舵機液壓系統優化設計

羅超勇

（福建省港設船舶檢驗有限公司，福建 福州 350015）

船舶必須配備控制航向的設備，以便具有良好的操縱性。大多數船舶使用舵作為控制航向的設備。舵機包括使舵動作的動力設備、轉向機構和向舵桿施加扭矩的部件。嚴格來說，舵機是使方向舵能夠動作的動力設備，但船舶通常習慣將整個操舵裝置簡稱舵機。

舵機分為電動舵和液壓舵機，大多數現代船舶使用液壓舵機。液壓舵機利用液體壓力使舵旋轉。其結構由兩個或四個帶活塞的液壓缸組成，所有液壓缸和管道都充滿液壓液體，各管都與電動泵連通。

當轉動舵時，操舵器指示電動泵轉動，電動泵開始吸排液體，使活塞一前一后移動，從而帶動連接在舵柄上的活塞桿前后移動，從而達到轉動方向的目的。這種轉向機構相對簡單、省力、效果好、精度高，因此現代船舶大多使用這種裝置。因此，本文以散貨船上使用的SYYS180-160 液壓舵機作為分析對象。SYYD180-160液壓轉向器由兩套交流電動轉向器動力柜、轉向控制臺、電控啟動箱、轉向器室控制箱和叉式轉向機構組成。

1 舵機主要部件簡介

撥叉式轉舵機構如圖1 所示，一對油缸使用同一個柱塞。柱塞的中間插入并固定一個圓柱形銷釘。銷的上下兩端通過免油軸承設置圓柱滾輪。當柱塞移動時，滾輪圍繞圓柱銷旋轉，同時在舵柄上下端部的叉形滑槽內滾動。

圖1 撥叉式轉舵機構

撥叉式轉向機構組的單舵傳動系統包括一個推舵裝置和一個單舵舵柄，在油的進出口安裝有一個手動隔離閥。推式舵機是將液壓能轉化為機械能，去驅動方向舵的驅動裝置，本撥叉式推舵裝置就是活塞在液壓缸中往復運動，通過撥叉式舵桿的轉向力矩輸出。推舵裝置本身可以保證±36.5°角的極限，推舵裝置配有放氣閥、壓力表閥和機械角度指示器刻度盤，本推舵裝置具有結構簡單、工作可靠、扭矩輸出特性好的特點。

2 液壓系統工作原理

本舵機液壓系統原理（見圖2），它主要由撥叉式轉舵機構組、電控舵機動力柜和操縱臺的電氣控制組成，當駕駛臺操縱臺啟動電動泵后，泵的高壓油經電液閥、背壓溢流閥、回油濾器后回至油箱，駕駛臺操縱臺手動操縱后三個四通閥或轉向手柄則電磁（液）換向閥換向，油泵打出的高壓油經換向閥，舵機專用閥和手動隔離閥，至推舵油缸，使舵按操舵方向偏轉.當松開操舵手柄，舵就停止在所操舵角上（當采用隨動操舵儀操舵時，操舵手柄轉至要求的操舵角，則推舵裝置會自動停止在規定的舵角上）而推舵裝的回油經過手動隔離閥，舵機專用閥和換向閥，背壓溢流閥，回油濾器，回至油箱。舵機艙內的簡易操舵箱也能實現電動機泵組的啟動和簡單操縱。

圖2 液壓系統原理圖

圖3 油缸工作簡圖

3 主要閥件的作用

3.1 舵機專用閥組

該閥組包括主閥和雙向安全閥。主閥具有鎖舵和改善負轉矩工況的作用。當操縱舵手柄后主閥芯移動，舵機專用閥處于工作位置，高壓油通過主閥芯單向閥進入手動隔離閥和推舵油缸。回油通過主閥芯與閥體組成的環形通道流出主閥芯。由于主閥芯的移動位置受彈力和進油壓力的控制，當進油壓力過低時，主閥芯的移動位置不能達到極值位置，而回油環通孔的尺寸因某一浮動位置進油壓力的大小而不同。也就是說，產生一個可變節流口來限制和防止回油速度。當舵葉在動水力矩的作用下，推舵裝置柱塞的運動速度快于油泵供油速度時，主閥入口壓力很低，甚至產生負壓。此時，主閥芯在彈簧力的作用下向復位方向移動，關小回油口。這樣就限制了推舵裝置中柱塞在水動力力矩作用下的運動速度。當水動力油箱發生變化時，主閥芯自動調節節流口，使舵葉即使在水動力的作用下也不會快速移動和爬行。雙向安全閥為兩套彈簧閥芯，可獨立調節舵推裝置兩側壓力。雙向安全閥在不轉向時起保護舵、舵推裝置和管路的作用。

3.2 手動隔離閥

安裝在油缸兩端，手動控制和隔離每套動力柜的作用。

3.3 低壓溢流閥

用于保證電液換向閥所需的最小控制壓力。

3.4 回油濾器

用于液壓油回油的過濾，以確保系統油的清潔度，每個動力柜都配有浮球液位報警器，當液壓低于設定油位時，駕駛室操縱臺會發出報警信號。而兩臺動力柜之間用連通管聯接，確保油位高度基本一致。

4 主要部件的優化設計

舵機是保證船舶操縱性能確保航行安全的重要設備。所以在《國內航行海船法定檢驗技術規則》中對舵機提出了明確的要求：主操舵裝置和舵桿應有足夠的強度，并能在船舶最大航海吃水和以最大營運前進航速前進時將舵自一舷 35°轉至另一舷 35°，并在相同條件下在不超過 28s 內將舵自一舷 35°轉至另一舷 30°；人力操舵裝置只有當其操作力在正常情況下不超過 160N 時方可裝船使用。

舵機的技術參數：公稱扭矩 160 kN.m；滿舵角度 ±35°；轉舵時間《28S；D：柱塞直徑 180mm；R：舵柄半徑 450mm。

4.1 油泵和電機設計

4.1.1 油缸最大工作壓力 Pmax 設計

公式中 Mn：公稱扭矩 160kNm a：滿舵角

D：柱塞直徑 180mm R：舵柄半徑 450mm

根據液壓原理圖，可知，油缸工作壓力 P1 為ΔP 加壓力損失等于 1.2MPa，則最大工作壓力為 P=ΔP+P1=11.7+1.2=12.9 MPa

4.1.2 最大工作流量 Q 設計

V：舵自一舷35°轉至另一30°時對應的油缸變化容積

取油缸和管路的容積系數均勻為 0.98，油泵的工作流量為Q=31.3/(0.98×0.98)=32.6 L/min

因此液壓系統選擇了40SCY14-1B 油泵，排量 40mL/r，當工作轉速 1460rpm 時，油泵流 量 Q=40×1460×10-3=58.41 L/min，滿足要求。

4.1.3 油泵的電動機功率 設計

式中：P：舵機最大工作力12.9MPa Q：油泵工作流量32.6 L/min

i：電動機過載系數取1.3 η：油泵總效率 取η=0.8

因此液壓系統選擇了 Y160M-4-H 船用電動機，額定功率 11kW。

4.2 液壓油管內徑與壁厚設計

4.2.1 液壓油管內徑 d 設計

式中：Q：油泵工作流量 32.6 L/ min

d：油管內徑 mm

V：油在管內的允許流動速度 m/s

壓力油 管 V=4m/s，回油管 V=3m/s，吸油管 V=1.2m/s

因此液壓系統實取壓力、回油管為 32×4mm，吸油管為 48×3mm。

4.2.2 液壓油管壁厚δ 設計

油管基本計算壁厚按 CCS Ⅰ級管系的要求進行計算。

P：設計壓力，p=1.25 Pmuz=1.25×12.9=16.125MPa

D: 油管外徑 32mm，e：焊接有效系數，1；

Rm：油管材料的抗拉強度下限

油缸材料選用20# 無縫鋼管,查資料可得：Rm=410MPa Reh=235MPa

c：腐蝕余量液壓油管系取 0.3mm

另外，油管最小壁厚，應符合下式規定

考慮脈動影響，實際取油管厚度 4mm 滿足要求。因此液壓系統選取壓力油管為Φ32×4。

4.3 油箱大小設計

式中：V：油箱最低容量，Q總：液壓系統中各油泵的額定流量之和。Q總=2×32.6 L/min

VL：系統工作時，油缸和油管內最大和最小儲油量差值，因油缸和油管尺寸不大，取 VL=O ;K:系數，取K=4。

該液壓系統實取油箱尺寸為 605×705×1250mm，系統共 2 個油箱，所以油箱的容量為2×605×705× 1250×0.8×10-6=853.1L。

5 結束語

隨著航運業的不斷發展，船舶越來越大型化，而大型船舶幾乎全部采用液壓舵機。本文通過介紹了散貨船上使用的SYYS180-160 型液壓舵機的液壓原理，詳細地分析了油泵和電機的計算、液壓油管的管徑計算和選取、油箱容積計算和選取，為舵機的液壓系統的優化設計選型提供指導依據，保障了舵機液壓系統工作的穩定性和可靠性，為船舶的航行安全保駕護航。