0 引　言

船舶在港口内低速航行或者水域空间受限时，船舶要想完成转向等运动形式，仅仅依靠传统的螺旋桨推进系统难度相对较大，随着现代舰船工业和设计水平的提高，侧推器成为了一种新型的船舶运动辅助设备。侧推器能够为船舶提供垂直于船舷方向的作用力，与船舶螺旋桨动力系统相结合，能够大幅提高船舶的可操作性和运动能力，防止在港口等水域下出现船舶碰撞等事故^[1]。

本文研究主要包含以下内容：

1）侧推器数学建模

通过分析船舶侧推器的结构原理，分别基于运动学和流体动力学建立数学模型，充分考虑船体、螺旋桨的水动力性能。

2）侧推器关键硬件设计

针对船舶侧推器的关键硬件——桨轴结构进行详细设计和分析，有助于提升船舶侧推器的设计水平。

3）侧推器控制系统设计和仿真

结合侧推器的工作原理，设计侧推器控制系统，关键构成包括电源、控制站、报警模块、指示和操作面板等，提升船舶侧推器的可靠性。同时通过Matlab软件建立了控制系统的仿真程序，验证了侧推器控制系统的性能。

1 船舶侧推器的特性建模 1.1 船舶侧推器的水动力学特性建模

在进行船舶侧推器的流体动力学模型时，做以下假设：

1）侧推器的桨叶中液体为理想流体；

2）桨叶受压均匀；

3）船舶侧推装置的槽道垂直于船舷。

首先建立船舶侧推装置的流体动力学模型图1所示。

侧推器螺旋桨周围流场看成粘性不可压缩流场^[2]，建立控制方程( Navier-Stokes方程)如下：

$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{\rm{div}}} U = 0 \;，\\ \dfrac{{{\partial} u}}{{\partial t}} + {{\rm{div}}} (uU) = - \dfrac{1}{\rho }\dfrac{{\partial p}}{{\partial x}} + \gamma {{\rm{div}}} (u) \;，\\ {\dfrac{{\partial v}}{{\partial t}} + {{\rm{div}}} (vU) = - \dfrac{1}{\rho }\dfrac{{\partial p}}{{\partial y}} + \gamma {{\rm{div}}} (v)} \;，\\ {\dfrac{{\partial w}}{{\partial t}} + {{\rm{div}}} (wU) = - \dfrac{1}{\rho }\dfrac{{\partial p}}{{\partial z}} + \gamma {{\rm{div}}} (w)} \;。\end{array}} \right. \text{} $

式中： $ U $ 为速度分量； $ u/v/w $ 为 $ U $ 在3个坐标方向的分量，满足下式关系：

$ \frac{{\partial \bar u}}{{\partial x}} + \frac{{\partial \bar v}}{{\partial y}} + \frac{{\partial \bar w}}{{\partial z}} = 0 \text{。} $

式中： $ p $ 为静压； $ \gamma $ 为运动粘度。

侧推器桨叶周围的流体为湍流，为了提高湍流中侧推器的流体动力学特性模型精度，使用Reynokls平均法，假设流体中任意参数 $ \lambda \left( {x,y,z,t} \right) $ ，在一段时间内对其求平均值，如下式：

$ \bar \lambda = \frac{1}{T}\int_t^{t + T} \lambda (t){\rm{dt}} \text{，} $

进而得到侧推器修正后的流体动力学模型为：

$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {\dfrac{{\partial (\rho \bar u)}}{{\partial t}} = - \dfrac{{\partial \bar p}}{{\partial x}} + {{\rm{div}}} \left( { - \rho \overline {{u^\prime }{U^\prime }} } \right) + \overline {{S_u}} } \;，\\ {\dfrac{{\partial (\rho \bar v)}}{{\partial t}} = - \dfrac{{\partial \bar p}}{{\partial y}} + {{\rm{div}}} \left( { - \rho \overline {{v^\prime }{U^\prime }} } \right) + \overline {{S_v}} } \;，\\ {\dfrac{{\partial (\rho \bar w)}}{{\partial t}} = - \dfrac{{\partial \bar p}}{{\partial z}} + {{\rm{div}}} \left( { - \rho \overline {{w^\prime }{U^\prime }} } \right) + \overline {{S_w}} } \;。\end{array}} \right. $

1.2 船舶侧推器的运动学建模

根据Hawkings平板^[3]理论，建立船舶侧推器在零航速下的侧推力如下式：

$ {F_L} = \frac{{\psi _\theta ^2{L^3}d}}{{{M_0}}} \text{。} $

式中： $ \psi _\theta ^{} $ 为侧推器螺旋桨的回转角速度； $ L $ 为桨叶长度； $ d $ 为桨叶等效半径； $ {M_0} $ 为回转常数。

建立船舶侧推器额定航速下的侧推力如下式：

$ \begin{gathered} \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{X_S} = \displaystyle\sum {\left( {1 + {a_{{X_s}}}} \right)} {X_{St}}} \;，\\ {{Y_S} = \displaystyle\sum {\left( {1 + {a_{{Y_s}}}} \right)} {Y_{St}}} \;，\\ {{N_S} = \displaystyle\sum {\left( {1 + {a_{{N_S}}}} \right)} {N_S}}，\end{array}} \right. \\ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{{\hat X}_s} = {T_S}\cos {\delta _S} + {T_N}\sin {\delta _S}} \;，\\ {{{\hat Y}_s} = {T_S}\sin {\delta _S} + {T_N}\cos {\delta _S}} \;，\\ {{{\hat N}_s} = {{\hat Y}_s} \cdot {x_t} - {{\hat X}_s} \cdot {y_t}} \;。\end{array}} \right. \\ \end{gathered} $

式中： $ {\hat X_s}/{\hat Y_s}/{\hat N_s} $ 分别为侧推器产生的3个方向的水动力； $ {a_{{X_s}}}/{a_{{Y_s}}}/{a_{{N_S}}} $ 为侧推器的干扰系数； $ {T}_{S} $ 为推力； $ {T_N} $ 为侧向力； $ {\delta _S} $ 为侧推器的转角； $ {x_t} $ 、 $ {y_t} $ 为螺旋桨中心坐标。

图2为2种旋转速度下，侧推器螺旋桨的推力系数、转矩系数 $ {K_T}/{K_Q} $ 与效率的关系曲线。

2 船舶侧推器的关键硬件设计

侧推器的结构设计可靠性对于船舶正常运转有重要的意义，桨轴结构是侧推器的核心部分，由轴承、桨叶、安装座等构成，同时，桨轴结构也是侧推器系统中受力最复杂的位置，为了保障侧推器的可靠性，必须要提高桨轴结构设计的质量。

结合现有设计方案，本文设计的船舶侧推器桨轴结构原理图如图3所示。

船舶侧推器的桨轴结构设计需要重点考虑的因素包括：

1）由图3可知，左右轴承的轴肩定位需要承受较大轴向力，因此轴肩位置与该轴的配合为过盈配合^[4]，轴肩高度为10 mm，左右轴承采用具有游隙的单列圆锥滚子轴承，2个轴承相互配合，抵消来自侧推器螺旋桨的轴向位移和轴向作用力。

2）桨轴位置的套筒同样具有定位作用，装配过程采用花键与轴连接，能够传递较大的扭矩，花键的基本参数压力角为20°，螺旋角为7°。

3）桨叶轴承采用2个球轴承，能够满足侧推器桨叶高速转动下的要求，桨叶轴承内径为200 mm，外径为350 mm。为了保证桨叶轴承运转过程中的可靠性，需要在桨轴中增加轴承测温传感器，如PT100等，实时监测桨叶轴承的运行温度，当温度高于85℃时，发出报警信号。

3 大型船舶侧推器控制系统的设计与仿真 3.1 大型船舶侧推器控制系统设计

针对大型船舶侧推器的运动与结构特点，设计船舶侧推器控制系统，基本原理图如图4所示。

由图可知，侧推器控制系统主要由侧推装置、电源、人机控制站、报警系统、安全系统、遥控系统等共同组成。

1）电源

船舶侧向推进装置采用电力驱动，配置电站及硬件电路，电力驱动发电机的功率为1.5 MW，为了保障船舶侧推器系统的可靠性，控制系统设计时提供两路独立的供电网络和控制电路^[5]。

2）人机控制站

人机控制站是船舶侧推器控制系统的核心，人机控制站又包括服务器、变频控制柜、操作面板等，当控制系统监测到侧推器出现故障时，可以通过人机控制站的控制旋钮控制侧推器的“起动”、“停止”，保障侧推器的安全运行。

3）遥控系统

遥控系统的链路直接与船舶集控室和驾驶室连接，船舶工作人员可以利用远程系统对侧推器进行远程监控和控制。

4）安全系统和报警系统

安全系统和报警系统是侧推器控制系统中的安全屏障，在侧推器负荷突变、应急停车等紧急工况下，安全和报警系统可以触发相应的控制器，产生声光报警。

3.2 大型船舶侧推器控制系统的仿真测试

通过Matlab平台，采用分离式模型设计了船舶侧推器控制系统的仿真程序，使用S函数建立Simulink模型，仿真模块方框图如图5所示。

仿真程序输入的初始条件包括船舶参数和侧推器参数，如表1所示。

在进行基于Matlab程序的仿真时，重点对比了含有侧推器工况下的船舶运动轨迹与原始运动轨迹的区别，测试初始条件包括：

1）比较相同航速下的船舶旋回数据^[6]，Matlab程序输出信号的频率为5/s，并在软件界面显示数据组成的轨迹曲线；

2）分别对比不同侧推力峰值下的旋回轨迹数据，设置100 kN，200 kN，300 kN等不同的侧推力，对比其轨迹变化。

图6为侧推力为300 kN下的船舶运动仿真曲线。

4 结　语

船体侧推器能够显著提高船舶的灵活性和可操纵性，适用于大型船舶在水域空间受限下的运动控制，本文从侧推器的运动和流体动力学原理、关键部件的设计方面入手，建立船舶侧推器的控制系统，并通过Matlab进行了控制系统的仿真。