液壓舵機與操舵裝置控制系統接口分析

王 榮，蔣曉亮，鄭天祥

(上海船舶研究設計院，上海 201203)

液壓舵機與操舵裝置控制系統接口分析

王 榮，蔣曉亮，鄭天祥

(上海船舶研究設計院，上海 201203)

在船舶航行中，一般采用自動舵、手動操舵(隨動FU和非隨動NFU)和應急操舵3種操舵方式來操控舵機。從船舶電氣設計工作角度出發，分析船舶上選用閥控型和泵控型電液舵機時，與操舵控制系統連接時在接口信號上的差異，對設備選型和電氣系統設計有幫助。

液壓舵機；操舵系統；系統接口

0 引言

操舵系統是船舶的一個重要控制系統，其性能的好壞直接影響著船舶航行的操縱性、經濟性和安全性。舵機和操舵裝置控制系統有著操縱和被操縱的關系，他們的接口就像工作中的一種良好合作關系，也是整個航行線路高效、安全的保障。由于不同種類舵機的工作原理不同，它與自動舵的接口也會有差異，因而這個問題在系統設計和設備選型中給設計人員帶來了困惑。

1 舵設備的組成及作用

舵設備主要有舵角指示器、操舵裝置、傳動裝置、舵機、轉舵裝置、舵組成，其組成簡圖見圖1。

圖1 舵設備簡圖

圖1中舵設備的各部件布置和作用如下。

(1) 操舵裝置控制系統就是舵工或駕駛員操舵用的手柄或手輪，一般會配置專門的操舵臺，可以和駕控臺組合一起，也可以獨立地放在駕駛室內。在主操舵臺的視線需要左右各60°視角。對于一人橋樓的船舶，在左、右兩翼臺需要配置NFU手柄。

(2)舵角指示器是反饋舵葉實際轉動角度的儀表，駕駛員在駕駛室能實時了解舵的實際位置。在船舶左、右兩翼需要配置舵角指示器，這是巴拿馬運河當局對過巴拿馬運河船舶的要求。舵機艙內也必須配置舵角指示器。

(3)傳動裝置是將操舵裝置啟動信息由駕駛室傳至舵機艙，這部分就是舵機和操舵裝置控制系統的接口。根據不同形式的舵機，控制信號會有所差異，而且越來越多的船級社傾向把2臺舵機執行器到駕駛室自動舵系統的控制信號分不同的電纜通道走，確保系統的安全。

(4)舵機是轉舵的原動力，放在舵機艙。

(5)轉舵裝置把舵機的動力傳遞給舵，是轉舵傳動機構。

(6)舵是舵葉、舵桿的總稱。

2 SOLAS對舵設備的有關要求

舵設備從動力到控制系統在整個船舶設備中屬于重要設備，所以SOLAS對舵、舵機、操舵裝置控制系統都有嚴格的要求。下面列出幾點與系統設計工作相關的要求，有助于理解舵機與操舵裝置控制系統的配置要求。

(1)如果設置1個主操舵裝置和1個輔助操舵裝置，主輔操舵裝置的布置應滿足當它們中的1臺故障時應不致使另1臺失靈。較大船舶上的主操舵裝置一般都有2套相同的動力互為備用，使用其中1套動力就能滿足操舵要求，所以在實際設備選型時可不設輔助操舵裝置。

(2)駕駛室與舵機室之間應設有通信設施。船上一般配置自動電話和聲力電話。

(3)操舵裝置應設有效的舵角限位器，能使舵角不超過35°。舵機一般的極限角度為37°。

(4)船舶上配置的隨動FU手輪和非隨動NFU手柄能滿足2套獨立的控制系統的要求。

(5)電動和電動液壓操舵裝置的電動機應設短路保護和過載報警，斷相、液壓油溫高報警，壓力低報警等。報警內容顯示在駕駛室和集控室的舵機報警板上，同時送船舶的監測報警系統和VDR系統，用于記錄和報警。

(6)主操舵裝置的動力設備在電源故障后恢復供電時能自動再起，且需要在駕駛室有報警。

(7)由1臺或幾臺動力設備組成的每一電動或電動液壓操舵裝置至少應由主配電板設2路獨立饋電線直接供電，但其中的1路由應急配電板供電。

3 現代船舶舵機一般類型及分類

對于一些小型船舶，考慮安裝空間的原因，通常會選用電動舵機。中型船舶會選用電動液壓舵機。電動液壓式舵機按轉舵機構類型可分為柱塞式和轉葉式。按液壓油流向變換方法的不同分成泵控型和閥控型。泵控型和閥控型原理的本質區別，決定了自動舵和舵機間選配接口的差異。

4 接口實例分析

4.1 自動舵系統與舵機配置的控制框圖

自動舵在自動和手動控制模式下與舵機的信號連接如圖2所示。舵機提供電源和運行信號給自動舵的控制單元是常規的。操舵信號如何具體操控舵機，就要具體看舵機泵組執行器的原理和舵機液壓系統的工作原理，包括液壓鎖定報警的表現形式也有所不同。以船舶上運用的較為廣泛的柱塞式電動液壓舵機為例，通過液壓原理的說明，分析閥控式舵機和泵控式舵機在控制方式上的區別以及表現在與自動舵系統連接時接口的不同。

圖2 舵機與自動舵系統的連接示意圖

4.2 閥控舵機的工作原理

自動舵系統給出操作指令，舵機執行機構在收到轉舵指令后會先和舵角指示器傳回的實際舵角進行比較，當產生偏離時，舵角偏差信號經放大，根據返回的偏差值方向不同使換向閥相對應側的電磁閥線圈通電，閥芯從中位向一端偏移，向該側的轉舵油缸供油，另一側油缸的油路由換向閥通回泵的吸口，油缸中的柱塞移動，從而推動舵柄和舵葉的轉動。當舵轉到與實際指令舵角信號向符合時，換向電磁閥線圈斷電，閥芯回中，泵的排油經換向閥卸荷，通向油缸的油路被封死，舵葉就停在指令舵相符合的舵角上，完成了操舵控制的過程[2]。

典型的閥控舵機液壓原理圖如圖3所示。由于閥控型液壓舵機采用定量泵，因而只能通過改變電磁閥的位置來改變管路中流體的流向，實現操左舵或操右舵。

圖3 閥控型舵機液壓原理

自動舵系統連接時接口框圖如圖4所示。根據規范要求，舵機啟動箱給自動舵提供電源和舵機的運行信號，從駕駛室的自動舵主單元發出在自動、隨動和非隨動控制模式下的左/右操舵信號作用于舵機的執行機構，通過改變電磁閥的位置來改變管路中流體的流向，實現操左舵或操右舵。

4.3 泵控舵機的工作原理

自動舵系統給出轉舵指令，舵機系統收到此信號后通過連桿機構控制變量柱塞泵的噴油嘴轉動，改變流體的流速和流向，實現轉舵操作。另外一種方式就是操舵站在收到轉舵指令后會先和舵角指示器傳回的實際舵角進行比較，然后通過放大器對偏差值進行放大，再通過力矩馬達控制變量柱塞泵，實現換向操作。

雖然連桿機構和力矩馬達都可以控制變量泵實行換向操作，但他們實現的方式卻是不同的。本文以舵角回到0位的操作為例來作比較[3]。

4.3.1 采用連桿操作的轉舵步驟

連桿機構控制如圖5所示。

(1)操舵手輪回到0位。

(2)0位信號發送到自動舵系統。

(3)浮子開關從“A”動作到“A1”，同時以“B”為支點，從“C”動作到“C1”。

(4)控制桿從“D”移動到“D1”。

(5)伺服活塞在液壓輔泵先導壓力控制下動作，而液壓輔泵則是由主泵的控制閥組控制。

(6)柱塞泵的傾斜盤傾斜改變流向，那么舵葉開始跟隨擺動。

(7)當浮子開關到達“A2”處，滿足相應的轉舵角度時，就開始以“A2”為支點從“C1”返回“C”。

(8)液壓泵的控制桿也從“D1”回到“D”，傾斜盤回到中立位置。

(9)這時，信號從反饋裝置返回操舵站，轉舵工作完成。

以上過程對于在駕駛室操舵和舵機艙就地操舵都是一樣的。

圖4 閥控型舵機與YOKOGAWA自動舵系統的接口框圖

4.3.2 采用力矩馬達操作步驟

力矩馬達操作示意圖如圖6所示。

(1)從操舵臺發出的操舵信號先經過放大器放大，傳給力矩馬達。

(2)力矩馬達驅動液壓泵的伺服馬達，轉動液壓泵的傾油盤，直到液體滿足噴出到相應舵角信號的流量要求。

(3)流體的壓力推動舵柄帶動舵葉轉動，舵柄上的傳感器開始反饋轉動的角度給操舵站指示要求的角度已經達到，力矩馬達驅動回到0位。

液壓泵傾油盤也會復位。當吸排油的動作停止時，舵葉也因此得以保持在要求的角度。

圖6 力矩馬達控制示意圖

另外，在舵機艙就地操舵時掰動就地電磁閥不會產生電信號，它是通過直接作用在液壓泵伺服器上來控制流量改變的，是一種應急操舵模式。在達到要求的轉舵角度時釋放就地控制鈕，這時伺服器就會轉入自動模式，液壓泵的傾油盤會回到0位以確保舵葉保持在要求的角度。

泵控舵機與自動舵系統接口框圖如圖7所示。舵機啟動箱④給自動舵①提供電源和舵機的運行信號，自動舵控制箱②在自動、隨動和非隨動控制模式下發送電信號，驅動舵機的力矩馬達，舵機開始執行左或者(右)舵操作，自動舵控制箱提供卸荷閥一路AC110 V電源，舵機卸荷閥動作。差動變壓器提供主泵的偏心位置(即變量泵中斜盤的傾斜方向)給自動舵，當它與操舵指令不符合時，使自動舵實現液壓鎖定報警。左、右限位開關的作用使舵機實現左、右限位，滿足SOLAS對舵機限位的要求。

圖7 泵控舵機與自動舵系統的電氣接口框圖

通過以上2個典型的泵控和閥控液壓舵機分析發現，液壓的控制原理不同，使得與自動舵電氣圖接口的差異還是很大的。在實際設計過程中還要根據舵機的控制方式選配與自動舵系統的接口。

5 操舵裝置控制系統

無論何種舵機，都受控于操舵裝置控制系統，它使舵機能按照駕駛者意圖及時、準確地將舵轉到所需舵角上。目前，商船都有2套獨立操舵系統的線路，當1套操舵系統發生故障后，立即可以轉換另1套操舵系統，這2套操舵系統分別為隨動操舵(FOLLOW-UP)和非隨動操舵(NON-FOLLOW-UP)。

5.1 隨動操舵和非隨動操舵

隨動操舵系統是裝有舵角反饋發送器，能進行追隨控制的操舵系統，這種操舵方式的舵輪轉動角和舵葉的偏轉角度是相當的，操舵時比較直觀。非隨動操舵即手柄控制系統也稱直接控制系統，它可以直接控制繼電器使舵機轉動。它沒有舵角反饋裝置，手柄或撳鈕相當于繼電器的開關。操舵時，當舵角指示器顯示到達所需的舵角時，要立即將手柄回復到中間位置或松開撳鈕。一般作為隨動控制系統失靈時的備用控制系統。

5.2 自動舵

自動舵也屬于操舵裝置控制系統中的1種控制形式。自動舵是1個閉環系統，它包括：航向給定環節、航向檢測環節、給定航向與實際航向比較環節、航向偏差與舵角反饋比較環節、控制器、執行機構、舵、調節對象—船、舵角反饋機構等。舵系統的性能主要是由控制器的性能決定的。

當船艏受外力等作用偏離預定航向一定角度時，裝置立即動作，使舵葉偏轉一定角度；如舵角度不夠大，裝置產生一個附加舵角；船艏在舵作用下返回預定航向；未到達預定航向時，裝置將舵葉轉到艏艉線上；船艏接近預定航向時，為減少船艏向另一舷

大幅度擺動的慣性，舵葉向另一舷偏過一個小角度，使船首回到原來航向。

5.3 其他操舵形式

自適應自動操舵儀是把具有自適應操舵程序的模塊并入自動操舵儀，能在風﹑浪﹑流等航行環境發生變化而引起船舶操縱性能變化時，使自動舵保持在最佳狀態。

航跡操舵(TCS)是1種全自動駕駛儀，滿足綜合橋樓IBS配置的操舵設備。系統提供等航向和大圓航向功能，使遠洋航行的船舶按地球上最短航程航行。系統提供的輔助轉彎功能，使船舶自動按照預設的航線平穩過渡到下一航路段上。從圖8航向控制和航跡向控制的比對示意看出，可實現船舶航行過程中的航向保持和航跡跟蹤。通過接入計程儀、羅經、GPS信號，CPU進行分析與處理，給出1個指標航向到自動舵組件中去執行，使船能夠沿著計劃航線航行，并能在預定的轉向點上轉向。TCS系統同時送出信號至電子海圖、舵角反饋裝置、自動舵、橋樓值班報警、VDR系統，用于控制和報警。

如果需要直觀的實時航行軌跡，可以把TCS的信號疊加到電子海圖上，隨著衛星通訊技術在現代船舶運輸中的廣泛運用，這些信息也可以隨時發送到岸上，通過船舶的能效管理系統，結合航線的水文信息，可以制定出更經濟更安全的航線，未來實現船舶無人駕駛也不是沒有可能的。

圖8 航向控制和航跡向控制的比對示意

6 結語

本文通過對船舶上舵設備的列舉，重點分析了現代船舶普遍選用的電液舵機液壓工作原理并與之相配套的操舵裝置控制系統的幾種操舵方式，列舉船上舵機和自動舵系統典型接口后，可以進一步了解舵機和自動舵的工作原理，對舵機和自動舵的選型和系統的設計會有很大的幫助。

[1] 高小濤.船舶舵機的營運檢驗[J].廣東造船，2010，30(1)：54-55.

2016-09-13

王榮(1973—)，女，工程師，從事船舶電氣設計工作；蔣曉亮(1984—)，男，高級工程師，從事船舶電氣設計工作；鄭天祥(1981—)，男，工程師，從事船舶舾裝設計工作。

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