JP5232870B2

JP5232870B2 - 舵取機

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Publication number: JP5232870B2
Application number: JP2010536613A
Authority: JP
Inventors: 智史時津; 数幸佐々木
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-11-06
Filing date: 2008-11-06
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2028-11-06
Also published as: CN102076557A; CN102076557B; KR101334523B1; WO2010052777A1; JPWO2010052777A1; KR20110009258A

Description

本発明は、船舶等の航走体に装備されて操舵を行う舵取機に関する。

船舶等の航走体が進行方向を変化させる場合、船底後部等に配設される舵板の向き（角度）を操作する操舵が行われる。このような操舵を行う舵取機（操舵装置）には、電動機により駆動される油圧ポンプを用いて油圧を発生させ、油圧シリンダに作用する油圧を制御して舵板を動作させる油圧系統を備えた電動油圧方式がある。

図４及び図５は、電動油圧方式を採用した舵取機について、従来の構成例を示している。
舵取機１０は、たとえば図４に示すように、船舶１の船尾側となる船底から下方に突出し、船舶１に回動可能に支持された舵軸１１を備えている。この舵軸１１には、水中位置に舵板１２が固定されて一体に回動する。なお、図中の符号２は、船舶１に推進力を与えるスクリューである。

上述した舵取機１０は、舵軸１１を回動させて舵板１２を所望の方向へ操舵する駆動機構アクチュエータを備えている。この駆動機構としては、たとえば図５に示す従来例のように構成された電動油圧方式が知られている。
図示の駆動機構において、舵軸１１の回動は、チラー１３を介して行われる。チラー１３は、中心部が舵軸１１に固定されるとともに、両端部近傍が閉回路の油圧系統（油圧システム）２０に接続されている４本の油圧シリンダ２１（必要な場合にのみ、符号を２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄと区別する）と連動するように構成されている。すなわち、チラー１３の一端部側が一対の油圧シリンダ２１Ａ，２１Ｂにより動作する第１ラム２２Ａに連結され、かつ、チラー１３の他端部側が一対の油圧シリンダ２１Ｃ，２１Ｄにより動作する第２ラム２２Ｂに連結されているので、たとえば一対の油圧シリンダ２１Ａ，２１Ｄに油を供給することにより、チラー１３及び舵軸１１を時計回りの方向に回転させることができる。また、他の一対の油圧シリンダ２１Ｂ，２１Ｃに油を供給することにより、チラー１３及び舵軸１１を反時計回りの方向に回転させることができる。

上述した油圧シリンダ２１は、たとえば斜板ポンプのような主油圧ポンプ２３と油配管２４を介して接続されている。主油圧ポンプ２３は、舵角を変化させるときには、斜板の角度を調整することにより、反負荷側のシリンダの油を吸い込んで所定の圧力に加圧し、負荷側のシリンダに供給する。また舵角を特定の角度に保持するときには、斜板の角度を中立位置とすることにより主油圧ポンプ２３を通過する油量をゼロとして、油圧系統２０内を流動する油をロックし、舵板の回動を停止させておくことができる。従って、主油圧ポンプ２３を斜板ポンプとして斜板の傾斜角度を適宜調整すれば、油配管２４を流れる油の流れ方向や流量を変化させて操舵することができる。
また、油配管２４には、逆止弁２５を介してブーストポンプ２６が接続されている。このブーストポンプ２６は、図示しない油タンクの油を吸い込んで所定の圧力で油配管２４に供給する機能を有しており、たとえば舵板１２に作用する水流等の影響を受けて舵取機１０の負荷が急激に変動する場合であっても、油圧系統２０内の油圧を所定値以上に保つことにより、油圧系統２０内に負圧を生じさせないように設けられている。

従来の船舶においては、主制御装置故障時の制御を可能にする補助制御装置の油供給源として、アキュムレータを備えた操舵装置が開示されている。この場合のアキュムレータは、定流量型の油圧ポンプを備えている油圧系統上において、油の流れを切り替えて操舵するための切替弁上流側に配設されている。（たとえば、特許文献１及び２参照）
また、船舶においては、一時的な急速操作に備えた油供給源として、アキュムレータを備えた操舵装置が開示されている。この場合のアキュムレータも、定流量型の油圧ポンプを備えている油圧系統上において、切替弁の上流側に配設されている。（たとえば、特許文献３参照）
特開昭５４−１４２７９９号公報特開平１−１９５１８０号公報特開昭６０−１２３９５号公報

上述した電動油圧方式の舵取機は、斜板ポンプ等を主油圧ポンプとする閉回路の油圧システムを採用し、操舵時に油圧回路内が負圧になることを防止する目的で、ブーストポンプを設けている。
しかし、近年の船舶においては、舵取機の油圧系統に与えられる操舵力等の余裕代が抑制される傾向にある。このため、負荷の状況によっては、ブーストポンプから供給可能な油の補給量が不十分となり、油圧回路内に負圧となる領域を生じることがある。

図６は、横軸を舵角として縦軸に舵板トルクの一例を示した図であり、Ｐ／Ｓいずれの操舵方向においても、図中にハッチングで示すように、舵角の小さい領域に操舵方向と逆向きの舵板トルクが生じている。この操舵方向と逆向きの舵板トルクは、舵板の設計により、まったく発生しないこともあれば、比較的大きな舵角域に至るまで発生することもあるが、このような操舵方向と逆向きの舵板トルクが舵取機に作用した場合、本来は負荷に応じた油圧でラムを駆動するはずの油圧シリンダが、実際には舵板が自ら回動しようとする負荷によって、ラムに引っ張られることとなり、このために油圧シリンダ内の油圧が負圧となることがある。
その結果として、図７に示すように、油圧回路内には油圧油量の不足による負圧領域を形成する時間帯Ｔが生じることがありえる。この間、油圧低下に起因して主油圧ポンプにキャビテーションが発生し、ノイズ等の不具合の原因となることが考えられる。この時間帯Ｔでは所望の操舵方向に向けた舵板トルクが得られない状況となる。

このような負圧領域の形成は、主油圧ポンプ２３におけるキャビテーション発生の原因となり、このキャビテーションが舵取機から異音を発生させるため好ましくない。
上述した主油圧ポンプのキャビテーションを防ぐ方法として、たとえばブーストポンプ２６の容量を大きくして負圧領域の形成を防止してもよい。しかし、ブーストポンプ２６の容量を大きくすると、ポンプ運転に伴う消費動力や発熱量を増大させるという問題があるため好ましくない。

このような背景から、油圧回路内に負圧領域が生じることに起因する主油圧ポンプのキャビテーションを防止し、このキャビテーションに伴う異音発生を防止できる舵取機の開発が望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、油圧回路内の負圧領域に起因する主油圧ポンプのキャビテーションを防止し、このキャビテーションに伴う異音発生を防止した舵取機を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明の舵取機は、航走体に回動可能に支持されている舵軸と、該舵軸に固定されて一体に回動する舵板とを回動させる舵取機において、前記舵軸を回動させる駆動機構が油圧系統に接続された油圧アクチュエータを備え、前記油圧系統が、油の吸入／吐出方向及び吐出流量を可変とする主油圧ポンプと、油圧系統内を所定の圧力に維持するブーストポンプと、油圧系統内の油圧より油圧が常時低く設定される油圧貯蔵手段と、を備え、前記油圧系統内の油圧が前記油圧貯蔵手段の油圧と同圧になった場合に前記油圧貯蔵手段の油が油圧系統内に供給されることを特徴とするものである。

このような舵取機は、油圧系統が、油の吸入／吐出方向及び吐出流量を可変とする主油圧ポンプと、油圧系統内を所定の圧力に維持するブーストポンプと、油圧系統内の油圧より油圧が常時低く設定される油圧貯蔵手段と、を備え、油圧系統内の油圧が油圧貯蔵手段の油圧と同圧になった場合に油圧貯蔵手段の油が油圧系統内に供給される。このため、油系統内油圧が低下した場合には、ブーストポンプから油圧系統に油を補充し、さらに油圧系統内の油圧が油圧貯蔵手段の油圧と同圧になるまで低下した場合に油圧貯蔵手段の油が油圧系統内に供給される。従って、ブーストポンプからの油補充が不十分となった場合には、油圧貯蔵手段から油を補充することで油圧系統内に負圧領域が形成されることを防止し、これに起因したキャビテーションに伴う異音発生を防止することができる。
また、油圧貯蔵手段から油を補充することができる構成としたことにより、発生頻度の低い急激な油系統内油圧低下に備えて、過度に大きなブーストポンプを設置する必要がなくなり、ブーストポンプの容量を最小限に抑えることができて、通常運転中の消費動力や発熱量の発生を抑制することができる。

上記の発明において、油圧貯蔵手段は１台または複数台のアキュムレータが好適である。

前記ブーストポンプは、前記主油圧ポンプから独立して運転可能とされ、前記アキュムレータ近傍の油圧を所定の範囲内に維持するよう断続運転することが好ましい。

これにより、必要時のみブーストポンプを運転するという運用が可能となり、さらに消費動力や発熱量の発生を抑制することが期待できる。

本発明に係る舵取機の一実施形態を示す構成図である。本発明の油圧貯蔵手段として設置したアキュムレータの作用を説明する図であり、横軸を時間として油圧変化が示されている。図１に示した実施形態の変形例を示す構成図である。船舶に設置された舵取機の概要を示す斜視図である。舵取機の従来例を示す構成図である。舵取機の舵板について、舵角と舵角トルクとの関係の一例を示す図である。従来例の舵取機について、横軸を時間として油圧変化を示す図である。

符号の説明

１船舶
１０，１０Ａ舵取機
１１舵軸
１２舵板
１３チラー
２０，２０Ａ，２０Ｂ油圧系統（油圧システム）
２１油圧シリンダ
２２Ａ第１ラム
２２Ｂ第２ラム
２３主油圧ポンプ
２４油配管
２４ａ，２４ａ′ ブースト油配管
２５逆止弁
２６，２６Ａブーストポンプ
３０アキュムレータ（油圧貯蔵手段）
４０制御部
４１圧力センサ

本発明に係る舵取機の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す電動油圧方式の舵取機１０Ａは、船舶等の航走体が進行方向を変化させる場合に、航走体に回動可能に支持されている舵軸１１と、舵軸１１に固定されて一体に回動する舵板１２（図４参照）を駆動する際に使用される操舵装置である。この舵取り機１０Ａは、舵軸１１を回動させる駆動機構のアクチュエータとして油圧系統２０Ａに接続された４本の油圧シリンダ２１（区別を必要とする場合には、２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄ）を備えているが、アクチュエータとしては油圧シリンダに限らず、ロータリーベーン等であってもよい。
なお、図中の符号１３は、油圧シリンダ２１に連動して舵軸１１を回動させるチラーである。

上述した油圧系統２０Ａは、油の吸入／吐出方向及び吐出流量を可変とする主油圧ポンプ２３と、油圧系統２０Ａ内を所定の圧力に維持するブーストポンプ２６と、油圧系統２０Ａ内の負圧領域形成に伴う主油圧ポンプ２０Ａのキャビテーションを防止する油圧貯蔵手段として設けた１台又は複数台のアキュムレータ３０とを備えている。

主油圧ポンプ２３には、可変容量型ポンプの一種である斜板ポンプが用いられているが、同様の機能を有するポンプとして斜軸ポンプでもよい。この主油圧ポンプ（斜板ポンプ）２３は、主電動機２８の出力軸に連結されて斜板の傾斜角度を調整することにより、油の吐出方向や吐出流量を変化させることができる。
図示の主油圧ポンプ２３は二つのポート２３ａ，２３ｂを有しており、これらのポート２３ａ，２３ｂは、斜板を傾斜させる角度に応じていずれか一方が吐出側となり、他方が吸入側となる。図示の構成例では、一方のポート２３ａが油配管２４を介して油圧シリンダ２１Ａ，２１Ｄに接続され、他方のポート２３ｂが油配管２４を介して油圧シリンダ２１Ｂ，２１Ｃに接続されている。なお、主油圧ポンプ２３は、舵取機１０Ａの有効時に常時運転されて油圧を供給するポンプである。

ブーストポンプ２６は、主電動機２８を駆動源として主油圧ポンプ２３と同軸に駆動される油圧ポンプである。従って、ブーストポンプ２６は、舵取機１０Ａによる操舵有効時において、主油圧ポンプ２３とともに常時運転されている。
ブーストポンプ２６から吐出された油は、ブースト油配管２４ａを介して油配管２４に接続されている。ブースト油配管２４ａの接続位置は、油の流れ方向を切替える機能を有する主油圧ポンプ２３の下流側とされ、さらに、ポート２３ａと油圧シリンダ２１Ａ，２１Ｄとを接続する油配管２４及び他方のポート２３ｂと油圧シリンダ２１Ｂ，２１Ｃとを接続する油配管２４に分岐して接続されている。

ブースト油配管２４ａには、油圧貯蔵手段として、たとえばプラダ形等のアキュムレータ３０が設けられている。アキュムレータ３０の上流側及び下流側となるブースト油配管２４ａには、合計３個の逆止弁２５ａ，２５ｂ，２５ｃが設けられており、いずれの逆止弁も主油圧ポンプ２３からブーストポンプ２６及びアキュムレータ３０へ向かう方向の流れを阻止するようになっている。
また、アキュムレータ３０は、ブーストポンプ２６の運転により内部の油圧が所定の設定圧力Ｐａを維持している。この設定圧力Ｐａは、たとえば図２に示すように、主油圧ポンプ２３の運転によりシリンダ２１や油配管２４等の油圧系統２０Ａ内で得られる回路内油圧Ｐｍよりも低い正圧となる（０＜Ｐａ＜Ｐｍ）。
なお、アキュムレータ３０については、舵取機１０Ａの諸条件を考慮して設定圧力Ｐａを定め、かつ、十分な量の油を貯蔵できる容量を確保すればよい。

このように構成された舵取機１０Ａは、通常の船舶航行時において、主油圧ポンプ２３及びブーストポンプ２６が主電動機２８によって常時運転されている。この結果、舵取機１０Ａは、油圧系統２０Ａ内が回路内油圧Ｐｍを確保し、さらに、アキュムレータ３０内が設定圧力Ｐａを維持しているので、操舵が有効な状態となっている。

このような操舵可能状態において、主油圧ポンプ２３の運転がポート２３ａ側から油を吐出してポート２３ｂ側に吸入する場合、油圧シリンダ２１Ａ，２１Ｄ側に油が供給されるとともに、油圧シリンダ２１Ｂ，２１Ｃから油が回収される。この結果、シリンダ２１に作用する油圧により、第１ラム２２Ａが紙面左方向へ移動するとともに第２ラム２２Ｂが紙面右方向へ移動するので、チラー１３及び舵軸１１を時計回りに回転させる操舵が行われる。
また、主油圧ポンプ２３の斜板角度を調整し、ポート２３ａ，２３ｂの吐出側及び吸入側を反対にして運転すれば、シリンダ２１に作用する油圧により、第１ラム２２Ａが紙面右方向へ移動するとともに第２ラム２２Ｂが紙面左方向へ移動するので、チラー１３及び舵軸１１を反時計回りに回転させる操舵が行われる。

上述した操舵可能状態においては、油圧系統２０Ａ内が回路内油圧Ｐｍを有しているので、逆止弁２５ｂ，２５ｃの作用により設定圧力Ｐａに維持されたアキュムレータ３０側に油圧が作用することはない。
しかし、舵板１２の舵角−舵板トルク特性により操舵方向と逆向きの舵板トルクを生じた場合や、航行中の舵板１２が海域の潮流等から大きな外力を受けた場合のように、油圧シリンダ２１に対して油の供給及び補充が追いつかない状況では、たとえば図２の二点鎖線に示すように、油圧系統２０Ａ内の油圧が低下し回路内油圧Ｐａを維持できなくなる。

このような場合、油圧系統２０Ａ内の油圧がアキュムレータ設定圧力Ｐａまで低下して同圧になると、逆止弁２５ｂ，２５ｃを介して、ブーストポンプ２６から吐出された油と、アキュムレータ３０内に貯蔵されていた油とが、ブースト油配管２４ａから油配管２４を通ってシリンダ２１に供給される。従って、主油圧ポンプ２３の油供給能力に対して、ブーストポンプ２６及びアキュムレータ３０の油供給能力が付加されたことになり、油圧系統２０Ａ内で有効な油量は増加する。
なお、ブースト油配管２４ａの逆止弁２５ａは、主油圧ポンプ２３側の高圧がブーストポンプ２６に作用することを防止している。

すなわち、本発明の舵取機１０Ａは、油圧系統２０Ａ内がブーストポンプ２６及びアキュムレータ３０から油の供給を受けるため、油圧系統２０Ａ内の油圧がアキュムレータ設定圧力Ｐａ以下に低下することはなく、従って、油量の不足による負圧領域の形成を防止できる。換言すれば、舵取機１０Ａにおいて油系統内油圧低下を生じた場合には、油圧貯蔵手段となるアキュムレータ３０から十分な量の油を補充できるので、油圧系統２０Ａ内に負圧領域が形成されることはない。

このように、アキュムレータ３０から十分な量の油を補充し、油圧系統２０Ａ内に負圧領域が形成されることを防止すれば、主油圧ポンプ２３のキャビテーション発生を防止することができる。この結果、舵取機１０Ａにおいては、主油圧ポンプ２３のキャビテーションに伴う異音発生を防止することができる。
また、上述したアキュムレータ３０から十分な量の油を補充できるので、ブーストポンプ２６の容量を最小限に抑えることができる。ブーストポンプ２６の小型化は、主電動機２８の消費電力を低減し、さらに、ポンプ運転に伴う発熱量を低減することができる。

続いて、上述した舵取機１０Ａの変形例について、図３を参照して説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この変形例では、ブーストポンプ２６Ａが主油圧ポンプ２３から独立して運転可能とされる。すなわち、ブーストポンプ２６Ａは専用の補助電動機２８Ａを駆動源とし、アキュムレータ３０及びその近傍の油圧を所定の範囲内に維持するように、制御部４０が断続運転するものである。

この場合、油圧を維持する所定範囲は、設定圧力Ｐａを基準に定められる。そして、ブースト油配管２４ａ′に設置された圧力センサ４１の検出値を制御部４０に入力することで、制御部４０は、所定範囲の下限圧力でブーストポンプ２６Ａの運転を開始し、所定範囲の上限圧力でブーストポンプ２６Ａの運転を停止する運転制御を実施する。具体的には、たとえば油圧の所定範囲を「Ｐａ＋α」とした場合、所定範囲の下限圧力となる設定圧力Ｐａでブーストポンプ２６Ａの運転が開始され、所定範囲の上限圧力となる「Ｐａ＋α」でブーストポンプ２６Ａの運転が停止される。

このような断続運転を実施すれば、必要時のみブーストポンプ２６Ａを運転してアキュムレータ３０を所望の圧力に維持できるので、補助電動機２８Ａの消費動力やポンプ運転に伴う発熱量の抑制することができる。
なお、この場合の所定範囲については、上述した「Ｐａ＋α」に限定されることはなく、たとえば「Ｐａ±α」としてもよい。

上述した本発明によれば、油圧系統２０Ａ，２０Ｂ内の負圧領域形成に伴う主油圧ポンプ２３のキャビテーションを防止するアキュムレータ３０のような油圧貯蔵手段を備えているので、舵取機１０Ａに油系統内油圧低下が生じた場合には、油圧貯蔵手段から油を補充して油圧系統２０Ａ，２０Ｂ内に負圧領域が形成されることを防止できる。この結果、舵取機１０Ａの油圧回路２０Ａ，２０Ｂ内の負圧領域形成により、主油圧ポンプ２３にキャビテーションが発生することを防止し、さらに、このキャビテーションに伴う異音発生を防止することができる。

アキュムレータ３０のような油圧貯蔵手段を設けた舵取機１０Ａは、ブーストポンプ２６，２６Ａの容量を最小限に抑えることができ、この結果、消費動力や運転に伴う発熱量の低減が可能となる。
また、油圧貯蔵手段をアキュムレータ３０とし、アキュムレータ３０の周辺において油圧が所定範囲内に維持されるようにするため、独立運転可能なブーストポンプ２６Ａを必要時のみ運転する断続運転を行うようにすれば、連続運転するブーストポンプ２６と比較して消費動力や発熱量を低減することができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

Claims

航走体に回動可能に支持されている舵軸と、該舵軸に固定されて一体に回動する舵板とを回動させる舵取機において、前記舵軸を回動させる駆動機構が油圧系統に接続された油圧アクチュエータを備え、前記油圧系統が、油の吸入／吐出方向及び吐出流量を可変とする主油圧ポンプと、油圧系統内を所定の圧力に維持するブーストポンプと、油圧系統内の油圧より油圧が常時低く設定される油圧貯蔵手段と、を備え、前記油圧系統内の油圧が前記油圧貯蔵手段の油圧と同圧になった場合に前記油圧貯蔵手段の油が油圧系統内に供給されることを特徴とする舵取機。
前記油圧貯蔵手段が１台または複数台のアキュムレータである請求項１に記載の舵取機。