舵机液压伺服系统

摘要

舵机是舰船最重要的辅机之一，是操纵舰船航向、保障舰船安全和航行性能的关键设备。其中转叶舵机由于具有结构紧凑、安装简便、机械效率高、噪音小等优点，在舰船上得到日益广泛的应用。现有转叶舵机需要泵站系统为其提供动力，因而管路多，体积大，且控制系统复杂，容易发生故障，难以满足现代舰船对舵机越来越高的要求。本文设计的新型转叶舵机原理样机——直驱式电液伺服转叶舵机是融合交流伺服技术控制灵活与液压系统大出力的特点，并结合转叶舵机的技术优势，摒弃了容易发生故障的电液伺服阀和变量泵，通过直接控制定量泵的转动方向、转速和运转时间来调整舵机的运转方向、速度和舵位。直驱式电液伺服转叶舵机具有集成度高、结构紧凑、占地面积小、控制简单灵活等特点，有效地提高了舰船的操纵性。直驱式电液伺服转叶舵机无节流损失和溢流损失，节能高效，是一种极具发展前景的舵机型式。在查阅大量国内外有关文献的基础上，概述了舵机的发展历程，重点介绍了转叶舵机的特点和国内外研究概况；对泵控和阀控两种传统舵机驱动形式的特点

和弊端进行了阐述，进而提出直驱式电液伺服转叶舵机的技术方案；综述了国内外对直驱式电液伺服技术的研究现状，指出了直驱式电液伺服转叶舵机的特点和关键技术。

关键词：直驱式、转叶舵机、舰船工程、直驱式容积控制、电液伺服系统、船舶舵机、动力机构

Abstract

Steering gear is one of the most important marine auxiliary machineries and it is the key equipment for controlling ship course,ensuring navigation security and maneuverability.The prototype of new highly reliable steering gear is designed by HIT to improve steering gear’s reliability,reduce its moss and occupied and enhance maneuverability of ships.In direct drive volume control(DDVC)electro-hydraulic servo rotary vane steering gear,variable displacement pump and proportional are replaced by converter motor and fixed pump.Changing the rotating direction,rotating speed and runtime of the converter motor can control the moving direction,velocity and position of the rudderpost.The DDVC electro-hydraulic servo steering gear is discarded pumping station and pipelines,it has fewer control components,energy saving,more compact structure,higher reliability and controllability than traditional rotary vane steering gear.It is capable both advantages of AC servo system’s flexibility and of hydraulic great force.so the DDVC electro-hydraulic servo steering gear has a great prospect in steering gear field.

After synthesizing numerously relevant literatures and reference material at home and abroad,the steering gear development at home and abroad is summarized and rotary vane steering gear characteristics and research surveys are especially https://www.360docs.net/doc/7513712886.html,pared the advantage and disadvantage of the traditional bump control system and valve control system for steering gear,structure composition of direct drive electro-hydraulic serve rotary vane steering gear is put forward to solve the flaws of traditional steering gear. Current trend of research on direct drive volume control electro-hydraulic servo technology is reviewed and characteristics and key techniques of direct drive volume control electro-hydraulic servo rotary vane steering gear are point out.

Key words：Brush seal；Ship engineering;Direct drive volume control;Electro hydraulic servo system;Marine steering gear;Actuating unit.

目录

第一章绪论 (1)

1.1研究的目的及意义 (1)

1.2国内外研究现状和发展 (1)

1.2.1国内研究现状和发展 (1)

1.2.2国外研究现状和发展 (2)

1.3舵机的负载分析 (3)

1.4舵机的主要技术要求 (5)

本章小结 (5)

第二章舵机的总体设计方案 (6)

2.1舵机的机械传动方案 (6)

2.1.1联轴器的设计 (6)

2.1.2机械传动结构 (7)

2.2舵机的液压传动总体设计方案 (10)

2.2.1系统控制方案 (10)

2.2.2系统的工作原理 (12)

2.3舵机的电气控制系统 (12)

2.3.1舵机电气控制系统技术要求 (12)

2.3.2特殊继电器在舵机电气控制中的应用 (13)

本章小结 (15)

第三章舵机液压伺服系统的主要技术指标计算 (16)

3.1舵机液压伺服系统的静态设计 (16)

3.1.1液压缸的选择 (16)

3.1.2传感器的选择 (16)

3.1.3伺服电机的选择 (17)

3.1.4伺服阀的选择 (17)

3.2舵机液压伺服系统的动态设计 (17)

3.2.1控制回路的传递函数 (17)

3.2.2绘制波特图并分析 (19)

3.3检验技术指标 (20)

3.3.1静态品质检验 (20)

3.3.2动态品质检验 (21)

3.3.3系统的校正 (21)

本章小结 (21)

第四章材料试验机其他元件计算选择 (22)

4.1液压泵的选择 (22)

4.2油管的选择 (22)

4.3油箱的选择 (24)

本章小结 (24)

第五章材料试验机泵站校核计算 (25)

5.1液压系统压力损失计算 (25)

5.2液压系统系统效率计算 (26)

5.3液压系统的冲击压力计算 (26)

5.4液压系统的发热与散热计算 (27)

5.4.1液压系统的发热计算 (27)

5.4.2液压系统的散热计算 (28)

本章小结 (29)

第六章结论 (30)

致谢语 (31)

参考文献： (31)

第一章绪论

1.1研究的目的及意义

据了解，目前我国船舶自主配套率平均只有40%左右，与日本的98%、韩国的90%相比，差距相当大。LPG船、化学品船、大型集装箱船等高端市场的自主配套率平均不足20%。国内船舶主机目前缺口达50%～70%。近年来虽然突破了一些重点船用配套设备关键制造技术，但是大型船用配套设备和关键零部件生产能力不足，无自主知识产权的船用设备、品牌产品都需要进口，这都较大地削弱我国船舶行业的发展速度。舵机关系到船舶的安全、稳定，是船舶的核心设备之一。我国的船舶行业正处在快速发展阶段，已连续十余年保持世界第三大造船国的地位，世界造船中心向中国转移的趋势日益加快。尤其是2006年以来，我国承接船舶订单占世界市场份额大幅攀升，全年利润增速在50％以上，有关专家预计：到2010年，我国造船能力将达到2100万载重吨，造船产量占世界市场份额的25%以上，本土生产的船用设备平均装船率达到40%以上，实现船用设备年销售收500亿元。但我国造船业在保持高速增长的同时，弊端也逐渐暴露出来，特别是船舶配套设备制造能力不足，加上船舶配套业竞争形势日益激烈，国外配套企业发展步伐加快，严重制约和压缩了我国船用配套业发展空间。

虽然现阶段国内研究机构已经对船舶舵机系统已经进行了较多的研究，但大多集中于对自动舵、航迹舵等舵机控制方法上的研究。对于开发设计体积小，重量轻，效率高，反应迅速快，控制精度高的船舶舵机做的工作却相对较少。而生产企业正在批量生产的却还是国外70～80年代的低端产品，产品附加值低，市场竞争力很弱，科研与生产实际已严重脱节。因此，在重庆市科委的领导下，重庆大学与重庆液压件厂合作，对舵机运动转换机构、液压及控制系统进行深入研究，开发高性能船舶液压舵机，这对中高档船舶配套设备的国产化具有重要意义。

1.2国内外研究现状和发展

1.2.1国内研究现状和发展

中国是古代造船和航海的先驱。春秋战国时期就有了造船工场，能够制造战船；汉代已能制造带舵的楼船；唐、宋时期，河船和海船都有突出的发展，发明了水密隔壁；明朝的郑和七次下西洋的宝船，在尺度、性能和远航范围方面，都居世界领先地位。到近代，中国造船业发展迟缓，鸦片战争爆发后，国人才逐渐意识到船舶工业的落后，1865～1866年，清政府相继创办江南制造总局和福州船政局，建造了“保民”“建威”“平海”等军舰和“江新”“江华”等长江客货船。尽管中国早就有建造万吨级机动船舶的记录，能自制船用蒸汽往复机以及由其驱动的机舱辅机，甲板机械等。但由于旧中国工业基础薄弱，船舶配套设备的生产基本依靠国外，从基础的螺钉、垫圈等小五金到高级的雷达、导航仪等都依赖进口，船舶行业基本停留在组装及维修的阶段。至新中国成立前夕，全国钢质船舶的平均年造船量仅1万吨左右。

全国解放后，我国成立重工业部船舶工业局，集中力量建造苏联转让的舰艇。63

年成立六机部，组建国产化协作机制，造船从仿制改进到自行研制（研制出核潜艇、远洋探测船、万吨轮等），但该机构在文革时期遭到了重创。改革开放后，尤其是近十年来我国船舶行业进入了快速发展阶段。然而科研及生产单位更多的集中于船舶主体的设计制造，对船舶主要辅件舵机尤其是高性能的自适应舵的研究还在起步阶段。虽然近几年来，有关单位开展了对自适应舵的研究工作，发表了一些设计方案，仿真研究结果和产品，其中具有代表性的是上海欣业船舶电器厂科技人员和上海交通大学船电专业教授们共同开发的HD—8A数控自动操舵仪，但一直未出现有影响力的品牌或产品。

1.2.2国外研究现状和发展

船舶在应用液压传动之前，采用的是蒸汽传动和电气传动。1916年美国在“新墨西哥”号战舰上首次使用了液压舵机。在第二次世界大战期间，液压传动因具有响应速度快、刚度大、抗干扰能力强、执行机构的功率—重量比和扭矩—惯量比大等优点而受到重视，使得其在军舰舵机、潜艇控制系统及航母的控制系统中占有重要地位。二战后随着军用技术转为民用，一般的客轮、货轮也开始广泛使用液压舵机，五十年代后期，进一步发展了电液传动系统，这对减轻操舵人员的劳动强度改善操舵条件，简化舵机结构具有重要意义。八十年代是舵机更新换代的十年，引起这种更新的原因主要有两方面。最直接的原因是：1978年装有22万吨轻原油的美国油轮“阿莫戈·卡迪兹”号在途经法国西北海面时因舵机失灵而触礁，造成严重污染和重大经济损失。为此，舵机在紧急情况下的可靠性引起了国际上的普遍关注。经过一段时间酝酿，l981年国际海事会议正式通过了对l974年SOLAS公约的修正案，其中对舵机的要求提出了重要的新条款。舵机更新的另一原因，是液压传动技术从七十年代以来一直在迅速发展，产品的高压化和集成化不断取得进展，逻辑阀等新型液压元件开始应用于舵机和其它船用液压装置中，另外，舵机电气遥控系统的技术也更趋成熟，不仅淘汰了液压遥控系统，而且使传统的浮动杆机械追随机构也显得陈旧。进入八十年代以来，世界舵机主要制造厂家都开始认真检查其产品，并按1981年修正案的要求重新设计各自的舵机，力争在市场上保持较大的竞争优势。新一代的舵机的性能和可靠性更趋完善。

1920年和1923年德国的Aushutz和美国的Sperry分别率先推出了独立研制成的机械式自动操舵仪，该产品所采用的是经典控制理论中最简单最原始的比例放大控制规律。这种自动舵被称为第一代自动舵。

20世纪50年代，经典理论达到了旺盛时期，经典控制理论有着各种控制方法，其中最重要最典型而且在工业生产中最常用的一种是比例—微分—积分(PID)控制。伴随着经典控制理论的发展，PID舵在50年代开始发展起来。1950年日本研制出“北辰”自动舵，1952年美国研制出新型的Sperry自动舵，采用的都是PID控制规律。由于P调节器不需要详细的有关受控过程的知识，且具有结构简单、参数易于调整和具有固有的鲁棒性等特点，PID舵得到了广泛的认可，几乎所有的船舶都装有这种操舵仪。这种自动舵被称为第二代自动舵。

到了70年代，由于自适应理论和计算机技术得到了发展，人们注意到将自适应理论引入船舶操纵成为可能，纷纷将自适应舵从实验室装到实验船上，正式形成了第三代自动舵。自适应舵在提高控制精度、减少能源消耗方面取得了一定的成绩，但自适应控制系统比常规的控制系统要复杂得多，其鲁棒性、收敛性等尚未得到证明。对有限维、线性和时不变的控制过程，传统的控制方法是非常有效的。由于实际船舶

系统常具有不确定性、非线性、非稳定性和复杂性，很难建立精确的模型方程，甚至不能直接进行分析和表示。自适应控制的稳定性和鲁棒性在实际应用中还无法完全达到要求，但熟练的舵手运用他们的操舵经验和智慧，能有效地控制船舶。为此，从80年代开始，人们就开始寻找类似于人工操舵的方法，这种自动舵就是第四代的智能舵。

1.3舵机的负载分析

舵机是船舶上的一种大甲板机械，是船舶最重要的辅机之一，用于控制船

舶航向。其对船舶的作用原理如图 1.1所示。

图 1.1舵作用原理图

舵叶在水中的受力如图 1.1所示。图中N F —舵叶两侧水压力（舵压力）；r F —摩擦力；L F —升力；D F —阻力。在正舵位置，即舵转角α=0时。舵叶两侧所受的水作用力相等，对船的运动方向不产生影响。当舵叶偏转任一角度α，两侧水流

如图 1.1（a ）所示。水流绕流舵叶时的流程在背水面就要比迎水面长，背水面的流速也就较迎水面大，而其上的静压力也就较迎水面要小。舵叶两侧所受水压力的合力称为舵压力，N F 将垂直于舵叶，作用于舵叶的压力中心o ，并指向舵叶的背水面。除N F 外，水流对舵叶还会产生与舵叶中线方向一致的摩擦力r F 。

当舵叶偏转舵角α后，在舵叶的压力中心o 上，就会产生一个大小等于N F 与r F 合力的水作用力F 。F 可分解为与水流方向垂直的升力L F 和与水流方向平行的阻力D F ：

2

21Av C F L L ρ=式（1.1）

2

21Av C F D D ρ=式（1.2）

b

C x x =式（1.3）式中：L C ，

D C ，x C 分别为升力、阻力、压力中心系数，其大小随舵角而变，与舵叶几何形状有关，由模型试验测定；ρ—水的密度；A —舵叶的单侧浸水面积；v —舵叶处的水流速度；b —舵叶平均宽度。

在图 1.1（b ）中，我们假设在船舶重心G 处加上一对方向相反而数值均等于F 的力1F 、2F 。那么水作用力F 对船体的作用，可用水作用力对船舶重心所产生的力矩s M 和2F 的作用来代替。

由F 和1F 形成的力矩s M 迫使船舶绕其重心向偏舵方向回转，称为转船力矩(s M )。

l Av C l F X F X l F M L L C D C L s 221sin )cos (ραα=≈++=式（1.4）

式中：l —舵杆轴线至船舶重心的距离；C X —舵压力中心至舵杆轴线的距离。由式（1.4）可知：转船力矩s M 随舵角α的增大而增大，并在达到某一舵角时出现极大值max M ；s M 出现极大值时的舵角数值与舵叶的几何形状有关，并主要取决于舵叶的展弦比λ(λ=舵叶高度A /舵叶平均宽度b )。λ越小，绕流的影响就越大，即在同样舵角上所产生的舵压力越小，而达到最大转船力矩时的舵角就越大。舵叶的展弦比值受到船舶吃水及船尾形状等条件限制。海船(λ=2～2.5)，max M 的舵角多介于30°~35°之间，规定35°；河船(λ=1.0～2.0)，max M 出现在35°~45°舵角之间。

2F 则可分解为R 和T 两个分力，纵向分力R =2F sinα，增加了船舶前进的阻力；横向分力T =2F cosα，使船向偏舵的相反方向漂移。由于水作用力F 一般与船舶的重心G 并不在同一水平面上，所以船在转向的同时，还存在着横倾与纵倾力矩。在舵匀速转动时，需要的转舵扭矩M （操舵装置对舵杆施加的力矩）即应等于舵的水动力矩a M 和舵各支承处的总摩擦扭矩f M 的代数和，即：

f a M M M +=式（1.5）

a M 表示舵压力N F 对舵杆轴线所产生的力矩（称为舵的水动力矩），对于普通平衡舵

f M =（0.15～0.2）a M 。

在舵机设计时，确定舵机结构尺寸和工作参数的基本依据是公称转舵扭矩。公称转舵扭矩指在规定的最大舵角时所能输出的最大扭矩，是根据船舶在最深航海吃水和以最大营运航速前进时，将舵转到最大舵角所需要的扭矩来确定的。

1.4舵机的主要技术要求

舵机是保持或改变船舶航向，保证安全航行的重要设备，一旦失灵，船即会失去控制，甚至事故。因此，我国《钢质海船入级与建造规范》(1996)根据（国际海上人命安全公约）（SOLAS 公约）的规定，对舵机的主要技术要求是：

①必须具有一套主操舵装置和一套辅操舵装置；或主操舵装置有两套以上的动力设备，当其中之一失效时，另一套应能迅速投入工作。主操舵装置应具有足够的强度并能在船舶处于最深航海吃水并以最大营运航速前进时将舵自任何一舷35°转至另一舷的35°，并且于相同的条件下，自一舷的35°转至另一舷的30°所需的时间不超过

28s 。此外，在船以最大速度后退时应不致损坏。辅助操舵装置应具有足够的强度，且能在船舶处于最深航海吃水，并以最大营运航速的一半且不小于7kn 前进时，能在不超过60s 内将舵自任一舷的15°转至另一舷的15°。

②主操舵装置应在驾驶台和舵机室都设有控制器；当主操舵装置设置两台动力设备时，应设有两套相对独立的控制系统。但如果采用液压遥控系统，除1万Gt 以上的油轮(包括化学品船、液化气船，下同)外，不必设置第二套独立的控制系统。

③操舵装置应设有有效的舵角限位器。以动力转舵的操舵装置，应装设限位开关或类似设备，使舵在到达舵角限位器前停住。

④能被隔断的、由于动力源或外力作用能产生压力的液压系统任何部分均应设置安全阀。安全阀开启压力应不小于1.25倍最大工作压力；安全阀能够排出的量应不小于液压泵总流量的110％，在此情况下，压力的升高不应超过开启压力的10％，且不应超过设计压力值。

本章小结

本章主要介绍了项目的研究目的及意义、舵机在国内外研究现状和发展和舵机的负载分析，最后介绍了舵机的几个技术要求。通过这些让我们对舵机有了初步的了解。

第二章舵机的总体设计方案

船舶舵机主要有有运动转换机构、液压驱动系统及控制系统三大部分组成。如图 2.1所示。

图 2.1船舶舵机系统组成

2.1舵机的机械传动方案

2.1.1联轴器的设计

一、选择联轴器类型考虑以下几点：

1.所需传动的转矩大小和性质以及对缓冲减振功能的要求。例如：大功率重载传动，可选用齿式联轴器；

2.联轴器的工作转速高低和引起的离心力大小；

3.两轴相对位移的大小和方向；

4.联轴器的可靠性和工作环境；

5.联轴器的制造、安装、成本。

二、计算联轴器的计算转矩由于机器启动时的运动载荷和运转中可能出现的过载现象，应该按轴上的最大转矩作为计算转矩ca T 。计算转矩按下式公式计算

T

K a =ca T 式中，T 为公称转矩，N·M ；A K 为工作情况系数，其中根据工作系数表中查的A K 取

1.7，而要求T=2500N·M 。

m

KN T K a ?=×==25.47.12500T ca 三、确定联轴器型号

根据计算转矩ca T 及所选的联轴器类型，按照ca T ≤【T 】的条件由联轴器标准中选定型号。

m KN r KW T ?=×

×=52.4min

/04.5068.231055.96满足条件，从GB 4324-84中查得选用2NL 联轴器

2.1.2机械传动结构

转舵机构是将油泵供给的液压能变为转动舵杆机械能的一种机构，目前常用的机构，按推动舵叶偏转时动作方式不同，可分为两大类：往复式和回转式。

①往复式转舵机构。其结构形式主要有滑式、滚轮式及摆缸式。

1）滑式转舵机构

它是应用最广的一种传统转舵型式，它又有十字头式和拨叉式之分。十字头式转舵机构由转舵油缸、插入油缸中的撞杆以及与舵柄相连接的十字形滑动接头等组成，当转舵扭矩较小时常用双向双缸单撞杆的型式，而当转舵扭矩较大时，多采用四缸、双撞杆的结构。其单边结构图如图 2.2所示。

图 2.2十字头式转舵机构

当舵转至任意舵角α时，为克服水动力矩所造成的力Q'，(与舵柄方向垂直)。在十字头上将受到撞杆两端油压差的作用力P ，力P 与Q'作用方向不在同一直线上，导板必将产生反作用力N ，以使P 和N 的合力Q 恰与力Q'方向相反，从而产生转舵扭矩以克服水动力矩和摩擦扭矩。其转舵力矩：

αηπααη2020cos 4cos cos m m m zpR D R P z zQR M ===式（2.1）

上式表明：在撞杆直径D ，舵柄最小工作长度0R 和撞杆两侧油压差P 既定的情况下，转舵扭矩M 随舵角α的增大而增大。这种扭矩特性与舵的水动力矩的变化趋势相适应，当公称转舵扭矩既定时，滑式转舵机构最大工作油压较其它转舵机构要小。拨叉式与十字头式原理类似。

2）滚轮式转舵机构

图 2.3滚轮式转舵机构

滚轮式转舵机构的结构特点：在舵柄端部以滚轮代替滑式机构中的十字头或拨叉。受油压推动的撞杆，以顶部顶动滚轮，使舵柄转动。这种机构不论舵角α如何变化，通过撞杆端面与滚轮表面的接触线作用到舵柄上的推力P 始终垂直于撞杆端面，而不会产生侧推力。其转舵力矩可写为：

αηπηcos 4

020m m zpR D zQR M ==式（2.2）上式表明：当D 、0R 和P 既定时，滚轮式转舵机构所能产生的转舵扭矩将随α的增大而减小。扭矩特性在坐标图上是一条向下弯的曲线。在最大舵角时，水动力矩较大，而滚轮式这时所产生的扭矩反而最小，只达到滑式机构的55%左右。但滚轮式与滑式相比，撞杆与舵柄之间没有约束，无侧推力，且结构简单，加工容易，安装、拆修都较滑式方便。

3）摆缸式转舵机构

图 2.4摆缸式转舵机构

摆缸式转舵机构结构特点：采用两个摆动式油缸和双作用的活塞(也可单作用)。转舵时，活塞在油压下往复运动，两油缸相应摆动，通过与活塞杆铰接的舵柄推动舵叶偏转。由于转舵时缸体必须作相应摆动，必须采用有挠性的高压软管。摆缸式机构

转舵时，油缸摆角β将随油缸的安装角(中舵时油缸摆角)和舵转角α而变。一般使中舵时β最大，最大舵角时β为零或接近于零。但不论舵角α如何，β角总是很小。如果忽略β，摆缸式与滚轮式扭矩特性相同，所以一般应用于功率不大的舵机中。

②回转式转舵机构。目前回转式主要以转叶式机构为主。

图 2.5转叶式转舵机构

图 2.5所示为三转叶式转舵机构，油缸内部装有三个定叶，通过橡皮缓冲器安装在船体上三个转叶与舵杆相固接，由于转叶与缸体内壁和上、下端盖之间，及定叶与转毂外缘和上、下端盖之间，均设法保持密封，故借转叶和定叶将油缸内部分隔成为六个小室。当经油管6从三个小室吸油，并排油入另外三个小室，转叶就会在液压作用下通过轮毂带动舵杆和舵叶偏转。其转舵力矩：

m zPAR M η0=式（2.3）

上式表明：转叶式机构所能产生的转舵扭矩与舵角无关，扭矩特性在坐标图上是一条与横坐标平行的直线。其优点是：(1)占地面积小（约为往复式的1/4），重量轻（约为往复式1/5），安装方便。(2)无须外部润滑，管理简便，舵杆不受侧推力，可减轻舵承磨损。(3)扭矩特性不如滑式，比滚轮式和摆缸式好。但其内泄漏部位较多。密封不如往复式容易解决，造成容积效率低，油压较高时更为突出。往复式与回转式转舵机构，转舵力矩与转角关系如图 2.6所示。

图 2.6转舵力矩与转角关系

2.2舵机的液压传动总体设计方案

2.2.1系统控制方案

由于作动器需要液压缸驱动其动作，所以需要设计一个合适的液压系统，使舵机达到更好的性能。现有液压舵机的种类很多，按控制方式分可分为：泵控和阀控。泵控系统又称容积控制系统，其实质是用控制阀去控制变量液压泵的变量机构，由于无节流和溢流损失，故效率较高，且刚性大，但其响应速度较慢、结构复杂，适用于功率大而响应速度要求不高的控制场合。一般转舵力矩大于400KN.m的船舶采用这种控制方式。阀控系统又称节流控制系统，其主要控制元件是液压控制阀，具有响应快、控制精度高的优点，缺点是效率低，特别适合中小功率快速、高精度控制系统使用。由于此舵机是针对中小型，转舵力矩在400KN.m以下的船舶，所以适合采用阀控系统。

液压阀，按大类可分为电液控制阀和普通电磁阀。电液控制阀是液压技术与电子技术相结合的产物。由其代替普通电磁阀，可简化液压系统结构，增强液压与电气控制系统的集合能力，提高可控性。按照使用的阀不同，可分为伺服控制系统（控制元件为伺服阀）、比例控制系统（控制元件为比例阀）和数字控制系统（控制元件为数字阀）。电液控制阀是电液控制系统的心脏，其既是系统中电气控制部分与液压执行部分间的接口，又是实现用小功率信号控制大功率的放大元件，其性能直接影响甚至决定着整个系统的特性。

上述三种不同的电液控制阀的性能比较如表 2.1所列。

表2.1电液控制阀的性能比较

项目电液伺服阀电液比例阀电液数字阀

功能压力、流量、方向及其

混合控制压力、流量、方向及其混

合控制

压力、流量、方向及其混

合控制

电气-机械转力或力矩马达，功耗小比例电磁铁，功耗中步进电机、高速开关

换

过滤精度1～5μm约25μm无特殊要求滞环/%约13<0.1

动态响应高（100～500HZ）中（10～150HZ）较低

中位死因无不大于20%有

控制放大器及计算机接口伺服放大器需专门设

计，需要数模转换

比例放大器一般与阀配

套供应，需要数模转换

可直接与计算机接口连

接，无需数模转换

价格因子311

应用领域多应用于闭环控制多用于开环控制，也用于

闭环控制既可开环控制，也可闭环控制

由表 2.1可看出伺服阀具有死区小，灵敏度高，动态响应速度快，控制精度高等优点；但由于其结构特点导致中位泄漏量大，阀的负载刚性差，抗污染能力差，且其价格相对较高。电液比例控制阀是介于普通液压阀和电液伺服阀之间的一种液压控制阀，与手动调节和通断控制的普通电磁阀相比，它能显著的简化液压系统，实现复杂程序和运动的控制，通过电信号实现远距离控制，大大提高液压系统的控制水平；与伺服阀及电液数字阀相比尽管其动态、静态性能有些逊色，但在结构与成本上具有明显优势，且目前在市场上数字阀产品较少见。

比例阀相对于现在船舶上用的较多的普通电磁换向阀的优势主要有：

1.定位精度高，可以以较小的舵角保持航向。这意味着速度损失小，相应地节省了能源。

2.换向平稳，舵机避免了压力冲击。这意味着装置磨损小，减小了维修保养费用。

3.快速地换装专用阀块，使舵机装置现代化。提高了旧船的经济性能。综合上述对比分析，结合本课题的研究特点选用比例换向阀作为本系统的主控阀。

比例方向控制阀一般要求进油与回油压降相等，如果压降不等，则液压缸进退过程的速度刚性不同，而且在阀换向瞬间会产生较大的换向冲击；如果采用非对称缸和阀开口非对称的比例阀，由于舵工作的不同阶段所需流量差别较大，所需最大驱动功率就较大，电机及泵的体积、重量都大增，功率损耗也随之增大；为使舵机的体积质量更小，功率损失更低，建议首先考虑双活塞杆液压缸。

根据船舶对舵机的要求及系统实际需要，设计了作动器驱动液压回路如图 2.7所示。此液压回路中，泵2供油，单向阀7防止油液倒灌，电磁溢流阀4调定油液工作压力并在系统无控制信号输出时使泵卸载，压力表开关5保护压力表，压力表6显示液压系统压力，精过滤器8保护比例方向阀，比例方向阀9控制液压缸运动方向及运动速度，液压锁10防止舵在受到意外冲击时损坏比例阀，并可短暂隔离左侧回路与右侧回路油路，在油路发生故障时截止阀11屏蔽损坏回路，液压缸12用于驱动螺旋作动器轴上下移动，双向溢流阀13防止作动器受意外负载时损坏，减压阀15使油压符合比例先导阀的供油要求。左侧备用回路与右侧回路功能与结构都相同。

图 2.7液压系统原理图

2.2.2系统的工作原理

回路工作原理为（图 2.7右侧回路为例）：操舵员启动舵机，液压泵2开始供油（油液经电磁溢流阀4流回油箱），当操舵员向左转动操舵轮，电磁溢流阀4的电磁铁得电，比例换向阀9输入电流使阀切换至左位，先导阀控制控制主阀芯打开，压力油分成两路，一路经减压阀用于比例阀的先导控制，另一路经比例方向阀9、液压锁10、截止阀11、进入液压缸12上腔，活塞杆驱动螺旋作动器运动，舵运动到预定位置时比例阀控制信号为零，阀芯回到中位，舵被锁住，电磁溢流阀4的电磁铁失电，泵2的压力油经溢流阀流回油箱卸荷；当要回舵或向相反方向操舵时，比例方向阀9根据输入的信号换至右位，液压泵2的压力油经比例方向阀9、液压锁10、截止阀11、进入液压缸12的下腔，使舵叶向相反方向转动。在回舵时如果水动力及节流阀开口较大，回舵速度所需流量超过泵的排量时，则液压锁10右侧的压力降低，液压锁关闭锁舵，直到油压升高到开启压力，这样会造成比较大的冲击，所以回舵时操舵速度不宜太快。

2.3舵机的电气控制系统

2.3.1舵机电气控制系统技术要求

为保证舵机中电动液压操舵装置可靠工作，对液压泵电动机控制系统控制要求主要有下述几个方面：

保证供电电源可靠。采用主电源和应急电源双路供电，且设置电机过载保护、电源缺相保护、电源反相保护与报警。

设置2套可以单独作用也可以共同作用的油泵电动机组，各机组单独运行时一为主机另一为备用，当主泵机组故障时，能自动切换为备用泵机组工作。

当主泵或备用泵机组工作时，控制线路要具有掉电保持功能，即恢复供电后，自动保持掉电前的工作状态。电动机过载时，声光报警，但不切断电源，也不停机。至少可以在驾驶室的操舵台和舵机舱两地控制舵机电动机工作，并有转换装置，以防同时操纵。操舵装置一般应有自动、随动、手动三种操舵方式。

2.3.2特殊继电器在舵机电气控制中的应用

为达到舵机电气系统掉电记忆、电机保护等特殊控制要求，在舵机电动机起动控制器中，常会应用马达继电器、磁保持继电器、带门控积算型时间继电器等几种特殊继电器，本文以日本TAIYO为某大型油轮制造的舵机起动器为例，分析上述几种特殊继电器工作原理及其在舵机电气控制系统中的控制功能。

①SH-4/V型磁保持继电器及其应用

SH-4/V是富士公司生产的微型磁保持继电器，和普通继电器的不同点在于：第一，它有两个工作线圈：一个是置位线圈，当它得电时，继电器的触点动作且保持，即使掉电；另一个是复位线圈，当它得电时，继电器触点脱扣，即恢复原状态；第二，置位端和复位端采用脉冲触发方式，而不需普通继电器的连续通电方式；第三，具有保持功能，一旦置位或复位，即使线圈断电，继电器仍保持原状态。SH-4/V磁保持继电器结构如图1(a)所示，图中CC为保持线圈，TC为复位线圈。

图1(a)SH-4/V磁保持继电器结构图图1(b)磁保持继电器在舵机起动器中的应用

磁保持继电器在舵机起动器中应用电路如图1(b)所示，它能实现运行机组的“掉电记忆”功能，分析如下：

（1）图中，保持线圈CC由驾驶室启动按钮（START）、舵机舱启动按钮（3C）、应急操舵启动按钮（EG）三者并联驱动，并且用它自己的保持触点（CC）实现自锁，这样即使断电后，保持继电器的触点仍为原状态，等恢复供电时自动延

时（10T为时间继电器的触点）启动电动机，实现掉电保持功能。

（2）复位线圈TC由电动机的停止信号和备用机组的独立工作信号并联驱动，STOP和3－0两个手动停止按钮分别安装在驾驶室和舵机舱。一旦按下停止按钮或备用机组独立投入运行，本机组的保持继电器触点复位，同时保持线圈CC断电，为重新启动做好准备。

②SE-KP2N型马达继电器及其应用

马达继电器是一种能实现电机保护作用的低压电器。它具备三种功能：第一，电机过载保护。如果过电流的时间超过启动时间，则马达继电器触点动作；第二，电源缺相保护，缺相状态下继电器触点动作；第三，电源反相保护，检测到电

源的相序为逆时继电器触点动作。对一般电动机控制系统而言，发生上述三种情况要利用马达继电器触点动作切断电机电源，但对舵机电动机控制，只发出声光报警，不停车。

SE-KP2N是欧姆龙公司生产的一种低压马达继电器，它在TAIYO舵机起动器中的应用电路，如图3所示。SE-KP2N能实现控制系统的舵机电动机保护与电源保护功能，分析如下：

SE-KP2N的控制电源电压为220V/240V，内部过载保护用触点延时动作，动作时间可预先设定；缺相和反相保护用触点瞬时动作，一旦动作后，需手动复位，属于电流控制型。它的配套器件采用SE-3B型电流变送器，适用电流范围为64～160A[4]。当舵机发生过载、电源缺相或反相时，SE-KP2N常开触点（在端子⑤⑥之间）闭合，报警继电器得电动作，分布在驾驶室和舵机舱的操舵仪面板发出声光报警。

③带门控积算型时间继电器及其应用

普通的时间继电器不能实现门控阻断和延时时间的累计，也不能实现定时复位，而一种带门控积算型的固态时间继电器却可以实现这些功能。

图3电机继电器在舵机起动器中的应用

H3CR-A是欧姆龙公司生产的一种带门控积算型时间继电器，它的特点是满足AC100～240V/DC100~125V两种电源，最多有6种工作模式，具有延时和瞬动触点，

可以实现门控积算、定时复位、通电延时动作或断电延时动作功能。继电器端子结构如图4（a）所示，在TAIYO舵机起动器中的部分应用电路如图4（b）所示，主要实现舵机电动机自耦变压器降压启动延时、他机故障时自动切换、定时复位控制功能，具体分析如下：

1)START端：启动信号输入端，接收到正脉冲后，开始延时，延时时间到触点动作。

2)GATE端：门控信号输入端，接收到高电平，若此时延时时间还没到，则阻断延时，直到门控端变为低电平后，才继续延时，实现延时积算与阻断。

3)RESET端：复位信号输入端，接收到正脉冲后，所有触点复位。

4)在舵机起动器中使用H3CR-A，有机组起动或他机故障信号时，H3CR-A的START端接收到正脉冲，开始自耦变压器降压启动延时，延时6s时间到，继电器延时断开常闭点切断低压侧接触器电源，延时闭合常开点接通全压接触器电源，实现舵机电动机自耦变压器降压启动和他机故障时自动切换控制功能。

5)机组已经开始正常运行时，继电器3-0X常开触点闭合，H3CR-A的复位端接收到正脉冲，定时器全部触点复位，处于备机状态，实现普通时间继电器所不具备的定时复位功能。

图4(a)H3CR-A端子结构图图4(b)H3CR-A时间继电器应用

本章小结

本章主要对舵机的设计方案进行了详细的计算和选定结构，在机械、电气、液压系统方面进行了详细的分析计算。

第三章舵机液压伺服系统的主要技术指标计算

3.1舵机液压伺服系统的静态设计

3.1.1液压缸的选择

在条件允许的情况下，总是希望选用较低的工作压力，因为这有利于延长元件和系统的使用寿命，有利于减少泄露，是功率损失小、温度低；另外低压系统容易维护，对油液的污染也不十分敏感。

在一般工业控制系统中，通常选取供油压力为25～140bar ，在军用中则选用210～320bar ，本控制系统中选用供油压力为s p =210bar=21MPa 。

由课本155页图7-13得m s p F p A 36.1=，则得

256

3105.19102110336.136.1m p F A s m p ?×=×××==选取标准液压缸2

51020m A p ?×=取负载压力s L p p 3

2=,则液压马达排量为：rad m rad m p T p T D s L L L m /1079.1/10

212105.232334363max max ?×=××××===选取液压马达排量为：rad

m D m /1079.134?×=3.1.2传感器的选择

系统频宽7.0f =3Hz,选择位移传感器增益m V K f /100=，放大器增益a K 待定

根据所测得物理量，传感器可分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器和力（或压力）传感器。它们分别用于不同类型的液压伺服系统，作为系统的反馈元件。闭环控制系统的控制精度主要取决于系统的给定元件和反馈元件精度，因此合理选择反馈传感器十分重要。

传感器的频宽一般应选择为控制系统频宽的5～10倍，这是为了给系统提供被测量的瞬时真值，减少相位滞后。传感器的频宽对一般系统都能满足要求，在选择传感器时，首先根据测量对象与测量环境确定传感器的类型：根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式未接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量。

一、位移传感器