1、摘要 本文主要介紹為保證船舶平安航行，船舶舵機應滿足那些條件。“育鯤輪上轉葉式舵機的工作原理和轉舵機構的介紹，以及舵機的電氣控制。對變頻器控制的轉葉式舵機的轉舵機構進行簡單的表達。校實習船的舵機控制分為自動、隨動和手動三種方式。其中對各種控制方式做了比擬詳細的介紹。然后對舵機可能出現的問題進行故障分析及管理建議。關鍵詞 ：舵機 舵機原理 轉舵機構 電氣控制 故障分析AbstractThis paper mainly introducoed ship steering gear should satisfy those conditions, in order to ensure the saf

2、e navigation of ships. Steering gear working principle and the introduotion the turnning of the vane steering gear in “YUKUN.Wheel and steering gear electrical controls. Inverter control of the turn vane steering gear steering bodies briefly. Servo control of the school training vessel into automati

3、c servo and control three ways. Which a more detailed introduction to the various control methods. At last, introducting steering gear problems that may occur for failure ,analysis and management proposals.Keywords：steering gear working principle turnning of the steering gear inverter control proble

4、m analysis目錄前言1“育鯤輪舵機系統概述2“育鯤輪舵機主要技術參數.2“育鯤輪舵機工作原理2“育鯤輪舵機系統的組成3“育鯤輪轉舵機構和概述.4變頻器控制的轉舵機構概述4育鯤輪轉舵機構特點6“育鯤輪舵機的控制系統.6 舵機的自動控制系統63.1.1 舵機的自動控制概述.63.1.2 育鯤輪自動導航航跡舵.7 舵機的隨動控系統7 舵機的應急控制9 控制方式的選擇和控制地點的切換10 控制系統的放大單元11故障分析和管理注意要點.12故障現象和故障分析.13舵機管理注意要點.13總結.14參考文獻.14致謝.14前言船舶在海上或江河中航行時船舶的航向必須得到控制，否那么船舶不可能按照人們的

5、意愿來完成預想的航線。然而絕大多數的船舶都是用舵來控制航向的。舵機的作用可見一斑。舵機系統就如陸地上汽車的轉向系統，控制著船舶航行的方向。現代的船舶主要用的是電動液壓式舵機，他可以分為往復式和轉葉式兩大類。無論是什么類型的舵機系統都應該滿足船舶變向有效操控舵葉動作。因此舵機應滿足如下根本條件。1對于1萬噸以上的油船發生舵機單項故障時舵扇、舵柄損壞或轉舵機構卡阻除外而喪失工作能力是應該在45s鐘內恢復。2對于舵機的液壓系統的要求。a平安閥：在液壓系統中任何被隔斷的局部都應該設平安閥，平安閥的開啟壓力不小于1.25被最大工作壓力，且不大于設計壓力。b液壓系統：系統中循環油箱都應該設置低液位報警器，

6、液壓缸體上與各管路連接處應設隔離閥。c檢測和報警：當發生各類事故故障時能給出聲光警報。3一定要具備一套主操舵裝置和一套輔操舵裝置，或者一個操舵裝置有兩套相互獨立動力設備。4一般應該設有兩套以上的且相互獨立的控制系統，且在駕駛臺和集控室都能對舵機進行控制。但如果是采用的液壓遙控系統，除了1萬噸以上的油船也可以不設第二套控制系統。5對于舵桿的直徑大于230mm的船舶，舵機必須要除了主動力源以外的其他的動力源。這個替代的動力源可以是舵機室的專用的獨立電源也可以是應急電源。替代電源必須能在45s鐘內向其中一套操舵設施及其控制系統和舵角指示提供動力。6操作靈便。主輔操舵裝置均應能在駕駛室和舵機室進行控制

7、，主操舵裝置的每臺動力裝置也均能在駕駛室控制，并能方便地進行切換。7在舵機室駕駛室都有舵角指示。8應設有舵葉偏轉限位開關，一般35。9有三種操舵方式自動、隨動、手動。(10)液壓舵機實驗。液壓舵機在車間里進行不少于100小時的持續實驗，合格后安裝上船，再進行1.25被設計壓力實驗以檢測液壓密封性。第一章“育鯤輪舵機系統概述1.1 “育鯤輪舵機主要技術參數舵機技術參數主要包括轉舵機構參數、液壓油泵參數和變頻電機參數。轉舵機構參數舵機型號： SR723FCP最大工作壓力： 125bar設計壓力： 156bar最大扭矩： 412KNm試驗壓力： 234bar舵桿直徑： 320mm最大機械舵角： 24

8、4電氣限制舵角： 243運行時間1臺泵/2臺泵： 28/14s30035平安閥設定壓力： 156bar液壓油泵參數型號： FCP75平安閥設定壓力： 125bar試驗壓力： 188bar變頻電機參數型號： NORM IEC 160LB4速度： 1450rmp額定壓力： 17，5KW(SI)電壓： 3380V，50HZ保護等級： IP551.2“育鯤輪舵機工作原理圖1-1所示為型號是SR723-FCPSR：Spherical Rotary；FCP：Frequency Controlled Pumps的舵機的液壓系統。它采用的是球型轉子式轉葉式舵機。該系統利用可反轉的液壓泵，驅動液壓油泵的電動機是

9、受變頻器控制的。駕駛臺的轉舵信號通過變頻器控制液壓油泵的排量和轉向，壓力油進入轉舵油缸，而轉舵油缸中的油回到循環油柜中。當舵葉轉到所需要的舵角時，液壓油泵停轉，并由控制閥鎖閉油路。圖1-1 育鯤輪SR723-FCP泵控型舵機液壓系統原理圖1.3 “育鯤輪舵機系統的組成育鯤輪上的舵機是RollS-Royces的，其系統包括隨動舵和應急操舵系統，它由駕駛臺主控板和左右翼駕駛臺的舵令發送單元、控制系統、舵機控制箱、變頻器、電機、泵和液壓系統以及反應裝置、報警單元組成。Kongsberg的自動舵系統是由自動電源、分配電箱、控制單元、主計算機和反應單元組成。圖1-2育鯤輪舵機系統組成第二章“育鯤輪轉舵機

10、構和概述2.1 變頻器控制的轉舵機構概述完整的轉舵機構是由兩個變頻器控制的可逆轉的油泵單元，止回閥和電動反應單元組成。分配閥與液壓油泵單元的高壓油管是在制造廠安裝好的，轉舵機構內部都灌滿了液壓油。這個轉舵機構在設計上是非常緊湊的，這樣就可以使管路安裝的工作到達最小化。動力馬達單元是由兩個由彈性聯軸節連接到電動電機上的可逆轉的油泵組成。這種轉舵機構與那些油泵長久運轉，液壓油被調速閥控制的傳統的轉舵機構相比這個FCP系統在工作上有很大的不同。在正常的情況下油馬達和電動機都是停止運轉的。這就意味著油泵和電動機只有在有轉舵和停舵信號時，在舵已經到達我們想要的位置是才動作。分配閥中的閥會鎖住舵的位置。那

11、他的優點就是工作時間短、能量消耗少、工作噪音低、工作溫度低、系統整潔干凈還有可以到達預想的長壽命。對各個油泵的電動機的控制器分別設有各自獨立從主配電板直接供電的線路。運轉操作控制的和各個轉舵單元的動力是由為對應的電動機提供電源的電源提供。因此這兩個系統都是有電力系統和液壓系統組成且是相互獨立的。在一個系統中出現的問題不會影響到另一個系統的正常操作。這個轉舵機構也可以接收從駕駛臺發來的起/停的控制信號，或者有操控桿控制以及其他動力控制系統的控制。在駕駛臺的主控制屏上包含了數個轉舵系統控制的遙控模塊。報警控制屏一般是分開安裝的，主報警控制屏被安裝到機艙的集控室當中。在沒有認為的操作時一個或兩個液壓

12、油泵單元可以單獨或同時驅動轉舵機構。通過停止一臺電動機，對應的油泵就會自動的脫離系統而不會被用到。如果有一個油泵單元發生機械問題，或在系統中發生管路和電器故障不會阻礙到其他的單元工作。他的控制系統被設計成油泵重啟模式，在動力源出現故障或停斷時運轉。在舵機間有一臺齒輪泵會在應急的情況下提供動力給轉舵機構供舵機運轉。轉舵的舵角與輪子轉速成正比關系。 圖2-1 育鯤輪上轉舵機構如圖2-1所示，1舵桿；2轉子；3軸套；4電機上殼體；5電機下殼體；6下軸承；7上軸承和舵桿上部密封；8下部密封；9轉子殼體密封；10安裝軸套注油孔；11吊環；12安裝活塞；13閥塊；14過濾單元2.2 育鯤輪轉舵機構特點如圖

13、2-1所示，“育鯤輪舵機的轉舵機構設計成球形,轉子和轉葉做成一體，轉子上的密封件由做成一體的合成材料構成，這樣的結構使轉舵機構能夠承受或吸收較大的震動和沖擊。三個轉葉在環形油缸內帶動舵桿以恒扭矩轉舵。球形轉子使內摩擦力降低到最小，同時消除了舵桿可能彎曲而引起對轉舵機構的附加作用力。舵桿1安裝于轉舵機構中央位置。軸套3與舵桿接觸的內外表是圓柱形，外外表是錐形，它與轉子內孔的錐形面相配合。轉子與舵桿之間的轉舵力矩是靠軸套的靜摩擦力傳遞的。轉舵機構與變頻電機由螺栓緊固在一起，結合面安裝密封環保證液壓油不會泄露。轉子安裝在殼體內部，在轉子和殼體上下部結合面處安裝有軸承。下軸承承當轉子、舵桿及舵葉的重量

14、以及轉舵時所產生的力，軸承由液壓油進行潤滑。轉子和殼體中部形成液壓油環形空間，三個定子和三個轉葉將其分隔成六個空間。另外，轉子和殼體之間安裝密封裝置，對液壓油空間密封，允許少量油泄露潤滑軸承。轉子伸出殼體處有上下密封裝置，防止液壓油向外漏泄。第三章“育鯤輪舵機的控制系統3.1 舵機的自動控制3.1.1舵機自動控制概述 “育鯤輪上的自動舵控制是非常先進的航跡舵，它是按照船舶對航向的偏離角度來控制船舶的航跡，其操舵的系統其實是在隨動舵的根底上省去了手輪，再加上航向反應而形成的，它是舵角反應和航向反應的雙閉環控制系統。圖3-1舵機自動控制的雙閉環系統示意圖以船舶偏航角和偏航角速度的大小和方向調節的比

15、例-微分舵和以船舶偏航角、偏航角速度及偏航角積分的大小和方向來調節的比例-微分-積分舵。比例控制：按偏航信號成比例提供舵角指令信號；微分控制：又叫反舵角，當船舶返回給定的航向時，起阻尼作用，克服船舶的慣性；積分控制：自動糾正船舶航向，在船舶由于受到固定的干擾風、潮流、水流等而偏離航線時，自動使船回到設定的航線上。3.1.2 育鯤輪自動導航航跡舵“育鯤輪自動舵是自適應自動舵，具有航向保持，自動導航航跡系統ANTS，即航跡舵功能。自動舵是一個很復雜的電子系統，受海況、船速、船殼形狀和尺寸大小的影響。AP2000型自動操舵儀是一種自適應自動舵，能夠自動適應船況和海況。在限制范圍內，自動舵能夠識別船舶

16、的操縱性能。這通過比擬數學模型和實船本身的輸出來實現，通過這個比擬得到的參數被用來產生最優的控制舵角，最終使船舶保持在預設的航向上。由于船舶數學模型比擬簡單，對參數的估計只在轉向和一定限速范圍內進行。這個速度范圍設為效勞航速30%。超出這個范圍的速度將會鎖定這個估計程序，這就意味著自動舵將使用超出這個范圍時所計算出的最近參數。由于速度的改變，速度增益調度將處理在操縱性能上的改變。就如：與20節相比自動舵在10節的情況下用舵次數更多。另外，這種自適應自動舵也能估計船舶周圍波浪的影響，從而減少在惡劣天氣條件下的用舵次數。對自動舵來說，船速的輸入非常重要，對水速度和對地速度用來鑒別對地和對水的相對速

17、度，對水速度用來計算正確的控制舵角，在航線轉向時對地速度用來計算航向的改變。用于自動航向保持的速度通常來自安裝時設置的對水和對地計程儀。在自動導航航跡控制時，對水和對地的速度通常來源于導航裝置或者電子海圖系統。3.1舵機的隨動控制系統對于隨動操舵控制系統，只要操作人員給出某一操舵指令，系統就能自動的按指令吧舵葉轉到所要求的舵角上，并自動使舵葉停轉。圖3-2舵機隨動控制單環控制圖上圖是隨動操舵系統方框圖。它是按偏差進行調節的。信號的消除不是通過人而是通過舵葉的偏轉來到達的。亦即與舵柱機械的連接一個信號發送器，舵葉轉動時，發出反應信號，如果反應信號和控制信號相等時，就將控制信號抵消，使偏差信號等于

18、零，舵葉停止轉動，只要向一個方向扳動操舵手輪，舵葉就向某一方向偏轉，待舵偏轉到所要求的舵角時，舵將自動停止，從而實現舵機的自動調節。隨動舵一般是在駕駛臺進行操作控制。駕駛臺通過手輪的轉動發送所想要的舵角大小以及舵的轉向。這個信號一般都是以電壓或電流的形式傳遞的，傳送到比擬器前通過數模轉換器轉換成數字信號。然后在比擬器中與測得的實際的舵角與舵的方向進行比擬，比擬之后產生一個偏差值。再由這個偏差值控制變頻器的動作進而控制電動機的轉向和轉速。電動機的動作直接帶動液壓油泵的動作，再通過液壓油驅動舵桿實現轉舵的目的。在轉舵過程中還會測得反應信號來控制舵桿的轉動，防止舵轉到要求的舵角繼續轉動而出現跑舵的現

19、象。其系統的結構如下圖。圖3-3隨動操舵系統圖3.3舵機的應急控制 在育鯤上應急的的操作分為駕駛臺的應急操舵和在舵機間的應急操舵兩局部組成 。在駕駛臺應急控制在舵機的主控制屏一般都會有為了應急操舵而設的隨動操舵的按鈕。應急操舵按鈕一般都是有最高優先級的配置，所以當舵在運轉的時候其他的操舵模式就不會連接上。如果優先級高的操舵方式被用到，一個可聽見的信號就會激發。這個報警信號可以按蜂嗡器釋放按鈕重設。為了恢復正常的操舵方式，要把轉換開關轉向釋放的位置 。 在舵機間的應急控制在舵機馬達上的電磁閥可以被用到通過在電磁閥上的應急設施。在馬達控制器上的選擇器開關一定要轉換到當地控制位置。如果安裝了應急手動

20、液壓泵一般都是安裝在舵機間里。為了操作這個液壓泵，鏈接液壓泵的閥必須要翻開。應急操舵的程序應提供應每一個操舵機構。他們都陳列在駕駛臺和舵機間里。應急操舵是通過人力直接控制控制運動機構的應急按鈕或應急舵桿來對舵機進行控制的方式。圖3-4應急操舵控制圖3.4控制方式的選擇和控制地點的切換在操舵的各個系統都正常時，操舵方式的選擇是根據船舶的航行狀態、航行區域以及天氣的情況來確定的。當有其中的操舵系統出現故障時也不得不選擇其他的控制方式。自動控制：是在船舶在海上航行或開闊的水域航行，且船舶本身與天氣狀況的條件允許，船舶處于固定航行，使用自動舵來替代手動操舵。隨動操舵：當船舶進出港和在狹窄水道航行或是在

21、自動舵故障時使用。應急操舵：在自動操舵和隨動操舵同時故障時使用。要求在駕駛臺和舵機間都設有操作點。圖3-5操舵模式選擇圖在圖3-5中：STEERING MODE 1、STEERING MODE 2、STEERING MODE 3 為三種操舵模式；K50、K60、K70為選擇操舵地點是常開還是常閉信號；K51、K61、K71為三種操舵模式的選擇開關。11AC、12AC、13AC是反應限幅12AC是公共端口。ODER=FB是舵角反應信號。COMPERATOR50、COMPERATOR60、COMPERATOR70是三種操舵模式下舵令信號與反應信號的比擬輸出信號。圖3-6操作地點選擇與原理圖如圖3-

22、6中：IN_COMMANDE_50、IN_COMMANDE_60、IN_COMMANDE_70為三個不同的操舵 地點；IN COMMANDE LIGHT MODE 1、IN COMMANDE LIGHT MODE 2、IN COMMANDE LIGHT MODE 3為三個不同操作地點的指示燈。它是由比擬器信號、反應舵角信號和脈沖電源信號經過兩個與門，一個或門和JP50、JP60、JP70等跳鍵來選擇操舵地點的。在真正的操舵模式被選之前，操舵儀的舵令信號必須等于實際舵角位置，“IN COMMANDE按鈕才能被觸發即可以進行操舵地點轉換。如果操舵儀的舵令信號不等于實際舵角位置，“IN COMMAN

23、DE燈將閃爍顯示操作者必須改變舵令信號，而且舵令必須在67秒內改變。中選擇了正確的操舵模式，操作地點即已確定，“IN COMMANDE燈將從閃爍變成恒亮，這個功能只用于隨動操舵。3.5控制系統的放大單元圖3-7控制系統的放大板原理圖當操舵模式為隨動時，圖3-7上14AC為高電位，繼電器線圈K2有電，那么圖上兩個常閉輔助觸點斷開，一個常閉觸點閉合。14AC的高電位經過與非門和與門使D/A轉換器的觸發信號為0，使D/A轉換器開始轉換。舵令信號和反應單元的電源為+-5V。舵令信號發送：假設為左舵，正信號從8AC經過反向放大器后經模數轉換器和數模轉換器。轉換后的負信號經過運算放大器其中電阻器P31為舵

24、令增益調節，電阻器P30為零位調節放大，放大的負信號經過跳鍵JP60與反應信號集合。舵角的反應信號回路：11C、12C、13C為反應信號輸入端其中12C為公共端，因舵令信號為左舵所以反應信號為負信號經過運算放大器進行放大，再經過11A、12A、13A進行限幅，限幅后的負信號經過反向器后變為正信號與舵令信號集合。集合后的信號經過運算放大器運算放大器的電阻器P60為靈敏度調節放大，放大信號輸出送往舵機控制器。因為集合信號是舵令發送的負信號和反應的正信號的疊加，相當于形成了一個負反應。也就是說實際舵角越接近舵令舵角時，集合信號越小，發送到舵機控制器的信號就越小，那么電機的轉速越慢，舵桿的轉動速度就變

25、慢，這樣可以實現舵機平穩的起停。故障分析和管理注意要點4.1 故障現象和故障分析故障現象一：自動操舵與隨動操舵相互之間不能轉換，自動操舵或隨動操舵向應急操舵可以正常轉換。故障原因：這種現象一般都是因為操作失誤造成的。根據育鯤輪舵機說明書的要求，自動操舵與隨動操舵相互轉換時操舵指令舵角必須和反應指示舵角相同才能進行相互轉換。否那么將不能進行正常轉換。然而由自動操舵或隨動操舵向應急舵轉換那么由于應急操舵有最高的優先權，所以在轉換時可以正常轉換。正確操作：首先將操作輪調至舵角指示的位置，然后在進行轉換。或在舵角顯示為“0是進行模式轉換。故障現象二：船舶在廣闊海域航行時用自動舵的操舵模式，在航行過程中

26、舵葉總是頻繁的轉動。是船舶的航向不穩定。故障原因：在自動操舵模式下，控制舵機轉動的信號有多個。比方GPS定位的精確船位、羅經測得的船舶的航向、電子海圖上已經畫好的航線以及計程儀的所測數值。這這些控制信號中如果有一個信號出現錯誤就會影響舵機的正確動作。后經過檢查發現是由于計程儀顯示的數值不穩定，從而導致舵機的動作不穩定，舵葉頻繁的轉動。現在的解決方法是隔斷了由計程儀送出的信號，給它一個固定的信號而使舵機穩定。4.2 舵機管理注意要點1舵機的工作環境。舵機間應該保持清潔、枯燥和適合的溫度，以防止機械、電器元件過熱腐蝕、過熱等造成損壞，保證設備的工作性能，并為管理人員提供有力的工作環境。冬季注意供熱保溫，夏季和潮濕季節應注意適當通風。2油箱油位。高置油箱和補油箱的油位應保持在油位計的三分之二高度左