液壓舵機教學實驗臺液壓系統的設計

【摘 要】為了滿足教學和相關科研的需要，筆者所在的教學團隊設計了一套液壓舵機教學實驗臺，針對實驗臺中的液壓控制部分進行設計，并介紹其工作原理。該系統具有結構簡單，造價成本低，運行安全可靠等優點，無論是在教學上還是科研試驗中都將起到積極的作用。

【關鍵詞】液壓舵機；教學實驗臺；液壓系統；設計

【Abstract】The teaching team designed a set of hydraulic steering gear test-bed for teaching and scientific research.Hydraulic circuit is designed for the test-bed and its working principle is introduced .The hydraulic circuit has the advantages of simple structure， low cost， safe and reliable operation and so on.The design for teaching or for related research will play an active role.

【Key words】Hydraulic steering gear； Teaching test-bed； Hydraulic Circuit； Design

0 引言

筆者所在的院校是一所具有沿海特色的高職院校，該校開設了輪機工程技術專業，《船舶輔機》課程是該專業的核心專業技能課程。該門課程的實驗教學必不可少，購買成套舵機實驗臺成本高且不利于改造，根據多年的教學與科研經驗，筆者所在的教學團隊設計了一套液壓舵機教學實驗臺。

液壓舵機是船舶最重要的輔機之一，根據推舵方式不同，分為撥叉式、轉葉式和擺缸式三種[1]。由于擺缸式液壓舵機無需設追隨機構，體積小、結構簡單、布置方便、轉船力矩大、可靠性好等優點，在中小型船舶中得廣泛的使用[3]。因此，本實驗臺采用的是擺缸式液壓舵機設計，它是由電機帶動定量泵工作，通過轉向器或電磁換向閥來控制壓力油進出端鉸擺缸，推動轉舵機構從而實現操舵目的。針對本液壓舵機教學實驗臺，筆者本著經濟、實用為出發點設計出該實驗臺的液壓系統，以下是本液壓系統的整個設計過程與原理分析。

1 液壓系統的設計

液壓舵機的液壓控制系統一般分為泵控型和閥控型兩種[1]。泵控型液壓系統一般采用雙向變量泵作為主泵，配備一個小功率的齒輪泵作為輔泵，同時必須采用直流伺服電機式電氣遙控系統和浮動桿追隨機構，所以系統構造相對復雜，制造成本高。閥控型液壓系統使用定量泵供液，使用電氣遙控系統操縱電磁換向閥，來改變油液的流動方向從而達到轉舵目的[1]。與前者相比，閥控型液壓系統比較簡單，制作費用低廉，但是在穩定性和可靠性上不夠前者。隨著液壓閥制造精度的提高，閥控型液壓系統也能達到很好的整體性能，在中小功率的場合使用更有競爭力。

本液壓舵機實驗臺是根據小型船舶液壓舵機進行設計，液壓系統的設計壓力為16Mpa。從經濟成本出發，并結合教學的實際需要，本設計采用閥控型液壓系統，整個液壓系統由油箱、齒輪泵、電動機、溢流閥、電磁閥、轉向器、液控雙向鎖、橡膠管以及一些其他的輔助元件組成，液壓系統的組成如圖1所示。

2 液壓系統的原理分析

按照《鋼質海船入級與建造規范》中規定，每一套液壓舵機都有一套以上的控制系統，本實驗臺由電動液壓為主兼顧手動操縱組成一體[4]。

2.1 手動操舵模式

根據圖1所示，（6）是一個全液壓轉向器，在液壓泵（2）正常工作的情況下，該轉向器起到計量馬達的作用，保證進入兩個液壓缸（9、10）的液壓油量與舵輪轉角成相應比例。亦即當舵輪向某個方向旋轉一個角度時，推桿平衡板也帶動舵軸向同樣方向轉過一個角度。當關閉液壓泵，或者是遭遇斷電的情況時，通過人力轉動舵輪來帶動液壓轉向器，這時相當于一個手動油泵，液壓油經過換向閥（5）的左位，并輸送到油缸實現轉舵功能。

2.2 電液動操舵模式

啟動液壓泵，給電磁換向閥（5）上電，則進入電液動操舵模式。舵葉的運動一般有三種狀態，左轉舵、右轉舵和保持不動。左轉舵：給電磁換向閥（7）的左側通電，液壓油流經電磁換向閥（6）的右位進入電磁換向閥（7）的左位，再流經液壓鎖（8），最終液壓油進入液壓缸（9）的無桿腔和液壓缸（10）的有桿腔。在液壓缸（9）活塞桿的推動和液壓缸（10）活塞桿的拉動下，推桿平衡板帶動著舵軸做逆時針轉動，從而實現了船向左轉舵。同理，保持換向閥（5）通電的前提下，給換向閥（7）的右側上電即可實現向右轉舵。當沒有偏舵角時，只需要把電磁閥（7）斷電，讓換向閥處于中位，在液壓鎖（8）的作用下，即可保持當前的航向角前進。

3 總結

傳統的舵機液壓系統有一部分只采用O型的三位四通換向閥來控制油液的方向，由于換向閥多為滑閥，中位的機能就是通過閥芯與閥口的遮蓋來實現，滑閥不可避免的會產生泄漏，出現風浪時泄漏會更加嚴重，導致舵角不能長時間保持。本設計采用O型的三位四通換向閥加液壓鎖構成，使用起來更加安全可靠。

【參考文獻】

[1]鄭士君，孫永明.船舶輔機教程[M].大連：大連海事大學出版社，2003，07.

[2]孟延軍，陳敏.液壓傳動[M].北京：冶金工業出版社，2008，09

[3]徐本國.小型漁船擺缸式液壓舵機舵角限位器的設置[J].中國水產，2008（8）：72-73.

[4]盧運嬌，麥冬玲.一種基于ARM的小型漁船液壓舵機控制系統的設計[J].制造業自動化，2013（11）第35卷.上：141-144.

[5]盧運嬌，王貴，麥冬玲.小型船舶液壓舵機教學實驗臺的設計[J].液壓與氣動，2014（1）：93-102.

[責任編輯：謝慶云]