(毕业论文)“育鲲”轮转叶式舵机工作原理和电气控制以及故障分析

摘要本文主要介绍为保证船舶安全航行，船舶舵机应满足那些条件。“育鲲” 轮上转叶式舵机的工作原理和转舵机构的介绍，以及舵机的电气控制。对变频器控制的转叶式舵机的转舵机构进行简单的叙述。校实习船的舵机控制分为自动、随动和手动三种方式。其中对各种控制方式做了比较详细的介绍。然后对舵机可能出现的问题进行故障分析及管理建议。

关键词：舵机舵机原理转舵机构电气控制故障分析

Abstract

This paper mainly introducoed ship steering gear should satisfy those conditions, in order to ensure the safe navigation of ships. Steering gear working principle and the introduotion the turnning of the vane steering gear in “YUKUN ”.Wheel and steering gear electrical controls. Inverter control of the turn vane steering gear steering bodies briefly. Servo control of the school training vessel into automatic servo and control three ways. Which a more detailed introduction to the various control methods. At last, introducting steering gear problems that may occur for failure ,analysis and management proposals. Keywords ：steering gear working principle turnning of the steering gear inverter control problem analysis

目录

前言???????????????????????????????1

第一章“育鲲”轮舵机系统概述?????????????????? 2

1.1“育鲲”轮舵机主要技术参数??????????????? (2)

1.2“育鲲”轮舵机工作原理?????????????????? 2

1.3“育鲲”轮舵机系统的组成????????????????? 3 第二章“育鲲”轮转舵机构和概述?????????????????.4

2.1变频器控制的转舵机构概述????????????????? 4

2.2育鲲轮转舵机构特点???????????????????? 6 第三章“育鲲”轮舵机的控制系统?????????????????.6

3.1舵机的自动控制系统???????????????????? 6

3.1.1舵机的自动控制概述

??????????????????..6

3.1.2育鲲轮自动导航航迹舵

?????????????????..7

3.2舵机的随动控系统?????????????????????7

3.3舵机的应急控制??????????????????????9

3.4控制方式的选择和控制地点的切换??????????????10

3.5控制系统的放大单元????????????????????11 第四章故障分析和管理注意要点??????????????????..12

4.1故障现象和故障分析????????????????????.13

4.2舵机管理注意要点?????????????????????.13 总结???????????????????????????????..14 参考文献?????????????????????????????..14 致谢

????????????????????...?????????? (14)

前言

船舶在海上或江河中航行时船舶的航向必须得到控制，否则船舶不可能按照人们的意愿来完成预想的航线。然而绝大多数的船舶都是用舵来控制航向的。

舵机的作用可见一斑。舵机系统就如陆地上汽车的转向系统，控制着船舶航行

的方向。

现代的船舶主要用的是电动液压式舵机，他可以分为往复式和转叶式两大类。无论是什么类型的舵机系统都应该满足船舶变向有效操控舵叶动作。因此舵机应满足如下基本条件。

（1）对于1 万吨以上的油船发生舵机单项故障时（舵扇、舵柄损坏或转舵机构卡阻除外）而丧失工作能力是应该在45s 钟内恢复。

（2）对于舵机的液压系统的要求。a 安全阀：在液压系统中任何被隔断的部分都应该设安全阀，安全阀的开启压力不小于1.25 被最大工作压力，且不大于设计压力。b 液压系统：系统中循环油箱都应该设置低液位报警器，液压缸体上与各管路连接处应设隔离阀。c 检测和报警：当发生各类事故故障时能给出声光警报。

（3）一定要具备一套主操舵装置和一套辅操舵装置，或者一个操舵装置有两套相互独立动力设备。

（4）一般应该设有两套以上的且相互独立的控制系统，且在驾驶台和集控室都能对舵机进行控制。但如果是采用的液压遥控系统，除了1 万吨以上的油船也可以不设第二套控制系统。

（5）对于舵杆的直径大于230mm 的船舶，舵机必须要除了主动力源以外的其他的动力源。这个替代的动力源可以是舵机室的专用的独立电源也可以是应急电源。替代电源必须能在45s 钟内向其中一套操舵设施及其控制系统和舵角指示提供动力。

（6）操作灵便。主辅操舵装置均应能在驾驶室和舵机室进行控制，主操舵装置的每台动力装置也均能在驾驶室控制，并能方便地进行切换。

（7）在舵机室驾驶室都有舵角指示。

（8）应设有舵叶偏转限位开关，一般± 35° 。

（9）有三种操舵方式（自动、随动、手动）。

(10)液压舵机实验。液压舵机在车间里进行不少于100小时的持续实验，合格后安装上船，再进行1.25 被设计压力实验以检测液压密封性。第一章“育鲲”轮舵机系统概述

1.1“育鲲”轮舵机主要技术参数舵机技术参数主要包括转舵机构参数、液压

油泵参数和变频电机参数。

转舵机构参数

舵机型号：SR723 —FCP

最大工作压力：125bar

设计压力：156bar

最大扭矩：412KNm

试验压力：234bar

舵杆直径：320mm

最大机械舵角： 2 ×44°

电气限制舵角： 2 ×43°

运行时间1 台泵/2 台泵：28/14s (30°—0°—

35°)

安全阀设定压力：156bar

液压油泵参数

型号：FCP —75

安全阀设定压力：125bar

试验压力：188bar

变频电机参数

型号：NORM IEC 160LB —4

速度：1450rmp

额定压力：17 ，5KW(SI)

电压： 3 ×380V，50HZ

保护等级：IP55

1.2“育鲲”轮舵机工作原理

图1-1 所示为型号是SR723-FCP( SR：Spherical Rotary；FCP：Frequency Controlled Pumps)的舵机的液压系统。它采用的是球型转子式转

叶式舵机。该

系统利用可反转的液压泵，驱动液压油泵的电动机是受变频器控制的驾驶台的转舵信号通过变频器控制液压油泵的排量和转向，压力油进入转舵油缸，而转舵油缸中的油回到循环油柜中。当舵叶转到所需要的舵角时，液压油泵停转，并由控制阀锁闭油路。

图1-1 育鲲轮SR723-FCP泵控型舵机液压系统原理图

1.3“育鲲”轮舵机系统的组成

育鲲轮上的舵机是RollS-Royces 的，其系统包括随动舵和应急操舵系统，它由驾驶台主控板和左右翼驾驶台的舵令发送单元、控制系统、舵机控制箱、变频器、电机、泵和液压系统以及反馈装置、报警单元组成。Kongsberg 的自动舵系统是由自动电源、分配电箱、控制单元、主计算机和反馈单元组成

图1-2 育鲲轮舵机系统组成

第二章“育鲲”轮转舵机构和概述

2.1变频器控制的转舵机构概述

完整的转舵机构是由两个变频器控制的可逆转的油泵单元，止回阀和电动反馈单元组成。分配阀与液压油泵单元的高压油管是在制造厂安装好的，转舵机构内部都灌满了液压油。这个转舵机构在设计上是非常紧凑的，这样就可以使管路安装的工作达到最小化。

动力马达单元是由两个由弹性联轴节连接到电动电机上的可逆转的油泵组成。

这种转舵机构与那些油泵长久运转，液压油被调速阀控制的传统的转舵机构相比这个FCP 系统在工作上有很大的不同。在正常的情况下油马达和电动机都是停止运转的。这就意味着油泵和电动机只有在有转舵和停舵信号时，在舵已经达到我们想要的位置是才动作。分配阀中的阀会锁住舵的位置。那他的优点就是工作时间短、能量消耗少、工作噪音低、工作温度低、系统整洁干净还有可以达到预想的长寿命。

对各个油泵的电动机的控制器分别设有各自独立从主配电板直接供电的线路。运转操作控制的和各个转舵单元的动力是由为对应的电动机提供电源

的电源提供。因此这两个系统都是有电力系统和液压系统组成且是相互独立的。在一个系统中出现的问题不会影响到另一个系统的正常操作。

这个转舵机构也可以接收从驾驶台发来的起/停的控制信号，或者有操控

杆控制以及其他动力控制系统的控制。

在驾驶台的主控制屏上包含了数个转舵系统控制的遥控模块。

报警控制屏一般是分开安装的，主报警控制屏被安装到机舱的集控室当

中。

在没有认为的操作时一个或两个液压油泵单元可以单独或同时驱动转舵机

构。通过停止一台电动机，对应的油泵就会自动的脱离系统而不会被用到。

如果有一个油泵单元发生机械问题，或在系统中发生管路和电器故障不会

妨碍到其他的单元工作。他的控制系统被设计成油泵重启模式，在动力源出现

故障或停断时运转。

在舵机间有一台齿轮泵会在应急的情况下提供动力给转舵机构供舵机运转。

转舵的舵角与轮子转速成正比关系。

图2-1 育鲲轮上转舵机构

如图2-1所示，1—舵杆；2—转子；3—轴套；4—电机上壳体；5—电机

下壳体；6—下轴承；7—上轴承和舵杆上部密封；8—下部密封；9—转子壳

体密封；10—安装轴套注油孔；11—吊环；12—安装活塞；13—阀块；

14—过滤单元

2.2育鲲轮转舵机构特点

如图2-1 所示，“育鲲”轮舵机的转舵机构设计成球形, 转子和转叶做成一体，转子上的密封件由做成一体的合成材料构成，这样的结构使转舵机构能够承受或吸收较大的震动和冲击。三个转叶在环形油缸内带动舵杆以恒扭矩转舵。球形转子使内摩擦力降低到最小，同时消除了舵杆可能弯曲而引起对转舵机构的附加作用力。

舵杆1 安装于转舵机构中央位置。轴套3与舵杆接触的内表面是圆柱形，外表面是锥形，它与转子内孔的锥形面相配合。转子与舵杆之间的转舵力矩是靠轴套的静摩擦力传递的。转舵机构与变频电机由螺栓紧固在一起，结合面安装密封环保证液压油不会泄露。转子安装在壳体内部，在转子和壳体上下部结合面处安装有轴承。下轴承承担转子、舵杆及舵叶的重量以及转舵时所产生的力，轴承由液压油进行润滑。转子和壳体中部形成液压油环形空间，三个定子和三个转叶将其分隔成六个空间。另外，转子和壳体之间安装密封装置，对液压油空间密封，允许少量油泄露润滑轴承。转子伸出壳体处有上下密封装置，防止液压油向外漏泄。

第三章“育鲲”轮舵机的控制系统

3.1 舵机的自动控制

3.1.1舵机自动控制概述

“育鲲”轮上的自动舵控制是非常先进的航迹舵，它是按照船舶对航向的偏离角度来控制船舶的航迹，其操舵的系统其实是在随动舵的基础上省去了手轮，再加上航向反馈而形成的，它是舵角反馈和航向反馈的双闭环控制系统。

图3-1 舵机自动控制的双闭环系统示意图

以船舶偏航角和偏航角速度的大小和方向调节的比例- 微分舵和以船舶偏航角、偏航角速度及偏航角积分的大小和方向来调节的比例- 微分- 积分舵。

比例控制：按偏航信号成比例提供舵角指令信号；微分控制：又叫反舵角，当船舶返回给定的航向时，起阻尼作用，克服船舶的惯性；

积分控制：自动纠正船舶航向，在船舶由于受到固定的干扰（风、潮流、水流等）而偏离航线时，自动使船回到设定的航线上。

3.1.2育鲲轮自动导航航迹舵

“育鲲”轮自动舵是自适应自动舵，具有航向保持，自动导航航迹系统（ANTS），即航迹舵功能。

自动舵是一个很复杂的电子系统，受海况、船速、船壳形状和尺寸大小的影响。AP2000 型自动操舵仪是一种自适应自动舵，能够自动适应船况和海况。在限制范围内，自动舵能够识别船舶的操纵性能。这通过比较数学模型和实船本身的输出来实现，通过这个比较得到的参数被用来产生最优的控制舵角，最终使船舶保持在预设的航向上。

由于船舶数学模型比较简单，对参数的估计只在转向和一定限速范围内进行。这个速度范围设为服务航速± 30%。超出这个范围的速度将会锁定这个估计程序，这就意味着自动舵将使用超出这个范围时所计算出的最近参数。由于速度的改变，速度增益调度将处理在操纵性能上的改变。就如：与20 节相比自动舵

在10 节的情况下用舵次数更多。另外，这种自适应自动舵也能估计船舶周围波浪的影响，从而减少在恶劣天气条件下的用舵次数。

对自动舵来说，船速的输入非常重要，对水速度和对地速度用来鉴别对地和对水的相对速度，对水速度用来计算正确的控制舵角，在航线转向时对地速度用来计算航向的改变。用于自动航向保持的速度通常来自安装时设置的对水和对地计程仪。在自动导航航迹控制时，对水和对地的速度通常来源于导航装置或者电子海图系统。

3.1 舵机的随动控制系统对于随动操舵控制系统，只要操作人员给出某一操舵指令，系统就能自动的按指令吧舵叶转到所要求的舵角上，并自动使舵叶停转。

图3-2 舵机随动控制单环控制图

上图是随动操舵系统方框图。它是按偏差进行调节的。信号的消除不是通过人而是通过舵叶的偏转来达到的。亦即与舵柱机械的连接一个信号发送器，舵叶转动时，发出反馈信号，如果反馈信号和控制信号相等时，就将控制信号抵消，使偏差信号等于零，舵叶停止转动，只要向一个方向扳动操舵手轮，舵叶就向某一方向偏转，待舵偏转到所要求的舵角时，舵将自动停止，从而实现舵机的自动调节。

随动舵一般是在驾驶台进行操作控制。驾驶台通过手轮的转动发送所想要的舵角大小以及舵的转向。这个信号一般都是以电压或电流的形式传递的，传送到比较器前通过数模转换器转换成数字信号。然后在比较器中与测得的实际的舵角与舵的方向进行比较，比较之后产生一个偏差值。再由这个偏差值控制变频器的动作进而控制电动机的转向和转速。电动机的动作直接带动液压油泵的动作，再通过液压油驱动舵杆实现转舵的目的。在转舵过程中还会测得反馈信号来控制舵杆的转动，避免舵转到要求的舵角继续转动而出现跑舵的现象。其系统的结构如图所示。

3.3 舵机的应急控制

在育鲲上应急的的操作分为驾驶台的应急操舵和在舵机间的应急操舵两部 分组成 。

在驾驶台应急控制 在舵机的主控制屏一般都会有为了应急操舵而设的随

动操舵的按钮。 应急操舵按钮一般都是有最高优先级的配置，所以当舵在运转的时候其他 的操舵模式就不会连接上。 如果优先级高的操舵方式被用

到， 一个可听见的信号 就会激发。这个报警信号可以按蜂嗡器释放按钮重设。 为了恢复正常的操舵方式， 要把转换开关转向释放的位置 。

在舵机间的应急控制

在舵机马达上的电磁阀可以被用到通过在电磁阀上的应急设施。在马达

控 制器上的选择器开关一定要转换到当地控制位置。

如果安装了应急手动液压泵一般都是安装在舵机间里。为了操作这个液

压 泵，链接液压泵的阀必须要打开。 应急操舵的程序应提供给每一个操舵机构。 他

图 3-3 随动操舵系

们都陈列在驾驶台和舵机间里

应急操舵是通过人力直接控制控制运动机构的应急按钮或应急舵杆来对舵机进行控制的方式。

图3-4 应急操舵控制图

3.4控制方式的选择和控制地点的切换在操舵的各个系统都正常时，操舵方式的选择是根据船舶的航行状态、航行区域以及天气的情况来确定的。当有其中的操舵系统出现故障时也不得不选择其他的控制方式。

自动控制：是在船舶在海上航行或开阔的水域航行，且船舶本身与天气状况的条件允许，船舶处于固定航行，使用自动舵来替代手动操舵。

随动操舵：当船舶进出港和在狭窄水道航行或是在自动舵故障时使用。

应急操舵：在自动操舵和随动操舵同时故障时使用要求在驾驶台和舵机间都设有操作点。

图3-5 操舵模式选择图

在图3-5中：STEERING MODE 1 、STEERING MODE 2 、STEERING MODE

3 为三种操舵模式； K50、K60 、K70 为选择操舵地点是常开还是常闭信号； K51、 K61、K71 为三种操舵模式的选择开关。 11AC 、12AC 、13AC 是反馈限幅 （12AC 是公共 端口 ）。 ODER ＿ = ＿ FB 是舵角反馈 信号 。 COMPERATOR ＿ 50、 COMPERATOR ＿60、COMPERATOR ＿70 是三种操舵模式下舵令信号与反馈信 号的比较输出信号。

如图 3-6 中： IN_COMMANDE_、5I0N_COMMANDE_、6I0N_COMMANDE_为70三个 不同的操舵 地点；IN COMMANDE LIGHT MOD 、EI 1N COMMANDE LIGHT MOD 、E 2 IN COMMANDE LIGHT MODE 3为三个不同操作地点的指示灯。它是由比较

器信号、反馈舵角信号和脉冲电源信号经过两个与门，一个或门和 JP50、JP60、

JP70等跳键来选择操舵地点的。

在真正的操舵模式被选之前， 操舵仪的舵令信号必须等于实际舵角位置， “IN COMMAN ”DE 按钮才能被触发（即可以进行操舵地点转换） 。如果操舵仪的舵令信 号不等于实际舵角位置，“IN COMMAN ”D 灯E 将闪烁显示操作者必须改变舵令信号， 而且舵令必须在 6～7 秒内改变。当选择了正确的操舵模式， 操作地点即已确定， “IN COMMAND ”E 灯将从闪烁变成恒亮，这个功能只用于随动操舵。

图 3-6 操作地点选择与原

3.5控制系统的放大单元

图3-7 控制系统的放大板原理图

当操舵模式为随动时，图3-7 上14AC为高电位，继电器线圈K2有电，则图上两个常闭辅助触点断开，一个常闭触点闭合。14AC 的高电位经过与非门和与门使D/A转换器的触发信号为0，使D/A转换器开始转换。

舵令信号和反馈单元的电源为+-5V。

舵令信号发送：假设为左舵，正信号从8AC经过反向放大器后经模数转换器和数模转换器。转换后的负信号经过运算放大器（其中电阻器P31为舵令增益调节，电阻器P30 为零位调节）放大，放大的负信号经过跳键JP60与反馈信号汇合。

舵角的反馈信号回路：11C、12C、13C为反馈信号输入端其中12C 为公共端，因舵令信号为左舵所以反馈信号为负信号经过运算放大器进行放大，再经过11A、12A、13A进行限幅，限幅后的负信号经过反向器后变为正信号与舵令信号汇合。汇合后的信号经过运算放大器（运算放大器的电阻器P60 为灵敏度调节）放大，放大信号输出送往舵机控制器。因为汇合信号是舵令发送的负信号和反馈的正信号的叠加，相当于形成了一个负反馈。也就是说实际舵角越接近舵令舵角时，汇合信号越小，发送到舵机控制器的信号就越小，则电机的转速越慢，舵杆的转动速度就变慢，这样可以实现舵机平稳的起停。

第五章故障分析和管理注意要点

4.1 故障现象和故障分析

故障现象一：自动操舵与随动操舵相互之间不能转换，自动操舵或随动操舵向应急操舵可以正常转换。

故障原因：这种现象一般都是因为操作失误造成的。根据育鲲轮舵机说明书的要求，自动操舵与随动操舵相互转换时操舵指令舵角必须和反馈指示舵角相同才能进行相互转换。否则将不能进行正常转换。然而由自动操舵或随动操舵向应急舵转换则由于应急操舵有最高的优先权，所以在转换时可以正常转换。正确操作：首先将操作轮调至舵角指示的位置，然后在进行转换。或在舵角显示为“ 0” 是进行模式转换。

故障现象二：船舶在广阔海域航行时用自动舵的操舵模式，在航行过程中舵叶总是频繁的转动。是船舶的航向不稳定。

故障原因：在自动操舵模式下，控制舵机转动的信号有多个。比如GPS 定位的精确船位、罗经测得的船舶的航向、电子海图上已经画好的航线以及计程仪的所测数值。这这些控制信号中如果有一个信号出现错误就会影响舵机的正确动作。后经过检查发现是由于计程仪显示的数值不稳定，从而导致舵机的动作不稳定，舵叶频繁的转动。现在的解决方法是隔断了由计程仪送出的信号，给它一个固定的信号而使舵机稳定。

4.2 舵机管理注意要点

（1）舵机的工作环境。舵机间应该保持清洁、干燥和适合的温度，以防止机械、电器元件过热腐蚀、过热等造成损坏，保证设备的工作性能，并为管理人员提供有力的工作环境。冬季注意供热保温，夏季和潮湿季节应注意适当通风。

（2）油箱油位。高置油箱和补油箱的油位应保持在油位计的三分之二高度左右。油位增高表明油中混入过多气泡或油冷却器漏水，油位降低则表明系统漏油，都应及时查明修复。

（3）在停泊期间要经常用小锤敲打固定螺帽或锁闭螺帽，如有松动现象发生必须均匀上紧。

（4）设备和液压油工作温度。泵和电机等机电设备不应有过热现象，否则

应立即查明原因，予以消除。泵轴承部位的温度比油温高10—20℃为正常。最适合的工作油温是30—50℃，高于50℃时应使用油冷却器。工作油温一般应不

超过60℃，超过70℃时一般应停止工作，查明原因，加以解决。

（5）振动与噪声。舵机应运行平稳、安静。如有异常应及时查明原因，设法处理。

（7）电气设备。定期检查电气设备的绝缘，检查和清洁触头，检查和防止各接头松动，及时更换损坏的按钮、开关等元件，保持电气设备、仪表、指示灯和照明完好无损。

总结

本文主要介绍了“育鲲”轮上的舵机系统。通过一个月的学习和查阅资料，对船舶海上航行的舵机的要求做了简单的介绍。还对“育鲲” 轮上的转叶式舵机的转舵机构和液压系统原理图做了比较详细的介绍。本文还对本船上舵机的部分电气控制比如舵机控制模式的切换和控制地点的切换，以及随动控制的放大板电路的工作情况做了介绍。还总结归纳了舵机的故障以及分析。根据舵机要求和发生的故障提出的管理注意要点。

参考文献

【1】李世臣. 海上轮机实习.大连：大连海事大学，2010.

【2】“育鲲”轮上Rolls-Royce 舵机英文说明书

【3】陈海泉. 船舶辅机. 大连：大连海事大学出版社，2010.

致谢

经过了四个月在“育鲲”轮上的实习学习生活，我们获益匪浅。对船舶上的设备有了更深层次的了解和认识。以前在学校在课本上学的东西只是表面的，一切设备装置都是凭借想象和书本上的图反映出来。虽然在大三时期我们在校船“育鲲” 轮上认识实习了一个月，但上次时间短不能进行细致的研究学习。而这一次实习四个月，我们有足够的时间去学习，对船上设备的工作原理一件管理工作都有了很深的认识。特别是舵机系统，他的工作原理、

电气控制以及故障分析等方面我都进行了系统的学习研究。在船上进行正常

的轮换班，使我们很好的体验了船员的工作生活情况。所以非常感谢船上的轮机员老师四个月来给我帮助与讲解。