性能卓越的轉葉式舵機設計

張李偉，莊才亮，夏明寬，馬盧沂

（羅爾斯-羅伊斯船舶制造（上海）有限公司，上海 201204）

0 引 言

舵機的發(fā)展經歷了人力、電動到電動液壓驅動，其控制也從機械、液壓到電氣遙控，使舵機設備逐漸集成緊湊、操作簡便、并追求節(jié)能環(huán)保?，F代遠洋船舶基本采用電動液壓驅動的液壓舵機，按其結構形式可以分為依靠活塞直線運動的往復柱塞式和高壓油作用在葉片上驅動轉子旋轉的轉葉式舵機；其中轉葉式舵機的設計和制造是從20世紀50年代才開始的，由于其相對于柱塞式舵機具有一系列的優(yōu)勢而迅速成為市場的發(fā)展熱點。據統計，在我國的出口船舶訂單中有80%以上外商指定或備選轉葉式舵機，非出口船使用轉葉式舵機也逐漸成為趨勢。軍用艦船選用轉葉式舵機的優(yōu)勢十分明顯：在德國生產的護衛(wèi)艦、驅逐艦、掃雷艇基本上全部使用轉葉式舵機[1]。

Rolls-Royce公司作為行業(yè)內技術與質量的引領者，其電動液壓驅動轉葉式舵機被廣泛應用于從小型游艇到 VLCC（超大型油輪）等各類商用、軍用、海洋工程及特殊用途船舶。

1 轉葉式舵機的優(yōu)點

圖1為典型的閥控型轉葉式舵機的工作原理：高壓油經集成閥組控制流向并通過轉子內部的流道進入相應腔室共同推動葉片轉動轉子。

表 1為轉葉式舵機與柱塞式舵機部分性能對比：由于減少了傳動部件，設計簡潔，使轉葉式舵機更可靠，同時機械效率也高于柱塞式舵機，具體表現為電機功率較小。表2為廣船國際兩條同類型船應用不同類型舵機的技術參數對比[2]。

圖1 典型轉葉式舵機工作原理

2 Rolls-Royce轉葉式舵機

Rolls-Royce公司提供的舵機型號超過40種，主要分為應用于中小型船舶的SR/SV系列及應用于中、大型船舶的RV系列。SR/SV 型舵機是一種由變頻器控制的泵控型舵機，RV型舵機為傳統的閥控式舵機。區(qū)別于柱塞式以及其他轉葉式舵機設計，其產品具有鮮明的特點和優(yōu)勢（見圖2）。

2.1 轉子

SR/SV型舵機采用球形轉子，其自適應功能能保證轉子在任何狀態(tài)下與軸承的大面積接觸，能良好地傳遞舵桿彎矩，舵機軸承采用合成材料加工成與殼體及轉子一致線形，無需機械安裝而隨本體一起旋轉。由于上下表面均有軸承，軸承的設計集成了推力與徑向軸承的作用，可最大程度吸收和減弱沖擊振動。同時，SR/SV 舵機采用脹緊連接套或外錐面中間套的液壓連接，這樣的連接方式無需舵桿加工螺紋與錐面，節(jié)省了該設備取得認證的時間和費用（見圖3）。

圖3 SR/SV 轉子、軸承及舵桿連接

2.2 密封

SR/SV型舵機在轉子內部有腔室，徑向采用樹脂材料的環(huán)形密封，軸向葉片密封采用彈性橡膠與樹脂的組合密封。樹脂材料具有一定剛度和抗張強度，可以加工成與殼體緊密配合的外形，其截面加工成楔形，在高油壓作用下使得密封條緊貼殼體且運轉過程中不變形。轉子內部的腔室上、下端面有與止動葉片環(huán)繞密封匹配的圓弧倒角，從而避免其他轉葉式舵機上蓋板與葉片間只能直角過渡而產生的間隙。保持良好密封的另一個因素在于運動部件與殼體間的公差配合控制在合適的范圍，對機械制動的預緊力通過橡膠基將側向的壓力傳遞為樹脂密封正壓力，使其在工作過程中與配合偶件壓力始終大于液體壓力。樹脂材料摩擦系數小且耐磨，保證了舵機快速啟動及密封的持久性（見圖4、5）。

RV型舵機則采用由一種熱塑性聚合體制成的C型門柱狀密封，此種材料兼具橡膠和塑料的優(yōu)點，密封的截面為U型，徑向密封留有預壓縮量，軸向密封采用片彈簧輔助，這樣就保證了靜密封的可靠；同時系統通過引入工作時的高壓油作用于密封的背面進行壓力補償，此種設計使動密封的泄露量最低。此外，結合流量控制的設計保證鎖緊閥的緩慢開啟使得無論舵機在大小舵角信號時，都能獲取設定的舵角（見圖6）。

圖4 SR/SV密封

圖5 RV密封

圖6 RV型舵機轉舵速度

2.3 變頻器驅動

SR/SV型舵機采用全變頻控制——通過變頻器驅動泵的啟停和轉向控制舵機轉子的轉動和變向，只在有舵令信號時電機啟動運行，這正好符合船舶運營一般在進出港時頻繁操舵而在自動舵模式下少有動作的特點（見圖7）。此種系統的優(yōu)點在于：

1) 取消了液壓泵站，系統管路變短，縮減設備尺寸重量；

2) 變頻器能采用VVC+的電機控制模式，保持U/f 值不變，電機在啟動時電壓自動降低使啟動電流相對于直接啟動降低到25%以下，減少對電網沖擊，船上應急發(fā)電機組容量亦可減小。同時變頻器的“轉矩提升”功能又可保證電機全負荷啟動；

3) 相對于閥控型舵機在無舵令時仍需進行油循環(huán)的運行模式，變頻驅動舵機使整個系統效率提高2～3倍[3]；

4) 液壓換向簡單、可靠、平緩，使閥組的結構簡化，沖擊更小，系統振動噪聲小；液壓系統發(fā)熱小，維護成本低，延長設備使用年限。

2.4 電氣控制系統

Rolls-Royce同時提供全套電氣系統（包括啟動、控制、舵角反饋指示及報警系統，見圖8）的舵機。其獨特的設計結合變頻器驅動，使控制系統具有以下優(yōu)點：

1) 舵角命令同時激發(fā)轉舵速度和方向信號，通過設置變頻器的輸出頻率和加減速時間輕松實現轉舵舵角偏差≤±0.5°；

2) 相對于觸點信號控制電磁閥舵機，系統可實現泵的平滑啟停及換向，避免了對閥的液壓沖擊，對舵角命令的響應速度更快；

3) 對于雙舵船舶，既可實現雙舵的電氣同步隨動操作也可滿足各自獨立的隨動操作，這對于海洋工程船尤為重要；

4) 避免了舵機機械與控制系統由于不同供應商而產生的不匹配問題。

圖7 變頻驅動

圖8 Rolls-Royce 舵機電氣控制系統

2.5 四轉葉舵機

RV型舵機是目前唯一擁有四轉葉設計的舵機產品。四轉葉舵機是針對大型、超大型船舶，其轉舵角度范圍一般為±35°的特點而設計的。轉葉數目的增加意味著液壓油作用面積增加，相對于三轉葉舵機，相同的設備體積其扭矩可增大33%，當發(fā)出相同扭矩時，四轉葉舵機重量可減輕30%以上，大的功率密度意味著產品尺寸、重量能進一步減小，同時降低成本。此外，新的設計針對設備安裝、后期維護和保養(yǎng)也進行更新。

如圖9所示，舵機殼體下端采用分體式結構，液壓螺母組件采用雙油缸設計，當需要進行推力軸承或下密封更換時，采用提升油活塞通過頂環(huán)和液壓螺母頂起轉子及舵系總重量，然后拆開下端殼體進行軸承或密封更換，這樣的設計可以避免其他轉葉式舵機更換下密封或軸承時必須將轉子與舵桿脫開且要起吊轉子的操作，減輕了工作量，降低了維護難度和保養(yǎng)成本。

圖9 RV四轉葉舵機結構

3 結 語

近年來，隨著油價的不斷上漲以及對船舶排放日趨嚴格的限制，要求船舶的設計向能耗更低、排放更少的方向發(fā)展。經濟危機的發(fā)生更是助推了近幾年高效船型設計的不斷推出，而這些船型都或多或少減小了舵機艙的空間，同時對于舵機設備的能耗更加關注。Rolls-Royce 轉葉式舵機的設計理念正是順應了這一趨勢，圖10為Rolls-Royce轉葉式舵機與相同扭矩型號某柱塞式舵機的結構尺寸對比。經統計表明：無論是相對于柱塞式舵機還是其他品牌轉葉式舵機，Rolls-Royce舵機都具有最小的占地空間（30%～70%）和重量（50%～75%）；轉葉式舵機的內漏控制及綜合效率是其性能的重要指標[4]，通過合理的機械結構以及密封的優(yōu)化設計，Rolls-Royce 舵機的跑舵速度低于行業(yè)標準 50%以上，而采用變頻控制，使能耗相對于傳統控制方式降低超過70%。近幾年，超過1200臺的舵機產品交付中國客戶，使其一直占有相當大的市場份額。

圖10 Rolls-Royce轉葉式舵機與某柱塞式舵機對比

[1] 莫國影，曾勇軍. HD型轉葉式舵機疲勞性能研究[J]. 江蘇船舶，2009, (6): 20-22.

[2] 黃雪梅. 轉葉式舵機的特點和價值分析[J]. 廣船科技，2001, (4): 17-20.

[3] 朱 鈺，鄭超瑜，蔡振雄. 變頻液壓舵機系統的開發(fā)研究[J]. 機床與液壓，2008, (8): 123-125.

[4] 崔若松. 轉葉式舵機的若干技術分析[J]. 上海造船，2007, (2): 27-28.