新型舵機教學平臺故障的仿真驗證

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(集美大學 輪機工程學院，福建 廈門 361021)

舵機是對船舶實施操縱的重要設備，降低舵機故障率與提高輪機操作人員的技能水平是分不開的，而要培養出具備較強操作技能的輪機管理人才，僅靠學習理論知識是遠遠不夠的，還要加強實踐環節的訓練。港口國監督(PSC)的操作性檢查和《STCW78公約》及馬尼拉修正案都強調了對船員實際操作技能的培養和評估[1]。輪機模擬器在實踐教學中具有一定的優勢，但畢竟不是真實的設備操作模式，實踐與感觀上的差別是無法消除的[2]。為使學員能真實地體驗舵機操作環境以及更好的掌握相關知識[3]，建立先進的、完善的液壓舵機教學平臺對船員教學、培訓、評估以及技能水平的提高有著重要的意義。本文中涉及的新型液壓舵機教學平臺是專為交通運輸部海事局某培訓中心開發的教學平臺，對其進行運行測試，從而對舵機教學平臺進行優化改進。

1 新型舵機教學平臺的組成和特點

液壓舵機教學平臺是依據《STCW78公約》及馬尼拉修正案、《中華人民共和國海船船員適任考試大綱》、《中華人民共和國海船船員適任評估大綱和規范》以及《鋼質海船入級規范》等法規要求[4]，以真實的船舶液壓舵機系統為基礎進行設計研發的新型教學平臺，原理及組成見圖1。

舵機液壓系統首次集成開式和閉式兩套性能不同的液壓泵站，配備有隨動操舵儀；教學平臺采用模塊化設計，結構緊湊，系統構成一目了然；可操縱任一套油泵機組單獨工作，又可以同時操縱兩套油泵機組并聯工作；舵機系統設有常見的如失電、過載、斷相、低油位、高油溫、油壓低等故障報警功能，可實現自動檢測報警；舵機系統具有故障模擬演示功能，可實現滯舵、跑舵、沖舵等故障的現場演示；其中1#液壓系統可以實現具有非平衡舵葉的舵機水動力模擬加載工況實驗，轉舵力矩隨舵角的增加而增加[5]。

1-溫度繼電器；2-液位繼電器；3-變向變量泵；4-兩位四通電磁閥；5、12、17-液控單向閥；6、13-安全閥組；7-撥叉式轉舵機構；8-濾油器；9-高壓溢流閥；10-加載閥組；11-三位四通電磁閥；14-定量柱塞泵；15-手搖泵；16-手動換向閥；18-高置油箱

圖1液壓舵機系統原理

2 舵機教學平臺的運行故障描述

液壓舵機的運行測試取決于操舵控制信號。通過舵機艙控制箱上的“操舵位置”開關選擇“舵機艙”或“駕駛室”，駕駛臺操舵儀上的“操舵方式”開關選擇“手動”或“隨動”，就可以通過操舵手柄或手輪進行舵機操作訓練。通過啟動開關啟動1#油泵機組或2#油泵機組運行，同時觀察油壓表至轉舵機構的油壓正常。扳動舵機艙操舵手柄即可實現舵機艙手動操舵。驅動舵機先后向一舷及另一舷作5°、15°、25°、35°的操舵試驗，判斷舵機及控制系統、舵角指示器和舵角反饋裝置是否工作可靠，舵柄從一舷的35°到另一舷30°的轉舵時間是否滿足規范要求。然后換用另一套油泵機組作同樣的試驗。試舵時，無論舵處于何種位置，均不應有明顯的跑舵現象。舵角指示器的指示舵角與實際舵角之間的偏差應不大于±1°，而且舵機在正舵時舵角指示須無偏差。

液壓舵機雙泵并聯運行時，可以提高液壓舵機的轉舵速度，符合轉舵速度與油缸流量的關系，但是，當系統運行一段時間后，泵控系統油箱會出現低油位報警現象，液壓油泵停止工作，無法實現長時間雙泵并聯工作，而兩套不同的液壓系統單獨運行時不會出現類似問題。

經過多次試驗與分析發現，液壓舵機系統雙泵并聯運行可以提高液壓舵機的轉舵速度，但由于兩套系統是不同性能的液壓泵組，1#液壓泵組為閥控開始系統，回油直接到油箱，回油阻力小；2#液壓泵組為泵控閉式系統，系輔泵補油，回油背壓大，阻力大，導致并聯運行時出現液壓油回油不均，轉舵油缸回油到1#油泵油箱，泵控系統油箱油位越來越低，運行一段時間后，達到低油位報警范圍即觸發相應警報。為了驗證上述分析的合理性，對2#液壓泵組進行計算分析。

2#液壓泵組單獨工作時，舵機從最大舵角 35°轉到另一側的 30°，轉舵時間約是21 s，則2#液壓泵組調定的流量Q1為16.82 L/min。而2#液壓泵組輔泵的流量為11.6 mL/r、16.7 L/min，約等于2#液壓泵組調定的流量Q1，可見雙泵并聯工作時，2#液壓泵組基本不回油，靠輔泵補油，轉舵油缸回油全部回流到1#液壓泵組油箱，導致2#液壓泵組油箱低位報警，停止工作。其系統油箱尺寸為0.60 m×0.85 m×0.50 m，油位報警時液面變化值為0.20 m，則油位報警前油量變化V為0.102 m3。撥叉式轉舵機構柱塞直徑為140 mm，柱塞到舵柄的距離為300 mm，雙泵并聯時舵機從最大舵角35°轉到另一側的30°，轉舵時間約12 s，則轉舵油缸的液壓油流量Q2為0.000 491 m3/s。則油箱出現低位報警的時間為207.7 s。

液壓舵機雙泵并聯運行并進行持續的操舵，經過約207 s后，2#液壓泵組油箱就出現低油位報警，液壓舵機停止工作。無法實現長時間雙泵并聯工作。

3 舵機教學平臺的AMESim仿真模擬

AMESim作為液壓系統的一種高級建模和仿真平臺[6]，為用戶提供了一個系統設計的完整平臺，可在同一個平臺上建立復雜的多學科領域系統的模型，集成有魯棒性極強的智能求解器和嚴謹的非連續處理功能以及齊全的線性化分析工具，使用戶在仿真計算后可以非常方便地分析和優化自己的系統。液壓舵機系統的性能參數見表1。

表1 液壓舵機系統的性能參數

液壓舵機教學新平臺的運行參數設置同表1相同。電磁換向閥最大電量信號設為40 mA，泵控機組的油箱高位油位為0.4 m，報警油位變量為0.2 m。

在仿真系統中加入了兩個傳感器：位移傳感器及壓力傳感器。位移傳感器用于測量舵桿的移動位移，通過位移和舵機角度數學函數轉化為角度；通過閉環反饋系統控制液壓油泵的排量，當達到指令舵角時，控制變向變量泵的排量減為0。

壓力傳感器用于測量油箱底部液壓油的壓力值，因油箱采用固定截面積油箱，故壓力值和液壓油高度成正比，當油箱油位在0.2 m時油箱底部油壓大約是1.7 kPa。設置報警壓力值為1.7 kPa，當油箱底部壓力達到壓力報警值時，停止液壓油泵運行。

液壓舵機仿真原理見圖2。

圖2 液壓舵機仿真原理

在液壓舵機仿真模型中設置的仿真時間為250 s(參考上文的計算結果)。啟動 1#閥控系統油泵機組和 2#泵控系統油泵機組并聯運行，推動轉舵機構從一舷的35°到另一舷35°。從液壓油箱油位變化圖(圖3)中可以看出，液壓舵機并聯運行過程中轉舵機構回油全部回流到閥控系統油箱，泵控系統的輔泵工作導致泵控油箱油位直線下降，大概經過212 s觸發報警值(油位高度為0.20 m)，停止液壓舵機工作。

圖3 泵控系統油箱油位變化情況

從圖4和5中可以看出大概經過211 s，閥控液壓系統換向電磁閥控制信號輸出為0，系統自動回油；泵控液壓系統變量泵的排量為0。液壓系統仿真結果與液壓舵機并聯運行情況和上文的計算結果相吻合。

4 結論

在液壓舵機教學平臺系統組成中，泵控的閉式液壓系統與閥控的開式液壓系統的工作原理不同。當兩套不同的液壓泵組并聯運行進行操舵時，由于液壓泵組工作時回油阻力不同，導致油缸液壓油回流不平衡。為防止2#液壓泵組出現低油位報警，確保雙泵并聯工作的正常運行，需在兩液壓系統油箱之間加設一條尺寸合適的連通管以確保回流到1#油箱的液壓油能及時回流到2#油箱。此后在液壓舵機并聯運行進行操舵中就不再出現低油位報警。

圖4 電磁閥控制信號變化

圖5 變量泵排量變化

[1] 孟祥武.STCW公約馬尼拉修正案對中國船員教育與培訓的影響和對策[J].航海教育研究,2010(3):3-5.

[2] 李忠輝,鄭子武.淺談輪機模擬器及其在教學中的應用[J].航海教育研究,2003(2):53-55.

[3] 王馬保.適任考試與評估應重視船員的技能培養[J].航海教育研究,2004(1):68-69.

[4] 中國船級社.鋼質海船入級規范(2006)[S].北京：人民交通出版社，2006.

[5] 朱 鈺.模擬舵裝置加載系統水動力矩模擬的改進設計[J].航海技術,2008(4):47-50.

[6] 劉增光,岳大靈.AMESim軟件在液壓控制系統教學中的應用[J].流體傳動與控制,2009(6):40-41.