轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)特性分析

賀立峰，孫建慶，王慶祥

(天津新港船舶重工有限責(zé)任公司 天津300452)

轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)特性分析

賀立峰，孫建慶，王慶祥

(天津新港船舶重工有限責(zé)任公司 天津300452)

針對(duì)金屬密封型(動(dòng)態(tài)軟基硬密封)轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)的滑舵問(wèn)題，通過(guò)對(duì)船舶舵機(jī)的分類(lèi)、工作特點(diǎn)、操舵模式等進(jìn)行分析，闡明了轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)有其缺點(diǎn)卻應(yīng)用廣泛的原因，并通過(guò)剖析該類(lèi)型舵機(jī)油腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，結(jié)合造船實(shí)例，得出了舵機(jī)滑舵現(xiàn)象與液壓油腔密封型式的關(guān)系，進(jìn)而提出幾點(diǎn)優(yōu)化方法。

滑舵 轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī) 船舶 密封型式 操舵

0 引 言

由天津新港船舶重工有限公司承建的中遠(yuǎn)4萬(wàn)t系列散貨船，1#船試航期間，船東提出：該船裝配的金屬密封型轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)滑舵問(wèn)題嚴(yán)重，不利于船舶港口工況和應(yīng)急工況的操舵要求。該問(wèn)題不但體現(xiàn)了船東對(duì)該舵機(jī)滑舵問(wèn)題的不滿(mǎn)，也對(duì)該類(lèi)型舵機(jī)的安全性、可靠性提出了質(zhì)疑，對(duì)船舶的建造、交船以及該類(lèi)型舵機(jī)在其他項(xiàng)目船舶上的選用都造成了重大影響。

1 轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)的應(yīng)用與特點(diǎn)分析

針對(duì)該問(wèn)題，船廠設(shè)計(jì)部與舵機(jī)廠家、自動(dòng)舵廠家、CCS船檢進(jìn)行了深入的技術(shù)交流，并精研了舵機(jī)設(shè)備資料、CCS規(guī)范、SOLAS規(guī)范等，以期查出滑舵問(wèn)題的根本原因并解決該技術(shù)難點(diǎn)問(wèn)題。

為闡明轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和廣泛性，并剖析出該型式舵機(jī)滑舵問(wèn)題的原因，下文將從舵機(jī)的分類(lèi)、各類(lèi)舵機(jī)的特點(diǎn)、規(guī)范和法規(guī)要求的操舵模式和轉(zhuǎn)舵時(shí)間要求、轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)的設(shè)計(jì)原理和特性等方面進(jìn)行逐步分析。

1.1 舵機(jī)的分類(lèi)及特點(diǎn)

舵機(jī)按不同的動(dòng)力源，可分為手動(dòng)、蒸汽驅(qū)動(dòng)、壓縮空氣驅(qū)動(dòng)、電驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)等幾種型式。目前，大、中型船舶上電動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)型式的舵機(jī)使用較為普遍。

電動(dòng)液壓式的舵機(jī)，可按轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)分類(lèi)為往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式，基本特點(diǎn)如下：[1]

1.1.1 往復(fù)式液壓舵機(jī)

柱塞式：扭距隨舵角增大而增大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造安裝方便，有側(cè)推力，15,kNm≤扭距M≤6,000,kNm。

活塞式：尺寸小，重量輕，有側(cè)推力，適用于功率不大的舵機(jī)，15,kNm≤扭距M≤1,500,kNm。

1.1.2 轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)(又名回轉(zhuǎn)式)

舵機(jī)優(yōu)點(diǎn)：布置緊湊，占地小，安裝方便，可靠性強(qiáng)，關(guān)鍵部件為轉(zhuǎn)葉油缸。工作油缸適用于中、低壓力。

密封特點(diǎn)：①型式1，軟密封(合成橡膠或尼龍條)，存在泄露，壽命短，需要定期更換；②型式2，硬密封(金屬密封，鑄鐵或其他材質(zhì))，壽命長(zhǎng)，可靠性高，但相對(duì)于軟密封，竄油量大。

1.2 舵機(jī)的操縱模式

根據(jù)SOLAS公約第Ⅱ-1章第29條“UI SC094操舵裝置的電動(dòng)操舵控制系統(tǒng)的機(jī)械和電氣獨(dú)立性”要求：[4]應(yīng)設(shè)有兩個(gè)獨(dú)立的操舵裝置控制系統(tǒng)，其布置應(yīng)能保證在兩者之一發(fā)生機(jī)械或電氣故障時(shí)不會(huì)導(dǎo)致另一系統(tǒng)不能工作。

基于此，SOLAS規(guī)范推薦滿(mǎn)足的設(shè)計(jì)示例有3種，滿(mǎn)足其中一種設(shè)計(jì)示例即為滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)駕駛室操舵的設(shè)計(jì)要求。目前，國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)洋船舶舵機(jī)的操舵系統(tǒng)以滿(mǎn)足“示例2”的配置居多，“示例2”的配置見(jiàn)圖1。

圖1 示例2的配置Fig.1 Configuration of Example 2

由“圖1”的“示例2”分析可知，要求舵機(jī)具備雙套獨(dú)立的轉(zhuǎn)舵泵組單元，同時(shí)，配備雙套操舵系統(tǒng)在駕駛室，該兩套操舵系統(tǒng)均可獨(dú)立操作任意一套轉(zhuǎn)舵泵組單元。當(dāng)任一轉(zhuǎn)舵泵組單元或操舵系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)影響另外一套轉(zhuǎn)舵泵組單元或操舵系統(tǒng)的功能。且兩套轉(zhuǎn)舵泵組單元均可實(shí)現(xiàn)舵機(jī)室的本地操舵。

根據(jù)SOLAS、船級(jí)社規(guī)范以及船東相關(guān)要求，舵機(jī)的操作模式基本概括如下：[3-4]

1.2.1 駕控臺(tái)操作

自動(dòng)操舵，具有自動(dòng)修正功能(AUTO)；隨動(dòng)操舵(手動(dòng)舵輪操舵)，具有自動(dòng)修正功能(FU)；非隨動(dòng)操舵，不具有自動(dòng)修正功能(NFU)。

1.2.2 舵機(jī)室操作

控制箱非隨動(dòng)操舵不具有自動(dòng)修正功能(NFU)；機(jī)旁手柄操作電磁閥，不具有自動(dòng)修正功能。

1.3 轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)的設(shè)計(jì)原理

轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)的基本工作是液壓泵組通過(guò)向轉(zhuǎn)葉油腔注入高壓滑油，驅(qū)動(dòng)油腔轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)舵桿轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)舵角度。

現(xiàn)以我廠某散貨船項(xiàng)目配置的MACGREGOR PROSGRUNN AS/Norway轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)為例，概略介紹轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)的設(shè)計(jì)原理。[2]

舵機(jī)液壓油路原理圖見(jiàn)圖2。[2]

由圖2可見(jiàn)，該舵機(jī)為雙液壓泵組單元，雙油腔布置，需要操舵機(jī)某個(gè)舵角時(shí)，單泵或雙泵為其中1個(gè)油腔注油。

當(dāng)為a腔注油時(shí)，油壓上升，油腔成為高壓腔，葉片受壓逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并將扭矩傳給舵桿，舵葉隨舵桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。反之，當(dāng)為b腔注油時(shí)，舵葉順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 舵機(jī)液壓油路原理圖Fig.2 Schematic of hydraulic pressure oil line of steering engine

1.4 轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

根據(jù)上文對(duì)轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)的特點(diǎn)分析可知，轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)在實(shí)船應(yīng)用中布置緊湊，占地面積小，安裝方便，工作可靠性強(qiáng)，適用于中、低壓力。相對(duì)于撥叉式、擺缸式、柱塞式等型式的舵機(jī)，轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)無(wú)卡死現(xiàn)象的優(yōu)點(diǎn)尤為突出，該優(yōu)點(diǎn)得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵部件在于舵機(jī)的液壓油腔設(shè)計(jì)。

轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)是依靠高壓油驅(qū)動(dòng)油腔內(nèi)的轉(zhuǎn)葉旋轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)舵桿、舵葉完成操舵的。轉(zhuǎn)葉與油腔的上下端面、側(cè)壁之間必然存在一定的間隙量，以滿(mǎn)足轉(zhuǎn)葉的順暢轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)卡死。同時(shí)，轉(zhuǎn)葉軸承、舵承也是通過(guò)液壓油來(lái)清洗和潤(rùn)滑的，那么，高壓油腔的液壓滑油勢(shì)必會(huì)通過(guò)部件間的間隙，竄油至低壓側(cè)，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)舵過(guò)程中、轉(zhuǎn)舵完成后都有一定程度的滑舵現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)決定的。

針對(duì)轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)的滑舵問(wèn)題，為盡量減小滑舵角度，通過(guò)對(duì)多家舵機(jī)廠家的咨詢(xún)了解，設(shè)計(jì)著眼點(diǎn)在于轉(zhuǎn)葉與油腔的上下端面、側(cè)壁的密封型式上。不同密封型式及優(yōu)缺點(diǎn)如下：

1.4.1 軟密封

材質(zhì)：通常為合成橡膠、尼龍條等。

安裝：固定于轉(zhuǎn)葉的上、下便面和側(cè)面，可拆卸。優(yōu)點(diǎn)：泄漏量小。

缺點(diǎn)：使用壽命短，需要定期拆卸、更換，易粘連。

1.4.2 硬密封(動(dòng)態(tài)軟基硬密封裝配圖，見(jiàn)圖3)

圖3 動(dòng)態(tài)軟基硬密封裝配圖Fig.3Assembly drawing of hard sealing of dynamic soft foundation

安裝：將金屬密封條安裝于轉(zhuǎn)葉上下端面、側(cè)面的密封槽內(nèi)，金屬密封條通過(guò)背部彈簧負(fù)荷壓緊在油缸內(nèi)腔壁上，從而在密封表面形成動(dòng)態(tài)軟基硬密封，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用磨合后，密封面接觸更加優(yōu)良，密封效果更加優(yōu)越。

優(yōu)點(diǎn)：耐磨損，無(wú)需更換，使用壽命與舵機(jī)壽命相同。

缺點(diǎn)：相對(duì)于軟密封，泄露量大。

2 硬密封轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)滑舵問(wèn)題的實(shí)證與改良

轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)的滑舵問(wèn)題經(jīng)我廠某散貨船項(xiàng)目的航行試驗(yàn)印證確實(shí)存在，且基于轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和工作方式，滑舵現(xiàn)象幾乎無(wú)法避免，該型式的舵機(jī)雖然滿(mǎn)足船級(jí)社“單泵28秒、雙泵14秒的常規(guī)操舵”和“60秒完成應(yīng)急操舵”[3]的工作性能要求，但為提升船員在特殊航行作業(yè)期間操舵的便捷性和安全性，降低舵機(jī)滑舵的速度，減小隨動(dòng)FU模式下的舵角修正角度，已經(jīng)列為設(shè)計(jì)相關(guān)部門(mén)的研究重點(diǎn)。

首先，減小FU模式的修正角度，可通過(guò)自動(dòng)舵控制系統(tǒng)調(diào)整舵角修正帶寬來(lái)減小修正角度，但前提是必須降低滑舵的速度，否則會(huì)出現(xiàn)頻繁糾正舵角(振舵)現(xiàn)象。

那么，如何降低滑舵速度？這要從硬密封型式的轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)的內(nèi)部設(shè)計(jì)特點(diǎn)入手考慮。滑舵的根本原因是轉(zhuǎn)葉、轉(zhuǎn)葉軸承、油腔、舵承之間工作面的高壓滑油竄油，那么降低竄油量就是降低滑舵速度的直接手段。

如何降低竄油量？各參研人員通過(guò)研究分析，提出過(guò)多種方案，比如為轉(zhuǎn)葉密封條的背部彈簧加強(qiáng)彈性、將金屬硬密封條更換為橡膠軟密封條、提升液壓滑油的粘度等等。經(jīng)過(guò)多方的研究和討論，最終確定提升液壓滑油粘度的方案具備最佳可行性。

針對(duì)該方案，我們采用不同粘度的液壓滑油，對(duì)同型號(hào)的硬密封轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)進(jìn)行了航行操舵試驗(yàn)。FU隨動(dòng)模式下，通過(guò)提升液壓滑油的粘度和調(diào)整舵角修正帶寬，使得舵葉的偏移角度由原來(lái)的2.5,°減小為1,°，且修正頻率由原來(lái)的9次/min減小為6次/min，改良措施的印證效果明顯。

NFU應(yīng)急模式下，通過(guò)提升液壓滑油的粘度，使得10,°舵角、20,°舵角、30,°舵角、35,°舵角回0,°舵角的時(shí)間都延長(zhǎng)40 s左右，且每1,°的滑舵時(shí)間都延長(zhǎng)2 s左右，改良效果顯著。

經(jīng)上分析，提升液壓滑油的粘度確實(shí)能夠降低舵機(jī)的滑舵速度，但為了降低舵機(jī)滑舵速度而采取提升液壓滑油粘度方法的同時(shí)，還必須慎重考慮轉(zhuǎn)舵液壓泵組的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率是否滿(mǎn)足提升滑油粘度所帶來(lái)的功率負(fù)荷的增加要求，否則，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)在惡劣條件下的超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)而引起燒毀。考慮電機(jī)功率的同時(shí)，還必須合理匹配其他所有的電器元件。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)的性能分析，該型式的舵機(jī)具有占地小（轉(zhuǎn)舵油腔與轉(zhuǎn)舵泵組緊湊集成）、安裝方便（集成式舵機(jī)）、工作穩(wěn)定（無(wú)卡阻問(wèn)題）等突出優(yōu)點(diǎn)，且金屬硬密封持久耐用，免拆換和保養(yǎng)，與舵機(jī)使用壽命相同等優(yōu)勢(shì)更為突出。

由于高壓滑油竄油導(dǎo)致的滑舵問(wèn)題，可通過(guò)合理匹配適當(dāng)粘度的液壓滑油來(lái)降低滑舵的速度，并可適當(dāng)調(diào)節(jié)自動(dòng)舵的舵角修正帶寬來(lái)實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)舵期間的舵角修正大小，這種改良措施彌補(bǔ)了轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)法避免的不足，特別對(duì)于金屬密封型的轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)，該優(yōu)化措施的效果更加顯著。■

［1］ 輪機(jī)工程手冊(cè)編委會(huì).輪機(jī)工程手冊(cè)—中冊(cè)[M]. 1版，北京：人民交通出版社，1993：2065-2071.

［2］ Macgregor P. Rotary Vane Steering Gear Working Drawing[Z]. 2ed.，2014：6-20.

［3］ 中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[M]. 北京：人民交通出版社，2015：257-264.

［4］ 國(guó)際海事組織.SOLAS公約[M]. 北京：人民交通出版社，1974：77-80.

The Particular Performance Analysis of Hydraulic Type Rotary Vane Steering Gear

HE Lifeng，SUN Jianqing，WANG Qingxiang
(Tianjin Xin’gang Shipbuilding Heavy Industry Co.，LTD.，Tianjin 300452，China)

Aiming at the rudder slide problem of metal seal type(dynamic rigid seal of soft base)hydraulic rotary vane type steering gear，this paper analyzes types，working characteristics and manoeuvring rudder modes of steering gear and illustrates the reason why hydraulic type rotary vane steering gears have been widely used despite of their shortcomings. By illustrating designing characteristics of hydraulic oil chamber，it finds out the relation between rudder slide and seal type in oil chamber by integrating real ship building cases. In the end，it presents several optimization methods for the rudder slide problem.

rudder slide；hydraulic type rotary vane steering gear；vessel；seal type；manoeuvring rudder

U664.36

：A

：1006-8945(2016)10-0030-04

2016-09-06