張李偉，莊才亮，夏明寬，馬盧沂

（羅爾斯-羅伊斯船舶制造（上海）有限公司，上海 201204）

0 引 言

舵機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了人力、電動到電動液壓驅(qū)動，其控制也從機(jī)械、液壓到電氣遙控，使舵機(jī)設(shè)備逐漸集成緊湊、操作簡便、并追求節(jié)能環(huán)?！，F(xiàn)代遠(yuǎn)洋船舶基本采用電動液壓驅(qū)動的液壓舵機(jī)，按其結(jié)構(gòu)形式可以分為依靠活塞直線運(yùn)動的往復(fù)柱塞式和高壓油作用在葉片上驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)；其中轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)的設(shè)計(jì)和制造是從20世紀(jì)50年代才開始的，由于其相對于柱塞式舵機(jī)具有一系列的優(yōu)勢而迅速成為市場的發(fā)展熱點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國的出口船舶訂單中有80%以上外商指定或備選轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)，非出口船使用轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)也逐漸成為趨勢。軍用艦船選用轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)的優(yōu)勢十分明顯：在德國生產(chǎn)的護(hù)衛(wèi)艦、驅(qū)逐艦、掃雷艇基本上全部使用轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)[1]。

Rolls-Royce公司作為行業(yè)內(nèi)技術(shù)與質(zhì)量的引領(lǐng)者，其電動液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)被廣泛應(yīng)用于從小型游艇到 VLCC（超大型油輪）等各類商用、軍用、海洋工程及特殊用途船舶。

1 轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

圖1為典型的閥控型轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)的工作原理：高壓油經(jīng)集成閥組控制流向并通過轉(zhuǎn)子內(nèi)部的流道進(jìn)入相應(yīng)腔室共同推動葉片轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子。

表 1為轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)與柱塞式舵機(jī)部分性能對比：由于減少了傳動部件，設(shè)計(jì)簡潔，使轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)更可靠，同時(shí)機(jī)械效率也高于柱塞式舵機(jī)，具體表現(xiàn)為電機(jī)功率較小。表2為廣船國際兩條同類型船應(yīng)用不同類型舵機(jī)的技術(shù)參數(shù)對比[2]。

圖1 典型轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)工作原理

2 Rolls-Royce轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)

Rolls-Royce公司提供的舵機(jī)型號超過40種，主要分為應(yīng)用于中小型船舶的SR/SV系列及應(yīng)用于中、大型船舶的RV系列。SR/SV 型舵機(jī)是一種由變頻器控制的泵控型舵機(jī)，RV型舵機(jī)為傳統(tǒng)的閥控式舵機(jī)。區(qū)別于柱塞式以及其他轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)設(shè)計(jì)，其產(chǎn)品具有鮮明的特點(diǎn)和優(yōu)勢（見圖2）。

2.1 轉(zhuǎn)子

SR/SV型舵機(jī)采用球形轉(zhuǎn)子，其自適應(yīng)功能能保證轉(zhuǎn)子在任何狀態(tài)下與軸承的大面積接觸，能良好地傳遞舵桿彎矩，舵機(jī)軸承采用合成材料加工成與殼體及轉(zhuǎn)子一致線形，無需機(jī)械安裝而隨本體一起旋轉(zhuǎn)。由于上下表面均有軸承，軸承的設(shè)計(jì)集成了推力與徑向軸承的作用，可最大程度吸收和減弱沖擊振動。同時(shí)，SR/SV 舵機(jī)采用脹緊連接套或外錐面中間套的液壓連接，這樣的連接方式無需舵桿加工螺紋與錐面，節(jié)省了該設(shè)備取得認(rèn)證的時(shí)間和費(fèi)用（見圖3）。

圖3 SR/SV 轉(zhuǎn)子、軸承及舵桿連接

2.2 密封

SR/SV型舵機(jī)在轉(zhuǎn)子內(nèi)部有腔室，徑向采用樹脂材料的環(huán)形密封，軸向葉片密封采用彈性橡膠與樹脂的組合密封。樹脂材料具有一定剛度和抗張強(qiáng)度，可以加工成與殼體緊密配合的外形，其截面加工成楔形，在高油壓作用下使得密封條緊貼殼體且運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不變形。轉(zhuǎn)子內(nèi)部的腔室上、下端面有與止動葉片環(huán)繞密封匹配的圓弧倒角，從而避免其他轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)上蓋板與葉片間只能直角過渡而產(chǎn)生的間隙。保持良好密封的另一個(gè)因素在于運(yùn)動部件與殼體間的公差配合控制在合適的范圍，對機(jī)械制動的預(yù)緊力通過橡膠基將側(cè)向的壓力傳遞為樹脂密封正壓力，使其在工作過程中與配合偶件壓力始終大于液體壓力。樹脂材料摩擦系數(shù)小且耐磨，保證了舵機(jī)快速啟動及密封的持久性（見圖4、5）。

RV型舵機(jī)則采用由一種熱塑性聚合體制成的C型門柱狀密封，此種材料兼具橡膠和塑料的優(yōu)點(diǎn)，密封的截面為U型，徑向密封留有預(yù)壓縮量，軸向密封采用片彈簧輔助，這樣就保證了靜密封的可靠；同時(shí)系統(tǒng)通過引入工作時(shí)的高壓油作用于密封的背面進(jìn)行壓力補(bǔ)償，此種設(shè)計(jì)使動密封的泄露量最低。此外，結(jié)合流量控制的設(shè)計(jì)保證鎖緊閥的緩慢開啟使得無論舵機(jī)在大小舵角信號時(shí)，都能獲取設(shè)定的舵角（見圖6）。

圖4 SR/SV密封

圖5 RV密封

圖6 RV型舵機(jī)轉(zhuǎn)舵速度

2.3 變頻器驅(qū)動

SR/SV型舵機(jī)采用全變頻控制——通過變頻器驅(qū)動泵的啟停和轉(zhuǎn)向控制舵機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動和變向，只在有舵令信號時(shí)電機(jī)啟動運(yùn)行，這正好符合船舶運(yùn)營一般在進(jìn)出港時(shí)頻繁操舵而在自動舵模式下少有動作的特點(diǎn)（見圖7）。此種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：

1) 取消了液壓泵站，系統(tǒng)管路變短，縮減設(shè)備尺寸重量；

2) 變頻器能采用VVC+的電機(jī)控制模式，保持U/f 值不變，電機(jī)在啟動時(shí)電壓自動降低使啟動電流相對于直接啟動降低到25%以下，減少對電網(wǎng)沖擊，船上應(yīng)急發(fā)電機(jī)組容量亦可減小。同時(shí)變頻器的“轉(zhuǎn)矩提升”功能又可保證電機(jī)全負(fù)荷啟動；

3) 相對于閥控型舵機(jī)在無舵令時(shí)仍需進(jìn)行油循環(huán)的運(yùn)行模式，變頻驅(qū)動舵機(jī)使整個(gè)系統(tǒng)效率提高2～3倍[3]；

4) 液壓換向簡單、可靠、平緩，使閥組的結(jié)構(gòu)簡化，沖擊更小，系統(tǒng)振動噪聲??；液壓系統(tǒng)發(fā)熱小，維護(hù)成本低，延長設(shè)備使用年限。

2.4 電氣控制系統(tǒng)

Rolls-Royce同時(shí)提供全套電氣系統(tǒng)（包括啟動、控制、舵角反饋指示及報(bào)警系統(tǒng)，見圖8）的舵機(jī)。其獨(dú)特的設(shè)計(jì)結(jié)合變頻器驅(qū)動，使控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 舵角命令同時(shí)激發(fā)轉(zhuǎn)舵速度和方向信號，通過設(shè)置變頻器的輸出頻率和加減速時(shí)間輕松實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)舵舵角偏差≤±0.5°；

2) 相對于觸點(diǎn)信號控制電磁閥舵機(jī)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)泵的平滑啟停及換向，避免了對閥的液壓沖擊，對舵角命令的響應(yīng)速度更快；

3) 對于雙舵船舶，既可實(shí)現(xiàn)雙舵的電氣同步隨動操作也可滿足各自獨(dú)立的隨動操作，這對于海洋工程船尤為重要；

4) 避免了舵機(jī)機(jī)械與控制系統(tǒng)由于不同供應(yīng)商而產(chǎn)生的不匹配問題。

圖7 變頻驅(qū)動

圖8 Rolls-Royce 舵機(jī)電氣控制系統(tǒng)

2.5 四轉(zhuǎn)葉舵機(jī)

RV型舵機(jī)是目前唯一擁有四轉(zhuǎn)葉設(shè)計(jì)的舵機(jī)產(chǎn)品。四轉(zhuǎn)葉舵機(jī)是針對大型、超大型船舶，其轉(zhuǎn)舵角度范圍一般為±35°的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的。轉(zhuǎn)葉數(shù)目的增加意味著液壓油作用面積增加，相對于三轉(zhuǎn)葉舵機(jī)，相同的設(shè)備體積其扭矩可增大33%，當(dāng)發(fā)出相同扭矩時(shí)，四轉(zhuǎn)葉舵機(jī)重量可減輕30%以上，大的功率密度意味著產(chǎn)品尺寸、重量能進(jìn)一步減小，同時(shí)降低成本。此外，新的設(shè)計(jì)針對設(shè)備安裝、后期維護(hù)和保養(yǎng)也進(jìn)行更新。

如圖9所示，舵機(jī)殼體下端采用分體式結(jié)構(gòu)，液壓螺母組件采用雙油缸設(shè)計(jì)，當(dāng)需要進(jìn)行推力軸承或下密封更換時(shí)，采用提升油活塞通過頂環(huán)和液壓螺母頂起轉(zhuǎn)子及舵系總重量，然后拆開下端殼體進(jìn)行軸承或密封更換，這樣的設(shè)計(jì)可以避免其他轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)更換下密封或軸承時(shí)必須將轉(zhuǎn)子與舵桿脫開且要起吊轉(zhuǎn)子的操作，減輕了工作量，降低了維護(hù)難度和保養(yǎng)成本。

圖9 RV四轉(zhuǎn)葉舵機(jī)結(jié)構(gòu)

3 結(jié) 語

近年來，隨著油價(jià)的不斷上漲以及對船舶排放日趨嚴(yán)格的限制，要求船舶的設(shè)計(jì)向能耗更低、排放更少的方向發(fā)展。經(jīng)濟(jì)危機(jī)的發(fā)生更是助推了近幾年高效船型設(shè)計(jì)的不斷推出，而這些船型都或多或少減小了舵機(jī)艙的空間，同時(shí)對于舵機(jī)設(shè)備的能耗更加關(guān)注。Rolls-Royce 轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)的設(shè)計(jì)理念正是順應(yīng)了這一趨勢，圖10為Rolls-Royce轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)與相同扭矩型號某柱塞式舵機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸對比。經(jīng)統(tǒng)計(jì)表明：無論是相對于柱塞式舵機(jī)還是其他品牌轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)，Rolls-Royce舵機(jī)都具有最小的占地空間（30%～70%）和重量（50%～75%）；轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)的內(nèi)漏控制及綜合效率是其性能的重要指標(biāo)[4]，通過合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及密封的優(yōu)化設(shè)計(jì)，Rolls-Royce 舵機(jī)的跑舵速度低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 50%以上，而采用變頻控制，使能耗相對于傳統(tǒng)控制方式降低超過70%。近幾年，超過1200臺的舵機(jī)產(chǎn)品交付中國客戶，使其一直占有相當(dāng)大的市場份額。

圖10 Rolls-Royce轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)與某柱塞式舵機(jī)對比

[1] 莫國影，曾勇軍. HD型轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)疲勞性能研究[J]. 江蘇船舶，2009, (6): 20-22.

[2] 黃雪梅. 轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)的特點(diǎn)和價(jià)值分析[J]. 廣船科技，2001, (4): 17-20.

[3] 朱 鈺，鄭超瑜，蔡振雄. 變頻液壓舵機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)研究[J]. 機(jī)床與液壓，2008, (8): 123-125.

[4] 崔若松. 轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)的若干技術(shù)分析[J]. 上海造船，2007, (2): 27-28.