12施加如圖3所示的俯仰、側傾信號，得到單作用液壓缸活塞桿位移曲線如圖4所示。

圖3 輸入的分段信號

由圖4可以看出，0～4 s，回路僅受俯仰信號控制，此時比例伺服閥開口度保持不變，液壓缸7，8的活塞桿同步縮回，液壓缸6，9的活塞桿同步伸出，且活塞桿補償的位移量取決于信號時長[12]；4～7 s，回路僅受側傾信號控制，伺服閥4的開口度大小呈線性變化，此時液壓缸6，7的活塞桿位移變化相同，液壓缸8，9的活塞桿位移變化一致，均為非線性變化；7～10 s，回路同時受俯仰信號和側傾信號控制，此時液壓缸活塞桿的位移為2個信號單獨控制時運動規律的耦合。

圖4 輸入分段信號時液壓缸活塞桿的位移

分別對伺服閥4,12施加如圖5所示的俯仰、側傾時鐘信號，該信號頻率為0.2 Hz，占空比50%，最大值為40 mA，最小值為-40 mA，2個信號相位間隔1/4周期。設定仿真時長10 s，運行得到單作用液壓缸活塞桿位移曲線如圖6所示。

圖5 輸入的時鐘信號

圖6 輸入時鐘信號時液壓缸活塞桿的位移

分別對伺服閥4,12施加如圖7所示的俯仰、側傾時鐘信號，該信號頻率為0.2 Hz，占空比50%，最大值為40 mA，最小值為-40 mA，2個信號重合。設定仿真時長10 s，運行得到單作用液壓缸活塞桿位移曲線如圖8所示。

圖7 輸入的重合時鐘信號

圖8 輸入重合時鐘信號時液壓缸活塞桿的位移

由圖6、圖8可以看出，當控制信號發生突變時，回路中存在一定的壓力沖擊，雙作用液壓缸活塞桿的位移曲線有明顯的波動；當某液壓缸受到俯仰伺服閥和側傾伺服閥的同時控制，且二者流量大致相等時，該液壓缸活塞桿的位移基本不變。

3.2 輸入非線性信號

圖9 輸入的正弦信號

圖10 輸入正弦信號時液壓缸活塞桿的位移

圖11 輸入相位差為π的正弦信號

圖12 輸入相位差為π的正弦信號時液壓缸活塞桿的位移

圖10、圖12與圖6、圖8對比可得，當伺服閥的控制信號連續變化時，回路壓力沖擊較小，單作用液壓缸活塞桿的位移曲線連續變化。

3.3 輸入隨機信號時的響應

給伺服驅動器施加10 s的隨機信號，如圖13所示，運行仿真得到圖14單作用液壓缸活塞桿位移曲線。

圖14 輸入隨機信號時液壓缸活塞桿的位移

通過上述仿真結果可知，該液壓互聯懸架系統的雙作用液壓缸活塞桿的位移可以通過伺服閥的信號進行調節，實時地對船身位移進行補償，維持船身平衡，從而達到緩沖減振的效果。

4 結論

本研究提出了一種由泵站、比例伺服閥、三段式液壓缸、單作用液壓缸和電子控制單元構成的主動式液壓互聯懸架系統。對系統關鍵元件的選用和回路的優缺點進行分析，運用AMESim軟件建模并進行系統仿真，得到系統在不同激勵下4個單作用液壓缸活塞桿的位移曲線。結合理論分析和仿真研究，得出如下結論：

(1) 該懸架系統具有一定的波浪自適應能力，系統在不同海況下均能主動調整船身姿態，維持船身保持水平，達到緩沖吸振的效果，提高了舒適度和操作穩定性；

(2) 系統回路存在一定程度上的壓力沖擊，且當控制信號變化較大時，作動器會產生較大的剛性沖擊和柔性沖擊，不利于系統的維護和補償的精準，舒適度不足。

本研究補充了小型救助船舶懸架的懸架控制形式并驗證了其可行性，具有一定的借鑒意義；但在整個回路依然存在剛性沖擊和柔性沖擊，還需更為深入的分析改進。