船用液压舵机系统设计说明书

1、重庆大学硕士学位论文船舶液压舵机系统设计研究姓名：王月申请学位级别：硕士专业：机械设计与自动化指导教师：陈波2012-06重庆大学硕士学位论文 中文摘要 I 摘 要 我国改革开放后与国外贸易量逐年增大，尤其是加入WTO后进入了快速发展阶段，海运事业随着世界贸易的增长而快速发展，船舶行业随之迎来了黄金时期。但我国船舶配套设备制造能力一直滞后船舶主体制造能力，现已成为船舶行业快速发展的瓶颈。舵机是控制船舶航向的重要设备，其性能的好坏对于船舶运动的控制起着非常关键的作用。但目前国内对于船舶舵机的研究大多集中于船舶航向及舵迹控制方面，对于舵机本身的运动转换机构、液压传动及电气控制方面研究却相对较少。因

2、此，研究开发高性能船舶舵机并实现量产，对于我国船舶行业配套能力的加强、竞争力的提高具有重要意义。 本文通过分析研究船舶舵机作用原理及目前常用转舵机构，提出采用滚珠逆螺旋机构作为转舵机构，构建新式舵机。根据船舶对舵机要求及螺旋作动器实际需要，进行深入分析比较后，设计了舵机液压传动原理图，确定了电气控制方案。对舵机液压系统进行必要的简化后，分别建立了比例阀环节，阀控缸环节及角度传感器等环节的数学模型，经适当变换最终得到了舵机的数学模型，并对舵机系统的稳定性进行了分析。由于舵机闭环时域响应缓慢，且船舶在航行过程中受风、海浪等不确定因素影响，所以采用了不依赖对象模型的模糊PID校正，设计了模糊PID控

3、制器。运用MATLAB软件中的Simulink工具箱建立了系统动态仿真模型，并对系统进行了仿真分析。根据船舶舵机需远距离传送信号且干扰源多的情况，采取了操作室与舵机室分散控制，通过CAN总线连接通信的控制方式，有效提高了控制及反馈信号传送的速率与质量。设计了主电路图、CANopen主站控制原理图、CANopen从站控制原理图。 本文设计的船舶舵机系统，采用了新型转舵机构，有效减小了舵机体积及重量；采用了电液比例控制，能有效提高船舶航行时舵角的定位精度，降低航行能耗，减小换向冲击及噪声；将传统的PID校正与先进的模糊控制相结合，提高了舵机的动态性能，增强舵机自适应能力；采用现场总线传输信号，提高

4、了数据传输速度及可靠性。对高性能船舶舵机的设计据有一定的指导意义。 关键词：船舶舵机，建模，模糊PID，仿真分析，PLC控制 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 II ABSTRACT Chinese foreign trade volume increasing year by year by reform and opening up, in particular after accession to WTO foreign trade has entered a stage of rapid development. The shipbuilding industry has also en

5、tered in golden age along with fast development of shipping industry, but Chinese ship auxiliary equipment manufacturing capacity is lagging far behind the main vessel. It has become a bottleneck in the rapid development of shipbuilding industry. Steering gear is one of the most important equipment

6、for controlling ships. Its good or bad performance plays a key role for ship motion control. But up to now domestic researchers for the steering gear studies are focused on how to control the ship heading and rudder track. There is a lack of researching hydraulic and electrical control about the ste

7、ering gear. Therefore, research and development high-performance steering gear and achieve the mass production finally. It has great significance for strengthening competitiveness of Chinese shipbuilding industry. Principle and current condition of marine steering gear were analyzed in this paper. F

8、irst, introduced structure of marine steering gears which were used commonly, choosed ball rotary-oscillating actuator as the new steering gear. According to requirements and actual needs, designed the schematic of fluid drive and the electrical control program after analyzed and compared the system

9、 seriously. The hydraulic system of steering gear was simplified. Corresponding mathematical models of proportional valve, valve control cylinder, angle sensor areas and other sectors were established. Mathematical model of the control system was ultimately made out and analyzed stability of steerin

10、g gear system. As time domain response is slow of the servo loop and the ship affected by the wind, waves and other uncertain factors during voyaging. So used the fuzzy PID control and designed a fuzzy PID controller for this system. Dynamic model was established by using the Simulink toolbox in MAT

11、LAB software. Finally, used MATLAB software to carry through dynamic simulation and analyzed dynamic characteristics. Because steering signal is remote transmission in the ship. So adopted the operating room and steering gear room were decentralized control. The rooms were connected via CAN-bus. The

12、 control and feedback signals transmission speed and quality effectively were improved by CAN-bus. The main circuit, CANopen master control diagram and CANopen slave control principle were designed. 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 III In this paper steering gear was designed. Using electro-hydraulic proportional co

13、ntrol, it can improve the positioning accuracy when the ship voyaging, and reduce impact and noise. Applying fuzzy PID control strategy, it can improve the dynamic performance of steering gear and enhance adaptive capacity of steering gear. Using field bus, it can increase data transmission speed an

14、d reliability. This paper has guiding significance for the design of small and medium steering gear. Keyword：Ship Steering Gear, Modeling, Fuzzy PID, Simulation, PLC Control 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 绪 论 1.1 船舶舵机介绍 1.1.1 舵机作用原理 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 Fig.1.1 Action

15、 principle of steering gear 舵叶在水中的受力如图1.1所示。图中NF舵叶两侧水压力（舵压力）；rF摩擦力；LF升力；DF阻力。在正舵位置，即舵转角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，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，NF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NF外，水流对舵叶还会产生与舵叶中线方向一致的摩擦力rF。 当舵叶偏转舵角后，在舵叶的压力中心o上，就会产生一

16、个大小等于NF与rF合力的水作用力F。F可分解为与水流方向垂直的升力LF和与水流方向平行的阻力DF： 212LLFCAv= （1.1） 212DDFCAv= （1.2） xxCb= （1.3） 式中：LC，DC，xC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；水的密度；A舵叶的单侧浸水面积；重庆大学硕士学位论文 1 绪论 2 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sM和2F的作用来代替。 由F和1F形成的

17、力矩sM迫使船舶绕其重心向偏舵方向回转，称为转船力矩(sM)。 21()sin2sLcDcLLMFlXconFXFlCAvl=+= （1.4） 式中：l舵杆轴线至船舶重心的距离；cX舵压力中心至舵杆轴线的距离。 由式（1.4）可知：转船力矩sM随舵角的增大而增大，并在达到某一舵角时出现极大值maxM；sM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(=舵叶高度A舵叶平均宽度b)。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(=22.5)，maxM的舵角多介于3035oo之

18、间，规定35o；河船 (=1.02.0)，maxM出现在3545oo舵角之间。 2F则可分解为R和T两个分力，纵向分力2sinRF=，增加了船舶前进的阻力；横向分力2cosTF=，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aM和舵各支承处的总摩擦扭矩fM的代数和，即： afMMM=+ （1.5） aM表示舵压力NF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(0.150.2)faMM= 在舵机设计时，确定舵机结构尺寸和工

19、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。 1.1.2 船舶对舵机的要求 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，对舵机的基本技术要求是： 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重庆大学硕士学位论文 1 绪论 3 够的强度并能在船舶

20、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35o转至另一舷的35o，并且于相同的条件下，自一舷的35o转至另一舷的30o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15o转至另一舷的15o。 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。 操舵装置应设有有效的舵角限位器

21、。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。 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。 1.2 研究的意义及目的 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

22、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入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。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

23、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1,2。舵机关系到船舶的安全、稳定，是船舶的核心设备之一。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7080年代的低端产品，产品附加值低，市场竞争力很弱，科研与生产实际重庆大学硕士学位论文 1 绪论 4 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，

24、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。 本课题以船舶舵机运动转换机构、液压传动系统及控制系统为研究对象。提出一种结构新颖、体积小，重量轻、舵角定位精度高，PLC控制与现场总线控制相结合的新式船舶舵机。深入分析液压传动原理，研究舵机控制原理及其控制理论，采用先进的控制方案。最终实现高性能液压舵机的批量生产。 1.3 国内外研究现状29 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

25、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

26、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。目前国外舵机最新变化动向如下。 普遍设置了两套液压系统，且具有人工和自动隔离装置。西德哈特拉帕公司生产的自动隔离装置：如工作中因某套系统管路破裂或其它原因而严

27、重失油时，相应油柜中的液位开关就会动作报警，并在经过30秒或更长时间(视漏泄程度而定)，另一个更低的液位开关就会动作使工作泵组切换。挪威富利登波公司认为上述方案使设备复杂化，产品价格较贵，而且某些阀正常工作时长期不动，紧急情况能否正常动作便难于保证，因而又提出了一种仅采用二个主油路自动锁闭阀来重庆大学硕士学位论文 1 绪论 5 隔离损坏的油路系统的方案。这种方案仅适台于转叶式油缸，它在缸体内部设有油路连通相应油腔，但如果一对油腔密封损坏时，并不能使之与工作油路隔离。显然，单缸体的转叶式油缸如发生故障，如密封损坏、动叶断裂等，是不能按“单项故障原则”迅速恢复工作的，因此它不能用于10万载重吨以上

28、的油轮。为此，日本三井ABG公司提出了双油缸体转叶舵机的设计，它将二个转叶油缸迭置在同一舵杆上方，其二套油路系统之一可以被隔离和旁通，以适应10万载重吨以上油轮的要求。 阀控型舵机的应用功率范围在扩大，性能也在改善。阀控型舵机因稳舵时主油泵仍需全流量工作，虽然排出压力小，但仍要消耗一定的功率，故经济性较差；而且换向时液压冲击大，故过去多用于功率较小的舵机。现在随着阀控型舵机设计的改善，扭矩范围也有了显著提高。例如西德哈特拉帕R系列阀控型舵机最大公称扭矩已达到1200KN.m，完全能胜任一般数万吨级海船的需要。 新型液压阀件的应用。随着液压技术迅速进步，从60年代末开始，能根据电气信号的变化对液

29、压油流向及压力、流量进行连续的、按比例的远程控制的比例阀迅速发展；70年代为解决大流量(200L/min以上)系统控制集成化的困难，逻辑阀(又称二通插装阀)也迅速发展。这些元件不仅开始在工程船液压传动装置中出现，也开始用于液压舵机。日本川崎泵控型舵机的液压系统即使用了逻辑阀。丹麦狄沙麦润四缸活塞式舵机的控制系统中使用了比例方向阀，取消了机械追随机构，从而转舵精度可达土1/6o，比普通电磁换向阀控制精度提高了两倍以上。 船舶自动舵控制技术的发展。1921年德国安修斯公司发明了自动操舵仪，即利用罗经的电讯号，通过继电器、机械结构来实现控制船舶舵机。由于自动操舵仪能够自动驾驶船舶，按给定航向航行而且

30、具备航向精度高，能节约能源，并且把人从繁重人工操舵中解放出来。1930年苏联也相继研究出以电罗经为航向接收讯号的自动操舵仪，这一产品的问世引起了航运界的重视，各先进资本主义国家也形成了研究机构和一批知名企业。到目前为止只有少数经济发达资本主义国家，如美国、德国、英国台卡、日本北辰以及苏联沙姆希特掌握了这项技术，并形成名牌产品。自动舵的发展大致经历四代： 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

31、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控制规重庆大学硕士学位论文 1 绪论 6 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

32、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。 古代中国是当时造船和航海的先驱。春秋战国

33、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，18651866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

34、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

35、员和上海交通大学船电专业教授们共同开发的HD8A数控自动操舵仪，但一直未出现有影响力的品牌或产品。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 7 1.4 主要研究内容 本课题针对当前舵机体积大、质量重、舵角定位精度不高、控制系统复杂且可靠性差等问题，应用先进的传动机构，采用适应性强的控制方法，设计一套体积小、质量轻、定位精度高、动态特性好、控制系统稳定可靠的舵机。具体地讲，本课题主要探讨和研究了以下几个方面的内容： 运动转换机构的选择。综合分析了国内外现有转舵机构的特点及存在的问题，根据舵机要求体积小、质量轻、传动效率高等特点，选择滚珠螺旋作动器作为运动转换机构。 液压系统的设计。为提高舵机转角精度，提

36、高系统集成度及可控性，降低换向冲击。通过分析现有液压驱动系统，设计了以电液比例阀为核心的液压回路。 电气控制系统研究。由于舵机操舵室与舵机室距离远，且中间干扰源多，设计了以PLC作为控制单元，通过CAN总线传输信号的控制方式，有效解决了舵机控制器可靠性及控制信号传输的速度慢及质量不高等问题。 控制算法研究。应用现代控制理论，将传统的PID控制与模糊控制相结合，设计了舵机的模糊PID控制器，提高了控制器的精确性与适应性。并建立舵机系统的数学模型，对系统的动态性能进行了仿真分析。 重庆大学硕士学位论文 2 系统方案设计 8 2 系统方案设计 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

37、部分组成。如图2.1所示。 图2.1 船舶舵机系统组成 Fig.2.1 Component of steering gear 2.1 转舵机构 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。 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

38、图2.2所示。 图2.2 十字头式转舵机构 Fig.2.2 Crosshead-style steering structure 重庆大学硕士学位论文 2 系统方案设计 9 当舵转至任意舵角时，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： 2002coscos4cosmmmRDzpRPMzQRz= （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随舵角的增

39、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 Fig.2.3 Roller steering structure 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： 200cos4mmMzQRDzpR= （2.2） 上式表明：当D、0R和P既定时，滚轮式

40、转舵机构所能产生的转舵扭矩将随的增大而减小。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 重庆大学硕士学位论文 2 系统方案设计 10 图2.4 摆缸式转舵机构 Fig.2.4 Swing-cylinder steering structure 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

41、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，油缸摆角将随油缸的安装角(中舵时油缸摆角)和舵转角而变。一般使中舵时最大，最大舵角时为零或接近于零。但不论舵角如何，角总是很小。如果忽略，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。 回转式转舵机构911。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 Fig.2.5 Rotating blade steering structure 重庆大学硕士学位论文 2 系统方案设计 11 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

42、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： 0mMzPAR= （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

43、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12。 图2.6 转舵力矩与转角关系 Fig.2.6 Relationship of steering torque and rotation 新型转舵机构13,14 重庆大学机械传动国家重点实验室梁锡昌等老师发明了滚珠螺旋作动器，其是针对现代高性能飞机对前缘襟翼驱动系统提出的体积小、重量轻、承载能力大、工作可靠和维修方便等要求，从缩短传动链出发，把液压传动和滚珠螺旋传动巧妙的结合起来，所发明的一种新型传动机构。该机构如图2.7所示，由液压缸、传动轴、滚珠副等部分组成。 重庆大学硕士学位论文 2 系统方案设

44、计 12 图2.7 滚珠直旋作动器 Fig.2.7 Rotary actuator ball straight 其结构特点：用液压缸驱动作动器，可以应用液压缸现有技术：密封性能好，油液泄漏量小，可达到较高的工作压力，加工简单、技术成熟。采用该机构作为转舵机构后，不论舵角如何变化，都无侧推力作用。作动器采用滚珠副，机械传动效率高且结构紧凑、占地面积小（体积仅为转叶式1/2）。这种新型转舵机构既拥有转叶式舵机的优点，又克服了其泄漏量大，不适合用于高压的缺点。其转动力矩： 00tan2tan2MFdPAd= （2.4） 式中：P液压缸两侧油压差；A液压缸活塞有效作用面积；0d螺旋作动器直径；逆螺旋机

45、构螺旋升角；总效率，一般为0.850.9。 上式表明：基于滚珠逆螺旋的转舵机构所产生的转舵扭矩与舵角无关，扭矩特性与转叶式类似，在坐标图上是一条与横坐标平行的直线。虽然该机构优势明显，但由于滚珠逆螺旋传动轴直接与舵杆相连，虽然液压及控制系统可以冗余设计，但作动器以及液压缸却只能一个。所以滚珠螺旋作动器，现阶段不适合作为巨型船舶的转舵机构。本文设计的就是基于此种转舵机构的舵机。 2.2 液压系统方案1528 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

46、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，特别适合中重庆大学硕士学位论文 2 系统方案设计 13 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

47、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 Table2.1 Performance of electro-hydraulic control valve 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

48、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-机械转换 力或力矩马达，功耗小比例电磁铁，功耗中 步进电机、高速开关过滤精度 15m 约25m 无特殊要求 滞环/% 约1 3 0.1 动态响应 高（100500HZ） 中（频宽10150HZ）较低 中位死区 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 3 1 1 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

49、，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。 重庆大学硕士学位论文 2 系统方案设计 14 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

50、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2.8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