船用液壓舵機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文船舶液壓舵機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究姓名：王月申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化指導(dǎo)教師：陳波2012-06重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 中文摘要 I 摘 要 我國(guó)改革開(kāi)放后與國(guó)外貿(mào)易量逐年增大，尤其是加入WTO后進(jìn)入了快速發(fā)展階段，海運(yùn)事業(yè)隨著世界貿(mào)易的增長(zhǎng)而快速發(fā)展，船舶行業(yè)隨之迎來(lái)了黃金時(shí)期。但我國(guó)船舶配套設(shè)備制造能力一直滯后船舶主體制造能力，現(xiàn)已成為船舶行業(yè)快速發(fā)展的瓶頸。舵機(jī)是控制船舶航向的重要設(shè)備，其性能的好壞對(duì)于船舶運(yùn)動(dòng)的控制起著非常關(guān)鍵的作用。但目前國(guó)內(nèi)對(duì)于船舶舵機(jī)的研究大多集中于船舶航向及舵跡控制方面，對(duì)于舵機(jī)本身的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、液壓傳動(dòng)及電氣控制方面研究卻相對(duì)較少。因

2、此，研究開(kāi)發(fā)高性能船舶舵機(jī)并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，對(duì)于我國(guó)船舶行業(yè)配套能力的加強(qiáng)、競(jìng)爭(zhēng)力的提高具有重要意義。 本文通過(guò)分析研究船舶舵機(jī)作用原理及目前常用轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)，提出采用滾珠逆螺旋機(jī)構(gòu)作為轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)，構(gòu)建新式舵機(jī)。根據(jù)船舶對(duì)舵機(jī)要求及螺旋作動(dòng)器實(shí)際需要，進(jìn)行深入分析比較后，設(shè)計(jì)了舵機(jī)液壓傳動(dòng)原理圖，確定了電氣控制方案。對(duì)舵機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化后，分別建立了比例閥環(huán)節(jié)，閥控缸環(huán)節(jié)及角度傳感器等環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)適當(dāng)變換最終得到了舵機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)舵機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。由于舵機(jī)閉環(huán)時(shí)域響應(yīng)緩慢，且船舶在航行過(guò)程中受風(fēng)、海浪等不確定因素影響，所以采用了不依賴對(duì)象模型的模糊PID校正，設(shè)計(jì)了模糊PID控

3、制器。運(yùn)用MATLAB軟件中的Simulink工具箱建立了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。根據(jù)船舶舵機(jī)需遠(yuǎn)距離傳送信號(hào)且干擾源多的情況，采取了操作室與舵機(jī)室分散控制，通過(guò)CAN總線連接通信的控制方式，有效提高了控制及反饋信號(hào)傳送的速率與質(zhì)量。設(shè)計(jì)了主電路圖、CANopen主站控制原理圖、CANopen從站控制原理圖。 本文設(shè)計(jì)的船舶舵機(jī)系統(tǒng)，采用了新型轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)，有效減小了舵機(jī)體積及重量；采用了電液比例控制，能有效提高船舶航行時(shí)舵角的定位精度，降低航行能耗，減小換向沖擊及噪聲；將傳統(tǒng)的PID校正與先進(jìn)的模糊控制相結(jié)合，提高了舵機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，增強(qiáng)舵機(jī)自適應(yīng)能力；采用現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸信號(hào)，提高

4、了數(shù)據(jù)傳輸速度及可靠性。對(duì)高性能船舶舵機(jī)的設(shè)計(jì)據(jù)有一定的指導(dǎo)意義。 關(guān)鍵詞：船舶舵機(jī)，建模，模糊PID，仿真分析，PLC控制 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 英文摘要 II ABSTRACT Chinese foreign trade volume increasing year by year by reform and opening up, in particular after accession to WTO foreign trade has entered a stage of rapid development. The shipbuilding industry has also en

5、tered in golden age along with fast development of shipping industry, but Chinese ship auxiliary equipment manufacturing capacity is lagging far behind the main vessel. It has become a bottleneck in the rapid development of shipbuilding industry. Steering gear is one of the most important equipment

6、for controlling ships. Its good or bad performance plays a key role for ship motion control. But up to now domestic researchers for the steering gear studies are focused on how to control the ship heading and rudder track. There is a lack of researching hydraulic and electrical control about the ste

7、ering gear. Therefore, research and development high-performance steering gear and achieve the mass production finally. It has great significance for strengthening competitiveness of Chinese shipbuilding industry. Principle and current condition of marine steering gear were analyzed in this paper. F

8、irst, introduced structure of marine steering gears which were used commonly, choosed ball rotary-oscillating actuator as the new steering gear. According to requirements and actual needs, designed the schematic of fluid drive and the electrical control program after analyzed and compared the system

9、 seriously. The hydraulic system of steering gear was simplified. Corresponding mathematical models of proportional valve, valve control cylinder, angle sensor areas and other sectors were established. Mathematical model of the control system was ultimately made out and analyzed stability of steerin

10、g gear system. As time domain response is slow of the servo loop and the ship affected by the wind, waves and other uncertain factors during voyaging. So used the fuzzy PID control and designed a fuzzy PID controller for this system. Dynamic model was established by using the Simulink toolbox in MAT

11、LAB software. Finally, used MATLAB software to carry through dynamic simulation and analyzed dynamic characteristics. Because steering signal is remote transmission in the ship. So adopted the operating room and steering gear room were decentralized control. The rooms were connected via CAN-bus. The

12、 control and feedback signals transmission speed and quality effectively were improved by CAN-bus. The main circuit, CANopen master control diagram and CANopen slave control principle were designed. 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 英文摘要 III In this paper steering gear was designed. Using electro-hydraulic proportional co

13、ntrol, it can improve the positioning accuracy when the ship voyaging, and reduce impact and noise. Applying fuzzy PID control strategy, it can improve the dynamic performance of steering gear and enhance adaptive capacity of steering gear. Using field bus, it can increase data transmission speed an

14、d reliability. This paper has guiding significance for the design of small and medium steering gear. Keyword：Ship Steering Gear, Modeling, Fuzzy PID, Simulation, PLC Control 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 緒論 1 1 緒 論 1.1 船舶舵機(jī)介紹 1.1.1 舵機(jī)作用原理 舵機(jī)是船舶上的一種大甲板機(jī)械，是船舶最重要的輔機(jī)之一，用于控制船舶航向。其對(duì)船舶的作用原理如圖1.1所示 圖1.1 舵作用原理 Fig.1.1 Action

15、 principle of steering gear 舵葉在水中的受力如圖1.1所示。圖中NF舵葉兩側(cè)水壓力（舵壓力）；rF摩擦力；LF升力；DF阻力。在正舵位置，即舵轉(zhuǎn)角0=時(shí)。舵葉兩側(cè)所受的水作用力相等，對(duì)船的運(yùn)動(dòng)方向不產(chǎn)生影響。當(dāng)舵葉偏轉(zhuǎn)任一角度，兩側(cè)水流如圖1.1（a）所示。水流繞流舵葉時(shí)的流程在背水面就要比迎水面長(zhǎng)，背水面的流速也就較迎水面大，而其上的靜壓力也就較迎水面要小。舵葉兩側(cè)所受水壓力的合力稱為舵壓力，NF將垂直于舵葉，作用于舵葉的壓力中心o，并指向舵葉的背水面。除NF外，水流對(duì)舵葉還會(huì)產(chǎn)生與舵葉中線方向一致的摩擦力rF。 當(dāng)舵葉偏轉(zhuǎn)舵角后，在舵葉的壓力中心o上，就會(huì)產(chǎn)生一

16、個(gè)大小等于NF與rF合力的水作用力F。F可分解為與水流方向垂直的升力LF和與水流方向平行的阻力DF： 212LLFCAv= （1.1） 212DDFCAv= （1.2） xxCb= （1.3） 式中：LC，DC，xC分別為升力、阻力、壓力中心系數(shù)，其大小隨舵角而變，與舵葉幾何形狀有關(guān)，由模型試驗(yàn)測(cè)定；水的密度；A舵葉的單側(cè)浸水面積；重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 緒論 2 v舵葉處的水流速度；b舵葉平均寬度。 在圖1.1（b）中，我們假設(shè)在船舶重心G處加上一對(duì)方向相反而數(shù)值均等于F的力1F、2F。那么水作用力F對(duì)船體的作用，可用水作用力對(duì)船舶重心所產(chǎn)生的力矩sM和2F的作用來(lái)代替。 由F和1F形成的

17、力矩sM迫使船舶繞其重心向偏舵方向回轉(zhuǎn)，稱為轉(zhuǎn)船力矩(sM)。 21()sin2sLcDcLLMFlXconFXFlCAvl=+= （1.4） 式中：l舵桿軸線至船舶重心的距離；cX舵壓力中心至舵桿軸線的距離。 由式（1.4）可知：轉(zhuǎn)船力矩sM隨舵角的增大而增大，并在達(dá)到某一舵角時(shí)出現(xiàn)極大值maxM；sM出現(xiàn)極大值時(shí)的舵角數(shù)值與舵葉的幾何形狀有關(guān)，并主要取決于舵葉的展弦比(=舵葉高度A舵葉平均寬度b)。越小，繞流的影響就越大，即在同樣舵角上所產(chǎn)生的舵壓力越小，而達(dá)到最大轉(zhuǎn)船力矩時(shí)的舵角就越大。舵葉的展弦比值受到船舶吃水及船尾形狀等條件限制。海船(=22.5)，maxM的舵角多介于3035oo之

18、間，規(guī)定35o；河船 (=1.02.0)，maxM出現(xiàn)在3545oo舵角之間。 2F則可分解為R和T兩個(gè)分力，縱向分力2sinRF=，增加了船舶前進(jìn)的阻力；橫向分力2cosTF=，使船向偏舵的相反方向漂移。由于水作用力F一般與船舶的重心G并不在同一水平面上，所以船在轉(zhuǎn)向的同時(shí)，還存在著橫傾與縱傾力矩。 在舵勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，需要的轉(zhuǎn)舵扭矩M（操舵裝置對(duì)舵桿施加的力矩）即應(yīng)等于舵的水動(dòng)力矩aM和舵各支承處的總摩擦扭矩fM的代數(shù)和，即： afMMM=+ （1.5） aM表示舵壓力NF對(duì)舵桿軸線所產(chǎn)生的力矩（稱為舵的水動(dòng)力矩），對(duì)于普通平衡舵(0.150.2)faMM= 在舵機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，確定舵機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸和工

19、作參數(shù)的基本依據(jù)是公稱轉(zhuǎn)舵扭矩。公稱轉(zhuǎn)舵扭矩指在規(guī)定的最大舵角時(shí)所能輸出的最大扭矩，是根據(jù)船舶在最深航海吃水和以最大營(yíng)運(yùn)航速前進(jìn)時(shí)，將舵轉(zhuǎn)到最大舵角所需要的扭矩來(lái)確定的。 1.1.2 船舶對(duì)舵機(jī)的要求 舵機(jī)是保持或改變船舶航向，保證安全航行的重要設(shè)備，一旦失靈，船即會(huì)失去控制，甚至事故。因此，我國(guó)鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范(1996)根據(jù)（國(guó)際海上人命安全公約）（SOLAS公約）的規(guī)定，對(duì)舵機(jī)的基本技術(shù)要求是： 必須具有一套主操舵裝置和一套輔操舵裝置；或主操舵裝置有兩套以上的動(dòng)力設(shè)備，當(dāng)其中之一失效時(shí)，另一套應(yīng)能迅速投入工作。主操舵裝置應(yīng)具有足重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 緒論 3 夠的強(qiáng)度并能在船舶

20、處于最深航海吃水并以最大營(yíng)運(yùn)航速前進(jìn)時(shí)將舵自任何一舷35o轉(zhuǎn)至另一舷的35o，并且于相同的條件下，自一舷的35o轉(zhuǎn)至另一舷的30o所需的時(shí)間不超過(guò)28s。此外，在船以最大速度后退時(shí)應(yīng)不致?lián)p壞。輔助操舵裝置應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，且能在船舶處于最深航海吃水，并以最大營(yíng)運(yùn)航速的一半且不小于7kn前進(jìn)時(shí)，能在不超過(guò)60s內(nèi)將舵自任一舷的15o轉(zhuǎn)至另一舷的15o。 主操舵裝置應(yīng)在駕駛臺(tái)和舵機(jī)室都設(shè)有控制器；當(dāng)主操舵裝置設(shè)置兩臺(tái)動(dòng)力設(shè)備時(shí)，應(yīng)設(shè)有兩套相對(duì)獨(dú)立的控制系統(tǒng)。但如果采用液壓遙控系統(tǒng)，除1萬(wàn)Gt以上的油輪(包括化學(xué)品船、液化氣船，下同)外，不必設(shè)置第二套獨(dú)立的控制系統(tǒng)。 操舵裝置應(yīng)設(shè)有有效的舵角限位器

21、。以動(dòng)力轉(zhuǎn)舵的操舵裝置，應(yīng)裝設(shè)限位開(kāi)關(guān)或類似設(shè)備，使舵在到達(dá)舵角限位器前停住。 能被隔斷的、由于動(dòng)力源或外力作用能產(chǎn)生壓力的液壓系統(tǒng)任何部分均應(yīng)設(shè)置安全閥。安全閥開(kāi)啟壓力應(yīng)不小于1.25倍最大工作壓力；安全閥能夠排出的量應(yīng)不小于液壓泵總流量的110，在此情況下，壓力的升高不應(yīng)超過(guò)開(kāi)啟壓力的10，且不應(yīng)超過(guò)設(shè)計(jì)壓力值。 1.2 研究的意義及目的 我國(guó)的船舶行業(yè)正處在快速發(fā)展階段，已連續(xù)十余年保持世界第三大造船國(guó)的地位，世界造船中心向中國(guó)轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)日益加快。尤其是2006年以來(lái)，我國(guó)承接船舶訂單占世界市場(chǎng)份額大幅攀升，全年利潤(rùn)增速在50以上，有關(guān)專家預(yù)計(jì)：到2010年，我國(guó)造船能力將達(dá)到2100萬(wàn)

22、載重噸，造船產(chǎn)量占世界市場(chǎng)份額的25%以上，本土生產(chǎn)的船用設(shè)備平均裝船率達(dá)到40%以上，實(shí)現(xiàn)船用設(shè)備年銷售收入500億元。但我國(guó)造船業(yè)在保持高速增長(zhǎng)的同時(shí)，弊端也逐漸暴露出來(lái)，特別是船舶配套設(shè)備制造能力不足，加上船舶配套業(yè)競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)日益激烈，國(guó)外配套企業(yè)發(fā)展步伐加快，嚴(yán)重制約和壓縮了我國(guó)船用配套業(yè)發(fā)展空間。據(jù)了解，目前我國(guó)船舶自主配套率平均只有40%左右，與日本的98%、韓國(guó)的90%相比，差距相當(dāng)大。LPG船、化學(xué)品船、大型集裝箱船等高端市場(chǎng)的自主配套率平均不足20%。國(guó)內(nèi)船舶主機(jī)目前缺口達(dá)50%70%。近年來(lái)雖然突破了一些重點(diǎn)船用配套設(shè)備關(guān)鍵制造技術(shù)，但是大型船用配套設(shè)備和關(guān)鍵零部件生產(chǎn)能力不

23、足，無(wú)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的船用設(shè)備、品牌產(chǎn)品都需要進(jìn)口，這都較大地削弱我國(guó)船舶行業(yè)的發(fā)展速度1,2。舵機(jī)關(guān)系到船舶的安全、穩(wěn)定，是船舶的核心設(shè)備之一。雖然現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)對(duì)船舶舵機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行了較多的研究，但大多集中于對(duì)自動(dòng)舵、航跡舵等舵機(jī)控制方法上的研究。對(duì)于開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)體積小，重量輕，效率高，反應(yīng)迅速快，控制精度高的船舶舵機(jī)做的工作卻相對(duì)較少。而生產(chǎn)企業(yè)正在批量生產(chǎn)的卻還是國(guó)外7080年代的低端產(chǎn)品，產(chǎn)品附加值低，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力很弱，科研與生產(chǎn)實(shí)際重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 緒論 4 已嚴(yán)重脫節(jié)。因此，在重慶市科委的領(lǐng)導(dǎo)下，重慶大學(xué)與重慶液壓件廠合作，對(duì)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、液壓及控制系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，

24、開(kāi)發(fā)高性能船舶液壓舵機(jī)，這對(duì)中高檔船舶配套設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化具有重要意義。 本課題以船舶舵機(jī)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)為研究對(duì)象。提出一種結(jié)構(gòu)新穎、體積小，重量輕、舵角定位精度高，PLC控制與現(xiàn)場(chǎng)總線控制相結(jié)合的新式船舶舵機(jī)。深入分析液壓傳動(dòng)原理，研究舵機(jī)控制原理及其控制理論，采用先進(jìn)的控制方案。最終實(shí)現(xiàn)高性能液壓舵機(jī)的批量生產(chǎn)。 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀29 船舶在應(yīng)用液壓傳動(dòng)之前，采用的是蒸汽傳動(dòng)和電氣傳動(dòng)。1916年美國(guó)在“新墨西哥”號(hào)戰(zhàn)艦上首次使用了液壓舵機(jī)。在第二次世界大戰(zhàn)期間，液壓傳動(dòng)因具有響應(yīng)速度快、剛度大、抗干擾能力強(qiáng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率重量比和扭矩慣量比大等優(yōu)點(diǎn)而受到重視，使得

25、其在軍艦舵機(jī)、潛艇控制系統(tǒng)及航母的控制系統(tǒng)中占有重要地位。二戰(zhàn)后隨著軍用技術(shù)轉(zhuǎn)為民用，一般的客輪、貨輪也開(kāi)始廣泛使用液壓舵機(jī)，五十年代后期，進(jìn)一步發(fā)展了電液傳動(dòng)系統(tǒng)，這對(duì)減輕操舵人員的勞動(dòng)強(qiáng)度改善操舵條件，簡(jiǎn)化舵機(jī)結(jié)構(gòu)具有重要意義。八十年代是舵機(jī)更新?lián)Q代的十年，引起這種更新的原因主要有兩方面。最直接的原因是：1978年裝有22萬(wàn)噸輕原油的美國(guó)油輪“阿莫戈卡迪茲”號(hào)在途經(jīng)法國(guó)西北海面時(shí)因舵機(jī)失靈而觸礁，造成嚴(yán)重污染和重大經(jīng)濟(jì)損失。為此，舵機(jī)在緊急情況下的可靠性引起了國(guó)際上的普遍關(guān)注。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間醞釀，l981年國(guó)際海事會(huì)議正式通過(guò)了對(duì)l974年SOLAS公約的修正案，其中對(duì)舵機(jī)的要求提出了重要的

26、新條款。舵機(jī)更新的另一原因，是液壓傳動(dòng)技術(shù)從七十年代以來(lái)一直在迅速發(fā)展，產(chǎn)品的高壓化和集成化不斷取得進(jìn)展，邏輯閥等新型液壓元件開(kāi)始應(yīng)用于舵機(jī)和其它船用液壓裝置中，另外，舵機(jī)電氣遙控系統(tǒng)的技術(shù)也更趨成熟，不僅淘汰了液壓遙控系統(tǒng)，而且使傳統(tǒng)的浮動(dòng)桿機(jī)械追隨機(jī)構(gòu)也顯得陳舊。進(jìn)入八十年代以來(lái)，世界舵機(jī)主要制造廠家都開(kāi)始認(rèn)真檢查其產(chǎn)品，并按1981年修正案的要求重新設(shè)計(jì)各自的舵機(jī)，力爭(zhēng)在市場(chǎng)上保持較大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。新一代的舵機(jī)的性能和可靠性更趨完善。目前國(guó)外舵機(jī)最新變化動(dòng)向如下。 普遍設(shè)置了兩套液壓系統(tǒng)，且具有人工和自動(dòng)隔離裝置。西德哈特拉帕公司生產(chǎn)的自動(dòng)隔離裝置：如工作中因某套系統(tǒng)管路破裂或其它原因而嚴(yán)

27、重失油時(shí)，相應(yīng)油柜中的液位開(kāi)關(guān)就會(huì)動(dòng)作報(bào)警，并在經(jīng)過(guò)30秒或更長(zhǎng)時(shí)間(視漏泄程度而定)，另一個(gè)更低的液位開(kāi)關(guān)就會(huì)動(dòng)作使工作泵組切換。挪威富利登波公司認(rèn)為上述方案使設(shè)備復(fù)雜化，產(chǎn)品價(jià)格較貴，而且某些閥正常工作時(shí)長(zhǎng)期不動(dòng)，緊急情況能否正常動(dòng)作便難于保證，因而又提出了一種僅采用二個(gè)主油路自動(dòng)鎖閉閥來(lái)重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 緒論 5 隔離損壞的油路系統(tǒng)的方案。這種方案僅適臺(tái)于轉(zhuǎn)葉式油缸，它在缸體內(nèi)部設(shè)有油路連通相應(yīng)油腔，但如果一對(duì)油腔密封損壞時(shí)，并不能使之與工作油路隔離。顯然，單缸體的轉(zhuǎn)葉式油缸如發(fā)生故障，如密封損壞、動(dòng)葉斷裂等，是不能按“單項(xiàng)故障原則”迅速恢復(fù)工作的，因此它不能用于10萬(wàn)載重噸以上

28、的油輪。為此，日本三井ABG公司提出了雙油缸體轉(zhuǎn)葉舵機(jī)的設(shè)計(jì)，它將二個(gè)轉(zhuǎn)葉油缸迭置在同一舵桿上方，其二套油路系統(tǒng)之一可以被隔離和旁通，以適應(yīng)10萬(wàn)載重噸以上油輪的要求。 閥控型舵機(jī)的應(yīng)用功率范圍在擴(kuò)大，性能也在改善。閥控型舵機(jī)因穩(wěn)舵時(shí)主油泵仍需全流量工作，雖然排出壓力小，但仍要消耗一定的功率，故經(jīng)濟(jì)性較差；而且換向時(shí)液壓沖擊大，故過(guò)去多用于功率較小的舵機(jī)?，F(xiàn)在隨著閥控型舵機(jī)設(shè)計(jì)的改善，扭矩范圍也有了顯著提高。例如西德哈特拉帕R系列閥控型舵機(jī)最大公稱扭矩已達(dá)到1200KN.m，完全能勝任一般數(shù)萬(wàn)噸級(jí)海船的需要。 新型液壓閥件的應(yīng)用。隨著液壓技術(shù)迅速進(jìn)步，從60年代末開(kāi)始，能根據(jù)電氣信號(hào)的變化對(duì)液

29、壓油流向及壓力、流量進(jìn)行連續(xù)的、按比例的遠(yuǎn)程控制的比例閥迅速發(fā)展；70年代為解決大流量(200L/min以上)系統(tǒng)控制集成化的困難，邏輯閥(又稱二通插裝閥)也迅速發(fā)展。這些元件不僅開(kāi)始在工程船液壓傳動(dòng)裝置中出現(xiàn)，也開(kāi)始用于液壓舵機(jī)。日本川崎泵控型舵機(jī)的液壓系統(tǒng)即使用了邏輯閥。丹麥狄沙麥潤(rùn)四缸活塞式舵機(jī)的控制系統(tǒng)中使用了比例方向閥，取消了機(jī)械追隨機(jī)構(gòu)，從而轉(zhuǎn)舵精度可達(dá)土1/6o，比普通電磁換向閥控制精度提高了兩倍以上。 船舶自動(dòng)舵控制技術(shù)的發(fā)展。1921年德國(guó)安修斯公司發(fā)明了自動(dòng)操舵儀，即利用羅經(jīng)的電訊號(hào)，通過(guò)繼電器、機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制船舶舵機(jī)。由于自動(dòng)操舵儀能夠自動(dòng)駕駛船舶，按給定航向航行而且

30、具備航向精度高，能節(jié)約能源，并且把人從繁重人工操舵中解放出來(lái)。1930年蘇聯(lián)也相繼研究出以電羅經(jīng)為航向接收訊號(hào)的自動(dòng)操舵儀，這一產(chǎn)品的問(wèn)世引起了航運(yùn)界的重視，各先進(jìn)資本主義國(guó)家也形成了研究機(jī)構(gòu)和一批知名企業(yè)。到目前為止只有少數(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)資本主義國(guó)家，如美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)臺(tái)卡、日本北辰以及蘇聯(lián)沙姆希特掌握了這項(xiàng)技術(shù)，并形成名牌產(chǎn)品。自動(dòng)舵的發(fā)展大致經(jīng)歷四代： 1920年和1923年德國(guó)的Aushutz和美國(guó)的Sperry分別率先推出了獨(dú)立研制成的機(jī)械式自動(dòng)操舵儀，該產(chǎn)品所采用的是經(jīng)典控制理論中最簡(jiǎn)單最原始的比例放大控制規(guī)律。這種自動(dòng)舵被稱為第一代自動(dòng)舵。 20世紀(jì)50年代，經(jīng)典理論達(dá)到了旺盛時(shí)期，經(jīng)

31、典控制理論有著各種控制方法，其中最重要最典型而且在工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種是比例微分積分(PID)控制。伴隨著經(jīng)典控制理論的發(fā)展，PID舵在50年代開(kāi)始發(fā)展起來(lái)。1950年日本研制出“北辰”自動(dòng)舵，1952年美國(guó)研制出新型的Sperry自動(dòng)舵，采用的都是PID控制規(guī)重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 緒論 6 律。由于P調(diào)節(jié)器不需要詳細(xì)的有關(guān)受控過(guò)程的知識(shí)，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)易于調(diào)整和具有固有的魯棒性等特點(diǎn)，PID舵得到了廣泛的認(rèn)可，幾乎所有的船舶都裝有這種操舵儀。這種自動(dòng)舵被稱為第二代自動(dòng)舵。 到了70年代，由于自適應(yīng)理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了發(fā)展，人們注意到將自適應(yīng)理論引入船舶操縱成為可能，紛紛將自適應(yīng)

32、舵從實(shí)驗(yàn)室裝到實(shí)驗(yàn)船上，正式形成了第三代自動(dòng)舵。自適應(yīng)舵在提高控制精度、減少能源消耗方面取得了一定的成績(jī)，但自適應(yīng)控制系統(tǒng)比常規(guī)的控制系統(tǒng)要復(fù)雜得多，其魯棒性、收斂性等尚未得到證明。 對(duì)有限維、線性和時(shí)不變的控制過(guò)程，傳統(tǒng)的控制方法是非常有效的。由于實(shí)際船舶系統(tǒng)常具有不確定性、非線性、非穩(wěn)定性和復(fù)雜性，很難建立精確的模型方程，甚至不能直接進(jìn)行分析和表示。自適應(yīng)控制的穩(wěn)定性和魯棒性在實(shí)際應(yīng)用中還無(wú)法完全達(dá)到要求，但熟練的舵手運(yùn)用他們的操舵經(jīng)驗(yàn)和智慧，能有效地控制船舶。為此，從80年代開(kāi)始，人們就開(kāi)始尋找類似于人工操舵的方法，這種自動(dòng)舵就是第四代的智能舵。 古代中國(guó)是當(dāng)時(shí)造船和航海的先驅(qū)。春秋戰(zhàn)國(guó)

33、時(shí)期就有了造船工場(chǎng)，能夠制造戰(zhàn)船；漢代已能制造帶舵的樓船；唐、宋時(shí)期，河船和海船都有突出的發(fā)展，發(fā)明了水密隔壁；明朝的鄭和七次下西洋的寶船，在尺度、性能和遠(yuǎn)航范圍方面，都居世界領(lǐng)先地位。到近代，中國(guó)造船業(yè)發(fā)展遲緩，鴉片戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)后，國(guó)人才逐漸意識(shí)到船舶工業(yè)的落后，18651866年，清政府相繼創(chuàng)辦江南制造總局和福州船政局，建造了“保民”“建威”“平海”等軍艦和“江新”“江華”等長(zhǎng)江客貨船。盡管中國(guó)早就有建造萬(wàn)噸級(jí)機(jī)動(dòng)船舶的記錄，能自制船用蒸汽往復(fù)機(jī)以及由其驅(qū)動(dòng)的機(jī)艙輔機(jī)，甲板機(jī)械等。但由于舊中國(guó)工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，船舶配套設(shè)備的生產(chǎn)基本依靠國(guó)外，從基礎(chǔ)的螺釘、墊圈等小五金到高級(jí)的雷達(dá)、導(dǎo)航儀等都依賴進(jìn)

34、口，船舶行業(yè)基本停留在組裝及維修的階段。至新中國(guó)成立前夕，全國(guó)鋼質(zhì)船舶的平均年造船量?jī)H1萬(wàn)噸左右。 全國(guó)解放后，我國(guó)成立重工業(yè)部船舶工業(yè)局，集中力量建造蘇聯(lián)轉(zhuǎn)讓的艦艇。63年成立六機(jī)部，組建國(guó)產(chǎn)化協(xié)作機(jī)制，造船從仿制改進(jìn)到自行研制（研制出核潛艇、遠(yuǎn)洋探測(cè)船、萬(wàn)噸輪等），但該機(jī)構(gòu)在文革時(shí)期遭到了重創(chuàng)。改革開(kāi)放后，尤其是近十年來(lái)我國(guó)船舶行業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展階段。然而科研及生產(chǎn)單位更多的集中于船舶主體的設(shè)計(jì)制造，對(duì)船舶主要輔件舵機(jī)尤其是高性能的自適應(yīng)舵的研究還在起步階段。雖然近幾年來(lái)，有關(guān)單位開(kāi)展了對(duì)自適應(yīng)舵的研究工作，發(fā)表了一些設(shè)計(jì)方案，仿真研究結(jié)果和產(chǎn)品，其中具有代表性的是上海欣業(yè)船舶電器廠科技人

35、員和上海交通大學(xué)船電專業(yè)教授們共同開(kāi)發(fā)的HD8A數(shù)控自動(dòng)操舵儀，但一直未出現(xiàn)有影響力的品牌或產(chǎn)品。 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 緒論 7 1.4 主要研究?jī)?nèi)容 本課題針對(duì)當(dāng)前舵機(jī)體積大、質(zhì)量重、舵角定位精度不高、控制系統(tǒng)復(fù)雜且可靠性差等問(wèn)題，應(yīng)用先進(jìn)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用適應(yīng)性強(qiáng)的控制方法，設(shè)計(jì)一套體積小、質(zhì)量輕、定位精度高、動(dòng)態(tài)特性好、控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的舵機(jī)。具體地講，本課題主要探討和研究了以下幾個(gè)方面的內(nèi)容： 運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的選擇。綜合分析了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及存在的問(wèn)題，根據(jù)舵機(jī)要求體積小、質(zhì)量輕、傳動(dòng)效率高等特點(diǎn)，選擇滾珠螺旋作動(dòng)器作為運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。為提高舵機(jī)轉(zhuǎn)角精度，提

36、高系統(tǒng)集成度及可控性，降低換向沖擊。通過(guò)分析現(xiàn)有液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了以電液比例閥為核心的液壓回路。 電氣控制系統(tǒng)研究。由于舵機(jī)操舵室與舵機(jī)室距離遠(yuǎn)，且中間干擾源多，設(shè)計(jì)了以PLC作為控制單元，通過(guò)CAN總線傳輸信號(hào)的控制方式，有效解決了舵機(jī)控制器可靠性及控制信號(hào)傳輸?shù)乃俣嚷百|(zhì)量不高等問(wèn)題。 控制算法研究。應(yīng)用現(xiàn)代控制理論，將傳統(tǒng)的PID控制與模糊控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)了舵機(jī)的模糊PID控制器，提高了控制器的精確性與適應(yīng)性。并建立舵機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了仿真分析。 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 8 2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 船舶舵機(jī)主要有有運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)三大

37、部分組成。如圖2.1所示。 圖2.1 船舶舵機(jī)系統(tǒng)組成 Fig.2.1 Component of steering gear 2.1 轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)是將油泵供給的液壓能變?yōu)檗D(zhuǎn)動(dòng)舵桿機(jī)械能的一種機(jī)構(gòu)，目前常用的機(jī)構(gòu)，按推動(dòng)舵葉偏轉(zhuǎn)時(shí)動(dòng)作方式不同，可分為兩大類：往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式。 往復(fù)式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)形式主要有滑式、滾輪式及擺缸式。 1）滑式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu) 它是應(yīng)用最廣的一種傳統(tǒng)轉(zhuǎn)舵型式，它又有十字頭式和撥叉式之分。十字頭式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)舵油缸、插入油缸中的撞桿以及與舵柄相連接的十字形滑動(dòng)接頭等組成，當(dāng)轉(zhuǎn)舵扭矩較小時(shí)常用雙向雙缸單撞桿的型式，而當(dāng)轉(zhuǎn)舵扭矩較大時(shí)，多采用四缸、雙撞桿的結(jié)構(gòu)。其單邊結(jié)構(gòu)圖如

38、圖2.2所示。 圖2.2 十字頭式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu) Fig.2.2 Crosshead-style steering structure 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 9 當(dāng)舵轉(zhuǎn)至任意舵角時(shí)，為克服水動(dòng)力矩所造成的力Q，(與舵柄方向垂直)。在十字頭上將受到撞桿兩端油壓差的作用力P，力P與Q作用方向不在同一直線上，導(dǎo)板必將產(chǎn)生反作用力N，以使P和N的合力Q恰與力Q方向相反，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)舵扭矩以克服水動(dòng)力矩和摩擦扭矩。其轉(zhuǎn)舵力矩： 2002coscos4cosmmmRDzpRPMzQRz= （2.1） 上式表明：在撞桿直徑D，舵柄最小工作長(zhǎng)度0R和撞桿兩側(cè)油壓差P既定的情況下，轉(zhuǎn)舵扭矩M隨舵角的增

39、大而增大。這種扭矩特性與舵的水動(dòng)力矩的變化趨勢(shì)相適應(yīng)，當(dāng)公稱轉(zhuǎn)舵扭矩既定時(shí)，滑式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)最大工作油壓較其它轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)要小。撥叉式與十字頭式原理類似。 2）滾輪式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu) 圖2.3滾輪式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu) Fig.2.3 Roller steering structure 滾輪式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：在舵柄端部以滾輪代替滑式機(jī)構(gòu)中的十字頭或撥叉。受油壓推動(dòng)的撞桿，以頂部頂動(dòng)滾輪，使舵柄轉(zhuǎn)動(dòng)。這種機(jī)構(gòu)不論舵角如何變化，通過(guò)撞桿端面與滾輪表面的接觸線作用到舵柄上的推力P始終垂直于撞桿端面，而不會(huì)產(chǎn)生側(cè)推力。其轉(zhuǎn)舵力矩可寫(xiě)為： 200cos4mmMzQRDzpR= （2.2） 上式表明：當(dāng)D、0R和P既定時(shí)，滾輪式

40、轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)所能產(chǎn)生的轉(zhuǎn)舵扭矩將隨的增大而減小。扭矩特性在坐標(biāo)圖上是一條向下彎的曲線。在最大舵角時(shí)，水動(dòng)力矩較大，而滾輪式這時(shí)所產(chǎn)生的扭矩反而最小，只達(dá)到滑式機(jī)構(gòu)的55%左右。但滾輪式與滑式相比，撞桿與舵柄之間沒(méi)有約束，無(wú)側(cè)推力，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易，安裝、拆修都較滑式方便。 3）擺缸式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu) 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 10 圖2.4 擺缸式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu) Fig.2.4 Swing-cylinder steering structure 擺缸式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：采用兩個(gè)擺動(dòng)式油缸和雙作用的活塞(也可單作用)。轉(zhuǎn)舵時(shí)，活塞在油壓下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，兩油缸相應(yīng)擺動(dòng)，通過(guò)與活塞桿鉸接的舵柄推動(dòng)舵葉偏

41、轉(zhuǎn)。由于轉(zhuǎn)舵時(shí)缸體必須作相應(yīng)擺動(dòng)，必須采用有撓性的高壓軟管。 擺缸式機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)舵時(shí)，油缸擺角將隨油缸的安裝角(中舵時(shí)油缸擺角)和舵轉(zhuǎn)角而變。一般使中舵時(shí)最大，最大舵角時(shí)為零或接近于零。但不論舵角如何，角總是很小。如果忽略，擺缸式與滾輪式扭矩特性相同，所以一般應(yīng)用于功率不大的舵機(jī)中。 回轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)911。目前回轉(zhuǎn)式主要以轉(zhuǎn)葉式機(jī)構(gòu)為主。 圖2.5 轉(zhuǎn)葉式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu) Fig.2.5 Rotating blade steering structure 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 11 圖2.5所示為三轉(zhuǎn)葉式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)，油缸內(nèi)部裝有三個(gè)定葉，通過(guò)橡皮緩沖器安裝在船體上三個(gè)轉(zhuǎn)葉與舵桿相固接，由于轉(zhuǎn)

42、葉與缸體內(nèi)壁和上、下端蓋之間，及定葉與轉(zhuǎn)轂外緣和上、下端蓋之間，均設(shè)法保持密封，故借轉(zhuǎn)葉和定葉將油缸內(nèi)部分隔成為六個(gè)小室。當(dāng)經(jīng)油管6從三個(gè)小室吸油，并排油入另外三個(gè)小室，轉(zhuǎn)葉就會(huì)在液壓作用下通過(guò)輪轂帶動(dòng)舵桿和舵葉偏轉(zhuǎn)。其轉(zhuǎn)舵力矩： 0mMzPAR= （2.3） 上式表明：轉(zhuǎn)葉式機(jī)構(gòu)所能產(chǎn)生的轉(zhuǎn)舵扭矩與舵角無(wú)關(guān)，扭矩特性在坐標(biāo)圖上是一條與橫坐標(biāo)平行的直線。其優(yōu)點(diǎn)是：(1)占地面積小（約為往復(fù)式的1/4），重量輕（約為往復(fù)式1/5），安裝方便。(2)無(wú)須外部潤(rùn)滑，管理簡(jiǎn)便，舵桿不受側(cè)推力，可減輕舵承磨損。(3)扭矩特性不如滑式，比滾輪式和擺缸式好。但其內(nèi)泄漏部位較多。密封不如往復(fù)式容易解決，造成容

43、積效率低，油壓較高時(shí)更為突出。 往復(fù)式與回轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)舵力矩與轉(zhuǎn)角關(guān)系如圖2.6所示12。 圖2.6 轉(zhuǎn)舵力矩與轉(zhuǎn)角關(guān)系 Fig.2.6 Relationship of steering torque and rotation 新型轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)13,14 重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室梁錫昌等老師發(fā)明了滾珠螺旋作動(dòng)器，其是針對(duì)現(xiàn)代高性能飛機(jī)對(duì)前緣襟翼驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提出的體積小、重量輕、承載能力大、工作可靠和維修方便等要求，從縮短傳動(dòng)鏈出發(fā)，把液壓傳動(dòng)和滾珠螺旋傳動(dòng)巧妙的結(jié)合起來(lái)，所發(fā)明的一種新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)如圖2.7所示，由液壓缸、傳動(dòng)軸、滾珠副等部分組成。 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 系統(tǒng)方案設(shè)

44、計(jì) 12 圖2.7 滾珠直旋作動(dòng)器 Fig.2.7 Rotary actuator ball straight 其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：用液壓缸驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器，可以應(yīng)用液壓缸現(xiàn)有技術(shù)：密封性能好，油液泄漏量小，可達(dá)到較高的工作壓力，加工簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟。采用該機(jī)構(gòu)作為轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)后，不論舵角如何變化，都無(wú)側(cè)推力作用。作動(dòng)器采用滾珠副，機(jī)械傳動(dòng)效率高且結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積?。w積僅為轉(zhuǎn)葉式1/2）。這種新型轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)既擁有轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，又克服了其泄漏量大，不適合用于高壓的缺點(diǎn)。其轉(zhuǎn)動(dòng)力矩： 00tan2tan2MFdPAd= （2.4） 式中：P液壓缸兩側(cè)油壓差；A液壓缸活塞有效作用面積；0d螺旋作動(dòng)器直徑；逆螺旋機(jī)

45、構(gòu)螺旋升角；總效率，一般為0.850.9。 上式表明：基于滾珠逆螺旋的轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)舵扭矩與舵角無(wú)關(guān)，扭矩特性與轉(zhuǎn)葉式類似，在坐標(biāo)圖上是一條與橫坐標(biāo)平行的直線。雖然該機(jī)構(gòu)優(yōu)勢(shì)明顯，但由于滾珠逆螺旋傳動(dòng)軸直接與舵桿相連，雖然液壓及控制系統(tǒng)可以冗余設(shè)計(jì)，但作動(dòng)器以及液壓缸卻只能一個(gè)。所以滾珠螺旋作動(dòng)器，現(xiàn)階段不適合作為巨型船舶的轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)。本文設(shè)計(jì)的就是基于此種轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)的舵機(jī)。 2.2 液壓系統(tǒng)方案1528 由于作動(dòng)器需要液壓缸驅(qū)動(dòng)其動(dòng)作，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)合適的液壓系統(tǒng)，使舵機(jī)達(dá)到更好的性能。現(xiàn)有液壓舵機(jī)的種類很多，按控制方式分可分為：泵控和閥控。泵控系統(tǒng)又稱容積控制系統(tǒng)，其實(shí)質(zhì)是用控制閥去控制

46、變量液壓泵的變量機(jī)構(gòu)，由于無(wú)節(jié)流和溢流損失，故效率較高，且剛性大，但其響應(yīng)速度較慢、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適用于功率大而響應(yīng)速度要求不高的控制場(chǎng)合。一般轉(zhuǎn)舵力矩大于400KN.m的船舶采用這種控制方式。閥控系統(tǒng)又稱節(jié)流控制系統(tǒng)，其主要控制元件是液壓控制閥，具有響應(yīng)快、控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是效率低，特別適合中重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 13 小功率快速、高精度控制系統(tǒng)使用。由于此舵機(jī)是針對(duì)中小型，轉(zhuǎn)舵力矩在400KN.m以下的船舶，所以適合采用閥控系統(tǒng)。 液壓閥，按大類可分為電液控制閥和普通電磁閥。電液控制閥是液壓技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。由其代替普通電磁閥，可簡(jiǎn)化液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)液壓與電

47、氣控制系統(tǒng)的集合能力，提高可控性。按照使用的閥不同，可分為伺服控制系統(tǒng)（控制元件為伺服閥）、比例控制系統(tǒng)（控制元件為比例閥）和數(shù)字控制系統(tǒng)（控制元件為數(shù)字閥）。電液控制閥是電液控制系統(tǒng)的心臟，其既是系統(tǒng)中電氣控制部分與液壓執(zhí)行部分間的接口，又是實(shí)現(xiàn)用小功率信號(hào)控制大功率的放大元件，其性能直接影響甚至決定著整個(gè)系統(tǒng)的特性。 上述三種不同的電液控制閥的性能比較如表2.1所列。 表2.1 電液控制閥的性能比較 Table2.1 Performance of electro-hydraulic control valve 項(xiàng)目 電液伺服閥 電液比例閥 電液數(shù)字閥 功能 壓力、流量、方向及其混合控制 壓

48、力、流量、方向及其混合控制 壓力、流量、方向及其混合控制 電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換 力或力矩馬達(dá)，功耗小比例電磁鐵，功耗中 步進(jìn)電機(jī)、高速開(kāi)關(guān)過(guò)濾精度 15m 約25m 無(wú)特殊要求 滯環(huán)/% 約1 3 0.1 動(dòng)態(tài)響應(yīng) 高（100500HZ） 中（頻寬10150HZ）較低 中位死區(qū) 無(wú) 不大于20% 有 控制放大器及計(jì)算機(jī)接口 伺服放大器需專門(mén)設(shè)計(jì)，需要數(shù)模轉(zhuǎn)換 比例放大器一般與閥配套供應(yīng)，需要數(shù)模轉(zhuǎn)換可直接與計(jì)算機(jī)接口連接，無(wú)需數(shù)模轉(zhuǎn)換價(jià)格因子 3 1 1 應(yīng)用領(lǐng)域 多應(yīng)用于閉環(huán)控制 多用于開(kāi)環(huán)控制，也用于閉環(huán)控制 既可開(kāi)環(huán)控制，也可閉環(huán)控制 由表2.1可看出伺服閥具有死區(qū)小，靈敏度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快

49、，控制精度高等優(yōu)點(diǎn)；但由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致中位泄漏量大，閥的負(fù)載剛性差，抗污染能力差，且其價(jià)格相對(duì)較高。電液比例控制閥是介于普通液壓閥和電液伺服閥之間的一種液壓控制閥，與手動(dòng)調(diào)節(jié)和通斷控制的普通電磁閥相比，它能顯著的簡(jiǎn)化液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜程序和運(yùn)動(dòng)的控制，通過(guò)電信號(hào)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制，大大提高液壓系統(tǒng)的控制水平；與伺服閥及電液數(shù)字閥相比盡管其動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能有些遜色，但在結(jié)構(gòu)與成本上具有明顯優(yōu)勢(shì)，且目前在市場(chǎng)上數(shù)字閥產(chǎn)品較少見(jiàn)。 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 14 比例閥相對(duì)于現(xiàn)在船舶上用的較多的普通電磁換向閥的優(yōu)勢(shì)主要有：1.定位精度高，可以以較小的舵角保持航向。這意味著速度損失小，相應(yīng)地

50、節(jié)省了能源。2.換向平穩(wěn)，舵機(jī)避免了壓力沖擊。這意味著裝置磨損小，減小了維修保養(yǎng)費(fèi)用。3.快速地?fù)Q裝專用閥塊，使舵機(jī)裝置現(xiàn)代化。提高了舊船的經(jīng)濟(jì)性能。綜合上述對(duì)比分析，結(jié)合本課題的研究特點(diǎn)選用比例換向閥作為本系統(tǒng)的主控閥。 比例方向控制閥一般要求進(jìn)油與回油壓降相等，如果壓降不等，則液壓缸進(jìn)退過(guò)程的速度剛性不同，而且在閥換向瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的換向沖擊；如果采用非對(duì)稱缸和閥開(kāi)口非對(duì)稱的比例閥，由于舵工作的不同階段所需流量差別較大，所需最大驅(qū)動(dòng)功率就較大，電機(jī)及泵的體積、重量都大增，功率損耗也隨之增大；為使舵機(jī)的體積質(zhì)量更小，功率損失更低，建議首先考慮雙活塞桿液壓缸。 根據(jù)船舶對(duì)舵機(jī)的要求及系統(tǒng)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)液壓回路如圖2.8所示。此液壓回路中，泵2供油，單向閥7防止油液倒灌，電磁溢流閥4調(diào)定油液工作壓力并在系統(tǒng)無(wú)控制信號(hào)輸出時(shí)使泵卸載，壓力表開(kāi)關(guān)5保護(hù)壓力表，壓力表6顯示液壓系統(tǒng)壓力，精過(guò)濾器8保護(hù)比例方向閥，比例方向閥9控制液壓缸運(yùn)動(dòng)方向及運(yùn)動(dòng)速度，液壓鎖10防止舵在受到意外沖擊時(shí)損壞比例閥，并可短暫隔離左側(cè)回路與右側(cè)回路油路，在油路發(fā)生故障時(shí)截止閥11屏蔽損壞回路，液壓缸12用于驅(qū)動(dòng)螺旋作動(dòng)器軸上下移動(dòng)，雙向溢