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(集美大學 輪機工程學院，福建 廈門 361021)

舵機是對船舶實施操縱的重要設(shè)備，降低舵機故障率與提高輪機操作人員的技能水平是分不開的，而要培養(yǎng)出具備較強操作技能的輪機管理人才，僅靠學習理論知識是遠遠不夠的，還要加強實踐環(huán)節(jié)的訓練。港口國監(jiān)督(PSC)的操作性檢查和《STCW78公約》及馬尼拉修正案都強調(diào)了對船員實際操作技能的培養(yǎng)和評估[1]。輪機模擬器在實踐教學中具有一定的優(yōu)勢，但畢竟不是真實的設(shè)備操作模式，實踐與感觀上的差別是無法消除的[2]。為使學員能真實地體驗舵機操作環(huán)境以及更好的掌握相關(guān)知識[3]，建立先進的、完善的液壓舵機教學平臺對船員教學、培訓、評估以及技能水平的提高有著重要的意義。本文中涉及的新型液壓舵機教學平臺是專為交通運輸部海事局某培訓中心開發(fā)的教學平臺，對其進行運行測試，從而對舵機教學平臺進行優(yōu)化改進。

1 新型舵機教學平臺的組成和特點

液壓舵機教學平臺是依據(jù)《STCW78公約》及馬尼拉修正案、《中華人民共和國海船船員適任考試大綱》、《中華人民共和國海船船員適任評估大綱和規(guī)范》以及《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》等法規(guī)要求[4]，以真實的船舶液壓舵機系統(tǒng)為基礎(chǔ)進行設(shè)計研發(fā)的新型教學平臺，原理及組成見圖1。

舵機液壓系統(tǒng)首次集成開式和閉式兩套性能不同的液壓泵站，配備有隨動操舵儀；教學平臺采用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)構(gòu)成一目了然；可操縱任一套油泵機組單獨工作，又可以同時操縱兩套油泵機組并聯(lián)工作；舵機系統(tǒng)設(shè)有常見的如失電、過載、斷相、低油位、高油溫、油壓低等故障報警功能，可實現(xiàn)自動檢測報警；舵機系統(tǒng)具有故障模擬演示功能，可實現(xiàn)滯舵、跑舵、沖舵等故障的現(xiàn)場演示；其中1#液壓系統(tǒng)可以實現(xiàn)具有非平衡舵葉的舵機水動力模擬加載工況實驗，轉(zhuǎn)舵力矩隨舵角的增加而增加[5]。

1-溫度繼電器；2-液位繼電器；3-變向變量泵；4-兩位四通電磁閥；5、12、17-液控單向閥；6、13-安全閥組；7-撥叉式轉(zhuǎn)舵機構(gòu)；8-濾油器；9-高壓溢流閥；10-加載閥組；11-三位四通電磁閥；14-定量柱塞泵；15-手搖泵；16-手動換向閥；18-高置油箱

圖1液壓舵機系統(tǒng)原理

2 舵機教學平臺的運行故障描述

液壓舵機的運行測試取決于操舵控制信號。通過舵機艙控制箱上的“操舵位置”開關(guān)選擇“舵機艙”或“駕駛室”，駕駛臺操舵儀上的“操舵方式”開關(guān)選擇“手動”或“隨動”，就可以通過操舵手柄或手輪進行舵機操作訓練。通過啟動開關(guān)啟動1#油泵機組或2#油泵機組運行，同時觀察油壓表至轉(zhuǎn)舵機構(gòu)的油壓正常。扳動舵機艙操舵手柄即可實現(xiàn)舵機艙手動操舵。驅(qū)動舵機先后向一舷及另一舷作5°、15°、25°、35°的操舵試驗，判斷舵機及控制系統(tǒng)、舵角指示器和舵角反饋裝置是否工作可靠，舵柄從一舷的35°到另一舷30°的轉(zhuǎn)舵時間是否滿足規(guī)范要求。然后換用另一套油泵機組作同樣的試驗。試舵時，無論舵處于何種位置，均不應(yīng)有明顯的跑舵現(xiàn)象。舵角指示器的指示舵角與實際舵角之間的偏差應(yīng)不大于±1°，而且舵機在正舵時舵角指示須無偏差。

液壓舵機雙泵并聯(lián)運行時，可以提高液壓舵機的轉(zhuǎn)舵速度，符合轉(zhuǎn)舵速度與油缸流量的關(guān)系，但是，當系統(tǒng)運行一段時間后，泵控系統(tǒng)油箱會出現(xiàn)低油位報警現(xiàn)象，液壓油泵停止工作，無法實現(xiàn)長時間雙泵并聯(lián)工作，而兩套不同的液壓系統(tǒng)單獨運行時不會出現(xiàn)類似問題。

經(jīng)過多次試驗與分析發(fā)現(xiàn)，液壓舵機系統(tǒng)雙泵并聯(lián)運行可以提高液壓舵機的轉(zhuǎn)舵速度，但由于兩套系統(tǒng)是不同性能的液壓泵組，1#液壓泵組為閥控開始系統(tǒng)，回油直接到油箱，回油阻力?。?#液壓泵組為泵控閉式系統(tǒng)，系輔泵補油，回油背壓大，阻力大，導致并聯(lián)運行時出現(xiàn)液壓油回油不均，轉(zhuǎn)舵油缸回油到1#油泵油箱，泵控系統(tǒng)油箱油位越來越低，運行一段時間后，達到低油位報警范圍即觸發(fā)相應(yīng)警報。為了驗證上述分析的合理性，對2#液壓泵組進行計算分析。

2#液壓泵組單獨工作時，舵機從最大舵角 35°轉(zhuǎn)到另一側(cè)的 30°，轉(zhuǎn)舵時間約是21 s，則2#液壓泵組調(diào)定的流量Q1為16.82 L/min。而2#液壓泵組輔泵的流量為11.6 mL/r、16.7 L/min，約等于2#液壓泵組調(diào)定的流量Q1，可見雙泵并聯(lián)工作時，2#液壓泵組基本不回油，靠輔泵補油，轉(zhuǎn)舵油缸回油全部回流到1#液壓泵組油箱，導致2#液壓泵組油箱低位報警，停止工作。其系統(tǒng)油箱尺寸為0.60 m×0.85 m×0.50 m，油位報警時液面變化值為0.20 m，則油位報警前油量變化V為0.102 m3。撥叉式轉(zhuǎn)舵機構(gòu)柱塞直徑為140 mm，柱塞到舵柄的距離為300 mm，雙泵并聯(lián)時舵機從最大舵角35°轉(zhuǎn)到另一側(cè)的30°，轉(zhuǎn)舵時間約12 s，則轉(zhuǎn)舵油缸的液壓油流量Q2為0.000 491 m3/s。則油箱出現(xiàn)低位報警的時間為207.7 s。

液壓舵機雙泵并聯(lián)運行并進行持續(xù)的操舵，經(jīng)過約207 s后，2#液壓泵組油箱就出現(xiàn)低油位報警，液壓舵機停止工作。無法實現(xiàn)長時間雙泵并聯(lián)工作。

3 舵機教學平臺的AMESim仿真模擬

AMESim作為液壓系統(tǒng)的一種高級建模和仿真平臺[6]，為用戶提供了一個系統(tǒng)設(shè)計的完整平臺，可在同一個平臺上建立復雜的多學科領(lǐng)域系統(tǒng)的模型，集成有魯棒性極強的智能求解器和嚴謹?shù)姆沁B續(xù)處理功能以及齊全的線性化分析工具，使用戶在仿真計算后可以非常方便地分析和優(yōu)化自己的系統(tǒng)。液壓舵機系統(tǒng)的性能參數(shù)見表1。

表1 液壓舵機系統(tǒng)的性能參數(shù)

液壓舵機教學新平臺的運行參數(shù)設(shè)置同表1相同。電磁換向閥最大電量信號設(shè)為40 mA，泵控機組的油箱高位油位為0.4 m，報警油位變量為0.2 m。

在仿真系統(tǒng)中加入了兩個傳感器：位移傳感器及壓力傳感器。位移傳感器用于測量舵桿的移動位移，通過位移和舵機角度數(shù)學函數(shù)轉(zhuǎn)化為角度；通過閉環(huán)反饋系統(tǒng)控制液壓油泵的排量，當達到指令舵角時，控制變向變量泵的排量減為0。

壓力傳感器用于測量油箱底部液壓油的壓力值，因油箱采用固定截面積油箱，故壓力值和液壓油高度成正比，當油箱油位在0.2 m時油箱底部油壓大約是1.7 kPa。設(shè)置報警壓力值為1.7 kPa，當油箱底部壓力達到壓力報警值時，停止液壓油泵運行。

液壓舵機仿真原理見圖2。

圖2 液壓舵機仿真原理

在液壓舵機仿真模型中設(shè)置的仿真時間為250 s(參考上文的計算結(jié)果)。啟動 1#閥控系統(tǒng)油泵機組和 2#泵控系統(tǒng)油泵機組并聯(lián)運行，推動轉(zhuǎn)舵機構(gòu)從一舷的35°到另一舷35°。從液壓油箱油位變化圖(圖3)中可以看出，液壓舵機并聯(lián)運行過程中轉(zhuǎn)舵機構(gòu)回油全部回流到閥控系統(tǒng)油箱，泵控系統(tǒng)的輔泵工作導致泵控油箱油位直線下降，大概經(jīng)過212 s觸發(fā)報警值(油位高度為0.20 m)，停止液壓舵機工作。

圖3 泵控系統(tǒng)油箱油位變化情況

從圖4和5中可以看出大概經(jīng)過211 s，閥控液壓系統(tǒng)換向電磁閥控制信號輸出為0，系統(tǒng)自動回油；泵控液壓系統(tǒng)變量泵的排量為0。液壓系統(tǒng)仿真結(jié)果與液壓舵機并聯(lián)運行情況和上文的計算結(jié)果相吻合。

4 結(jié)論

在液壓舵機教學平臺系統(tǒng)組成中，泵控的閉式液壓系統(tǒng)與閥控的開式液壓系統(tǒng)的工作原理不同。當兩套不同的液壓泵組并聯(lián)運行進行操舵時，由于液壓泵組工作時回油阻力不同，導致油缸液壓油回流不平衡。為防止2#液壓泵組出現(xiàn)低油位報警，確保雙泵并聯(lián)工作的正常運行，需在兩液壓系統(tǒng)油箱之間加設(shè)一條尺寸合適的連通管以確保回流到1#油箱的液壓油能及時回流到2#油箱。此后在液壓舵機并聯(lián)運行進行操舵中就不再出現(xiàn)低油位報警。

圖4 電磁閥控制信號變化

圖5 變量泵排量變化

[1] 孟祥武.STCW公約馬尼拉修正案對中國船員教育與培訓的影響和對策[J].航海教育研究,2010(3):3-5.

[2] 李忠輝,鄭子武.淺談輪機模擬器及其在教學中的應(yīng)用[J].航海教育研究,2003(2):53-55.

[3] 王馬保.適任考試與評估應(yīng)重視船員的技能培養(yǎng)[J].航海教育研究,2004(1):68-69.

[4] 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范(2006)[S].北京：人民交通出版社，2006.

[5] 朱 鈺.模擬舵裝置加載系統(tǒng)水動力矩模擬的改進設(shè)計[J].航海技術(shù),2008(4):47-50.

[6] 劉增光,岳大靈.AMESim軟件在液壓控制系統(tǒng)教學中的應(yīng)用[J].流體傳動與控制,2009(6):40-41.