直線(xiàn)驅動(dòng)往復水泵及其在船舶中的應用
簡(jiǎn)要回顧船舶用泵的技術(shù)要求和發(fā)展趨勢，概括介紹了直線(xiàn)電機驅動(dòng)往復泵的工作原理，并與常規泵體進(jìn)行對比，從減振降噪、結構簡(jiǎn)單、智能控制等角度闡述了直驅泵的優(yōu)點(diǎn)，對船舶用泵的改進(jìn)具有借鑒意義；展望了其在船舶上的應用前景。
引言
船舶由于特有的獨立性以及在航行能力、承載能力、工作性能、安全性能和尺寸重量要求等方面的原因，加上設備所處工作環(huán)境條件的特殊性，就會(huì )對包括船用泵在內的設備提出一些不同于其他適用領(lǐng)域中設備的要求。比如由于艙底面積有限，幾乎所有的艙底疏水泵都采用立式結構，然而在陸上，立式泵所占比例是很低的。鑒于此，船舶用泵在設計參數選取、結構設計、控制方式、零部件更換等方面具有一定的特殊性。因此，近年來(lái)國際國內船舶用泵技術(shù)發(fā)展的趨勢日益傾向于在緊密結合船舶功能和配置情況下，設計一種控制上更加自動(dòng)智能化、結構上更為簡(jiǎn)單的系統，以方便泵體的維修保養工作。
1、目前艦船用泵概述
艦船在多個(gè)艙室中配置有艙底泵、疏干泵、海水冷卻泵、高壓細水霧泵、海水淡化機組等泵機。而液壓泵常用的結構型式有柱塞式、葉片式、齒輪式等幾種。相比而言，葉片泵的葉片與定子、齒輪泵的兩齒輪均為線(xiàn)接觸，接觸PV值高，而且密封效果差；柱塞泵中的關(guān)鍵摩擦副(如柱塞/缸孔、滑靴/斜盤(pán)、配流盤(pán)/缸體端面等)多為面接觸，同等工況條件下的PV值相對較小，可以實(shí)現靜壓支承，而且密封效果較好，易于通過(guò)增加配合間隙長(cháng)度的方法來(lái)減小泄漏，以保證泵的效率。因此，柱塞式結構比較適宜于海水等低粘度介質(zhì)使用。從國際上英國、美國、德國、日本、芬蘭、丹麥等國家已有的研究經(jīng)驗來(lái)看，絕大多數采用了柱塞式結構。
但是研究表明，柱塞泵在高低壓轉換處產(chǎn)生對缸體和柱塞的交變軸向沖擊力，并經(jīng)斜盤(pán)和軸承傳播出去。傳統柱塞泵既有回轉運動(dòng)又有往復運動(dòng)，其產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)幅值大，脈動(dòng)頻率較低，脈動(dòng)力不僅作用于管內流體，且流體脈動(dòng)反射波作用于泵體上，引起泵繞機組軸向回轉及橫向振動(dòng)；其頻率成分較為豐富，通過(guò)對泵組機械擾動(dòng)力分析可知，泵組上存在著(zhù)一階顛覆力矩、一階往復慣性力、二階往復慣性力矩和離心力，設備振動(dòng)也較為嚴重。這些機械運動(dòng)產(chǎn)生的不平衡力以及流體脈動(dòng)產(chǎn)生的作用，會(huì )引發(fā)峰值很大的基頻噪聲和二、三次諧波噪聲，集中了泵的大部分噪聲能量，決定了它具有很高的總噪聲級，一直是國內船舶管路振動(dòng)有待解決的難題。
某現有艦船的2DL-35/20型立式艙底疏水泵(見(jiàn)圖1)是采用直流旋轉電機通過(guò)渦輪渦桿減速器驅動(dòng)臥式曲軸泵的結構，考慮到潛艇內部空間有限，設計時(shí)采用的是2900r/min 的直流電動(dòng)機。同時(shí)為了適應170r/min的低轉速曲軸泵，中間采用了1:17的渦輪渦桿減速器。2900r/min的高速直流電動(dòng)機、渦輪渦桿減速器、臥式曲軸泵都是主要的噪聲來(lái)源。首先大功率(30kW)交、直流電動(dòng)機噪聲至少75dB(A)，這是因為電動(dòng)機的機械摩擦噪聲隨轉速、負載的升高而增大；其次蝸輪蝸桿減速器因受力不平衡，其噪聲一貫很大；在二柱塞曲軸泵的主體結構中，曲柄連桿機構、金屬與金屬配對的平板式配流閥結構是泵本體機械噪聲的主要來(lái)源，使得原艙底泵系統的聯(lián)調噪音達到90dB(A)，嚴重影響潛艇的隱蔽性和安全性。華中科技大學(xué)曾嘗試設計軸向海水柱塞泵(見(jiàn)圖2)以取代現有的曲軸連桿柱塞泵，期望在改進(jìn)艙底泵的基礎上減小泵的振動(dòng)和噪聲。傳統軸向柱塞泵結構上采用了旋轉電機和運動(dòng)轉換機構，運動(dòng)復雜。運動(dòng)結構上的局限決定了噪聲級別難以得到有效的降低。經(jīng)過(guò)多年設計研究、試驗測試，鑒于國內工業(yè)基礎，所研制的軸向海水柱塞泵仍難滿(mǎn)足潛艇使用要求，未能獲得成功。
圖1 蝸輪蝸桿減速器曲軸連桿柱塞泵
圖2 斜盤(pán)連桿閥配流式海水泵
總體來(lái)看，無(wú)論是傳統的渦輪渦桿減速器+曲軸連桿柱塞泵結構，還是軸向柱塞泵(其他什么結構形式等)都存在如下問(wèn)題：
(1)均采用旋轉電機作動(dòng)力源，需要通過(guò)轉換機構將電機的旋轉運動(dòng)轉換為柱塞的直線(xiàn)運動(dòng)，或泵與電機之間需要安裝有減速器，結構龐大復雜，機械振動(dòng)和噪聲較大，機械效率低。
(2)運動(dòng)部件采用不平衡結構或者受力不平衡，難以在高速運行條件下實(shí)現平穩運轉；即便通過(guò)動(dòng)平衡試驗使軸系達到動(dòng)平衡，但由于實(shí)際加載工作時(shí)只有3～4個(gè)柱塞處于高壓狀態(tài)并始終位于傳動(dòng)軸的一側，導致傳動(dòng)軸系受力不平衡，影響其平穩運行。而且，液壓系統中的電動(dòng)機、液壓泵都以高速回轉，如果它們的轉動(dòng)部件不平衡，就會(huì )產(chǎn)生周期性的不平衡力，激勵轉軸系統振動(dòng)，從而產(chǎn)生噪聲，這種振動(dòng)傳動(dòng)油箱和管路時(shí)，就會(huì )發(fā)出很大的聲響，振動(dòng)和噪聲過(guò)大最終會(huì )影響到系統的正常工作。
(3)安裝有多對軸承，需要采用油液潤滑，而油水分離結構由于存在因密封失效導致潤滑失效和油液泄漏等重大隱患，尤其作為潛艇艙底泵，一旦潤滑油泄漏將暴露潛艇目標。因此，油水分離結構并不適合用于潛艇艙底疏水泵。
液壓系統面對快速發(fā)展的電氣傳動(dòng)的競爭，以及艦船技術(shù)要求和功能配置的雙重壓力，迫切需要解決自身效率低、振動(dòng)大、噪聲高、控制非智能等缺陷，而針對目前電機、回轉體不平衡、管路引起的振動(dòng)與噪聲以及海水泵壓力、流量、容積效率、可靠性難以滿(mǎn)足潛艇使用要求的現狀下，應運而生一種新型直線(xiàn)驅動(dòng)往復泵結構。
4、直線(xiàn)往復泵應用前景和展望
綜合考慮直線(xiàn)驅動(dòng)往復泵的優(yōu)點(diǎn)并結合船用泵的技術(shù)要求，直線(xiàn)驅動(dòng)往復泵設計思想著(zhù)眼于軍事和特殊需求的艦船，主要研究?jì)热莅ń档驮肼暫驼駝?dòng)，減少摩擦副，不采用潤滑油潤滑，提高壽命和可靠性等。針對其他艦船用泵體，直線(xiàn)驅動(dòng)往復泵結構更加簡(jiǎn)單，操控更加智能，維修保養更加方便，其本身比以往泵體有更低的振動(dòng)和更小的噪聲，可以應用于有特殊要求的艦船，從而替換目前逐步淘汰的產(chǎn)品。具體可應用在：
1)艦船艙底疏水泵
艦艇在正常運行過(guò)程中，艇內每天會(huì )產(chǎn)生各種污水，當污水達到一定高度，就需要開(kāi)啟艙底疏水泵把污水排到艇外。艙底疏水泵組主要用于實(shí)現潛艇的艙底疏水、應急疏水和甲板沖洗，另外還具有對縱傾平衡水艙、浮力調整水艙、魚(yú)雷補重水艙等水艙進(jìn)行注水、排水的功能。目前的艙底泵在使用過(guò)程中存在振動(dòng)大，噪聲高的缺陷，對外影響潛艇的隱蔽和安全性，對內影響艇員的工作生活環(huán)境。
2)艦用反滲透式海水淡化機組用泵
艦艇裝備反滲透式海水淡化裝置能夠大大提高艦船續航力和作戰性能，發(fā)達國家海軍已經(jīng)成功應用該技術(shù)。我國也成功開(kāi)發(fā)出了艦用反滲透式海水淡化機組。
3)艦艇用高壓細水霧滅火系統用泵
裝備高壓細水霧滅火系統是目前我國潛艇、水面艦艇發(fā)展的一大發(fā)展趨勢，對潛艇、水面艦艇作戰性能的提升有著(zhù)重大的軍事意義。國內高壓細水霧系統用高壓泵技術(shù)一直難以得到很好的解決，導致高壓細水霧系統遲遲難以在我軍大面積裝備。國內民船只有防火級別要求高運輸船，如載人客船、化學(xué)品船、油輪上有裝備采用曲柄連桿泵泵源的高壓細水霧系統，該泵占去了艙內寶貴體積空間，耗能指標高。直線(xiàn)電機驅動(dòng)海水泵完全能夠滿(mǎn)足細水霧系統的壓力和流量要求，低噪聲、小體積的特點(diǎn)非常適合潛艇和水面艦艇安裝使用。
4)核動(dòng)力裝置用泵
核潛艇核動(dòng)力裝置中多處安裝有高壓水泵。核反應堆高壓水泵在核潛艇中系統中運行，構成了核反應堆系統主要噪聲源之一，降低其噪聲對于提高核潛艇隱身性有著(zhù)重要軍事意義。同時(shí)，由于核反應堆內部(尤其是核島區域)存在放射性物質(zhì)泄漏的危險，不方便維修。提高這類(lèi)高壓水泵的可靠運行，減小維修性顯得非常必要。
5)噴水推進(jìn)泵
采用噴水推進(jìn)是國際海軍艦艇裝備靜音、高速、高機動(dòng)性發(fā)展道路上一項重大技術(shù)趨勢。大流量的超靜型直線(xiàn)驅動(dòng)海水泵可應用于噴水推進(jìn)裝置中，以推動(dòng)研制高速超靜型魚(yú)雷、高速超靜型錨泊水雷、安靜型潛艇，也可用于超靜型噴水推進(jìn)動(dòng)力的各種水面艦艇，如噴水掃雷艇、噴水獵雷艇以及兩棲登陸作戰艦艇等。直線(xiàn)電機驅動(dòng)水液壓柱塞泵的研制是一個(gè)多學(xué)科融合的技術(shù)難題，涉及流體傳動(dòng)與控制、優(yōu)化設計及制造、現代控制、摩擦學(xué)等學(xué)科前沿，綜合應用水液壓技術(shù)和直線(xiàn)電機技術(shù)，具有較強的學(xué)科創(chuàng )新性、前瞻性和廣闊的應用發(fā)展前景。
但是作為直線(xiàn)電機本身來(lái)說(shuō)，國內能夠獨立研制直線(xiàn)電機的單位并不多，只有為數不多的幾家廠(chǎng)家能后獨立研發(fā)直線(xiàn)電機平臺、驅動(dòng)器。除此之外，直線(xiàn)電機的速度規劃、電流環(huán)和伺服環(huán)控制策略，是影響直驅柱塞泵流量穩定輸出的重要因素，這是直驅泵目前技術(shù)研究中的一項技術(shù)難點(diǎn)。即便如此，從目前的發(fā)展趨勢來(lái)看，直線(xiàn)驅動(dòng)系統作為一種理想的進(jìn)給驅動(dòng)方式已呈現出極大的生命力；直線(xiàn)驅動(dòng)往復泵作為一種新型艦船用泵體，也展現了其特有的優(yōu)勢，為以后艦船用泵的發(fā)展指明了方向。
