中国机械工程

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2022, 33(04): 0.

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先进水路交通装备与智能系统专辑

2022, 33(04): 1.

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序言

2022, 33(04): 379.

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船用低速机关键摩擦副建模分析与摩擦力无线测量验证

李瑞, 孟祥慧, 谢友柏

2022, 33(04): 380-387，396. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.04.001

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低速机结构复杂，其关键摩擦副的性能对船舶运营的经济性、安全性和稳定性有重要影响，然而，目前对低速机摩擦学问题的理论和试验研究很少。对船用低速机关键摩擦副进行建模分析，并对摩擦力进行无线测量验证。结合多体动力学和混合润滑理论建立了低速机关键摩擦副的多学科耦合仿真模型，实现对各摩擦副性能的预测；进而，基于间接测量思想，提出了低速机移动副摩擦力无线测量方法并开发了测量系统，在发火工况下实现了摩擦力的在线测量。研究结果显示：低速机摩擦力的仿真结果与试验结果趋势吻合，仿真和试验的最大摩擦力误差小于5%；十字头轴承的仿真载荷与试验载荷也吻合较好；低速机填料函的系统油消耗量仿真结果与试验观测值的误差小于3%。相关结果证明了所提建模和测量方法的可行性，为低速机摩擦学设计和节能减排提供了支持。

船用柴油/天然气双燃料发动机模式切换控制策略研究

宋恩哲, 蒋中州, 姚崇, 赵国锋

2022, 33(04): 388-396. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.04.002

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船用柴油/天然气双燃料发动机在实际运行过程中，纯柴油模式与双燃料模式之间的切换极易造成发动机转速波动大、运行不稳定等情况，危害发动机的正常运行，此外，一些紧急情况（如天然气燃料不足、负荷突卸等）下，发动机需要快速平稳地完成不同模式的切换。针对这一需求，在控制系统硬件不变的前提下，根据双燃料发动机运行需求和机理，设计了基于规则的双燃料发动机模式切换控制策略，其中，柴油转双燃料模式采用倒逼控制方法，双燃料转柴油模式分为主动切换与被动切换以应对不同控制需求。所设计的切换控制策略根据实验标定数据和软件算法，实现了不同燃料模式的相互切换。最后，搭建了基于YC6K双燃料发动机实验平台，验证了不同运行工况下的模式切换控制性能。结果表明：所设计的切换控制策略满足各工况下的切换控制需求，提高了整机运行性能。

转叶式舵机密封件在不同磨粒尺寸下的摩擦学特征研究

向晶晶, 董从林, 白秀琴, 汤敏

2022, 33(04): 397-405. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.04.003

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船舶转叶式舵机因体积小、功率密度高而逐渐替代传统的柱塞式舵机。然而，磨损过程中产生的磨粒常使叶片密封件产生异常磨损，引起密封失效，导致油压下降，造成转叶式舵机功能丧失。明晰叶片密封件与缸体内壁之间的摩擦磨损机理以及提取关键磨损特征是提高叶片密封件的磨损寿命和实现转叶式舵机智能故障诊断的关键。以常用于制作密封件的聚氨酯高分子材料为研究对象，研究其在不同磨损状态下的摩擦磨损行为，研究结果表明：随着液压油中铁屑磨粒粒径的增大，聚氨酯与碳钢球之间的摩擦因数、磨损体积、磨损形貌和振动等摩擦行为特征值逐渐增大，表明磨损状态逐渐恶劣。通过感知磨损过程中的摩擦学信息，包括摩擦因数、液压油中磨粒尺寸、磨损形貌、磨损体积、振动信号等特征，可为评估或预测转叶式舵机叶片密封件的磨损状态、故障形式提供有效途径。研究结果为揭示船舶转叶式舵机叶片密封件摩擦磨损机理提供了理论依据，为实现船舶转叶式舵机的智能状态监测和故障诊断提供了参考。

无轴泵喷推进器水润滑轴承间隙流水动力设计与试验

何升阳, 周枫

2022, 33(04): 406-412. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.04.004

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针对无轴泵喷轮毂布置式水润滑支撑/推力轴承的敞水自润滑结构，以桨叶做功后产生的高速高压流场为输入来设计轴承的润滑和冷却流动通道，形成一体化支撑/推力轴承的自循环润滑方案。鉴于桨叶水动力与轴承间隙流的耦合影响作用，提出了两者迭代的设计方法，建立了桨叶与轴承间隙水动力耦合计算模型，实现了无轴泵喷轴承间隙流量的定量计算与分析，完成了无轴泵喷推进器样机敞水试验和一体化水润滑轴承台架试验。在整个测试区间内，推力系数和轴承间隙流量计算值与测试值最大误差分别为6.2%和4.6%，验证了设计方法和计算模型的有效性与准确性。所提方法对无轴泵喷推进器水力性能的设计与优化具有重要的工程意义。

随动系统的新型非奇异快速终端滑模控制

史蒂芬, 侯润民, 顾晓辉, 侯远龙

2022, 33(04): 413-420. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.04.005

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鉴于某舰载随动系统存在摩擦、海况等扰动因素，为提升系统控制精度及鲁棒性，提出了一种基于相位补偿的非奇异快速终端滑模控制（NFTSM+ARBF+TTD）方法。将泰勒公式与非线性函数fhan相结合，构造跟踪微分器，旨在减小相位延迟。在抑制微分过程噪声的基础上，应用泰勒公式进行相位补偿。设计自适应神经网络（ARBF）逼近扰动项，减小了非奇异快速终端滑模（NFTSM）中的抖振。扰动估计结果表明，与RBF相比，应用ARBF逼近扰动能够有效抑制微分峰值，更接近扰动真实值。半实物仿真实验中，正弦跟踪结果表明NFTSM+ARBF控制策略的跟踪误差比NFTSM减小一半左右，具备良好动态跟踪性能，适用于该交流伺服系统。

船闸水域船舶列队协同停船预测控制器

雷超凡, 初秀民, 柳晨光, 吴文祥, 李松龙,

2022, 33(04): 421-431. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.04.006

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为提高船舶在闸室水域的航行效率和安全性，开展了船闸水域船舶列队协同停船控制方法的研究。建立了闸室水域船舶列队直航运动模型，基于模型预测控制原理分别提出了速度-时间法和速度-位移法两种船舶停船控制方法。针对船舶列队协同停船控制需求，结合停船经济性和平顺性设计了船舶列队停船控制目标函数，以船舶纵向间距保持、输入为约束，提出了基于集中式模型预测控制的船舶列队协同停船控制器。仿真结果表明，所设计的单船停船控制器和船舶列队停船控制器均具有较好的控制效果。相对而言，速度-时间法在平顺性上具有明显优势，速度-位移法则在经济性上表现更好，且有更高的控制精准度和稳定性。

水上应急救援关键装备技术现状与发展

赵杰超, 金浩, 陈健, 潘长城, 张英香, 王吉武, 翁大涛

2022, 33(04): 432-451,458. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.04.007

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为推进国家应急管理体系和能力现代化，结合我国水上应急救援能力建设现状，深度剖析近年来一些典型水上应急救援案例暴露出的关键问题，指出“体系建设”是我国应急救援装备技术建设亟待加强的核心问题。从“陆海空天”一体化建设的角度出发，瞄准人命救助、环境救助、财产救助和应急抢险打捞四大使命任务，系统性地将水上应急救援关键装备技术按照天基、空基、水面和水下4个维度划分为7大类型。针对每种类型关键装备技术建设现状及存在的问题，综合采用德尔菲法、头脑风暴法和文献计量法针对性地开展发展趋势研判，从七大类关键装备技术中遴选出13项亟需重点关注的关键装备技术，系统分析了每项关键装备技术当前面临的挑战，给出了其在未来5～15年发展目标和核心建设任务的建议。

回收船舶柴油机余热的有机朗肯循环系统热力学性能比较分析

罗文华, 陈武, 蒋爱国, 田镇

2022, 33(04): 452-458. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.04.008

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利用有机朗肯循环（ORC）系统对某型号船舶柴油机（最大持续功率为996 kW）的余热进行回收，以系统净输出功为指标，对比分析5种不同结构形式的ORC系统的热力学性能，结果表明：回收柴油机排烟余热的基础ORC系统最大净输出功达49.83 kW；增设回热器进一步回收膨胀机出口工质废热后，系统最大净输出功达54.84 kW；增设预热器回收柴油机缸套冷却水余热后，系统最大净输出功达58.88 kW，比基础ORC系统提高18.1%；通过独立双循环ORC系统同时回收柴油机排烟余热和缸套冷却水余热时，系统最大净输出功为60.6 kW，仅比带预热器ORC系统高2.84%。因此，考虑到船舶空间受限以及运维可靠性等因素，应优先考虑采用带预热器ORC系统来回收该船舶柴油机的余热。

基于时空维度的长江主要类型船舶能耗建模及变化规律

张志恒, 袁裕鹏,

2022, 33(04): 459-468. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.04.009

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为了研究长江主要类型船舶的能耗水平及变化规律，基于对船舶阻力及船舶通航环境的分析，从时间和空间两个维度建立长江主要类型船舶能耗模型。通过计算获得长江主要类型船舶的能耗值，分析不同船型的能耗随时间和空间两个维度的变化规律。结果表明，干散货船的能耗总量最高；船舶上水航行时，夏季能耗最大，且在奉节至坝前航段能耗最低；船舶在下水航行时，冬季能耗最大，且在武汉至上海航段能耗最低；载重吨位小于2000 t的船舶中，集装箱船能耗最低，而载重吨位大于2000 t的船舶中，集装箱船能耗最高。研究结果为长江船舶的节能减排提供了指导方向。

船用混合动力推进系统能量管理系统关键技术研究现状

孙晓军, 宋恩哲, 姚崇

2022, 33(04): 469-481,495. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.04.010

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面对能源短缺和排放法规严格的问题，使用新型混合动力系统成为船舶未来发展的重要方向。分析了航运业所面临的挑战，阐述了船舶混合动力优势和必要性，并总结归纳能量管理系统的拓扑结构和实现构架；对能量管理系统研究现状进行剖析，提出了混合动力系统多能源耦合能量管理策略的发展路线；剖析了船舶混合动力系统能量管理策略研发所面临的挑战，展望了未来发展的趋势及深入研究的方向，为船舶混合动力绿色化、智能化的发展提供了研发方向。

自适应频谱塑形主动控制及舰艇领域应用研究进展

陈甜, 张兴武, , 刘金鑫, , 陈雪峰, , 严如强,

2022, 33(04): 482-495. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.04.011

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舰艇的隐身性能是其重要的性能指标和战术指标。吸振隔振等被动控制技术在舰艇减振降噪领域得到了广泛的应用，但依然无法满足舰艇对声隐身性的需求，因此，开展舰艇的振动与噪声主动控制研究意义重大。频谱塑形主动控制可以通过改变辐射噪声特征的方式对舰艇进行变特性声隐身。介绍了频谱塑形主动控制的内涵，根据自适应频谱塑形主动控制理论的发展，依次从自适应逆控制、自适应主动控制以及自适应频谱塑形主动控制三个方面进行综述，最后以舰艇领域的应用来验证自适应频谱塑形主动控制方法的有效性。

基于预防性维修的舰船装备等级修理决策系统研究

宋庭新, 韩国晨

2022, 33(04): 496-503. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.04.012

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传统的定期维修策略常导致舰船装备欠维修和过维修。为提高维修决策的科学性，提出了一种基于预防性维修理念的舰船等级修理决策方法。根据舰船装备的技术状态和维修信息，对关键重要部件（简称关重件）进行失效模式和效果分析，确定其修理需求级别和修理范围；同时采用威布尔分布模型和极大似然估计法预测装备的中位寿命，并定义产生式规则；进而基于舰船-系统-关重件三级维修BOM结构，自下而上地进行逻辑决断和规则推理，确定整舰的修理等级和时机。在此基础上开发了舰船等级修理决策系统，并通过案例进行功能验证，该系统可以满足舰船等级修理自主决策的应用需求，为舰船的预防性维修提供了一种可行的途径。

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2022, 33(04): 504.

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