CN105247226A - 舵驱动系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于操控船舶的舵装置(4)的舵驱动系统(2)，其具有至少一个舵(6)和两个冗余的电动液压的用于操纵舵的主驱动装置(30，32)，所述主驱动装置能够彼此独立地运行，其中，所述舵驱动系统具有一个可与主驱动装置无关地运行的电动液压的用于操纵舵的辅助驱动装置(34)，所述辅助驱动装置具有一个带变频器(72)的用于驱动液压泵(68)的电动马达(70)，以及涉及一种用于驱动这种舵驱动系统的方法。

Description

舵驱动系统和方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于操控船舶的舵装置的舵驱动系统，以及涉及一种用于操控船舶的舵装置的方法。
背景技术
船舶的舵装置通常装备有电动液压式舵驱动系统。公知的舵驱动系统具有两个相同构造的冗余的电动液压式主驱动装置，所述主驱动装置分别包括电动马达驱动的液压泵、所谓的马达泵组、所属的功率和控制电子装置以及液压的外围设备。根据等级认证机构的结构规定这样确定马达泵组的尺寸，即舵可以在28秒内在65°(一侧35°向另一侧35°)的角度范围上运动。在此，根据船舶类型利用仅仅一个或两个马达泵组必须达到舵运动时间或舵运动速度。
液压泵的尺寸以第一近似法由所需的油体积流量确定，然而电动马达的尺寸由液压功率、即体积流量和液压油的压力差确定。液压泵利用电动马达驱动，所述电动马达构造为具有恒定的额定转速，从而可以通过马达的转矩改变所需的可变驱动功率。
由电动马达和液压泵构成的组合的所述特性导致运行程序的缺点。马达泵组在几乎始终不变的和最大的转速下运行。因为由摩擦决定的机械损耗功率是所述转速的作用，因此，当例如不需要调节舵并且由此不需要油流时，在每个运行状态中还产生全部的损耗功率。此外在液压泵作为定量泵的情况中，液压摩擦导致损耗功率。此外，电动马达以例如异步形式在比额定功率小的功率下在极其不利的功率因数下运行，从而与对于所述功率想要的电流相比流过明显更大的有效电流。因此，电损耗功率特别是在小的功率下是相对高的。
所述的相关情况导致，舵驱动系统特别是在运行状态中产生较小的功率或者在空转时产生非常高的损耗功率，所述损耗功率可以完全处于额定功率的10％至20％的范围内。在舵装置的总效率方面，所述运行状态是非常不利的，因为舵驱动系统在直线行驶中基于所需较少的舵调整在绝大部分的运行时间仅仅需要极少的有效功率、即液压功率。
前述公知的构型虽然表明关于可靠性和安全性是有效的，但是也显示出所述技术不是高效的。在海上仅仅非常小的舵角度就可完成任务并且由此仅仅要求液压泵的小的功率。因此，相应的液压泵大部分时间在空转中运行并且由此不必要地消耗能量，因为驱动所述液压泵的电动马达没有被最优地充分使用。此外，虽然在灵活驾驶运行中期望恒定的高的舵运动速度，但是对于在直线行驶中的推进性能可能是不利的。
此外公知了一种舵驱动系统，为了在两个电动液压式主驱动装置发生不可预见的故障时保持灵活行驶能力，所述舵驱动系统具有通过液压蓄能器供能的辅助驱动装置，可以借助于所述辅助驱动装置通过卸压操纵舵。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种舵驱动系统，所述舵驱动系统消除了前述的缺点并且实现了高效地运行。此外，本发明的目的在于，提出一种用于高效地操控船舶的舵装置的方法。
该目的通过一种具有权利要求1所述特征的舵驱动系统并且通过一种具有权利要求9所述特征的方法来实现。
一种根据本发明的用于操控船舶的舵装置的舵驱动系统具有至少一个舵和两个冗余的用于操纵舵的电动液压式主驱动装置，所述主驱动装置能够彼此独立地运行。根据本发明，所述舵驱动系统具有一个可与主驱动装置无关地运行的用于操纵舵的电动液压式辅助驱动装置，所述辅助驱动装置具有一个带变频器的用于驱动液压泵的电动马达。
通过辅助驱动装置确保其电动马达通过变频器供能，可以无级地在静止状态和额定转速之间以及在超过额定转速而转矩减小的情况下控制所述电动马达的转速和旋转方向。因此，可以准确地相应于所需的输送量选择转速。特别是在舵静止时，传动系也处于静止，从而不产生如同在主驱动装置空转的情况那样的损耗功率。此外，功率因数可以借助于变频器来调节并且因此也可以在低的转速下选择为非常高的，从而损耗电流也可以保持如同在电动马达的额定点中那样低的。虽然由于辅助驱动装置导致一次性的投资费用，但是由于变频器主要是小的尺寸，所述辅助驱动装置总体上与例如对于附加地购置两个用于主驱动装置的变频器的情况相比较少地发生故障。在根据本发明的解决方案中没有显示出变频器可能的故障风险的缺点，因为根据等级认证规定所需的主驱动装置以不变的方式存在并且在变频器发生故障的情况中可以动用一个或两个主驱动装置。因此，根据本发明的舵驱动系统实现了舵装置高效地运行，特别是当在低负荷运行中、例如在大海上自动导航行驶中在小的舵角度下长时间地保持低的功率需要量时，通过辅助驱动装置实现操纵舵。主驱动装置则处于静止状态。与在额定运行中相反地、例如在巡航中、在恶劣天气下航行中，当在短时间内需要大的舵角度以及需要大的功率需要量时，可以通过一个或两个主驱动装置实现操纵舵。辅助驱动装置则处于静止状态。
当辅助驱动装置的液压泵是具有恒定输送量的定量泵时，舵驱动系统可以在技术上非常简单地构造。
当辅助驱动装置与主驱动装置相比是功率降低的时，可以进一步提高舵驱动系统的效率。在此，功率降低的是指，在相等的额定压力下为较小的额定功率和较少的油体积流量，从而辅助驱动装置与每个主驱动装置相比在全部的额定压力下输送较少的油体积流量。例如辅助驱动装置可以这样确定尺寸，所述辅助驱动装置可以全部的额定压力下输送每个主驱动装置的油体积流量的5％至30％、特别是10％至20％之间。因此在所述实施例中，辅助驱动装置的额定功率则也是每个主驱动装置的额定功率的5％至30％、特别是10％至20％之间。
舵驱动系统的一个技术上的构型在于，例如至少主驱动装置的液压泵是具有恒定的输送量的定量泵。
在一个可替换的实施例中，主驱动装置的液压泵是具有可调节的输送量的调节泵。
在一个实施例中，至少辅助驱动装置的液压泵具有两个输送方向。
在一种用于利用舵驱动系统、特别是前述权利要求中任一项所述的舵驱动系统操控船舶的舵装置的方法中，两个冗余的主驱动装置和辅助驱动装置彼此分开地运行，其中，在额定负荷运行中，辅助驱动装置处于静止状态中并且通过所述主驱动装置中的一个来操纵舵，并且在低负荷运行中，主驱动装置处于静止状态中并且通过辅助驱动装置来操纵舵。
根据本发明在舵的静止状态中或者在例如通常在稳定地直线航行期间的大部分时间所需的小的舵运动速度下以及在船舶轻微地改变航向时的情况，具有调节频率的液压泵的辅助驱动装置处于运行中。主驱动装置处于静止状态，然而随时可以开动。相应于所需的舵运动速度和舵角度可以在静止状态和额定值之间控制液压泵的转速。当变频器导致电动马达处于运行状态中时，在所需小的舵转矩下并且由此在小的油压下辅助驱动装置甚至可以在高于额定转速下运行。所述运行方式是有利的，即辅助驱动装置的电动马达在最优的功率因数下并且因此在低的电损耗下运行。此外，下述机械和液压的损耗功率与转速相关并且由此仅仅当也需要液压有效功率时才产生，所述机械和液压的损耗功率由于小的结构尺寸总归比主驱动装置的机械和液压的损耗功率低得多。相对大的主驱动装置则处于静止状态并且由此既不产生电、机械或液压的损耗功率，所述主驱动装置也不消耗使用寿命，从而显著地降低了磨损和维修费用。在额定负荷运行中在超过辅助驱动装置的功率可能性所需的舵运动速度下，至少一个主驱动装置处于运行中并且断开辅助驱动装置。
本发明的其他有利的实施例是另外的从属权利要求的内容。
附图说明
下面根据示意性的连接图详细地说明本发明的优选的实施例。附图中：
图1示出用于操控舵装置的舵驱动系统的第一实施例，和
图2示出舵驱动系统的第二实施例。
具体实施方式
图1中示意性地描绘出根据本发明的用于操控船舶的舵装置4的舵驱动系统2的第一实施例。
舵装置4具有舵或舵叶6，所述舵或舵叶能够绕着垂置于舵叶平面的旋转轴7以确定的旋转角度被调节。所述舵或舵叶固定在梁8上，所述梁可以通过两个分别径向对置的圆柱形活塞单元10，12或14，16以相应的旋转角度摆动。圆柱形活塞单元10，12，14，16利用在舵装置4和舵驱动系统2之间的连接管路26，28分别与工作管路18，20，22，24流体连接。
舵驱动系统2具有可单独控制的电动液压式主驱动装置30，32以及可单独控制的电动液压式辅助驱动装置34。主驱动装置30，32构造为冗余的，从而在下文出于简明的原因仅仅用数字表示图1中左部视图的主驱动装置30来代表两个主驱动装置30，32。
主驱动装置30，32基本上分别具有一个液压泵36、一个电动马达38、一个阀装置40以及一个贮箱42。液压泵36通过输入侧的输送管路44将工作介质或流体、特别是液压油从贮箱42输送出来并且通过输出侧的泵管路46输送到阀装置40的泵接口P。液压管路48从在阀装置40的初始位置I中与泵接口P短接的、阀装置40的液压接口H导回到液压泵36。为了阻止流体从液压管路48回流到贮箱42中，在朝向贮箱的方向上锁闭的止回阀50布置在输送管路44中。为了在阀装置40的初始位置I中使泵管路46卸压，卸载管路52从泵管路46延伸到贮箱42，预调的限压阀54布置在所述卸载管路中。为了导出泄漏油，液压泵36设置有通到贮箱42中的泄漏油管路56。
主驱动装置30，32的液压泵36在此构造为具有恒定的输送量的定量泵。在此，所述液压泵具有输送装置。驱动相应的液压泵36的电动马达38是三相交流马达并且特别是异步马达。
为了在两个方向上操纵舵，主驱动装置30，32的阀装置40构造为具有两级的电动液压式操控装置的3/4换向阀。阀装置40或3/4换向阀分别具有三个切换位置I，II，III，其中，切换位置I是前面已述的或弹簧定心的中间位置。阀装置40分别具有一个工作接口A和一个工作接口B，所述工作接口分别通过一个接口管路58，60与所述连接管路26，28中的一个流体连接。在切换位置II中，阀装置40被控制开启，并且泵接口P与工作接口B连接。液压接口H接着与工作接口A流体连接。在切换位置III中，阀装置40同样被控制开启，其中，泵接口P接着与工作接口A连接，并且液压接口H与工作接口B流体连接。
连接管路26，28在其一个端部上设置有两个并联的并且相反作用的预调的限压阀62，64，所述预调的限压阀用于例如在舵叶撞击水下障碍物时使舵装置4卸压。连接管路26，28分别以其另一个端部与辅助装置34的在下文还说明的阀装置66的各一个工作接口C，D连接。
除了在下文还详细说明的阀装置66以外，辅助装置34还具有液压泵68、电动马达70和变频器72。
液压泵68在输出侧通过泵管路74与阀装置66的泵接口P连接。在输入侧，液压管路76通到液压泵68中，所述液压管路从阀装置66的液压接口H延伸。在初始位置IV中，泵接口P和液压接口H短接。为了在切换位置V中阻止流体从连接管路26，28回流，不仅在泵管路74中而且在液压管路76中布置一个可控制开启的止回阀78，80。在此，用于控制止回阀78，80开启的控制压力分别通过一个控制管路82，84从泵管路74或液压管路76被分接。为了使泵管路74和液压管路76卸压，各一个卸载管路86，88从所述泵管路和液压管路延伸到贮箱42中，在所述卸载管路中分别布置一个预调的和可在朝向贮箱的方向上控制开启的限压阀90，92。
液压泵68具有通到贮箱42中的用于导出泄漏油的泄漏油管路94。在此所示的实施例中，液压泵68构造为具有两个输送方向的定量泵。所述液压泵由电动马达70、优选地以异步结构方式的三相交流马达驱动，变频器72配置给所述液压泵。优选地，辅助驱动装置34与主驱动装置30，32相比是功率降低的。
变频器72实现了，可以无级地在静止状态和额定转速之间以及在超过额定转速而转矩减小的情况下控制电动马达70的转速和旋转方向。因此，可以准确地相应于液压泵68所需的输送量选择转速。此外，借助于变频器调节功率因数。因此，所述功率因数也可以在低的转速下选择为非常高的，从而损耗电流也可以保持如同在电动马达70的额定点中那样低的。
阀装置66是具有两个前述的切换位置IV和V的4/2换向阀。阀装置66能够电操控并且在切换位置IV和或初始位置IV中使弹簧预加应力。所述阀装置具有两个工作接口C，D，如前所述地，连接管路26，28与所述工作接口连接。在初始位置IV中，辅助驱动装置34与舵装置4液压地分隔开。在切换位置V中，阀装置66被控制开启。泵接口P接着与工作接口C连接，并且液压接口H与工作接口D流体连接。
在一种优选的用于驱动或操控舵装置4的方法中，所述舵装置在低负荷运行中、例如在大海上自动导航行驶中在小的舵角度下长时间地并且保持低的功率需要量地通过辅助驱动装置34操控。主驱动装置30，32则处于静止状态。如图1中所示地，在低负荷运行中，阀装置66优选地被控制开启(切换位置V)，并且主驱动装置30，32的阀装置40被控制关闭(初始位置I)。
与在额定运行中相反地、例如在巡航中、在恶劣天气下航行中，当在短时间内需要大的舵角度以及需要大的功率需要量时，优选地通过所述主驱动装置30，32中的一个实现使舵装置4运行。辅助驱动装置则处于静止状态。辅助驱动装置34则处于静止状态。相应地，激活的驱动装置30，32的阀装置40接着被控制开启(切换位置II或III)，并且辅助驱动装置34的阀装置66被控制关闭(初始位置IV)。根据舵叶6的旋转方向，激活的驱动装置30，32的阀装置40处于切换位置II中或者处于切换位置III中。
图2中示出根据本发明的用于操控舵装置4的舵驱动系统2的第二实施例。如在第一实施例中地，舵驱动系统2具有两个冗余的并且可彼此独立地驱动的电动液压的主驱动装置30，32以及可独立于主驱动装置30，32地操控的电动液压的辅助驱动装置34。在流体技术上按照根据图1的第一实施例，主驱动装置30，32和辅助驱动装置34能够通过两个连接管路26，28流体连接。
与根据图1的第一实施例的舵驱动系统2不同地，主驱动装置30，32不分别具有作为液压泵36的定量泵，而是具有带可调节的输送量的调节泵，所述调节泵此外具有两个输送方向。相应于作为调节泵的液压泵36的构型，阀装置40简化地分别构造为一个可电操控的具有两个切换位置VI，VII和两个工作接口A，B的4/2换向阀。
切换位置VII相应于弹簧预加应力的关闭位置，在所述关闭位置中，阀装置被控制关闭。切换位置VI相应于开启位置，在所述开启位置中，阀装置40被控制开启。在所述切换位置或开启位置VI中，远离液压泵36延伸的并且与阀装置40的泵接口P连接的泵管路46通过阀装置40的工作接口A与连接管路26流体连接。连接管路28接着通过阀装置40的工作接口B与从液压接口H延伸到液压泵36的液压管路48流体连接。在所述操作位或关闭位置VII中，泵管路46和液压管路48通过泵接口P和液压接口H短接，并且因此，主驱动装置30，32与连接管路26，28并且由此与舵装置4流体技术地分开。
泵管路46以及液压管路48分别通过一个作为旁通延伸到液压泵36的短接管路96，98彼此连接，其中，在所述短接管路中分别布置一个预调的限压阀100，102，所述预调的限压阀分别在相反的方向上作用。
相应的由电动马达38、特别是构造为三相交流马达的异步马达驱动的液压泵68具有通到贮箱42中的用于导出泄漏油的泄漏油管路56。
辅助驱动装置34与根据图1的第一实施例的辅助驱动装置34相比是不可变的。因此，辅助驱动装置34具有用于控制电动马达70的变频器72，所述电动马达用于驱动液压泵76。液压泵76构造为具有可调节的输送体积和两个输送装置的调节泵。阀装置66与根据图1的第一实施例相同地构造为可电操控的4/2换向阀，所述换向阀具有使弹簧预加应力的初始位置IV和切换位置V以及两个工作接口C，D、泵接口P和在初始位置IV中与泵接口P短接的液压接口H。
图2中示出舵驱动系统2的与图1中相同的运行状态。主驱动装置30，32的阀装置40被控制关闭(关闭状态VII)，并且辅助驱动装置34的阀装置66被控制开启(切换位置V)。因此，舵装置4通过辅助驱动装置34供能并且因此表示为低负荷运行，在所述低负荷运行中，主驱动装置30，32处于静止状态。
在额定负荷运行中，辅助驱动装置34处于静止状态，也就是说，阀装置66被控制关闭(初始位置IV)，并且通过主驱动装置30，32实现操舵，为此，分别设置的主驱动装置30，32的阀装置40接着被控制开启(开启位置VI)。
在根据图1的第一实施例中在主驱动装置30，32运行时，通过改变阀装置40的切换位置II，III实现了使舵叶6改变旋转方向，而在根据图2的第二实施例中为了使舵叶6改变旋转方向类似于辅助驱动装置34地翻转相应的液压泵36，38的输送方向。
公开了一种用于操控船舶的舵装置的舵驱动系统，其具有至少一个舵和两个冗余的电动液压的用于操纵舵的主驱动装置，所述主驱动装置能够彼此独立地运行，其中，所述舵驱动系统具有一个可与主驱动装置无关地运行的电动液压的用于操纵舵的辅助驱动装置，所述辅助驱动装置具有一个带变频器的用于驱动液压泵的电动马达，以及公开了一种用于驱动所述舵驱动系统的方法。
附图标记列表
2舵驱动系统
4舵装置
6舵叶
7旋转轴
8梁
10圆柱形活塞单元
12圆柱形活塞单元
14圆柱形活塞单元
16圆柱形活塞单元
18工作管路
20工作管路
22工作管路
24工作管路
26连接管路
28连接管路
30主驱动装置
32主驱动装置
34辅助驱动装置
36液压泵
38电动马达
40阀装置
42贮箱
44再抽吸管路
46泵管路A
48泵管路B
50止回阀
52卸载管路
54限压阀
56泄漏油管路
58接口管路
60接口管路
62限压阀
64限压阀
66阀装置
68液压泵
70电动马达
72变频器
74泵管路A
76泵管路B
78止回阀
80止回阀
82控制管路
84控制管路
86卸载管路
88卸载管路
90限压阀
92限压阀
94泄漏油管路
96短接管路
98短接管路
100限压阀
102限压阀
A工作接口
B工作接口
C工作接口
D工作接口
H液压接口
P泵接口
I切换位置/初始位置/中间位置
II切换位置
III切换位置
IV切换位置/初始位置
V切换位置
VI切换位置/开启位置
VII切换位置/关闭位置

Claims (9)

1.一种用于操控船舶的舵装置(4)的舵驱动系统(2)，其具有至少一个舵(6)和两个冗余的用于操纵舵的电动液压式主驱动装置(30，32)，所述主驱动装置能够彼此独立地运行，其特征在于，设置一个能够与所述主驱动装置(30，32)无关地运行的用于操纵舵的电动液压式辅助驱动装置(34)，所述辅助驱动装置具有一个带变频器(72)的用于驱动液压泵(68)的电动马达(70)。
2.根据权利要求1所述的舵驱动系统，其中，所述辅助驱动装置(34)的液压泵(68)是具有恒定的输送量的定量泵。
3.根据权利要求1或2所述的舵驱动系统，其中，所述辅助驱动装置(34)与所述主驱动装置(30，32)相比是功率降低的。
4.根据权利要求1，2或3所述的舵驱动系统，其中，所述主驱动装置(30，32)的液压泵(36)是具有恒定的输送量的定量泵。
5.根据权利要求1，2或3所述的舵驱动系统，其中，所述主驱动装置(30，32)的液压泵(36)是具有可调节的输送量的调节泵。
6.根据权利要求4或5所述的舵驱动系统，其中，所述主驱动装置(30，32)分别具有一个极性可变的电动马达(38)，所述电动马达用于驱动其相应的液压泵(36)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的舵驱动系统，其中，至少所述辅助驱动装置(34)的液压泵(68)具有两个输送方向。
8.根据前述权利要求中任一项所述的舵驱动系统，其中，所述主驱动装置(30，32)的所述液压泵(36)具有两个输送方向。
9.一种用于利用舵驱动系统(2)、特别是前述权利要求中任一项所述的舵驱动系统操控船舶的舵装置(4)的方法，其中，两个冗余的主驱动装置(30，32)和一个辅助驱动装置(34)彼此分开地运行，其中，在额定负荷运行中，所述辅助驱动装置(34)处于静止状态中并且通过所述主驱动装置(30，32)中的一个来操纵舵，并且在低负荷运行中，所述主驱动装置(30，32)处于静止状态中并且通过所述辅助驱动装置(34)来操纵舵。
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