1、本 科 毕 业 设 计船舶舵机控制系统改进设计所在学院 专业班级 电气工程与自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要随着我国科技水平的发展，自动化程度的不断提高，各个领域中普遍应用着很多不同类型的控制系统。船舶舵机控制系统也不例外，船舶在水中依照交通的意图,使驾驶改变方向或维护指定航向，都是要靠改变安装好的船舶后方的舵机位置来实现。舵机控制系统的在船舶的导航显示出无比强大的作用于功效。这表明了船舶舵机控制系统是一种重要控制系统，直接影响了船舶导航机动性、经济性和安全性等性能。舵驱动可以接受指令，依照要改变的舵机的位置，靠电力驱动舵机带动舵叶改变方向来实现，而控制系统对舵
2、机方向控制的失败是容易出现的，系统的设计直接影响到船舶舵机控制系统操作的船舶能否提供较高的互操作性和安全性。本次论文首先介绍了舵机转向设备的组成和工作原理，再以液压舵机为例，简要介绍两个液压舵机的电液舵机控制系统。最终设计了一个船舶舵机控制系统，实现了一个安全可靠，操作简便，易于管理维护的船舶舵机控制系统。关键词:船舶舵机；液压舵机；控制系统；电液伺服IIAbstractWith Chinas science and technology level of development, automation degree unceasing enhancement, each field of a
3、 widely used in many different types of control system. Shipping steering gear control system is not exceptional also, ship in the water, in accordance with the intention of driving traffic change direction or maintenance designated heading is to rely on change installed in the rear of the ship to r
4、ealize steering gear position. Steering gear control system of the ship navigation shows in immensely powerful role in efficacy. It shows that the ship steering gear control system is a kind of important control system, directly affects the ship navigation maneuverability, economy and safety perform
5、ance.Rudder driver can accept instructions, according to want to change the position of the steering gear, driven by electric drive steering gear change direction rudder blade, and control system to realize the direction of steering gear control failure is easy to appear, the design of the system di
6、rectly affect the ship steering gear control system can provide higher operating ship interoperability and safety!This paper first introduces the steering gear steering equipment composition and working principle, again with hydraulic steering gear as an example, this paper briefly introduces two hy
7、draulic steering gear electro-hydraulic servo control system. The final design a ship steering gear control system, realize a safe and reliable, simple operation, easy to manage maintenance vessel steering gear control system.Keywords: Shipping steering gear; Hydraulic steering gear; Control system;
8、 Electro-hydraulic servoIII目 录第 1 章 绪论 .11.1 船舶舵机控制系统的分类应用 .11.2 船舶液压舵机控制系统的研究现状 .1第 2 章 舵机的组成和工作原理 .32.1 舵机设备的组成 .32.2 舵机电力推动方式 .42.3 舵机操控系统对电控制设备要求 .62.4 操舵方式 .6第 3 章 液压舵机的组成和工作原理 .113.1 液压舵机概述 .113.1.1 液压舵机的特点 .113.1.2 液压舵机的种类 .113.2 泵控型液压舵机 .123.3 阀控型液压舵机 .14第 4 章 液压舵机控制系统 .174.1 伺服油缸式舵机控制系统 .17
9、4.2 直流伺服电机式舵机控制系统 .18第 5 章 船舶舵机控制系统设计 .205.1 舵机操舵电源的设计 .205.2 舵机控制 系统设计 .21小 结 .23致 谢 .24参 考 文 献 .251第 1 章 绪论1.1 船舶舵机控制系统的分类应用在船舶前进时，当舵叶处于船舶首尾线上时，水流方向与舵面一致，不产生转船力矩。船舶保持直线航行时，当舵叶离开首尾线，向某一舷偏转一个角度时，因舵叶两面水流流速不同，两面压力不平衡，会产生一个转船力矩，使船转向，左舵船就向左偏，反之亦然。船舶舵机按拖动方式目前主要分为电动机械传动舵和电动液压传动舵机两类。电动机械舵机系统的换向和调速是在电动机方面进行
10、的，因此对电动机及其控制系统有一定的要求。另一类为电动液压舵机的换向和调速是在油泵或油路中进行的，对于拖动油泵的电动机没有特殊要求，在交流船舶上一般采用鼠笼式异步电动机，在整个航行期间，油泵始终是以定速、定向运转的。国产中小型船舶交流电动舵机一直采用继电一接触器控制方式, 它是运用时间继电器、中间继电器和主接触器来实现电动舵机正反转的, 其中制动则采用能耗制动加机械制动的方式。在船舶航行时, 舵机的动作十分频繁。如此频繁的起动和反转, 使接触器触头的烧损和机械刹车的磨损都很严重, 从而引起制动失控, 威胁船舶营运的安全。一些船厂曾探索过电子电路的控制装置, 但由于电子计时电路的可靠性和稳定性都
11、很低, 因此, 在制动时余舵甚至舵机振荡时有发生。对这类陈旧的控制方式和制动方式的改革已刻不容缓。1.2 船舶液压舵机控制系统的研究现状当代电力电子器件及微机技术的发展，为电动舵机控制系统的改进提供了多种可能性。我们率先为上海海运集团总公司油轮公司探索了用双向晶闸管直接驱动电动舵机的方法，并由控制器对舵机实现反接制动控制及保护。而液压舵机是近代船舶工业的科技进步的体现，我们可以从八十年代开始追溯舵机以及液压舵机更新换代的十年发展过程。液压传动技术从七十年代以来一直在迅速发展，产品的高压化和集成化不断取得进展，逻辑阀、比例阀等新型液压元件开始应用于舵机和其它船用液压装置中，另外，舵机电气控制系统
12、的技术也更趋成熟，不仅淘汰了液压控制系统，而且使传统的浮动杆机械追随机构也显得陈旧。舵机液压控制系统主要采用两种基本控制方式, 即泵控型和阀控型, 以及由此派生的液压复合控制, 即阀泵串联控制、阀泵并联控制、电液复合控制等。这几种系统固有的静、动态特性, 在系统精度、响应速度、动态指标系统效率、总体布置、系统复杂程度等方面, 有着较大的局限性和差异性。新一代的液压舵机的性能和可靠性更趋完善。归纳起来目前液压舵机变化动向如下：1普遍设置了油箱液位报警开关，并设置了两套液压系统的人工和自动隔离装置。这种自动隔离装置具有代表性的是采用电液换向阀的装置。生产转叶舵机相当长历史的挪威富利登渡公司认为上述
13、方案使设备复杂化，产品价格较贵，而且某些阀正常工作时长期不动，紧急情况能否正常动怍使难于保证，因而又提出了一种仅采用二个主油路自动锁闭阁来隔离损坏的油路系统的方案。这种方案仅适台于转叶式油缸，它在缸体内部设有油路连通2相应油腔，但如果一对油腔密封损坏时，并不能使之与工作油路隔离。2阀控型舵机的应用功率范围在扩大，性能也在改善。阀控型舵机因稳舵时主油泵仍需全流量工作，虽然排出压力小，但仍要消耗一定的功率，故经济性较差，而且换向时液压冲击大，故过去多用于功率较小的舵机。现在随着阀控型舵机设计的改善，扭矩范围也有了显著提高。阀控型舵机液压系统的发展趋向是取消辅泵。这种舵机采用辅泵的主要用途是为电液换
14、向阀提供控制油。取消辅泵，由主泵本身为电液换向阀提供控制油，可以减少设备，提高可靠性。但主泵在换向阀位于中位(稳航)时需要卸荷，即排油直通油箱，为了保持换向阀所需要的最低控制油压，不得不在主泵回油管上增设背压阀，这就使稳舵时主泵功率损失增加。3 半闭式系统有所增加半闭式系统多用于液压起货机。起货机液压系统采用闭式比开式经济性好得多，但由于起货机负荷大，筒式系统油液发热严重，为此设置了低压选择阔，使系统工作时从低压倒连续与油箱换油达总流量的三分之一左右，故称半闭式系统。舵机因为大多数情况下轻载运行，发热不严重，除少数小型阀控型舵机用开式系统外，大多数采用闭式系统。近年来半闭式系统增多主要不是解决
15、油液发热的需要。一种情况是前述阀控型舵机稳舵时采用了开式系统，转舵时用闭式系统，可称为半闭式，另一种情况是摆缸式转舵机构也占领了一部分市场，它采用的双作用活塞两侧油腔进排泊流量不等，为此而采用了半闭式系统。活塞式油缸即使采用双缸或四缸对称布置，将工作油腔分为有效工作面积相等的二组，转过任一舵角时二组油腔容积变化仍是不等的，这是因为转过任一舵角时二个对称的活塞移动距离并不相同。因此，从容积变化较大的一侧吸油排向容积变化较小的一侧时，就会使活塞移动量增加，油泵吸油侧压力升高而阻碍活塞移动。为了解决两组油腔进排流量不等的矛盾，泵控型系统可设置与超货机相同的低压选择阀连续更油，成为半闭式系统阀控型系统
16、则可使定向定量主泵吸油侧管路与高置膨胀油箱相通。如果只使用一对容积不太大的活塞式油缸，二侧的进排油流量差小于漏泄流量，也可以仍用普通闭式系统。4 浮动杆机械反馈机构日渐被淘汰在变量泵舵机中采用浮动杆机械反馈机构已有较长的历史。但随着舵机电气控制系统更趋成熟，浮动杆机构已显得落后，它表现出以下缺点：增加了机攘元件数量，也增加了安装调试的工作量，增加了维护保养的工作，也增加了故障发生的可能；增加了一次反馈环节，降低了控制精度而且，浮动杆机构往往是双泵共用的，这样，备用泵变量机构也必须动作，其主油路也必须锁紧。3第 2 章 舵机的组成和工作原理2.1 舵机设备的组成目前，绝大多数船舶都以舵作为保持或
17、改变航向的设备。舵垂直安装在螺旋桨的后方。早期船舶都采用平板舵。目前除一些内河小船外，为了提高舵效和推进效率，大都采用由钢板焊接而成的空心舵，称为复板舵。这种舵由于水平截面呈对称机翼形，故又称流线型舵。 （a） （b） （c）图 2.1 几种舵的示意图1舵柄；2上舵承；3舵杆；4舵杆套筒；5舵销；6舵钮；7舵叶；8舵柱；9舵托；10舵承舵的型式很多，图 2.1 示出三种典型的海船用舵。舵叶的偏转由操舵装置（通常称舵机）来控制。舵机经舵柄 1 将扭矩传递到舵杆 3 上，舵杆 3 由舵承支承，它穿过船体上的舵杆套筒 4 带动舵叶 7 偏转。舵承固定在船体上，由滑动或滚动轴承及密封填料等组成。此外，
18、舵叶 7 还可以通过舵销 5 支承在舵柱 8 的舵托 9 或舵扭 6 上。舵杆轴线一般就是舵叶的转动轴线。舵杆轴线紧靠舵叶前缘的舵，称为不平衡舵，如图 2.1（a） ；舵杆轴线位于舵叶前缘后面一定位置的舵称为平衡舵，如图 2.1（b） ；而仅于下半部做成的平衡式的舵即称为半平衡舵，如图 2.1（c） 。后两种舵的舵杆轴线之前有一定的舵叶面积，转舵时的水流作用在它上面产生的扭矩可以抵消一部分轴线舵叶面积上的扭矩，从而减轻舵机的负荷。随着船舶航速和载重吨位的不断提高，所需的转舵力矩也越来越大。以前大多采用的蒸汽或电动舵机，由于其体积庞大而且使用性能较差，因此现代化的大中型船舶上已广泛采用液压舵机作
19、为转舵的动力装置。42.2 舵机电力推动方式舵机按拖动方式目前主要分为电动机械传动舵机和电动液压传动舵机两类。电动机械舵机系统（如图 2.2 所示系统）的换向（左舵，右舵）和调速是在电动机方面进行的，因此对电动机及其控制系统有一定的要求。另一类为电动液压舵机（如图 2.2 所示系统）的换向和调速是在油泵或油路中进行的，对于拖动油泵的电动机没有特殊要求，在交流船舶上，一般采用鼠笼式异步电动机，在整个航行期间，油泵始终是以定速，定向运转的。目前海船上的电动舵机系统如图 2.2 所示，采用发电机电动机系统的较多。电动机通过蜗轮蜗杆、扇形齿轮等机械转动机构，再经缓冲弹簧带动舵柄和舵叶转动。电动机电源由
20、发电机供给。交流异步机作为发电机的拖动原动机。图 2.2 电动机械舵机系统1 拖动电动机；2 发电机；3 舵机电动机；4 蜗杆；5 蜗轮；6 扇形齿轮；7 舵叶；8、9 发电机正反向激磁线圈；10 操舵开关；11 电动机激磁绕组；12 整流器 VC图 2.3 为电动-液压舵机系统原理示意图，它由一台单向恒速运动的交流电动机拖动一台双向变量泵（1） ，该油泵向活塞式液压油缸（2）提供高压油，由液压缸装置驱动舵叶（3）偏转，通过拉杆（6）移动变量泵（1）的偏心，可以改变液压缸左右进油油路的方向。在图 2.3b 上，控制左右电磁阀（8）接通、断开，可以控制液压伺服机构（7）活塞杆（5）左右移动方向，
21、就是该伺服机构的拉杆可以去移动变量泵的偏心，从而改变了舵叶转动的方向。图 2.3a、b 图，通过拉杆（5）是连成一体的。在图 2.3 上，电磁阀 A、B 只是原理表示图，当左电磁阀 A 通电时，油泵中油经箭头所示油路，流入右侧油路进入伺服机构，使伺服机构活塞左移。油缸中左侧油压向油槽中去，箭头表示油路通向。当右电磁阀 B 通电时，油路刚好相反。而拉杆反向拉动变量泵偏心，从而控制舵叶的左右偏转。在图 2.3b 中，泵（9）平时打出油又回到了油槽中，只有当电磁阀A 接通时，油路（11）中油路方向为右进、左出回油到槽中，油流动方向如 A 阀旁边箭头所示，当 B 阀接通时，进出油路方向相反。5图 2.
22、3 电动-液压舵机1 双向变量泵；2 液压缸；3 舵柱；4 拖动电动机；5 拉杆；6 三点式反馈杆；7伺服机构油缸；8 电磁阀；9 油泵；10 油槽；11 油路对于小型船舶因为功率小，所以省去了中间级。电磁阀直接控制油泵和液压缸中油路流向。使舵叶偏转。转舵形式比较简单，如图 2.3 所示。图 2.4 小型舵机转动形式1 舵柱；2 转舵机构；3、4 液压缸；5 油路；6 油泵；7 油槽；A、B-控制油路电磁阀62.3 舵机操控系统对电控制设备要求船舶舵机系统供电应由主配电盘直接从左右两舷两路独立馈电。其中一路还应与应急配电盘相连接。这样保证了供电可靠性。在拖动方面，要求有关电动机采用连续工作制，
23、对于电动-机械舵机，电动机具有软的机械特性，使有足够的过载能力。在操舵方面，要求船舶在最大航速前进时，不仅能将舵转到最大角度，并且有足够的转动速度。对海船来说，要求从一舷最大舵角(35)转到另一侧最大舵角，所需时间不超过 30秒。对舵的操纵至少有两个控制站，分别设在驾驶室和舵机室内，控制站间要有转换开关。2.4 操舵方式1)单动操舵.单动操舵是手动操舵的装置。在老式船上或小型船上，它恰是主要的操舵设备。它的结构简单，工作可靠。操舵方式是把操舵手柄向左或向右扳动，或者按动左舵或右舵按钮，由此来切换电路，使舵叶左转或右转。在操舵时由舵工观察舵角指示器的指示，以此来确定操舵动作。在图 2.2 电路图
24、上，单动操舵是通过转换开关 K 进行操舵的，船舶交流电压经整流器 VC向直流发电机 G 的激磁绕组 W1、W2 和直流电动机 M 的激流绕组 W3 供电。当船舶向左偏航时，则操右舵，使船回航，即开关 K 摆向右侧，W2 通以激磁电流，发电机 G 发出电压，输出电流I，电动机 M 顺时针方向转动，经过蜗轮蜗杆，扇形齿轮转动，使舵叶右偏。当右偏到符合要求的角度(由舵角指示器观测)时，开关 K 再复位到零位。发电机激磁消失，输出电压为0，舵叶就停在右舵某一角度上。当船舶在右舵作用下逐渐回到正航向的过程中，必须回舵。回舵时又将开关 K 扳到左侧，W1 绕组激磁(与前者相反，电动机反转)。当偏舵角逐渐减小，舵叶逐渐接近艏艉线时，开关 K 也应复零位。此时船舶也回到正航向上，当船舶向右偏航需操左舵予以校正，与上述过程相反。在电动液压舵机系统中，单动操舵通过转换开关直接控制左右舵电磁阀来实现的，如图2.5 所示。当控制开关 L 扳向左方，则 A 电磁阀接通，此电磁阀即是 2.3b 上的电磁阀A、B。控制伺服机构拉杆左移，从而控制舵叶左偏。当 L 开关扳向另一方，B 电磁阀接通，舵叶右偏。操舵过程完全与上述相同。图 2.5 单动操舵
