全回轉推進器舵角反饋裝置結構及問題的分析

張方華，萬 芬，羅曉園，王建政

(中國船舶重工集團公司第七一一研究所 船舶與海洋工程動力系統國家工程實驗室，上海 201108)

0 引言

全回轉推進器集舵、螺旋槳于一體，通過回轉支承或蝸輪蝸桿裝置，使螺旋槳及整個下齒輪箱單元繞豎直軸作360°旋轉，可提供任意方向推力，大大提高了船舶的機動性、操縱性，近年來被廣泛應用于港作拖輪、渡輪、起重船、鋪纜船、動力定位船等。全回轉推進器的轉舵執行裝置用于驅動全回轉推進器轉舵，舵角反饋裝置可將實際舵角轉化為電信號，反饋到中央控制單元。舵角反饋裝置是全回轉推進器舵角控制系統中的重要部件，其精度、可靠性都直接影響到舵角控制、舵角指示的精度、可靠性。因此，舵角反饋裝置的設計質量對于實現全回轉推進器的閉環控制、舵角指示是非常關鍵的。

目前，全回轉推進器在使用過程中主要出現兩方面問題：一方面設計和調試維修人員不熟悉舵角反饋裝置的結構；另一方面傳統的舵角反饋裝置難以滿足動力定位等高精度控制船舶對舵角反饋裝置的反饋精度的要求。

為此，本文首先分析了2種最常用的舵角反饋裝置結構，即蝸輪蝸桿轉舵、回轉支承轉舵的舵角反饋裝置，并根據實際案例探討降低成本的方法，通過結構分析找出影響反饋精度的環節；其次分類匯總與舵角反饋裝置有關的問題，結合反饋裝置結構的特點，分析問題的原因，提出解決問題的措施。

1 蝸輪蝸桿轉舵的舵角反饋裝置的結構分析和設計

1.1 蝸輪蝸桿轉舵的簡介

蝸輪蝸桿轉舵具有滑動摩擦傳動、結構緊湊的特點，一般多用于小功率全回轉推進器(如額定輸入功率≤735 kW)。蝸桿多采用單頭，減速比

i

一般在40左右。

1.2 蝸輪蝸桿舵角反饋裝置減速分析

蝸輪蝸桿轉舵的舵角反饋裝置，一般安裝在蝸桿非驅動端，其關鍵在于將蝸桿的高轉速減速至與回轉速度相同，即與蝸輪旋轉速度相同，反饋裝置的減速比等于蝸輪蝸桿的減速比

i

。為了實現反饋裝置與轉舵蝸輪蝸桿具有相同的減速比

i

，一般同樣采用蝸輪蝸桿結構，即反饋蝸桿的頭數與轉舵蝸桿頭數相同，反饋蝸輪齒數與轉舵蝸輪齒數相同。因為反饋蝸桿帶動的零部件阻力較小，因此反饋蝸輪蝸桿的模數可以取比較小的值，有利于降低反饋裝置的外形尺寸。若反饋裝置減速比

i

通過圓柱齒輪實現，即使小齒輪取比較小的值(如11齒)，那么大齒輪的齒數(11

i

)也會是一個比較大的值，對機加工、精度、反饋裝置的外形尺寸不利，因此蝸輪蝸桿轉舵的舵角反饋裝置一般不采用圓柱齒輪傳動來實現減速。蝸輪蝸桿轉舵的舵角反饋裝置，在處理不同轉舵蝸輪蝸桿減速比

i

時，一般相應更改反饋蝸輪蝸桿減速比即可，即保證反饋蝸輪蝸桿的減速比與轉舵蝸輪蝸桿的減速比相同。

1.3 降低反饋裝置減速部分成本的方法

為了降低加工生產成本，設計轉舵蝸輪蝸桿減速比

i

時，可以參考蝸輪蝸桿減速機的減速比。若兩者相同，則為了實現反饋裝置與轉舵蝸輪蝸桿具有相同的減速比

i

，完全可以采用成品蝸輪蝸桿減速機。成品蝸輪蝸桿減速機為標準化系列產品，價格較低，包含外部殼體(一般為鋁合金材料)、內部軸承、蝸輪蝸桿、密封等。實際項目采購中心距離63 mm、減速比

i

=40的蝸輪蝸桿減速機，價格約600元。而自行設計生產的反饋蝸輪蝸桿裝置(包括蝸輪蝸桿、軸承、殼體)需要約5 000元。

1.4 蝸輪蝸桿舵角反饋裝置旋向的設計

反饋蝸輪與反饋指針直接連接，反饋蝸輪的旋轉方向即為反饋指針的旋轉方向。為了保證反饋指針的旋向(反饋蝸輪旋向)與全回轉推進器的回轉方向(轉舵蝸輪旋向)相同，設計時需注意反饋蝸桿的旋向。若反饋蝸輪與轉舵蝸輪的位置在蝸桿中心線的同側，則反饋蝸桿的旋向與轉舵蝸桿的旋向相同；若反饋蝸輪與轉舵蝸輪的位置在蝸桿中心線的兩側，則反饋蝸桿的旋向與轉舵蝸桿的旋向相反。

1.5 舵角反饋傳感器和指針等結構設計

舵角反饋裝置經反饋蝸輪蝸桿減速后，反饋蝸輪的轉速與全回轉推進器的回轉速度相同、旋向相同，此時反饋蝸輪便可以帶動反饋傳感器工作。為了安全考慮，一般舵角反饋裝置包含2個舵角反饋傳感器：一個反饋傳感器用于控制，另一個反饋傳感器用于顯示。

舵角反饋裝置需設置機械指針、舵角刻度板。機械指針可以在舵角刻度板上直觀指示全回轉推進器的舵角位置，且機械指針、舵角反饋器都需設計為可調形式，以方便試驗中的調整。為了滿足上述功能，常見的結構是：反饋蝸輪輸出軸帶動機械指針，機械指針通過螺釘固定在反饋蝸輪輸出軸的端部，以實現機械指針的可調。舵角反饋裝置外殼、機械指針的正上面，安裝與反饋蝸輪同心的透明舵角刻度板，便可在外部通過查看機械指針在透明舵角刻度板上的指示位置，確定全回轉推進器的舵角位置。在反饋蝸輪輸出軸上，反饋蝸輪與機械指針之間安裝1個圓柱齒輪。此圓柱齒輪帶動2個齒數相同、模數相同的圓柱齒輪。被帶動的2個圓柱齒輪的旋轉速度與全回轉推進器的回轉速度相同、旋向相反，分別與2個舵角反饋器連接，實現了將舵角的機械位置向電信號的轉化。反饋傳感器旋轉方向與全回轉推進器的回轉方向相反，可在控制系統中設置好，對控制、顯示不產生影響。反饋傳感器通過螺釘、壓板固定在傳感器支架上，可實現反饋傳感器的旋轉調節。上述結構示意圖見圖1。圖1示意圖可以做成一個單獨單元，與反饋蝸輪連接。

①—舵角反饋裝置外殼；②—2個反饋傳感器；③—機械指針； ④—透明舵角刻度板；⑤—傳感器支架；⑥、⑦—3個齒數相同、 模數相同的圓柱齒輪；⑧—傳動軸。圖1 舵角反饋裝置部分示意簡圖

1.6 軸承的選用

蝸輪蝸桿舵角反饋裝置中的軸承多采用滾動軸承，如支承蝸輪的軸承。圖1中的支承輸出軸的軸承，可以采用滑動軸承或者自潤滑滾動軸承。

1.7 傳動齒輪的選用

3個齒數相同、模數相同的圓柱齒輪多采用銅合金材料或復合材料，載荷小，模數可以取1 mm或更小，主要考慮連接的反饋傳感器間不產生干涉。另外，設計時考慮采用成品圓柱齒輪，可有效縮短貨期、降低成本。

1.8 提高反饋精度的方法

蝸輪蝸桿轉舵舵角反饋裝置的精度主要取決于轉舵蝸輪蝸桿的間隙、反饋蝸輪蝸桿的間隙、3個圓柱齒輪之間的間隙。轉舵蝸輪蝸桿的間隙主要取決于蝸輪蝸桿、齒輪箱、軸承座等的加工精度。為了調整轉舵蝸輪蝸桿的間隙，可將轉舵蝸桿兩端的軸承座加工成非同心結構。反饋蝸輪蝸桿的間隙、3個圓柱齒輪之間的間隙，可以通過提高零件加工精度，將間隙控制好。

2 回轉支承轉舵的舵角反饋裝置的結構分析和設計

2.1 回轉支承轉舵的簡介

回轉支承轉舵一般由2個或者多個小齒輪驅動回轉支承實現轉舵，是一種齒輪傳動，一般多用于大功率全回轉推進器。驅動回轉支承的小齒輪可以采用液壓馬達驅動，也可以采用電機驅動。

2.2 回轉支承舵角反饋裝置傳動的分析

回轉支承舵角反饋裝置部分示意簡圖見圖2、圖3。

①—轉舵小齒輪；②—回轉支承大齒輪(內齒圈)； ③—小齒輪1；④—小齒輪2；⑤—大齒輪2(內齒圈)。圖2 內齒圈回轉支承舵角反饋裝置部分示意簡圖

①—轉舵小齒輪；②—回轉支承大齒輪(外齒圈)； ③—小齒輪1；④—小齒輪2；⑤—大齒輪2(外齒圈)。圖3 外齒圈回轉支承舵角反饋裝置部分示意簡圖

回轉支承轉舵的舵角反饋裝置一般不能安裝在轉舵小齒輪的非驅動端，即舵角反饋裝置的輸入軸不是由轉舵小齒輪帶動，而是由回轉支承大齒輪通過小齒輪1帶動。小齒輪1安裝在舵角反饋裝置輸入軸的端部，模數與回轉支承大齒輪相同，設回轉支承大齒輪與小齒輪1間減速比為

i

(增速)。舵角反饋裝置輸入軸的另一端為小齒輪2。小齒輪2的齒數與小齒輪1的齒數相同，因載荷小，模數可以取較小值。小齒輪2帶動大齒輪2旋轉，大齒輪2的模數與小齒輪2的模數相同，齒數與回轉支承大齒輪的齒數相同。設小齒輪2與大齒輪2間減速比為

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，可知

i

=1/

i

，即

i

·

i

=1。如此，回轉支承大齒輪通過小齒輪1、小齒輪2、大齒輪2，使小齒輪2的轉速與回轉支承大齒輪的轉速相同，即與全回轉推進器的回轉速度相同。

由上述關系可知，在設計時，小齒輪1、小齒輪2的齒數不一定與轉舵小齒輪的齒數相同；即使不同，只要保證小齒輪1的齒數與小齒輪2的齒數相同、回轉支承大齒輪的齒數與大齒輪2的齒數相同，便可使小齒輪2的轉速與回轉支承大齒輪的轉速相同，即與全回轉推進器的回轉速度相同。一般設計時，會取小齒輪1的齒數與轉舵小齒輪的齒數相同，模數也相同(都等于回轉支承大齒輪的模數)；因載荷小，厚度可以取較小值。若小齒輪1的齒數與轉舵小齒輪的齒數不同，可以固定為某一個值，對標準化略有利。

2.3 內外齒圈的設計

回轉支承可以為內齒圈(見圖2)，也可以為外齒圈(見圖3)。當回轉支承為內齒圈時，大齒輪2應為內齒圈，以保證大齒輪2的旋轉方向與回轉支承相同；當回轉支承為外齒圈時，大齒輪2應為外齒圈，以保證大齒輪2的旋轉方向與回轉支承相同。

當大齒輪2的轉速、轉向與回轉支承大齒輪的轉速、轉向相同，即與全回轉推進器的回轉速度、方向相同后，便可以與圖1舵角反饋裝置的傳感器部分連接為一體。

2.4 軸承的選用

回轉支承舵角反饋裝置中的軸承可采用滾動軸承，如支承舵角反饋裝置輸入軸的軸承。轉速低、載荷小的部位可以采用滑動軸承，如圖1中支承輸出軸的軸承。

2.5 提高反饋精度的方法

回轉支承轉舵舵角反饋裝置的精度主要取決于小齒輪1與回轉支承的間隙、小齒輪2與大齒輪2的間隙、3個圓柱齒輪之間的間隙。小齒輪1與回轉支承的間隙主要取決于小齒輪1、回轉支承齒輪、齒輪箱、軸承座等的加工精度。為了調整小齒輪1與回轉支承的間隙，可將小齒輪1所在的軸承座加工成非同心結構。另外，可以設計2個相同的小齒輪1，疊加安裝在一起，周向通過彈簧連接，使2個小齒輪1間可產生周向旋轉，這樣可以使2個小齒輪1與回轉支承齒輪的正反轉工作面分別接觸，減小正轉、反轉轉舵的間隙，提高反饋精度。

3 舵角反饋裝置常見問題

全回轉推進器跟舵角反饋裝置的機械傳動部分，因為負荷小，一般出現的問題比較少。如果機械傳動出現問題，只要在轉舵時出現實際舵角在轉動，而舵角反饋裝置機械指針不轉動的情況，便可基本判定是機械傳動出現松動、斷裂等問題。

跟舵角反饋裝置有關的常見問題如下：

(1)舵角反饋裝置上的機械反饋指針可旋轉，但全回轉推進器的實際舵角沒有改變。機械反饋指針旋轉，說明轉舵機構和舵角反饋的傳動系統沒有問題。而實際舵角沒有改變，說明發生舵角改變的部件與轉舵機構的連接環節出現松脫。

(2)在0°舵角航行時，舵角出現小角度的、頻繁的左右擺動，或單方向舵角偏移。首先采用手動轉舵模式，正反方向進行轉舵，同時查看舵角機械反饋指針，需檢查轉舵傳動機構的間隙，若間隙大了，在水流作用下，便會出現舵角無法穩定的現象。其次可將控制模式切換至備用模式(非隨動模式)，若出現舵角偏移，在安全的前提下，可關閉電控系統，若仍出現舵角偏移，則說明轉舵系統的舵角鎖止能力不夠；若未出現舵角偏移，則說明轉舵控制系統有問題，可測量轉舵控制系統輸出到轉舵系統的電信號，通過檢測線路、修正程序、更換元器件解決；若備用模式下無舵角偏移，則說明隨動模式有問題，可通過檢測線路、修正程序、更換元器件解決。

(3)在0°舵角航行時，船舶航線不直。這個問題比較常見，是全回轉推進器實際機械零位與電氣零位不一致導致的，只要調節舵角反饋器或者手柄控制器，便可解決問題。

(4)遙控手柄控制轉舵，舵角機械反饋指針旋轉，但轉舵不停止，或舵角指示表不動作。舵角反饋傳感器是通過壓板固定的，若松開固定螺釘，便可調節舵角反饋傳感器位置。若起控制作用的舵角反饋傳感器出現松動或損壞，便可出現轉舵不停的現象；若起顯示作用的舵角反饋傳感器出現松動或損壞，便可出現舵角表指示錯誤的現象。重新固定或更換相應的舵角反饋傳感器便可解決問題。

4 結論

(1)蝸輪蝸桿轉舵、回轉支承轉舵舵角反饋裝置結構的關鍵在于通過蝸輪蝸桿傳動、齒輪傳動，實現了舵角反饋傳感器與全回轉推進器舵角的同步。

(2)提高蝸輪蝸桿、齒輪、軸承座等零件加工精度，設置可調節間隙的非同心結構，加入彈簧減小正反轉傳動間隙，可提高反饋精度；選用標準的蝸輪蝸桿減速機作為反饋蝸輪蝸桿，可降低成本。

(3)全回轉推進器實際機械零位與電氣零位不一致，舵角反饋傳感器故障、電控系統元器件故障、反饋傳動結構損壞等是導致舵角反饋裝置相關問題的主要原因。針對此問題可以通過對上述環節的檢查、測試確定原因，解決舵角反饋裝置的常見問題。