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液压与气动CHINESEHYDRAULICS&PNEUMATICS2000No.1P.16-18舵减摇技术应用中液压舵机系统的改造陈建平朱越健摘要：文章针对某艇舵减摇技术应用中液压舵机系统的改造，对其工作原理，改造内容及关键技术问题等作了详细分析。关键词：舵机；舵减摇；液压；自动驾驶仪分类号：TH137.9文献标识码：B文章编号：1000-4858(2000)01-0016-02▲1舵减摇工作原理如图1所示，船舶在航行状态时，舵叶上的水动力作用中心和船体重心之间存在一高度差（Hr）。当操舵某一角度后，作用在舵上的水动力除了能产生艏摇力矩改变航向外，同时产生横摇力矩。因此只要正确地控制转舵的方向、大小和相位，利用操舵产生的横摇力矩来抵消波浪扰动引起的横摇力矩，就可以达到舵减摇的目的。图1舵减横摇原理图由于船舶的横摇运动和艏摇运动对操舵的响应存在明显的差异，在频域上表现为高频操舵将对横摇产生明显影响而对艏摇影响很小，相反，低频操舵主要影响艏摇运动而对横摇影响较小。为了使舵在减摇的同时不对航向产生明显影响，必须将原操舵速度大大提高。2液压舵机改造要求由以上分析可知，转舵速度是影响舵减摇效果的关键因素之一，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2.3°/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。改造的指导思想是：既要提高转舵速度，以保证减摇效果，又要保持原设计应有的工作可靠性，以保证航行安全；非减摇工况时，能立即切换回原舵机工作状态，即保持原舵机及其自动控制的工作状态和性能指标不变。改造中对原机组不能有不可逆转的更换，这给系统改造带来很大困难。改造后主要技术指标如下：最大转舵速度：10°/s（转舵时间为6．4s）系统工作压力／设计压力：10．6MPa／13．25MPa电机功率：4×4kW舵减摇时舵角1／3有义值：≤10°舵减摇时最大舵角：±25°3液压舵机改造3．1改造方案图2是舵机液压系统原理图，根据船检规范要求，系统有2套机组互为备用，也可同时工作。另外有手动应急系统，以确保舵机能正常工作。图2液压系统原理图原单油源机组工作时，转舵速度为2.3°/s，双机组工作时，转舵速度为4.6°/s。为达到8～10°/s转舵速度要求，另增加2套油源机组。一般操舵时，采用原机组工作，原舵机及自动控制的工作状况及性能指标不变。舵减摇工况时，4套机组同时工作，使转舵速度达到总体要求，详见图2。3．2所需流量及功率计算原舵机液压缸型号为HDYG-140／70-385EC，则单行程液压缸最大流量为：Q＝（π／4）×（142＋142－72）×38．5／1000＝10．37L根据中华人民共和国船舶检验局《钢质海船建造规范》对舵机的各项要求，为保证舵机转舵时间，各种转舵速度下油源机组所需流量如表1所示。表1各种转舵速度所需流量转舵时间(s)转舵速度(°/s)额定流量(L／min)28(原机组)2.2823.48881.876.410102.33系统工作压力p1为10．6MPa。，按《钢质海船建造规范》要求，电机功率必须满足工作压力及泵确保流量所需的功率，其过载系数不大于1．6。新增机组液压泵采用与原机组相同的25SCY-14-1B手动变量泵，电机功率计算结果见表2。表2各种转舵速度所需电机功率转舵速度(°/s)所需流量(L／min)泵型号所需功率(kW)电机型号额定功率(kW)817.525SCY4-1B3.8Y-J112M-44922.725SCY4-1B4.9Y-J112M-44(K＝1.23)1022.825SCY4-1B6Y-J112M-44(K＝1.5)计算结果表明，泵及电机可以满足要求。4.液压系统改造内容改造后液压系统各部分说明如下。4．1新增机组系统新增机组主要由泵、电机、电磁阀、单向阀及溢流阀等组成，其作用是增加流量和功率。吸油管从原机组人孔盖引出，泄油管和回油管从原机组人孔盖引入。原机组液压泵出油口增加单向阀，以防止回油。这样设计不破坏原机组设备，仅是更换2块人孔盖，满足设计要求。4．2过滤系统由于流量增加，原机组过滤器通过流量不够，需增加2个过滤器。在原过滤器回路串接另1个过滤器，型号为XU-A63×30S，回油口从另一边人孔盖接入，不破坏油箱。4．3管路系统由于流量增加，原机组管径偏小，主油路由22×3改为28×3，以尽量减小压降和功耗。4．4电磁换向阀能否提高转舵速度，电磁换向阀也是一个关键。原机组采用10通径电磁阀，其流量可达80～100L／min，舵减摇工况时，系统总流量最大为102．33L／min，每个电磁阀通流量约为51L／min，能满足要求。为确保电磁阀在较高频率工况下工作，将关键的电磁换向阀改用REXROTH原装进口阀。其他阀件影响不大，不必更改。4．5电控系统为达到舵机改造的要求，对原艇上自动驾驶仪进行改造。如图3所示，在自动驾驶仪上增加一个舵减摇控制器。舵减摇工况时，通过切换开关由舵减摇控制器操舵，把混有减摇指令的操舵信号输出到原机组电磁阀上。同时，新机组电磁阀工作，使新机组也进入运行，以达到减摇目的。非减摇工况时，切换开关切换回自动驾驶仪，由自动驾驶仪操舵。同时，新机组卸载，回油至油箱。图3电控系统原理图舵机舱增加一个双路4kW电机起动箱，有机舱手控和驾驶室遥控切换开关，机舱手控优先，相应控制系统增加电机过载及断相保护报警显示。5改造中的关键技术问题5．1舵机装置的强度问题舵减摇工况时，操舵速度提高较多，原极限载荷强度校核方法已不再适用，应参照减摇鳍疲劳强度的校核方法进行校核。参照鳍的设计经验，对舵机系统的舵杆进行校核［2］，计算结果表明，艇以18节航速航行时，舵杆强度能满足规范要求，不同的船，其舵杆强度设计均不一致。因此，对每条改造的船，舵机系统的舵杆应严格校核。5．2冷却系统设计该艇装备有减摇鳍，配有两个ZLQGW-A1．46L型冷却器，冷却水泵50CL-30A。原机组工作频率较低，油箱没有配置冷却器。现转舵速度大大提高，系统发热增加，为保证系统长时间正常工作，参照减摇鳍使用工况，增加2个同型号冷却器，冷却水流量为60L／min，冷却水从减摇鳍冷却水泵引出，主管路为45×2紫铜管，到舵机舱后分为2路，分管路为32×2紫铜管。2个冷却器的冷却水统一由舷边排出。对于没有冷却水泵的船，应加大油箱或增设冷却水泵，确保系统的正常工作。5．3缓冲装置由于操舵速度提高，可能会造成舵机换向时产生冲击振动，解决办法有：(1)操舵液压缸改用胶管接头22III-1600（JB1887－77）；(2)液压缸进、出油口增设NXQ-L0．6蓄能器（带截止阀）。回路中增加蓄能器后，对系统响应带来不利的影响（液压系统响应时间不能大于0．2s，否则，减摇效果大大降低）。蓄能器带截止阀后，可以根据具体情况操作。5．4新增机组溢流阀的设计问题为尽量简化系统，原设计中，新增机组是没有溢流阀的，溢流靠原机组的溢流阀。实际调试中，多次出现新增机组组合密封垫片爆裂现象。原因在新增机电磁阀换向瞬间，阀口有全关闭的过程，造成管路压力瞬时升高。增加溢流阀后，再未有此现象。5．5舵机互为备用问题舵减摇工作时，4台机组必须同时工作，若其中1台机组出现故障，则无法实现舵减摇功能，舵机仍旧回到单台机组或双台机组工况，满足船检规范要求。6小结舵减摇装置在不破坏原舵机系统的前提条件下，通过局部的改造，成功地达到设计要求。舵减摇系统改造完成后，己交付使用，实用证明，改造是成功的。舵减摇技术在该艇上的成功应用，为现有无任何减摇装置艇的改造，创出了一条新路。■作者单位：陈建平(中国船舶科学研究中心水下工程室，江苏无锡214082)参考文献：［1］钢质海船建造规范.中华人民共和国船检局,1996.［2］李积德.舵水动力学计算及舵杆强度校核，1997，10.收稿日期：1999-09-13