舵機(jī)液壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

羅超勇

（福建省港設(shè)船舶檢驗(yàn)有限公司，福建 福州 350015）

船舶必須配備控制航向的設(shè)備，以便具有良好的操縱性。大多數(shù)船舶使用舵作為控制航向的設(shè)備。舵機(jī)包括使舵動(dòng)作的動(dòng)力設(shè)備、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和向舵桿施加扭矩的部件。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，舵機(jī)是使方向舵能夠動(dòng)作的動(dòng)力設(shè)備，但船舶通常習(xí)慣將整個(gè)操舵裝置簡(jiǎn)稱(chēng)舵機(jī)。

舵機(jī)分為電動(dòng)舵和液壓舵機(jī)，大多數(shù)現(xiàn)代船舶使用液壓舵機(jī)。液壓舵機(jī)利用液體壓力使舵旋轉(zhuǎn)。其結(jié)構(gòu)由兩個(gè)或四個(gè)帶活塞的液壓缸組成，所有液壓缸和管道都充滿液壓液體，各管都與電動(dòng)泵連通。

當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)舵時(shí)，操舵器指示電動(dòng)泵轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)泵開(kāi)始吸排液體，使活塞一前一后移動(dòng)，從而帶動(dòng)連接在舵柄上的活塞桿前后移動(dòng)，從而達(dá)到轉(zhuǎn)動(dòng)方向的目的。這種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、省力、效果好、精度高，因此現(xiàn)代船舶大多使用這種裝置。因此，本文以散貨船上使用的SYYS180-160 液壓舵機(jī)作為分析對(duì)象。SYYD180-160液壓轉(zhuǎn)向器由兩套交流電動(dòng)轉(zhuǎn)向器動(dòng)力柜、轉(zhuǎn)向控制臺(tái)、電控啟動(dòng)箱、轉(zhuǎn)向器室控制箱和叉式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)組成。

1 舵機(jī)主要部件簡(jiǎn)介

撥叉式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)如圖1 所示，一對(duì)油缸使用同一個(gè)柱塞。柱塞的中間插入并固定一個(gè)圓柱形銷(xiāo)釘。銷(xiāo)的上下兩端通過(guò)免油軸承設(shè)置圓柱滾輪。當(dāng)柱塞移動(dòng)時(shí)，滾輪圍繞圓柱銷(xiāo)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)在舵柄上下端部的叉形滑槽內(nèi)滾動(dòng)。

圖1 撥叉式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)

撥叉式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)組的單舵?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)包括一個(gè)推舵裝置和一個(gè)單舵舵柄，在油的進(jìn)出口安裝有一個(gè)手動(dòng)隔離閥。推式舵機(jī)是將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，去驅(qū)動(dòng)方向舵的驅(qū)動(dòng)裝置，本撥叉式推舵裝置就是活塞在液壓缸中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)撥叉式舵桿的轉(zhuǎn)向力矩輸出。推舵裝置本身可以保證±36.5°角的極限，推舵裝置配有放氣閥、壓力表閥和機(jī)械角度指示器刻度盤(pán)，本推舵裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、扭矩輸出特性好的特點(diǎn)。

2 液壓系統(tǒng)工作原理

本舵機(jī)液壓系統(tǒng)原理（見(jiàn)圖2），它主要由撥叉式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)組、電控舵機(jī)動(dòng)力柜和操縱臺(tái)的電氣控制組成，當(dāng)駕駛臺(tái)操縱臺(tái)啟動(dòng)電動(dòng)泵后，泵的高壓油經(jīng)電液閥、背壓溢流閥、回油濾器后回至油箱，駕駛臺(tái)操縱臺(tái)手動(dòng)操縱后三個(gè)四通閥或轉(zhuǎn)向手柄則電磁（液）換向閥換向，油泵打出的高壓油經(jīng)換向閥，舵機(jī)專(zhuān)用閥和手動(dòng)隔離閥，至推舵油缸，使舵按操舵方向偏轉(zhuǎn).當(dāng)松開(kāi)操舵手柄，舵就停止在所操舵角上（當(dāng)采用隨動(dòng)操舵儀操舵時(shí)，操舵手柄轉(zhuǎn)至要求的操舵角，則推舵裝置會(huì)自動(dòng)停止在規(guī)定的舵角上）而推舵裝的回油經(jīng)過(guò)手動(dòng)隔離閥，舵機(jī)專(zhuān)用閥和換向閥，背壓溢流閥，回油濾器，回至油箱。舵機(jī)艙內(nèi)的簡(jiǎn)易操舵箱也能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)泵組的啟動(dòng)和簡(jiǎn)單操縱。

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

圖3 油缸工作簡(jiǎn)圖

3 主要閥件的作用

3.1 舵機(jī)專(zhuān)用閥組

該閥組包括主閥和雙向安全閥。主閥具有鎖舵和改善負(fù)轉(zhuǎn)矩工況的作用。當(dāng)操縱舵手柄后主閥芯移動(dòng)，舵機(jī)專(zhuān)用閥處于工作位置，高壓油通過(guò)主閥芯單向閥進(jìn)入手動(dòng)隔離閥和推舵油缸。回油通過(guò)主閥芯與閥體組成的環(huán)形通道流出主閥芯。由于主閥芯的移動(dòng)位置受彈力和進(jìn)油壓力的控制，當(dāng)進(jìn)油壓力過(guò)低時(shí)，主閥芯的移動(dòng)位置不能達(dá)到極值位置，而回油環(huán)通孔的尺寸因某一浮動(dòng)位置進(jìn)油壓力的大小而不同。也就是說(shuō)，產(chǎn)生一個(gè)可變節(jié)流口來(lái)限制和防止回油速度。當(dāng)舵葉在動(dòng)水力矩的作用下，推舵裝置柱塞的運(yùn)動(dòng)速度快于油泵供油速度時(shí)，主閥入口壓力很低，甚至產(chǎn)生負(fù)壓。此時(shí)，主閥芯在彈簧力的作用下向復(fù)位方向移動(dòng)，關(guān)小回油口。這樣就限制了推舵裝置中柱塞在水動(dòng)力力矩作用下的運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)水動(dòng)力油箱發(fā)生變化時(shí)，主閥芯自動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)流口，使舵葉即使在水動(dòng)力的作用下也不會(huì)快速移動(dòng)和爬行。雙向安全閥為兩套彈簧閥芯，可獨(dú)立調(diào)節(jié)舵推裝置兩側(cè)壓力。雙向安全閥在不轉(zhuǎn)向時(shí)起保護(hù)舵、舵推裝置和管路的作用。

3.2 手動(dòng)隔離閥

安裝在油缸兩端，手動(dòng)控制和隔離每套動(dòng)力柜的作用。

3.3 低壓溢流閥

用于保證電液換向閥所需的最小控制壓力。

3.4 回油濾器

用于液壓油回油的過(guò)濾，以確保系統(tǒng)油的清潔度，每個(gè)動(dòng)力柜都配有浮球液位報(bào)警器，當(dāng)液壓低于設(shè)定油位時(shí)，駕駛室操縱臺(tái)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。而兩臺(tái)動(dòng)力柜之間用連通管聯(lián)接，確保油位高度基本一致。

4 主要部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

舵機(jī)是保證船舶操縱性能確保航行安全的重要設(shè)備。所以在《國(guó)內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》中對(duì)舵機(jī)提出了明確的要求：主操舵裝置和舵桿應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，并能在船舶最大航海吃水和以最大營(yíng)運(yùn)前進(jìn)航速前進(jìn)時(shí)將舵自一舷 35°轉(zhuǎn)至另一舷 35°，并在相同條件下在不超過(guò) 28s 內(nèi)將舵自一舷 35°轉(zhuǎn)至另一舷 30°；人力操舵裝置只有當(dāng)其操作力在正常情況下不超過(guò) 160N 時(shí)方可裝船使用。

舵機(jī)的技術(shù)參數(shù)：公稱(chēng)扭矩 160 kN.m；滿舵角度 ±35°；轉(zhuǎn)舵時(shí)間《28S；D：柱塞直徑 180mm；R：舵柄半徑 450mm。

4.1 油泵和電機(jī)設(shè)計(jì)

4.1.1 油缸最大工作壓力 Pmax 設(shè)計(jì)

公式中 Mn：公稱(chēng)扭矩 160kNm a：滿舵角

D：柱塞直徑 180mm R：舵柄半徑 450mm

根據(jù)液壓原理圖，可知，油缸工作壓力 P1 為ΔP 加壓力損失等于 1.2MPa，則最大工作壓力為 P=ΔP+P1=11.7+1.2=12.9 MPa

4.1.2 最大工作流量 Q 設(shè)計(jì)

V：舵自一舷35°轉(zhuǎn)至另一30°時(shí)對(duì)應(yīng)的油缸變化容積

取油缸和管路的容積系數(shù)均勻?yàn)?0.98，油泵的工作流量為Q=31.3/(0.98×0.98)=32.6 L/min

因此液壓系統(tǒng)選擇了40SCY14-1B 油泵，排量 40mL/r，當(dāng)工作轉(zhuǎn)速 1460rpm 時(shí)，油泵流 量 Q=40×1460×10-3=58.41 L/min，滿足要求。

4.1.3 油泵的電動(dòng)機(jī)功率 設(shè)計(jì)

式中：P：舵機(jī)最大工作力12.9MPa Q：油泵工作流量32.6 L/min

i：電動(dòng)機(jī)過(guò)載系數(shù)取1.3 η：油泵總效率 取η=0.8

因此液壓系統(tǒng)選擇了 Y160M-4-H 船用電動(dòng)機(jī)，額定功率 11kW。

4.2 液壓油管內(nèi)徑與壁厚設(shè)計(jì)

4.2.1 液壓油管內(nèi)徑 d 設(shè)計(jì)

式中：Q：油泵工作流量 32.6 L/ min

d：油管內(nèi)徑 mm

V：油在管內(nèi)的允許流動(dòng)速度 m/s

壓力油 管 V=4m/s，回油管 V=3m/s，吸油管 V=1.2m/s

因此液壓系統(tǒng)實(shí)取壓力、回油管為 32×4mm，吸油管為 48×3mm。

4.2.2 液壓油管壁厚δ 設(shè)計(jì)

油管基本計(jì)算壁厚按 CCS Ⅰ級(jí)管系的要求進(jìn)行計(jì)算。

P：設(shè)計(jì)壓力，p=1.25 Pmuz=1.25×12.9=16.125MPa

D: 油管外徑 32mm，e：焊接有效系數(shù)，1；

Rm：油管材料的抗拉強(qiáng)度下限

油缸材料選用20# 無(wú)縫鋼管,查資料可得：Rm=410MPa Reh=235MPa

c：腐蝕余量液壓油管系取 0.3mm

另外，油管最小壁厚，應(yīng)符合下式規(guī)定

考慮脈動(dòng)影響，實(shí)際取油管厚度 4mm 滿足要求。因此液壓系統(tǒng)選取壓力油管為Φ32×4。

4.3 油箱大小設(shè)計(jì)

式中：V：油箱最低容量，Q總：液壓系統(tǒng)中各油泵的額定流量之和。Q總=2×32.6 L/min

VL：系統(tǒng)工作時(shí)，油缸和油管內(nèi)最大和最小儲(chǔ)油量差值，因油缸和油管尺寸不大，取 VL=O ;K:系數(shù)，取K=4。

該液壓系統(tǒng)實(shí)取油箱尺寸為 605×705×1250mm，系統(tǒng)共 2 個(gè)油箱，所以油箱的容量為2×605×705× 1250×0.8×10-6=853.1L。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著航運(yùn)業(yè)的不斷發(fā)展，船舶越來(lái)越大型化，而大型船舶幾乎全部采用液壓舵機(jī)。本文通過(guò)介紹了散貨船上使用的SYYS180-160 型液壓舵機(jī)的液壓原理，詳細(xì)地分析了油泵和電機(jī)的計(jì)算、液壓油管的管徑計(jì)算和選取、油箱容積計(jì)算和選取，為舵機(jī)的液壓系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)選型提供指導(dǎo)依據(jù)，保障了舵機(jī)液壓系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性，為船舶的航行安全保駕護(hù)航。