簡(jiǎn)要回顧船舶用泵的技術(shù)要求和發(fā)展趨勢(shì)，概括介紹了直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵的工作原理，并與常規(guī)泵體進(jìn)行對(duì)比，從減振降噪、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、智能控制等角度闡述了直驅(qū)泵的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)船舶用泵的改進(jìn)具有借鑒意義；展望了其在船舶上的應(yīng)用前景。

　　引言

　　船舶由于特有的獨(dú)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(shè)備所處工作環(huán)境條件的特殊性，就會(huì)對(duì)包括船用泵在內(nèi)的設(shè)備提出一些不同于其他適用領(lǐng)域中設(shè)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(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)參數(shù)選取、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(guó)際國(guó)內(nèi)船舶用泵技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)日益傾向于在緊密結(jié)合船舶功能和配置情況下，設(shè)計(jì)一種控制上更加自動(dòng)智能化、結(jié)構(gòu)上更為簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，以方便泵體的維修保養(yǎng)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(xì)水霧泵、海水淡化機(jī)組等泵機(jī)。而液壓泵常用的結(jié)構(gòu)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(duì)較小，可以實(shí)現(xiàn)靜壓支承，而且密封效果較好，易于通過(guò)增加配合間隙長(zhǎng)度的方法來(lái)減小泄漏，以保證泵的效率。因此，柱塞式結(jié)構(gòu)比較適宜于海水等低粘度介質(zhì)使用。從國(guó)際上英國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、日本、芬蘭、丹麥等國(guó)家已有的研究經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，絕大多數(shù)采用了柱塞式結(jié)構(gòu)。

　　但是研究表明，柱塞泵在高低壓轉(zhuǎn)換處產(chǎn)生對(duì)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(tǒng)柱塞泵既有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又有往復(fù)運(yùn)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(nèi)流體，且流體脈動(dòng)反射波作用于泵體上，引起泵繞機(jī)組軸向回轉(zhuǎn)及橫向振動(dòng)；其頻率成分較為豐富，通過(guò)對(duì)泵組機(jī)械擾動(dòng)力分析可知，泵組上存在著一階顛覆力矩、一階往復(fù)慣性力、二階往復(fù)慣性力矩和離心力，設(shè)備振動(dòng)也較為嚴(yán)重。這些機(jī)械運(yùn)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(jí)，一直是國(guó)內(nèi)船舶管路振動(dòng)有待解決的難題。

　　某現(xiàn)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(zhuǎn)電機(jī)通過(guò)渦輪渦桿減速器驅(qū)動(dòng)臥式曲軸泵的結(jié)構(gòu)，考慮到潛艇內(nèi)部空間有限，設(shè)計(jì)時(shí)采用的是2900r/min 的直流電動(dòng)機(jī)。同時(shí)為了適應(yīng)170r/min的低轉(zhuǎn)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(jī)、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(jī)噪聲至少75dB(A)，這是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的機(jī)械摩擦噪聲隨轉(zhuǎn)速、負(fù)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(jié)構(gòu)中，曲柄連桿機(jī)構(gòu)、金屬與金屬配對(duì)的平板式配流閥結(jié)構(gòu)是泵本體機(jī)械噪聲的主要來(lái)源，使得原艙底泵系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)噪音達(dá)到90dB(A)，嚴(yán)重影響潛艇的隱蔽性和安全性。華中科技大學(xué)曾嘗試設(shè)計(jì)軸向海水柱塞泵(見(jiàn)圖2)以取代現(xiàn)有的曲軸連桿柱塞泵，期望在改進(jìn)艙底泵的基礎(chǔ)上減小泵的振動(dòng)和噪聲。傳統(tǒng)軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)上采用了旋轉(zhuǎn)電機(jī)和運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)復(fù)雜。運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)上的局限決定了噪聲級(jí)別難以得到有效的降低。經(jīng)過(guò)多年設(shè)計(jì)研究、試驗(yàn)測(cè)試，鑒于國(guó)內(nèi)工業(yè)基礎(chǔ)，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(tǒng)的渦輪渦桿減速器+曲軸連桿柱塞泵結(jié)構(gòu)，還是軸向柱塞泵(其他什么結(jié)構(gòu)形式等)都存在如下問(wèn)題：

　　(1)均采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)作動(dòng)力源，需要通過(guò)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為柱塞的直線運(yùn)動(dòng)，或泵與電機(jī)之間需要安裝有減速器，結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜，機(jī)械振動(dòng)和噪聲較大，機(jī)械效率低。

　　(2)運(yùn)動(dòng)部件采用不平衡結(jié)構(gòu)或者受力不平衡，難以在高速運(yùn)行條件下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)；即便通過(guò)動(dòng)平衡試驗(yàn)使軸系達(dá)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(cè)，導(dǎo)致傳動(dòng)軸系受力不平衡，影響其平穩(wěn)運(yùn)行。而且，液壓系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)、液壓泵都以高速回轉(zhuǎn)，如果它們的轉(zhuǎn)動(dòng)部件不平衡，就會(huì)產(chǎn)生周期性的不平衡力，激勵(lì)轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)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(tǒng)的正常工作。

　　(3)安裝有多對(duì)軸承，需要采用油液潤(rùn)滑，而油水分離結(jié)構(gòu)由于存在因密封失效導(dǎo)致潤(rùn)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(rùn)滑油泄漏將暴露潛艇目標(biāo)。因此，油水分離結(jié)構(gòu)并不適合用于潛艇艙底疏水泵。

　　液壓系統(tǒng)面對(duì)快速發(fā)展的電氣傳動(dòng)的競(jìng)爭(zhēng)，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(duì)目前電機(jī)、回轉(zhuǎn)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(xiàn)狀下，應(yīng)運(yùn)而生一種新型直線驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵結(jié)構(gòu)。

　　4、直線往復(fù)泵應(yīng)用前景和展望

　　綜合考慮直線驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵的優(yōu)點(diǎn)并結(jié)合船用泵的技術(shù)要求，直線驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵設(shè)計(jì)思想著眼于軍事和特殊需求的艦船，主要研究?jī)?nèi)容包括降低噪聲和振動(dòng)，減少摩擦副，不采用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑，提高壽命和可靠性等。針對(duì)其他艦船用泵體，直線驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，操控更加智能，維修保養(yǎng)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(yīng)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(yīng)用在：

　　1)艦船艙底疏水泵

　　艦艇在正常運(yùn)行過(guò)程中，艇內(nèi)每天會(huì)產(chǎn)生各種污水，當(dāng)污水達(dá)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(xiàn)潛艇的艙底疏水、應(yīng)急疏水和甲板沖洗，另外還具有對(duì)縱傾平衡水艙、浮力調(diào)整水艙、魚(yú)雷補(bǔ)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(duì)外影響潛艇的隱蔽和安全性，對(duì)內(nèi)影響艇員的工作生活環(huán)境。

　　2)艦用反滲透式海水淡化機(jī)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(xù)航力和作戰(zhàn)性能，發(fā)達(dá)國(guó)家海軍已經(jīng)成功應(yīng)用該技術(shù)。我國(guó)也成功開(kāi)發(fā)出了艦用反滲透式海水淡化機(jī)組。

　　3)艦艇用高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)用泵

　　裝備高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)是目前我國(guó)潛艇、水面艦艇發(fā)展的一大發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)潛艇、水面艦艇作戰(zhàn)性能的提升有著重大的軍事意義。國(guó)內(nèi)高壓細(xì)水霧系統(tǒng)用高壓泵技術(shù)一直難以得到很好的解決，導(dǎo)致高壓細(xì)水霧系統(tǒng)遲遲難以在我軍大面積裝備。國(guó)內(nèi)民船只有防火級(jí)別要求高運(yùn)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(xì)水霧系統(tǒng)，該泵占去了艙內(nèi)寶貴體積空間，耗能指標(biāo)高。直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)海水泵完全能夠滿(mǎn)足細(xì)水霧系統(tǒng)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(yīng)堆高壓水泵在核潛艇中系統(tǒng)中運(yùn)行，構(gòu)成了核反應(yīng)堆系統(tǒng)主要噪聲源之一，降低其噪聲對(duì)于提高核潛艇隱身性有著重要軍事意義。同時(shí)，由于核反應(yīng)堆內(nèi)部(尤其是核島區(qū)域)存在放射性物質(zhì)泄漏的危險(xiǎn)，不方便維修。提高這類(lèi)高壓水泵的可靠運(yùn)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(guó)際海軍艦艇裝備靜音、高速、高機(jī)動(dòng)性發(fā)展道路上一項(xiàng)重大技術(shù)趨勢(shì)。大流量的超靜型直線驅(qū)動(dòng)海水泵可應(yīng)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(zhàn)艦艇等。直線電機(jī)驅(qū)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(shè)計(jì)及制造、現(xiàn)代控制、摩擦學(xué)等學(xué)科前沿，綜合應(yīng)用水液壓技術(shù)和直線電機(jī)技術(shù)，具有較強(qiáng)的學(xué)科創(chuàng)新性、前瞻性和廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。

　　但是作為直線電機(jī)本身來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)能夠獨(dú)立研制直線電機(jī)的單位并不多，只有為數(shù)不多的幾家廠家能后獨(dú)立研發(fā)直線電機(jī)平臺(tái)、驅(qū)動(dòng)器。除此之外，直線電機(jī)的速度規(guī)劃、電流環(huán)和伺服環(huán)控制策略，是影響直驅(qū)柱塞泵流量穩(wěn)定輸出的重要因素，這是直驅(qū)泵目前技術(shù)研究中的一項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)。即便如此，從目前的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為一種理想的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)方式已呈現(xiàn)出極大的生命力；直線驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵作為一種新型艦船用泵體，也展現(xiàn)了其特有的優(yōu)勢(shì)，為以后艦船用泵的發(fā)展指明了方向。