“育鲲”轮舵机液压系统及随动控制系统介绍

“育鲲”轮舵机液压系统及随动控制系统介绍

摘要：本文主要介绍“育鲲”轮转叶式舵机的转舵机构及液压系统原理，并对随动控制系统进行了分析。对舵杆和转子机构的液压安装步骤进行讲述。通过与往复式舵机的结构及液压系统的比较，总结出“育鲲”轮转叶式舵机的特点。针对“育鲲”轮舵机使用过程中所发生的故障现象，本文简要分析其故障原因。归纳总结出舵机维护保养中的基本要求，力图能够为轮机员工作提供较好参考。

关键词：转叶式舵机液压系统随动控制系统液压联接器

Abstract: this paper describes basic construction and hydraulic system principle of the votary vane steering gear in “YUKUN” training ship, and particularly analyzes the system of follow-up control. Mounting procedure of hydraulic coupling between rudder actuator and rudderstock are showed clearly. Compared with construction and hydraulic system of the reciprocating steering gear, there are a lot of characteristic in the rotary vane steering gear. And based on the phenomenon of the trouble in the steering gear, the paper makes a brief analysis. Basic recommendations are included in the maintenance process of the steering gear. The aim of this paper is to provide a better reference for engineer office in work course.

Keywords: rotary vane steering gear hydraulic system follow-up control system hydraulic coupling

目录

1绪论 (1)

1.1舵机的作用和组成部分 (1)

1.2舵机的类型 (1)

2“育鲲”轮转叶式舵机转舵机构和液压系统 (2)

2.1“育鲲”轮舵机概况及主要参数 (2)

2.2球形转舵机构结构特点 (2)

2.3液压系统工作原理 (3)

2.4舵杆和转子安装方法 (4)

2. 4. 1安装前的准备 (4)

2. 4. 2安装步骤 (4)

2. 4. 3安装中的注意事项 (5)

3“育鲲”轮舵机随动控制系统 (6)

3.1“育鲲”轮驾驶台操舵指令 (7)

3.2控制信号比较放大 (7)

3.3驱动和反馈单元 (8)

3.4变频电机和双向油泵 (8)

4“育鲲”轮转叶式舵机的主要特点 (8)

5“育鲲”轮舵机故障简析 (9)

6“育鲲”轮舵机的维护保养 (9)

6.1液压油的选择 (9)

6.2换油和除气 (9)

6.3日常管理注意事项 (10)

总结 (10)

【参考文献】 (10)

1绪论

1.1舵机的作用和组成部分

船舶在航行过程中，不可能完全按照驾驶员的意图进行航行，经常会受到外界的干扰（如风、浪等的影响），使船舶偏离原来的航线。此时应该有一操作装置能够控制船舶方向保证船舶安全行驶，此机构就是舵。舵是船舶用以改变其航向或维持其预定航向的重要设备，对于船舶安全航行起着关键作用。

现代化船舶广泛应用电动液压舵机。电动液压舵机由三部分组成：转舵机构、液压系统与操舵控制系统。转舵机构的作用是将液压能转换成机械能，推动舵叶转动。液压系统的作用是向舵机提供足够的液压能，并设置所需的保护和控制装置。操舵控制系统的作用：一是传递舵令；二是控制操舵精度。

1.2舵机的类型

船舶所使用的电动液压舵机按机构类型可分为往复式和转叶式两种。

所谓往复式舵机的转舵机构为往复式转舵油缸，它将液压油的压力能转化为柱塞的机械能，推动舵柄左右转动，舵柄带动舵杆转动实现舵叶的转动，达到改变船方向的目的。

转叶式舵机是依靠作用在舵机转叶上的高压液压油的压力使舵机转叶片转动，从而带动与舵机锥形相连的舵杆转动，而舵杆转动相应带动与之相连的舵叶转动，从而达到船舶操舵的目的。

如图1所示，描述一往复式舵机的工作原理

图1 往复式舵机

1—交流伺服电动机；2—联轴器；3—双向定量泵；4—梭阀；5—锁阀；6—旁通阀；7—油罐；8—安全阀；9—液压油缸

由图1可见，液压泵和液压油缸构成闭路系统。交流伺服电动机1驱动液压定量泵3产生液压动力，通过一对液压缸推动舵杆转动。从油泵出来的液压油经过锁阀进入液压缸使柱塞来回移动,油缸的回油同样经过锁阀进入油泵吸口。

并联在闭式回路中的由两个单向阀组成的梭阀主要起到补油阀的作用，当这个闭式回路中出现因漏泄等原因造成流量不足时，梭阀补油到回路中。串联在主回路中的由两个液控单向阀组成的锁阀，当舵叶达到指定位置时，锁阀锁住主油路防止液压缸在波浪拍击舵叶时发生返流现象。并联在闭式回路中的溢流阀起安全阀的作用，同时起放浪阀作用。当舵叶停止转动时，由于受大浪或者其他外力作用的冲击产生超负载时可以允许短时间的开阀卸荷。另外在整个操舵系统出现超负荷的时候，也可以通过交流伺服电动机的限转矩保护功能动作而停机，达到安全防护作用。舵机的启动和停止、变向和变速都是由交流伺服电动机按照控制指令来实现的。

对转叶式舵机的分析本文将以“育鲲”轮舵机为例进行详细的讲述。

2“育鲲”轮转叶式舵机转舵机构和液压系统

2.1“育鲲”轮舵机概况及主要参数

“育鲲”轮舵机型号是Rolls-Royce Tenfjord SR723-FCF(SR: Spherical Rotary; FCP:Frequency Controlled Pumps)，采用球型转子的转叶式舵机。为满足造船规范要求，本舵机分别有两套独立的动力单元和控制单元，实现互为备用，也可以同时工作。可保证一台泵组出现故障后，迅速自动隔离，另一台泵组能正常工作。

“育鲲”轮转叶式舵机参数

转舵机构参数

舵机型号： SR723—FCP

最大工作压力： 125bar

设计压力： 156bar

最大扭矩： 412KNm

试验压力： 234bar

舵杆直径： 320mm

最大机械舵角： 2×44°

电气限制舵角： 2×43°

运行时间1台泵/2台泵： 28s/14s（30°— 0°—35°）

安全阀设定压力： 156bar

液压油泵参数

型号： FCP—75

安全阀设定压力： 125bar

试验压力： 188bar

变频电机参数

型号： NORM IEC 160LB—4

速度： 1450rmp

额定压力： 17，5KW(SI)

电压： 3×380V，50HZ

保护等级： IP55

2.2球形转舵机构结构特点

如图2所示，“育鲲”轮舵机的转舵机构设计成球形,转子和转叶做成一体，转子上的密封件由做成一体的合成材料构成，这样的结构使转舵机构能够承受或吸收较大的震动和冲击。三个转叶在环形油缸内带动舵杆以恒扭矩转舵。球形转子使内摩擦力降低到最小，同时消除了舵杆可能弯曲而引起对转舵机构的附加作用力。

舵杆1安装于转舵机构中央位置。轴套3与舵杆接触的内表面是圆柱形，外表面是锥形，它与转子内孔的锥形面相配合。转子与舵杆之间的转舵力矩是靠轴套的静摩擦力传递的。转舵机构与变频电机由螺栓紧固在一起，结合面安装密封环保证液压油不会泄露。转子安装在壳体内部，在转子和壳体上下部结合面处安装有轴承。下轴承承担转子、舵杆及舵叶的重量以及转舵时所产生的力，轴承由液压油进行润滑。转子和壳体中部形成液压油环形空间，三个定子和三个转叶将其分隔成六个空间。另外，转子和壳体之间安装密封装置，对液压油空间密封，允许少量油泄露润滑轴承。转子伸出壳体处有上下密封装置，防止液压油向外漏泄。

图2 球形转舵机构结构图

1—舵杆；2—转子；3—轴套；4—电机上壳体；5—电机下壳体；6—下轴承；7—上轴承和舵杆上部密封；8—下部密封；9—转子壳体密封；10—安装轴套注油孔；11—吊环；12—安装活塞；13—阀块；14—过滤单元

2.3液压系统工作原理

图3 Tenfjord SR723泵控型舵机液压系统原理图

1—转舵机构；2—双向泵；3—变频电机；4—单向阀；5—溢流阀；6二位三通电磁阀；7—逻辑阀（插装阀）；9—安全阀；10—储油柜；11—手摇泵；12—高置油柜；13—供液三通阀；14—控制单向阀

（1）液压回路

如图3所示。当驾驶台发出转舵信号时，通过变频器控制双向泵的转向和排量。同时，二位三通电磁阀有电，阀工作于左位，逻辑阀内的控制油卸荷，阀门打开。油泵输出的压力油经过单向阀、逻辑阀进入转舵油缸。而对应的转舵油缸的回油通过逻辑阀、溢流阀、回油滤器和单向阀到达油泵吸口。实际舵角与转舵指令相符后，油泵停止运转，二位三通电磁阀失电，工作于左位，逻辑阀关闭，锁闭油路，舵叶停留在所要求的舵角。

（2）液压系统中各装置和阀件的功能分析

逻辑阀7实现油路的锁闭功能。当实际舵角达到转舵指令舵角以后，电磁阀失电，工作在左位，液压油经过控制单向阀、电磁阀到达逻辑阀芯加压使阀芯锁闭，基本功能相当于液控单向阀。

在舵叶停止转动后，若有大浪或其他外力冲击，安全阀9会因管路中油压高于调定值（“育鲲”轮此阀设定值是156bar）时开启，使高压油腔与低压油腔旁通，以避免管路和液压元件承受过高压力，允许舵叶暂时偏让而“跑舵”；当冲击舵叶的外力消失后，由于实际舵角偏离指令舵角，电机重新启动，直至舵转回到与指令舵角相符为止。安全阀9亦称防浪阀。

溢流阀5在此系统中两个为一组，在工作的时候，油泵出口的溢流阀作安全阀使用，当出口压力超过调定值（“育鲲”轮此阀设定值是125bar）时阀开启，防止液压元件受到冲击。油泵吸口处溢流阀作单向阀使用。

高置油箱有油位计显示油箱油位。油箱中间有一隔板将油箱分为两部分，另外两边分别安装传感器监视两边油位。当一套动力单元漏油将不会干扰另一台动力单元的正常工作。高置油箱出来的液压油左右两路作用是：一是向闭路液压系统中补油；二是当逻辑阀卸荷打开时控制油回到高置油箱。同时中间一路进入转舵机构的低压腔。正常情况下油位过低会表明系统中有泄漏的发生，应及时查清故障并排除。当高置油柜缺油时，可用手摇泵及时从储油柜中向油柜补油。

2.4舵杆和转子安装方法

“育鲲”轮舵机舵杆与转子的安装采用了SKF机理（Hydraulic Shrink Fit principle），基于SKF机理的液压联接器将舵杆和转子紧固在一起，他们之间无键连接，提供了一种安全可靠的安装方法，且安装和拆卸方便，无需使用大型工具。此种安装机理还常用于螺旋桨和轴系之间的无键连接，以达到过盈配合。

2. 4. 1安装前的准备

在安装之前，首先查看转子机构、轴套和安装活塞等是否拥有相同序列号。轴套、安装活塞、转子内面和舵杆需经过彻底的清洗、去脂和检查。小的沟槽可能会导致液压油泄露，接触表面无法建立有效的油膜，产生拉痕达不到舵机正常的工作要求。经过仔细检查以后，打磨、清洗和润滑轴套外表面。

2. 4. 2安装步骤

首先，舵杆应处于一正确的高度，保证其对中，用链条机构将其固定并锁住。把安装活塞安装（其内有螺纹）在锥形轴套上，并用安装活塞上的吊环吊起该组件。再次检查舵杆和轴套接触面保证其表面没有任何润滑剂。然后，使轴套进入舵杆并慢慢向下安装直至距离基座下端150mm,用钢板将轴套进行支撑，停止安装，并卸下安装活塞。（如图4所示）然后，用润滑油涂于转子内孔上，并把转子悬挂于舵杆上部，使二者的中心线尽可能对中。再慢慢往下放，在转子内孔和锥形轴套稍有接触时停止下放，此时绝对不允许转子的所有重量坐落在锥形轴套上面。用MoS2（钼合金，一种良好的固体润滑剂）润滑轴套和安装活塞上的螺纹，并安装O-ring圈到轴套上部的槽内，保证下一操作的密封效果。再把安装

活塞安装到锥形轴套上，且上紧至规定值。同时确保O-ring圈良好的状态防止在安装过程中的扭曲。然后，取消支撑锥形轴套的钢板。此时，转子仍然处于悬挂状态。

图4 舵杆和轴套安装图

最后安装注油泵和安装泵，尽可能提供说明书指定的液压油，并按顺序提高油压，使轴套和转子相对运动，直至规定的安装尺寸。作业过程中，注油泵和转子上的A口用高压油管相连接，这样就会在转子和锥形轴套之间形成一层薄的油膜，在油压的作用下使转子的内径增加。安装泵通过安装活塞上的B口和环形槽相连接，液压油通入环形槽中在油压的作用下能够拉伸转子内的锥形轴套。当操作安装泵和注油泵时尽可能同时缓慢的进行。慢慢的将转子放下，直至轴套达到说明书所要求的拉长长度。（如图5所示）

释放转子和锥形轴套之间的液压油，此时转子将会收缩产生压力，由此在转子、轴套和舵杆之间产生的摩擦力用于传递转舵扭矩。保持半小时环形槽内的油压，再次检查其轴套的拉长长度。如符合说明书要求，释放槽内油压并再次重新检查轴套的拉长长度。

图5 转子和轴套的安装图

1—安装活塞； 2—O-ring； 3—转子； 4—锥形轴套； 5—舵杆；A—注油泵连接口；B—安装泵连接口

2. 4. 3安装中的注意事项

为了控制安装过程中转子和锥形轴套之间的运动可控，以免损坏接触面，必须在注油泵

动作之前建立环形槽内的油压。同时，通过控制环形槽内的液压油的释放速度来控制轴套的移动速度。一定要仔细缓慢操作，避免转子内径的永久变形。另外，在锥形轴套和转子之间要保留足够的油膜，以便在拆卸时两部件的分离。

安装时，如果转子和轴套之间的运动出现跳动，则表明两者之间的油膜不够，这样会拉伤表面。因此，需要加大注油泵的流量，以重新建立油膜。两者间的运动应该是平滑均匀的。液压联接器安装完成以后，在24小时之内不准转动，不准在上面加载任何力矩和转矩。24小时之内保持油孔A、B处于打开状态，为了消除表面油膜保证接触面之间的摩擦力；24小时以后把油孔A、B用专业旋塞封闭。

在舵杆和转子的安装和拆卸过程中液压油黏度是一重要参数。安装泵和注油泵应选择同样的液压油，其黏度值大约为20℃ 300cst；如工作在一温度较低环境下时其黏度值大约为50℃ 100cst。低粘度的液压油可以使转子和轴套的延伸相对简单。

3“育鲲”轮舵机随动控制系统

图6 随动控制系统结构图

图7 随动控制系统框图

3.1“育鲲”轮驾驶台操舵指令

“育鲲”轮舵机在驾驶台有三种操舵方式：一是自动舵航行。大海航行时，航向定向，转自动位置，自行操舵，保持航向，驾驶人员对舵机整个系统是否运行正常进行监视；二是随动舵航行。舵令下达后，人工操纵舵轮或操作手柄控制舵叶转动。当舵叶舵角达到指令舵角自动停转；三是非随动舵航行（应急航行），此种操舵信号直接输入泵卡进行信号放大，控制变频电机的运转，实现转舵的目的。但当舵叶舵角达到指令舵角时舵机不会自动停转，需要人工的持续控制。在三种操舵方式中非随动舵最为安全可靠。当前两种操舵方式出现故障，应立即转为非随动舵，保持航向的连续可控。正常工作时，舵机舱内的舵机控制位置转换开关在遥控位，当驾驶台三种操舵方式均失灵，应将控制位置转换开关转换到本地控制，由操舵人员操作控制箱上的操舵按钮来控制舵机。驾驶台和舵机舱的非随动舵（应急舵）需要定期试验，确保功能正常。

3.2控制信号比较放大

如图6、7所示。驾驶台操舵指令与来自反馈单元的反馈信号的比较放大在辅助操舵单元中进行。辅助操舵单元主要由电源单元、选择单元、反馈信号处理单元和放大单元四部分组成。

电源单元主要将接收的220VAC转换为24VDC、10VDC和5VDC，供辅助操舵单元各电子元件电源；

选择单元作用有三个：一是操舵地点的确定。驾驶台左、中、右和远程遥控都可以对舵机进行操作。当某一位置发出操舵信号，选择单元将自动的屏蔽其他位置所发出的信号，以免信号相互干扰出现误操作；二是操舵模式的选择。驾驶台舵机控制面板是有自动舵、随动舵和非随动舵转换开关，当驾驶员选定一操舵模式以后，选择单元将根据选择的模式接通相应的功能元件，切断其他模式功能元件；三是动力单元的选择。“育鲲“轮有两套相互独立的动力单元，选择单元可以选定一套动力单元运转，也可以选择两套单元的同时运转。

反馈信号处理单元接收来自于反馈单元的反馈舵角信号。同时一旦检测不到来自于反馈单元的舵角信号，反馈卡将显示和输出一报警信号，冻结舵机的运转。

放大单元接收来自于选择单元的操舵信号，与反馈舵角信号进行比较放大，输出一电压信号到泵卡。当操舵模式选择为非随动舵，驾驶台输出的操舵电压信号将直接输入至泵卡。放大单元并被辅助操舵系统自动隔离，无法与反馈电压信号进行比较放大并输出一电压信号送至泵卡。

以下是对随动控制系统比较放大电路图展开详细的分析。（如图8所示）

（1）操作方式选为随动舵，隔离非随动舵，会使14AC输入一高电平，使线圈-K2得电以后动作，其常开触点闭合而常闭触点打开。并且此高电平通电一个与非门和一与门，触发D/A转换器工作。

（2）给定随动命令信号（左舵），使8AC输入一高电平信号加在2区比较器负输入端，并输出一低电平，后经过A/D、D/A转换器转换以后加在6区比较器正输入端并输出一高电平信号，经过一功能器（-JP60）后与反馈电压信号进行叠加并加在7区比较器负输入端，输出一命令电压信号。

（3）随着舵叶的向左转动，反馈舵角信号使12C输入一低电平信号加在比较器正输入端，并输出一低电平。此电平信号与并一路电压信号叠加形成一低电平，加在一比较器负输入端输出一正电平信号，与输入的命令信号相叠加，形成一负反馈控制。负反馈控制说明实际舵角接近指令舵角时，电机的转速变慢，输出的转舵力矩逐渐缩小，这样可以实现舵机的平稳起停。

图8 随动控制系统比较放大单元电路图

3.3驱动和反馈单元

驱动功能的实现是在泵卡中完成。泵卡的作用有三个：一是为整个操舵单元提供220VAC；二是控制变频器的起停；三是对操舵电压信号进行再一次的放大并传送至变频器。

反馈单元包括舵角显示变送器、舵机限位旋钮和控制系统传送器。反馈单元安装在转舵机构上部，通过链条和舵杆相连接。当舵杆发生转动时，链条相应的进行转动，通过电位器将转动角度转变为电压信号，此信号一路传送至辅助控制单元与操舵信号进行比较放大；另一路送入显示屏进行转换后对舵角进行显示。

3.4变频电机和双向油泵

Tenfjord SR723泵控型舵机采用了由变频电机驱动的双向泵。当有转舵信号时，电机和泵开始工作，电机的转速和方向由变频器控制。变频器送出的电压取决于辅助操舵单元（随动舵）或驾驶台（非随动舵）输入的电压信号并经过放大。随动模式下当舵角偏差较大时，变频器控制电机快速运转令双向泵大排量工作；随着舵角偏差的逐渐减小，电机的转速降低导致泵的排量减小，转舵速度降低；当实际舵角等于指令舵角时，泵和电机处于停止状态，逻辑阀关闭将舵锁在停止位置。

4“育鲲”轮转叶式舵机的主要特点

（1）“育鲲”轮转叶式舵机结构设计紧凑，占用空间较小，质量较轻，外形设计比往复式舵机小得多，不需要特别大的外围空间。另外转叶式舵机完整供货简单，上船之前不需要接任何管系，省却了往复式舵机安装之前对舵机专业油管的保护、表面及内部的清洁处理，也省却了设计工时和安装工时。

（2）“育鲲”轮转叶式舵机振动和噪音较小。因噪音主要是液压油产生的油压高低及管路长短决定，而此转叶式舵机与往复式舵机相比，有油管少短的特点，且油压较低，因此振

动和噪音也相应较小。