賀立峰，孫建慶，王慶祥

(天津新港船舶重工有限責任公司 天津300452)

轉葉式液壓舵機特性分析

賀立峰，孫建慶，王慶祥

(天津新港船舶重工有限責任公司 天津300452)

針對金屬密封型(動態(tài)軟基硬密封)轉葉式液壓舵機的滑舵問題，通過對船舶舵機的分類、工作特點、操舵模式等進行分析，闡明了轉葉式液壓舵機有其缺點卻應用廣泛的原因，并通過剖析該類型舵機油腔結構設計特點，結合造船實例，得出了舵機滑舵現(xiàn)象與液壓油腔密封型式的關系，進而提出幾點優(yōu)化方法。

滑舵 轉葉式液壓舵機 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4萬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葉式液壓舵機滑舵問題嚴重，不利于船舶港口工況和應急工況的操舵要求。該問題不但體現(xiàn)了船東對該舵機滑舵問題的不滿，也對該類型舵機的安全性、可靠性提出了質疑，對船舶的建造、交船以及該類型舵機在其他項目船舶上的選用都造成了重大影響。

1 轉葉式液壓舵機的應用與特點分析

針對該問題，船廠設計部與舵機廠家、自動舵廠家、CCS船檢進行了深入的技術交流，并精研了舵機設備資料、CCS規(guī)范、SOLAS規(guī)范等，以期查出滑舵問題的根本原因并解決該技術難點問題。

為闡明轉葉式液壓舵機應用的優(yōu)勢和廣泛性，并剖析出該型式舵機滑舵問題的原因，下文將從舵機的分類、各類舵機的特點、規(guī)范和法規(guī)要求的操舵模式和轉舵時間要求、轉葉式液壓舵機的設計原理和特性等方面進行逐步分析。

1.1 舵機的分類及特點

舵機按不同的動力源，可分為手動、蒸汽驅動、壓縮空氣驅動、電驅動、電動液壓驅動等幾種型式。目前，大、中型船舶上電動液壓驅動型式的舵機使用較為普遍。

電動液壓式的舵機，可按轉舵機構分類為往復式和回轉式，基本特點如下：[1]

1.1.1 往復式液壓舵機

柱塞式：扭距隨舵角增大而增大，結構簡單，制造安裝方便，有側推力，15,kNm≤扭距M≤6,000,kNm。

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

1.1.2 轉葉式液壓舵機(又名回轉式)

舵機優(yōu)點：布置緊湊，占地小，安裝方便，可靠性強，關鍵部件為轉葉油缸。工作油缸適用于中、低壓力。

密封特點：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)，壽命長，可靠性高，但相對于軟密封，竄油量大。

1.2 舵機的操縱模式

根據(jù)SOLAS公約第Ⅱ-1章第29條“UI SC094操舵裝置的電動操舵控制系統(tǒng)的機械和電氣獨立性”要求：[4]應設有兩個獨立的操舵裝置控制系統(tǒng)，其布置應能保證在兩者之一發(fā)生機械或電氣故障時不會導致另一系統(tǒng)不能工作。

基于此，SOLAS規(guī)范推薦滿足的設計示例有3種，滿足其中一種設計示例即為滿足規(guī)范對駕駛室操舵的設計要求。目前，國內遠洋船舶舵機的操舵系統(tǒng)以滿足“示例2”的配置居多，“示例2”的配置見圖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，要求舵機具備雙套獨立的轉舵泵組單元，同時，配備雙套操舵系統(tǒng)在駕駛室，該兩套操舵系統(tǒng)均可獨立操作任意一套轉舵泵組單元。當任一轉舵泵組單元或操舵系統(tǒng)發(fā)生故障時，不會影響另外一套轉舵泵組單元或操舵系統(tǒng)的功能。且兩套轉舵泵組單元均可實現(xiàn)舵機室的本地操舵。

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

1.2.1 駕控臺操作

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

1.2.2 舵機室操作

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

1.3 轉葉式液壓舵機的設計原理

轉葉式液壓舵機的基本工作是液壓泵組通過向轉葉油腔注入高壓滑油，驅動油腔轉動，從而帶動舵桿轉動來實現(xiàn)轉舵角度。

現(xiàn)以我廠某散貨船項目配置的MACGREGOR PROSGRUNN AS/Norway轉葉式液壓舵機為例，概略介紹轉葉式液壓舵機的設計原理。[2]

舵機液壓油路原理圖見圖2。[2]

由圖2可見，該舵機為雙液壓泵組單元，雙油腔布置，需要操舵機某個舵角時，單泵或雙泵為其中1個油腔注油。

當為a腔注油時，油壓上升，油腔成為高壓腔，葉片受壓逆時針旋轉，并將扭矩傳給舵桿，舵葉隨舵桿逆時針轉動。反之，當為b腔注油時，舵葉順時針轉動。

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

1.4 轉葉式液壓舵機的結構特點

根據(jù)上文對轉葉式液壓舵機的特點分析可知，轉葉式液壓舵機在實船應用中布置緊湊，占地面積小，安裝方便，工作可靠性強，適用于中、低壓力。相對于撥叉式、擺缸式、柱塞式等型式的舵機，轉葉式液壓舵機無卡死現(xiàn)象的優(yōu)點尤為突出，該優(yōu)點得以實現(xiàn)的關鍵部件在于舵機的液壓油腔設計。

轉葉式液壓舵機是依靠高壓油驅動油腔內的轉葉旋轉，同時帶動舵桿、舵葉完成操舵的。轉葉與油腔的上下端面、側壁之間必然存在一定的間隙量，以滿足轉葉的順暢轉動無卡死。同時，轉葉軸承、舵承也是通過液壓油來清洗和潤滑的，那么，高壓油腔的液壓滑油勢必會通過部件間的間隙，竄油至低壓側，從而導致轉舵過程中、轉舵完成后都有一定程度的滑舵現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是轉葉式液壓舵機的內部結構和工作特點決定的。

針對轉葉式液壓舵機的滑舵問題，為盡量減小滑舵角度，通過對多家舵機廠家的咨詢了解，設計著眼點在于轉葉與油腔的上下端面、側壁的密封型式上。不同密封型式及優(yōu)缺點如下：

1.4.1 軟密封

材質：通常為合成橡膠、尼龍條等。

安裝：固定于轉葉的上、下便面和側面，可拆卸。優(yōu)點：泄漏量小。

缺點：使用壽命短，需要定期拆卸、更換，易粘連。

1.4.2 硬密封(動態(tài)軟基硬密封裝配圖，見圖3)

圖3 動態(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葉上下端面、側面的密封槽內，金屬密封條通過背部彈簧負荷壓緊在油缸內腔壁上，從而在密封表面形成動態(tài)軟基硬密封，經過長時間使用磨合后，密封面接觸更加優(yōu)良，密封效果更加優(yōu)越。

優(yōu)點：耐磨損，無需更換，使用壽命與舵機壽命相同。

缺點：相對于軟密封，泄露量大。

2 硬密封轉葉式液壓舵機滑舵問題的實證與改良

轉葉式液壓舵機的滑舵問題經我廠某散貨船項目的航行試驗印證確實存在，且基于轉葉式液壓舵機的設計特點和工作方式，滑舵現(xiàn)象幾乎無法避免，該型式的舵機雖然滿足船級社“單泵28秒、雙泵14秒的常規(guī)操舵”和“60秒完成應急操舵”[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，降低舵機滑舵的速度，減小隨動FU模式下的舵角修正角度，已經列為設計相關部門的研究重點。

首先，減小FU模式的修正角度，可通過自動舵控制系統(tǒng)調整舵角修正帶寬來減小修正角度，但前提是必須降低滑舵的速度，否則會出現(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葉式液壓舵機的內部設計特點入手考慮?；娴母驹蚴寝D葉、轉葉軸承、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？各參研人員通過研究分析，提出過多種方案，比如為轉葉密封條的背部彈簧加強彈性、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。經過多方的研究和討論，最終確定提升液壓滑油粘度的方案具備最佳可行性。

針對該方案，我們采用不同粘度的液壓滑油，對同型號的硬密封轉葉式液壓舵機進行了航行操舵試驗。FU隨動模式下，通過提升液壓滑油的粘度和調整舵角修正帶寬，使得舵葉的偏移角度由原來的2.5,°減小為1,°，且修正頻率由原來的9次/min減小為6次/min，改良措施的印證效果明顯。

NFU應急模式下，通過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,°舵角的時間都延長40 s左右，且每1,°的滑舵時間都延長2 s左右，改良效果顯著。

經上分析，提升液壓滑油的粘度確實能夠降低舵機的滑舵速度，但為了降低舵機滑舵速度而采取提升液壓滑油粘度方法的同時，還必須慎重考慮轉舵液壓泵組的驅動電機功率是否滿足提升滑油粘度所帶來的功率負荷的增加要求，否則，會導致電機在惡劣條件下的超負荷運轉而引起燒毀?？紤]電機功率的同時，還必須合理匹配其他所有的電器元件。

3 結 語

通過對轉葉式舵機的性能分析，該型式的舵機具有占地小（轉舵油腔與轉舵泵組緊湊集成）、安裝方便（集成式舵機）、工作穩(wěn)定（無卡阻問題）等突出優(yōu)點，且金屬硬密封持久耐用，免拆換和保養(yǎng)，與舵機使用壽命相同等優(yōu)勢更為突出。

由于高壓滑油竄油導致的滑舵問題，可通過合理匹配適當粘度的液壓滑油來降低滑舵的速度，并可適當調節(jié)自動舵的舵角修正帶寬來實現(xiàn)隨動舵期間的舵角修正大小，這種改良措施彌補了轉葉式液壓舵機結構設計無法避免的不足，特別對于金屬密封型的轉葉式液壓舵機，該優(yōu)化措施的效果更加顯著。■

［1］ 輪機工程手冊編委會.輪機工程手冊—中冊[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］ 中國船級社.鋼質海船入級規(guī)范[M]. 北京：人民交通出版社，2015：257-264.

［4］ 國際海事組織.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