淺析漁船舵機系統設計

何周進

摘 要 漁船上操作控制舵的重要裝置就是舵機，其主要功能是保證船舶在給定的航線上按照人的意圖航行，確保安全航行?，F代船舶大多采用電氣式系統和機械式舵機。但在現實 應用中液壓系統舵機具有體積小、占用空間小、重量輕，速度調節方便，易于實現自動過載保護和自動化，使用壽命長，零件潤滑性好等優勢。由于傳統船舶舵機系統普遍存在的局限性，我們構造的新型舵機系統利用了數字液壓技術，既具有功能強大、知識簡單的優點，又保留了傳統液壓舵機原來的優點。而且容易與衛星定位系統、上位機算機結合，組成自動駕駛系統，在長距離航行中實現自動導航控制。

關鍵詞 漁船 舵機系統 安全航行

中圖分類號：U662 文獻標識碼：A

0引言

舵機液壓控制系統有兩種基本控制方式，即閥控型和泵控型，而液壓復合控制則是兩種控制的衍生物，即閥泵串聯控制、電液復合控制、閥泵并聯控制等。這幾種系統固有的靜態特性和動態特性，在系統精度、動態指標系統響應速度、系統復雜程度、總體布置等方面，有著較大的差異性和局限性。本文從分析閥控型舵機和泵控型出發，采用數字液壓技術解決傳統舵機所存在的弊端。用新型轉舵機構，不但減小了舵機重量及體積；還能使船舶舵角的定位精度在航行時得到有效提高，減小換向沖擊及噪聲，降低航行能耗；增強舵機自適應能力，提高了舵機的動態性能；為高性能漁船舵機的設計提供一定的指導意義。

1傳統船舶舵機系統

1.1伺服閥控舵機系統

伺服閥控舵機系統由電液伺服閥、舵機液壓缸、定量泵、電動機、伺服放大器、舵角反饋機構等組成。工作原理是由自動駕駛儀或操作人員給出方向角度值為4～20mA ， 作為設定值送到伺服放大器，舵機上角位移傳感器與其數據相比較，比較結果如果出現差值，差值放大處理后，將其轉變為伺服閥線圈的電流驅動信號，轉換成液壓流量輸出， 油缸被推動前進，帶動舵機轉動，直到設定值與角位移傳感器輸出值相等為止。舵機靠位移傳感器在液壓伺服閥系統中閉環鎖定，一旦在工作狀態電氣系統斷電，則閉環系統不能鎖定，有可能造成伺服閥在中位時有泄漏，因此采用了一種新的伺服泵控系統。

1.2 伺服泵控舵機系統

伺服泵控舵機系統由電液伺服閥、舵機液壓缸、變量泵、電動機、變量機構、伺服放大器、舵角反饋機構等組成。為了伺服閥控系統更為完善，使用雙向驅動的伺服變量泵作為新的舵機系統控制系統，在伺服變量泵上安裝伺服閥，由一個小型伺服油缸驅動變量泵的斜盤機構 控制流量和方向可以通過改變斜盤的轉角實現，舵機油缸的進退控制就可以完成了。角位移傳感器仍在新的舵機上安裝，當需要位置后尾舵到達后，變量泵的將會斜盤回到中位，流量輸出為零，鎖定舵機。發熱少和傳動效率高是這種閉式系統的最大優點，舵機鎖定可以油泵泄漏多少決定。但需增設補油回路，以解決系統泄漏是其最大缺點。

2現代數字液壓船舶舵機系統

2.1數字液壓油缸

數字油缸是數字液壓油缸的簡稱。在液壓缸內部把液壓滑閥、步進電機、閉環位置反饋組合設計，液壓油源接通，所有的長度或角度控制功能，通過專門計算機、PLC可編程控制器或數字控制器發出的數字脈沖信號來完成的高新科技產品。在油缸內安裝由數字液壓閥、液壓油缸和電信號轉換單元、位置反饋結合的整體，對外僅需連接上控制用電脈沖信號和高壓油管、低壓油管即可，使電脈沖信號對應每一個固定的油缸行程變得簡單有效，完成不同運動效果可以由不同頻率控制和脈沖數量決定。數字缸內部備有驅動裝置、傳感器、數字閥等，從油缸外部看，只有一個電插頭、一個回油口和一個進油口。例如，一個電脈沖由每零點零一毫米的油缸位置運動對應，如需數字液壓油缸在十毫米的位置運動在十秒內完成，油缸每運動一毫米需要一秒時間，而一毫米的位移變化對應的電脈沖為一百。采用頻率為一百赫茲的脈沖，電脈沖信號一共發出了一千個， 數字油缸規定的位移行程便可在規定的時間內完成。走完相同的行程如需在五秒內完成，則電脈沖頻率提高到二百赫茲即可。通過改變發出的脈沖數量，即可增大如需的運動行程。

2.2數字液壓舵機系統原理及優點

因為鋼制海船建造規范與入級時對船舶舵機的要求，舵機系統利用數字液壓缸搭建。脈沖信號從自動駕駛儀發出由數字液壓缸接受，位置閉環在其內部構成，位置傳感器也就不再需要，自動駕駛儀由角度儀信號輸出，角度顯示完成。該系統蓄能器供油用定量泵完成，一般情況下兩缸會同時工作，如果一缸出現故障，另一缸也可以單獨完成工作，滿足鋼制海船建造規范與入級對船舶舵機的要求。在發生緊急故障情況下如停電，也可以使用人工進行操控。另外，具有自我鎖定功能的數字缸，數字信號只要不輸出， 即使施加外力作用油缸也不會擺動。在停泵期間的液壓泵，鎖定舵機可以依靠蓄能器的壓力進行，即使海浪拍打也不會發生飄舵現象。還可以利用該系統設置UPS電源，即使發生短時間的停電，也能實現遠距離控制。數字液壓舵機系統的數字缸內部集成了執行、控制、反饋功能，無需任何算法調整和參數給定，僅連接好液壓管路和送入電脈沖信號， 為實現對舵機的控制系統通過改變脈沖的數量和頻率來完成。由液壓完成該系統能量傳遞，電脈沖信號完成信號傳遞，因此這種數字液壓舵機系統功能強大，原理簡單，便于機務人員使用和管理。數字液壓舵機系統通過專用控制器或計算機控制，可以與外界進行通信。如與利用定位及通訊衛星進行通信，自動駕駛儀可以完成整個航線的航行，實現長距離自動導航控制。

3結束語

近幾年我國海洋漁業進入了快速發展時期，但我國目前漁船嚴重滯后的配套設備制造能力已遠遠不能滿足船舶主體制造能力，大多數高性能配套設備還需要從國外進口，因此在很大程度上嚴重制約我國船舶行業發展能力?？刂拼昂较虻闹匾O備是船舶舵機，其性能的好壞在船舶的運動性能上起著決定作用，是船舶主要的輔機之一。新型液壓舵機系統利用數字液壓缸搭建完成，具有維護方便、系統簡單、操作容易、控制精度高、安全可靠等特點，可全自動、半自動、手動多種操作，在大型船舶舵機控制系統優點更加明顯。

參考文獻

[1] 劉江華.船舶舵機系統控制優化設計[D].中山大學碩士論文，2013.

[2] 趙飛旭.船舶舵機電力保障系統設計與優化[D].中國海洋大學碩士論文，2012.