王 榮，蔣曉亮，鄭天祥

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203)

液壓舵機(jī)與操舵裝置控制系統(tǒng)接口分析

王 榮，蔣曉亮，鄭天祥

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203)

在船舶航行中，一般采用自動(dòng)舵、手動(dòng)操舵(隨動(dòng)FU和非隨動(dòng)NFU)和應(yīng)急操舵3種操舵方式來操控舵機(jī)。從船舶電氣設(shè)計(jì)工作角度出發(fā)，分析船舶上選用閥控型和泵控型電液舵機(jī)時(shí)，與操舵控制系統(tǒng)連接時(shí)在接口信號(hào)上的差異，對(duì)設(shè)備選型和電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)有幫助。

液壓舵機(jī)；操舵系統(tǒng)；系統(tǒng)接口

0 引言

操舵系統(tǒng)是船舶的一個(gè)重要控制系統(tǒng)，其性能的好壞直接影響著船舶航行的操縱性、經(jīng)濟(jì)性和安全性。舵機(jī)和操舵裝置控制系統(tǒng)有著操縱和被操縱的關(guān)系，他們的接口就像工作中的一種良好合作關(guān)系，也是整個(gè)航行線路高效、安全的保障。由于不同種類舵機(jī)的工作原理不同，它與自動(dòng)舵的接口也會(huì)有差異，因而這個(gè)問題在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型中給設(shè)計(jì)人員帶來了困惑。

1 舵設(shè)備的組成及作用

舵設(shè)備主要有舵角指示器、操舵裝置、傳動(dòng)裝置、舵機(jī)、轉(zhuǎn)舵裝置、舵組成，其組成簡圖見圖1。

圖1 舵設(shè)備簡圖

圖1中舵設(shè)備的各部件布置和作用如下。

(1) 操舵裝置控制系統(tǒng)就是舵工或駕駛員操舵用的手柄或手輪，一般會(huì)配置專門的操舵臺(tái)，可以和駕控臺(tái)組合一起，也可以獨(dú)立地放在駕駛室內(nèi)。在主操舵臺(tái)的視線需要左右各60°視角。對(duì)于一人橋樓的船舶，在左、右兩翼臺(tái)需要配置NFU手柄。

(2)舵角指示器是反饋舵葉實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度的儀表，駕駛員在駕駛室能實(shí)時(shí)了解舵的實(shí)際位置。在船舶左、右兩翼需要配置舵角指示器，這是巴拿馬運(yùn)河當(dāng)局對(duì)過巴拿馬運(yùn)河船舶的要求。舵機(jī)艙內(nèi)也必須配置舵角指示器。

(3)傳動(dòng)裝置是將操舵裝置啟動(dòng)信息由駕駛室傳至舵機(jī)艙，這部分就是舵機(jī)和操舵裝置控制系統(tǒng)的接口。根據(jù)不同形式的舵機(jī)，控制信號(hào)會(huì)有所差異，而且越來越多的船級(jí)社傾向把2臺(tái)舵機(jī)執(zhí)行器到駕駛室自動(dòng)舵系統(tǒng)的控制信號(hào)分不同的電纜通道走，確保系統(tǒng)的安全。

(4)舵機(jī)是轉(zhuǎn)舵的原動(dòng)力，放在舵機(jī)艙。

(5)轉(zhuǎn)舵裝置把舵機(jī)的動(dòng)力傳遞給舵，是轉(zhuǎn)舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)。

(6)舵是舵葉、舵桿的總稱。

2 SOLAS對(duì)舵設(shè)備的有關(guān)要求

舵設(shè)備從動(dòng)力到控制系統(tǒng)在整個(gè)船舶設(shè)備中屬于重要設(shè)備，所以SOLAS對(duì)舵、舵機(jī)、操舵裝置控制系統(tǒng)都有嚴(yán)格的要求。下面列出幾點(diǎn)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作相關(guān)的要求，有助于理解舵機(jī)與操舵裝置控制系統(tǒng)的配置要求。

(1)如果設(shè)置1個(gè)主操舵裝置和1個(gè)輔助操舵裝置，主輔操舵裝置的布置應(yīng)滿足當(dāng)它們中的1臺(tái)故障時(shí)應(yīng)不致使另1臺(tái)失靈。較大船舶上的主操舵裝置一般都有2套相同的動(dòng)力互為備用，使用其中1套動(dòng)力就能滿足操舵要求，所以在實(shí)際設(shè)備選型時(shí)可不設(shè)輔助操舵裝置。

(2)駕駛室與舵機(jī)室之間應(yīng)設(shè)有通信設(shè)施。船上一般配置自動(dòng)電話和聲力電話。

(3)操舵裝置應(yīng)設(shè)有效的舵角限位器，能使舵角不超過35°。舵機(jī)一般的極限角度為37°。

(4)船舶上配置的隨動(dòng)FU手輪和非隨動(dòng)NFU手柄能滿足2套獨(dú)立的控制系統(tǒng)的要求。

(5)電動(dòng)和電動(dòng)液壓操舵裝置的電動(dòng)機(jī)應(yīng)設(shè)短路保護(hù)和過載報(bào)警，斷相、液壓油溫高報(bào)警，壓力低報(bào)警等。報(bào)警內(nèi)容顯示在駕駛室和集控室的舵機(jī)報(bào)警板上，同時(shí)送船舶的監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)和VDR系統(tǒng)，用于記錄和報(bào)警。

(6)主操舵裝置的動(dòng)力設(shè)備在電源故障后恢復(fù)供電時(shí)能自動(dòng)再起，且需要在駕駛室有報(bào)警。

(7)由1臺(tái)或幾臺(tái)動(dòng)力設(shè)備組成的每一電動(dòng)或電動(dòng)液壓操舵裝置至少應(yīng)由主配電板設(shè)2路獨(dú)立饋電線直接供電，但其中的1路由應(yīng)急配電板供電。

3 現(xiàn)代船舶舵機(jī)一般類型及分類

對(duì)于一些小型船舶，考慮安裝空間的原因，通常會(huì)選用電動(dòng)舵機(jī)。中型船舶會(huì)選用電動(dòng)液壓舵機(jī)。電動(dòng)液壓式舵機(jī)按轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)類型可分為柱塞式和轉(zhuǎn)葉式。按液壓油流向變換方法的不同分成泵控型和閥控型。泵控型和閥控型原理的本質(zhì)區(qū)別，決定了自動(dòng)舵和舵機(jī)間選配接口的差異。

4 接口實(shí)例分析

4.1 自動(dòng)舵系統(tǒng)與舵機(jī)配置的控制框圖

自動(dòng)舵在自動(dòng)和手動(dòng)控制模式下與舵機(jī)的信號(hào)連接如圖2所示。舵機(jī)提供電源和運(yùn)行信號(hào)給自動(dòng)舵的控制單元是常規(guī)的。操舵信號(hào)如何具體操控舵機(jī)，就要具體看舵機(jī)泵組執(zhí)行器的原理和舵機(jī)液壓系統(tǒng)的工作原理，包括液壓鎖定報(bào)警的表現(xiàn)形式也有所不同。以船舶上運(yùn)用的較為廣泛的柱塞式電動(dòng)液壓舵機(jī)為例，通過液壓原理的說明，分析閥控式舵機(jī)和泵控式舵機(jī)在控制方式上的區(qū)別以及表現(xiàn)在與自動(dòng)舵系統(tǒng)連接時(shí)接口的不同。

圖2 舵機(jī)與自動(dòng)舵系統(tǒng)的連接示意圖

4.2 閥控舵機(jī)的工作原理

自動(dòng)舵系統(tǒng)給出操作指令，舵機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在收到轉(zhuǎn)舵指令后會(huì)先和舵角指示器傳回的實(shí)際舵角進(jìn)行比較，當(dāng)產(chǎn)生偏離時(shí)，舵角偏差信號(hào)經(jīng)放大，根據(jù)返回的偏差值方向不同使換向閥相對(duì)應(yīng)側(cè)的電磁閥線圈通電，閥芯從中位向一端偏移，向該側(cè)的轉(zhuǎn)舵油缸供油，另一側(cè)油缸的油路由換向閥通回泵的吸口，油缸中的柱塞移動(dòng)，從而推動(dòng)舵柄和舵葉的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)舵轉(zhuǎn)到與實(shí)際指令舵角信號(hào)向符合時(shí)，換向電磁閥線圈斷電，閥芯回中，泵的排油經(jīng)換向閥卸荷，通向油缸的油路被封死，舵葉就停在指令舵相符合的舵角上，完成了操舵控制的過程[2]。

典型的閥控舵機(jī)液壓原理圖如圖3所示。由于閥控型液壓舵機(jī)采用定量泵，因而只能通過改變電磁閥的位置來改變管路中流體的流向，實(shí)現(xiàn)操左舵或操右舵。

圖3 閥控型舵機(jī)液壓原理

自動(dòng)舵系統(tǒng)連接時(shí)接口框圖如圖4所示。根據(jù)規(guī)范要求，舵機(jī)啟動(dòng)箱給自動(dòng)舵提供電源和舵機(jī)的運(yùn)行信號(hào)，從駕駛室的自動(dòng)舵主單元發(fā)出在自動(dòng)、隨動(dòng)和非隨動(dòng)控制模式下的左/右操舵信號(hào)作用于舵機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過改變電磁閥的位置來改變管路中流體的流向，實(shí)現(xiàn)操左舵或操右舵。

4.3 泵控舵機(jī)的工作原理

自動(dòng)舵系統(tǒng)給出轉(zhuǎn)舵指令，舵機(jī)系統(tǒng)收到此信號(hào)后通過連桿機(jī)構(gòu)控制變量柱塞泵的噴油嘴轉(zhuǎn)動(dòng)，改變流體的流速和流向，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)舵操作。另外一種方式就是操舵站在收到轉(zhuǎn)舵指令后會(huì)先和舵角指示器傳回的實(shí)際舵角進(jìn)行比較，然后通過放大器對(duì)偏差值進(jìn)行放大，再通過力矩馬達(dá)控制變量柱塞泵，實(shí)現(xiàn)換向操作。

雖然連桿機(jī)構(gòu)和力矩馬達(dá)都可以控制變量泵實(shí)行換向操作，但他們實(shí)現(xiàn)的方式卻是不同的。本文以舵角回到0位的操作為例來作比較[3]。

4.3.1 采用連桿操作的轉(zhuǎn)舵步驟

連桿機(jī)構(gòu)控制如圖5所示。

(1)操舵手輪回到0位。

(2)0位信號(hào)發(fā)送到自動(dòng)舵系統(tǒng)。

(3)浮子開關(guān)從“A”動(dòng)作到“A1”，同時(shí)以“B”為支點(diǎn)，從“C”動(dòng)作到“C1”。

(4)控制桿從“D”移動(dòng)到“D1”。

(5)伺服活塞在液壓輔泵先導(dǎo)壓力控制下動(dòng)作，而液壓輔泵則是由主泵的控制閥組控制。

(6)柱塞泵的傾斜盤傾斜改變流向，那么舵葉開始跟隨擺動(dòng)。

(7)當(dāng)浮子開關(guān)到達(dá)“A2”處，滿足相應(yīng)的轉(zhuǎn)舵角度時(shí)，就開始以“A2”為支點(diǎn)從“C1”返回“C”。

(8)液壓泵的控制桿也從“D1”回到“D”，傾斜盤回到中立位置。

(9)這時(shí)，信號(hào)從反饋裝置返回操舵站，轉(zhuǎn)舵工作完成。

以上過程對(duì)于在駕駛室操舵和舵機(jī)艙就地操舵都是一樣的。

圖4 閥控型舵機(jī)與YOKOGAWA自動(dòng)舵系統(tǒng)的接口框圖

4.3.2 采用力矩馬達(dá)操作步驟

力矩馬達(dá)操作示意圖如圖6所示。

(1)從操舵臺(tái)發(fā)出的操舵信號(hào)先經(jīng)過放大器放大，傳給力矩馬達(dá)。

(2)力矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)液壓泵的伺服馬達(dá)，轉(zhuǎn)動(dòng)液壓泵的傾油盤，直到液體滿足噴出到相應(yīng)舵角信號(hào)的流量要求。

(3)流體的壓力推動(dòng)舵柄帶動(dòng)舵葉轉(zhuǎn)動(dòng)，舵柄上的傳感器開始反饋轉(zhuǎn)動(dòng)的角度給操舵站指示要求的角度已經(jīng)達(dá)到，力矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回到0位。

液壓泵傾油盤也會(huì)復(fù)位。當(dāng)吸排油的動(dòng)作停止時(shí)，舵葉也因此得以保持在要求的角度。

圖6 力矩馬達(dá)控制示意圖

另外，在舵機(jī)艙就地操舵時(shí)掰動(dòng)就地電磁閥不會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)，它是通過直接作用在液壓泵伺服器上來控制流量改變的，是一種應(yīng)急操舵模式。在達(dá)到要求的轉(zhuǎn)舵角度時(shí)釋放就地控制鈕，這時(shí)伺服器就會(huì)轉(zhuǎn)入自動(dòng)模式，液壓泵的傾油盤會(huì)回到0位以確保舵葉保持在要求的角度。

泵控舵機(jī)與自動(dòng)舵系統(tǒng)接口框圖如圖7所示。舵機(jī)啟動(dòng)箱④給自動(dòng)舵①提供電源和舵機(jī)的運(yùn)行信號(hào)，自動(dòng)舵控制箱②在自動(dòng)、隨動(dòng)和非隨動(dòng)控制模式下發(fā)送電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)的力矩馬達(dá)，舵機(jī)開始執(zhí)行左或者(右)舵操作，自動(dòng)舵控制箱提供卸荷閥一路AC110 V電源，舵機(jī)卸荷閥動(dòng)作。差動(dòng)變壓器提供主泵的偏心位置(即變量泵中斜盤的傾斜方向)給自動(dòng)舵，當(dāng)它與操舵指令不符合時(shí)，使自動(dòng)舵實(shí)現(xiàn)液壓鎖定報(bào)警。左、右限位開關(guān)的作用使舵機(jī)實(shí)現(xiàn)左、右限位，滿足SOLAS對(duì)舵機(jī)限位的要求。

圖7 泵控舵機(jī)與自動(dòng)舵系統(tǒng)的電氣接口框圖

通過以上2個(gè)典型的泵控和閥控液壓舵機(jī)分析發(fā)現(xiàn)，液壓的控制原理不同，使得與自動(dòng)舵電氣圖接口的差異還是很大的。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中還要根據(jù)舵機(jī)的控制方式選配與自動(dòng)舵系統(tǒng)的接口。

5 操舵裝置控制系統(tǒng)

無論何種舵機(jī)，都受控于操舵裝置控制系統(tǒng)，它使舵機(jī)能按照駕駛者意圖及時(shí)、準(zhǔn)確地將舵轉(zhuǎn)到所需舵角上。目前，商船都有2套獨(dú)立操舵系統(tǒng)的線路，當(dāng)1套操舵系統(tǒng)發(fā)生故障后，立即可以轉(zhuǎn)換另1套操舵系統(tǒng)，這2套操舵系統(tǒng)分別為隨動(dòng)操舵(FOLLOW-UP)和非隨動(dòng)操舵(NON-FOLLOW-UP)。

5.1 隨動(dòng)操舵和非隨動(dòng)操舵

隨動(dòng)操舵系統(tǒng)是裝有舵角反饋發(fā)送器，能進(jìn)行追隨控制的操舵系統(tǒng)，這種操舵方式的舵輪轉(zhuǎn)動(dòng)角和舵葉的偏轉(zhuǎn)角度是相當(dāng)?shù)模俣鏁r(shí)比較直觀。非隨動(dòng)操舵即手柄控制系統(tǒng)也稱直接控制系統(tǒng)，它可以直接控制繼電器使舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。它沒有舵角反饋裝置，手柄或撳鈕相當(dāng)于繼電器的開關(guān)。操舵時(shí)，當(dāng)舵角指示器顯示到達(dá)所需的舵角時(shí)，要立即將手柄回復(fù)到中間位置或松開撳鈕。一般作為隨動(dòng)控制系統(tǒng)失靈時(shí)的備用控制系統(tǒng)。

5.2 自動(dòng)舵

自動(dòng)舵也屬于操舵裝置控制系統(tǒng)中的1種控制形式。自動(dòng)舵是1個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，它包括：航向給定環(huán)節(jié)、航向檢測環(huán)節(jié)、給定航向與實(shí)際航向比較環(huán)節(jié)、航向偏差與舵角反饋比較環(huán)節(jié)、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、舵、調(diào)節(jié)對(duì)象—船、舵角反饋機(jī)構(gòu)等。舵系統(tǒng)的性能主要是由控制器的性能決定的。

當(dāng)船艏受外力等作用偏離預(yù)定航向一定角度時(shí)，裝置立即動(dòng)作，使舵葉偏轉(zhuǎn)一定角度；如舵角度不夠大，裝置產(chǎn)生一個(gè)附加舵角；船艏在舵作用下返回預(yù)定航向；未到達(dá)預(yù)定航向時(shí)，裝置將舵葉轉(zhuǎn)到艏艉線上；船艏接近預(yù)定航向時(shí)，為減少船艏向另一舷

大幅度擺動(dòng)的慣性，舵葉向另一舷偏過一個(gè)小角度，使船首回到原來航向。

5.3 其他操舵形式

自適應(yīng)自動(dòng)操舵儀是把具有自適應(yīng)操舵程序的模塊并入自動(dòng)操舵儀，能在風(fēng)﹑浪﹑流等航行環(huán)境發(fā)生變化而引起船舶操縱性能變化時(shí)，使自動(dòng)舵保持在最佳狀態(tài)。

航跡操舵(TCS)是1種全自動(dòng)駕駛儀，滿足綜合橋樓IBS配置的操舵設(shè)備。系統(tǒng)提供等航向和大圓航向功能，使遠(yuǎn)洋航行的船舶按地球上最短航程航行。系統(tǒng)提供的輔助轉(zhuǎn)彎功能，使船舶自動(dòng)按照預(yù)設(shè)的航線平穩(wěn)過渡到下一航路段上。從圖8航向控制和航跡向控制的比對(duì)示意看出，可實(shí)現(xiàn)船舶航行過程中的航向保持和航跡跟蹤。通過接入計(jì)程儀、羅經(jīng)、GPS信號(hào)，CPU進(jìn)行分析與處理，給出1個(gè)指標(biāo)航向到自動(dòng)舵組件中去執(zhí)行，使船能夠沿著計(jì)劃航線航行，并能在預(yù)定的轉(zhuǎn)向點(diǎn)上轉(zhuǎn)向。TCS系統(tǒng)同時(shí)送出信號(hào)至電子海圖、舵角反饋裝置、自動(dòng)舵、橋樓值班報(bào)警、VDR系統(tǒng)，用于控制和報(bào)警。

如果需要直觀的實(shí)時(shí)航行軌跡，可以把TCS的信號(hào)疊加到電子海圖上，隨著衛(wèi)星通訊技術(shù)在現(xiàn)代船舶運(yùn)輸中的廣泛運(yùn)用，這些信息也可以隨時(shí)發(fā)送到岸上，通過船舶的能效管理系統(tǒng)，結(jié)合航線的水文信息，可以制定出更經(jīng)濟(jì)更安全的航線，未來實(shí)現(xiàn)船舶無人駕駛也不是沒有可能的。

圖8 航向控制和航跡向控制的比對(duì)示意

6 結(jié)語

本文通過對(duì)船舶上舵設(shè)備的列舉，重點(diǎn)分析了現(xiàn)代船舶普遍選用的電液舵機(jī)液壓工作原理并與之相配套的操舵裝置控制系統(tǒng)的幾種操舵方式，列舉船上舵機(jī)和自動(dòng)舵系統(tǒng)典型接口后，可以進(jìn)一步了解舵機(jī)和自動(dòng)舵的工作原理，對(duì)舵機(jī)和自動(dòng)舵的選型和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)會(huì)有很大的幫助。

[1] 高小濤.船舶舵機(jī)的營運(yùn)檢驗(yàn)[J].廣東造船，2010，30(1)：54-55.

2016-09-13

王榮(1973—)，女，工程師，從事船舶電氣設(shè)計(jì)工作；蔣曉亮(1984—)，男，高級(jí)工程師，從事船舶電氣設(shè)計(jì)工作；鄭天祥(1981—)，男，工程師，從事船舶舾裝設(shè)計(jì)工作。

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