徐 維，鄧 攀，夏 占，黃強強，王永爽

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

舵機是用于保持和改變船舶航向的專門裝置，是船舶重要輔機之一[1]。常規(guī)的船舶舵機以液壓型式為主，通過電動機驅(qū)動主泵運轉(zhuǎn)，輸出油液驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)從而進行轉(zhuǎn)舵。目前，液壓舵機技術(shù)雖已相對成熟，但仍存在一些固有問題：例如結(jié)構(gòu)復(fù)雜且占用空間大、介質(zhì)泄漏、維護工作量較大等[2-3]。

隨著電驅(qū)動控制及精密制造技術(shù)的發(fā)展，制約其發(fā)展的瓶頸被突破，逐漸形成了新一代電動舵機技術(shù)。電動舵機具有集成度高、重量輕、噪聲低及維護簡單等優(yōu)點，有利于推進新一代艦船裝備技術(shù)發(fā)展，尤其是操舵控制系統(tǒng)技術(shù)水平的提升。

電動舵機的輸出性能是否滿足設(shè)計要求將直接決定船舶能否正常穩(wěn)定運行，而其核心部套件的性能則直接決定了設(shè)備的可靠性。因此，有必要對電動舵機及其核心部套件進行結(jié)構(gòu)仿真分析。

1 基本結(jié)構(gòu)與原理

1.1 電動舵機組成及工作原理

電動舵機使用電動缸作為驅(qū)動機構(gòu)，設(shè)計為擺缸式單舵型式，舵柄的中心輪轂與舵桿相連，兩端分別與2只電動缸的輸出軸鉸接，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電動舵機幾何模型圖

操舵時，舵機控制柜接收舵角指令信號，驅(qū)動器將控制器的信號與電動缸的伺服電機編碼器反饋信號進行比較，按要求驅(qū)動電動缸運動輸出，從而帶動舵柄轉(zhuǎn)動。當(dāng)舵機旋轉(zhuǎn)至指令舵角時，電動缸的伺服電機停止運轉(zhuǎn)并保持所需扭矩。電動舵機原理框圖見圖2。

圖2 電動舵機原理框圖

1.2 電動缸組成及工作原理

電動缸是電動舵機的核心部套件，由伺服電機、減速器、齒輪箱和絲桿等部件組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

圖3 電動舵機幾何模型圖

電動缸工作原理：在伺服電機的驅(qū)動下，通過齒輪傳動機構(gòu)以定減速比將動力傳給滾柱絲桿，經(jīng)滾柱絲桿的動力變換作用，將電機旋轉(zhuǎn)動力轉(zhuǎn)換為滾柱螺母的直線動力。

1.3 電動缸主要技術(shù)指標(biāo)

1）輸出推力≥225.9kN；

2）工作速度≥0.0412m/s；

3）主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

2 仿真分析

2.1 絲桿有限元仿真分析

電動缸的承載與傳動能力主要取決于行星滾柱絲桿。行星滾柱絲桿為承載的關(guān)鍵核心部套件，需要對其強度進行仿真分析。在行星滾柱絲桿承受載荷時，對絲桿及螺母進行有限元分析，校核其在額定動載荷和額定靜載荷下的強度[4-5]。

表1 電動缸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

如圖4所示，對模型進行簡化：傳動螺紋部分 以螺紋底徑代替螺紋處的直徑。施加的邊界條件，在絲桿擋肩B處固定，并在絲桿A處分別施加載荷：絲桿的額定動載荷（343.1 kN）及額定靜載荷（869.6 kN）。得到對應(yīng)結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

圖4 額定動載下絲桿邊界條件施加

圖5 絲桿計算結(jié)果（載荷為額定動載）

圖6 絲桿計算結(jié)果（載荷為額定靜載）

由有限元分析可知：在絲桿承受額定動載時，絲桿的最大應(yīng)力小于材料的屈服強度（518.42 MPa）；在絲桿承受額定靜載時，絲桿的最大應(yīng)力小于材料的屈服抗拉強度（861.3 MPa）。故絲桿的結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

螺母簡化模型見圖7：對螺母的螺紋A處采取固定約束；在螺母的法蘭B處分別施加軸向載荷，軸向載荷大小分別為絲桿的額定動載（343.1 kN）及額定靜載（869.6 kN）。

計算結(jié)果分別如圖8和圖9所示。

圖7 螺母邊界條件施加

圖8 螺母計算結(jié)果（載荷為額定動載）

圖9 螺母計算結(jié)果（載荷為額定靜載）

由有限元分析可知：在螺母承受額定動載時，螺母的最大應(yīng)力小于材料的屈服強度（518.42 MPa）；在螺母承受額定靜載時，螺母的最大應(yīng)力小于材料的屈服抗拉強度（861.30 MPa）。因此，絲桿的結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

2.2 電動舵機運動學(xué)仿真分析

運動仿真目的，即為各分系統(tǒng)設(shè)計提供輸入依據(jù)。建立三維模型，根據(jù)實際情況賦予質(zhì)量或慣量屬性，并按照給定輸入曲線進行仿真。

2.2.1 三維建模

建立舵機三維模型（圖1），并賦予質(zhì)量和慣量屬性。

2.2.2 添加運動關(guān)系

按照獨立屬性建立連桿，并根據(jù)實際運動關(guān)系建立各連桿的運動約束，如圖10所示。

圖10 電動舵機運動關(guān)系添加

運動輸入：左側(cè)電動缸按照（A,T）＝（267 mm, 24 s）進行正弦位移曲線同步升降運動，運動函數(shù)y＝267sin(πt/24)，運動特性曲線見圖11及圖12；右側(cè)電動缸按左側(cè)位置隨動。

2.2.3 運動仿真結(jié)果

設(shè)置完成后開展仿真，取2周期運動仿真曲線。

舵柄角度運動仿真結(jié)果如圖13圖14所示。

左側(cè)電動缸運動與舵角運動關(guān)系仿真結(jié)果如圖15和圖16所示。

圖11 電動舵機左側(cè)電動缸位移曲線

圖12 電動舵機左側(cè)電動缸加速度曲線

圖13 電動舵機舵柄角速度曲線

圖14 電動舵機舵柄角加速度曲線

圖15 舵柄角速度和左側(cè)電動缸位移關(guān)系

圖16 舵柄角加速度和左側(cè)電動缸位移關(guān)系

輸出運動動畫，如圖17所示。

圖17 電動舵機運動仿真截圖

由運動仿真結(jié)果可以看出：按照設(shè)計參數(shù)，電動舵機的輸出性能指標(biāo)滿足設(shè)計要求，且結(jié)構(gòu)設(shè)計、參數(shù)匹配關(guān)系合理。

3 結(jié)論

本文針對核心部套件電動缸，尤其是核心傳動部套件滾柱絲桿，開展了結(jié)構(gòu)仿真計算分析研究，并對整機運動學(xué)進行仿真分析，結(jié)果表明：當(dāng)正常工作時，電動舵機核心部套件強度可靠；在規(guī)定設(shè)計參數(shù)下，舵機輸出性能良好。