转叶式液压舵机特性分析

贺立峰，孙建庆，王庆祥

(天津新港船舶重工有限责任公司 天津300452)

转叶式液压舵机特性分析

贺立峰，孙建庆，王庆祥

(天津新港船舶重工有限责任公司 天津300452)

针对金属密封型(动态软基硬密封)转叶式液压舵机的滑舵问题，通过对船舶舵机的分类、工作特点、操舵模式等进行分析，阐明了转叶式液压舵机有其缺点却应用广泛的原因，并通过剖析该类型舵机油腔结构设计特点，结合造船实例，得出了舵机滑舵现象与液压油腔密封型式的关系，进而提出几点优化方法。

滑舵 转叶式液压舵机 船舶 密封型式 操舵

0 引 言

由天津新港船舶重工有限公司承建的中远4万t系列散货船，1#船试航期间，船东提出：该船装配的金属密封型转叶式液压舵机滑舵问题严重，不利于船舶港口工况和应急工况的操舵要求。该问题不但体现了船东对该舵机滑舵问题的不满，也对该类型舵机的安全性、可靠性提出了质疑，对船舶的建造、交船以及该类型舵机在其他项目船舶上的选用都造成了重大影响。

1 转叶式液压舵机的应用与特点分析

针对该问题，船厂设计部与舵机厂家、自动舵厂家、CCS船检进行了深入的技术交流，并精研了舵机设备资料、CCS规范、SOLAS规范等，以期查出滑舵问题的根本原因并解决该技术难点问题。

为阐明转叶式液压舵机应用的优势和广泛性，并剖析出该型式舵机滑舵问题的原因，下文将从舵机的分类、各类舵机的特点、规范和法规要求的操舵模式和转舵时间要求、转叶式液压舵机的设计原理和特性等方面进行逐步分析。

1.1 舵机的分类及特点

舵机按不同的动力源，可分为手动、蒸汽驱动、压缩空气驱动、电驱动、电动液压驱动等几种型式。目前，大、中型船舶上电动液压驱动型式的舵机使用较为普遍。

电动液压式的舵机，可按转舵机构分类为往复式和回转式，基本特点如下：[1]

1.1.1 往复式液压舵机

柱塞式：扭距随舵角增大而增大，结构简单，制造安装方便，有侧推力，15,kNm≤扭距M≤6,000,kNm。

活塞式：尺寸小，重量轻，有侧推力，适用于功率不大的舵机，15,kNm≤扭距M≤1,500,kNm。

1.1.2 转叶式液压舵机(又名回转式)

舵机优点：布置紧凑，占地小，安装方便，可靠性强，关键部件为转叶油缸。工作油缸适用于中、低压力。

密封特点：①型式1，软密封(合成橡胶或尼龙条)，存在泄露，寿命短，需要定期更换；②型式2，硬密封(金属密封，铸铁或其他材质)，寿命长，可靠性高，但相对于软密封，窜油量大。

1.2 舵机的操纵模式

根据SOLAS公约第Ⅱ-1章第29条“UI SC094操舵装置的电动操舵控制系统的机械和电气独立性”要求：[4]应设有两个独立的操舵装置控制系统，其布置应能保证在两者之一发生机械或电气故障时不会导致另一系统不能工作。

基于此，SOLAS规范推荐满足的设计示例有3种，满足其中一种设计示例即为满足规范对驾驶室操舵的设计要求。目前，国内远洋船舶舵机的操舵系统以满足“示例2”的配置居多，“示例2”的配置见图1。

图1 示例2的配置Fig.1 Configuration of Example 2

由“图1”的“示例2”分析可知，要求舵机具备双套独立的转舵泵组单元，同时，配备双套操舵系统在驾驶室，该两套操舵系统均可独立操作任意一套转舵泵组单元。当任一转舵泵组单元或操舵系统发生故障时，不会影响另外一套转舵泵组单元或操舵系统的功能。且两套转舵泵组单元均可实现舵机室的本地操舵。

根据SOLAS、船级社规范以及船东相关要求，舵机的操作模式基本概括如下：[3-4]

1.2.1 驾控台操作

自动操舵，具有自动修正功能(AUTO)；随动操舵(手动舵轮操舵)，具有自动修正功能(FU)；非随动操舵，不具有自动修正功能(NFU)。

1.2.2 舵机室操作

控制箱非随动操舵不具有自动修正功能(NFU)；机旁手柄操作电磁阀，不具有自动修正功能。

1.3 转叶式液压舵机的设计原理

转叶式液压舵机的基本工作是液压泵组通过向转叶油腔注入高压滑油，驱动油腔转动，从而带动舵杆转动来实现转舵角度。

现以我厂某散货船项目配置的MACGREGOR PROSGRUNN AS/Norway转叶式液压舵机为例，概略介绍转叶式液压舵机的设计原理。[2]

舵机液压油路原理图见图2。[2]

由图2可见，该舵机为双液压泵组单元，双油腔布置，需要操舵机某个舵角时，单泵或双泵为其中1个油腔注油。

当为a腔注油时，油压上升，油腔成为高压腔，叶片受压逆时针旋转，并将扭矩传给舵杆，舵叶随舵杆逆时针转动。反之，当为b腔注油时，舵叶顺时针转动。

图2 舵机液压油路原理图Fig.2 Schematic of hydraulic pressure oil line of steering engine

1.4 转叶式液压舵机的结构特点

根据上文对转叶式液压舵机的特点分析可知，转叶式液压舵机在实船应用中布置紧凑，占地面积小，安装方便，工作可靠性强，适用于中、低压力。相对于拨叉式、摆缸式、柱塞式等型式的舵机，转叶式液压舵机无卡死现象的优点尤为突出，该优点得以实现的关键部件在于舵机的液压油腔设计。

转叶式液压舵机是依靠高压油驱动油腔内的转叶旋转，同时带动舵杆、舵叶完成操舵的。转叶与油腔的上下端面、侧壁之间必然存在一定的间隙量，以满足转叶的顺畅转动无卡死。同时，转叶轴承、舵承也是通过液压油来清洗和润滑的，那么，高压油腔的液压滑油势必会通过部件间的间隙，窜油至低压侧，从而导致转舵过程中、转舵完成后都有一定程度的滑舵现象。这种现象是转叶式液压舵机的内部结构和工作特点决定的。

针对转叶式液压舵机的滑舵问题，为尽量减小滑舵角度，通过对多家舵机厂家的咨询了解，设计着眼点在于转叶与油腔的上下端面、侧壁的密封型式上。不同密封型式及优缺点如下：

1.4.1 软密封

材质：通常为合成橡胶、尼龙条等。

安装：固定于转叶的上、下便面和侧面，可拆卸。优点：泄漏量小。

缺点：使用寿命短，需要定期拆卸、更换，易粘连。

1.4.2 硬密封(动态软基硬密封装配图，见图3)

图3 动态软基硬密封装配图Fig.3Assembly drawing of hard sealing of dynamic soft foundation

安装：将金属密封条安装于转叶上下端面、侧面的密封槽内，金属密封条通过背部弹簧负荷压紧在油缸内腔壁上，从而在密封表面形成动态软基硬密封，经过长时间使用磨合后，密封面接触更加优良，密封效果更加优越。

优点：耐磨损，无需更换，使用寿命与舵机寿命相同。

缺点：相对于软密封，泄露量大。

2 硬密封转叶式液压舵机滑舵问题的实证与改良

转叶式液压舵机的滑舵问题经我厂某散货船项目的航行试验印证确实存在，且基于转叶式液压舵机的设计特点和工作方式，滑舵现象几乎无法避免，该型式的舵机虽然满足船级社“单泵28秒、双泵14秒的常规操舵”和“60秒完成应急操舵”[3]的工作性能要求，但为提升船员在特殊航行作业期间操舵的便捷性和安全性，降低舵机滑舵的速度，减小随动FU模式下的舵角修正角度，已经列为设计相关部门的研究重点。

首先，减小FU模式的修正角度，可通过自动舵控制系统调整舵角修正带宽来减小修正角度，但前提是必须降低滑舵的速度，否则会出现频繁纠正舵角(振舵)现象。

那么，如何降低滑舵速度？这要从硬密封型式的转叶式液压舵机的内部设计特点入手考虑。滑舵的根本原因是转叶、转叶轴承、油腔、舵承之间工作面的高压滑油窜油，那么降低窜油量就是降低滑舵速度的直接手段。

如何降低窜油量？各参研人员通过研究分析，提出过多种方案，比如为转叶密封条的背部弹簧加强弹性、将金属硬密封条更换为橡胶软密封条、提升液压滑油的粘度等等。经过多方的研究和讨论，最终确定提升液压滑油粘度的方案具备最佳可行性。

针对该方案，我们采用不同粘度的液压滑油，对同型号的硬密封转叶式液压舵机进行了航行操舵试验。FU随动模式下，通过提升液压滑油的粘度和调整舵角修正带宽，使得舵叶的偏移角度由原来的2.5,°减小为1,°，且修正频率由原来的9次/min减小为6次/min，改良措施的印证效果明显。

NFU应急模式下，通过提升液压滑油的粘度，使得10,°舵角、20,°舵角、30,°舵角、35,°舵角回0,°舵角的时间都延长40 s左右，且每1,°的滑舵时间都延长2 s左右，改良效果显著。

经上分析，提升液压滑油的粘度确实能够降低舵机的滑舵速度，但为了降低舵机滑舵速度而采取提升液压滑油粘度方法的同时，还必须慎重考虑转舵液压泵组的驱动电机功率是否满足提升滑油粘度所带来的功率负荷的增加要求，否则，会导致电机在恶劣条件下的超负荷运转而引起烧毁。考虑电机功率的同时，还必须合理匹配其他所有的电器元件。

3 结 语

通过对转叶式舵机的性能分析，该型式的舵机具有占地小（转舵油腔与转舵泵组紧凑集成）、安装方便（集成式舵机）、工作稳定（无卡阻问题）等突出优点，且金属硬密封持久耐用，免拆换和保养，与舵机使用寿命相同等优势更为突出。

由于高压滑油窜油导致的滑舵问题，可通过合理匹配适当粘度的液压滑油来降低滑舵的速度，并可适当调节自动舵的舵角修正带宽来实现随动舵期间的舵角修正大小，这种改良措施弥补了转叶式液压舵机结构设计无法避免的不足，特别对于金属密封型的转叶式液压舵机，该优化措施的效果更加显著。■

［1］ 轮机工程手册编委会.轮机工程手册—中册[M]. 1版，北京：人民交通出版社，1993：2065-2071.

［2］ Macgregor P. Rotary Vane Steering Gear Working Drawing[Z]. 2ed.，2014：6-20.

［3］ 中国船级社.钢质海船入级规范[M]. 北京：人民交通出版社，2015：257-264.

［4］ 国际海事组织.SOLAS公约[M]. 北京：人民交通出版社，1974：77-80.

The Particular Performance Analysis of Hydraulic Type Rotary Vane Steering Gear

HE Lifeng，SUN Jianqing，WANG Qingxiang
(Tianjin Xin’gang Shipbuilding Heavy Industry Co.，LTD.，Tianjin 300452，China)

Aiming at the rudder slide problem of metal seal type(dynamic rigid seal of soft base)hydraulic rotary vane type steering gear，this paper analyzes types，working characteristics and manoeuvring rudder modes of steering gear and illustrates the reason why hydraulic type rotary vane steering gears have been widely used despite of their shortcomings. By illustrating designing characteristics of hydraulic oil chamber，it finds out the relation between rudder slide and seal type in oil chamber by integrating real ship building cases. In the end，it presents several optimization methods for the rudder slide problem.

rudder slide；hydraulic type rotary vane steering gear；vessel；seal type；manoeuvring rudder

U664.36

：A

：1006-8945(2016)10-0030-04

2016-09-06