拨叉式液压舵机设计

1 引言 (1)

1.1 液压舵机发展概况 (1)

1.1.1 国内发展概况 (2)

1.1.2国外液压舵机发展趋势 (2)

1.2 本课题的研究意义 (3)

2 拨叉式液压舵机总体方案分析 (3)

2．1 拨叉式液压舵机系统组成 (3)

2.1.1 拨叉式转舵机构组 (4)

2.1.2 电控舵机动力柜 (4)

2.1.3 膨胀补给油箱 (4)

2.1.4 电控舵机操纵台 (4)

2.2 拨叉式液压舵机的设计分析 (5)

2.2.1 拨叉式液压舵机主要技术性能参数 (5)

2.2.2 电动液压舵机结构、原理 (5)

2.2.3 舵机分类 (11)

2.2.4 总体方案拟定 (11)

3 拨叉式液压舵机结构设计 (13)

3.1 转舵机构 (13)

3.2 操舵装置动力设备 (13)

3.3 液压管路阀件与附件 (13)

3.4 随动机构 (14)

3.5 报警、润滑及其它 (14)

3.6 材料 (14)

3.7 强度 (14)

4 拨叉式液压舵机参数设计 (15)

4.1 受力分析 (15)

4.2 柱塞行程和油缸容量..................................................................... 错误！未定义书签。

4．3强度计算........................................................................................ 错误！未定义书签。

5 实验论证 (20)

5.1 主要阀件的作用 (20)

5.2 安装与调试 (21)

5.3管理与维护 (24)

1 引言

目前绝大多数船舶都以舵作为保持或者改变航向的设备，稍大一些的船舶，几乎部采用液压舵机。液压舵机是利用液体的不可压缩性及流量、流向的可控性来达到操舵目的。分析其性能为其他船舶液压舵机系统的仿真及优化提供了参考。

1.1 液压舵机发展概况

1.1.1 国内发展概况

近年来，我国液压件行业坚持技术进步，加快新产品开发，取得良好成效，涌现出一批各具特色的高新技术产品。它的发展决定了机电产品性能的提高。它不仅能最大限度满足机电产品实现功能多样化的必要条件，也是完成重大工程项目、重大技术装备的基本保证，更是机电产品和重大工程项目和装备可靠性的保证。所以说液压传动产品的发展是实现生产过程自动化，尤其是工业自动化不可缺少的重要手段[1]。

新一代的液压舵机的性能和可靠性更趋完善，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；阀控型舵机的应用功率范围在扩大，性能也在改善；半闭式系统有所增加；随着液压计数迅速进步能根据电气信号的变化对液压油流向及压力、流量进行连续的按比例的远程控制的比例迅速发展，逻辑阀元件在工程船液压传动装置中出现，也开始用于零压舵机[2]。1.1.2国外液压舵机发展趋势

八十年代是舵机更新换代的十年。引起这种更新的原因主要有二方面。最直接的原因是；1978年装有22万吨轻厥油的美国油轮阿莫戈2卡迪兹号在途经法国西北海面对因舵机失灵而触礁，造成严重污染和重大经济损失。为此，舵机在紧急情况下的可靠性引起了国际上的普遍关注。经煞一段时间酝酿，l981年国际海事会议正式通过了对l974年SOLAS公约的修正案，其中对舵机的要求提出了重要的新条款。

修正案明确规定：1万总吨及以上的油轮(包括化学品船、液化气运输船)的舵机动力执行系统应符合“单项故障原则，即除了舵柄(或舵扇)或舵执行器卡住外，任何其它部分发生单项故障，应能在45秒内恢复操舵能力。这就要求舵机有二个独立的液压系统，或者能各自单独工作满足要求，或者平时共同工作，而任一系统液体流失时能自动检铡和自动黯离，使另一系统仍能保持工作，以保持50的扭矩。而1万总吨以上、十万载重吨以下的油轮采用单一的舵执行器时(倒如一般单缸体的转叶式油缸)，如设计、材料和密封。试验检查等符合严格的专门规定，可不对舵执行嚣提出单项故障的要求[3]。

海工液压舵机厂推出产品——电液联控同步舵机和同异步舵机。同异步舵机专门用于拖船或其他港口作业船，是一种代替价格昂贵的全回转装置的新型舵机[4]。

1.2 本课题的研究意义

液压舵机是近代船舶工业的科技进步的体现，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装置中。液压传动产品的发展是实现生产过程自动化，尤其是工业自动化不可缺少的重要手段。

拨叉式推舵机构工作可靠，密封性好，易于加工，便于维护，适应的转舵力矩范围广，可从5至2000以上，因此得到广泛使用[5]。

2 拨叉式液压舵机总体方案分析

2．1 拨叉式液压舵机系统组成

拨叉式液压舵机主要是由一个拨叉式转舵机构组，两个动力柜和一个电控操纵台（或随动操舵仪）组成。如图2.1

图2.1 船舶舵机组成图

2.1.1 拨叉式转舵机构组

拨叉式转舵机构组成拨叉式推舵装置、手动隔离阀、舵角发讯器等组成。

拨叉式转舵机构组有单舵、双舵和三舵三种型式的传动系统，单舵传动系统只包括推舵装置本身。双舵传动系统包括假舵柄、假舵柱连杆及边舵柄。三舵传动系统包括中边舵柄和拉杆。转舵机构组按推舵装置上隔离阀的不同，分为A、C型。A型为无隔离阀;C型为手动隔离阀。按船舶设计要求决定选用何种形式。

推舵装置是将液压能转换成驱动舵杆传动的机械能装置。本拨叉式推舵装置是把柱塞在油缸中的往复运动，通过拨叉式舵柄输出转舵扭矩。柱塞表面镀铬，油缸采用V型夹织物橡胶密封圈密封。推舵装置本身能保证±36.5°的限位角。推舵装置上设有放气压力表阀，并附有机械舵角指示刻度板。本推舵装置的特点结构简单、工作可靠，且扭矩输出特性好。（即在相同的油压下，随着舵角的增加，输出扭矩也增大）。

2.1.2 电控舵机动力柜

动力柜是舵机液压能的供给和控制装置。在油箱的上方布置一台交流电机泵组及一组压力表。油泵的吸口不设滤器，集成块和回油滤器均用螺栓直接联在油箱一侧，溢流阀和液压系统的回油可直接流回油箱。油箱上设有压力继电器，当压力低于调定压力时报警。液位继电器作低油位报警。此外，油箱上还设有透气加油装置、连通管等法兰接口。动力柜在油箱内设有冷却装置。

本机型动力柜配用的为Y-H系列交流电机。

2.1.3 膨胀补给油箱

用于改善油泵的吸油，安装高度应高于油泵的中心线。

2.1.4 电控舵机操纵台

舵机操纵台是在驾驶室控制动力柜实现操舵的控制设备。本操纵台只能进行简单方式操舵，操纵台上布置有操舵手柄，舵角指示器以及电动机泵组启动、运转指示灯，开关和报警等。操纵台内布置有电器安装板。

2.2 拨叉式液压舵机的设计分析

2.2.1 拨叉式液压舵机主要技术性能参数

海洋船舶舵机的技术参数是说明其规格和性能的具体指标。主要技术参数有如下：

（1）转舵扭矩：160KN.m；

（2）转舵角度：±35°；

（3）转舵速度：从一侧35度到另一侧30度不大于28秒。

（4）舵柄半径：450mm

（5）柱塞直径：175mm

工作要求：

（1）撰写毕业设计说明书

（2）拨叉式液压舵机主要零部件工程图纸

（3）拨叉式液压舵机的液压原理图及主要液压元件的清单

2.2.2 电动液压舵机结构、原理

液压操作机装置乃是利用液体的不可压缩性及流量、流向和压力的可控性的操舵机构。其主要部分为：油泵、推舵机构级控制阀件等。通过控制系统把舵机操纵台发出的操舵信号传递给舵机，以使其按照驾驶人员的意图及时准确地转舵，并在舵叶转到给定舵角时自动停止。从而保证实际舵角与指令舵角的一致性[6]。

电动液压舵机是目前使用最为广泛的动力操纵的操舵装置，通常设置专用的油泵电动机组（或称动力矩）作为动力源，如图2.2所示。此时还应配有储备油箱，用以补充动力矩的油箱。

图2.2带有油箱的油泵电动机组

电动液压舵机的推舵机构按其动作方式基本上分为两类，一类为往复式，目前常用的有采用柱塞式油缸的拨叉式推舵机构和采用活塞式油缸的摆缸式推舵机构。另一类为回转式，可分为转叶式转舵机构和圆弧形撑杆式转舵机构。

柱塞式电动液压舵机按泵的型式可分为变量式和定向泵式。变量泵式的控制系统普遍采用辅助泵驱动的伺服机构（浮动式杠杆追随机构）控制主油泵的流向与流量，也有采用力矩马达控制油泵改变流向和流量，因此又称为泵控式液压舵机，一般用于转舵力矩较大，也即所需功率较大的液压舵机。定向泵式则用换向阀（电磁阀、电液阀、液控阀等）改变油流方向，故而又称阀控式液压舵机，适用于中小功率的液压舵机[7]。

柱塞式电动液压舵机通常采用叉形舵柄（见图 2.3），柱塞在两个油缸之间滑动，柱塞中间设有柱塞销即滑块同叉形舵柄连接，随着柱塞的移动，滑块在叉口内滑动，带动叉形舵柄转动。图 2.4及图2.5所示为典型的两油缸拨叉式推舵机构。图2.6所示为四油缸双柱塞推舵机构，使舵柄两侧受力形成力偶，可大大减小舵杆及舵承的磨损，适用于大中型转矩的舵机。

图2.3叉形舵柄

图2.4拨叉式单舵推舵机构

图2.5拨叉式双舵转舵机构

（a）杠杆机构控制

（b）力矩马达控制

图2.6四油缸双柱塞拨叉式推舵机构

摆缸式电动液压舵机通常设置双作用活塞式油缸，按照缸体转动轴的位置可分为端铰式（见图2.7）和中铰式（见图2.8）。

（a）单舵（b）双舵

图2.7端铰摆缸式推舵机构

（a）单舵（b）双舵

（c）三舵

图2.8中铰摆缸式推舵机构

摆缸式推舵机构的主要优点是重要轻，布置灵活，但转矩特性不够理想，其转舵力矩随着舵角的增大而减小。工艺上对油缸和活塞杆加工精度及密封要求均较高，而且为适应缸体的摆动必须采用口径较大的高压软管。此外铰接点的磨损也较大，机构工作时会出现撞击现象。因此摆缸式转舵机构一般用于功率不大的液压舵机。国产的摆缸式电动液压舵机规格为6.3至160。

拨叉式和摆缸式电动液压舵机除了采用电控换向阀或变量泵控制外，对于较小转矩的舵机（30一下）还可采用直控式操舵，也即其油泵用电动机驱动，油泵及推舵机构的进出油管均通到驾驶室同舵机操纵台的手动换向阀连接，操舵时由操舵台控制换向阀改变油流方向，从而改变转舵方向。此外，所有拨叉式及摆缸式液压舵机均可配置应急操舵装置，通常该装置设在舵机舱内进行操作。

转叶式转舵机构按其构造上的不同特点可分为端盖式和翻边式，端盖式安装较方便，如图2.9所示为端盖式转叶舵机。图2.10所示为圆弧形撞杆式转舵机构，这种转舵机构密封性好，适用于高压轴。

图2.9单舵双动力矩的端盖式转叶舵机

图2.10圆弧形撑杆式转舵机构

2.2.3 舵机分类

舵机按结构特征一般分为如下型式[8]：

A型——往复柱塞式

B型——往复活塞式

C型——转叶式

D型——回转柱塞缸

E型——回转活塞缸

（a）往复柱塞式（b）往复活塞式

(c)转叶式（d）回转柱塞式

(e)回转活塞式

图2.11舵机型式

2.2.4 总体方案拟定

（1）辅操舵装置

在主操舵装置失效时，为驾驶船舶所必需的设备。

（2）操舵装置动力设备

由泵和驱动泵的原动力机及辅助的电气设备组成。

（3）动力转舵系统

由一个或几个动力设备、辅助管路、附件及转舵机构所组成，用以提供动力转动舵杆的液压设备。

（4）转舵机构

将液力转变为机械动作，用以转动舵的机构。

（5）操舵装置控制系统

用以将舵令由驾驶室传至动力转舵系统之间的一系列设备的总称。

（6）最大工作压力

按规定的转舵扭矩操舵时，动力转舵系统可能出现的最大压力。

（7）设计压力

用作强度计算的压力取最大工作压力的1.25倍的安全阀的调整压力的两者较大值。

（8）安全阀整定压力

在设计压力允许范围内，安全阀通过最大工作流量时的压力。

3 拨叉式液压舵机结构设计

3.1 转舵机构

转舵机构应满足一下要求：

（1）应采用可靠的密封装置而且便于装拆，密封件的型式和材料应符合有关标准的规定，密封装置的设置应符合ZC规范要求。

（2）可以在液压缸内部也可在外部设置挡环以限制转舵角度不超过±36.5 ，当采用外部挡块限位时，液压缸内部的空隙应不小于10mm。

（3）应能在舵杆上、下窜动5mm的情况下正常工作。

（4）应设有机械舵角指示器，指示器面板的分度值应不大于1°，每5°应由数字表示，满舵刻线及数字应涂红色。

（5）应有放气、放液的设施。

3.2 操舵装置动力设备

(1)每台动力设备可单独工作也可同时工作。在任何情况下都应能迅速方便地进行转换。当两台动力设备同时工作时，并不要求转舵速度较原来快一倍[9]。

(2)泵控型舵机的泵处在零排量工况时，泵壳温度不得超过液压泵说明书规定的允许值，液压泵变量机构的零位漂移，应控制在舵机正常工作范围内。

(3)泵控型舵机应有补液设施，当采用补液泵补液时，补液泵流量应不低于主泵额定流量的20%，补液泵可以与主泵同一电动机驱动。也可用电动机单独驱动。单独驱动时，电控设备应设联锁，在补液泵未启动前不能启动主泵。

(4)当液压泵为电动机驱动时，电动机允许适当过载，当安全阀开启时，电动机的过电流或过力矩不超过电动机技术条件的规定，其他性能应满足GB 7060的要求。

(5)旋转部分应由防护罩。

3.3 液压管路阀件与附件

(1)高压管路推荐采用凹凸槽内放O型密封圈或其他金属密封圈的法兰连接。除与液压件配用的管接头，一般不得采用锥形管接头。

(2)隔离阀一般应装在油缸与管路的连接处，而且固定在油缸上。

(3)液压系统中可以被隔离的部分应设置安全阀，设计或讯用安全阀时，安全阀开启压力应不小于1.25倍最大压力。当安全阀通过主泵最大工作流量110%

的流浪时，其压力不得超过安全阀整定值的10%。

(4)舵机应设储备油箱其容量至少可对一个动力转舵系统再充液一次。

(5)管路布置应避免空气积存，并有放气设施。

(6)系统若采用软管时，软管组件应符合ZC规范的规定。

3.4 随动机构

(1)当舵机采用机械反馈型的随动机构时随动机构应有足够的强度和刚度，在操舵或风浪冲击时不应损坏或降低操舵性能。

(2)随动机构应有机旁控制装置，机旁控制装置应设有机械舵角指示器。机旁控制装置应与操舵控制系统联锁。

(3)随动机构上应有舵角限位器

3.5 报警、润滑及其它

(1)除电气规定的报警外，根据需要舵机应设低液位报警。滤器阻塞报警，单舵机仅仅提供报警信号的发讯装置。低液位报警时的油位必须保证舵机还能正常工作。

(2)紧固件、接头、调整件应有相应的防松措施。

(3)运动部位应有充分的润滑或采用自润滑轴承。

3.6 材料

(1)舵机所采用的材料应符合ZC规范及现行标准的规定。

(2)材料一般不采用灰铸铁，但高强度灰铸铁制成的低应力零件液压元件外壳长期使用证明可靠，并得到ZC认证后可以继续采用。

(3)延伸率大于12%，抗拉强度不大于650N/mm2的球墨铸铁可用于制造舵机的任何零件。

3.7 强度

液压缸和舵柄及其它受力件应按ZC规范的规定以设计压力作为计算负载进行校核。

4 拨叉式液压舵机参数设计

——强度极限

——屈服极限

——弯曲屈服极限

——拉伸应力

——挤压应力

——弯曲应力

——压缩应力

——接触应力

本文设计计算满足“钢制海船入级规范[10]”要求，在没“钢制海船入级规范”的情况下满足“内河船舶入级与建造规范[11]”要求。

表4.1各条件下弯曲系数表

弯曲系数

最大扭矩M N2m 160000 NM

舵柄半径R 0.45 m

柱塞直径D 0.175 m

4.1 受力分析

油缸最大工作压力差ΔP（按转舵角为35°计之）

图4.1压差示意图

ΔP= MPa=12.4MPa 式

（4-1）

α——转角35°

——机械效率0.8

油缸进口最大工作压力：（取液压系统可能出现的最高压力）

=ΔP+=12.4+1.5=13.9MPa（取14MPa）

=系统压力损失1~2MPa

推舵油缸设计压力：（公称压力）

=1.25=1431.25=17.5MPa

柱塞设计推力：P

P=1.25() 33=420924.3N

舵柄滚轮间设计作用力

T=≈=364067.5N 式（4-2）

ΔP=2ΔP

柱塞设计推力:N

以α=35°时计算。

a=71——连杆剖面积（前面求得）

0.12=47

式（4-23）

L=480cm——连杆长度

——剖面惯性矩（前面求得）

=598.6<

边舵柄销轴

材料40Cr =550MPa

=1.230.4=264MPa

受力分析：销轴在P1(P2)的拉（压）力承受弯曲和剪力，按第四强度理论考虑

图4.11边舵柄销轴弯矩图已知：=244154.9N（前面求得）

支反力：=122077.5N

弯矩：M=RA2=10986.975

=0.090m

=60.293

=0.085m——销轴直径

弯曲应力σ=M/W=182.26MPa

剪切：=21.52MPa

=186.03

销轴衬套

材料ZQA19-4

=40MPa

比压：

d=0.085m——销轴直径

l=0.04932m——衬套工作长度

=244154.9N——前面求得

5 实验论证

5.1 主要阀件的作用

（1）舵机专用阀组

该阀组包括主阀和双联安全阀。

主阀有锁舵和改善负扭矩工况的作用。当操纵操舵手柄后，主阀芯移动，舵机专用阀处处于工作位置。高压油通过主阀芯的单向阀进入液动（或手动）隔离阀和推舵油缸其回油是通过主阀芯与阀体组成的环形通道流出主阀的。由于主阀芯移动的位置受弹簧力和进油压力的控制，故当进油压力过低时主阀芯的移动位置不能到达极位，而是随进油压力的大小处于某一浮动位置上。由于浮动位置不同，所形成的回油环形通孔的大小也不同，即产生一个可变的节流口，限制和阻止回油速度。当舵叶在水动力矩作用下，推舵装置的柱塞移动速度超过油泵供油速度时，主阀进油压力很低，甚至产生负压，此时在弹簧力的作用下主阀芯向复位方向移动将回油口关小，从而限制了水动力矩作用下推舵装置中柱塞的移动速度。当水动力矩变化时主阀芯会自动调整节流口，这样即使舵叶在水动力作用下，也不会出现快速移动和爬行现象。

双联安全阀为两组弹簧阀芯，可独立地调节推舵装置两侧的压力，起到保护舵和推舵装置及管路的作用。

（2）手动隔离阀

手动隔离阀是靠手操纵的一个二位三通阀。每套舵机系统中有两个手动隔离阀各贴在两个推舵油缸上。它是将两套交流电机动力矩隔开，从而提高工作的独立性和可靠性[12]。

背压溢流阀是用来保证电液换向阀所必须的最低控制压力。

回油滤器用作液压油回油过滤，以保证系统工作油的清洁度。当滤器背压过高时，驾驶室操纵台会发出报警信号。

两台动力柜之间用连通管连接，以保证油位高度基本一致。

每台动力柜都配有压力控制器，当背压低于调定的电液换向阀动作所需压力时，驾驶室操纵台就会发出报警信号。