全回转推进器舵角反馈装置结构及问题的分析

张方华，万 芬，罗晓园，王建政

(中国船舶重工集团公司第七一一研究所 船舶与海洋工程动力系统国家工程实验室，上海 201108)

0 引言

全回转推进器集舵、螺旋桨于一体，通过回转支承或蜗轮蜗杆装置，使螺旋桨及整个下齿轮箱单元绕竖直轴作360°旋转，可提供任意方向推力，大大提高了船舶的机动性、操纵性，近年来被广泛应用于港作拖轮、渡轮、起重船、铺缆船、动力定位船等。全回转推进器的转舵执行装置用于驱动全回转推进器转舵，舵角反馈装置可将实际舵角转化为电信号，反馈到中央控制单元。舵角反馈装置是全回转推进器舵角控制系统中的重要部件，其精度、可靠性都直接影响到舵角控制、舵角指示的精度、可靠性。因此，舵角反馈装置的设计质量对于实现全回转推进器的闭环控制、舵角指示是非常关键的。

目前，全回转推进器在使用过程中主要出现两方面问题：一方面设计和调试维修人员不熟悉舵角反馈装置的结构；另一方面传统的舵角反馈装置难以满足动力定位等高精度控制船舶对舵角反馈装置的反馈精度的要求。

为此，本文首先分析了2种最常用的舵角反馈装置结构，即蜗轮蜗杆转舵、回转支承转舵的舵角反馈装置，并根据实际案例探讨降低成本的方法，通过结构分析找出影响反馈精度的环节；其次分类汇总与舵角反馈装置有关的问题，结合反馈装置结构的特点，分析问题的原因，提出解决问题的措施。

1 蜗轮蜗杆转舵的舵角反馈装置的结构分析和设计

1.1 蜗轮蜗杆转舵的简介

蜗轮蜗杆转舵具有滑动摩擦传动、结构紧凑的特点，一般多用于小功率全回转推进器(如额定输入功率≤735 kW)。蜗杆多采用单头，减速比

i

一般在40左右。

1.2 蜗轮蜗杆舵角反馈装置减速分析

蜗轮蜗杆转舵的舵角反馈装置，一般安装在蜗杆非驱动端，其关键在于将蜗杆的高转速减速至与回转速度相同，即与蜗轮旋转速度相同，反馈装置的减速比等于蜗轮蜗杆的减速比

i

。为了实现反馈装置与转舵蜗轮蜗杆具有相同的减速比

i

，一般同样采用蜗轮蜗杆结构，即反馈蜗杆的头数与转舵蜗杆头数相同，反馈蜗轮齿数与转舵蜗轮齿数相同。因为反馈蜗杆带动的零部件阻力较小，因此反馈蜗轮蜗杆的模数可以取比较小的值，有利于降低反馈装置的外形尺寸。若反馈装置减速比

i

通过圆柱齿轮实现，即使小齿轮取比较小的值(如11齿)，那么大齿轮的齿数(11

i

)也会是一个比较大的值，对机加工、精度、反馈装置的外形尺寸不利，因此蜗轮蜗杆转舵的舵角反馈装置一般不采用圆柱齿轮传动来实现减速。蜗轮蜗杆转舵的舵角反馈装置，在处理不同转舵蜗轮蜗杆减速比

i

时，一般相应更改反馈蜗轮蜗杆减速比即可，即保证反馈蜗轮蜗杆的减速比与转舵蜗轮蜗杆的减速比相同。

1.3 降低反馈装置减速部分成本的方法

为了降低加工生产成本，设计转舵蜗轮蜗杆减速比

i

时，可以参考蜗轮蜗杆减速机的减速比。若两者相同，则为了实现反馈装置与转舵蜗轮蜗杆具有相同的减速比

i

，完全可以采用成品蜗轮蜗杆减速机。成品蜗轮蜗杆减速机为标准化系列产品，价格较低，包含外部壳体(一般为铝合金材料)、内部轴承、蜗轮蜗杆、密封等。实际项目采购中心距离63 mm、减速比

i

=40的蜗轮蜗杆减速机，价格约600元。而自行设计生产的反馈蜗轮蜗杆装置(包括蜗轮蜗杆、轴承、壳体)需要约5 000元。

1.4 蜗轮蜗杆舵角反馈装置旋向的设计

反馈蜗轮与反馈指针直接连接，反馈蜗轮的旋转方向即为反馈指针的旋转方向。为了保证反馈指针的旋向(反馈蜗轮旋向)与全回转推进器的回转方向(转舵蜗轮旋向)相同，设计时需注意反馈蜗杆的旋向。若反馈蜗轮与转舵蜗轮的位置在蜗杆中心线的同侧，则反馈蜗杆的旋向与转舵蜗杆的旋向相同；若反馈蜗轮与转舵蜗轮的位置在蜗杆中心线的两侧，则反馈蜗杆的旋向与转舵蜗杆的旋向相反。

1.5 舵角反馈传感器和指针等结构设计

舵角反馈装置经反馈蜗轮蜗杆减速后，反馈蜗轮的转速与全回转推进器的回转速度相同、旋向相同，此时反馈蜗轮便可以带动反馈传感器工作。为了安全考虑，一般舵角反馈装置包含2个舵角反馈传感器：一个反馈传感器用于控制，另一个反馈传感器用于显示。

舵角反馈装置需设置机械指针、舵角刻度板。机械指针可以在舵角刻度板上直观指示全回转推进器的舵角位置，且机械指针、舵角反馈器都需设计为可调形式，以方便试验中的调整。为了满足上述功能，常见的结构是：反馈蜗轮输出轴带动机械指针，机械指针通过螺钉固定在反馈蜗轮输出轴的端部，以实现机械指针的可调。舵角反馈装置外壳、机械指针的正上面，安装与反馈蜗轮同心的透明舵角刻度板，便可在外部通过查看机械指针在透明舵角刻度板上的指示位置，确定全回转推进器的舵角位置。在反馈蜗轮输出轴上，反馈蜗轮与机械指针之间安装1个圆柱齿轮。此圆柱齿轮带动2个齿数相同、模数相同的圆柱齿轮。被带动的2个圆柱齿轮的旋转速度与全回转推进器的回转速度相同、旋向相反，分别与2个舵角反馈器连接，实现了将舵角的机械位置向电信号的转化。反馈传感器旋转方向与全回转推进器的回转方向相反，可在控制系统中设置好，对控制、显示不产生影响。反馈传感器通过螺钉、压板固定在传感器支架上，可实现反馈传感器的旋转调节。上述结构示意图见图1。图1示意图可以做成一个单独单元，与反馈蜗轮连接。

①—舵角反馈装置外壳；②—2个反馈传感器；③—机械指针； ④—透明舵角刻度板；⑤—传感器支架；⑥、⑦—3个齿数相同、 模数相同的圆柱齿轮；⑧—传动轴。图1 舵角反馈装置部分示意简图

1.6 轴承的选用

蜗轮蜗杆舵角反馈装置中的轴承多采用滚动轴承，如支承蜗轮的轴承。图1中的支承输出轴的轴承，可以采用滑动轴承或者自润滑滚动轴承。

1.7 传动齿轮的选用

3个齿数相同、模数相同的圆柱齿轮多采用铜合金材料或复合材料，载荷小，模数可以取1 mm或更小，主要考虑连接的反馈传感器间不产生干涉。另外，设计时考虑采用成品圆柱齿轮，可有效缩短货期、降低成本。

1.8 提高反馈精度的方法

蜗轮蜗杆转舵舵角反馈装置的精度主要取决于转舵蜗轮蜗杆的间隙、反馈蜗轮蜗杆的间隙、3个圆柱齿轮之间的间隙。转舵蜗轮蜗杆的间隙主要取决于蜗轮蜗杆、齿轮箱、轴承座等的加工精度。为了调整转舵蜗轮蜗杆的间隙，可将转舵蜗杆两端的轴承座加工成非同心结构。反馈蜗轮蜗杆的间隙、3个圆柱齿轮之间的间隙，可以通过提高零件加工精度，将间隙控制好。

2 回转支承转舵的舵角反馈装置的结构分析和设计

2.1 回转支承转舵的简介

回转支承转舵一般由2个或者多个小齿轮驱动回转支承实现转舵，是一种齿轮传动，一般多用于大功率全回转推进器。驱动回转支承的小齿轮可以采用液压马达驱动，也可以采用电机驱动。

2.2 回转支承舵角反馈装置传动的分析

回转支承舵角反馈装置部分示意简图见图2、图3。

①—转舵小齿轮；②—回转支承大齿轮(内齿圈)； ③—小齿轮1；④—小齿轮2；⑤—大齿轮2(内齿圈)。图2 内齿圈回转支承舵角反馈装置部分示意简图

①—转舵小齿轮；②—回转支承大齿轮(外齿圈)； ③—小齿轮1；④—小齿轮2；⑤—大齿轮2(外齿圈)。图3 外齿圈回转支承舵角反馈装置部分示意简图

回转支承转舵的舵角反馈装置一般不能安装在转舵小齿轮的非驱动端，即舵角反馈装置的输入轴不是由转舵小齿轮带动，而是由回转支承大齿轮通过小齿轮1带动。小齿轮1安装在舵角反馈装置输入轴的端部，模数与回转支承大齿轮相同，设回转支承大齿轮与小齿轮1间减速比为

i

(增速)。舵角反馈装置输入轴的另一端为小齿轮2。小齿轮2的齿数与小齿轮1的齿数相同，因载荷小，模数可以取较小值。小齿轮2带动大齿轮2旋转，大齿轮2的模数与小齿轮2的模数相同，齿数与回转支承大齿轮的齿数相同。设小齿轮2与大齿轮2间减速比为

i

，可知

i

=1/

i

，即

i

·

i

=1。如此，回转支承大齿轮通过小齿轮1、小齿轮2、大齿轮2，使小齿轮2的转速与回转支承大齿轮的转速相同，即与全回转推进器的回转速度相同。

由上述关系可知，在设计时，小齿轮1、小齿轮2的齿数不一定与转舵小齿轮的齿数相同；即使不同，只要保证小齿轮1的齿数与小齿轮2的齿数相同、回转支承大齿轮的齿数与大齿轮2的齿数相同，便可使小齿轮2的转速与回转支承大齿轮的转速相同，即与全回转推进器的回转速度相同。一般设计时，会取小齿轮1的齿数与转舵小齿轮的齿数相同，模数也相同(都等于回转支承大齿轮的模数)；因载荷小，厚度可以取较小值。若小齿轮1的齿数与转舵小齿轮的齿数不同，可以固定为某一个值，对标准化略有利。

2.3 内外齿圈的设计

回转支承可以为内齿圈(见图2)，也可以为外齿圈(见图3)。当回转支承为内齿圈时，大齿轮2应为内齿圈，以保证大齿轮2的旋转方向与回转支承相同；当回转支承为外齿圈时，大齿轮2应为外齿圈，以保证大齿轮2的旋转方向与回转支承相同。

当大齿轮2的转速、转向与回转支承大齿轮的转速、转向相同，即与全回转推进器的回转速度、方向相同后，便可以与图1舵角反馈装置的传感器部分连接为一体。

2.4 轴承的选用

回转支承舵角反馈装置中的轴承可采用滚动轴承，如支承舵角反馈装置输入轴的轴承。转速低、载荷小的部位可以采用滑动轴承，如图1中支承输出轴的轴承。

2.5 提高反馈精度的方法

回转支承转舵舵角反馈装置的精度主要取决于小齿轮1与回转支承的间隙、小齿轮2与大齿轮2的间隙、3个圆柱齿轮之间的间隙。小齿轮1与回转支承的间隙主要取决于小齿轮1、回转支承齿轮、齿轮箱、轴承座等的加工精度。为了调整小齿轮1与回转支承的间隙，可将小齿轮1所在的轴承座加工成非同心结构。另外，可以设计2个相同的小齿轮1，叠加安装在一起，周向通过弹簧连接，使2个小齿轮1间可产生周向旋转，这样可以使2个小齿轮1与回转支承齿轮的正反转工作面分别接触，减小正转、反转转舵的间隙，提高反馈精度。

3 舵角反馈装置常见问题

全回转推进器跟舵角反馈装置的机械传动部分，因为负荷小，一般出现的问题比较少。如果机械传动出现问题，只要在转舵时出现实际舵角在转动，而舵角反馈装置机械指针不转动的情况，便可基本判定是机械传动出现松动、断裂等问题。

跟舵角反馈装置有关的常见问题如下：

(1)舵角反馈装置上的机械反馈指针可旋转，但全回转推进器的实际舵角没有改变。机械反馈指针旋转，说明转舵机构和舵角反馈的传动系统没有问题。而实际舵角没有改变，说明发生舵角改变的部件与转舵机构的连接环节出现松脱。

(2)在0°舵角航行时，舵角出现小角度的、频繁的左右摆动，或单方向舵角偏移。首先采用手动转舵模式，正反方向进行转舵，同时查看舵角机械反馈指针，需检查转舵传动机构的间隙，若间隙大了，在水流作用下，便会出现舵角无法稳定的现象。其次可将控制模式切换至备用模式(非随动模式)，若出现舵角偏移，在安全的前提下，可关闭电控系统，若仍出现舵角偏移，则说明转舵系统的舵角锁止能力不够；若未出现舵角偏移，则说明转舵控制系统有问题，可测量转舵控制系统输出到转舵系统的电信号，通过检测线路、修正程序、更换元器件解决；若备用模式下无舵角偏移，则说明随动模式有问题，可通过检测线路、修正程序、更换元器件解决。

(3)在0°舵角航行时，船舶航线不直。这个问题比较常见，是全回转推进器实际机械零位与电气零位不一致导致的，只要调节舵角反馈器或者手柄控制器，便可解决问题。

(4)遥控手柄控制转舵，舵角机械反馈指针旋转，但转舵不停止，或舵角指示表不动作。舵角反馈传感器是通过压板固定的，若松开固定螺钉，便可调节舵角反馈传感器位置。若起控制作用的舵角反馈传感器出现松动或损坏，便可出现转舵不停的现象；若起显示作用的舵角反馈传感器出现松动或损坏，便可出现舵角表指示错误的现象。重新固定或更换相应的舵角反馈传感器便可解决问题。

4 结论

(1)蜗轮蜗杆转舵、回转支承转舵舵角反馈装置结构的关键在于通过蜗轮蜗杆传动、齿轮传动，实现了舵角反馈传感器与全回转推进器舵角的同步。

(2)提高蜗轮蜗杆、齿轮、轴承座等零件加工精度，设置可调节间隙的非同心结构，加入弹簧减小正反转传动间隙，可提高反馈精度；选用标准的蜗轮蜗杆减速机作为反馈蜗轮蜗杆，可降低成本。

(3)全回转推进器实际机械零位与电气零位不一致，舵角反馈传感器故障、电控系统元器件故障、反馈传动结构损坏等是导致舵角反馈装置相关问题的主要原因。针对此问题可以通过对上述环节的检查、测试确定原因，解决舵角反馈装置的常见问题。