CN116215825A - 水面无人艇混合动力串联式推进系统及切换控制方法 - Google Patents

水面无人艇混合动力串联式推进系统及切换控制方法 Download PDF

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CN116215825A CN202310016023.0A CN202310016023A CN116215825A CN 116215825 A CN116215825 A CN 116215825A CN 202310016023 A CN202310016023 A CN 202310016023A CN 116215825 A CN116215825 A CN 116215825A
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杨恩
顾立君
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Abstract

本发明涉及水面无人艇混合动力串联式推进系统及切换控制方法，该推进系统包括推进装置和推进监控系统，推进装置采用串联方式布置实现传动连接，包括自船艏至船艉方向依次设置的柴油机、齿轮箱、电机、推力轴承、轴系及螺旋桨；推进监控系统，包括中央监控站、控制箱、功率管理系统。本发明推进系统使无人艇兼顾高低航速要求，实现在高速工况下采用柴油机作为动力源推进，在低速工况下采用电机作为动力源推进，满足长时间保持低速航行的要求；推进监控系统自动对柴油机、推进电机及齿轮箱进行控制，实现推进模式的切换，简化了远程控制台控制的复杂程度，避免通信延迟对推进模式切换带来的不利影响，提高了无人艇推进模式状态切换的效率。

Description

水面无人艇混合动力串联式推进系统及切换控制方法
技术领域
本发明涉及水面无人艇推进技术领域，尤其是一种水面无人艇混合动力串联式推进系统及切换控制方法。
背景技术
近年来，随着通信技术和人工智能技术的发展，水面无人艇在民用领域得到快速发展。由于水面无人艇可以搭载多种不同的载荷，在许多方面都有广泛的应用，如海洋环境调查、巡逻监控及海上搜救等。
水面无人艇设计航速一般较高(通常在27节以上)，受到吨位和空间的限制，一般都采用高速机柴油机，其具有最低稳定转速(约600-700转/分)，低于该转速柴油机无法正常工作。对于采用定距桨作为推进器的无人艇来说，即便高速机柴油机在最低稳定转速下，航速通常也在10节以上，难以保持6节以下的稳定航速。
另外柴电混合动力形式在水面无人艇方面应用较少，在艇上无人情况下柴油机推进和电力推进的切换控制方法也较少。推进模式切换控制涉及多个设备，如果通过远程控制台进行操纵，无人艇在水面航行时远距离的通信延迟会对推进模式切换产生不利影响。
发明内容
本申请人针对上述现有技术中的缺点，提供一种水面无人艇混合动力串联式推进系统及切换控制方法，从而使无人艇兼顾高低航速要求，实现在高速工况下采用柴油机作为动力源推进，在低速工况下采用电机作为动力源推进，满足长时间保持低速航行的要求。
本发明所采用的技术方案如下：
一种水面无人艇混合动力串联式推进系统，包括：
推进装置，采用串联方式布置实现传动连接，包括自船艏至船艉方向依次设置的柴油机、齿轮箱、电机、推力轴承、轴系及螺旋桨；所述电机内设置有电机转轴，所述推力轴承的输出端与轴系机械连接，所述轴系与螺旋桨机械连接；所述电机连接变频器，变频器连接配电板；
推进监控系统，包括中央监控站、控制箱、功率管理系统；所述控制箱与柴油机、齿轮箱、电机信号连接，所述功率管理系统配置在配电板上，所述中央监控站与控制箱、功率管理系统连接。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述柴油机的输出端通过联轴器与齿轮箱的输入端机械连接，所述齿轮箱的输出端与电机转轴机械连接，所述电机转轴与推力轴承的输入端机械连接。
所述柴油机位于机脚处设置有减振器，所述减振器与艇体的结构基座连接，所述齿轮箱、电机、推力轴承的机脚与艇体的结构基座刚性连接。
所述电机转轴一端与齿轮箱传动连接，另一端通过推力轴承和轴系传动连接；
所述电机内部设置有传动轴轴承，在电机不工作情况下，电机转轴跟随轴系、齿轮箱转动，电机转轴起到传动连接的作用。
所述齿轮箱为减速齿轮箱，具有两个离合器，分别设置在齿轮箱的输入端和输出端，两个离合器分别单独控制进行脱排和合排，输入端离合器用于控制轴系的正转和反转，输出端离合器主要用于电力推进和柴油机推进的切换。
所述推进监控系统还包括电子调速系统、变频器及电磁阀；所述控制箱分别与电子调速系统、变频器及电磁阀连接；
所述电子调速系统用于控制柴油机的启动、停止及转速，所述变频器与电机连接，所述变频器内配置驱动控制单元，所述驱动控制单元用于控制电机的启动、停止及转速，通过电磁阀的开闭控制离合器的脱排和合排。
所述功率管理系统具备自动模式和半自动模式，在自动模式下，功率管理系统根据电力推进负荷自动实现发电机组自动启动、投入和并联运行、发电机组自动解列和停机；在半自动模式下，中央监控站能够通过功率管理系统对发电机组进行管理。
所述推进装置为2套，2套推进装置分别设置在左舷、右舷上，左舷和右舷上的推进装置完全独立，当一舷推进装置发生故障，不影响另一舷推进装置正常工作；
所述控制箱包括第一控制箱和第二控制箱，第一控制箱和第二控制箱分别对应2套推进装置，且在控制上完全独立，互不影响。
上述水面无人艇混合动力串联式推进系统的切换控制方法，在高速工况下(航速大于12节或者柴油机转速大于700rpm)，柴油机作为动力源，柴油机经齿轮箱去驱动轴系和螺旋桨转动，此时电机转轴跟随轴系转动，起到传动连接的作用，电机不工作；
在低速工况下(航速在12节以下或者柴油机转速在600～700rpm之间)，电机作为动力源，电机驱动轴系和螺旋桨转动，此时齿轮箱输出端的离合器脱排，柴油机和齿轮箱不工作。
在由柴油机推进转换为电力推进时，柴油机首先降速至怠速(转速在600～700rpm之间)，通过变频器内配置驱动控制单元(DCU)的功率模式使柴油机和电机进行短时并车，然后齿轮箱输出端的离合器脱排，轴系由电机驱动；
在由电力推进转换为柴油机推进时，柴油机首先启动运行至怠速(转速在600～700rpm之间)，变频器内配置的驱动控制单元(DCU)停止对电机的控制，使齿轮箱输出端自由减速，然后齿轮箱输出端的离合器合排，轴系由柴油机驱动。
本发明的有益效果如下：
本发明推进系统使无人艇兼顾高低航速要求，实现在高速工况下采用柴油机作为动力源推进，在低速工况下采用电机作为动力源推进，满足长时间保持低速航行的要求。本发明切换控制方法，由推进监控系统自动对柴油机、推进电机及齿轮箱进行控制，实现启动、加速、减速、停机、脱排及合排等控制，进而实现推进模式的切换，简化了远程控制台控制的复杂程度，避免通信延迟对推进模式切换带来的不利影响，提高了无人艇推进模式状态切换的效率。
本发明还包括如下优点：
(1)本发明在低速工况下(航速在12节以下或者柴油机转速在600～700rpm之间)，推进电机替代柴油机作为动力源，减速齿轮箱不参与扭矩的传递，不仅增加了无人艇的续航力，而且减小了船体振动，可大幅降低推进系统的振动噪声。
(2)本发明推进模式切换控制方法，使无人艇可以根据艇基自主航行系统的控制指令实现不同推进模式之间的状态切换，提高了推进模式切换的自动化水平。
附图说明
图1为本发明中推进装置的结构示意图。
图2为本发明中推进监控系统的组成示意图。
图3为本发明柴油机推进模式下的工作状态图(线框内的设备运行，线框外的设备不运行)。
图4为本发明电力推进模式下的工作状态图(线框内的设备运行，线框外的设备不运行)。
其中：10、柴油机；20、联轴器；30、齿轮箱；40、电机；41、电机转轴；50、推力轴承；60、轴系；70、螺旋桨。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1和2所示，本实施例的水面无人艇混合动力串联式推进系统，包括推进装置和推进监控系统；推进装置采用串联方式布置实现传动连接，包括自船艏至船艉方向依次设置的柴油机10、齿轮箱30、电机40、推力轴承50、轴系60及螺旋桨70；电机40内设置有电机转轴41，推力轴承50的输出端与轴系60机械连接，轴系60与螺旋桨70机械连接；电机40连接变频器，变频器连接配电板。
推进监控系统包括中央监控站、控制箱、功率管理系统(PMS)；控制箱与柴油机10、齿轮箱30、电机40信号连接，功率管理系统配置在配电板上，中央监控站与控制箱、功率管理系统连接，中央监控站向控制箱和功率管理系统(PMS)发送控制指令。
柴油机10的输出端通过联轴器20与齿轮箱30的输入端机械连接，齿轮箱30的输出端与电机转轴41机械连接，电机转轴41与推力轴承50的输入端机械连接。
进一步的，所述联轴器20为关节联轴器，所述齿轮箱30为减速齿轮箱，所述螺旋桨70为定距螺旋桨。
柴油机10位于机脚处设置有减振器，减振器与艇体的结构基座连接，齿轮箱30、电机40、推力轴承50的机脚与艇体的结构基座刚性连接。
电机转轴41一端与齿轮箱30传动连接，另一端通过推力轴承50和轴系60传动连接。电机40内部设置有传动轴轴承，在电机40不工作情况下，电机转轴41跟随轴系60、齿轮箱30转动，电机转轴41起到传动连接的作用。
齿轮箱30为减速齿轮箱，具有两个离合器，分别设置在齿轮箱30的输入端和输出端，两个离合器分别单独控制进行脱排和合排，输入端离合器用于控制轴系60的正转和反转，输出端离合器主要用于电力推进和柴油机10推进的切换。
参见附图2，进一步的，推进监控系统还包括电子调速系统(ECS)、变频器、及电磁阀；控制箱分别与电子调速系统、变频器、及电磁阀连接。
电子调速系统用于控制柴油机10的启动、停止及转速，变频器与电机40连接，变频器内配置驱动控制单元(DCU)，功率管理系统(PMS)与驱动控制单元(DCU)连接，驱动控制单元用于控制电机40的启动、停止及转速，通过电磁阀的开闭控制位于齿轮箱30两端离合器的脱排和合排。
推进监控系统原理，艇基自主航行系统通过以太网与中央监控站连接，中央监控站通过RS485线与控制箱连接，控制箱通过信号线分别与电子调速系统(ECS)、驱动控制单元(DCU)、电磁阀连接，中央监控站通过CAN总线与功率管理系统(PMS)连接。
功率管理系统(PMS)通过信号线与发电机组对应的控制器连接，实现发电机组自动启动、投入和并联运行、发电机组自动解列和停机的控制。
在一个实施例中，推进装置为2套，2套推进装置分别设置在左舷、右舷上，左舷和右舷上的推进装置完全独立，当其中一舷推进装置发生故障，不影响另一舷推进装置正常工作。控制箱包括第一控制箱和第二控制箱，第一控制箱和第二控制箱分别对应2套推进装置，且在控制上完全独立，互不影响，其分别负责监控左舷推进装置和右舷推进装置，包括柴油机10、电机40连接的变频器和齿轮箱30。
第一控制箱和第二控制箱分别通过变频器内配置的驱动控制单元(DCU)控制电机40的启动、停止及转速。第一控制箱和第二控制箱分别通过电子调速系统(ECS)控制柴油机10的启动、停止及转速。第一控制箱和第二控制箱分别通过电磁阀的开闭控制齿轮箱30两端离合器的脱排和合排。
功率管理系统(PMS)具备自动模式和半自动模式，在自动模式下，功率管理系统根据电力推进负荷自动实现发电机组自动启动、投入和并联运行、发电机组自动解列和停机、大功率负载启动问询、推进功率限制等功能；在半自动模式下，中央监控站能够通过功率管理系统对发电机组进行管理。
无人艇在电力推进模式下，中央监控站将功率管理系统(PMS)设置为自动模式，中央监控站对通过CAN总线对功率管理系统进行监测。当配电板或者发电机组出现故障或者意外状况时，中央监控站将功率管理系统转为半自动模式，远程控制台通过无线通信向艇基自主航行系统发送控制指令，艇基自主航行系统通过以太网向中央监控站发送指令，中央监控站根据接受的指令通过CAN总线对功率管理系统进行控制，实现对功率管理系统的远程控制。
在电机40启动前，首先通过大功率负载启动问询向功率管理系统申请功率预留，功率管理系统根据在网负荷情况启动发电机组后，向变频器发送大功率负载启动允许信号，然后变频器内配置的驱动控制单元(DCU)自动合闸位于本侧的隔离开关使变频器预充磁，充磁结束后启动电机40。
如如图3所示，在柴油机推进模式下，柴油机10经齿轮箱30驱动轴系60带动螺旋桨70转动，电机40不运行(定子不通电)，电机40的传动轴跟随齿轮箱30输出端转动，将齿轮箱30输出端转动传递给推力轴承50。
如如图4所示，在电力推进模式下，电机40驱动轴系60带动螺旋桨70转动，柴油机10、联轴器20及齿轮箱30不运行。
在柴油机推进模式下，螺旋桨70换向通过控制齿轮箱30输入端的离合器来实现；在电力推进模式下，螺旋桨70换向通过电机40连接的变频器内配置的驱动控制单元DCU控制电机40的转向来实现。
上述水面无人艇混合动力串联式推进系统的切换控制方法，在高速工况下(航速大于12节或者柴油机10转速大于700rpm)，柴油机10作为动力源，柴油机10经齿轮箱30去驱动轴系60和螺旋桨70转动，此时电机转轴41跟随轴系60转动，起到传动连接的作用，电机40不工作。
在低速工况下(航速在12节以下或者柴油机转速在600～700rpm之间)，电机40作为动力源，电机40驱动轴系60和螺旋桨70转动，此时齿轮箱30输出端的离合器脱排，柴油机10和齿轮箱30不工作。
在由柴油机10推进转换为电力推进时，柴油机10首先降速至怠速(转速在600～700rpm之间)，电机40连接有变频器，变频器内配置驱动控制单元(DCU)，通过驱动控制单元(DCU)的功率模式使柴油机10和电机40进行短时并车，然后齿轮箱30输出端的离合器脱排，轴系60由电机40驱动，进而带动螺旋桨70转动。
在由电力推进转换为柴油机10推进时，柴油机10首先启动运行至怠速(转速在600～700rpm之间)，变频器内配置的驱动控制单元(DCU)停止对电机40的控制，使齿轮箱30输出端自由减速，然后齿轮箱30输出端的离合器合排，轴系60由柴油机10驱动。
推进监控系统在接收到无人艇的艇基自主航行系统发出的由柴油机推进转换为电力推进过程的控制指令后，中央监控站首先通过大功率负载启动询问向配电板内配置的功率管理系统(PMS)申请功率预留，功率管理系统根据在网负荷情况起动发电机组后，向变频器发送大功率负载启动询问信号。收到启动允许后，变频器内配置的驱动控制单元(DCU)自动合闸位于本侧的隔离开关使变频器预充磁，充磁结束后启动电机40。接着向柴油机10的电子调速系统(ECS)发出转速控制指令，柴油机10降速至怠速。通过驱动控制单元的功率模式使柴油机10和电机40进行短时并车，然后第一控制箱和第二控制箱控制齿轮箱30输出端离合器脱排。待电机40驱动螺旋桨70运行稳定后，第一控制箱和第二控制箱控制柴油机10停机，此时无人艇由柴油机推进转换为电力推进。
推进监控系统在接受到无人艇的艇基自主航行系统发出的由电力推进转换为柴油机推的控制指令后，首先控制柴油机10发出启动并运行至怠速，变频器内配置的驱动控制单元(DCU)停止对电机的40控制，使齿轮箱30输出端自由减速至200rpm左右时，第一控制箱和第二控制箱分别控制左右舷齿轮箱30输出端离合器合排，待柴油机10驱动螺旋桨70稳定运行后，驱动控制单元自动断开位于本侧的隔离开关，此时无人艇由柴电推进转换为柴油机推进。
在推进模式切换过程中，重点根据在齿轮箱30输出端离合器的脱排和合排状态来判断推进模式切换是否顺利完成。
在推进模式切换过程中，远程控制台通过无线通信向艇基自主航行系统发送推进模式转换指令，艇基自主航行系统将其发送给推进监控系统。在推进监控系统中，中央监控站收到艇基自主航行系统发送的推进模式转换指令后，根据预设程序分别对第一控制箱和第二控制箱发送一系列指令，第一控制箱和第二控制箱按照指令对左舷、右舷的柴油机10、电机40和齿轮箱30进行控制。
在推进模式切换的过程中，在齿轮箱30两端离合器脱排和合排时比较容易出现故障。由电力推进转换为柴油机推进的过程中，如果齿轮箱30输出端离合器合排信号在设置时间内(7秒)没有反馈，第一控制箱和第二控制箱向中央监控站发出左舷或者右舷推进装置模式切换失败报警。由柴油机推进转换为电力推进的过程中，如果齿轮箱30输出端离合器脱排信号在设置时间内(7秒)没有反馈，第一控制箱和第二控制箱向中央监控站发出左舷或者右舷推进装置模式切换失败报警。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种水面无人艇混合动力串联式推进系统，其特征在于，包括：
推进装置，采用串联方式布置实现传动连接，包括自船艏至船艉方向依次设置的柴油机(10)、齿轮箱(30)、电机(40)、推力轴承(50)、轴系(60)及螺旋桨(70)；所述电机(40)内设置有电机转轴(41)，所述推力轴承(50)的输出端与轴系(60)机械连接，所述轴系(60)与螺旋桨(70)机械连接；所述电机(40)连接变频器，变频器连接配电板；
推进监控系统，包括中央监控站、控制箱、功率管理系统；所述控制箱与柴油机(10)、齿轮箱(30)、电机(40)信号连接，所述功率管理系统配置在配电板上，所述中央监控站与控制箱、功率管理系统连接。
2.如权利要求1所述的水面无人艇混合动力串联式推进系统，其特征在于，所述柴油机(10)的输出端通过联轴器(20)与齿轮箱(30)的输入端机械连接，所述齿轮箱(30)的输出端与电机转轴(41)机械连接，所述电机转轴(41)与推力轴承(50)的输入端机械连接。
3.如权利要求1所述的水面无人艇混合动力串联式推进系统，其特征在于，所述柴油机(10)位于机脚处设置有减振器，所述减振器与艇体的结构基座连接，所述齿轮箱(30)、电机(40)、推力轴承(50)的机脚与艇体的结构基座刚性连接。
4.如权利要求1所述的水面无人艇混合动力串联式推进系统，其特征在于，所述电机转轴(41)一端与齿轮箱(30)传动连接，另一端通过推力轴承(50)和轴系(60)传动连接；
所述电机(40)内部设置有传动轴轴承，在电机(40)不工作情况下，电机转轴(41)跟随轴系(60)、齿轮箱(30)转动。
5.如权利要求1所述的水面无人艇混合动力串联式推进系统，其特征在于，所述齿轮箱(30)为减速齿轮箱，具有两个离合器，分别设置在齿轮箱(30)的输入端和输出端，两个离合器分别单独控制进行脱排和合排，输入端离合器用于控制轴系(60)的正转和反转，输出端离合器主要用于电力推进和柴油机(10)推进的切换。
6.如权利要求5所述的水面无人艇混合动力串联式推进系统，其特征在于，所述推进监控系统还包括电子调速系统、变频器及电磁阀；所述控制箱分别与电子调速系统、变频器及电磁阀连接；
所述电子调速系统用于控制柴油机(10)的启动、停止及转速，所述变频器与电机(40)连接，所述变频器内配置驱动控制单元，所述驱动控制单元用于控制电机(40)的启动、停止及转速，通过电磁阀的开闭控制离合器的脱排和合排。
7.如权利要求1所述的水面无人艇混合动力串联式推进系统，其特征在于，所述功率管理系统具备自动模式和半自动模式，在自动模式下，功率管理系统根据电力推进负荷自动实现发电机组自动启动、投入和并联运行、发电机组自动解列和停机；在半自动模式下，中央监控站能够通过功率管理系统对发电机组进行管理。
8.如权利要求1所述的水面无人艇混合动力串联式推进系统，其特征在于，所述推进装置为2套，2套推进装置分别设置在左舷、右舷上，左舷和右舷上的推进装置完全独立，当一舷推进装置发生故障，不影响另一舷推进装置正常工作；
所述控制箱包括第一控制箱和第二控制箱，第一控制箱和第二控制箱分别对应2套推进装置，且在控制上完全独立，互不影响。
9.如权利要求1-8任一项所述的水面无人艇混合动力串联式推进系统的切换控制方法，其特征在于，在高速工况下，柴油机(10)作为动力源，柴油机(10)经齿轮箱(30)去驱动轴系(60)和螺旋桨(70)转动，此时电机转轴(41)跟随轴系(60)转动，电机(40)不工作；
在低速工况下，电机(40)作为动力源，电机(40)驱动轴系(60)和螺旋桨(70)转动，此时齿轮箱(30)输出端的离合器脱排，柴油机(10)和齿轮箱(30)不工作。
10.如权利要求9所述的水面无人艇混合动力串联式推进系统的切换控制方法，其特征在于，在由柴油机推进转换为电力推进时，柴油机(10)首先降速至怠速，通过变频器内配置驱动控制单元的功率模式使柴油机(10)和电机(40)进行短时并车，然后齿轮箱(30)输出端的离合器脱排，轴系(60)由电机(40)驱动；
在由电力推进转换为柴油机推进时，柴油机(10)首先启动运行至怠速，变频器内配置的驱动控制单元停止对电机(40)的控制，使齿轮箱(30)输出端自由减速，然后齿轮箱(30)输出端的离合器合排，轴系(60)由柴油机(10)驱动。
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