【液压舵机系统的设计分析案例4700字】

液压舵机系统的设计分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u9514液压舵机系统的设计分析案例 147771.1舵机设计总体要求 1401.2工况分析 2168121.1.1液压传动需要完成的运动 269881.1.2舵的选择 2162151.1.3舵效应 3240981.1.4舵转速的要求 3184111.1.5舵及舵杆的受力分析 4172191.3执行元件主要参数的确定 6178041.4液压系统原理图的拟定 7180291.4.1确定执行元件的形式 7160071.4.2确定回路类型 7287241.4.3选择合适的回路 71.1舵机设计总体要求传统应用系统可能存在以下的缺陷：（1）低压、低位、失电、断相时不能正常报警。（2）安全阀未定期检测，超压时不能正常启动。（3）连接软管老化，密封件失效导致漏油。（4）在规定时间(28s)内，舵角不能从一舷35度转至另一舷35度。（5）舵角指示器偏差大，有跑舵现象（该缺陷必须在航行时才能查出）。（6）在断电时，45s内不提供应急动力源。（7）线路接头老化，控制电压、油压不足。（8）轮机员不能熟练进行应急操舵。（9）舵机间通道不畅，有杂物，舵机间地面无防滑措施。通过查阅资料、应用软件及指导教师的指导，对舵机液压系统及需要解决的问题进行分析，需要解决的问题：（1）为保证减摇效果，应尽量提高转舵速度。（2）为保证航行安全，应保持原有的工作可靠性。（3）由于操舵速度的提高，有可能会在舵机换向时产生冲击振动。破坏船体平衡，一定要设有缓冲装置。（4）新增机组溢流阀的设计问题。为尽可能简化系统，原设计中，新增机组是没有设置溢流阀的，溢流只能靠原机组的溢流阀。事实上，多次出现新增机组组合密封垫片爆裂现象。是因为在新增电磁阀换向瞬间，阀口存在全部关闭的问题，造成管路压力瞬时升高。增加溢流阀之后，再未出现此现象。1.2工况分析1.1.1液压传动需要完成的运动因为舵机有液压压力可以使舵杆转动，而舵杆转动又带动了舵叶转动，使得作用在舵叶上的压力改变，从而改变船舶的航行方向。如下图所示：图1.1船舵结构图1.1.2舵的选择舵的种类很多，分类的方法也很多。按舵的剖面形状分为：1)平板舵：

仅用一块金属板或木板做成的、结构简单的、水平剖面呈直线的舵。这种舵在帆船上有广泛的应用。2)流线型舵：

舵的骨架是由水平隔板和垂直隔板组成的，船体是由水密的钢板覆盖而成的空心体，其水平剖面呈机翼形。具有小阻力，大升力的特点，也有广泛的应用。按舵杆轴线位置分为:1)不平衡舵：

舵杆轴线全部位于

舵叶之前的舵，舵杆轴线到舵压力中心的距离较大，转舵所需力距也大。2)平衡舵：舵杆轴线位于舵叶偏前中位置，舵杆轴线到舵压力中心的距离较小，转舵所需力距也小。转舵所需的舵机功率也小。也存在舵在工作时容易摆动，不利于航向的稳定。3)半平衡舵：由不平衡舵与平衡舵组成，不平衡舵在上，平衡舵在下转舵。不平衡舵和半平衡舵在工作时不容易摆动，有利于航向的稳定，但所需的舵机功率较大。为了使航向稳定性好，此处选择流线型不平衡舵。（图1.2是不平衡舵、平衡舵、半平衡舵）图1.2舵类型示意图1.1.3舵效应操舵后因为舵会受到水流作用产生舵力，进而引起船首回转、横向移动、船速下降、船体横倾等现象，可以认为舵效就是船体对舵的响应。船舶转向或稳向必须要有舵力，航行时，正舵是不产生舵力的，只有在转舵时舵叶与水流有一冲角，使舵的迎流面与背流面产生压力差，进而形成舵力。船首能向转舵方向偏转，是因为舵力对船舶重心产生了回转力矩。偏转速度受舵浸水面积、舵处有效流速、舵角的影响。要想舵力达到最大，舵角须增大到最大35°，超过35°时，舵的背流面涡流区增大，舵效反而会降低。满舵时的舵角就定在舵效最好的时候。船后退时，原本舵叶的迎流面就会变成背流面，会产生与航进时方向相反的舵力。船首能向转舵反方向偏转。由于船后退时螺旋桨效率低、螺旋桨吸入流对舵作用力小、排出流又不作用于舵上，所以后退时的舵效没有航进时舵效好。1.1.4舵转速的要求如图1.3所示，船舶处在航行的状态时，船体重心和水动力在舵叶上的中心之间存在高度差（Hr）。当操舵某一角度后，作用在舵叶上的水动力除了产生改变航向艏摇力矩之外，同时也产生了横摇力矩。因此只要正确地控制转舵的方向、大小和相位，就可以利用操舵时产生的横摇力矩来抵消波浪扰动时引起的横摇力矩，就可以实现舵减摇。图1.3舵减横摇原理图船体重心与舵叶上的水动力作用中心之间具有一定高度差（Hr），当船舶在航行时，操舵某一角度后，作用在舵上的水动力不仅能产生艏摇力矩改变航向，还能产生横摇力矩。因此要想达到舵减摇的目的，就必须要正确地控制转舵的方向、大小和相位，让波浪扰动引起的横摇力矩与操舵产生的横摇力矩相互抵消。船舶的横摇运动和艏摇运动对操舵的响应有较大差异，在频域上表现为低频操舵主要影响艏摇运动但对横摇影响较小，高频正好与之相反。只有大幅度提高操舵速度，才能既可以使舵减摇又不对航向产生较大的影响。照上述分析可得，能够影响舵减摇效果的一个重要条件是转舵速度，为保证舰艇应用舵减摇系统后的减摇效果，必须对原液压舵机作相应的改造，使其转舵速度能从1.3°/s（转舵时间28s）提高到8°/s～10°/s(转舵时间7.1～6.4s），以满足系统的要求。1.1.5舵及舵杆的受力分析舵所受力F分为舵力PR与舵本身的惯性力。由于只需计算转矩及惯性矩，因此只需计算舵力PR垂直于舵中线的正压力PN及惯性矩REF_Ref30594\r\h[4]。δδ（+）（-）PLPRPNPDPT图1.4舵受力原理图其中设舵叶浸水面积为AR=4m2，船速20km/h。舵叶对水速度为20km/h=5.56m/s。海水流速为1-1.5m/s,取舵叶对水速度为VR=7m/s。根据前面所述，舵角δ=35°取最大值35°，如图1.4，其中δ表示舵角（°）PL表示升力（N）PD表示阻力（N）PR表示舵力（N）PN表示正压力（N）PT表示摩擦力（N）AR表示舵叶浸水面积（m2）VR表示舵叶对水速度（m/s）则舵力PN=576.2ARVR2sinδ=576.2×4×72×sin35°≈64.8kN。（1.1）设舵力PN作用点与舵杆中心距离为1.5m。则舵力矩为T1=1.5PN=64.8×103×1.5=9.72×104N·m设舵的质量为5吨。那么舵的惯性矩T2=ma=（mΔV）/Δt（1.2）W=10°/s=π/18rad/s，液压缸活塞的最大运动速度为Vmax=WR=(π/18)·1=0.17m/s（1.3）其中ΔV-速度在Δt时间内的变化值Δt-启动、制动或速度转换时间。可取Δt=0.01～0.5s。考虑到安全因素，这里取Δt最小值计算，取Δt=0.01s，取ΔV=V=0.17m/s那么T2=ma=（mΔV）/Δt=（5×103×0.17）/0.01=8.5×104=1.82×105N·m设舵杆与销距离为L=60cm=0.6m所以液压缸活塞受力F=T/L=(1.82×105)/0.6=3.03×105N1.3执行元件主要参数的确定执行元件的主要参数是指其工作压力和最大流量REF_Ref1272\r\h[5]。（1）执行元件为液压缸，其型式按《中华人民共和国船舶行业标准-海洋船舶液压舵机》选择，本系统选择B型-往复活塞式，见下图图1.5B型往复式活塞缸根据各种设备常用系统工作压力及液压缸的公称压力系列（GB/T7938-1987）初选液压缸的工作压力为P=16MPa综合考虑排液腔对活塞产生的背压，活塞处密封及导套产生的摩擦力，以及运动件质量产生的惯性力等的影响，一般取机械效率ηcm=0.8～0.9，这里取0.8F=PAηcm（1.4）A=F/(Pηcm)=3.03×105/(16×106×0.8)=0.024m2又πd2/4=A液压缸内径D===0.175m（1.5）根据GB/T2348-1993将液压缸内径圆整为D=200mm（2）活塞运动速度V=(q/A)ηcv（1.6）Vmax=0.17m/s=0.17×60m/min=10.2m/min取容积效率ηcv=0.98那么qmax=VmaxA/ηcv=(10.2×0.024)/0.98=0.25m3/min=1.5×102L/min对选定后的液压缸内径D，必须进行最小稳定速度的验算。要保证液压缸节流腔的有效工作面积A，必须大于保证最小稳定速度的最小有效面积Amin，即A>(qmin/Vmin)（1.7）式中qmin-流量阀的最小稳定流量，由产品样本查得GE系列调速阀AQF3-E10B的最小稳定流量为0.05L/min。由《中华人民共和国船舶行业标准-海洋船舶液压舵机》的技术要求：主操舵装置应具有足够的强度和能力，使舵从一舷35°转至另一舷35°，并在35°处输出公称扭矩，舵从一舷35°转至另一舷35°所需时间不大于28s。Wmin=70°/28s=0.044rad/s所以活塞缸的最小运动速度Vmin=Wmin·R=0.044×0.6=0.0264m/s=1.584m/minAmin=qmin/Vmin=（0.05×103）/（1.584×102）=0.32cm2A=0.024m2=240cm2>Amin可见液压缸能达到所需低速。1.4液压系统原理图的拟定1.4.1确定执行元件的形式液压传动系统中的执行元件主要有液压缸和液压马达，由于此系统需使舵在一定范围内摆动，故选用液压缸驱动，并应采用液压缸固定，活塞杆运动的方式。1.4.2确定回路类型由于此系统为中型船舶舵机液压系统，所以具有较大空间用来存放油箱且不另设散热装置，所以选择开式液压系统REF_Ref1099\r\h[6]。为使系统工作时安全可靠，避免船舶因失控而发生事故，应设置两套液压能源，一套工作，一套备用。也可两套同时工作，以并联合流供油，加快转舵速度。为此还须防止两泵间的相互干扰，系统中还应设置安全保护装置等。1.4.3选择合适的回路考虑到船舶在转舵速度及航行稳定性等方面的要求，做出如下选择（1）调速方式的选择由于舵机外负载变化较大，且要求速度的稳定性，所以宜采用调速阀调速回路，调速方式决定之后，回路的循环形式也随之而定。调速阀或节流阀调速一般采用开式回路。（2）速度换接方式的选择本系统采用电磁阀的快慢速换接回路，它的特点是结构简单、调节行程比较方便，阀的安装也较容易REF_Ref1014\r\h[7]。（3）平衡方式的选择船舶在行驶时，舵受到水流及漂浮物等的外负载，或舵本身需要保持在一定的舵角时，就需要舵能够锁紧，为此，系统中应设有起到平衡作用的回路。本系统采用双向液压锁结构，这种结构锁紧性能比平衡阀好。（4）卸荷回路方式的选择舵机外负载变化较大，且长期在小负载下工作。舵“锁紧”时，应无须液压系统供油，故须设有卸荷回路，以减少功率损失和油液发热。此系统中，由于采用电磁换向阀，因此可以选用中位机能为M型或H型的电磁换向阀，以实现卸荷功能。（5）压力控制方式的选择本系统在泵处设有溢流阀防止系统压力过高，另外在液压缸进油管路上设有双向溢流阀，当遇到特大外负载时，双向溢流阀开启溢流，防止系统过载，此双向溢流阀起双向安全阀的作用REF_Ref952\r\h[8]。（6）整机系统原理图的编制整机的系统图主要由以上所确定的各回路组合而成，将挑选出来的各个回路合并整理，增加一些必要的元件或辅助回路，加以综合之后构成了一个完整的系统。所设计的系统既要结构简单、安装维护方便、工作安全可靠、动作平稳、效率高，也必须要满足工作机构运动要求及生产率此时还需注意以下几个方面的问题：1）为了力求系统结构简单，可以去掉多余或重复的元件，同时一定要仔细认真的钻研，确保由于某个元件的去掉或并用不会干扰系统正常运行。2）为确保设备及操作人员的人身安全，需要增设安全装置。3）必须要高度重视工作介质的净化。尤其是那些比较精密、重要的设备，可以单设一套具有自循环功能的油液过滤系统。4）对于那些大型的贵重设备来讲，为确保连续生产，要在液压系统的关键部位加设必要的备用回路或备用元件。5）为便于系统的安装管理、检测维修，需要在回路上适当位置装设一些截止阀、测压点。6）尽可能选用标准元件和定型的液压装置。拟定舵机液压系统简图如下：图1.6舵机液压系统简图根据上面舵机液压系统简图，确定两套系统方案：1）方案一系统原理图如图1.7，利用电液换向阀换向，平衡阀锁紧，双向溢流阀防止系统过载。系统特点：设置了安全措施，可以避免船舶因失控而发生事