轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

陳凱，樊佳，經(jīng)鵬飛，潘曉

(1.武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，武漢 430084；2.中海油田服務(wù)股份有限公司，廣東 惠州 516000)

轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)主要的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、自帶上舵承，特別是易于實(shí)現(xiàn)±45°甚至±65°大舵角轉(zhuǎn)舵的需要。因此，轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)主要應(yīng)用在轉(zhuǎn)舵角度大于35°、對操縱性要求較高的各類船舶，如海洋工程船、客滾船等。國內(nèi)生產(chǎn)船舶舵機(jī)設(shè)備的廠家很多，具有一定的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，但國內(nèi)轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)產(chǎn)品明顯體積龐大而笨重，與國外同規(guī)格產(chǎn)品相比，體積大、占用空間大。我國自主開發(fā)建造的大型船舶中，舵機(jī)均為國外品牌，僅有部分船舶采用自主設(shè)計(jì)的大型舵系；而對于大型集裝箱船，舵機(jī)和舵系則幾乎全部為進(jìn)口品牌產(chǎn)品。為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化，降低轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)的質(zhì)量，減少舵機(jī)的外形體積，滿足船舶舵機(jī)艙空間小的要求，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)主要由液壓泵站和轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)組成，液壓泵站與轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)既可分開布置，也可集成布置以使設(shè)備更加緊湊，布置空間更小。由于轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)液壓泵站較大，大多數(shù)的轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)采用分開布置方式。

轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)主要由箱體、端蓋、定子、轉(zhuǎn)子和葉片等部件組成，見圖1。

圖1 轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意

舵機(jī)的轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)與船舶舵桿舵葉通過一定方式連接，當(dāng)舵機(jī)接收到操舵指令時(shí)，液壓泵站排出液壓油，進(jìn)入油缸，并推動(dòng)轉(zhuǎn)葉作直線運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)葉的移動(dòng)推動(dòng)舵柄作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)到指令舵角時(shí)，停止轉(zhuǎn)舵，從而實(shí)現(xiàn)操舵過程。

當(dāng)舵機(jī)的規(guī)格和轉(zhuǎn)舵速度確定后，液壓泵站的泵流量和油箱容積基本確定，液壓泵站的質(zhì)量也基本確定。因此，舵機(jī)的輕量化工作就集中于轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)。

2 轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)工作原理及輕量化思路

三葉式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)原理見圖2。在轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)內(nèi)部，定子和葉片將箱體和轉(zhuǎn)子之間的空間切割成3對油腔，所有油腔在安裝時(shí)注滿了油，系統(tǒng)內(nèi)所有空氣均已排盡。當(dāng)液壓泵站產(chǎn)生的高壓油進(jìn)入一側(cè)油腔(高壓腔)時(shí)，而另一側(cè)油腔(低壓腔)壓力沒有變化，壓力差驅(qū)動(dòng)葉片帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，低壓腔內(nèi)的液壓油排出。由于轉(zhuǎn)子連接著舵桿，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)舵。反向轉(zhuǎn)舵則通過轉(zhuǎn)換進(jìn)出油口來實(shí)現(xiàn)。

圖2 轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)工作原理示意

轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)矩為

=0125·Δ···(-)··10

(1)

式中：為輸出扭矩,kN·m；Δ為高低壓腔的壓力差，MPa；為葉片數(shù)；為箱體高度，mm；為箱體內(nèi)徑，mm；為轉(zhuǎn)子轂外徑，mm。

由式(1)可知，轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)矩與工作壓力、葉片，以及基本尺寸有關(guān)。因此，從以下幾個(gè)方面考慮，減輕轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)的質(zhì)量。

1)提高工作壓力。轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)規(guī)格不變，提高工作壓力，高低壓腔的壓力差的壓力增大，轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸就可以變小。受密封和內(nèi)泄漏的影響，轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)的工作壓力一般為8 MPa，部分廠家產(chǎn)品的工作壓力可達(dá)12.5 MPa。

2)增加葉片數(shù)量。葉片數(shù)量的增加，意味著液壓油作用面積增加，功率密度增大，當(dāng)發(fā)出相同轉(zhuǎn)矩時(shí)，轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量就可以減小。受結(jié)構(gòu)的限制，轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)采用2葉式的比較多，大于900 kN·m的轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)有部分采用3葉式和4葉式的結(jié)構(gòu)。相比于3葉式舵機(jī)，4葉式舵機(jī)質(zhì)量可減輕30%以上。但是，隨著葉片數(shù)量的增加，轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)的操舵角度會(huì)相應(yīng)變小。

3)優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式。由于轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)內(nèi)部注滿高壓液壓油，船級(jí)社規(guī)范規(guī)定：轉(zhuǎn)舵裝置承受內(nèi)壓的所有構(gòu)件應(yīng)按照I級(jí)受壓容器的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。船級(jí)社的壓力容器規(guī)范對相應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸提出要求，再結(jié)合式(1)，就可以得出轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)的基本尺寸。采取合適的方法優(yōu)化得到轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)基本尺寸，達(dá)到降低舵機(jī)質(zhì)量。

3 轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)輕量化方法

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1.1 箱體設(shè)計(jì)計(jì)算

箱體結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 箱體結(jié)構(gòu)示意

由于箱體圓筒部分只承受內(nèi)壓力，根據(jù)船級(jí)社壓力容器規(guī)范要求，箱體最小壁厚為

(2)

式中：為設(shè)計(jì)壓力,MPa；[]為許用應(yīng)力,MPa；為系數(shù)；為內(nèi)壁半徑，mm。

對于箱體底部厚度的計(jì)算，可類似于壓力容器的平封板的計(jì)算，則底部最小厚度為

(3)

式中：為系數(shù)；為平板直徑，mm；為設(shè)計(jì)壓力, MPa；[]為許用應(yīng)力,MPa。

3.1.2 端蓋設(shè)計(jì)計(jì)算

端蓋相當(dāng)于壓力容器帶螺紋連接的平封頭，結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 端蓋結(jié)構(gòu)示意

要求最小厚度為

(4)

式中：為系數(shù)。

3.1.3 轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)計(jì)算

轉(zhuǎn)子與舵桿結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 轉(zhuǎn)子與舵桿結(jié)構(gòu)示意

如圖5所示，轉(zhuǎn)子與舵桿使用無鍵錐形連接，轉(zhuǎn)子內(nèi)徑與舵桿的外徑相同，由船級(jí)社規(guī)范計(jì)算舵桿最小直徑。

(5)

3.2 輕量化優(yōu)化途徑

轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)的主要由箱體、端蓋、定子、轉(zhuǎn)子和葉片構(gòu)成，主要質(zhì)量集中在這些部件上。以質(zhì)量最優(yōu)為目標(biāo)，最大限度地降低各個(gè)部件的質(zhì)量。

舵機(jī)質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)，即

min():=

(6)

式中：為舵機(jī)質(zhì)量;為材料的密度;為舵機(jī)總體積。

=+++=

π((+)-)·+π(+)·+

(7)

對式(1)～(5)和式(7)進(jìn)行求解，以得到最優(yōu)的舵機(jī)質(zhì)量參數(shù)。但是這樣不能保證舵機(jī)的性能，為在保證舵機(jī)性能的前提下，兼顧質(zhì)量最優(yōu)，采用有限元的方法對優(yōu)化后的舵機(jī)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證其強(qiáng)度，同時(shí)針對薄弱位置進(jìn)行加強(qiáng)。

3.3 輕量化優(yōu)化流程

轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)輕量化的流程見圖6。

圖7 轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)輕量化方法流程

轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化的基本步驟如下。

1)根據(jù)需求，確定舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、葉片數(shù)等參數(shù)。

2)選擇箱體高度和內(nèi)徑、轉(zhuǎn)子轂外徑等初步參數(shù)，計(jì)算式(1)～(5)和式(7)。

3)使用粒子群神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對式7的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化判斷，得到質(zhì)量最優(yōu)的舵機(jī)外形參數(shù)。

4)對優(yōu)化后的外形舵機(jī)進(jìn)行取整，得到轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)的初步參數(shù)，并建立相應(yīng)的三維模型。

5)使用有限元方法對三維模型進(jìn)行強(qiáng)度校核，驗(yàn)證不同工況下的舵機(jī)是否滿足要求。

6)如強(qiáng)度不滿足船級(jí)社規(guī)范要求，則對轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)的初步參數(shù)和模型進(jìn)行局部優(yōu)化，重復(fù)步驟4)和5)，直到舵機(jī)的參數(shù)滿足不同工況下的舵機(jī)性能要求。

4 實(shí)例分析

4.1 主要技術(shù)參數(shù)

以某型轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)為對象，開展舵機(jī)輕量化設(shè)計(jì)，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

4.2 輕量化優(yōu)化結(jié)果對比

按照前述轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)輕量化方法對該型轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，得到轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)與原方案對比見表2。質(zhì)量優(yōu)化后的轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)整體質(zhì)量為：3 933 kg，較原方案減少質(zhì)量957 kg，減重19.6%。

表2 轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)主要零件尺寸

4.3 強(qiáng)度校核分析

為驗(yàn)證優(yōu)化后的轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)強(qiáng)度是否滿足船級(jí)社規(guī)范要求，采用ANSYS對轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)各零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)的最大工作壓力為12 MPa，對模型施加12 MPa的液體壓力，得到的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖見圖7。

圖7 箱體結(jié)構(gòu)綜合應(yīng)力云圖

通過分析結(jié)果可以得出：箱體端蓋定子在最大工作壓力工況時(shí)，結(jié)構(gòu)部分區(qū)域主應(yīng)力大部分在90 MPa(許用應(yīng)力，材料抗拉強(qiáng)度為450 MPa，安全系數(shù)取5)以內(nèi)，部分超過90 MPa的區(qū)域集中在箱體安裝螺釘?shù)牡鬃Y(jié)合處，該部位不承受液體壓力區(qū)域，不影響使用安全，因此，箱體端蓋定子強(qiáng)度符合船級(jí)社規(guī)范要求。

5 結(jié)論

對國內(nèi)轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)體積龐大且笨重的缺點(diǎn)，開展轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，提出提高工作壓力、增加葉片數(shù)量和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等降低轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)質(zhì)量的方法。在滿足強(qiáng)度和性能的要求情況下，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)質(zhì)量明顯降低，輕量化的效果比較明顯，同時(shí)優(yōu)化后的轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)仍然滿足工作和規(guī)范要求，輕量化設(shè)計(jì)方法可行。采用該結(jié)構(gòu)輕量化方法，可明顯降低轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)的質(zhì)量，減少材料浪費(fèi)，節(jié)約成本，而且可為轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)及其他船用甲板機(jī)械的輕量化研究提供參考。