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液压舵机教学实验台液压系统的设计【摘要】为了满足教学和相关科研的需要，笔者所在的教学团队设计了一套液压舵机教学实验台，针对实验台中的液压控制部分进行设计，并介绍其工作原理。
该系统具有结构简单，造价成本低，运行安全可靠等优点，无论是在教学上还是科研试验中都将起到积极的作用。
【关键词】液压舵机；教学实验台；液压系统；设计【Abstract】The teaching team designed a set of hydraulic steering gear test-bed for teaching and scientific research.Hydraulic circuit is designed for the test-bed and its working principle is introduced .The hydraulic circuit has the advantages of simple structure，low cost，safe and reliable operation and so on.The design for teaching or for related research will play an active role.【Key words】Hydraulic steering gear；Teaching test-bed；Hydraulic Circuit；Design0 引言笔者所在的院校是一所具有沿海特色的高职院校，该校开设了轮机工程技术专业，《船舶辅机》课程是该专业的核心专业技能课程。
该门课程的实验教学必不可少，购买成套舵机实验台成本高且不利于改造，根据多年的教学与科研经验，笔者所在的教学团队设计了一套液压舵机教学实验台。
液压舵机是船舶最重要的辅机之一，根据推舵方式不同，分为拨叉式、转叶式和摆缸式三种[1]。
由于摆缸式液压舵机无需设追随机构，体积小、结构简单、布置方便、转船力矩大、可靠性好等优点，在中小型船舶中得广泛的使用[3]。
重庆大学硕士学位论文船舶液压舵机系统设计研究姓名：王月申请学位级别：硕士专业：机械设计与自动化指导教师：陈波2012-06摘要我国改革开放后与国外贸易量逐年增大，尤其是加入WTO后进入了快速发展阶段，海运事业随着世界贸易的增长而快速发展，船舶行业随之迎来了黄金时期。
但我国船舶配套设备制造能力一直滞后船舶主体制造能力，现已成为船舶行业快速发展的瓶颈。
舵机是控制船舶航向的重要设备，其性能的好坏对于船舶运动的控制起着非常关键的作用。
但目前国内对于船舶舵机的研究大多集中于船舶航向及舵迹控制方面，对于舵机本身的运动转换机构、液压传动及电气控制方面研究却相对较少。
因此，研究开发高性能船舶舵机并实现量产，对于我国船舶行业配套能力的加强、竞争力的提高具有重要意义。
本文通过分析研究船舶舵机作用原理及目前常用转舵机构，提出采用滚珠逆螺旋机构作为转舵机构，构建新式舵机。
根据船舶对舵机要求及螺旋作动器实际需要，进行深入分析比较后，设计了舵机液压传动原理图，确定了电气控制方案。
对舵机液压系统进行必要的简化后，分别建立了比例阀环节，阀控缸环节及角度传感器等环节的数学模型，经适当变换最终得到了舵机的数学模型，并对舵机系统的稳定性进行了分析。
由于舵机闭环时域响应缓慢，且船舶在航行过程中受风、海浪等不确定因素影响，所以采用了不依赖对象模型的模糊PID校正，设计了模糊PID控制器。
运用MATLAB软件中的Simulink工具箱建立了系统动态仿真模型，并对系统进行了仿真分析。
根据船舶舵机需远距离传送信号且干扰源多的情况，采取了操作室与舵机室分散控制，通过CAN总线连接通信的控制方式，有效提高了控制及反馈信号传送的速率与质量。
设计了主电路图、CANopen主站控制原理图、CANopen从站控制原理图。
本文设计的船舶舵机系统，采用了新型转舵机构，有效减小了舵机体积及重量；采用了电液比例控制，能有效提高船舶航行时舵角的定位精度，降低航行能耗，减小换向冲击及噪声；将传统的PID校正与先进的模糊控制相结合，提高了舵机的动态性能，增强舵机自适应能力；采用现场总线传输信号，提高了数据传输速度及可靠性。
液压舵机设计计算1. 目的通过对液压舵机各组成部分的设计、计算和验算确保本设计设计的液压舵机能满足船舶航行时转舵及安全的需要。
2. 适用范围本设计计算中的有关设计数据和内容，只适用于本设计中的液压舵机。
3. 引用标准本设计计算应用：a)GB7185—87《内河船液压舵机》b)GB11636—89《柱塞式液压舵机安装技术条件》 c)《液压传动设计手册》 d)《船舶材料手册》 e)《机械零件设计手册》f)《钢质海船入级与建造规范》之第三、十三章《操舵装置与锚机装置》 g)JB2183—77《液压缸内径系列和柱塞杆外径系列》标准 h)GB3004—85《船用往复式液压缸基本参数》标准 i)《液压舵机与液压起重机》相关内容4. 液压舵机的组成4.1转舵（推舵）机构；即液压能转化为转舵机械能的执行机构。
4.2操舵系统：即对液压流向和液体压力控制并能控制舵叶转向的系统。
5.设计计算5.1推舵机构的设计、计算和验算。
5.1.1根据GB7185—87《内河船液压舵机》标准，本设计采用：四缸两柱塞拨叉式液压舵机。
结构简图如图所示。
5.1.2根据GB7185—87《内河船液压舵机》标准。
a)公称扭转为72t ·m b)工作舵角 35。
c)转舵时间（一弦 35至另一弦 30），正常航段≤28（s ）。
5.1.3根据GB7185—87《内河船液压舵机》标准。
a)设计压力为1.25倍最大工作压力。
b)受压零部件1.5倍设计压力试验。
5.1.4选择油缸5.1.4.1根据JB2183—77《液压缸内径系列和柱塞杆外径系列》选择液压缸缸孔直径为Φ250mm 。
则柱塞杆直径为Φ250mm 。
当转舵角为 0时柱塞受力分析如图：轴力图 轴应力σ=21A A F n-N F =n F N F =l M 2=57.02720⨯=631.6 KN柱塞面积A 1=π42d =0.049 2m2A ≈0.25⨯0.15=0.0375 2m σ=54.9 MP σ设计=1.25σ=68.7MP σ零件= 1.5σ设计=103.0 MPσ钢45=598 MP 符合式中：N F —舵柄对柱塞的作用力 n F —液压对柱塞的作用力 当转舵角为 35时柱塞受力分析如图：272057.0=⨯N FN F =631.6 KNNx F = 35cos ⋅N F =517.4 KNNy F = 35sin ⋅N F =326.3 KN轴力图M=x F ny ⋅ M max =500⨯ny F mm=90.6 MP弯矩图剪力图σmax =21A A F nx -+1215.025.064234⨯-⨯d d M π=1215.025.06425.0225.06.900375.0049.04.51734⨯-⨯⨯+-π =45.0+93.3 =138.3 MPσmax 零件=1.25⨯⨯5.1σmax =259.3 MP ＜598 MP 符合 τ=21A A F ny -=0375.0049.02.181-=15.8 MPτ零件=1.25⨯⨯5.1τ=29.6 MP推舵机构示意图1、2—油缸 3—舵柄 4—舵轴 5—舵柄柱销 6—油缸柱销 舵柄半径R 5.1.4.2油缸工作压力计算： M=2αηcos 1⨯⨯⨯⨯R p A I720=4 35cos 85.0057.0049.0⨯⨯⨯⨯⨯I P 工作压力I p =18511.62m kN=18.5 MP设计压力P=1.25I p =23.1 MP 式中：1A —缸孔面积2m P —工作压力 R —舵柄半径0.26m η—推舵机构效率0.85 α—转舵角 35± 5.1.4.3油缸所需流量Q 的确定。
摘要舵机是舰船最重要的辅机之一，是操纵舰船航向、保障舰船安全和航行性能的关键设备。
其中转叶舵机由于具有结构紧凑、安装简便、机械效率高、噪音小等优点，在舰船上得到日益广泛的应用。
现有转叶舵机需要泵站系统为其提供动力，因而管路多，体积大，且控制系统复杂，容易发生故障，难以满足现代舰船对舵机越来越高的要求。
本文设计的新型转叶舵机原理样机——直驱式电液伺服转叶舵机是融合交流伺服技术控制灵活与液压系统大出力的特点，并结合转叶舵机的技术优势，摒弃了容易发生故障的电液伺服阀和变量泵，通过直接控制定量泵的转动方向、转速和运转时间来调整舵机的运转方向、速度和舵位。
直驱式电液伺服转叶舵机具有集成度高、结构紧凑、占地面积小、控制简单灵活等特点，有效地提高了舰船的操纵性。
直驱式电液伺服转叶舵机无节流损失和溢流损失，节能高效，是一种极具发展前景的舵机型式。
在查阅大量国内外有关文献的基础上，概述了舵机的发展历程，重点介绍了转叶舵机的特点和国内外研究概况；对泵控和阀控两种传统舵机驱动形式的特点和弊端进行了阐述，进而提出直驱式电液伺服转叶舵机的技术方案；综述了国内外对直驱式电液伺服技术的研究现状，指出了直驱式电液伺服转叶舵机的特点和关键技术。
关键词：直驱式、转叶舵机、舰船工程、直驱式容积控制、电液伺服系统、船舶舵机、动力机构AbstractSteering gear is one of the most important marine auxiliary machineries and it is the key equipment for controlling ship course,ensuring navigation security and maneuverability.The prototype of new highly reliable steering gear is designed by HIT to improve steering gear’s reliability,reduce its moss and occupied and enhance maneuverability of ships.In direct drive volume control(DDVC)electro-hydraulic servo rotary vane steering gear,variable displacement pump and proportional are replaced by converter motor and fixed pump.Changing the rotating direction,rotating speed and runtime of the converter motor can control the moving direction,velocity and position of the rudderpost.The DDVC electro-hydraulic servo steering gear is discarded pumping station and pipelines,it has fewer control components,energy saving,more compact structure,higher reliability and controllability than traditional rotary vane steering gear.It is capable both advantages of AC servo system’s flexibility and of hydraulic great force.so the DDVC electro-hydraulic servo steering gear has a great prospect in steering gear field.After synthesizing numerously relevant literatures and reference material at home and abroad,the steering gear development at home and abroad is summarized and rotary vane steering gear characteristics and research surveys are especially pared the advantage and disadvantage of the traditional bump control system and valve control system for steering gear,structure composition of direct drive electro-hydraulic serve rotary vane steering gear is put forward to solve the flaws of traditional steering gear. Current trend of research on direct drive volume control electro-hydraulic servo technology is reviewed and characteristics and key techniques of direct drive volume control electro-hydraulic servo rotary vane steering gear are point out.Key words：Brush seal；Ship engineering;Direct drive volume control;Electro hydraulic servo system;Marine steering gear;Actuating unit.目录第一章绪论 (1)1.1研究的目的及意义 (1)1.2国内外研究现状和发展 (1)1.2.1国内研究现状和发展 (1)1.2.2国外研究现状和发展 (2)1.3舵机的负载分析 (3)1.4舵机的主要技术要求 (5)本章小结 (5)第二章舵机的总体设计方案 (6)2.1舵机的机械传动方案 (6)2.1.1联轴器的设计 (6)2.1.2机械传动结构 (7)2.2舵机的液压传动总体设计方案 (10)2.2.1系统控制方案 (10)2.2.2系统的工作原理 (12)2.3舵机的电气控制系统 (12)2.3.1舵机电气控制系统技术要求 (12)2.3.2特殊继电器在舵机电气控制中的应用 (13)本章小结 (15)第三章舵机液压伺服系统的主要技术指标计算 (16)3.1舵机液压伺服系统的静态设计 (16)3.1.1液压缸的选择 (16)3.1.2传感器的选择 (16)3.1.3伺服电机的选择 (17)3.1.4伺服阀的选择 (17)3.2舵机液压伺服系统的动态设计 (17)3.2.1控制回路的传递函数 (17)3.2.2绘制波特图并分析 (19)3.3检验技术指标 (20)3.3.1静态品质检验 (20)3.3.2动态品质检验 (21)3.3.3系统的校正 (21)本章小结 (21)第四章材料试验机其他元件计算选择 (22)4.1液压泵的选择 (22)4.2油管的选择 (22)4.3油箱的选择 (24)本章小结 (24)第五章材料试验机泵站校核计算 (25)5.1液压系统压力损失计算 (25)5.2液压系统系统效率计算 (26)5.3液压系统的冲击压力计算 (26)5.4液压系统的发热与散热计算 (27)5.4.1液压系统的发热计算 (27)5.4.2液压系统的散热计算 (28)本章小结 (29)第六章结论 (30)致谢语 (31)参考文献： (31)第一章绪论1.1研究的目的及意义据了解，目前我国船舶自主配套率平均只有40%左右，与日本的98%、韩国的90%相比，差距相当大。
液压式船舶舵机控制系统设计与仿真液压式船舶舵机控制系统是现代船舶的重要部分之一，其作用是通过电子控制系统对船舶的操纵进行精确调节，以确保船舶行驶和操作的安全性和可靠性。
本文主要探讨液压式船舶舵机控制系统的设计和仿真，包括系统结构、控制方法和参数设置。
首先，液压式船舶舵机控制系统主要由舵机、液压系统、控制器和电源组成。
其中，舵机是实现方向转向的主要装置，液压系统提供油压力来驱动舵机进行动作，控制器负责接收船长的指令并输出控制信号来控制油的流动，电源则为整个系统供电。
其次，液压式船舶舵机控制系统的控制方法一般采用PID控制，即比例、积分、微分控制。
其实质是通过根据实际舵角和期望舵角的误差对控制信号进行反馈和调整，从而实现对舵机的精确定位和控制。
具体来说，将期望舵角和当前舵角的差值作为控制系统的输入，经过PID控制计算得到控制信号输出，控制信号通过控制阀门控制油的流动来控制舵机动作，从而实现舵机的转向。
最后，液压式船舶舵机控制系统的参数设置包括PID参数和液压系统参数两部分。
PID参数设置要根据具体的船舶工况和舵机参数进行调整，比例系数、积分时间和微分时间都需要进行优化，以达到最佳控制效果。
液压系统参数则包括油压力、油箱容积、油缸容积、控制阀门开度等参数，这些参数的设置也需要根据实际情况进行调整，以确保液压系统的工作稳定可靠。
在仿真方面，可以采用MATLAB/Simulink等工具进行模拟，具体步骤包括建立船舶控制系统的数学模型、进行仿真验证、调整参数、再次验证。
通过仿真，可以直观地了解系统的工作流程和控制效果，同时也可以有效地优化系统控制参数，提高系统的性能和稳定性。
总之，液压式船舶舵机控制系统的设计和仿真是现代船舶中非常重要的一环，需要仔细考虑和优化。
在设计和仿真中，需要注意系统结构、控制方法和参数设置等问题，同时还要进行严格的仿真验证和参数调整，以确保系统的工作效果和性能。
数据分析是现代数据科学中的重要一环，通过对数据进行收集、整理、处理和分析，可以从中得出有用的结论和洞察，为决策和应用提供有力的支持和指导。
重庆大学硕士学位论文船舶液压舵机系统设计研究姓名：王月申请学位级别：硕士专业：机械设计与自动化指导教师：陈波2012-06摘要我国改革开放后与国外贸易量逐年增大，尤其是加入WTO后进入了快速发展阶段，海运事业随着世界贸易的增长而快速发展，船舶行业随之迎来了黄金时期。
但我国船舶配套设备制造能力一直滞后船舶主体制造能力，现已成为船舶行业快速发展的瓶颈。
舵机是控制船舶航向的重要设备，其性能的好坏对于船舶运动的控制起着非常关键的作用。
但目前国内对于船舶舵机的研究大多集中于船舶航向及舵迹控制方面，对于舵机本身的运动转换机构、液压传动及电气控制方面研究却相对较少。
因此，研究开发高性能船舶舵机并实现量产，对于我国船舶行业配套能力的加强、竞争力的提高具有重要意义。
本文通过分析研究船舶舵机作用原理及目前常用转舵机构，提出采用滚珠逆螺旋机构作为转舵机构，构建新式舵机。
根据船舶对舵机要求及螺旋作动器实际需要，进行深入分析比较后，设计了舵机液压传动原理图，确定了电气控制方案。
对舵机液压系统进行必要的简化后，分别建立了比例阀环节，阀控缸环节及角度传感器等环节的数学模型，经适当变换最终得到了舵机的数学模型，并对舵机系统的稳定性进行了分析。
由于舵机闭环时域响应缓慢，且船舶在航行过程中受风、海浪等不确定因素影响，所以采用了不依赖对象模型的模糊PID校正，设计了模糊PID控制器。
运用MATLAB软件中的Simulink工具箱建立了系统动态仿真模型，并对系统进行了仿真分析。
根据船舶舵机需远距离传送信号且干扰源多的情况，采取了操作室与舵机室分散控制，通过CAN总线连接通信的控制方式，有效提高了控制及反馈信号传送的速率与质量。
设计了主电路图、CANopen主站控制原理图、CANopen从站控制原理图。
本文设计的船舶舵机系统，采用了新型转舵机构，有效减小了舵机体积及重量；采用了电液比例控制，能有效提高船舶航行时舵角的定位精度，降低航行能耗，减小换向冲击及噪声；将传统的PID校正与先进的模糊控制相结合，提高了舵机的动态性能，增强舵机自适应能力；采用现场总线传输信号，提高了数据传输速度及可靠性。
航海技术0 引 言轮机人员对船舶舵机液压锁定报警（Hydraulic Lock Alarm）的工作原理、报警原因和测试方法了解不多，舵机运行过程中出现该报警时，轮机人员往往无法快速分析和排除故障，因该报警导致船舶停航、搁浅或碰撞事故也时有发生。
因此有必要对各种类型舵机液压锁定报警的基本原理进行分析，并对该报警的常见原因和测试方法进行简单介绍，以供相关人员参考和借鉴。
1 液压锁定报警定义和规范要求舵机液压锁定是指因两套舵机系统中的液压油运动方向不一致，发生液压油堵塞或旁通，转舵机构不能完成操舵指令要求的动作，导致失去操舵能力的情况。
根据CCS、DNV 和LR 的规定，多于一套的舵机系统（动力或控制）同时运行时，液压锁定报警应能够识别系统故障并在下列情况下动作：在泵控型液压舵机中，变量泵的偏心位置（即变量泵中斜盘的倾斜方向）不符合操舵指令的要求；在阀控型液压舵机中，全流量三通阀处于不正确的位置。
发生液压锁定时，驾驶台应有声光报警来指示该故障。
[1]DNV 规范中还明确规定：当有超过一套的舵机系统布置在舵机室，且可以被同时操作时，则需考虑由单一故障引起液压锁定故障的风险。
液压锁定包含2套舵机系统（一般是完全相同的系统）发生彼此动作不一致现象而导致失去操舵能力故障的所有情形。
如2套舵机系统中的液压油相互冲击而引起的液压锁定故障，或是由于液压油旁通而导致的管路的油压下降，或者液压油的油压完全不能建立从而导致的无法转舵。
《钢质海船入级规范2018》第三篇中第13章“操舵装舵机液压锁定报警分析与测试研究置与锚机装置”规定：13.1.7.7液压阻塞：如操舵装置的布置多于一个系统（动力系统或控制系统），并能同时进行操作时，则应考虑由于单项故障而引起液压阻塞的危险性。
13.1.9.5液压阻塞报警：由单一故障引起的液压阻塞，可能会引起操舵失灵时，在驾驶室内应设置声光报警。
在下列情况下，此报警应动作：（1）变量泵控制系统的位置与所给操舵指令不一致；或（2）在定量泵系统中的全流量三通阀位置不正确。
