淺析漁船舵機系統(tǒng)設(shè)計

何周進

摘 要 漁船上操作控制舵的重要裝置就是舵機，其主要功能是保證船舶在給定的航線上按照人的意圖航行，確保安全航行。現(xiàn)代船舶大多采用電氣式系統(tǒng)和機械式舵機。但在現(xiàn)實 應(yīng)用中液壓系統(tǒng)舵機具有體積小、占用空間小、重量輕，速度調(diào)節(jié)方便，易于實現(xiàn)自動過載保護和自動化，使用壽命長，零件潤滑性好等優(yōu)勢。由于傳統(tǒng)船舶舵機系統(tǒng)普遍存在的局限性，我們構(gòu)造的新型舵機系統(tǒng)利用了數(shù)字液壓技術(shù)，既具有功能強大、知識簡單的優(yōu)點，又保留了傳統(tǒng)液壓舵機原來的優(yōu)點。而且容易與衛(wèi)星定位系統(tǒng)、上位機算機結(jié)合，組成自動駕駛系統(tǒng)，在長距離航行中實現(xiàn)自動導(dǎo)航控制。

關(guān)鍵詞 漁船 舵機系統(tǒng) 安全航行

中圖分類號：U662 文獻標(biāo)識碼：A

0引言

舵機液壓控制系統(tǒng)有兩種基本控制方式，即閥控型和泵控型，而液壓復(fù)合控制則是兩種控制的衍生物，即閥泵串聯(lián)控制、電液復(fù)合控制、閥泵并聯(lián)控制等。這幾種系統(tǒng)固有的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，在系統(tǒng)精度、動態(tài)指標(biāo)系統(tǒng)響應(yīng)速度、系統(tǒng)復(fù)雜程度、總體布置等方面，有著較大的差異性和局限性。本文從分析閥控型舵機和泵控型出發(fā)，采用數(shù)字液壓技術(shù)解決傳統(tǒng)舵機所存在的弊端。用新型轉(zhuǎn)舵機構(gòu)，不但減小了舵機重量及體積；還能使船舶舵角的定位精度在航行時得到有效提高，減小換向沖擊及噪聲，降低航行能耗；增強舵機自適應(yīng)能力，提高了舵機的動態(tài)性能；為高性能漁船舵機的設(shè)計提供一定的指導(dǎo)意義。

1傳統(tǒng)船舶舵機系統(tǒng)

1.1伺服閥控舵機系統(tǒng)

伺服閥控舵機系統(tǒng)由電液伺服閥、舵機液壓缸、定量泵、電動機、伺服放大器、舵角反饋機構(gòu)等組成。工作原理是由自動駕駛儀或操作人員給出方向角度值為4～20mA ， 作為設(shè)定值送到伺服放大器，舵機上角位移傳感器與其數(shù)據(jù)相比較，比較結(jié)果如果出現(xiàn)差值，差值放大處理后，將其轉(zhuǎn)變?yōu)樗欧y線圈的電流驅(qū)動信號，轉(zhuǎn)換成液壓流量輸出， 油缸被推動前進，帶動舵機轉(zhuǎn)動，直到設(shè)定值與角位移傳感器輸出值相等為止。舵機靠位移傳感器在液壓伺服閥系統(tǒng)中閉環(huán)鎖定，一旦在工作狀態(tài)電氣系統(tǒng)斷電，則閉環(huán)系統(tǒng)不能鎖定，有可能造成伺服閥在中位時有泄漏，因此采用了一種新的伺服泵控系統(tǒng)。

1.2 伺服泵控舵機系統(tǒng)

伺服泵控舵機系統(tǒng)由電液伺服閥、舵機液壓缸、變量泵、電動機、變量機構(gòu)、伺服放大器、舵角反饋機構(gòu)等組成。為了伺服閥控系統(tǒng)更為完善，使用雙向驅(qū)動的伺服變量泵作為新的舵機系統(tǒng)控制系統(tǒng)，在伺服變量泵上安裝伺服閥，由一個小型伺服油缸驅(qū)動變量泵的斜盤機構(gòu) 控制流量和方向可以通過改變斜盤的轉(zhuǎn)角實現(xiàn)，舵機油缸的進退控制就可以完成了。角位移傳感器仍在新的舵機上安裝，當(dāng)需要位置后尾舵到達后，變量泵的將會斜盤回到中位，流量輸出為零，鎖定舵機。發(fā)熱少和傳動效率高是這種閉式系統(tǒng)的最大優(yōu)點，舵機鎖定可以油泵泄漏多少決定。但需增設(shè)補油回路，以解決系統(tǒng)泄漏是其最大缺點。

2現(xiàn)代數(shù)字液壓船舶舵機系統(tǒng)

2.1數(shù)字液壓油缸

數(shù)字油缸是數(shù)字液壓油缸的簡稱。在液壓缸內(nèi)部把液壓滑閥、步進電機、閉環(huán)位置反饋組合設(shè)計，液壓油源接通，所有的長度或角度控制功能，通過專門計算機、PLC可編程控制器或數(shù)字控制器發(fā)出的數(shù)字脈沖信號來完成的高新科技產(chǎn)品。在油缸內(nèi)安裝由數(shù)字液壓閥、液壓油缸和電信號轉(zhuǎn)換單元、位置反饋結(jié)合的整體，對外僅需連接上控制用電脈沖信號和高壓油管、低壓油管即可，使電脈沖信號對應(yīng)每一個固定的油缸行程變得簡單有效，完成不同運動效果可以由不同頻率控制和脈沖數(shù)量決定。數(shù)字缸內(nèi)部備有驅(qū)動裝置、傳感器、數(shù)字閥等，從油缸外部看，只有一個電插頭、一個回油口和一個進油口。例如，一個電脈沖由每零點零一毫米的油缸位置運動對應(yīng)，如需數(shù)字液壓油缸在十毫米的位置運動在十秒內(nèi)完成，油缸每運動一毫米需要一秒時間，而一毫米的位移變化對應(yīng)的電脈沖為一百。采用頻率為一百赫茲的脈沖，電脈沖信號一共發(fā)出了一千個， 數(shù)字油缸規(guī)定的位移行程便可在規(guī)定的時間內(nèi)完成。走完相同的行程如需在五秒內(nèi)完成，則電脈沖頻率提高到二百赫茲即可。通過改變發(fā)出的脈沖數(shù)量，即可增大如需的運動行程。

2.2數(shù)字液壓舵機系統(tǒng)原理及優(yōu)點

因為鋼制海船建造規(guī)范與入級時對船舶舵機的要求，舵機系統(tǒng)利用數(shù)字液壓缸搭建。脈沖信號從自動駕駛儀發(fā)出由數(shù)字液壓缸接受，位置閉環(huán)在其內(nèi)部構(gòu)成，位置傳感器也就不再需要，自動駕駛儀由角度儀信號輸出，角度顯示完成。該系統(tǒng)蓄能器供油用定量泵完成，一般情況下兩缸會同時工作，如果一缸出現(xiàn)故障，另一缸也可以單獨完成工作，滿足鋼制海船建造規(guī)范與入級對船舶舵機的要求。在發(fā)生緊急故障情況下如停電，也可以使用人工進行操控。另外，具有自我鎖定功能的數(shù)字缸，數(shù)字信號只要不輸出， 即使施加外力作用油缸也不會擺動。在停泵期間的液壓泵，鎖定舵機可以依靠蓄能器的壓力進行，即使海浪拍打也不會發(fā)生飄舵現(xiàn)象。還可以利用該系統(tǒng)設(shè)置UPS電源，即使發(fā)生短時間的停電，也能實現(xiàn)遠距離控制。數(shù)字液壓舵機系統(tǒng)的數(shù)字缸內(nèi)部集成了執(zhí)行、控制、反饋功能，無需任何算法調(diào)整和參數(shù)給定，僅連接好液壓管路和送入電脈沖信號， 為實現(xiàn)對舵機的控制系統(tǒng)通過改變脈沖的數(shù)量和頻率來完成。由液壓完成該系統(tǒng)能量傳遞，電脈沖信號完成信號傳遞，因此這種數(shù)字液壓舵機系統(tǒng)功能強大，原理簡單，便于機務(wù)人員使用和管理。數(shù)字液壓舵機系統(tǒng)通過專用控制器或計算機控制，可以與外界進行通信。如與利用定位及通訊衛(wèi)星進行通信，自動駕駛儀可以完成整個航線的航行，實現(xiàn)長距離自動導(dǎo)航控制。

3結(jié)束語

近幾年我國海洋漁業(yè)進入了快速發(fā)展時期，但我國目前漁船嚴(yán)重滯后的配套設(shè)備制造能力已遠遠不能滿足船舶主體制造能力，大多數(shù)高性能配套設(shè)備還需要從國外進口，因此在很大程度上嚴(yán)重制約我國船舶行業(yè)發(fā)展能力。控制船舶航向的重要設(shè)備是船舶舵機，其性能的好壞在船舶的運動性能上起著決定作用，是船舶主要的輔機之一。新型液壓舵機系統(tǒng)利用數(shù)字液壓缸搭建完成，具有維護方便、系統(tǒng)簡單、操作容易、控制精度高、安全可靠等特點，可全自動、半自動、手動多種操作，在大型船舶舵機控制系統(tǒng)優(yōu)點更加明顯。

參考文獻

[1] 劉江華.船舶舵機系統(tǒng)控制優(yōu)化設(shè)計[D].中山大學(xué)碩士論文，2013.

[2] 趙飛旭.船舶舵機電力保障系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化[D].中國海洋大學(xué)碩士論文，2012.