性能卓越的转叶式舵机设计

2014-10-30张李伟庄才亮夏明宽马卢沂

船舶与海洋工程 2014年2期

张李伟，庄才亮，夏明宽，马卢沂

（罗尔斯-罗伊斯船舶制造（上海）有限公司，上海 201204）

0 引言

舵机的发展经历了人力、电动到电动液压驱动，其控制也从机械、液压到电气遥控，使舵机设备逐渐集成紧凑、操作简便、并追求节能环保。现代远洋船舶基本采用电动液压驱动的液压舵机，按其结构形式可以分为依靠活塞直线运动的往复柱塞式和高压油作用在叶片上驱动转子旋转的转叶式舵机；其中转叶式舵机的设计和制造是从20世纪50年代才开始的，由于其相对于柱塞式舵机具有一系列的优势而迅速成为市场的发展热点。据统计，在我国的出口船舶订单中有80%以上外商指定或备选转叶式舵机，非出口船使用转叶式舵机也逐渐成为趋势。军用舰船选用转叶式舵机的优势十分明显：在德国生产的护卫舰、驱逐舰、扫雷艇基本上全部使用转叶式舵机[1]。

Rolls-Royce公司作为行业内技术与质量的引领者，其电动液压驱动转叶式舵机被广泛应用于从小型游艇到 VLCC（超大型油轮）等各类商用、军用、海洋工程及特殊用途船舶。

1 转叶式舵机的优点

图1为典型的阀控型转叶式舵机的工作原理：高压油经集成阀组控制流向并通过转子内部的流道进入相应腔室共同推动叶片转动转子。

表 1为转叶式舵机与柱塞式舵机部分性能对比：由于减少了传动部件，设计简洁，使转叶式舵机更可靠，同时机械效率也高于柱塞式舵机，具体表现为电机功率较小。表2为广船国际两条同类型船应用不同类型舵机的技术参数对比[2]。

图1 典型转叶式舵机工作原理

2 Rolls-Royce转叶式舵机

Rolls-Royce公司提供的舵机型号超过40种，主要分为应用于中小型船舶的SR/SV系列及应用于中、大型船舶的RV系列。SR/SV 型舵机是一种由变频器控制的泵控型舵机，RV型舵机为传统的阀控式舵机。区别于柱塞式以及其他转叶式舵机设计，其产品具有鲜明的特点和优势（见图2）。

2.1 转子

SR/SV型舵机采用球形转子，其自适应功能能保证转子在任何状态下与轴承的大面积接触，能良好地传递舵杆弯矩，舵机轴承采用合成材料加工成与壳体及转子一致线形，无需机械安装而随本体一起旋转。由于上下表面均有轴承，轴承的设计集成了推力与径向轴承的作用，可最大程度吸收和减弱冲击振动。同时，SR/SV 舵机采用胀紧连接套或外锥面中间套的液压连接，这样的连接方式无需舵杆加工螺纹与锥面，节省了该设备取得认证的时间和费用（见图3）。

图3 SR/SV 转子、轴承及舵杆连接

2.2 密封

SR/SV型舵机在转子内部有腔室，径向采用树脂材料的环形密封，轴向叶片密封采用弹性橡胶与树脂的组合密封。树脂材料具有一定刚度和抗张强度，可以加工成与壳体紧密配合的外形，其截面加工成楔形，在高油压作用下使得密封条紧贴壳体且运转过程中不变形。转子内部的腔室上、下端面有与止动叶片环绕密封匹配的圆弧倒角，从而避免其他转叶式舵机上盖板与叶片间只能直角过渡而产生的间隙。保持良好密封的另一个因素在于运动部件与壳体间的公差配合控制在合适的范围，对机械制动的预紧力通过橡胶基将侧向的压力传递为树脂密封正压力，使其在工作过程中与配合偶件压力始终大于液体压力。树脂材料摩擦系数小且耐磨，保证了舵机快速启动及密封的持久性（见图4、5）。

RV型舵机则采用由一种热塑性聚合体制成的C型门柱状密封，此种材料兼具橡胶和塑料的优点，密封的截面为U型，径向密封留有预压缩量，轴向密封采用片弹簧辅助，这样就保证了静密封的可靠；同时系统通过引入工作时的高压油作用于密封的背面进行压力补偿，此种设计使动密封的泄露量最低。此外，结合流量控制的设计保证锁紧阀的缓慢开启使得无论舵机在大小舵角信号时，都能获取设定的舵角（见图6）。

图4 SR/SV密封

图5 RV密封

图6 RV型舵机转舵速度

2.3 变频器驱动

SR/SV型舵机采用全变频控制——通过变频器驱动泵的启停和转向控制舵机转子的转动和变向，只在有舵令信号时电机启动运行，这正好符合船舶运营一般在进出港时频繁操舵而在自动舵模式下少有动作的特点（见图7）。此种系统的优点在于：

1) 取消了液压泵站，系统管路变短，缩减设备尺寸重量；

2) 变频器能采用VVC+的电机控制模式，保持U/f 值不变，电机在启动时电压自动降低使启动电流相对于直接启动降低到25%以下，减少对电网冲击，船上应急发电机组容量亦可减小。同时变频器的“转矩提升”功能又可保证电机全负荷启动；

3) 相对于阀控型舵机在无舵令时仍需进行油循环的运行模式，变频驱动舵机使整个系统效率提高2～3倍[3]；

4) 液压换向简单、可靠、平缓，使阀组的结构简化，冲击更小，系统振动噪声小；液压系统发热小，维护成本低，延长设备使用年限。

2.4 电气控制系统

Rolls-Royce同时提供全套电气系统（包括启动、控制、舵角反馈指示及报警系统，见图8）的舵机。其独特的设计结合变频器驱动，使控制系统具有以下优点：

1) 舵角命令同时激发转舵速度和方向信号，通过设置变频器的输出频率和加减速时间轻松实现转舵舵角偏差≤±0.5°；

2) 相对于触点信号控制电磁阀舵机，系统可实现泵的平滑启停及换向，避免了对阀的液压冲击，对舵角命令的响应速度更快；

3) 对于双舵船舶，既可实现双舵的电气同步随动操作也可满足各自独立的随动操作，这对于海洋工程船尤为重要；

4) 避免了舵机机械与控制系统由于不同供应商而产生的不匹配问题。

图7 变频驱动

图8 Rolls-Royce 舵机电气控制系统

2.5 四转叶舵机

RV型舵机是目前唯一拥有四转叶设计的舵机产品。四转叶舵机是针对大型、超大型船舶，其转舵角度范围一般为±35°的特点而设计的。转叶数目的增加意味着液压油作用面积增加，相对于三转叶舵机，相同的设备体积其扭矩可增大33%，当发出相同扭矩时，四转叶舵机重量可减轻30%以上，大的功率密度意味着产品尺寸、重量能进一步减小，同时降低成本。此外，新的设计针对设备安装、后期维护和保养也进行更新。

如图9所示，舵机壳体下端采用分体式结构，液压螺母组件采用双油缸设计，当需要进行推力轴承或下密封更换时，采用提升油活塞通过顶环和液压螺母顶起转子及舵系总重量，然后拆开下端壳体进行轴承或密封更换，这样的设计可以避免其他转叶式舵机更换下密封或轴承时必须将转子与舵杆脱开且要起吊转子的操作，减轻了工作量，降低了维护难度和保养成本。

图9 RV四转叶舵机结构

3 结语

近年来，随着油价的不断上涨以及对船舶排放日趋严格的限制，要求船舶的设计向能耗更低、排放更少的方向发展。经济危机的发生更是助推了近几年高效船型设计的不断推出，而这些船型都或多或少减小了舵机舱的空间，同时对于舵机设备的能耗更加关注。Rolls-Royce 转叶式舵机的设计理念正是顺应了这一趋势，图10为Rolls-Royce转叶式舵机与相同扭矩型号某柱塞式舵机的结构尺寸对比。经统计表明：无论是相对于柱塞式舵机还是其他品牌转叶式舵机，Rolls-Royce舵机都具有最小的占地空间（30%～70%）和重量（50%～75%）；转叶式舵机的内漏控制及综合效率是其性能的重要指标[4]，通过合理的机械结构以及密封的优化设计，Rolls-Royce 舵机的跑舵速度低于行业标准 50%以上，而采用变频控制，使能耗相对于传统控制方式降低超过70%。近几年，超过1200台的舵机产品交付中国客户，使其一直占有相当大的市场份额。