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(集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

舵機(jī)是對船舶實(shí)施操縱的重要設(shè)備，降低舵機(jī)故障率與提高輪機(jī)操作人員的技能水平是分不開的，而要培養(yǎng)出具備較強(qiáng)操作技能的輪機(jī)管理人才，僅靠學(xué)習(xí)理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還要加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練。港口國監(jiān)督(PSC)的操作性檢查和《STCW78公約》及馬尼拉修正案都強(qiáng)調(diào)了對船員實(shí)際操作技能的培養(yǎng)和評估[1]。輪機(jī)模擬器在實(shí)踐教學(xué)中具有一定的優(yōu)勢，但畢竟不是真實(shí)的設(shè)備操作模式，實(shí)踐與感觀上的差別是無法消除的[2]。為使學(xué)員能真實(shí)地體驗(yàn)舵機(jī)操作環(huán)境以及更好的掌握相關(guān)知識[3]，建立先進(jìn)的、完善的液壓舵機(jī)教學(xué)平臺對船員教學(xué)、培訓(xùn)、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(jī)教學(xué)平臺是專為交通運(yùn)輸部海事局某培訓(xùn)中心開發(fā)的教學(xué)平臺，對其進(jìn)行運(yùn)行測試，從而對舵機(jī)教學(xué)平臺進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

1 新型舵機(jī)教學(xué)平臺的組成和特點(diǎn)

液壓舵機(jī)教學(xué)平臺是依據(jù)《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(guī)范》以及《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》等法規(guī)要求[4]，以真實(shí)的船舶液壓舵機(jī)系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)的新型教學(xué)平臺，原理及組成見圖1。

舵機(jī)液壓系統(tǒng)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(dòng)操舵儀；教學(xué)平臺采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)構(gòu)成一目了然；可操縱任一套油泵機(jī)組單獨(dú)工作，又可以同時(shí)操縱兩套油泵機(jī)組并聯(lián)工作；舵機(jī)系統(tǒng)設(shè)有常見的如失電、過載、斷相、低油位、高油溫、油壓低等故障報(bào)警功能，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測報(bào)警；舵機(jī)系統(tǒng)具有故障模擬演示功能，可實(shí)現(xiàn)滯舵、跑舵、沖舵等故障的現(xiàn)場演示；其中1#液壓系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)具有非平衡舵葉的舵機(jī)水動(dòng)力模擬加載工況實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)；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(dòng)換向閥；18-高置油箱

圖1液壓舵機(jī)系統(tǒng)原理

2 舵機(jī)教學(xué)平臺的運(yùn)行故障描述

液壓舵機(jī)的運(yùn)行測試取決于操舵控制信號。通過舵機(jī)艙控制箱上的“操舵位置”開關(guān)選擇“舵機(jī)艙”或“駕駛室”，駕駛臺操舵儀上的“操舵方式”開關(guān)選擇“手動(dòng)”或“隨動(dòng)”，就可以通過操舵手柄或手輪進(jìn)行舵機(jī)操作訓(xùn)練。通過啟動(dòng)開關(guān)啟動(dòng)1#油泵機(jī)組或2#油泵機(jī)組運(yùn)行，同時(shí)觀察油壓表至轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)的油壓正常。扳動(dòng)舵機(jī)艙操舵手柄即可實(shí)現(xiàn)舵機(jī)艙手動(dòng)操舵。驅(qū)動(dòng)舵機(jī)先后向一舷及另一舷作5°、15°、25°、35°的操舵試驗(yàn)，判斷舵機(jī)及控制系統(tǒng)、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(zhuǎn)舵時(shí)間是否滿足規(guī)范要求。然后換用另一套油泵機(jī)組作同樣的試驗(yàn)。試舵時(shí)，無論舵處于何種位置，均不應(yīng)有明顯的跑舵現(xiàn)象。舵角指示器的指示舵角與實(shí)際舵角之間的偏差應(yīng)不大于±1°，而且舵機(jī)在正舵時(shí)舵角指示須無偏差。

液壓舵機(jī)雙泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，可以提高液壓舵機(jī)的轉(zhuǎn)舵速度，符合轉(zhuǎn)舵速度與油缸流量的關(guān)系，但是，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，泵控系統(tǒng)油箱會出現(xiàn)低油位報(bào)警現(xiàn)象，液壓油泵停止工作，無法實(shí)現(xiàn)長時(shí)間雙泵并聯(lián)工作，而兩套不同的液壓系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)不會出現(xiàn)類似問題。

經(jīng)過多次試驗(yàn)與分析發(fā)現(xiàn)，液壓舵機(jī)系統(tǒng)雙泵并聯(lián)運(yùn)行可以提高液壓舵機(jī)的轉(zhuǎn)舵速度，但由于兩套系統(tǒng)是不同性能的液壓泵組，1#液壓泵組為閥控開始系統(tǒng)，回油直接到油箱，回油阻力??；2#液壓泵組為泵控閉式系統(tǒng)，系輔泵補(bǔ)油，回油背壓大，阻力大，導(dǎo)致并聯(lián)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)液壓油回油不均，轉(zhuǎn)舵油缸回油到1#油泵油箱，泵控系統(tǒng)油箱油位越來越低，運(yùn)行一段時(shí)間后，達(dá)到低油位報(bào)警范圍即觸發(fā)相應(yīng)警報(bào)。為了驗(yàn)證上述分析的合理性，對2#液壓泵組進(jìn)行計(jì)算分析。

2#液壓泵組單獨(dú)工作時(shí)，舵機(jī)從最大舵角 35°轉(zhuǎn)到另一側(cè)的 30°，轉(zhuǎn)舵時(shí)間約是21 s，則2#液壓泵組調(diào)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(diào)定的流量Q1，可見雙泵并聯(lián)工作時(shí)，2#液壓泵組基本不回油，靠輔泵補(bǔ)油，轉(zhuǎn)舵油缸回油全部回流到1#液壓泵組油箱，導(dǎo)致2#液壓泵組油箱低位報(bào)警，停止工作。其系統(tǒng)油箱尺寸為0.60 m×0.85 m×0.50 m，油位報(bào)警時(shí)液面變化值為0.20 m，則油位報(bào)警前油量變化V為0.102 m3。撥叉式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)柱塞直徑為140 mm，柱塞到舵柄的距離為300 mm，雙泵并聯(lián)時(shí)舵機(jī)從最大舵角35°轉(zhuǎn)到另一側(cè)的30°，轉(zhuǎn)舵時(shí)間約12 s，則轉(zhuǎn)舵油缸的液壓油流量Q2為0.000 491 m3/s。則油箱出現(xiàn)低位報(bào)警的時(shí)間為207.7 s。

液壓舵機(jī)雙泵并聯(lián)運(yùn)行并進(jìn)行持續(xù)的操舵，經(jīng)過約207 s后，2#液壓泵組油箱就出現(xiàn)低油位報(bào)警，液壓舵機(jī)停止工作。無法實(shí)現(xiàn)長時(shí)間雙泵并聯(lián)工作。

3 舵機(jī)教學(xué)平臺的AMESim仿真模擬

AMESim作為液壓系統(tǒng)的一種高級建模和仿真平臺[6]，為用戶提供了一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完整平臺，可在同一個(gè)平臺上建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)的模型，集成有魯棒性極強(qiáng)的智能求解器和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆沁B續(xù)處理功能以及齊全的線性化分析工具，使用戶在仿真計(jì)算后可以非常方便地分析和優(yōu)化自己的系統(tǒng)。液壓舵機(jī)系統(tǒng)的性能參數(shù)見表1。

表1 液壓舵機(jī)系統(tǒng)的性能參數(shù)

液壓舵機(jī)教學(xué)新平臺的運(yùn)行參數(shù)設(shè)置同表1相同。電磁換向閥最大電量信號設(shè)為40 mA，泵控機(jī)組的油箱高位油位為0.4 m，報(bào)警油位變量為0.2 m。

在仿真系統(tǒng)中加入了兩個(gè)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(dòng)位移，通過位移和舵機(jī)角度數(shù)學(xué)函數(shù)轉(zhuǎn)化為角度；通過閉環(huán)反饋系統(tǒng)控制液壓油泵的排量，當(dāng)達(dá)到指令舵角時(shí)，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(dāng)油箱油位在0.2 m時(shí)油箱底部油壓大約是1.7 kPa。設(shè)置報(bào)警壓力值為1.7 kPa，當(dāng)油箱底部壓力達(dá)到壓力報(bào)警值時(shí)，停止液壓油泵運(yùn)行。

液壓舵機(jī)仿真原理見圖2。

圖2 液壓舵機(jī)仿真原理

在液壓舵機(jī)仿真模型中設(shè)置的仿真時(shí)間為250 s(參考上文的計(jì)算結(jié)果)。啟動(dòng) 1#閥控系統(tǒng)油泵機(jī)組和 2#泵控系統(tǒng)油泵機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，推動(dòng)轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)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(jī)并聯(lián)運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)回油全部回流到閥控系統(tǒng)油箱，泵控系統(tǒng)的輔泵工作導(dǎo)致泵控油箱油位直線下降，大概經(jīng)過212 s觸發(fā)報(bào)警值(油位高度為0.20 m)，停止液壓舵機(jī)工作。

圖3 泵控系統(tǒng)油箱油位變化情況

從圖4和5中可以看出大概經(jīng)過211 s，閥控液壓系統(tǒng)換向電磁閥控制信號輸出為0，系統(tǒng)自動(dòng)回油；泵控液壓系統(tǒng)變量泵的排量為0。液壓系統(tǒng)仿真結(jié)果與液壓舵機(jī)并聯(lián)運(yùn)行情況和上文的計(jì)算結(jié)果相吻合。

4 結(jié)論

在液壓舵機(jī)教學(xué)平臺系統(tǒng)組成中，泵控的閉式液壓系統(tǒng)與閥控的開式液壓系統(tǒng)的工作原理不同。當(dāng)兩套不同的液壓泵組并聯(lián)運(yùn)行進(jìn)行操舵時(shí)，由于液壓泵組工作時(shí)回油阻力不同，導(dǎo)致油缸液壓油回流不平衡。為防止2#液壓泵組出現(xiàn)低油位報(bào)警，確保雙泵并聯(lián)工作的正常運(yùn)行，需在兩液壓系統(tǒng)油箱之間加設(shè)一條尺寸合適的連通管以確?；亓鞯?#油箱的液壓油能及時(shí)回流到2#油箱。此后在液壓舵機(jī)并聯(lián)運(yùn)行進(jìn)行操舵中就不再出現(xiàn)低油位報(bào)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(xùn)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(jī)模擬器及其在教學(xué)中的應(yīng)用[J].航海教育研究,2003(2):53-55.

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

[4] 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)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(tǒng)水動(dòng)力矩模擬的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].航海技術(shù),2008(4):47-50.

[6] 劉增光,岳大靈.AMESim軟件在液壓控制系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用[J].流體傳動(dòng)與控制,2009(6):40-41.