電動(dòng)舵機(jī)核心部套件結(jié)構(gòu)仿真

徐 維，鄧 攀，夏 占，黃強(qiáng)強(qiáng)，王永爽

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

舵機(jī)是用于保持和改變船舶航向的專(zhuān)門(mén)裝置，是船舶重要輔機(jī)之一[1]。常規(guī)的船舶舵機(jī)以液壓型式為主，通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主泵運(yùn)轉(zhuǎn)，輸出油液驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從而進(jìn)行轉(zhuǎn)舵。目前，液壓舵機(jī)技術(shù)雖已相對(duì)成熟，但仍存在一些固有問(wèn)題：例如結(jié)構(gòu)復(fù)雜且占用空間大、介質(zhì)泄漏、維護(hù)工作量較大等[2-3]。

隨著電驅(qū)動(dòng)控制及精密制造技術(shù)的發(fā)展，制約其發(fā)展的瓶頸被突破，逐漸形成了新一代電動(dòng)舵機(jī)技術(shù)。電動(dòng)舵機(jī)具有集成度高、重量輕、噪聲低及維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，有利于推進(jìn)新一代艦船裝備技術(shù)發(fā)展，尤其是操舵控制系統(tǒng)技術(shù)水平的提升。

電動(dòng)舵機(jī)的輸出性能是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求將直接決定船舶能否正常穩(wěn)定運(yùn)行，而其核心部套件的性能則直接決定了設(shè)備的可靠性。因此，有必要對(duì)電動(dòng)舵機(jī)及其核心部套件進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真分析。

1 基本結(jié)構(gòu)與原理

1.1 電動(dòng)舵機(jī)組成及工作原理

電動(dòng)舵機(jī)使用電動(dòng)缸作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)為擺缸式單舵型式，舵柄的中心輪轂與舵桿相連，兩端分別與2只電動(dòng)缸的輸出軸鉸接，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電動(dòng)舵機(jī)幾何模型圖

操舵時(shí)，舵機(jī)控制柜接收舵角指令信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器將控制器的信號(hào)與電動(dòng)缸的伺服電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行比較，按要求驅(qū)動(dòng)電動(dòng)缸運(yùn)動(dòng)輸出，從而帶動(dòng)舵柄轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)至指令舵角時(shí)，電動(dòng)缸的伺服電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)并保持所需扭矩。電動(dòng)舵機(jī)原理框圖見(jiàn)圖2。

圖2 電動(dòng)舵機(jī)原理框圖

1.2 電動(dòng)缸組成及工作原理

電動(dòng)缸是電動(dòng)舵機(jī)的核心部套件，由伺服電機(jī)、減速器、齒輪箱和絲桿等部件組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

圖3 電動(dòng)舵機(jī)幾何模型圖

電動(dòng)缸工作原理：在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以定減速比將動(dòng)力傳給滾柱絲桿，經(jīng)滾柱絲桿的動(dòng)力變換作用，將電機(jī)旋轉(zhuǎn)動(dòng)力轉(zhuǎn)換為滾柱螺母的直線(xiàn)動(dòng)力。

1.3 電動(dòng)缸主要技術(shù)指標(biāo)

1）輸出推力≥225.9kN；

2）工作速度≥0.0412m/s；

3）主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

2 仿真分析

2.1 絲桿有限元仿真分析

電動(dòng)缸的承載與傳動(dòng)能力主要取決于行星滾柱絲桿。行星滾柱絲桿為承載的關(guān)鍵核心部套件，需要對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析。在行星滾柱絲桿承受載荷時(shí)，對(duì)絲桿及螺母進(jìn)行有限元分析，校核其在額定動(dòng)載荷和額定靜載荷下的強(qiáng)度[4-5]。

表1 電動(dòng)缸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

如圖4所示，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化：傳動(dòng)螺紋部分 以螺紋底徑代替螺紋處的直徑。施加的邊界條件，在絲桿擋肩B處固定，并在絲桿A處分別施加載荷：絲桿的額定動(dòng)載荷（343.1 kN）及額定靜載荷（869.6 kN）。得到對(duì)應(yīng)結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

圖4 額定動(dòng)載下絲桿邊界條件施加

圖5 絲桿計(jì)算結(jié)果（載荷為額定動(dòng)載）

圖6 絲桿計(jì)算結(jié)果（載荷為額定靜載）

由有限元分析可知：在絲桿承受額定動(dòng)載時(shí)，絲桿的最大應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度（518.42 MPa）；在絲桿承受額定靜載時(shí)，絲桿的最大應(yīng)力小于材料的屈服抗拉強(qiáng)度（861.3 MPa）。故絲桿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

螺母簡(jiǎn)化模型見(jiàn)圖7：對(duì)螺母的螺紋A處采取固定約束；在螺母的法蘭B處分別施加軸向載荷，軸向載荷大小分別為絲桿的額定動(dòng)載（343.1 kN）及額定靜載（869.6 kN）。

計(jì)算結(jié)果分別如圖8和圖9所示。

圖7 螺母邊界條件施加

圖8 螺母計(jì)算結(jié)果（載荷為額定動(dòng)載）

圖9 螺母計(jì)算結(jié)果（載荷為額定靜載）

由有限元分析可知：在螺母承受額定動(dòng)載時(shí)，螺母的最大應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度（518.42 MPa）；在螺母承受額定靜載時(shí)，螺母的最大應(yīng)力小于材料的屈服抗拉強(qiáng)度（861.30 MPa）。因此，絲桿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

2.2 電動(dòng)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

運(yùn)動(dòng)仿真目的，即為各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供輸入依據(jù)。建立三維模型，根據(jù)實(shí)際情況賦予質(zhì)量或慣量屬性，并按照給定輸入曲線(xiàn)進(jìn)行仿真。

2.2.1 三維建模

建立舵機(jī)三維模型（圖1），并賦予質(zhì)量和慣量屬性。

2.2.2 添加運(yùn)動(dòng)關(guān)系

按照獨(dú)立屬性建立連桿，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)關(guān)系建立各連桿的運(yùn)動(dòng)約束，如圖10所示。

圖10 電動(dòng)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)關(guān)系添加

運(yùn)動(dòng)輸入：左側(cè)電動(dòng)缸按照（A,T）＝（267 mm, 24 s）進(jìn)行正弦位移曲線(xiàn)同步升降運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)函數(shù)y＝267sin(πt/24)，運(yùn)動(dòng)特性曲線(xiàn)見(jiàn)圖11及圖12；右側(cè)電動(dòng)缸按左側(cè)位置隨動(dòng)。

2.2.3 運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果

設(shè)置完成后開(kāi)展仿真，取2周期運(yùn)動(dòng)仿真曲線(xiàn)。

舵柄角度運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果如圖13圖14所示。

左側(cè)電動(dòng)缸運(yùn)動(dòng)與舵角運(yùn)動(dòng)關(guān)系仿真結(jié)果如圖15和圖16所示。

圖11 電動(dòng)舵機(jī)左側(cè)電動(dòng)缸位移曲線(xiàn)

圖12 電動(dòng)舵機(jī)左側(cè)電動(dòng)缸加速度曲線(xiàn)

圖13 電動(dòng)舵機(jī)舵柄角速度曲線(xiàn)

圖14 電動(dòng)舵機(jī)舵柄角加速度曲線(xiàn)

圖15 舵柄角速度和左側(cè)電動(dòng)缸位移關(guān)系

圖16 舵柄角加速度和左側(cè)電動(dòng)缸位移關(guān)系

輸出運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)，如圖17所示。

圖17 電動(dòng)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真截圖

由運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果可以看出：按照設(shè)計(jì)參數(shù)，電動(dòng)舵機(jī)的輸出性能指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)匹配關(guān)系合理。

3 結(jié)論

本文針對(duì)核心部套件電動(dòng)缸，尤其是核心傳動(dòng)部套件滾柱絲桿，開(kāi)展了結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算分析研究，并對(duì)整機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明：當(dāng)正常工作時(shí)，電動(dòng)舵機(jī)核心部套件強(qiáng)度可靠；在規(guī)定設(shè)計(jì)參數(shù)下，舵機(jī)輸出性能良好。