“育鯤”輪液壓轉葉式舵機操舵系統(tǒng)淺析【畢業(yè)論文】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　“育鯤”輪液壓轉葉式舵機操舵系統(tǒng)淺析</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文重點介紹了學校教學實習船“育鯤”輪舵機系統(tǒng)的組成、

2、原理和舵機的電氣控制系統(tǒng)。舵機系統(tǒng)是由Rolls-Royce公司生產(chǎn)的轉葉式舵機SR723-FCP.320和Kongsberg公司生產(chǎn)的自動航跡舵Track AP2000組成，主要針對Rolls-Royce液壓轉葉式舵機的電氣控制系統(tǒng)作了詳細分析，并對自動航跡舵的組成和工作原理作了詳細說明。最后對曾經(jīng)出現(xiàn)的故障現(xiàn)象作出了分析和提出了自己的改進意見，而且對于育鯤輪上應急舵的電氣控制提出疑問并作出改進方案。</p><p

3、>　　關鍵詞：舵機系統(tǒng) 液壓轉葉式舵機 電氣控制系統(tǒng) 自動航跡舵</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This paper mainly introduce the steering gear system of our training ship "yukun",include

4、s its system components,principle and electronic control system. This steering gear system consists of hydraulic swinging-vane actuator produced by Rolls-Royce company and automatic navigator track system Track AP2000 pr

5、oduced by Kongsberg company.I have analysed steering gear's electronic control system in details.and described ANTS's constitution and operational principle.at last,concerning about the fault</p><p>

6、　　Keywords: steering gear system hydraulic swinging-vane actuator electronic control system automatic navigator track system</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　前言1</b>&l

7、t;/p><p>　　第 1章“育鯤”輪舵機系統(tǒng)概述2</p><p>　　1.1“育鯤”輪舵機系統(tǒng)組成2</p><p>　　1.2“育鯤”輪變頻轉葉式舵機液壓系統(tǒng)3</p><p>　　1.3 "育鯤"輪舵機主要技術參數(shù)4</p><p>　　第2章 育鯤輪舵機的控制系統(tǒng)5</p&g

8、t;<p>　　2.1控制系統(tǒng)分類5</p><p>　　2.2隨動系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)6</p><p>　　2.2.1隨動系統(tǒng)的概述6</p><p>　　2.2.2"育鯤"輪隨動舵控制系統(tǒng)詳述6</p><p>　　2.2.3隨動舵控制系統(tǒng)工作過程14</p><p>　

9、　2.3應急舵控制系統(tǒng)15</p><p>　　2.4“育鯤”自動導航航跡舵（Kongsberg）15</p><p>　　2.4.1自動舵概述15</p><p>　　2.4.2“育鯤”輪的自動導航航跡舵組成及原理16</p><p>　　第3章 操舵系統(tǒng)故障分析與改進20</p><p>　　3.1故障現(xiàn)

10、象與分析20</p><p>　　3.2 關于“育鯤”舵機應急操舵的改進意見21</p><p><b>　　結論22</b></p><p><b>　　參考文獻22</b></p><p><b>　　致謝22</b></p><p>&l

11、t;b>　　前言</b></p><p>　　船舶航行時，必須對船舶的航向進行控制。船舶運動呈一定的非線性且其</p><p>　　動態(tài)特性與航行工況(船型、裝載、航速、吃水等)密切相關，為了盡快地到達目</p><p>　　的地和減少燃料消耗，總是力求使船舶以一定的速度作直線航行。這就是船舶航</p><p>　　向保持的

12、問題，也就是航向穩(wěn)定性的問題。而當在預定的航線上發(fā)現(xiàn)障礙物或其</p><p>　　他船只時，或者在很有限的航道內航行，必須及時改變船速和航向，這就是船舶</p><p>　　航行的機動性問題。我們希望船舶既有良好的航向保持功能，又有靈敏的機動性。</p><p>　　此時應該有操作裝置能夠控制船舶方向，這個裝置就是舵。舵是船舶用以改變其航向或維持其預定航向的重要設

13、備。整個舵機主要是由操舵裝置、舵機控制與驅動系統(tǒng)、傳動機構和舵葉四部分組成。</p><p>　　現(xiàn)在船舶主要使用的是電動液壓舵機，機構類型可分為往復式和轉葉式兩種。往復式舵機的轉舵機構為往復式推舵油缸，它將液壓油的壓力能轉化為柱塞的機械能，推動舵柄左右轉動，舵柄帶動舵桿轉動實現(xiàn)舵葉的轉動，從而達到改變船方向的目的。轉葉式舵機是依靠作用在舵機轉葉上的高壓油壓力，使舵機轉葉片轉動，從而帶動與舵機錐形相連的舵桿轉動，

14、而舵桿轉動相應帶動與之相連的舵葉轉動，達到船舶操舵的目的。</p><p>　　船舶航行對舵機裝置的要求：</p><p>　　（1）要求有主、輔兩套獨立的操舵裝置，或一套操舵裝置配兩套以上動力設備。每臺動力設備要求兩舷獨立供電線路,其中之一應經(jīng)應急配電板。</p><p>　?。?）具有足夠的強度和能力。在最深航海吃水和最大航速時，主操舵裝置應能使舵自一舷35度轉

15、至另一舷35度，不超過28s。輔舵裝置在最大航速一半但不低于7Kn (1kn=1nmile/h= 1.852km/h)使舵在60s內自一舷15度轉至另一舷15度。</p><p>　?。?）操作靈便。主輔操舵裝置均應能在駕駛室和舵機室進行控制，主操舵裝置的每臺動力裝置也均能在駕駛室控制，并能方便地進行切換。</p><p>　?。?）有三種操舵方式（手動、隨動、自動）。</p>

16、<p>　　應設有舵葉偏轉限位開關，一般±35°。</p><p>　　(6)自動操舵時，設有偏航報警，一般為±8°～±10°。</p><p>　?。?）設舵機失電報警和舵機電動機過載報警，但不設過載保護。</p><p>　?。?）在駕駛臺設有舵角指示器，其與操舵指令和實際舵角的誤差＜1&

17、#176;。2臺動力裝置也均能在駕駛室控制，并能方便地進行切換。</p><p>　　（9）電動舵機的電動機采取連續(xù)工作制，有足夠的過載能力，軟機械特性，能堵轉一分鐘。</p><p>　　（10）對舵柄處舵桿直徑大于230mm（不包括航行冰區(qū)舵桿被加強）的船舶應設有能在45s內向操舵裝置提供的替代動力源，其容量至少應能向符合輔操舵裝置要求的一臺動力設備及其控制系統(tǒng)和舵角指示器提供足夠的能

18、源。此獨立動力源只準專用于上述目的。對于1萬Gt以上的船舶，它應至少可供30min，對其他船舶為10min。</p><p>　　第 1章“育鯤”輪舵機系統(tǒng)概述</p><p>　　圖1-1 “育鯤”輪駕駛臺操舵儀</p><p>　　1.1“育鯤”輪舵機系統(tǒng)組成</p><p>　　育鯤輪自動舵機是由Rolls-Royce的舵機系統(tǒng)和Kon

19、gsberg的自動導航航跡舵組成，系統(tǒng)原理圖如圖1-2所示。</p><p>　　由圖1-2可以看出,Rolls-Royces的舵機系統(tǒng)包括隨動舵和應急舵操舵系統(tǒng)，它由駕駛臺主控板和左右翼駕駛臺的舵令發(fā)送單元、控制系統(tǒng)、舵機控制箱、變頻器、電機、泵和液壓系統(tǒng)以及反饋裝置、報警單元組成；Kongsberg的自動舵系統(tǒng)則是由自動舵電源、分配電箱、控制單元、主計算機和反饋單元組成。</p><p&g

20、t;　　圖1-2 育鯤輪自動舵機系統(tǒng)圖</p><p>　　1.2“育鯤”輪變頻轉葉式舵機液壓系統(tǒng)</p><p>　　舵機型號是TenfjordSR723-FCP(SR:SphericalRotary;FCP:Frequency Controlled Pumps),采用的是球型轉子的轉葉式舵機。轉舵機構由兩臺由變頻電機驅動的雙向泵、閥塊和電器反饋單元組成。其液壓控制圖如下：</p&

21、gt;<p>　　圖1-3 Tenfjord SR723泵控型舵機液壓系統(tǒng)原理圖</p><p>　　1-轉舵機構；2-雙向泵；3-變頻電機；4-單向閥；5-溢流閥；6-三位二通電磁閥；7-邏輯閥；9-安全閥；10-儲油柜；11-手搖泵；12-高置油柜；13-供液三通閥；14-控制單向閥</p><p>　　Tenfjord SR723泵控型舵機采用了由變頻電機驅動的雙向泵。

22、當有轉舵信號時，電機和泵開始工作，泵的排量和吸、排方向靠電機中的變頻器控制。變頻器發(fā)出的信號取決于指令舵角和實際舵角之間的舵角偏差。當舵角相差較大時，變頻器發(fā)出的信號使電機快速運轉令雙向泵大排量工作；隨著舵角偏差的逐漸減小，電機的轉速也緩慢降低，泵的排量也慢慢減??；當實際舵角等于指令舵角時，泵和電機處于停止狀態(tài)，閥塊中的閥將舵鎖在停止位置。</p><p>　　為滿足造船規(guī)范要求，分別有兩套動力單元和控制單元，實

23、現(xiàn)互為備用，也可以同時工作?？杀ＷC一臺泵組出現(xiàn)故障后，迅速自動隔離，另一臺泵組能正常工作。當有舵令信號（+-10V的模擬量速度信號和開關量的轉向信號）時，變頻器控制液壓泵的轉向和轉速。同時，控制邏輯閥控制油的三位二通電磁閥有電，閥工作于左位，邏輯閥內的控制油卸荷，閥門打開。油泵輸出的壓力油經(jīng)過單向閥、邏輯閥進入轉舵油缸。而對應的轉舵油缸的回油通過邏輯閥、溢流閥、回油濾器、和單向閥到達油泵吸口。實際舵角與轉舵指令相符后，油泵停止運轉，電磁

24、閥失電，轉舵機構鎖閉。</p><p>　　邏輯閥7實現(xiàn)油路的鎖閉功能。當實際舵角達到轉舵指令以后，電磁閥失電，工作在右位，液壓油經(jīng)過控制單向閥、電磁閥到達邏輯閥芯上腔加壓使閥芯鎖閉，基本功能相當于液控單向閥。</p><p>　　安全閥9在舵葉停止轉動時，若有大浪或其他外力沖擊，安全閥會因管路中油壓高于調定值（育鯤輪此閥設定值是156bar）時開啟，使高壓油腔與低壓油腔旁通，以避免管路和

25、液壓元件承受過高壓力，允許舵葉暫時偏讓而“跑舵”；當沖擊舵葉的外力消失后，由于實際舵角偏離指令舵角，電機重新啟動，直至舵轉回到與指令舵角相符為止。安全閥9亦稱防浪閥。</p><p>　　溢流閥5在此系統(tǒng)中兩個為一組，在工作的時候，油泵出口的溢流閥作安全閥使用，當出口壓力超過調定值時閥（育鯤輪此閥設定值是125bar）時開啟，防止液壓元件受到?jīng)_擊。油泵吸口處溢流閥作單向閥使用。</p><p&

26、gt;　　高置油箱有油位計去顯示油箱油位，同時有兩個油位傳感器，中間有一隔板將油箱分為兩部分，傳感器分別監(jiān)視兩邊油位。當一套動力單元系統(tǒng)漏油將不會干擾另一臺動力單元的正常工作。同時液壓油還有一路進入轉舵機構的低壓腔。高置油箱的作用是向系統(tǒng)及轉舵機構補油和允許系統(tǒng)的回油。正常情況下油位過低會表明系統(tǒng)中有泄漏的發(fā)生。當高置油柜缺油時，可用手搖泵從儲油柜向油柜補油。</p><p>　　1.3 "育鯤&quo

27、t;輪舵機主要技術參數(shù)</p><p>　　舵機技術參數(shù)主要包括轉舵機構參數(shù)、液壓油泵參數(shù)和變頻電機參數(shù)。</p><p><b>　　轉舵機構參數(shù)</b></p><p>　　舵機型號： SR723—FCP</p><p>　　最大工作壓力：

28、 125bar</p><p>　　設計壓力： 156bar</p><p>　　最大扭矩： 412KNm</p><p>　　試驗壓力：

29、 234bar</p><p>　　舵桿直徑： 320mm</p><p>　　最大機械舵角： 2×44°</p><p>　　電氣限制舵角： 2

30、15;43°</p><p>　　運行時間1臺泵/2臺泵： 28/14s（30°—0°—35°）</p><p>　　安全閥設定壓力： 156bar</p><p><b>　　液壓油泵參數(shù)</b></p&

31、gt;<p>　　型號： FCP—75</p><p>　　安全閥設定壓力： 125bar</p><p>　　試驗壓力： 188bar</p><p><

32、;b>　　變頻電機參數(shù)</b></p><p>　　型號： NORM IEC 160LB—4</p><p>　　速度： 1450rmp</p><p>　　額定壓力：

33、 17，5KW(SI)</p><p>　　電壓： 3×380V，50HZ</p><p>　　保護等級： IP55</p><p>　　第2章 育鯤輪舵機的控制系統(tǒng)</p>

34、<p><b>　　2.1控制系統(tǒng)分類</b></p><p>　　1.應急操舵控制系統(tǒng)（NFU）</p><p>　　直接控制系統(tǒng)或稱單舵系統(tǒng)、應急操舵，NFU。</p><p>　　應急操舵只有在自動操舵和隨動操舵失靈情況下使用。要求在駕駛臺和舵機艙設置操舵點。應急操舵實際上是對液壓舵機的直接控制。駕駛臺是電控方式。舵機艙除

35、電控外，還可使用機控方式。</p><p>　　2.隨動控制系統(tǒng)（FU）</p><p>　　隨動舵在進出港或窄水道航行或自動舵失靈情況下使用。隨動舵實際上是一個舵角閉環(huán)控制系統(tǒng)，即位置隨動系統(tǒng)。</p><p>　　3.自動操舵控制系統(tǒng)（AUTO）</p><p>　　自動舵在船舶處于大海航行或開闊水域的航行狀態(tài)，環(huán)境和船舶本身的狀態(tài)相

36、對變化不大，這時船舶操縱主要任務就是固定航向，便使用自動舵，來取代人持續(xù)的手操舵。</p><p>　　2.2隨動系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)</p><p>　　2.2.1隨動系統(tǒng)的概述</p><p>　　對于隨動操舵控制系統(tǒng)，只要操作人員給出某一操舵指令，系統(tǒng)就能自動的按指令吧舵葉轉到所要求的舵角上，并自動使舵葉停轉。</p><p>　　圖2-

37、1 育鯤輪隨動舵操舵系統(tǒng)方框圖</p><p>　　上圖2-1是隨動操舵系統(tǒng)方框圖。它是按偏差進行調節(jié)的。信號的消除不是通過人而是通過舵葉的偏轉來達到的。亦即與舵柱機械的連接一個信號發(fā)送器，舵葉轉動時，發(fā)出反饋信號，如果反饋信號和控制信號相等時，就將控制信號抵消，使偏差信號等于零，舵葉停止轉動，只要向一個方向扳動操舵手輪，舵葉就向某一方向偏轉，待舵偏轉到所要求的舵角時，舵將自動停止，從而實現(xiàn)舵機的自動調節(jié)。<

38、;/p><p>　　2.2.2"育鯤"輪隨動舵控制系統(tǒng)詳述</p><p><b>　　舵令發(fā)送單元</b></p><p>　　當“IN COMMAND”燈亮，表示選定操舵地點在此處受控。R4旋鈕進行調光。中間是舵輪，由圖2-2（右）可以看出舵角給定信號是由線性電位計發(fā)送的。其中調節(jié)R1實現(xiàn)舵位校零，調節(jié)R2實現(xiàn)舵令信號幅度調

39、整。</p><p>　　圖2-2 舵令發(fā)送面板（左）和原理圖（右）</p><p><b>　　選擇單元</b></p><p>　　圖2-3中：STEERING MODE 1、STEERING MODE 2、STEERING MODE 3為三種操舵模式；K51、K61、K71為三種操舵模式的選擇開關；K50、K60、K70為選擇操舵地點是常

40、開信號還是常閉信號。</p><p>　　11AC、12AC、13AC是反饋限幅（12AC是公共端）。ODER_=_FB是舵角反饋信號。COMPERATOR_50、COMPERATOR_60、COMPERATOR_70為三種操舵模式下舵令信號與反饋信號的比較輸出信號。</p><p>　　圖2-4中：IN_COMMANDE_50、IN_COMMANDE_60、IN_COMMANDE_70為

41、三個不同的操舵地點；IN COMMANDE LIGHT MODE 1、IN COMMANDE LIGHT MODE 2、IN COMMANDE LIGHT MODE 3為三個不同操作地點的指示燈。它是由比較器信號、反饋舵角信號和脈沖電源信號經(jīng)過兩個與門，一個或門和JP50、JP60、JP70等跳鍵來選擇操舵地點的。</p><p>　　在真正的操舵模式被選之前，操舵儀的舵令信號必須等于實際舵角位置，“IN COM

42、MANDE”按鈕才能被觸發(fā)（即可以進行操舵地點轉換）。如果操舵儀的舵令信號不等于實際舵角位置，“IN COMMANDE”燈將閃爍顯示操作者必須改變舵令信號，而且舵令必須在6~7秒內改變。當選擇了正確的操舵模式，操作地點即已確定，“IN COMMANDE”燈將從閃爍變成恒亮，這個功能只用于FU操舵。</p><p>　　圖2-3 操舵模式選擇原理圖</p><p>　　圖2-4 操舵地點選擇

43、原理圖</p><p><b>　　放大單元</b></p><p>　　前提：此時選擇隨動舵，則圖上14AC為高電位，繼電器線圈K2有電，則圖上其兩個常閉的輔助觸點斷開，一個常開觸點閉合。14AC的高電位經(jīng)過與非門和與門使D/A轉換器的觸發(fā)信號為0，使D/A轉換器開始轉換。（如果舵令信號等于反饋信號（COMPERATOR=1），D/A轉換器的觸發(fā)信號為1，則D/A轉

44、換器被鎖定，不允許轉換信號。）</p><p>　　舵令信號和反饋單元的電源+-5V。</p><p>　　舵令發(fā)送回路：這時，舵令信號（假定為左舵，是正信號）從8AC經(jīng)過反向放大器后經(jīng)模數(shù)轉換器和數(shù)模轉換器。轉換后的信號（負信號）經(jīng)過運算放大器（運放上的電阻器P31為舵令增益調節(jié)，電阻器P30為零位調整）放大，放大信號（負信號）經(jīng)過跳鍵JP60與反饋信號匯合。</p>&l

45、t;p>　　舵角反饋信號回路：11C、12C、13C為反饋信號輸入端（其中12C為公共端），反饋信號（因為打左舵，反饋信號為正信號）經(jīng)過運算放大器（運放上的電阻器P20為放大板上的反饋增益調節(jié)）進行信號放大，再經(jīng)過11A、12A、13A進行限幅，限幅后的信號（正信號）經(jīng)過反相器，經(jīng)過反相器后的信號（正信號）再與舵令信號匯合。</p><p>　　匯合的信號經(jīng)過運算放大器（運放上的電阻器P60為靈敏度調節(jié)）放

46、大，放大信號輸出送往舵機控制器。</p><p>　　因為匯合信號是舵令發(fā)送的負信號和反饋的正信號的疊加，相當于形成了一個負反饋。也就是說實際舵角越接近舵令舵角時，匯合信號越小，發(fā)送到舵機控制器的信號就越小，則電機的轉速越慢，舵桿的轉動速度就變慢，這樣可以實現(xiàn)舵機平穩(wěn)的起停。</p><p>　　放大單元送往舵機控制板的舵令信號：電磁閥控制舵機方向的開關量信號和可逆泵控制舵機轉速的模擬量信

47、號。當啟用隨動操舵模式時便會產(chǎn)生0~10V的模擬量速度信號。</p><p>　　如果選擇隨動操舵并且兩臺泵都在運行，當舵令為一個大舵角時，開始時是1號主用泵機先啟動使舵機轉動3°左右舵角，接著2號備用泵機啟動與1號主用泵機一起工作，在到達指定舵角前2臺泵停止轉動；當舵令角度小于2~4°時，這個開關量操舵信號會切斷送往其中一臺泵的舵令信號。</p><p>　　圖2-5

48、 放大單元原理圖</p><p><b>　　4.舵機控制器</b></p><p>　　圖2-6舵機控制器原理圖</p><p>　　圖中K6、K9為機旁應急操舵（或稱應急主操舵，LED4燈亮，在舵機房通過左右舵按鈕直接啟動泵的運轉來控制舵機轉向）控制線圈；K10為駕駛臺應急操舵（或稱應急舵，LED5燈亮，在駕駛臺通過操舵桿啟動泵運轉來控制

49、多級轉向）控制線圈；K8為隨動舵的控制線路，輸出0~10V的模擬量信號；K11為輔助操舵（LED6燈亮）控制線圈。</p><p>　　EXTERNAL ORDER信號（自動舵信號）輸入，通過光電耦合（LED7-左舵，LED8-右舵）控制左右舵的運轉。HYD. LOCK（液壓閉鎖）信號也是通過光電耦合控制液壓系統(tǒng)的閉鎖，使舵葉鎖定在一個確定的舵角上，使船舶實現(xiàn)轉向。</p><p>　　最

50、后的綜合舵令信號都是送往變頻器的。由開關量信號控制泵轉向，0-10V的模擬量信號控制泵的轉速。</p><p><b>　　變頻控制器</b></p><p>　　輸入信號：端子18是啟動控制，端子27是停止控制（慣性停車），端子37是安全停車控制（在緊急情況下安全關閉轉矩）；端子18、19、20為數(shù)字量輸入（其中20為公共端），端子50、53/54、55為模擬量輸入

51、（其中55為公共端）；</p><p>　　輸出信號：端子01、02、03，04、05、06為兩組繼電器輸出；端子39、42為模擬量輸出（4-20mA電流），端子27、29為數(shù)字輸出；</p><p>　　數(shù)字量和模擬量的輸入輸出必須分別連接到公共輸入端（端子20、55、39），以避免來自這兩個組的接地電流影響其他組。如：打開數(shù)字輸入可能會干擾模擬輸入信號。</p><

52、p>　　端子82、81接剎車制動電阻；端子68、69、61為通訊線RS-485接口（其中61為公共端）。</p><p>　　開關S201（A53）和S202（A54）分別用于選擇模擬輸入端子53和54的電流配置（ON：0-20mA）或電壓配置（OFF：-10到+10V），開關S801（總線端接）可用于端接RS-485端口（端子68和69）。</p><p>　　變頻器在起降過程中的

53、制動控制：</p><p>　　使用繼電器輸出或數(shù)字輸出（端子27和29）控制制動；當變頻器無法“支持”電動機時（例如因為負載過大），請將輸出關閉（沒有電壓）；當電動機電流超過預設值時，將釋放制動；當輸出頻率低于設置的頻率，并且僅當變頻器執(zhí)行了停止命令時制動器才會嚙合。（如果變頻器初一報警模式或過壓狀態(tài)，制動控制會立即切入）</p><p><b>　　保護功能：</b&g

54、t;</p><p>　　電子熱敏式電動機過載保護；通過檢測散熱片的溫度，可以確保變頻器在溫度達到涉嫌設定的水平時跳閘。除非散熱片的溫度降到規(guī)定值以下，否則過載溫度無法復位（這些溫度與變頻器功率和機箱等不同而存在差異）；變頻器在電動機端子U、V、W上有短路保護；如果主電源缺相，變頻器將跳閘或發(fā)出警告（取決于負載）；對中間電路電壓的檢測確保變頻器在中間電路電壓過低或過高時會跳閘；變頻器會不斷檢查內部溫度、負載電流、

55、中間電路上的高電壓是否到達臨界水平以及電動機速度是否達到下限。作為這個臨界狀態(tài)的響應，變頻器可以調整開關頻率或更改開關模式來確保變頻器的性能。</p><p>　　圖2-7變頻器電氣接線圖</p><p>　　6.舵角反饋單元 </p><p>　　圖2-8舵角反饋單元截面圖（左）和外觀圖（右）</p><p>　　反饋單元是預設安裝在船中

56、線上，由廠方完成最后的調試。反饋單元包括舵角指示系統(tǒng)的傳感器，舵的限位開關和控制系統(tǒng)的傳感器，安裝在舵機頂上的支架上。反饋單元由連接裝置或連接舵柱的鏈帶驅動，鏈帶由傳動裝置預緊。驅動軸跟隨舵柱的轉動，并且轉換電位計的移動和觸發(fā)限位開關的釋放，觸發(fā)凸輪調節(jié)到在舵葉機械停止之前2°時切斷舵令信號。</p><p><b>　　7.舵角指示單元</b></p><p

57、>　　圖2-9舵角指示系統(tǒng)原理圖</p><p>　　舵角指示系統(tǒng)提供實時的連續(xù)顯示舵機的實際舵角。每臺舵機都有兩個舵角指示系統(tǒng)，系統(tǒng)的主要部分是舵角位置信號放大器，這個單元連接到反饋單元的精密電位計上，每個單元最多可以連接5個舵角指示器（舵角指示器是電壓式的，并聯(lián)連接，如上圖中的X3-1、X3-2、X3-3為no.1舵角指示器，直到X3-13、X3-14、X3-15為no.5舵角指示器）。舵角指示器基于三

58、線制系統(tǒng)，+12VDC，-12VDC并且舵在中間位置的舵角信號為0VDC（負信號為左舵）。每個舵角指示器可以分別調節(jié)增益（如上圖中的P30）和調整零點（如上圖中的P20）。</p><p>　　舵角指示放大器放大板的主要功能：</p><p>　　a舵角指示系統(tǒng)的接口</p><p>　　b舵角反饋電壓幅值調節(jié)</p><p>　　c舵角反饋

59、單元的接口</p><p>　　d舵角指示的增益調節(jié)和電隔離舵角位置信號</p><p>　　e反饋信號的零點調節(jié)</p><p><b>　　8.報警單元</b></p><p>　　圖2-10報警系統(tǒng)原理圖</p><p>　　上圖是簡化了的系統(tǒng)方框圖，只是顯示了主要功能。由于系統(tǒng)有5-26

60、個報警通道，此圖只畫了2個通道。No.1和No. n的電路是一樣的。</p><p>　　輸入電路主要包括RC電路和繼電器。只要報警傳感器觸點閉合，繼電器就會動作。當報警觸點打開，RC電路提供幾秒鐘的延時以免誤報警。延時后，繼電器沒電，將會有：</p><p>　　E0（船舶通用報警）電路觸發(fā)，E0繼電接觸器打開，觸發(fā)主報警系統(tǒng)；</p><p>　　報警燈的驅動電

61、路被打開，使得各個報警燈發(fā)光；</p><p>　　觸發(fā)電路輪流觸發(fā)兩個蜂鳴電路和“儲存和閃爍”電路。</p><p>　　報警燈的輸出時有短路保護，圖紙上顯示了兩個燈，但是系統(tǒng)能驅動三組燈，一個主報警板和兩個從報警板。</p><p>　　閃爍電路給報警燈和蜂鳴器提供1Hz的脈沖電源，同時閃爍和蜂鳴?，F(xiàn)在報警燈在閃爍，蜂鳴器在響，外部報警系統(tǒng)已被觸發(fā)。</p

62、><p>　　在從報警板上按“Audible”鍵，本地蜂鳴被關掉，但是報警燈仍然閃爍。</p><p>　　在主報警板上按“確認”鍵，本地蜂鳴消音，再次按“確認”鍵則：</p><p>　　“儲存和閃爍”繼電器被復位，報警燈不閃；</p><p>　　報警條件依然存在，報警燈由閃爍變?yōu)楹懔粱蛘呦纭?lt;/p><p>　　當

63、報警條件消失，報警燈熄滅并且外部報警輸出接觸器閉合。如果在第一個報警條件消失之前第二個報警條件產(chǎn)生了，蜂鳴器再次被觸發(fā)，但此時只有第二次報警燈閃爍，第一次報警燈保持恒亮。</p><p>　　報警系統(tǒng)的主要組成部分是報警單元，主報警面板(安裝在集控室，能進行完整的系統(tǒng)測試和報警確認)和從報警面板（安裝在駕駛臺，只能進行報警燈的測試和本地蜂鳴的取消）。報警單元上有報警面板和傳感器的端子，也提供全船通用報警的輸出信號

64、。</p><p><b>　　標準報警功能：</b></p><p><b>　　a.舵機綜合報警</b></p><p>　　b.no._ 舵機伺服油泵過載</p><p>　　c.no._ 舵機伺服油泵斷相故障</p><p>　　d.no._ 舵機伺服油泵電源故障&l

65、t;/p><p>　　e.no._ 舵機伺服油泵控制電源故障</p><p>　　f.no._ 舵機伺服油泵單元液位低</p><p>　　g.no._ 舵機伺服油泵液壓鎖</p><p>　　h.no._ 舵機濾器堵塞</p><p>　　2.2.3隨動舵控制系統(tǒng)工作過程</p><p>　　首先

66、在舵機控制板上按“RUN PUMP1”和“RUN PUMP2”鈕,則在舵機控制器上給變頻器和變頻電機提供電源，變頻器啟動后處于待機狀態(tài)；然后操舵模式選擇隨動“FU INCOMMANDE”，則在選擇單元電路板上通過跳鍵J50對應K50閉合選擇隨動操舵模式，屏蔽了其他操舵模式通道；操舵地點選擇駕駛臺主操舵，則在選擇單元電路板上IN_COMMANDE_50通道被選通，其他通道關閉。</p><p>　　在駕駛臺隨動舵輪

67、上給定一個左滿舵的操舵信號，由舵令發(fā)送單元在電路圖2-2中3和4間送出5V的電壓信號，經(jīng)選擇單元在電路圖2-3中K50隨動操舵模式通道和圖2-4中IN_COMMANDE_50主操舵地點通道到放大單元，在放大單元電路圖4-5中經(jīng)8AC輸入，經(jīng)運放放大后（負信號），信號送往舵機控制器后，變頻器接收這個帶負號的10V模擬量信號，負的信號控制電機和泵的轉向（左舵），幅值10V模擬量信號控制電機和泵的轉速，舵葉開始轉動。這時舵角反饋跟蹤舵葉轉動，

68、反饋單元送來的反饋信號經(jīng)12C輸入運放放大（正信號）。這樣，舵令發(fā)送的信號（負）和舵角反饋信號（正）在此疊加，疊加的信號輸出到舵機控制器，控制電機的轉速和舵葉的轉動，直至舵葉跟隨轉動到左滿舵位置，此時疊加的信號為零，運放輸出為零，舵葉被鎖定。</p><p>　　2.3應急舵控制系統(tǒng)</p><p>　　應急操舵只有在自動操舵和隨動操舵都不能使用的情況下提供的一種操舵方式，在幾種操舵模式中

69、，應急舵具有最大的優(yōu)先權。</p><p>　　圖2-11 應急舵原理框圖</p><p>　　育鯤上應急舵分為舵機旁的主應急操舵和駕駛臺應急操舵。應急舵的信號（+-10V）直接送到舵機控制器，到變頻器控制泵的轉速和轉向（正負），在通過液壓系統(tǒng)實現(xiàn)舵的轉動。</p><p>　　應急操舵特點：手摁舵轉，手放舵停；左舵左摁，回舵右摁；右舵右摁，回舵左摁。因為應急舵是一

70、個開環(huán)控制，使用應急舵時要十分關注舵角指示器的舵角變化，在到達期望舵角前需要一直按壓，快要達到期望舵角時需要釋放；而在船舶偏航時操應急舵，還應注意提前打反舵角才能使船舶回到航線上（打反舵角也需要持續(xù)按壓）。</p><p>　　2.4“育鯤”自動導航航跡舵（Kongsberg）</p><p>　　2.4.1自動舵概述</p><p>　　自動舵是按照船舶對航向的偏

71、離角度來控制船舶的航跡，其操舵系統(tǒng)實際上是在隨動舵的基礎上省去了手輪，加上航向反饋而形成的，它是舵角反饋和航向反饋的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>　　圖2-12傳統(tǒng)自動舵原理框圖</p><p>　　以船舶偏航角和偏航角速度的大小和方向調節(jié)的比例-微分舵和以船舶偏航角、偏航角速度及偏航角積分的大小和方向來調節(jié)的比例-微分-積分舵。</p><p>　　比例控制：

72、按偏航信號成比例提供舵角指令信號；</p><p>　　微分控制：又叫反舵角，當船舶返回給定的航向時，起阻尼作用，克服船舶的慣性；</p><p>　　積分控制：自動糾正船舶航向，在船舶由于受到固定的干擾（風、潮流、水流等）而偏離航線時，自動使船回到設定的航線上。</p><p>　　自動操舵儀中的常用調節(jié)環(huán)節(jié)及調節(jié)規(guī)律</p><p>　　

73、（1）比例舵角調節(jié):重載時船舶回轉慣性大，要求較大的舵角比例。船速較高時，較小的舵角比例就能實現(xiàn)糾偏。</p><p>　?。?）反舵角調節(jié)（微分舵）：根據(jù)船舶偏航速率，與舵角比例配合調節(jié)。偏航速率大，所需反舵角制動作用大，反之亦然。</p><p>　?。?）靈敏度調節(jié)。防止風浪大時，舵機動作頻繁。調節(jié)規(guī)律為:風平浪靜，靈敏度高；大風大浪，靈敏度低。</p><p&g

74、t;　?。?）航向調節(jié)。用于自動航行中改變航向。通常一次航向改變不超過10度。防止偏航報警誤動作。 </p><p>　?。?）羅經(jīng)匹配旋鈕。開航前主羅經(jīng)工作穩(wěn)定后，將操舵分羅經(jīng)與主羅經(jīng)指示一致。</p><p>　?。?）自動、隨動、應急操舵轉換開關。</p><p>　?。?）航向警報消音按鈕。</p><p>　　2.4.2“

75、育鯤”輪的自動導航航跡舵組成及原理</p><p>　　1.“育鯤”輪AP2000型自動舵的系統(tǒng)組成</p><p>　　圖2-13 “育鯤”輪AP2000型自動舵的系統(tǒng)組成</p><p>　　帶有附件的控制單元：自動舵所有的設置和操作都在此單元上發(fā)生。在前面板上除了按按鈕外，它還有三個LCD顯示和一個可旋轉的航向選擇旋鈕。</p><p&g

76、t;　　b.主機：進行操舵運算，連接航路設計系統(tǒng)、助航儀器、電羅經(jīng)（一系列的）、計程儀。</p><p>　　c.航向傳感器：自動舵能讀出大多數(shù)類型的方向參考傳感器。它們可能是電羅經(jīng)、磁羅經(jīng)、磁通門羅盤。</p><p>　　主羅經(jīng)（操舵羅經(jīng)）應是一個電羅經(jīng)，而監(jiān)視羅經(jīng)（復示羅經(jīng)）可以是一個電羅經(jīng)，磁羅經(jīng)或者磁通門羅盤。主機能讀一系列的來自電羅經(jīng)的數(shù)據(jù)，可以是NMEA0183或者Simra

77、d RGC專用輸出。當設備帶有電羅經(jīng)的界面板時，控制單元能同步讀出電羅經(jīng)?？刂茊卧材軓娜魏畏较騻鞲衅骱脱b備有CD109航向探測器的磁羅經(jīng)讀出sin/cos。</p><p>　　e.分配單元：D9X分配單元，D9X是一個主相互連接單元。主電源、報警電源、操舵裝置界面、舵角反饋和額外的報警都是連接到此單元。</p><p>　　除了航向傳感器，系統(tǒng)還包括以下單元：AP2000Track P

78、ilot控制單元，MC100主機，RF14XU舵角反饋單元，D9X 分配單元。</p><p>　　應當注意的是，標準的主電源是24V DC，如果AC電源被用，系統(tǒng)必須有一個AC電源適調器。模式選擇器和速度輸入對所有的設備都是強制的。模式選擇器通常由操舵控制系統(tǒng)提供。</p><p>　　“育鯤”輪自動導航航跡舵原理</p><p>　　“育鯤”輪自動導航航跡舵是自

79、適應自動舵，具有自動航向保持，自動導航航跡系統(tǒng)（ANTS），即航跡舵功能。</p><p>　　自動導航航跡系統(tǒng)實際上是通過一臺微處理器，將人工輸入的計劃航線（各轉向點的經(jīng)緯度）與通過定位傳感器得到的實時船位等數(shù)據(jù)進行計算、比較分析和處理，并得到一個可供自動舵執(zhí)行的航向（也稱指標航向C）。在執(zhí)行過程中，由于船舶受到風流壓的影響，船位還會偏離計劃航線，此時，航跡自動舵能給出一個新的指標航向，因此，指標航向是一連串變

80、化的，并均勻的改變指標航向，從而達到自動保持在航跡帶內所需航向和在轉向點自動轉向的目的。其工作原理如下圖示</p><p>　　圖2-14自動航跡舵原理框圖</p><p>　　a.實時船位的獲?。簩崟r船位一般由GPS、LORAN-C等船舶定位儀獲得。目前被廣泛采用的是GPS定位儀，它能獲得連續(xù)船位，并且精度高。當微處理器收到船位信號后，還要做坐標系統(tǒng)誤差的修正、船位數(shù)據(jù)的濾波處理和粗大

81、誤差的剔除處理，從而得到更精確的船位。</p><p>　　b.計劃航向的確定：當計劃航線一旦確定后，即可向航跡舵組件輸入轉向點的經(jīng)緯度，兩轉向點航法有兩種選擇：恒向線（Rhumb Line）航法和大圓航線（Great Circle Route）航法。若選用恒向線航法，微處理器便能計算出各轉向點之間的計劃航向。若采用大圓航法，則可確定在某一段時間內（如4h）認為是不變的計劃航向。</p><p

82、>　　c.航跡保持原理：當?shù)玫接媱澓骄€和實時船位數(shù)據(jù)后，微處理器將二者進行比較，并計算出船舶到下一轉向點應行駛的航向。然而，由于羅經(jīng)精度和自動舵保持航向的誤差等因素的影響，以此作為指標航向指令自動舵控制航行并不能保持船舶航行在計劃航線上。例如，到下一個轉向點的航程為500n mile，實時船位距計劃航線的垂直距離（位置偏移量）為1n mile，則航向的偏差僅為0.1度，而用這樣小的偏差角度去修正自動舵的執(zhí)行航向，使船舶保持在計劃航

83、線上是難以實現(xiàn)的</p><p>　　因此，實際操作中，駕駛人員需要根據(jù)海況等因素，設定一個允許在計劃航線附近一定距離范圍內的位置偏移量和這個偏移量的最大限制值，如下圖示。這里，位置偏移量的計算是以計劃航線為基準的，d稱為航跡帶寬度。當船舶航向在A區(qū)時，就認為船舶基本保持在計劃航線上。當船舶偏移在區(qū)域B時，微處理器計算出風流壓差，操舵裝置開始工作修正指標航向，使船回到A區(qū)內。一般每過15~30min進行一次風流壓

84、差的修正計算。如果船位位于區(qū)域c中時，則認為船舶不能自動保持航跡，需要駕駛員進行人工處理。</p><p>　　圖2-15航跡保持原理</p><p>　　d.自動轉向原理：航跡自動舵組件在自動轉向中的主要動能是確定轉向的時機和均勻的改變指標航向。如上圖2-15示當船舶航行到a、b或c時，航跡組件能根據(jù)轉向點的位置、當時航速、航向改變量和轉向允許的速率，自動確定提前開始轉向的距離或時間，從

85、而自動轉到下一個計劃航向上。</p><p>　　第3章 操舵系統(tǒng)故障分析與改進</p><p>　　3.1故障現(xiàn)象與分析</p><p>　　1.現(xiàn)象：在船舶起航時，駕駛臺選擇操舵模式為隨動操舵，打出一個舵角（不論是大舵角或小舵角），舵機不動作或者是另外一種情況：舵機一直運轉直到滿舵角位置，不在跟隨的隨動舵角處停止。駕駛臺采取應急措施，立即轉為應急舵操舵，在應急操

86、舵模式下，舵機正常運轉，等船舶駛出港口到開闊海域，再轉為隨動舵操舵模式，此時隨動舵又完全恢復正常。這故障的出現(xiàn)是短時性的，沒有經(jīng)過對舵機任何處理，自行恢復正常。此兩種故障時均沒有故障報警。</p><p>　　2.分析：第一種情況可能是由于舵令發(fā)送通道故障，從舵令發(fā)送到執(zhí)行機構之間的信號傳輸線路上出現(xiàn)接觸不良，在起航時的震動下短時間的斷路，導致舵令無法正常發(fā)送到執(zhí)行機構，完成正常轉舵。后來在停航期間，對駕駛臺主操

87、舵面板、控制箱打開進行掃灰清潔，并對接線排上各接線進行緊固，之后再無此故障出現(xiàn)。</p><p>　　第二種情況可能是隨動舵反饋單元出現(xiàn)短暫的電氣斷路，反饋單元未檢測到舵桿的轉動，此時發(fā)送的反饋信號仍然是舵葉未發(fā)生轉動時的位置，控制單元接收的是舵角指令信號和反饋舵角信號的偏差經(jīng)放大后送往舵機控制器控制電機轉速和轉向，因此這時變頻控制的電機便會一直處于起始工作狀態(tài)（在沒有反饋信號的情況下會一直放大舵令信號），不會因

88、實際舵角與指令舵角偏差變小而減緩轉速。當舵角達到滿舵角位置時，舵機會因為舵機控制器的電氣限位或舵葉偏轉限位開關的機械保護而停止轉舵，防止舵機和操舵系統(tǒng)受損。</p><p>　　3.改進意見：設置操舵失敗報警</p><p>　　當選擇隨動操舵模式時，操舵失敗報警在駕駛臺提供聲光報警，說明舵葉無法跟隨舵令。這個系統(tǒng)總是比較舵令和實際舵角。當這個信號超過一個確定值（設定報警點，通常為5

89、76;）系統(tǒng)計算舵葉到達新位置的時間。如果舵葉沒有在計算的時間內到達，報警會自動響起。并且舵葉被鎖住在當前位置,當前為正舵時船舶沿直線航行,當前為某一非零度舵角時,船舶沿一定半徑的圓轉圈。</p><p>　　操舵失敗報警單元包括一個PLC（可變程序控制器）和連接外部信號的端子。</p><p>　　當在隨動舵模式下，舵令給出經(jīng)過一定的時間T到舵角跟隨，此時舵令和即時舵角偏差5°

90、時，報警系統(tǒng)在駕駛臺發(fā)出聲光報警：</p><p>　　30秒內完成70°舵角的改變</p><p>　　6.5秒內完成5°的改變</p><p>　　舵角改變在5-70°之間時，按下列公式計算時間</p><p>　　T=R/2.76+4.64</p><p><b>　　R=

91、舵角改變的度數(shù)</b></p><p>　　T=最大延遲時間（s）</p><p>　　如果有操舵失敗報警系統(tǒng)失電的情況，系統(tǒng)將會發(fā)出聲光報警，其設置為一個常閉觸點提供給主報警系統(tǒng)E0（船舶通用報警系統(tǒng)）。</p><p>　　3.2 關于“育鯤”舵機應急操舵的改進意見</p><p>　　問題提出：育鯤輪舵機的應急操舵分為駕駛臺

92、應急操舵和舵機房機旁應急操舵，然而二者的應急操舵信號都是經(jīng)過變頻器來控制電機，進而實現(xiàn)舵機的轉向?，F(xiàn)在我們假設一旦變頻器出現(xiàn)故障而電動機依然好用時，此時應急舵將失去效用，這給船舶和人身安全造成很大的隱患。很多船舶舵機為閥控型液壓舵機，電機恒速帶動泵運轉，通過控制左右舵電磁閥進而控制液壓油路的流向，實現(xiàn)舵機的轉向，這種船舶的應急舵可以通過手動按壓電磁閥改變液壓油流向使舵機轉向實現(xiàn)應急操舵。然而育鯤輪上的舵機是轉葉式液壓舵機，為泵控型液壓舵

93、機，通過電機的正反轉和變轉速帶動定量泵，控制液壓油流向實現(xiàn)舵機的轉向，所以育鯤輪舵機的應急操舵控制難以在液壓系統(tǒng)方面做出改進。所以提出一種方案，應急操舵直接控制電機而不經(jīng)過變頻器控制，實現(xiàn)舵機的轉向。</p><p><b>　　改進方案：</b></p><p>　　圖3-1駕駛臺應急操舵電路圖</p><p>　　此處為駕駛臺的應急操舵直

94、接控制電機的運轉，有效地排除了變頻器故障給船舶和人身安全帶來的隱患。駕駛臺的24V弱電控制電機主電源380V的通斷，即是電機的正反轉，代表舵機的左右轉向動作。</p><p><b>　　結論</b></p><p>　　近四個月的畢業(yè)實習通過對育鯤輪舵機系統(tǒng)的研究和分析，對舵機整個系統(tǒng)從機械結構、液壓系統(tǒng)到隨動舵應急的舵電氣控制系統(tǒng)和目前先進的自動航跡舵的組成、工作

95、原理有了更深的認識和理解。</p><p>　　液壓轉葉式舵機相對于傳統(tǒng)的撞桿式液壓舵機結構緊湊，占用空間小，質量輕且轉船力矩大，工作時的振動和噪聲小，是目前造船選擇較多的一種舵機。然而正是由于轉葉式舵機的集成化，致使其在液壓管路方面一旦在集成閥件內部泄露，很難被發(fā)現(xiàn)，這也是液壓舵機易發(fā)故障的主要原因之一。</p><p>　　勞斯萊斯舵機的隨動電氣控制系統(tǒng)由舵令發(fā)送單元，經(jīng)過選擇單元、放

96、大單元、舵機控制器、變頻器到控制電機，實現(xiàn)舵的轉向和舵角跟隨，中間信號傳遞過程長，特別是控制系統(tǒng)（cs）接線復雜，這對電氣故障的查找和常規(guī)維護造成不便。</p><p>　　先進的自動航跡舵較傳統(tǒng)的自動舵，多接入了GPS信號，實現(xiàn)了除舵角反饋和航向反饋，增加了船位反饋的三閉環(huán)控制系統(tǒng)。然而正是自動化程度高，需要接入的傳感器信號很多，如果有一個傳感器信號錯誤，將會導致計算機給出錯誤的舵角指令，反而使船舶偏航無法實現(xiàn)

97、航向保持。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　【1】“育鯤”輪上Rolls-Royce舵機英文說明書（by WUCHANG Shipyard Hull NO. A156L）</p><p>　　【2】李世臣.海上輪機實習.大連：大連海事大學，2010.</p><p>　　【3】譚躍.電力

98、拖動課件.</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　近四個月的畢業(yè)實習，完成這篇論文與老師們的關心和同學們的幫助是分不開的。 </p><p>　　首先感謝電子電氣所有的老師們，你們淵博的專業(yè)知識開啟了我們的智慧之門，同時感謝育鯤輪機部老師們悉心的指導和教誨，特別是電機員邸德輝老師，他帶領我們干活時精湛的技術、嚴謹?shù)膽B(tài)度