转叶式舵机结构轻量化设计

陈凯，樊佳，经鹏飞，潘晓

(1.武汉船用机械有限责任公司，武汉 430084；2.中海油田服务股份有限公司，广东 惠州 516000)

转叶式舵机主要的特点是转舵机构结构紧凑、自带上舵承，特别是易于实现±45°甚至±65°大舵角转舵的需要。因此，转叶式舵机主要应用在转舵角度大于35°、对操纵性要求较高的各类船舶，如海洋工程船、客滚船等。国内生产船舶舵机设备的厂家很多，具有一定的产业基础，但国内转叶式舵机产品明显体积庞大而笨重，与国外同规格产品相比，体积大、占用空间大。我国自主开发建造的大型船舶中，舵机均为国外品牌，仅有部分船舶采用自主设计的大型舵系；而对于大型集装箱船，舵机和舵系则几乎全部为进口品牌产品。为实现转叶式舵机结构轻量化，降低转叶式舵机的质量，减少舵机的外形体积，满足船舶舵机舱空间小的要求，进行结构设计。

1 转叶式舵机的结构组成

转叶式舵机主要由液压泵站和转舵机构组成，液压泵站与转舵机构既可分开布置，也可集成布置以使设备更加紧凑，布置空间更小。由于转叶式舵机液压泵站较大，大多数的转叶式舵机采用分开布置方式。

转舵机构主要由箱体、端盖、定子、转子和叶片等部件组成，见图1。

图1 转舵机构结构示意

舵机的转舵机构与船舶舵杆舵叶通过一定方式连接，当舵机接收到操舵指令时，液压泵站排出液压油，进入油缸，并推动转叶作直线运动，转叶的移动推动舵柄作旋转运动，当旋转到指令舵角时，停止转舵，从而实现操舵过程。

当舵机的规格和转舵速度确定后，液压泵站的泵流量和油箱容积基本确定，液压泵站的质量也基本确定。因此，舵机的轻量化工作就集中于转舵机构。

2 转舵机构工作原理及轻量化思路

三叶式转舵机构原理见图2。在转舵机构内部，定子和叶片将箱体和转子之间的空间切割成3对油腔，所有油腔在安装时注满了油，系统内所有空气均已排尽。当液压泵站产生的高压油进入一侧油腔(高压腔)时，而另一侧油腔(低压腔)压力没有变化，压力差驱动叶片带动转子旋转，同时，低压腔内的液压油排出。由于转子连接着舵杆，从而实现转舵。反向转舵则通过转换进出油口来实现。

图2 转舵机构工作原理示意

转舵机构输出转矩为

=0125·Δ···(-)··10

(1)

式中：为输出扭矩,kN·m；Δ为高低压腔的压力差，MPa；为叶片数；为箱体高度，mm；为箱体内径，mm；为转子毂外径，mm。

由式(1)可知，转舵机构的输出转矩与工作压力、叶片，以及基本尺寸有关。因此，从以下几个方面考虑，减轻转舵机构的质量。

1)提高工作压力。转舵机构规格不变，提高工作压力，高低压腔的压力差的压力增大，转舵机构的结构尺寸就可以变小。受密封和内泄漏的影响，转舵机构的工作压力一般为8 MPa，部分厂家产品的工作压力可达12.5 MPa。

2)增加叶片数量。叶片数量的增加，意味着液压油作用面积增加，功率密度增大，当发出相同转矩时，转舵机构的结构尺寸和质量就可以减小。受结构的限制，转叶式舵机采用2叶式的比较多，大于900 kN·m的转叶式舵机有部分采用3叶式和4叶式的结构。相比于3叶式舵机，4叶式舵机质量可减轻30%以上。但是，随着叶片数量的增加，转叶式舵机的操舵角度会相应变小。

3)优化结构形式。由于转舵机构内部注满高压液压油，船级社规范规定：转舵装置承受内压的所有构件应按照I级受压容器的有关规定进行设计。船级社的压力容器规范对相应的结构尺寸提出要求，再结合式(1)，就可以得出转舵机构的基本尺寸。采取合适的方法优化得到转舵机构基本尺寸，达到降低舵机质量。

3 转舵机构结构轻量化方法

3.1 结构设计

3.1.1 箱体设计计算

箱体结构见图3。

图3 箱体结构示意

由于箱体圆筒部分只承受内压力，根据船级社压力容器规范要求，箱体最小壁厚为

(2)

式中：为设计压力,MPa；[]为许用应力,MPa；为系数；为内壁半径，mm。

对于箱体底部厚度的计算，可类似于压力容器的平封板的计算，则底部最小厚度为

(3)

式中：为系数；为平板直径，mm；为设计压力, MPa；[]为许用应力,MPa。

3.1.2 端盖设计计算

端盖相当于压力容器带螺纹连接的平封头，结构见图4。

图4 端盖结构示意

要求最小厚度为

(4)

式中：为系数。

3.1.3 转子设计计算

转子与舵杆结构见图5。

图5 转子与舵杆结构示意

如图5所示，转子与舵杆使用无键锥形连接，转子内径与舵杆的外径相同，由船级社规范计算舵杆最小直径。

(5)

3.2 轻量化优化途径

转舵机构的主要由箱体、端盖、定子、转子和叶片构成，主要质量集中在这些部件上。以质量最优为目标，最大限度地降低各个部件的质量。

舵机质量最小为优化目标，即

min():=

(6)

式中：为舵机质量;为材料的密度;为舵机总体积。

=+++=

π((+)-)·+π(+)·+

(7)

对式(1)～(5)和式(7)进行求解，以得到最优的舵机质量参数。但是这样不能保证舵机的性能，为在保证舵机性能的前提下，兼顾质量最优，采用有限元的方法对优化后的舵机进行仿真，验证其强度，同时针对薄弱位置进行加强。

3.3 轻量化优化流程

转舵机构轻量化的流程见图6。

图7 转舵机构轻量化方法流程

转叶式舵机结构轻量化的基本步骤如下。

1)根据需求，确定舵机的输出转矩、叶片数等参数。

2)选择箱体高度和内径、转子毂外径等初步参数，计算式(1)～(5)和式(7)。

3)使用粒子群神经网络的方法对式7的结果进行优化判断，得到质量最优的舵机外形参数。

4)对优化后的外形舵机进行取整，得到转舵机构的初步参数，并建立相应的三维模型。

5)使用有限元方法对三维模型进行强度校核，验证不同工况下的舵机是否满足要求。

6)如强度不满足船级社规范要求，则对转舵机构的初步参数和模型进行局部优化，重复步骤4)和5)，直到舵机的参数满足不同工况下的舵机性能要求。

4 实例分析

4.1 主要技术参数

以某型转叶式舵机为对象，开展舵机轻量化设计，其主要技术参数见表1。

表1 主要技术参数

4.2 轻量化优化结果对比

按照前述转舵机构轻量化方法对该型转叶式舵机进行优化，得到转舵机构的主要参数与原方案对比见表2。质量优化后的转叶式舵机转舵机构整体质量为：3 933 kg，较原方案减少质量957 kg，减重19.6%。

表2 转舵机构主要零件尺寸

4.3 强度校核分析

为验证优化后的转叶式舵机强度是否满足船级社规范要求，采用ANSYS对转叶式舵机各零部件进行结构强度分析。转舵机构的最大工作压力为12 MPa，对模型施加12 MPa的液体压力，得到的结构应力云图见图7。

图7 箱体结构综合应力云图

通过分析结果可以得出：箱体端盖定子在最大工作压力工况时，结构部分区域主应力大部分在90 MPa(许用应力，材料抗拉强度为450 MPa，安全系数取5)以内，部分超过90 MPa的区域集中在箱体安装螺钉的底座结合处，该部位不承受液体压力区域，不影响使用安全，因此，箱体端盖定子强度符合船级社规范要求。

5 结论

对国内转叶式舵机体积庞大且笨重的缺点，开展转叶式舵机结构轻量化设计，提出提高工作压力、增加叶片数量和结构优化等降低转叶式舵机质量的方法。在满足强度和性能的要求情况下，优化后的转叶式舵机质量明显降低，轻量化的效果比较明显，同时优化后的转叶式舵机仍然满足工作和规范要求，轻量化设计方法可行。采用该结构轻量化方法，可明显降低转叶式舵机的质量，减少材料浪费，节约成本，而且可为转叶式舵机及其他船用甲板机械的轻量化研究提供参考。