第一篇：新型船用中速柴油機性能優化設計探討論文

摘要：探討了新型船用中速柴油機工作過程數值的計算，分析了新型船用中速柴油機故障仿真，研究了新型船用中速柴油機燃油噴射系統的性能優化設計。

關鍵詞：新型船用中速柴油機；優化設計；數值計算

引言

隨著近幾十年來國際經濟的發展與國際航運事業的進步，作為主推動力裝置的新型中速柴油機的性能與質量問題越來越受到人們的關注。因此，進行新型船用中速柴油機性能的優化設計，有利于對中速柴油機的工作原理進行仿真，應用網絡信息技術對其發生的故障進行科學模擬，對其成本進行虛擬化的測試，縮短了產品研發的周期，降低了產品的生產成本，實現了生產企業經濟效益和社會效益的獲得，有利于我國柴油機制造水平的全面提高。因此，需要對于新型船用中速柴油機工作過程數值的計算、故障仿真分析、燃油噴射系統的性能優化問題進行科學研究與分析。

1新型船用中速柴油機工作過程數值的計算

新型船用中速柴油機具有眾多的工作特點，因此需要對工作過程的數值進行科學計算，以便于在此基礎上進行柴油機數據信息的收集，對于設計模型的正確性進行科學驗證。具體來講，可以從以下方面進行工作，對新型船用中速柴油機的工作數值進行科學計算。

1）對新型船用中速柴油機增壓壓力進行科學選取。比如：對于柴油機的轉速、廢氣排溫、氣缸的平均有效壓力等進行科學計算，提高柴油機的經濟性，延長其使用壽命。

2）進行柴油機壓縮比的選取。比如：通過對于柴油機壓縮比的選取可以測試出柴油機的啟動性能與爆發壓力，以此進行柴油機性能指標的改進，完善柴油機的結構。

3）進行柴油機配氣相位的科學選取，有利于優化柴油機的指標性能。

4）進行柴油機燃燒始點數值的科學選取。

5）進行實驗數值與負荷特性曲線的仿真。比如：對柴油機的實驗結果進行仿真，對新型柴油機的負荷特性曲線進行充分了解。

6）對于新型船用中速柴油機的試驗結果進行充分的驗證。比如：進行測試時間、地點、對象的選取，對于新型船用中速柴油機的性能參數與負荷特性曲線進行充分的對比，減少設計的誤差，使其達到工程設計的數值要求[1]。

2新型船用中速柴油機故障仿真分析

在柴油機的設計中一種重要的內容是進行故障問題的仿真分析與診斷，以便于解決新型船用中速柴油機的故障問題，提升在應用時的質量與水平，減少故障問題發生的概率，延長其使用壽命。具體來講，需要進行故障問題設定，可以從以下方面進行故障仿真分析。

1）壓縮比變化。在一般情況下，出現壓縮比的變化主要是柴油機的氣閥、活塞環、氣缸墊等出現了錯位或者是磨損等問題造成了一定的間歇而導致的。

2）曲軸箱竄氣。潤滑油供給不足或者是效果不佳、活塞環超出使用的壽命或者是磨損過度等問題都會導致曲軸箱竄氣問題的產生。

3）柴油機供油量不均衡。此類問題的發生會嚴重影響到這種新型船用柴油機的性能，不利于今后的使用。因此，需要有關的設計人員進行此類問題的科學研究，并且制定出具體的解決方案[2]。

4）噴油正時故障。噴油正時故障的發生會導致這種新型船用柴油機的功率受到嚴重的影響。因此，有關的設計人員需要對噴油正時故障問題進行仿真化的模擬。

5）渦輪增壓器效率故障。這種故障問題的發生會嚴重影響到柴油機的功率，長時間得不到有效的解決會使得柴油機的部件受到嚴重的磨損，最終出現停滯的問題。

6）中冷器換熱故障。

7）中冷器壓力損失故障。中冷器壓力損失故障的發生主要是由于中冷器進氣側管道堵塞問題引起的。因此，進行中冷器壓力損失故障的仿真模擬，有利于從設計階段就對中冷器進氣側管道進行結構的優化，防止此類問題在柴油機使用的過程中發生。

8）排氣閥故障。排氣閥封閉的不緊密或者是發生了正時故障都會導致排氣閥故障問題的產生，最終會影響到新型船用柴油機的性能與質量。因此，需要對排氣閥故障進行仿真化的模擬分析，并且進行設計方案上的重新優化調整，提高柴油機的水平與工作效率[3]。

3新型船用中速柴油機燃油噴射系統的性能優化設計

進行這種新型船用柴油機原始參數的計算，主要的目的在于保障燃油噴射系統的性能達到設計的要求。具體來講，需要對噴油泵的供油量進行計算；對凸輪接觸應力進行計算；對出油閥流通截面進行科學計算；對噴油器進行科學計算。進行新型船用柴油機性能的優化設計離不開應用現代的網絡信息技術進行網絡設計模型的構建。因此，需要建立起科學的新型船用柴油機性能模型，并且對燃油噴射系統的各個部件進行全面的模擬仿真測試。具體來講，需要將噴油泵、卸載出油閥、高壓油管、噴油器等各個方面的具體初始參數在這個燃油噴射系統網絡模型中全面輸入，并且進行科學運算，依據計算的結果，對新型船用柴油機設計的燃油噴射系統進行驗證，對于發現的不足之處全面改進，以達到優化柴油機性能的目的[4]。進行新型船用柴油機燃油噴射系統的優化設計，可以從以下幾方面來進行，從而全面提升柴油機燃油噴射系統的質量與水平，為柴油機整體性能的進步打好基礎。

1）對于凸輪曲線進行優化設計。比如：提高凸輪曲線的速度、進行線型的陡峭模式設計，使得柴油在柴油機燃油噴射系統中的噴射壓力達到最高值。

2）進行新型船用柴油機燃油噴射系統中柱塞直徑的優化設計。根據柴油機燃油噴射的規律可以了解到柱塞運動的速度和橫截面的乘積與燃油噴射的壓力成正比。因此，具體的優化設計方式為增大柱塞直徑，使得燃油噴射量增加，最終提高柴油機燃油噴射系統的工作效率，提高整個柴油機的性能與水平[5]。

3）需要對高壓油管進行優化設計。原因在于，高壓油管的長度、管徑都對柴油機燃油噴射系統的性能產生直接的影響。因此，首先需要對高壓油管進行短小化的設計，提高其防振的性能。其次，要保持各缸高壓油管的長度一致，使得各缸噴油保持一致，保障燃油噴射系統具有很強的穩定性。

4）對于蓄壓腔進行科學的設計有利于提高柴油機燃油噴射系統的性能。進行此項工作有利于蓄壓腔容積的增大，使得燃油噴射系統的噴射壓力呈減少的趨勢，最終滿足柴油機對于燃油噴射系統的設計要求，有利于保障柴油機性能的提升。

5）需要對于柴油機燃油噴射系統的針閥升程進行優化設計，使得柴油機燃油噴射系統具有良好的節流作用，提高柴油機燃油噴射系統的噴射速率。

6）需要對柴油機燃油噴射系統的噴孔進行科學設計，提升燃油的霧化質量，最終提升柴油機工作的性能。具體來講，首先對孔徑進行優化設計，增強噴油的壓力。其次，進行孔數的優化設計，使得孔數更好地滿足柴油機燃油噴射系統的噴射要求，為提高柴油機的整體性能發揮出重要的作用。通過以上六種主要的方法，可以對柴油機燃油噴射系統的質量與性能進行全面提升，最終保障這種新型船用中速柴油機的質量與性能，使其在使用的過程中具有優良的使用效果與良好的使用質量，在長時間的使用中發揮出應有的功能[6]。

4結語

對于新型船用中速柴油機性能進行科學的優化設計，有利于全面提高這種柴油機的制造水平，使其在使用的過程中發揮出應有的功能，為我國航運事業的進步作出新的貢獻。

參考文獻

[1]張東明,平濤,陳志忠.基于DoE的船用中速柴油機性能優化仿真[J].內燃機工程,2016(1):93-97.[2]余永華,唐俊,韓冬,等.船用中速柴油機燃油系統升級改造仿真分析[J].大連海事大學學報,2016(3):111-117.[3]張慧,金玉山,張東明,等.船用中速柴油機SCR系統匹配與試驗研究[J].柴油機,2016(4):15-19.[4]范保慶.中速船用柴油機主要部件的有限元最優化結構設計[J].船舶工業技術經濟信息,1998(8):33-38.[5]方峰.船用柴油機的生產現狀與發展[J].江蘇船舶,2008(5):17-20.[6]孫洪杰.新型船用中速柴油機性能優化設計[D].武漢:武漢理工大學,2011.

第二篇：中國主要船用柴油機制造廠家列表及簡介

中國主要船用柴油機制造廠家列表及簡介

1、上海中船三井造船柴油機有限公司CSSC-MES Diesel Co., Ltd.(CMD)(T)公司簡介

上海中船三井造船柴油機有限公司（英文名稱：CSSC-MES Diesel Co.,Ltd.英 文簡稱：CMD）是由中國船舶工業集團公司、中國船舶工業股份有限公司和日本三井造船株式會社共同投資組建的一家船用大功率低速柴油機制造企業。公司位于上海臨港新城重裝備產業區內，占地近40萬平方米，南臨洋山深水港，北靠浦東國際航空港，區位優勢非常明顯。

公司總投資超過28億元，分兩期建設，一期工程投資達14億元，目前注冊資本7.06億元。公司擁有大型數控裝備和現代化重型測試設備，并引進曼恩和瓦錫蘭專利技術，主要生產氣缸直徑600mm以上的船用大功率低速柴油機。

2008年，公司已形成100萬馬力的柴油機年生產能力；2009年一期項目完工后，公司將形成170萬馬力的柴油機年生產能力；公司全面建成后將形成超過300萬馬力的柴油機年生產能力，必將成為中國船用低速柴油機制造領域的核心和中堅力量。截至目前，公司累計交付柴油機突破200萬馬力，并于2008年7月成功制造中國首臺世界最大缸徑柴油機CMD-MAN B&W 8K98MC。2008年，公司通過了上海市高新技術企業認定和ISO9001：2000質量管理體系認證。

2、南車資陽機車有限公司CSR ZiYang Locomotive Co., Ltd.(CSR)(F)公司簡介

中國南車旗下的南車資陽機車有限公司始建于1966年，是由鐵道部興建并培育壯大的中國西部唯一的機車制造企業。公司是四川省重大裝備八大產品鏈重點企業，四川省“大集團、大企業”重點培育企業之一，在我國重大裝備制造自主創新和西部大開發中發揮著重要作用。

公司累計新造各型機車數量居國內第二，出口到亞洲、非洲、美洲的16個國家，是土庫曼斯坦、越南最大的機車供應商。公司生產的發動機應用到機車、船舶、發電領域，是工程船舶成套設備和大功率燃氣機知名供應商。公司生產的中速發動機曲軸國內市場占有率達70%，出口到德國、日本、美國、韓國、印度、巴基斯坦等國家，是印度最大的機車曲軸供應商。

公司擁有先進的精密設備和檢測儀器，共有各類機械設備2400余臺套，通過優化整合企業優質資源，形成了以六軸電力機車、出口內燃機車為代表的機車產業，以燃氣發動機、船用發動機為代表的發動機產業，以全斷面隧道掘進機、隧道快速施工機械為代表的重型裝備產業，以中速發動機全纖維鍛鋼曲軸、大型鍛鑄件為代表的優勢零部件產業。

公司通過了“中國國家實驗室”認可，是國家一級計量單位，通過了ISO9001質量管理體系2000版、ISO14000環境管理體系和OHSMS18000職業健康安全管理體系認證。

公司設立了國家級博士后科研工作站，大力實施“外引內聯”的技術創新戰略，相繼引進美國EMD機車徑向轉向架制造技術、美國卡特彼勒公司36系列發動機制造技術、德國MAN公司27/

38、32/40船用發動機制造技術、日本三菱公司30G燃氣發動機制造技術，企業核心競爭力不斷提升。公司與西南交通大學等大專院校、科研院所廣泛合作，努力成為我國知名的機車、發動機、全斷面隧道掘進機以及曲軸等關鍵零部件的高標準研發制造中心。

秉持“誠信、敬業、創新、超越”企業精神的南車資陽機車有限公司，正攜手四海賓朋，致力于交通和動力裝備速度與力量的持續提升，向著更高的目標不斷邁進。

3、大連船用柴油機有限公司Dalian Marine Diesel Works(T)公司簡介

中國船舶重工股份有限公司大連船用柴油機有限公司（DMD），主要生產DMD-WARTSILA系列和DMD-MAN系列重型船舶主機，同時進行重大工藝裝備制造。以船舶動力領域優秀專家組成的DMD造機團隊用最大的智慧和努力，以最先進的技術、設備和系統，為一艘艘巨輪裝備了主動力源，獻給用戶莫大喜悅。在“人人盡心盡力，達到顧客滿意”企業價值觀倡導下，憑著對用戶的真誠和二十多年積累的技術、經驗，DMD造機水平始終保持與世界先進水平同步，并通過全球網絡迅速為用戶提供主機技術支持、零部件的更換和維修等優質服務，在國際上被船東譽為“可以滿足最高標準的工廠”。

面向世界和未來的大連船用柴油機有限公司，以全球用戶滿意為己任，以高新技術為先導，不斷推進技術進步和創新，不斷推動改革與發展，竭誠為用戶制造精品主機，提供可靠動力。

4、合肥熔安動力機械有限公司Hefei Rong An Power Machinery Co., Ltd.(T)（注意：該企業已被列入全國失信被執行人名單中！詳情請百度）

公司簡介

合肥熔安動力機械有限公司是以船用柴油機為主要產品的大型裝備制造企業，公司 2007年 8月在合肥注冊成立，廠區位于安徽省合肥市經濟技術開發區派河以東，宿松路以西區域，占地面積856.46畝。一期船用低速柴油機項目總投資 45.969億人民幣，設計年生產能力500萬匹馬力，達產后實現產值將達100億元。該項目被列為安徽省 “861”項目，合肥市“121”重點項目，并于 2009年 3月 6日獲國家發改委核準，是國內首家、目前也是唯一獲國家發改委核準生產船用低速柴油機的民營企業。

公司先后與世界兩大柴油機設計制造企業W?RTSIL?公司和 MAN公司簽訂了生產許可證合同，生產缸徑為350-980mm的低速柴油機。公司生產的首臺出口巴西的RONGAN-W?RTSIL? 6RT-flex68D柴油機已于2009年10月22日成功提交。后續的W?RTSIL? 7RT-flex82T和5RT-flex58T-D、MAN 6S70MC MARK6等型號柴油機也將于2010年開始生產制造。

按照投資集團戰略規劃，以熔安動力低速柴油機項目為起步，將在合肥經濟技術開發區建立熔安動力工業園，工業園將集合中、低速柴油機、螺旋槳、船舶軸系等配套八大產品，全面提供船舶動力系統的解決方案。

公司秉持“建廠、育人、造機、效益”四同步的方針，堅持以客戶滿意、股東滿意、員工滿意、社區滿意為使命，倡導激情卓越的企業文化，堅持技術創新與機制創新相結合，重視人才的培養和引進，培育具有熔安特色的企業核心競爭力，實現良好的經濟效益和社會效益。

公司以快速發展為目標，立足中部崛起的戰略要地，依托合肥當地的各種優勢資源，抓住船舶配套產業發展的機遇，努力打造成為世界一流的造機企業。

5、河南柴油機重工有限責任公司Henan Diesel Engine Heavy Industry Co., Ltd.(F)公司簡介

河南柴油機重工有限責任公司，前身是河南柴油機廠，始建于1958年5月，是我國“一五”期間156項重點項目之一,2007年6月成立河南柴油機重工有限責任公司，隸屬于中國船舶重工集團公司，是國際先進、國內領先的高速大功率柴油機專業制造廠。

河柴重工位于河南省洛陽市澗西區，占地43.5萬平方米。50年來，河柴肩負“振興民族工業，服務國防建設”的企業使命，自覺踐行“一流產品，奉獻社會”的企業宗旨，為國防建設和國民經濟作出了突出貢獻。近年來，牢牢堅持“以軍品上水平、以民品上總量”的指導思想和“以機為主、軍品優先、船陸并舉、發展成套”經營方針，逐步實現了由引進技術國產化到再創新和自主研發的根本性轉變，形成了軍民通用、船陸通用、主輔并舉的兩大系列兩型機和成套裝置的產品框架。產品已從柴油機發展到氣體機，其用途也由過去單一艦船輔機到主輔機并舉、由單兵種到多兵種、由軍用到軍民通用、由單機到成套。隨著產品先進性、可靠性等優勢的日益發揮，應用領域和市場不斷拓寬。

新時期，河柴描繪出催人奮進的的發展藍圖，確定了 ”新三步走，翻五番” 的目標，河柴正在朝著“國際先進、國內領先的中高速內燃機（柴油機、氣體機）及電站動力成套裝置的研制生產基地”的目標奮勇前進。

6、滬東重機有限公司Hudong Heavy Machinery Co.Ltd.(T, F)公司簡介

滬東重機有限公司成立于2007年12月7日，系中國船舶工業股份有限公司（簡稱中國船舶）的全資子公司，注冊資本24億元。

公司的前身為1998年5月組建上市的滬東重機股份有限公司。2007年7月31日，滬東重機股份有限公司收購外高橋造船有限公司等資產后，更名為“中國船舶工業股份有限公司”。2007年10月28日，“中國船舶”同意將原滬東重機股份有限公司柴油機部分的業務和資產出資設立滬東重機有限公司。

公司占地面積約 15萬平方米,員工 1300余名，柴油機年生產能力達200萬馬力。經過上市公司的洗禮，公司逐步建立、完善了現代企業管理制度，管理更加規范，運轉效率日益提高，生產規模和經濟效益提升迅速。

公司主導產品為MAN-B&W、WARTSILA系列船用中、低速大功率柴油機、法國熱機協會和自主研制的E390系列柴油機，以及柴油機備配件、大型鑄鍛件等，同時擁有陸用電站、地鐵盾構、冶金設備等工程機械成套設備的制造、安裝和維修能力。

公司具有較強的研發能力，是上海市高新技術企業和國家級技術中心（分中心）。

公司非常重視品質,環境,健康,安全系統的管理，已通過 IS0 9001質量管理體系認證、ISO 14001環境管理體系認證、OHSAS 18001 職業健康安全管理體系認證。

7、江蘇安泰動力機械有限公司 Jiangsu Antai Power Machinery Co., Ltd.(T)

江蘇安泰動力機械有限公司（原無錫柴油機廠大馬力分廠）座落于美麗的長江之畔靖江新港經濟技術開發區，占地面積28萬平方米（一期），擁有員工800多人，其中，中高級技術人員140多名，中高級技師120多名，下設內燃機研究開發部、低速機加工車間、總裝試車車間、中速機加工車間、總裝試車車間、中件加工車間等十多個職能機構和生產車間。年生產力可達MAN低速機400萬馬力，國產及MAN中速機200萬馬力以及1000-5000kw重油發電機組150臺，是目前國內最大的民營船用柴油機生產企業。

公司目前的主打產品為從德國MAN公司引進許可證生產的S35-S70系列船用低速柴油機，該系列產品為當今世界上最先進的大型柴油機，功率從3700-26000kw、轉速從77-178rpm不等，適合于2萬-18萬噸的各類遠洋船舶推進主機。同時引進的還有MAN系列L16-L32中速柴油機，其匹配的船用發電機組功率在900-5500kw，大量的作為船用輔機使用。此外，公司與國內相關科研機構共同開發研制的G300、X320系列中速柴油機，均具有國際九十年代先進水平，功率從1000-6000kw不等，廣泛應用于中型船舶的推進主機，各類工程船、化學船的工作動力以及中、小型自備電廠、調峰電廠的重油發電機組。

作為一家有著60年柴油機的生產歷史的老企業，安泰公司始終把產品質量放在首位，建立了一套科學，嚴謹的質量保證體系，早在1996年就一次性通過了ISO9001質量體系認證，并先后獲得了CSS、BV、GL等各大船級社的認可。除此之外，公司利用自身的技術優勢，進行技術創新，不斷的改進和完善產品性能，提高產品檔次。同時，利用遍布各地的服務網點，依托MAN公司成熟的服務網絡，為用戶進行了及時周到的全方位服務，深獲用戶好評。目前，公司的產品已遍及全國各地，并遠銷亞非拉等發展中國家，部分產品還成為國防重點工程以及援外項目的首選。

8、江蘇國泰船用柴油機制造有限公司Jiangsu Guotai Marine Diesel Manufacture Co., Ltd.(F)

江蘇國泰船用柴油機制造有限公司位于江蘇省泰州市靖江市靖江市新港園區新木村六助港口向北300米,交通便利，屬于外資企業，主要從事：中、低速船用柴油機配件制造。

9、濟南柴油機股份有限公司 CNPC Jichai Power Equipment Company(F)

（簡稱濟柴）是中國石油天然氣集團公司控股的國有股份制企業，1996年在深圳證券交易所上市，簡稱“石油濟柴”，股票代碼000617。

濟柴位于山東濟南經濟開發區，資產總額323306萬元，在職員工1862人。濟柴的核心業務是中大功率內燃機研發制造，目前擁有可應用于多領域、適用于多燃料的陸用機、船用機、氣體機三大系列產品集群，功率覆蓋150-2400kW。年產內燃機及配套機組5000臺以上。

濟柴經過十余年的跨越式發展，現已成為世界主流石油鉆井動力制造商，中國最大的非道路用中高速中大功率內燃機研發制造企業，國家重要場合和重點項目動力發電設備的主要供應商，以及中國海軍裝備定型產品的指定供應商。

濟柴通過了國家4A級標準化良好行為企業審核和質量、健康安全、環境管理體系和HSE管理體系認證，被中國質量協會評為質量信譽3A級企業。獲得國家質量管理獎、全國用戶滿意企業、國家一級計量單位等榮譽稱號。

濟柴擁有27項國家及行業標準制定權，全國燃氣發電設備標準化技術委員會，全國內燃機標準化技術委員會燃氣發動機工作組，全國石油鉆采設備和工具標準化技術委員會鉆采動力標準化工作部均設在濟柴。

濟柴發動機產品曾榮獲國家唯一的大功率內燃機金質獎，氣體機獲中國氣體發動機行業最具影響力品牌，船用柴油機連年被評為中國漁船行業名牌產品。濟柴產品還分別通過了歐盟SGS、法國和俄羅斯海洋船級社等國際認證。

產品廣泛應用于石油鉆探、船用動力、可燃氣體利用、電站、機車、軍用等領域。濟柴產品裝備了中國90%以上的石油鉆井隊，并應用于西氣東輸、青藏鐵路建設、大型煤礦、海洋鉆井平臺、尼日爾等國外大型電站等重點項目，還為國家黨政機關、海軍潛艇基地、航天基地、通訊領域等重要場合提供了常備及應急發電設備。濟柴產品遍布全國油氣田和32個省、自治區、直轄市及港澳臺地區,出口到世界50多個國家和地區。

10、陜西柴油機重工有限公司Shaanxi Diesel Engine Heavy Industry Co., Ltd.(F)公司簡介

陜西柴油機廠（SXD）是中國船舶重工集團公司（CSIC）所屬的國內規模最大的中、高速大功率船用柴油機專業制造廠和柴油發電機組成套廠。是我國“一五”期間投資興建的156項重點工程之一，屬國家機械工業665個骨干企業之一。工廠地處西安郊外，距西安咸陽國際機場40公里，工廠鐵路專線與隴海線相接。工廠占地面積113萬平方米，擁有固定資產3.98億人民幣。現有職工5700余人，其中中級職稱400余人，高級職稱130多人。

主要生產MAN機、大發及MTU機及法國熱機協會機。

工廠已建立了完善的質量保證體系機構，設有質量管理委員會，質量管理長抓不懈。1984年獲得中國船檢局頒發的《工廠認可證書》，1986年獲《國家二級計量合格證》，1991年通過軍保體系驗收，1997年復檢合格，1998年通過ISO9001質量體系認證。1999年5月通過了海軍第二方認定注冊。目前質量體系運行有效，產品質量穩定。工廠1998年獲自營進出口權。

11、上海新中動力機廠Shanghai Qiyao Engine Company Limited(F, TC)

公司簡介

創建于1925年的上海新中動力機廠是中國船舶重工集團公司七一一所所屬生產中速柴油機和廢氣渦輪增壓器的專業工廠。工廠現有職工約800人，其中各項專業技術人員282名，占地面積93700平方米，各類設備799臺。擁有鑄造、焊接、冷作、扳金、熱處理、CNC加工，精密計量、三座標測試、裝配、試驗等適合于往復機械、回轉機械生產的整套工藝技術裝備。目前我廠主要產品有： 引進德國MAN B&W公司專利技術生產的L16/24系列柴油機； 引進德國MAN B&W公司專利技術生產的L21/31系列柴油機； 引進德國MAN B&W公司專利技術生產的L27/38系列柴油機； 自行研制并生產的新一代LA250Z重油柴油機、L250Z系列重油柴油機； 引進德國MAN B&W公司專利技術生產的L+V20/27系列柴油機，目 前是世界上唯一生產此系列柴油機的制造廠； 引進德國MAN B&W公司專利技術生產的NR系列徑流增壓器； 自行開發生產的CXZ系列軸流增壓器； 自行開發生產的生物質氣發動機； 引進日本TANABE專利技術生產的空氣壓縮機和PWC系列水泵。工廠還具有較強的鑄造能力，以鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵為主的鑄件，其產品質量達到美國、德國、日本的行業標準，產品遠銷國內外；與深圳瑪西普醫學科

技發展有限公司合作生產了目前世界上最新一代伽瑪刀治療設備（主機加工）；以及其它非船舶產品。工廠生產的中速柴油機先后為秦山核電站、上海人民廣播電臺堤橋發射臺、北京總參通訊部、國家氣象局、葛洲壩水電站、遠望一號衛星發射觀察船舶等提供了應急發電機組和移動應急電站。產品質量體系通過了中國新時代質量認證中心的審核，并取得IS9001質量證書，同時得到世界各主要船級社的認可，屢獲國家、上海市、船舶行業優質產品獎。工廠還曾從瑞士ABB公司引進專有技術生產了VTR、VTC系列廢氣渦輪增壓器。今后工廠將建成具有現代化企業制度的有限責任公司，加大科技開發力度，達到年產200臺中速柴油機的生產能力。上海新中動力機廠愿以良好的信譽，竭誠與國內外朋友在技術、貿易合作、來料加工、合作生產和合資經營等方面攜手共進、大展宏圖。

12、STX(Dalian)Engine Co., Ltd.(T)

13、STX Heavy Industry Fushun Co., Ltd.(F)

14、濰柴重機股份有限公司Weichai Heavy Machinery Co., Ltd.(F)公司簡介

濰柴重機股份有限公司（以下簡稱濰柴重機，SZ000880，原山東巨力股份有限公司）于１９９８年在深圳證券交易所上市。但由于行業競爭激烈和管理不善，２０００年以后，公司經營業績呈逐年下滑之勢，并自2003年起陷入連年虧損的境地，面臨退市的危險。

為維護廣大股東利益和公司的社會形象，2006年，根據山東省汽車工業發展規劃和國有企業重組改制的精神，在濰柴重機原有資產、負債置出后，濰坊柴油機廠以其所屬的中速柴油機和發電設備制造等優良的經營性資產，置入濰柴重機，成為本公司的控股股東。更為重要的是，迅速扭轉了企業連年虧損的局面，實現了公司經營范圍和戰略方向的重大轉變，為保證公司盡快擺脫困境、實現持續快速健康發展奠定了基礎。

實現資產置換后的濰柴重機，主要生產6160系列、6170系列、8170系列、CW200系列中速柴油機和15KW到1250KW的柴油發電機組。目前，中速柴油機功率覆蓋164-1800千瓦，其中，6160A型中速柴油機獲得國家質量銀質獎，社會保有量達到10萬臺以上；CW200發動機由公司設立于重慶江津的分公司生產，為引進M A N公司全套技術研發生產的新一代產品，具有可靠性高、經濟性好、便于維修等優點。公司生產的柴油發電機組2004年通過了國家通信專用發電機組認證，2005年通過了國家內燃機發電機組質量監督檢驗中心的高原認證和德國萊茵中心的CE認證，主要包括陸用發電機組及船用發電機組，可廣泛應用于通信、鐵路、高速公路、廣播電視系統、機場地面電源、防空設施、銀行、高層樓宇、賓館、醫院、消防等重要部門及各類船舶作為不間斷電源和備用、常用及應急電源。

公司建有遍布全國的營銷網絡和維修服務、配件供應中心，經過多年的不懈努力，形成了強大的品牌美譽度和用戶忠誠度。中速柴油機占有國內船舶動力市場80%的市場份額，是中國最普及和成熟的船用柴油機產品，并大批量出口越南、印尼、菲律濱等國，在當地享有極高的品牌聲譽；柴油發電設備占據國內市場的半壁江山，是中國最大的柴油發電設備生產商。

公司導入5S管理方法，強抓精益生產工作，不斷提升現場管理水平，實現生產組織的全過程控制。1996年取得ISO9001質量管理體系證書，2004年獲得英國標準協會BSI頒布的ISO/TS16949：2002體系認證證書，以高技術、高性能、高質量和一流的服務飲譽國內外。

公司將以做強做大民族動力為己任，加快引進適應中國船舶動力和發電設備市場的新產品，努力加快技術自主創新，進一步提升企業的競爭力，拓展國內外市場，保持持續健康發展，繼續穩居中國中速機和柴油發電設備領先地位，躋身世界強者之林。

http://www.tmdps.cn/

17、洋普重機Zhejiang YungPu Heavy Machinery Co., Ltd.(T)公司簡介

洋普重機創立于2008年,總投資20億,工廠占地面積1200畝,廠房建造面積46萬m2,分二期進行,第一期于2008年1月開始于2009年8月結束,年產缸徑500以下低速柴油機120臺，總功率為100萬馬力。第二期于2009年8月開始，于2011年12月結束，年產缸徑500以下低速柴油機300臺，缸徑500以上為120臺，總功率500萬馬力。在此基礎上，不斷擴產，至2015年年產柴油機600臺，總功率向1000萬馬力的目標邁進，實現銷售額近200億。屆時，洋普重機將成為國內最大的柴油機制造企業。

洋普重機現正采用國際一流生產設備，運用現代化的管理手段，引進一流的國內外柴油機專家為生產國際一流品質而努力。

公司的工廠設計采用物流全封閉運作系統，無紙化辦公系統，5S管理體系來實現現代化的管理模式。

18、鎮江中船設備有限公司ZHENJIANG CME CO., LTD.(T, F)

公司簡介

鎮江中船設備有限公司是中國船舶工業集團公司直屬企業，是由鎮江船用柴油機廠等中船集團公司駐鎮企業按現代企業制度要求，經過資產重組設立的有限責任公司。公司于2001年11月8日正式掛牌運營，注冊資本13332萬元，法定代表人孫偉。公司本部占地面積20.1萬平方米，現有員工900余人。

公司經營范圍：船用柴油機、增壓器、船用輔機、起重機械、船用螺旋槳、其它機械及其配件的制造、銷售；各種銅合金、鋅合金、鋁合金的制造、銷售；經營本企業自產產品的出口業務和本企業所需的機械設備、零配件、原輔材料的進口業務。

公司先后與日本日立造船株式會社、芬蘭瓦錫蘭推進裝置聯合有限公司、香港榮廣發展有限公司等投資興建鎮江正茂日立造船機械有限公司、鎮江中船瓦錫蘭螺旋槳有限公司、鎮江中船現代發電設備有限公司，分別擁有50%、45%、和48%的股權；與南京綠洲機器廠合資組建了南京中船綠洲機器有限公司，持股比例14%；同時，受中船集團公司委托，代行中船集團公司對正茂集團有限責任公司的股東權。

19、中基日造柴油機有限公司Zhongji Hitachi Zosen Diesel Engine Co., Ltd.(T)公司簡介

中基日造柴油機有限公司是由大新華物流控股（集團）有限公司、日立造船株式會社、舟基（集團）有限公司共同投資的中外合資企業，于2009年2月正式注冊登記成立。公司位于舟山本島北部的舟山經濟開發區新港工業基地，廠區總用地面積474.4畝，目前是浙江省唯一的船舶用低速柴油機制造企業。

公司引進日立造船雄厚的制造技術和管理經驗，以“員工企業同發展” 為核心價值觀，營造優秀人才發展平臺，打造國內一流柴油機制造企業。

公司一期計劃年產柴油機達80臺，將形成150萬馬力的年生產能力。二期計劃將形成300萬馬力的年生產能力。已與德國曼恩公司（MAN Diesel A/S）簽訂MAN B&W主機專利許可生產協議，產品覆蓋350-980mm缸徑的MAN B&W全系列低速柴油機。

公司以可靠的產品質量和售后服務，愿與國內外客戶攜手合作，共謀發展。

20、青島齊耀瓦錫蘭菱重麟山船用柴油機有限公司 Qingdao Qiyao Wartsila MHI Linshan Marine Diesel Co., Ltd.公司簡介

青島齊耀瓦錫蘭菱重麟山船用柴油機有限公司（Qingdao Qiyao Wartsila MHI Linshan Marine Diesel Co., Ltd, 英文簡稱QMD），是由青島齊耀麟山動力發展有限公司(QQLPDC)與荷蘭熊貓新科股份有限公司（PSH）在2006年底共同出資注冊成立的中外合資企業。其中，QQLPDC是由中國船舶重工集團公司（CSIC）下屬的上海船用柴油機研究所（SMDERI）和宜昌船舶柴油機廠（YMD）共同成立，PSH是由世界著名的中低速柴油機制造公司芬蘭瓦錫蘭集團（W?rtsil?）和日本三菱重工（MHI）共同組建。

公司位于青島海西灣造修船基地。青島海西灣造修船基地是國家中長期發展規劃環渤海灣造船基地建設的一個重要組成部分，位于膠洲灣西南端，北緯35-36度，是常年不凍不淤的深水良港，與海運重要港口青島前灣港相鄰，地理位置優越，交通便利，氣候適宜。

公司全套引進芬蘭W?rtsil?公司和日本MHI公司的產品設計、先進技術和管理經驗，擁有大型數控生產設備和檢測裝置，主要制造、測試500mm～960mm缸徑的RT-flex和UEC系列二沖程低速柴油發動機，可為船東和船廠提供優質可靠的船用主柴油機選型。

公司注冊資本4.8億元人民幣，總投資為12億元人民幣，公司于2007年10月開工建設，2008年四季度正式投產，2009年三月份生產的第一臺機7RT-flex60C已經交付。公司分兩期建設，一期年生產能力為100萬馬力，二期年生產能力將擴至350萬馬力，以滿足日益增長的國內和國際船用柴油機市場需求。

21、廣州柴油機廠股份有限公司Guangzhou Diesel Engine Factory CO.,LTD公司簡介

廣州柴油機廠股份有限公司是廣州機電集團（控股）有限公司的下屬公司。廣州柴油機廠股份有限公司創業于1911年，是中國柴油機制造業中歷史最悠久的企業之一。一直以來，廣州柴油機廠股份有限公司秉承雄厚的實力、可靠的質量、優質的服務、良好的信譽，逐步形成“廣柴品牌”，在全國500家最大機械工業企業中位居前列，被列為廣東省重點裝備企業之一。

廣州柴油機廠股份有限公司現有職工1100人，是一支高素質的管理干部、技術精湛的工程技術人員和技術工人隊伍，是企業賴以生存和持續發展的堅強后盾。廠區綠樹成蔭，環境優美，占地面積16萬m2，廠房面積9萬m2，有綜合辦公樓，技術大樓以及鑄造車間，機械加工車間，總裝配車間等，具有“花園式企業”的美譽。

廣州柴油機廠股份有限公司是中國華南地區最大的中速柴油機生產專業廠家，擁有鑄造、機加工、裝配、試驗等一系列工藝設備和手段。鑄造車間專業生產大中型球墨鑄鐵件，優質合金鑄鐵件，具備年產8000多噸鑄件生產能力。機械加工車間擁有多臺高精度的大、中型臥式、立式及五面體等數控設備和加工中心，還有一批較先進的進口機械加工設備。裝配車間生產能力可達到年產柴油機30萬kW，試驗車間具有多個大功率柴油機試驗臺架，以及各種先進測試設備，對產品進行檢測。柴油機產品技術在國內同行中處于領先地位，產品銷售覆蓋全國各地，并出口到印尼、越南、柬埔寨、馬爾代夫、孟加拉等國家。

廣州柴油機廠股份有限公司全面貫徹實施ISO9001質量標準體系并通過認證，以“可靠、耐用、經濟；確保同行同類企業領先地位”為宗旨，為客戶提供優質滿意的服務。

產品范圍

·生產中速大功率船用柴油機及柴油發電機。

·現有300、320、230三個系列50多個品種，具有國際先進水平的大功率、節能、環保型的天然氣發動機正在開發中。

·現有產品功率覆蓋范圍從400馬力到3300馬力,正在開發的G32型柴油機最大功率超過5000馬力。·主產品320、230系列柴油機獲得國際海事組織（IMO）《柴油機國際防止空氣污染符合證明》，是環保型的發動機。

22、珠海玉柴船舶動力股份有限公司 Zhuhai Yuchai Marine Power CO.,LTD公司介紹

公司位于美麗的“百島之市”——珠海，由廣西玉柴機器集團有限公司投資，生產和銷售低速大功率船用柴油機。本項目總投資為25億元，一期投資10億元，形成年產120萬馬力船用發動機生產能力；二期累計投資15億人民幣，向大缸徑機型發展，累計形成產能300萬馬力/年，被列為廣東省“調結構，促增長”重點項目之一。公司引進瓦錫蘭生產許可證，制造瓦錫蘭RT-flex35、RT-flex40、RT-flex48、RT-flex50全電控共軌船用低速柴油機，功率范圍為3475-13960kw。

玉柴集團創建于1951年，坐落于素有“千年古州，嶺南都會”美稱的廣西玉林市。現有員工17000人，總資產172億元。是中國最大的內燃機生產基地、最大的中小型工程機械生產出口基地，柴油發動機單廠產銷規模居重中型商用車領域全球第一位，被譽為“中國綠色動力之都”。位列中國企業500強排行榜第265位，中國機械500強第21位，中國500最具價值品牌第111位，品牌價值71.19億元。

第三篇：畢業設計(論文)柴油機連桿加工工藝設計說明書

畢業設計（論文）柴油機連桿加工工藝設計說明書

畢業設計論文任務書

專業 機械設計制造及其自動化 班級 機械051 姓名 下發日期 200-3-10 題目 12V180C柴油機加工工藝設計

藝設計

要 內 容 及 要

求 設計內容首先仔細分析所要加工零件的結構技術要求生產綱領等內容從而制定一套該零件的加工工藝規程認真分析該加工工藝規程的優點進而繪制出各個主要工序的工序卡片設計主要工序的機床夾具分析計算定位誤差設計機床夾具的主要零件

要求根據給定的12V180系列柴油機零件圖制定出符合加工技術要求的加工工藝工藝規程并對所制定的加工工藝規程進行可行性和優化性比較從而制定出較好的加工工藝設計重要工序的工藝裝備要求的圖紙量折合為零號圖后不少于四張設計說明書不少于三萬字

度

主要技術參數 進 主

專題

12V180柴油機加工工及 完 成 日 期

3月30日至4月10日2周 根據設計任務書要求查閱資料完成外文翻譯工作

4月13日至4月24日2周 繪制連桿零件圖熟悉連桿的結構初步確定連桿的加工工藝過程

4月27日至5月8日2周確定連桿機械加工工藝過程設計部分工序的工藝過程

5月11日至5月22日2周了解機床夾具設計的基本原則繪制重要工序夾具簡圖

5月25日至5月29日 1周 繪制重要工序的夾具圖 6月1日至6月12日2周 編寫設計說明書 6月15日至6月21日1周 修改整理資料打印資料 6月22日至6月23日2天 答辯

任簽字 日 期 指導教師簽字 日 期

導 教 師 評 語

教學院長簽字 日 期 教研室主

指

指導教師 年 月 日 指 定 論 文 評 閱 人 評 語

評閱人

年 月 日

定 成

績 指導教師給定 成績 30 評閱人給定 成績 30 答辯成績 40 總 評 答辯委員會主席 簽字

答 辯 委 員 會 評 語 評

連桿機構中兩端分別與主動和從動構件鉸接以傳遞運動和力的桿件例如在往復活塞式動力機械和壓縮機中用連桿來連接活塞與曲柄連桿多為鋼件其主體部分的截面多為圓形或工字形兩端有孔孔內裝有青銅襯套或滾針軸承供裝入軸銷而構成鉸接連桿是汽車發動機中的重要零件它連接著活塞和曲軸其作用是將活塞的往復運動轉變為曲軸的旋轉運動并把作用在活塞上的力傳給曲軸以輸出功率連桿在工作中除承受燃燒室燃氣產生的壓力外還要承受縱向和橫向的慣性力因此連桿在一個復雜的應力狀態下工作它既受交變的拉壓應力又受彎曲應力連桿的主要損壞形式是疲勞斷裂和過量變形通常疲勞斷裂的部位是在連桿上的三個高應力區域連桿的工作條件要求連桿具有較高的強度和抗疲勞性能又要求具有足夠的鋼性和韌性連桿是柴油機的主要傳動件之一本文主要論述了連桿的加工工藝及其部分工序夾具設計確定加工的生產綱領及生產類型確定的毛坯材料及尺寸確定毛坯加工余量設計加工工藝確定部分重要工序所用的工藝裝備和設備計算部分重要工序的切削用量和基本時間設計重要工序所用的夾具連桿的尺寸精度形狀精度以及位置精度的要求都很高而連桿的工作環境惡劣剛性比較差容易產生變形因此在安排工藝過程時就需要把各主要表面的粗精加工工序分開逐步減少加工余量切削力及內應力的作用并修正加工后的變形才能最后達到零件的技術要求

關鍵詞 連桿變形加工工藝夾具設計Abstract At both ends of linkage with the active and passive components in order to convey movement and the hinged edge of the bar For example in reciprocating piston compressor and power machinery to connect the piston with connecting rod and crank Connecting rod for steel parts the main part of the cross section for the round or shaped both ends have a hole or holes with needle bearing bronze bushing for the pin into and constitute a hinged axis Linkage is an important automotive engine parts it is connected to the piston and the crankshaft its role is to the reciprocating piston movement into rotary movement of the crankshaft and the role of the force in the piston to the crankshaft to the output power Link at work in addition to gas produced by the combustion chamber under pressure also have to face the vertical and horizontal inertia force Therefore the connecting rod in a complex work under the stress state It is subject to alternating stress of tension and compression but also by the bending stress Link the main form of fatigue damage and excessive deformation Usually the site of fatigue fracture in the connecting rod on the three regions of high stress Requirements of the working conditions of connecting rod connecting rod has higher strength and fatigue performance also requires adequate and toughness of steelThe connecting rod is one of the main driving medium of diesel engine this text expounds mainly the machining technology and the design of clamping device of the connecting rod The precision of size the precision of profile and the precision of position of the connecting rod is demanded highly and the rigidity of the connecting rod is not enough easy to deform so arranging the craft course need to separate the each main and superficial thick finish machining process Reduce the function of processing the surplus cutting force and internal stress progressively revise the deformation after processing can reach the specification requirement for the part finally Keyword Connecting rod Deformination Working environment Processing technology Design of clamping device 目錄 摘要 I Abstract II 目錄 III 第1章 緒論 1 11機車柴油機簡介 1 com 柴油機概述 com油機簡介 2 12連桿簡介及連桿加工工藝分析 4 com作用 4 com械加工工藝技術關鍵分析 4 com要研究內容 第2章 連桿加工工藝規程 21機械加工工藝規程簡介 6 com工工藝規程的作用 6 com工工藝規程的制定程序 6 22計算產品生產綱領確定生產類型 6 23審查零件圖樣工藝性 24選擇毛坯 7 25工藝過程設計 8 com準的選擇 8 com段的劃分與工序順序的安排 10 com藝路線 11 26 確定毛坯加工余量及毛坯尺寸 13 com算連桿機械加工余量的方法 13 com 設計毛坯圖 27 部分重要工序設計 15 com分重要工序介紹 com分重要工序工序尺寸 16 com削用量及基本時間 17 第3章 夾具設計 28 31機床夾具的分類基本組成及功能 28 31 1機床夾具的分類 28 com具的基本組成 28 com用夾具的主要功能 28 com用夾具設計的基本要求 29 32 12V180C 系列柴油機連桿銑剖分面夾具設計 com指出 29 com 夾具設計 30 33 12V180C系列柴油機連桿鏜大小頭孔夾具設計29

com 問題的指出 com 夾具設計 32 結論 34 參考文獻 35 致謝 36 附件1 37 附件2 62

第1章 緒論 11機車柴油機簡介 com 柴油機概述

柴油機是一種動力機械它以柴油為燃料將柴油燃燒而產生的熱能轉化為機械能柴油機廣泛應用在工農業交通運輸國防及人民日常生活中柴油機的型式很多一般可按下述幾種方式分類

①按工作方式二沖程四沖程 ②按汽缸數單缸多缸

③按汽缸直徑95105135 mm 等

柴油的特點是自燃溫度低所以柴油發動機無需要火花塞之類的點火裝置它采用壓縮空氣的辦法提高空氣溫度使空氣溫度超過柴油的自燃測試這時再噴入柴油柴油噴霧和空氣混合的同時自己點火燃燒從性能上說國內傳統柴油機一直給人以體積笨重振動噪聲大以及排放污染嚴重的印象因此國產轎車基本都采用汽油發動機然而近年來國外知名車商開始將一些最新的柴油機技術引入到中國大大改善了國人對柴油機的偏見譬如一汽大眾剛剛推出寶來TDI柴油發動機其環保性動力性以及平順性都不遜于汽油機同時又具有柴油機特有的巨大扭力和超低油耗市場前景十分看好

2柴油機結構及工作原理

結構柴油機由燃燒室組件動力傳遞組件機體和主軸承配氣機構燃油系統和調速器潤滑系統冷卻系統起動系統構成

工作原理柴油機工作時一般分為吸氣壓縮爆發排氣等步驟開始時活塞從上止點下行到下止點將新鮮空氣吸入氣缸然后從下止點上行到上止點將吸入的氣體壓縮使其壓力及溫度升高當接近上止點時氣體溫度已超過柴油燃點此時由噴油嘴將柴油噴入迅速燃燒高溫高壓燃氣推動活塞下行做功之后活塞再次從下止點上行將廢氣排出氣缸完成一個循環活塞往復不停地工作帶動連桿使曲軸轉動就從曲軸上把動能傳輸出來1機車柴油機概述

機車柴油機locomotive diesel engine是指用于內燃機車內燃車組或內燃動車的柴油機機車柴油機具有高功率強化柴油機的典型特征一般為四沖程V型機以12缸16缸最為普遍也有直列式6810缸的柴油機的寬度和高度受鐵路機車車輛限界標準的限制機車的允許軸重對柴油機重量也有一定的限制現代機車柴油機不斷提高增壓度見內燃機增壓同時加大氣缸排量大功率柴油機的單機功率已達5000千瓦平均有效壓力為13～20兆帕燃料消耗率為200～225克千瓦2時柴油機的附件如冷卻水散熱器風扇和空氣濾清器等均布置在機車廂內機油濾清器機油換熱器一般也布置在機車廂內柴油機幾乎都采用電起動方式只有個別的采用空氣起動調速系統大多采用液壓全速調速器并裝有超速停機油壓保護和超溫卸載等自動安全保護裝置

2對機車柴油機的性能要求

機車在鐵路上運行時線路狀況不時變化又需要按計劃時間運行因而要求機車柴油機的轉速和功率在相當寬的范圍內變化從運行工況的時間比例來看部分負荷約占50％空轉占40％左右而標定工況的使用時間很少鐵路分布地區廣泛列車運行時的自然環境條件也在改變這就要求柴油機具有廣泛的適應能力

對機車柴油機的性能要求是不僅在標定工況下而且更重要的是在部分負荷和空轉時燃油和機油的消耗量小經濟性應與機車牽引特性相適應有一個經濟性最好的最低空載穩定轉速性能指標隨環境條件的變化小噪聲低排氣煙塵和有害成分少冷機或熱機均能連續可靠起動一般在5℃氣溫時起動時間不超過10秒

2機車柴油機在中國的發展歷程

柴油機發明后屢經研究試圖將柴油機用于鐵路牽引1913年瑞典最先制造了以55千瓦 75馬力 柴油機為動力的第一臺電力傳動內燃動車但在1950年以前鐵路車輛的牽引動力主要仍是蒸汽機車50年代內燃機車因有較好的能源利用率可以改善列車牽引經濟性而獲得了廣泛的應用并逐步取代了蒸汽機車到80年代初世界上內燃機車已占機車總數的23 中國于1958年自行制造內燃機車 長辛店機車車輛廠制成了國產第一臺內燃機車---建設型直流電力傳動調車內燃機車機車裝有2臺B2-300型柴油機總裝車功率為23300馬力最高速度80kmh該機車基本上是按從匈牙利進口的ND1型內燃機車仿造試制的

1969年1970年和1977年四方廠戚墅堰廠和資陽內燃機車廠以下簡稱資陽廠先后制造了6臺4500馬力等級的東方紅4型貨運液力傳動內燃機車機車裝用2臺16V200ZL型柴油機最高速度100kmh 1970年四方廠開始生產援助坦-贊鐵路和越南等國的裝用12V180ZJ型柴油機的1000馬力的DFH1345型和2000馬力的DFH2型液力傳動內燃機車總數達163臺這是最早走出國門的國產內燃機車本文所研究就是12V180ZJ型柴油機氣缸蓋的加工工藝過程

1999年8月戚墅堰廠和浦鎮車輛廠合作制成了M9T雙M編組的新曙光號電力傳動雙層內燃車組媒介動力車機車裝用1臺12V280ZJ型柴油機車組總功率為233750馬力席位1140個最高速度180kmh試驗時達到1904kmh其他工廠的內燃動車也正在試制開發當中 內燃動車組的發展不僅提高了鐵路在國內運輸市場的競爭能力還提高了在國際市場上的競爭能力也為21世紀初葉我國鐵路客運提供了新的運輸工具

3機車柴油機發展方向

機車柴油機發展重點是在機車車輛限界和機車軸重允許的條件下不斷提高功率一個重要的趨勢是采用低壓縮比與二級增壓相配合的方法提高功率提高可靠性和耐久性以延長柴油機壽命提高經濟性特別是改善部分負荷過渡工況和空轉時的經濟性應用電子技術實現運行工況優化和故障自動監控降低噪聲和減少排氣中的有害成分防止污染改善機車用柴油機增壓器的跟隨性等

內燃機車可靠性與可維修性設計也是國外大功率內燃機車的一個發展方向經驗表明大功率交流傳動內燃機車無故障運行能力要比傳統的直流傳動內燃機車大４０％左右可靠性提高除通過結構方面的改進外一個顯著的特點是叫可靠性技術的應用提高內燃機車可靠性問題不只是通過對薄弱零件改進來解決而且要將可靠性技術貫穿于內燃機車設計試驗制造使用維修和管理等各個環節中形成一個系統工程在設計中除采用概率統計方法把影響應力和強度的各因素視為隨機變量運用可靠性理論保證所設計的零部件具有規定的可靠度外還要進行可靠性規劃與設計主要包括建立可靠性模型將系統可靠性指標分配給各級組成部分進行可靠性分配根據設計方案進行可靠性預測按照設計方案進行故障模式影響及危害性分析ＦＭＥＣＡ及故障樹分析ＦＴＡ等找出影響可靠性安全性的關鍵部件及薄弱環節國產第４代內燃機車應具有可靠性維修性及模塊化設計

圖1-1活塞連桿組

連桿是將活塞的往復運動轉變成曲軸旋轉運動的中間構件

連桿由連桿小頭桿身連桿大頭三部分組成連桿小頭承受著活塞組產生的往復慣性力桿身承受著氣缸內燃機氣壓力所產生的壓應力以及往復慣性力產生的拉應力由制造誤差產生的桿身斷面偏移也會在桿身上形成附加彎曲應力連桿大頭承受著往復慣性力和不包括連桿蓋在內的連桿離心慣性力

對連桿的基本要求是

1連桿小頭應具有足夠的強度和剛度并使連桿小頭軸承比壓控制在合理范圍內

2桿身應具有足夠的疲勞強度盡可能小的質量良好的鍛造工藝性 3連桿大頭應具有足夠的剛度以減小運轉時的變形防止軸承熱熔接連焊軸承應具有足夠的承載面積

4連桿螺栓應具有足夠的疲勞強度和一定的超轉速工作能力

本論文主要研究大內容主要有 確定加工的生產綱領及生產類型

確定的毛坯材料及尺寸確定毛坯加工余量 設計加工工藝

確定部分重要工序所用的工藝裝備和設備 計算部分重要工序的切削用量和基本時間 設計重要工序所用的夾具 第2章 連桿加工工藝規程 21機械加工工藝規程簡介 com工工藝規程的作用

1機械加工工藝規程是組織車間生產的主要技術文件機械加工工藝規程是車間中一切從事生產的人員都要嚴格認真貫徹執行的工藝技術文件按照它組織生產就能做到個工序科學的銜接實現優質高產和低消耗

2機械加工工藝規程是生產準備和計劃調度的主要依據有了機械加工工藝規程在產品投入生產之前就可以根據它進行一系列的準備工作如原材料和毛坯的供應機床的調整專用工藝裝備如專用夾具刀具和量具的設計制造生產作業計劃的編排勞動力的組織以及生產成本的核算等有了機械加工工藝規程就可以制所生產產品的進度計劃和相應的調度計劃使生產均衡順利的進行

3機械加工工藝規程是新建或擴建工廠車間的基本技術文件在新建或擴建工廠車間時只有根據機械加工工藝規程和生產綱領才能準確確定生產所需機床的種類和數量工廠和車間的面積機床的平面布置生產工人的工種等級數量以及個輔助部門的安排等

制定機械加工工藝規程的原始資料主要是產品圖樣生產綱領生產類型現場加工設備及生產條件等設計機械加工工藝規程的程序一般為

1分析加工零件的工藝性主要包括審查零件結構的工藝性及了解零件的各項技術要求分析產品的裝配圖和零件的工作圖熟悉該產品的用途性能及工作條件明確被加工零件在產品中的位置和作用等

2熟悉和確定毛坯 3擬定加工工藝路線 4工序設計 5 編制工藝文件

180C柴油機的該產品年產量為150臺設其備品率為10機械加工廢品率為1現制定該活塞的機械加工工藝規程

N Qn 1αβ 150 1101 166件年

連桿的年產量為166件現已知該產品屬于輕型機械根據《機械制造工藝設計簡明手冊》表11-2生產類型與生產綱領的關系可確定其生產類型為中批生產

零件圖樣的視圖正確完整尺寸公差及技術要求齊全 24選擇毛坯

連桿在工作中承受多向交變載荷的作用要求具有很高的強度因此連桿材料一般采用高強度碳鋼和合金鋼如45鋼55鋼40Cr40CrMnB等近年來也有采用球墨鑄鐵的粉末冶金零件的尺寸精度高材料損耗少成本低隨著粉末冶金鍛造工藝的出現和應用使粉末冶金件的密度和強度大為提高因此采用粉末冶金的辦法制造連桿是一個很有發展前途的制造方法

連桿毛坯制造方法的選擇主要根據生產類型材料的工藝性可塑性可鍛性及零件對材料的組織性能要求零件的形狀及其外形尺寸毛坯車間現有生產條件及采用先進的毛坯制造方法的可能性來確定毛坯的制造方法根據生產綱領為大量生產連桿多用模鍛制造毛坯連桿模鍛形式有兩種一種是體和蓋分開鍛造另一種是將體和蓋鍛成體整體鍛造的毛坯需要在以后的機械加工過程中將其切開為保證切開后粗鏜孔余量的均勻最好將整體連桿大頭孔鍛成橢圓形相對于分體鍛造而言整體鍛造存在所需鍛造設備動力大和金屬纖維被切斷等問題但由于整體鍛造的連桿毛坯具有材料損耗少鍛造工時少模具少等優點故用得越來越多成為連桿毛坯的一種主要形式總之毛坯的種類和制造方法的選擇應使零件總的生產成本降低性能提高

目前我國有些生產連桿的工廠采用了連桿輥鍛工藝圖1-2為連桿輥鍛示意圖．毛坯加熱后通過上鍛輥模具2和下鍛輥模具4的型槽毛壞產生塑性變形從而得到所需要的形狀用輥鍛法生產的連桿鍛件在表面質量內部金屬組織金屬纖維方向以及機械強度等方面都可達到模鍛水平并且設備簡單勞動條件好生產率較高便于實現機械化自動化適于在大批大量生產中應用輥鍛需經多次逐漸成形

圖連桿輥鍛示意圖

圖給出了連桿的鍛造工藝過程將棒料在爐中加熱至1140～1200C0先在輥鍛機上通過四個型槽進行輥鍛制坯見圖然后在鍛壓機上進行預鍛和終鍛再在壓床上沖連桿大頭孔并切除飛邊見圖鍛好后的連桿毛坯需經調質處理使之得到細致均勻的回火索氏體組織以改善性能減少毛坯內應力為了提高毛坯精度連桿的毛坯尚需進行熱校正

連桿必須經過外觀缺陷內部探傷毛坯尺寸及質量等的全面檢查方能進入機械加工生產線

輥鍛制坯

在連桿機械加工工藝過程中大部分工序選用連桿的一個指定的端面和小頭孔作為主要基面并用大頭處指定一側的外表面作為另一基面這是由于端面的面積大定位比較穩定用小頭孔定位可直接控制大小頭孔的中心距這樣就使各工序中的定位基準統一起來減少了定位誤差具體的辦法是如圖15所示在安裝工件時注意將成套編號標記的一面不

圖連桿的定位方向

與夾具的定位元件接觸在設計夾具時亦作相應的考慮在精鏜小頭孔及精鏜小頭襯套孔時也用小頭孔及襯套孔作為基面這時將定位銷做成活動的稱假銷當連桿用小頭孔及襯套孔定位夾緊后再從小頭孔中抽出假銷進行加工 為了不斷改善基面的精度基面的加工與主要表面的加工要適當配合即在粗加工大小頭孔前粗磨端面在精鏜大小頭孔前精磨端面

由于用小頭孔和大頭孔外側面作基面所以這些表面的加工安排得比較早在小頭孔作為定位基面前的加工工序是鉆孔擴孔和鉸孔這些工序對于鉸后的孔與端面的垂直度不易保證有時會影響到后續工序的加工精度

在第一道工序中工件的各個表面都是毛坯表面定位和夾緊的條件都較差而加工余量和切削力都較大如果再遇上工件本身的剛性差則對加

工精度會有很大影響因此第一道工序的定位和夾緊方法的選擇對于整個工藝過程的加工精度常有深遠的影響連桿的加工就是如此在連桿加工工藝路線中在精加工主要表面開始前先粗銑兩個端面其中粗磨端面又是以毛坯端面定位因此粗銑就是關鍵工序在粗銑中工件如何定位呢一個方法是以毛坯端面定位在側面和端部夾緊粗銑一個端面后翻身以銑好的面定位銑另一個毛坯面但是由于毛坯面不平整連桿的剛性差定位夾緊時工件可能變形粗銑后端面似乎平整了一放松工件又恢復變形影響后續工序的定位精度另一方面是以連桿的大頭外形及連桿身的對稱面定位這種定位方法使工件在夾緊時的變形較小同時可以銑工件的端面使一部分切削力互相抵消易于得到平面度較好的平面同時由于是以對稱面定位毛坯在加工后的外形偏差也比較小

com段的劃分與工序順序的安排

連桿的主要加工部位是大小頭端面大小頭孔次要加工部位是各種螺紋孔及倒角除機械加工外還有調質處理劃螺紋孔線探傷等另外在機械加工過程后還安排了鉗工倒角去毛刺并對連桿進行噴丸處理為連桿的組裝做好準備

加工階段的劃分 連桿機械加工工藝過程

連桿的機械加工工藝過程大致可以分為加工基準面粗鉆銑大小頭平面及大小頭孔調質處理半精鉆銑大小頭平面及大小頭孔分離連桿和連桿蓋精銑基準面并進行磨削鉆鉸锪各種孔精鉆銑大小頭平面及小頭孔和大頭軸瓦研磨重要孔的支撐面鉗工倒角去毛刺探傷后鉗工清洗組裝

連桿的大小頭平面及大小頭孔的技術要求都很嚴格所以對于這些端面安排了粗銑半精銑精車銑對于180C柴油機連桿進行粗加工時以大小頭兩端面作為精基準所以先粗加工大小頭端面然后再加工其他各主要表面各種孔的加工集中在連桿與連桿蓋連接處所以將各種孔加工完之后再精銑大小頭端面以保證重要加工表面不被破壞或劃傷

連桿蓋機械加工工藝過程

連桿蓋的機械加工工藝過程大致可以分為半精銑對接面劃孔線車孔精銑對接面鉆鉸各孔磨螺釘面修正圓角鉗工組裝劃瓦槽銑瓦槽鉗工組裝

對于連桿蓋進行粗加工時以連桿蓋一側的一端面作為粗基準然后以對接端面作為精基準加工其他的重要表面

二工序安排

在連桿加工中有兩個主要因素影響加工精度

1連桿本身的剛度比較低在外力切削力夾緊力的作用下容易變形

2連桿是模鍛件孔的加工余量大切削時將產生較大的殘余內應力并引起內應力重新分布

因此在安排工藝進程時就要把各主要表面的粗精加工工序分開即把粗加工安排在前半精加工安排在中間精加工安排在后面這是由于粗加工工序的切削余量大因此切削力夾緊力必然大加工后容易產生變形粗精加工分開后粗加工產生的變形可以在半精加工中修正半精加工中產生的變形可以在精加工中修正這樣逐步減少加工余量切削力及內應力的作用逐步修正加工后的變形就能最后達到零件的技術條件

各主要表面的工序安排如下 1兩端面粗銑精銑粗磨精磨

2小頭孔鉆孔擴孔鉸孔精鏜壓入襯套后再精鏜 3大頭孔擴孔粗鏜半精鏜精鏜金剛鏜珩磨

一些次要表面的加工則視需要和可能安排在工藝過程的中間或后面 制定工藝路線即工序設計其主要內容包括機床與工藝裝備的選擇加工余量的確定工序尺寸的確定切削用量的確定時間定額的確定等在此先確定工藝路線再在后面詳細論述機床與工藝裝備的選擇加工余量的確定工序尺寸的確定切削用量的確定時間定額的確定等內容

制定柴油機加工工藝路線的出發點應當是使其能夠合理保證氣缸蓋的幾何形狀尺寸精度及位置精度等技術要求在小批量生產的生產綱領下可以考慮廣泛采用技術水平較高的數控機床及加工中心并盡量使工序集中來提高生產率除此之外還應當綜合考慮零件特點和技術要求工藝設備與裝備的具體使用條件及經濟因素等可初步確定其加工工藝路線為

制定180C柴油機連桿工藝路線的出發點應當使連桿的幾何形狀尺寸精度及位置精度等技術要求得到合理保證在中批生產的生產條件下可以考慮采用通用夾具和部分專用夾具等并盡量使工序集中來提高生產率除此之外還應當考慮經濟因素以降低生產成本 因此經過綜合考慮最終確定180C柴油機連桿加工工藝過程如下表2-1連桿蓋的加工工藝過程如下表2-2 表2-1 180C柴油機連桿加工工藝過程 序號 工序名稱 定位基準

面

面 銑一步大平面及小平面 大小頭平銑二步小頭平面

大小頭平2 銑二步大平面 大小頭平面鉆小頭孔66

大小頭平面 銑小頭孔至695上偏差01 大銑另一側面188±

9小頭平面銑工藝面94±01 大小頭孔

01 基面和一側面粗鏜大頭孔134 基面和一側面以及小頭孔 銑工字型副板

銑落刀槽14兩側 基面和一側面精銑外形 基面和一側面精銑蓋頂面及螺釘面 鋸開 精銑一14 半精銑對接面鉆擴鉸各孔攻絲

步大平面 基面和一側面精銑另一大平面及小平面 基面和一側面半精鏜大小孔 基面和銑R25R5818 精銑另一小頭平面 基面和一側面

一側面以及大小頭孔 基面和一側面 銑兩面肋 基面和一側面 銑R75 基面和一側面 車1795下偏差-02車185 側面 24 車大端156165及148 25 磨兩平面 基面和一銑瓦槽 基

3026 精鏜大小頭孔 基面和一側面以及大小頭孔 鉆2-6油孔

面和一側面以及小頭孔 銑小孔倒角 銑7°斜

配重

鋼質鍛模件的機械加工余量按JB3835-85確定根據估算的鍛件質量加工精度及鍛件形狀復雜系數由《機械制造工藝簡明手冊》表22-25可查得除孔以外各內外表面的加工余量孔的加工余量由《機械制造工藝簡明手冊》表22-24查得表中余量值為單面余量

1鍛件質量 根據零件成品質量估算鍛件質量為1352kg 2加工精度 零件表面均為精加工和磨削加工精度 3機械加工余量 用查表法確定機械加工余量 根據《機械加工工藝手冊》第一卷 表3225 表3226 表3227平面加工的工序余量mm 平面加工的工序余量mm 單面加工方法 單面余量 經濟精度 工序尺寸 表面粗糙度

125

粗銑 IT12 69

125

精銑

毛

坯

06 IT10 678 32 08 粗磨 03 IT8 672 16

精磨 01 IT7 67 則連桿兩端面總的加工余量為

A總

A粗銑A精銑A粗磨A精磨2 150603012 mm 2連桿鑄造出來的總的厚度為H 67 72mm 一確定毛坯尺寸公差

連桿的鍛件質量1352kg形狀復雜系數S242CrMoA中合金元素含量大于30按《機械制造工藝設計簡明手冊》表22-11鍛件的材質系數為M2采取平直分模線鍛件為精密精度等級則毛坯的公差可從《機械制造工藝設計簡明手冊》表22-1422-17查得

連桿毛坯的尺寸公差如表2-2毛坯的同軸度誤差允許值為12mm殘留飛邊為12mm 毛坯圖表2-連桿鍛件尺寸公差mm 零件尺寸 單面加工余量 鍛件尺寸 偏差

Φ137 15 Φ134 1795 425

188

Φ77

Φ66 70 1 72

1 65

com分重要工序介紹

一連桿兩端面的加工

采用粗銑精銑粗磨精磨四道工序并將精磨工序安排在精加工大小頭孔之前以便改善基面的平面度提高孔的加工精度粗磨在轉盤磨床上使用砂瓦拼成的砂輪端面磨削這種方法的生產率較高精磨在M7130型平面磨床上用砂輪的周邊磨削這種辦法的生產率低一些但精度較高

連桿大小頭孔的加工

連桿大小頭孔的加工是連桿機械加工的重要工序它的加工精度對連桿質量有較大的影響

小頭孔是定位基面在用作定位基面之前它經過了鉆擴鉸三道工序鉆時以小頭孔外形定位這樣可以保證加工后的孔與外圓的同軸度誤差較小

小頭孔在鉆擴鉸后在金剛鏜床上與大頭孔同時精鏜達到IT6級公差等級然后壓入襯套再以襯套內孔定位精鏜大頭孔由于襯套的內孔與外圓存在同軸度誤差這種定位方法有可能使精鏜后的襯套孔與大頭孔的中心距超差

大頭孔經過擴粗鏜半精鏜精鏜金剛鏜和珩磨達到IT6級公差等級表面粗糙度Ra 為04μm大頭孔的加工方法是在銑開工序后將連桿與連桿體組合在一起然后進行精鏜大頭孔的工序這樣在銑開以后可能產生的變形可以在最后精鏜工序中得到修正以保證孔的形狀精度 連桿螺栓孔的加工

連桿的螺栓孔經過鉆擴鉸工序加工時以大頭端面小頭孔及大頭一側面定位 為了使兩螺栓孔在兩個互相垂直方向平行度保持在公差范圍內在擴和鉸兩個工步中用上下雙導向套導向從而達到所需要的技術要求

粗銑螺栓孔端面采用工件翻身的方法這樣銑夾具沒有活動部分能保證承受較大的銑削力精銑時為了保證螺栓孔的兩個端面與連桿大頭端面垂直使用兩工位夾具連桿在夾具的工位上銑完一個螺栓孔的兩端面后夾具上的定位板帶著工件旋轉1800 銑另一個螺栓孔的兩端面這樣螺栓孔兩端面與大頭孔端面的垂直度就由夾具保證

連桿體與連桿蓋的銑開工序

剖分面亦稱結合面的尺寸精度和位置精度由夾具本身的制造精度及對刀精度來保證為了保證銑開后的剖分面的平面度不超過規定的公差003mm 并且剖分面與大頭孔端面保證一定的垂直度除夾具本身要保證精度外鋸片的安裝精度的影響也很大如果鋸片的端面圓跳動不超過002 mm則銑開的剖分面能達到圖紙的要求否則可能超差但剖分面本身的平面度粗糙度對連桿蓋連桿體裝配后的結合強度有較大的影響因此在剖分面銑開以后再經過磨削加工

大頭側面的加工

以基面及小頭孔定位它用一個圓銷小頭孔裝夾工件銑兩側面至尺寸保證對稱此對稱平面為工藝用基準面

確定工序尺寸的一般方法是由加工表面的最后工序往前推算最后工序的工序尺寸按零件圖樣的要求標注當無基準轉換時同一表面多次加工的工序尺寸與工序或工步的加工余量有關當基準不重合時工序尺寸應用工序尺寸鏈解算 確定各主要面的工序尺寸

圓柱表面多次加工的工序尺寸只與加工余量有關前面根據有關資料已經查出本零件各圓柱面的總加工余量毛坯余量應將總加工余量分為各工序加工余量然后由后往前計算工序尺寸中間工序尺寸的公差按加工方法的經濟加工精度確定

根據《機械制造技術基礎課程設計指導教程》 表229 表234 1大頭孔各工序尺寸及其公差鑄造出來的大頭孔為55 mm 工序名稱 工序基 本余量 工序經濟

精度 工序尺寸 最小極限尺寸 表面粗糙度

1375 16 半精鏜 1

137 16 134 134 125

精鏜

04

1375136

二次粗鏜 2 擴孔 136 63 一次粗鏜 2 132 132 2小頭孔各工序尺寸及其公差

根據《機械制造技術基礎課程設計指導教程》 表229表230 工序

名稱 工序基本余量 工序經濟 精度 工序

尺寸 最小極限尺寸 表面 粗糙度

精鏜

02

Φ7749 Φ7749 16

半精鏜 02

Φ7729Φ7729 64

Φ68 二次粗鏜 9 Φ68

125

Φ771 Φ771 125 一次粗鏜 鍛至Φ68 1銑連桿大小頭平面 選用X52K機床

根據《機械制造工藝設計手冊》表2481選取數據

銑刀直徑D 100 mm 切削速度Vf 247 ms 切削寬度 ae 80 mm 銑刀齒數Z 6 切削深度ap 3 mm 則主軸轉速n 1000vD 475 rmin 根據表3131 按機床選取n 500 min 則實際切削速度V Dn1000360 267 ms 銑削工時為按表2510 L 3 mm L1 15 50 mm L2 3 mm 基本時間tj Lfm z 32003 500301836 038 min 按表2546 輔助時間ta 043045 018 min 粗磨大小頭平面 選用M7350磨床

根據《機械制造工藝設計手冊》表24170選取數據 砂輪直徑D 40 mm 磨削速度V 033 ms 切削深度ap 03 mm fr0 0033 mmr Z 8 則主軸轉速n 1000vD 1588 rmin 根據表3148 按機床選取n 100 rmin 則實際磨削速度V Dn1000360 020 ms 磨削工時為按表2511 基本時間tj zbknfr0z 0331 1003003338 001 min 按表3140 輔助時間ta 021 min 銑大頭兩側面

選用銑床X62W 根據《機械制造工藝設計手冊》表2477 88 選取數據

銑刀直徑D 50 mm 切削速度V 064 ms 銑刀齒數Z 3 切削深度ap 4 mm af 010 mmr 則主軸轉速n 1000vD 611 rmin 根據表3174 按機床選取n 750 rmin 則實際切削速度V Dn1000360 078 ms 銑削工時為按表2510 L 40 mm L1 15 85 mm L2 25 mm 基本時間tj Lfmz 408525 750301033 023 min 按表2546 輔助時間ta 043045 018 min 粗鏜大頭孔 選用鏜床T68 根據《機械制造工藝設計手冊》表2466選取數據

銑刀直徑D 135m 切削速度V 016 ms 進給量f 030 mmr 切削深度ap 30 mm 則主軸轉速n 000vD 47 rmin 根據表3141 按機床選取n 800 rmin 則實際切削速度V Dn1000360 272 ms 鏜削工時為 按表253 L 38 mm L1 35 mm L2 5 mm 基本時間tj Lifn 38355 0303800 019 min 按表2567 輔助時間ta 050 min 銑開連桿體和蓋 選用銑床X62W 根據《機械制造工藝設計手冊》表2479 90 選取數據

銑刀直徑D 63 mm 切削速度V 034 ms 切削寬度ae 3 mm 銑刀齒數Z 24 切削深度ap 2 mm af 0015 mmr d 40 mm 則主軸轉速n 1000vD 103 rmin 根據表3174 按機床選取n 750 rmin 則實際切削速度V Dn1000360 247 ms 銑削工時為 按表2510 L 17 mm L1形容詞節點甲 飛機 3 節點乙 魚片 形容詞節點丙 飛機 3 節點乙 魚片 形容詞節點甲 飛機-1 節點丙 飛機 A C not_a_blind_slot 甲乙丙

圖4 步驟 圖5 盲步驟 圖6 焊盤 圖7 洞 圖8 盲孔

一種原始的功能是通過合并形成的邊界面孔的原根的功能突變的成員根本特點和成員的邊界將面臨著一個家庭的一個原始的特征[ 16 ] 原始功能中可能存在三個禮儀 一獨立 二與另一原始功能形成一個復雜的功能或 iii 與其他復雜的功能形成一個高層次復雜的功能下一水平的塑料制品的特點是復雜的功能這是所形成的相互作用的兩個原始的塑料產品功能

有四種類型的功能互動邊界臉邊界面臨 bb 段的相互作用根面臨邊界面臨經常預算的相互作用根面臨根面居民的相互作用和邊界面臨根面巴西的相互作用在BB心跳的互動這兩個功能有一個共同的邊界臉在經常預算的互動邊界面對的一

第四篇：船用液壓舵機系統設計說明書

重慶大學 碩士學位論文

船舶液壓舵機系統設計研究

姓名：王月

申請學位級別：碩士 專業：機械設計與自動化

指導教師：陳波

2012-06 重慶大學碩士學位論文

中文摘要

摘要

我國改革開放后與國外貿易量逐年增大，尤其是加入WTO后進入了快速發展

階段，海運事業隨著世界貿易的增長而快速發展，船舶行業隨之迎來了黃金時期。但我國船舶配套設備制造能力一直滯后船舶主體制造能力，現已成為船舶行業快 速發展的瓶頸。舵機是控制船舶航向的重要設備，其性能的好壞對于船舶運動的 控制起著非常關鍵的作用。但目前國內對于船舶舵機的研究大多集中于船舶航向 及舵跡控制方面，對于舵機本身的運動轉換機構、液壓傳動及電氣控制方面研究 卻相對較少。因此，研究開發高性能船舶舵機并實現量產，對于我國船舶行業配 套能力的加強、競爭力的提高具有重要意義。

本文通過分析研究船舶舵機作用原理及目前常用轉舵機構，提出采用滾珠逆 螺旋機構作為轉舵機構，構建新式舵機。根據船舶對舵機要求及螺旋作動器實際 需要，進行深入分析比較后，設計了舵機液壓傳動原理圖，確定了電氣控制方案。對舵機液壓系統進行必要的簡化后，分別建立了比例閥環節，閥控缸環節及角度 傳感器等環節的數學模型，經適當變換最終得到了舵機的數學模型，并對舵機系 統的穩定性進行了分析。由于舵機閉環時域響應緩慢，且船舶在航行過程中受風、海浪等不確定因素影響，所以采用了不依賴對象模型的模糊PID校正，設計了模 糊PID控制器。運用MATLAB軟件中的Simulink工具箱建立了系統動態仿真模型，并對系統進行了仿真分析。根據船舶舵機需遠距離傳送信號且干擾源多的情況，采取了操作室與舵機室分散控制，通過CAN總線連接通信的控制方式，有效提高 了控制及反饋信號傳送的速率與質量。設計了主電路圖、CANopen主站控制原理 圖、CANopen從站控制原理圖。

本文設計的船舶舵機系統，采用了新型轉舵機構，有效減小了舵機體積及重 量；采用了電液比例控制，能有效提高船舶航行時舵角的定位精度，降低航行能 耗，減小換向沖擊及噪聲；將傳統的PID校正與先進的模糊控制相結合，提高了 舵機的動態性能，增強舵機自適應能力；采用現場總線傳輸信號，提高了數據傳 輸速度及可靠性。對高性能船舶舵機的設計據有一定的指導意義。

關鍵詞：船舶舵機，建模，模糊PID，仿真分析，PLC控制

I 重慶大學碩士學位論文

英文摘要

ABSTRACT

Chinese foreign trade volume increasing year by year by reform and opening up，in particular after accession to WTO foreign trade has entered a stage of rapid

development.The shipbuilding industry has also entered in golden age along with fast development of shipping industry, but Chinese ship auxiliary equipment manufacturing capacity is lagging far behind the main vessel.It has become a bottleneck in the rapid development of shipbuilding industry.Steering gear is one of the most important equipment for controlling ships.Its good or bad performance plays a key role for ship motion control.But up to now domestic researchers for the steering gear studies are focused on how to control the ship heading and rudder track.There is a lack of

researching hydraulic and electrical control about the steering gear.Therefore, research and development high-performance steering gear and achieve the mass production finally.It has great significance for strengthening competitiveness of Chinese shipbuilding industry.Principle and current condition of marine steering gear were analyzed in this paper.First, introduced structure of marine steering gears which were used commonly, choosed ball rotary-oscillating actuator as the new steering gear.According to

requirements and actual needs, designed the schematic of fluid drive and the electrical control program after analyzed and compared the system seriously.The hydraulic system of steering gear was simplified.Corresponding mathematical models of proportional valve, valve control cylinder, angle sensor areas and other sectors were established.Mathematical model of the control system was ultimately made out and analyzed stability of steering gear system.As time domain response is slow of the servo loop and the ship affected by the wind, waves and other uncertain factors during voyaging.So used the fuzzy PID control and designed a fuzzy PID controller for this system.Dynamic model was established by using the Simulink toolbox in MATLAB software.Finally, used MATLAB software to carry through dynamic simulation and analyzed dynamic characteristics.Because steering signal is remote transmission in the ship.So adopted the operating room and steering gear room were decentralized control.The rooms were connected via CAN-bus.The control and feedback signals transmission speed and quality effectively were improved by CAN-bus.The main circuit, CANopen master control diagram and CANopen slave control principle were designed.II 重慶大學碩士學位論文

英文摘要

In this paper steering gear was designed.Using electro-hydraulic proportional

control, it can improve the positioning accuracy when the ship voyaging, and reduce impact and noise.Applying fuzzy PID control strategy, it can improve the dynamic performance of steering gear and enhance adaptive capacity of steering gear.Using field bus, it can increase data transmission speed and reliability.This paper has guiding significance for the design of small and medium steering gear.Keyword：

Ship Steering Gear, Modeling, Fuzzy PID, Simulation, PLC Control III 重慶大學碩士學位論文

緒論 緒

論

1.1 船舶舵機介紹

1.1.1 舵機作用原理

舵機是船舶上的一種大甲板機械，是船舶最重要的輔機之一，用于控制船

舶航向。其對船舶的作用原理如圖1.1所示

圖1.1 舵作用原理

Fig.1.1 Action principle of steering gear

舵葉在水中的受力如圖1.1所示。圖中

摩擦力；

LF

NF

—舵葉兩側水壓力（舵壓力）；

rF

—

—升力；

DF

—阻力。在正舵位置，即舵轉角0α=時。舵葉兩側所受 的水作用力相等，對船的運動方向不產生影響。當舵葉偏轉任一角度α，兩側水 流如圖1.1（a）所示。水流繞流舵葉時的流程在背水面就要比迎水面長，背水面 的流速也就較迎水面大，而其上的靜壓力也就較迎水面要小。舵葉兩側所受水壓 力的合力稱為舵壓力，的背水面。除

NF

NF

將垂直于舵葉，作用于舵葉的壓力中心

o，并指向舵葉

rF

外，水流對舵葉還會產生與舵葉中線方向一致的摩擦力。

NF 當舵葉偏轉舵角α后，在舵葉的壓力中心 o 上，就會產生一個大小等于

合力的水作用力 F。F 可分解為與水流方向垂直的升力 力 DF

LF

與

rF

和與水流方向平行的阻

：

LLFCAv

DDFCAv

ρ=

（1.1）

ρ=（1.2）

= xxCb

（1.3）

式中：

LC，DC，xC

分別為升力、阻力、壓力中心系數，其大小隨舵角而變，與舵葉幾何形狀有關，由模型試驗測定；ρ—水的密度；A—舵葉的單側浸水面積； 重慶大學碩士學位論文

緒論

v —舵葉處的水流速度； b —舵葉平均寬度。

在圖1.1（b）中，我們假設在船舶重心 G 處加上一對方向相反而數值均等于

F

F的力1F、2。那么水作用力 F 對船體的作用，可用水作用力對船舶重心所產生的

力矩 sM

F和2的作用來代替。

sM 由 F 和1F

形成的力矩

迫使船舶繞其重心向偏舵方向回轉，稱為轉船力矩

(sM)。

21()sin

ααρ=++≈=

（1.4）

sLcDcLLMFlXconFXFlCAvl

式中： l —舵桿軸線至船舶重心的距離； cX— 舵壓力中心至舵桿軸線的距離。

由式（1.4）可知：轉船力矩

sM

隨舵角α的增大而增大，并在達到某一舵角時

M

； 出現極大值max

sM

出現極大值時的舵角數值與舵葉的幾何形狀有關，并主要取

決于舵葉的展弦比λ(λ=舵葉高度 A ／舵葉平均寬度 b)。λ越小，繞流的影響就越 大，即在同樣舵角上所產生的舵壓力越小，而達到最大轉船力矩時的舵角就越大。舵葉的展弦比值受到船舶吃水及船尾形狀等條件限制。海船(λ=2～2.5)，max M 舵角多介于30~35 角之間。

oo 的 舵

M

出現在35~45 之間，規定35 ；河船(λ=1.0～2.0)，max

o oo

F2

則可分解為 R 和 T 兩個分力，縱向分力2sinRF

TF 力；橫向分力2cos

α=，增加了船舶前進的阻

α=，使船向偏舵的相反方向漂移。由于水作用力 F 一般與

船舶的重心G并不在同一水平面上，所以船在轉向的同時，還存在著橫傾與縱傾 力矩。

在舵勻速轉動時，需要的轉舵扭矩 M（操舵裝置對舵桿施加的力矩）即應等 于舵的水動力矩 aM和舵各支承處的總摩擦扭矩 的代數和，即：

fM

=+ afMMM

（1.5）

aM 表示舵壓力

NF

對舵桿軸線所產生的力矩（稱為舵的水動力矩），對于普通

=

平衡舵(0.15~0.2)faMM

在舵機設計時，確定舵機結構尺寸和工作參數的基本依據是公稱轉舵扭矩。

公稱轉舵扭矩指在規定的最大舵角時所能輸出的最大扭矩，是根據船舶在最深航 海吃水和以最大營運航速前進時，將舵轉到最大舵角所需要的扭矩來確定的。

1.1.2 船舶對舵機的要求

舵機是保持或改變船舶航向，保證安全航行的重要設備，一旦失靈，船即會

失去控制，甚至事故。因此，我國《鋼質海船入級與建造規范》(1996)根據（國際 海上人命安全公約）（SOLAS公約）的規定，對舵機的基本技術要求是：

① 必須具有一套主操舵裝置和一套輔操舵裝置；或主操舵裝置有兩套以上的

動力設備，當其中之一失效時，另一套應能迅速投入工作。主操舵裝置應具有足 重慶大學碩士學位論文

緒論

夠的強度并能在船舶處于最深航海吃水并以最大營運航速前進時將舵自任何一舷

o 35o 轉至另一舷的35，并且于相同的條件下，自一舷的35

o

轉至另一舷的30 所需

o 的時間不超過28 s。此外，在船以最大速度后退時應不致損壞。輔助操舵裝置應具 有足夠的強度，且能在船舶處于最深航海吃水，并以最大營運航速的一半且不小

o o 于7 kn 前進時，能在不超過60 s 內將舵自任一舷的15 轉至另一舷的15。

② 主操舵裝置應在駕駛臺和舵機室都設有控制器；當主操舵裝置設置兩臺動

力設備時，應設有兩套相對獨立的控制系統。但如果采用液壓遙控系統，除1萬

Gt

以上的油輪(包括化學品船、液化氣船，下同)外，不必設置第二套獨立的控制系統。

③ 操舵裝置應設有有效的舵角限位器。以動力轉舵的操舵裝置，應裝設限位

開關或類似設備，使舵在到達舵角限位器前停住。

④ 能被隔斷的、由于動力源或外力作用能產生壓力的液壓系統任何部分均應

設置安全閥。安全閥開啟壓力應不小于1.25倍最大工作壓力；安全閥能夠排出的 量應不小于液壓泵總流量的110％，在此情況下，壓力的升高不應超過開啟壓力的

10％，且不應超過設計壓力值。

1.2 研究的意義及目的

我國的船舶行業正處在快速發展階段，已連續十余年保持世界第三大造船國 的地位，世界造船中心向中國轉移的趨勢日益加快。尤其是2006年以來，我國承 接船舶訂單占世界市場份額大幅攀升，全年利潤增速在50％以上，有關專家預計： 到2010年，我國造船能力將達到2100萬載重噸，造船產量占世界市場份額的25% 以上，本土生產的船用設備平均裝船率達到40%以上，實現船用設備年銷售收入

500億元。但我國造船業在保持高速增長的同時，弊端也逐漸暴露出來，特別是船

舶配套設備制造能力不足，加上船舶配套業競爭形勢日益激烈，國外配套企業發 展步伐加快，嚴重制約和壓縮了我國船用配套業發展空間。據了解，目前我國船 舶自主配套率平均只有40%左右，與日本的98%、韓國的90%相比，差距相當大。

LPG船、化學品船、大型集裝箱船等高端市場的自主配套率平均不足20%。國內

船舶主機目前缺口達50%～70%。近年來雖然突破了一些重點船用配套設備關鍵制 造技術，但是大型船用配套設備和關鍵零部件生產能力不足，無自主知識產權的 船用設備、品牌產品都需要進口，這都較大地削弱我國船舶行業的發展速度[1,2]。舵機關系到船舶的安全、穩定，是船舶的核心設備之一。雖然現階段國內研究機 構已經對船舶舵機系統已經進行了較多的研究，但大多集中于對自動舵、航跡舵 等舵機控制方法上的研究。對于開發設計體積小，重量輕，效率高，反應迅速快，控制精度高的船舶舵機做的工作卻相對較少。而生產企業正在批量生產的卻還是 國外70～80年代的低端產品，產品附加值低，市場競爭力很弱，科研與生產實際 重慶大學碩士學位論文

緒論

已嚴重脫節。因此，在重慶市科委的領導下，重慶大學與重慶液壓件廠合作，對 舵機運動轉換機構、液壓及控制系統進行深入研究，開發高性能船舶液壓舵機，這對中高檔船舶配套設備的國產化具有重要意義。

本課題以船舶舵機運動轉換機構、液壓傳動系統及控制系統為研究對象。提

出一種結構新穎、體積小，重量輕、舵角定位精度高，PLC控制與現場總線控制 相結合的新式船舶舵機。深入分析液壓傳動原理，研究舵機控制原理及其控制理 論，采用先進的控制方案。最終實現高性能液壓舵機的批量生產。

1.3 國內外研究現狀[2～9]

船舶在應用液壓傳動之前，采用的是蒸汽傳動和電氣傳動。1916年美國在“新

墨西哥”號戰艦上首次使用了液壓舵機。在第二次世界大戰期間，液壓傳動因具有 響應速度快、剛度大、抗干擾能力強、執行機構的功率—重量比和扭矩—慣量比 大等優點而受到重視，使得其在軍艦舵機、潛艇控制系統及航母的控制系統中占 有重要地位。二戰后隨著軍用技術轉為民用，一般的客輪、貨輪也開始廣泛使用 液壓舵機，五十年代后期，進一步發展了電液傳動系統，這對減輕操舵人員的勞 動強度改善操舵條件，簡化舵機結構具有重要意義。八十年代是舵機更新換代的 十年，引起這種更新的原因主要有兩方面。最直接的原因是：1978年裝有22萬噸 輕原油的美國油輪“阿莫戈·卡迪茲”號在途經法國西北海面時因舵機失靈而觸礁，造成嚴重污染和重大經濟損失。為此，舵機在緊急情況下的可靠性引起了國際上 的普遍關注。經過一段時間醞釀，l981年國際海事會議正式通過了對l974年SOLAS 公約的修正案，其中對舵機的要求提出了重要的新條款。舵機更新的另一原因，是液壓傳動技術從七十年代以來一直在迅速發展，產品的高壓化和集成化不斷取 得進展，邏輯閥等新型液壓元件開始應用于舵機和其它船用液壓裝置中，另外，舵機電氣遙控系統的技術也更趨成熟，不僅淘汰了液壓遙控系統，而且使傳統的 浮動桿機械追隨機構也顯得陳舊。進入八十年代以來，世界舵機主要制造廠家都 開始認真檢查其產品，并按1981年修正案的要求重新設計各自的舵機，力爭在市 場上保持較大的競爭優勢。新一代的舵機的性能和可靠性更趨完善。目前國外舵 機最新變化動向如下。

① 普遍設置了兩套液壓系統，且具有人工和自動隔離裝置。西德哈特拉帕公

司生產的自動隔離裝置：如工作中因某套系統管路破裂或其它原因而嚴重失油時，相應油柜中的液位開關就會動作報警，并在經過30秒或更長時間(視漏泄程度而 定)，另一個更低的液位開關就會動作使工作泵組切換。挪威富利登波公司認為上 述方案使設備復雜化，產品價格較貴，而且某些閥正常工作時長期不動，緊急情 況能否正常動作便難于保證，因而又提出了一種僅采用二個主油路自動鎖閉閥來 重慶大學碩士學位論文

緒論

隔離損壞的油路系統的方案。這種方案僅適臺于轉葉式油缸，它在缸體內部設有 油路連通相應油腔，但如果一對油腔密封損壞時，并不能使之與工作油路隔離。顯然，單缸體的轉葉式油缸如發生故障，如密封損壞、動葉斷裂等，是不能按“單 項故障原則”迅速恢復工作的，因此它不能用于10萬載重噸以上的油輪。為此，日 本三井—ABG公司提出了雙油缸體轉葉舵機的設計，它將二個轉葉油缸迭置在同 一舵桿上方，其二套油路系統之一可以被隔離和旁通，以適應10萬載重噸以上油 輪的要求。

② 閥控型舵機的應用功率范圍在擴大，性能也在改善。閥控型舵機因穩舵時

主油泵仍需全流量工作，雖然排出壓力小，但仍要消耗一定的功率，故經濟性較 差；而且換向時液壓沖擊大，故過去多用于功率較小的舵機。現在隨著閥控型舵 機設計的改善，扭矩范圍也有了顯著提高。例如西德哈特拉帕R系列閥控型舵機最 大公稱扭矩已達到1200KN.m，完全能勝任一般數萬噸級海船的需要。

③ 新型液壓閥件的應用。隨著液壓技術迅速進步，從60年代末開始，能根據

電氣信號的變化對液壓油流向及壓力、流量進行連續的、按比例的遠程控制的比 例閥迅速發展；70年代為解決大流量(200L/min以上)系統控制集成化的困難，邏輯 閥(又稱二通插裝閥)也迅速發展。這些元件不僅開始在工程船液壓傳動裝置中出 現，也開始用于液壓舵機。日本川崎泵控型舵機的液壓系統即使用了邏輯閥。丹 麥狄沙麥潤四缸活塞式舵機的控制系統中使用了比例方向閥，取消了機械追隨機 構，從而轉舵精度可達土1/6o，比普通電磁換向閥控制精度提高了兩倍以上。

④ 船舶自動舵控制技術的發展。1921年德國安修斯公司發明了自動操舵儀，即利用羅經的電訊號，通過繼電器、機械結構來實現控制船舶舵機。由于自動操 舵儀能夠自動駕駛船舶，按給定航向航行而且具備航向精度高，能節約能源，并 且把人從繁重人工操舵中解放出來。1930年蘇聯也相繼研究出以電羅經為航向接 收訊號的自動操舵儀，這一產品的問世引起了航運界的重視，各先進資本主義國 家也形成了研究機構和一批知名企業。到目前為止只有少數經濟發達資本主義國 家，如美國、德國、英國臺卡、日本北辰以及蘇聯沙姆希特掌握了這項技術，并 形成名牌產品。自動舵的發展大致經歷四代：

1920年和1923年德國的Aushutz和美國的Sperry分別率先推出了獨立研制成 的機械式自動操舵儀，該產品所采用的是經典控制理論中最簡單最原始的比例放 大控制規律。這種自動舵被稱為第一代自動舵。

20世紀50年代，經典理論達到了旺盛時期，經典控制理論有著各種控制方法，其中最重要最典型而且在工業生產中最常用的一種是比例—微分—積分(PID)控 制。伴隨著經典控制理論的發展，PID舵在50年代開始發展起來。1950年日本研制 出“北辰”自動舵，1952年美國研制出新型的Sperry自動舵，采用的都是PID控制規 重慶大學碩士學位論文

緒論

律。由于P調節器不需要詳細的有關受控過程的知識，且具有結構簡單、參數易于 調整和具有固有的魯棒性等特點，PID舵得到了廣泛的認可，幾乎所有的船舶都裝 有這種操舵儀。這種自動舵被稱為第二代自動舵。

到了70年代，由于自適應理論和計算機技術得到了發展，人們注意到將自適

應理論引入船舶操縱成為可能，紛紛將自適應舵從實驗室裝到實驗船上，正式形 成了第三代自動舵。自適應舵在提高控制精度、減少能源消耗方面取得了一定的 成績，但自適應控制系統比常規的控制系統要復雜得多，其魯棒性、收斂性等尚 未得到證明。

對有限維、線性和時不變的控制過程，傳統的控制方法是非常有效的。由于

實際船舶系統常具有不確定性、非線性、非穩定性和復雜性，很難建立精確的模 型方程，甚至不能直接進行分析和表示。自適應控制的穩定性和魯棒性在實際應 用中還無法完全達到要求，但熟練的舵手運用他們的操舵經驗和智慧，能有效地 控制船舶。為此，從80年代開始，人們就開始尋找類似于人工操舵的方法，這種 自動舵就是第四代的智能舵。

古代中國是當時造船和航海的先驅。春秋戰國時期就有了造船工場，能夠制

造戰船；漢代已能制造帶舵的樓船；唐、宋時期，河船和海船都有突出的發展，發明了水密隔壁；明朝的鄭和七次下西洋的寶船，在尺度、性能和遠航范圍方面，都居世界領先地位。到近代，中國造船業發展遲緩，鴉片戰爭爆發后，國人才逐 漸意識到船舶工業的落后，1865～1866年，清政府相繼創辦江南制造總局和福州

船政局，建造了“保民”“建威”“平海”等軍艦和“江新”“江華”等長江客貨船。盡管中 國早就有建造萬噸級機動船舶的記錄，能自制船用蒸汽往復機以及由其驅動的機 艙輔機，甲板機械等。但由于舊中國工業基礎薄弱，船舶配套設備的生產基本依 靠國外，從基礎的螺釘、墊圈等小五金到高級的雷達、導航儀等都依賴進口，船 舶行業基本停留在組裝及維修的階段。至新中國成立前夕，全國鋼質船舶的平均 年造船量僅1萬噸左右。

全國解放后，我國成立重工業部船舶工業局，集中力量建造蘇聯轉讓的艦艇。

63年成立六機部，組建國產化協作機制，造船從仿制改進到自行研制（研制出核

潛艇、遠洋探測船、萬噸輪等），但該機構在文革時期遭到了重創。改革開放后，尤其是近十年來我國船舶行業進入了快速發展階段。然而科研及生產單位更多的 集中于船舶主體的設計制造，對船舶主要輔件舵機尤其是高性能的自適應舵的研 究還在起步階段。雖然近幾年來，有關單位開展了對自適應舵的研究工作，發表 了一些設計方案，仿真研究結果和產品，其中具有代表性的是上海欣業船舶電器 廠科技人員和上海交通大學船電專業教授們共同開發的HD—8A數控自動操舵儀，但一直未出現有影響力的品牌或產品。重慶大學碩士學位論文

緒論

1.4 主要研究內容

本課題針對當前舵機體積大、質量重、舵角定位精度不高、控制系統復雜且 可靠性差等問題，應用先進的傳動機構，采用適應性強的控制方法，設計一套體 積小、質量輕、定位精度高、動態特性好、控制系統穩定可靠的舵機。具體地講，本課題主要探討和研究了以下幾個方面的內容：

① 運動轉換機構的選擇。綜合分析了國內外現有轉舵機構的特點及存在的問 題，根據舵機要求體積小、質量輕、傳動效率高等特點，選擇滾珠螺旋作動器作 為運動轉換機構。

② 液壓系統的設計。為提高舵機轉角精度，提高系統集成度及可控性，降低 換向沖擊。通過分析現有液壓驅動系統，設計了以電液比例閥為核心的液壓回路。

③ 電氣控制系統研究。由于舵機操舵室與舵機室距離遠，且中間干擾源多，設計了以PLC作為控制單元，通過CAN總線傳輸信號的控制方式，有效解決了 舵機控制器可靠性及控制信號傳輸的速度慢及質量不高等問題。

④ 控制算法研究。應用現代控制理論，將傳統的PID控制與模糊控制相結合，設計了舵機的模糊PID控制器，提高了控制器的精確性與適應性。并建立舵機系 統的數學模型，對系統的動態性能進行了仿真分析。重慶大學碩士學位論文

系統方案設計 系統方案設計

船舶舵機主要有有運動轉換機構、液壓驅動系統及控制系統三大部分組成。

如圖2.1所示。

圖2.1 船舶舵機系統組成Fig.2.1 Component of steering gear

2.1 轉舵機構

轉舵機構是將油泵供給的液壓能變為轉動舵桿機械能的一種機構，目前常用 的機構，按推動舵葉偏轉時動作方式不同，可分為兩大類：往復式和回轉式。

① 往復式轉舵機構。其結構形式主要有滑式、滾輪式及擺缸式。

1）滑式轉舵機構

它是應用最廣的一種傳統轉舵型式，它又有十字頭式和撥叉式之分。十字頭式 轉舵機構由轉舵油缸、插入油缸中的撞桿以及與舵柄相連接的十字形滑動接頭等 組成，當轉舵扭矩較小時常用雙向雙缸單撞桿的型式，而當轉舵扭矩較大時，多 采用四缸、雙撞桿的結構。其單邊結構圖如圖2.2所示。

圖2.2 十字頭式轉舵機構

Fig.2.2 Crosshead-style steering structure 重慶大學碩士學位論文

系統方案設計

當舵轉至任意舵角α時，為克服水動力矩所造成的力' 在十字頭上將受到撞桿兩端油壓差的作用力

Q，(與舵柄方向垂直)。

P，力 P 與' Q 作用方向不在同一直線

上，導板必將產生反作用力 N，以使 P 和 N 的合力 Q 恰與力' Q 方向相反，從而產 生轉舵扭矩以克服水動力矩和摩擦扭矩。其轉舵力矩：

RDzpRP πη 00 m

MzQRz===

ηη mm

（2.1）

2coscos4cos

ααα

上式表明：在撞桿直徑 D，舵柄最小工作長度0 R 和撞桿兩側油壓差 P 既定的

情況下，轉舵扭矩 M 隨舵角α的增大而增大。這種扭矩特性與舵的水動力矩的變 化趨勢相適應，當公稱轉舵扭矩既定時，滑式轉舵機構最大工作油壓較其它轉舵 機構要小。撥叉式與十字頭式原理類似。

2）滾輪式轉舵機構

圖2.3滾輪式轉舵機構

Fig.2.3 Roller steering structure

滾輪式轉舵機構的結構特點：在舵柄端部以滾輪代替滑式機構中的十字頭或撥 叉。受油壓推動的撞桿，以頂部頂動滾輪，使舵柄轉動。這種機構不論舵角α如 何變化，通過撞桿端面與滾輪表面的接觸線作用到舵柄上的推力 桿端面，而不會產生側推力。其轉舵力矩可寫為：

P 始終垂直于撞

π 2

ηηα00cos4mmMzQRDzpR ==

（2.2）

上式表明：當 D、R0

和 P 既定時，滾輪式轉舵機構所能產生的轉舵扭矩將隨α的增大而減小。扭矩特性在坐標圖上是一條向下彎的曲線。在最大舵角時，水動 力矩較大，而滾輪式這時所產生的扭矩反而最小，只達到滑式機構的55%左右。但滾輪式與滑式相比，撞桿與舵柄之間沒有約束，無側推力，且結構簡單，加工 容易，安裝、拆修都較滑式方便。

3）擺缸式轉舵機構 重慶大學碩士學位論文

系統方案設計

圖2.4 擺缸式轉舵機構

Fig.2.4 Swing-cylinder steering structure

擺缸式轉舵機構結構特點：采用兩個擺動式油缸和雙作用的活塞(也可單作

用)。轉舵時，活塞在油壓下往復運動，兩油缸相應擺動，通過與活塞桿鉸接的舵 柄推動舵葉偏轉。由于轉舵時缸體必須作相應擺動，必須采用有撓性的高壓軟管。

擺缸式機構轉舵時，油缸擺角β將隨油缸的安裝角(中舵時油缸擺角)和舵轉角α而 變。一般使中舵時β最大，最大舵角時β為零或接近于零。但不論舵角α如何，β

角總是很小。如果忽略β，擺缸式與滾輪式扭矩特性相同，所以一般應用于功率不 大的舵機中。

② 回轉式轉舵機構[9～11]。目前回轉式主要以轉葉式機構為主。

圖2.5 轉葉式轉舵機構

Fig.2.5 Rotating blade steering structure 重慶大學碩士學位論文

系統方案設計

圖2.5所示為三轉葉式轉舵機構，油缸內部裝有三個定葉，通過橡皮緩沖器安

裝在船體上三個轉葉與舵桿相固接，由于轉葉與缸體內壁和上、下端蓋之間，及 定葉與轉轂外緣和上、下端蓋之間，均設法保持密封，故借轉葉和定葉將油缸內 部分隔成為六個小室。當經油管6從三個小室吸油，并排油入另外三個小室，轉 葉就會在液壓作用下通過輪轂帶動舵桿和舵葉偏轉。其轉舵力矩：

0 mMzPAR

η=

（2.3）

上式表明：轉葉式機構所能產生的轉舵扭矩與舵角無關，扭矩特性在坐標圖

上是一條與橫坐標平行的直線。其優點是：(1)占地面積小（約為往復式的1/4），重量輕（約為往復式1/5），安裝方便。(2)無須外部潤滑，管理簡便，舵桿不受側 推力，可減輕舵承磨損。(3)扭矩特性不如滑式，比滾輪式和擺缸式好。但其內泄 漏部位較多。密封不如往復式容易解決，造成容積效率低，油壓較高時更為突出。

往復式與回轉式轉舵機構，轉舵力矩與轉角關系如圖2.6所示[12]。

圖2.6 轉舵力矩與轉角關系

Fig.2.6 Relationship of steering torque and rotation

③新型轉舵機構[13,14]

重慶大學機械傳動國家重點實驗室梁錫昌等老師發明了滾珠螺旋作動器，其

是針對現代高性能飛機對前緣襟翼驅動系統提出的體積小、重量輕、承載能力大、工作可靠和維修方便等要求，從縮短傳動鏈出發，把液壓傳動和滾珠螺旋傳動巧 妙的結合起來，所發明的一種新型傳動機構。該機構如圖2.7所示，由液壓缸、傳 動軸、滾珠副等部分組成。重慶大學碩士學位論文

系統方案設計

圖2.7 滾珠直旋作動器

Fig.2.7 Rotary actuator ball straight

其結構特點：用液壓缸驅動作動器，可以應用液壓缸現有技術：密封性能好，油液泄漏量小，可達到較高的工作壓力，加工簡單、技術成熟。采用該機構作為 轉舵機構后，不論舵角如何變化，都無側推力作用。作動器采用滾珠副，機械傳 動效率高且結構緊湊、占地面積小（體積僅為轉葉式1/2）。這種新型轉舵機構既 擁有轉葉式舵機的優點，又克服了其泄漏量大，不適合用于高壓的缺點。其轉動 力矩：

MFdPAd

00tan2tan2

ληλη=×××=××××

（2.4）

d

—螺旋作 式中： P —液壓缸兩側油壓差； A —液壓缸活塞有效作用面積；0動器直徑；λ—逆螺旋機構螺旋升角；η—總效率，一般為0.85～0.9。

上式表明：基于滾珠逆螺旋的轉舵機構所產生的轉舵扭矩與舵角無關，扭矩

特性與轉葉式類似，在坐標圖上是一條與橫坐標平行的直線。雖然該機構優勢明 顯，但由于滾珠逆螺旋傳動軸直接與舵桿相連，雖然液壓及控制系統可以冗余設 計，但作動器以及液壓缸卻只能一個。所以滾珠螺旋作動器，現階段不適合作為 巨型船舶的轉舵機構。本文設計的就是基于此種轉舵機構的舵機。

2.2 液壓系統方案[15～28]

由于作動器需要液壓缸驅動其動作，所以需要設計一個合適的液壓系統，使

舵機達到更好的性能。現有液壓舵機的種類很多，按控制方式分可分為：泵控和 閥控。泵控系統又稱容積控制系統，其實質是用控制閥去控制變量液壓泵的變量 機構，由于無節流和溢流損失，故效率較高，且剛性大，但其響應速度較慢、結 構復雜，適用于功率大而響應速度要求不高的控制場合。一般轉舵力矩大于

400KN.m的船舶采用這種控制方式。閥控系統又稱節流控制系統，其主要控制元

件是液壓控制閥，具有響應快、控制精度高的優點，缺點是效率低，特別適合中 重慶大學碩士學位論文

系統方案設計

小功率快速、高精度控制系統使用。由于此舵機是針對中小型，轉舵力矩在

400KN.m以下的船舶，所以適合采用閥控系統。

液壓閥，按大類可分為電液控制閥和普通電磁閥。電液控制閥是液壓技術與

電子技術相結合的產物。由其代替普通電磁閥，可簡化液壓系統結構，增強液壓 與電氣控制系統的集合能力，提高可控性。按照使用的閥不同，可分為伺服控制 系統（控制元件為伺服閥）、比例控制系統（控制元件為比例閥）和數字控制系統（控制元件為數字閥）。電液控制閥是電液控制系統的心臟，其既是系統中電氣控 制部分與液壓執行部分間的接口，又是實現用小功率信號控制大功率的放大元件，其性能直接影響甚至決定著整個系統的特性。

上述三種不同的電液控制閥的性能比較如表2.1所列。

表2.1 電液控制閥的性能比較

Table2.1 Performance of electro-hydraulic control valve

項目 電液伺服閥 電液比例閥 電液數字閥

功能 壓力、流量、方向及其

混合控制

壓力、流量、方向及其

混合控制

壓力、流量、方向及

其混合控制

電氣-機械轉換 力或力矩馬達，功耗小比例電磁鐵，功耗中 步進電機、高速開關

過濾精度 1~5 滯環/% 約1 3 0.1<

動態響應 高（100～500HZ）中（頻寬10～150HZ）較低

中位死區 無 不大于20% 有

控制放大器及計

算機接口

價格因子 3 1 1

應用領域 多應用于閉環控制 多用于開環控制，也用

于閉環控制

既可開環控制，也可

閉環控制

伺服放大器需專門設 計，需要數模轉換

比例放大器一般與閥配 套供應，需要數模轉換

可直接與計算機接口 連接，無需數模轉換

μ m約

μ m無特殊要求

由表2.1可看出伺服閥具有死區小，靈敏度高，動態響應速度快，控制精度高

等優點；但由于其結構特點導致中位泄漏量大，閥的負載剛性差，抗污染能力差，且其價格相對較高。電液比例控制閥是介于普通液壓閥和電液伺服閥之間的一種 液壓控制閥，與手動調節和通斷控制的普通電磁閥相比，它能顯著的簡化液壓系 統，實現復雜程序和運動的控制，通過電信號實現遠距離控制，大大提高液壓系 統的控制水平；與伺服閥及電液數字閥相比盡管其動態、靜態性能有些遜色，但 在結構與成本上具有明顯優勢，且目前在市場上數字閥產品較少見。重慶大學碩士學位論文

系統方案設計

比例閥相對于現在船舶上用的較多的普通電磁換向閥的優勢主要有：1.定位精

度高，可以以較小的舵角保持航向。這意味著速度損失小，相應地節省了能源。

2.換向平穩，舵機避免了壓力沖擊。這意味著裝置磨損小，減小了維修保養費用。3.快速地換裝專用閥塊，使舵機裝置現代化。提高了舊船的經濟性能。綜合上述對

比分析，結合本課題的研究特點選用比例換向閥作為本系統的主控閥。

比例方向控制閥一般要求進油與回油壓降相等，如果壓降不等，則液壓缸進

退過程的速度剛性不同，而且在閥換向瞬間會產生較大的換向沖擊；如果采用非 對稱缸和閥開口非對稱的比例閥，由于舵工作的不同階段所需流量差別較大，所 需最大驅動功率就較大，電機及泵的體積、重量都大增，功率損耗也隨之增大； 為使舵機的體積質量更小，功率損失更低，建議首先考慮雙活塞桿液壓缸。

根據船舶對舵機的要求及系統實際需要，設計了作動器驅動液壓回路如圖2.8

所示。此液壓回路中，泵2供油，單向閥7防止油液倒灌，電磁溢流閥4調定油 液工作壓力并在系統無控制信號輸出時使泵卸載，壓力表開關5保護壓力表，壓 力表6顯示液壓系統壓力，精過濾器8保護比例方向閥，比例方向閥9控制液壓 缸運動方向及運動速度，液壓鎖10防止舵在受到意外沖擊時損壞比例閥，并可短 暫隔離左側回路與右側回路油路，在油路發生故障時截止閥11屏蔽損壞回路，液 壓缸12用于驅動螺旋作動器軸上下移動，雙向溢流閥13防止作動器受意外負載 時損壞，減壓閥15使油壓符合比例先導閥的供油要求。左側備用回路與右側回路 功能與結構都相同。

其回路工作原理為（以右側回路為例）：操舵員啟動舵機，液壓泵2開始供油

（油液經電磁溢流閥4流回油箱），當操舵員向左轉動操舵輪，電磁溢流閥4的電 磁鐵得電，比例換向閥9輸入電流使閥切換至左位，先導閥控制控制主閥芯打開，壓力油分成兩路，一路經減壓閥用于比例閥的先導控制，另一路經比例方向閥

9、液壓鎖

10、截止閥

11、進入液壓缸12上腔，活塞桿驅動螺旋作動器運動，舵運 動到預定位置時比例閥控制信號為零，閥芯回到中位，舵被鎖住，電磁溢流閥4 的電磁鐵失電，泵2的壓力油經溢流閥流回油箱卸荷；當要回舵或向相反方向操 舵時，比例方向閥9根據輸入的信號換至右位，液壓泵2的壓力油經比例方向閥

9、液壓鎖

10、截止閥

11、進入液壓缸12的下腔，使舵葉向相反方向轉動。在回舵 時如果水動力及節流閥開口較大，回舵速度所需流量超過泵的排量時，則液壓鎖

10右側的壓力降低，液壓鎖關閉鎖舵，直到油壓升高到開啟壓力，這樣會造成比

較大的沖擊，所以回舵時操舵速度不宜太快。重慶大學碩士學位論文

系統方案設計 6

M

M 1

圖2.8 液壓系統原理圖

Fig.2.8 Schematic diagram of hydraulic system

2.3 控制系統方案

2.3.1 控制系統的基本特點

目前，在自動控制系統中，最常用的以下幾種控制系統： PLC控制系統、DCS 控制系統、FCS控制系統及計算機與單片機控制系統。它們各自的基本特點如下：

① PLC控制系統。PLC即可編程控制器，是一種數字運算操作的電子系統，為在工業環境下使用而設計的。其控制原理如圖2.9所示

圖2.9 PLC 控制系統示意圖

Fig2.9 Schematic diagram of PLC control system 重慶大學碩士學位論文

系統方案設計

PLC控制系統具有如下的特點：

1）可靠性高，抗干擾能力強。高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由

于采用現代大規模集成電路技術，嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進抗 干擾技術，具有很高的可靠性。

2）配套齊全，功能完善，適用性強。PLC發展到今天，已經形成了大、中、小各種規模的系列化產品。可以用于各種規模的工業控制場合。除了邏輯處理功 能以外，現代PLC大多具有完善的數據運算能力，可用于各種數字控制領域。近年來PLC的功能單元大量涌現，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC、過 程控制等各種工業控制中。

3）系統的設計、建造工作量小，維護方便，改造容易。PLC用存儲邏輯代替

接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統設計及建造的周期大為 縮短，同時維護也變得容易起來。

4）體積小，重量輕，能耗低。以超小型PLC為例，新出產的品種底部尺寸小

于100mm，重量小于150g，功耗僅數瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實 現機電一體化的理想控制設備。

5）由于PLC本身定位于邏輯控制，所以還不是很擅長處理模擬量；通信能力

也較弱，多用于集中控制系統。要組成復雜大型控制系統需與其他控制方式結合。

② DCS控制系統，又稱為集中分散型控制系統。是集計算機技術、控制技術、通信技術和人機交互技術為一體的高新技術產品。具有控制功能強、操作簡便和 可靠性高等特點，可以方便地用于工業裝置的生產控制和經營管理，是針對生產 過程實施監視、操作、管理和分散控制的4C技術的結合。在化工、電力、冶金等 流程自動化領域的應用已經十分普及。

圖2.10 DCS系統體系結構

Fig.2.10 Architecture of DCS system 重慶大學碩士學位論文

系統方案設計

DCS控制系統特點：

1）DCS是計算機技術、控制技術和網絡技術高度結合的產物。從結構上劃分

DCS包括過程級、操作級和管理級，適合復雜系統。過程級主要由過程控制站、I/O單元和現場儀表組成，是系統控制功能的主要實施部分。

2）DCS采用樹狀拓撲和并行連續的鏈路結構，有大量電纜從中繼站并行到現

場儀器儀表。每臺儀表都需一對線接到I/O，由控制站掛到局域網LAN，組網成本 較高。

3）DCS互操作性差。盡管DCS的模擬儀表統一了4～20mA的標準信號，可

大部分技術參數仍由制造商自定，致使不同品牌的儀表無法互換。因此導致用戶 依賴制造廠，無法使用性價比最優的配套儀器。

③ FCS控制系統。現場總線是綜合運用微處理器技術、網絡技術、通信技術 和自動控制技術的產物。它把微處理器置入現場自控設備，使設備具有數字計算 和數字通信能力，一方面提高了信號的測量、控制和傳輸精度，同時為豐富控制 信息內容、實現其遠程傳送創造了條件。在現場總線環境下，借助現場總線網段 以及與之有通信連接的其他網段，實現異地遠程自動控制。現場總線設備與傳統 自控設備相比，拓寬了信息內容，提供了傳統儀表所不能提供的如閥門的開關次 數、故障診斷等信息，便于操作管理人員更好、更深入地了解現場及自控設備的 運行情況。

如圖2.11所示，對比集中控制、集散控制、現場總線控制的結構示意圖可以 看到，由于現場總線強調遵循公開統一的技術標準，因而有條件實現設備的互操 作性和互換性[29,30]。而目前要在設備層特別是現場裝置一級上實現通信、信息控制 比較困難，因為在傳統的概念中這一層次上的設備或元器件如傳感器、變送器、儀表等是沒有通信功能的，所以要用智能控制器（如PLC）先將部分器件連接，再通過總線傳送信號。

圖2.11 集中控制、集散控制、現場總線控制結構示意圖

（a）集中控制

（b）集散控制

（c）現場總線控制

Fig2.11 Structure diagram of fieldbus control system 重慶大學碩士學位論文

系統方案設計

FCS控制系統與DCS控制系統相比具有以下特點：

1）總線式結構。一對傳輸線掛接多臺現場設備，雙向傳輸多個數字信號。這

種結構與一對一單向模擬信號傳輸結構相比，布線簡單，安裝費用低，維護簡便。

2）開放性、互操作性與互換性。現場總線采用統一的協議標準，是開放式的

互聯網，對用戶是透明的。在傳統的DCS中不同廠家的設備是不能相互訪問的。而FCS采用統一的標準，不同廠家的網絡產品可以方便地接入同一網絡，在同一 控制系統中進行互操作，互操作意味著不同生產廠家的性能類似的設備可實現相 互替換，因此簡化了系統集成。

3）徹底的分散控制：現場總線將控制功能下放到作為網絡節點的現場智能儀

表和設備中，做到徹底的分散控制，提高了系統的靈活性、自治性和安全可靠性，減輕了分布式控制中控制器的計算負擔。

4）信息綜合、組態靈活：通過數字化傳輸現場數據，FCS能獲取現場智能設

備的各種狀態、診斷信息，實現實時的系統監控和管理以及故障診斷。

5）多種傳輸介質和拓撲結構：FCS由于采用數字通信方式，因此可用多種傳

輸介質進行通信。根據控制系統中節點的空間分布情況，可應用多種網絡拓撲結 構。這種傳輸介質和網絡拓撲結構的多樣性給自動化系統的施工帶來了極大的方 便，據統計，FCS與DCS的主從結構性比，只計算布線工程這一項即可節省40% 的安裝經費。

④ 計算機與單片機控制系統

計算機控制以其強大的計算性能見長，但其插板品種規格不多、不便配置，且其體積較大不便在現場安放。當控制系統不大時，其功能過剩，價格太高，所 以一般作為其他控制系統的上位機使用。

單片機價格低廉，功能強大，獲得了廣泛的應用。但單片機可靠性不高，系

統構建麻煩，且系統搭建后普通人員維護困難，遠不如使用PLC可靠、方便，所 以一般不是大批量的應用，很少使用單片機。

2.3.2 控制系統方案

舵機作為船舶的一個核心設備，控制著船舶的航向，船舶航行時就要一直保持

工作，所以其工作時間很長，同時船舶是集成化程度較高的產品，其它干擾源較 多，工作環境比較惡劣，這就要求舵機控制器可靠性要高。由于操作室與舵機安 裝倉間距比較大，大型船舶控制線路可達幾百米，這就要求舵機控制及反饋信號 的傳輸要及時、可靠。在船舶轉向時又要求：轉舵平穩，轉舵速度快，舵角定位 精度好。綜合以上要求，舵機控制器需要具備以下特點：

① 可靠性。少出故障，出現故障后有備用措施。

② 穩定性。控制性能穩定，不出現顫動和震蕩。重慶大學碩士學位論文

系統方案設計

③ 適時性。檢測和輸出速度及對被控對象的變化跟蹤要及時。

④ 先進性。具備較高控制水平且便于系統升級。

⑤ 操作維修方便，便于檢查問題和處理故障。

通過以上對PLC控制、DCS控制、FCS控制及計算機與單片機控制的比較，根據舵機控制器的設計要求，考慮系統的安全性、實時性要求，本舵機系統采用

PLC加現場總線的控制方式。由于本系統控制節點很少，用總線組成控制網絡，主要考慮兩點：1.信號傳輸可靠性與及時性，2.為了以后系統的擴展方便或能 更好的與船舶整個控制系統對接。

CAN總線是專為移動設備而開發的現場總線，在汽車中的應用已比較成熟，其傳輸數據的可靠性和及時性，經過了實踐的考驗。參照對比船舶與汽車，具有 很多的相似之處，國外已有船舶生產公司將CAN總線成功應用于船舶的控制系統。而且隨著CAN的發展，出現了像CANopen、DveviceNet之類應用較廣并獲得眾 多廠家支持的高層協議，這些高層協議規范了設備生產廠家的設備生產，使設備 的互換性大大加強。綜合考慮，本系統采用基于CAN總線的控制方案。

2.4 本章小結

本章分析了舵的幾種轉舵機構，根據船舶對舵機的要求，提出采用重慶大學機

械傳動國家重點實驗室梁錫昌等老師發明的滾珠逆螺旋機構作為新型舵機運動轉 換機構，該機構組成的轉舵機構可以有效減小舵機體積，減輕舵機重量，提高傳 動效率，采用液壓缸驅動，可避免現有舵機存在的問題。從滾珠逆螺旋機構的特 點及舵機實際需要出發，分析設計了液壓傳動原理圖，確定了電氣控制方案。重慶大學碩士學位論文

舵機系統建模 舵機系統建模

舵機角度調整是依靠液壓驅動螺旋作動器，作動器帶動舵葉轉動實現的，液

壓系統的性能及所能達到的精度對舵機的性能與舵角精度影響很大。為了對系統 性能進行定量分析，了解系統的技術指標，是否需要采取合適的控制方法提高控 制性能，必須對液壓系統及舵機其它組成環節進行詳細的建模分析。由于液壓本 身的屬性，如油液粘度、液壓阻尼系數，本身存在不確定性；而且系統在工作時 油液中或多或少會混入空氣，致使彈性模量改變等等因素；都導致液壓系統表現 出來的并非是一個嚴格意義上的線性系統。為方便分析，根據實際情況對液壓部 分做如下簡化處理：油泵出口流量恒定，且當溢流閥調定壓力后，出口壓力保持 不變。假定油液中并未混入其它雜質包括空氣在內，即油液彈性模量恒定。

根據第二章的液壓原理圖可知，系統的主要組成部分是比例閥，液壓缸及負

載部分，電氣控制模塊。根據舵機系統實際情況，建立了舵機系統簡化原理圖如 圖3.1所示

A/D

給定 信號

反饋 信號

控制器 信號處理

M F

放大 器

D/A

圖3.1 舵機系統簡化原理圖

Fig.3.1 Simplified schematic diagram of steering gear system

3.1 比例閥模型

舵機角度的調整，是通過調節比例閥的開口，從而控制油液流量來實現的，比例閥作為此系統最重要的元件之一，其性能對系統的影響非常大。其由比例電 磁鐵、先導閥、功率閥芯組成。重慶大學碩士學位論文

舵機系統建模

3.1.1 比例電磁鐵[31]

作為電液比例控制閥的電—機械轉換器件的比例電磁鐵，其功能是將比例控

制放大器輸出的電信號轉換為位移或力。由于比例換向閥的比例電磁鐵是成對稱 式分布的，取其一邊分析，比例電磁鐵數學模型如下：

① 線圈回路電壓方程

比例電磁鐵線圈上的電壓方程為：

dit()

ututRritL()()()()

?=++ 0 bcpc

（3.1）

dt

ut —放大器輸出電壓，V； cL—式中 0()單個線圈電感，H ；

but

()—單個線圈上產生的反電動勢，V；

由電磁感應理論可得：

dxt()e

utK()

=

（3.2）

bb

dt

—

—銜鐵位移，m；

bK 反電動勢系數，V.m/s；()ext

cR

—單個線圈電阻，Ω； pr— 放大器內阻，Ω；

it()

—通過線圈的電流，A。

比例放大器通過取樣電阻0 R，將流過線圈的電流()i t 轉換形成電壓信號后，反 饋到比例放大器的功率級輸入端，從而形成深度電流負反饋。取樣電阻環節可視 為比例環節，即：

iffiutKit

()()=

（3.3）

式中

fiK

—電流負反饋系數；()ifut

—反饋電壓，V。

由于采用了深度負反饋的恒流源作為比例放大器的功率輸出級，所以放大器

ut 與給定電壓()gut 具有良好的線性關系。放大器一般頻寬很高，故可 輸出電壓0()視為比例環節，即：

0()[()()]

=? egifutKutut

（3.4）

式中

eK

—比例放大器的電壓放大系數；()gut —給定電壓，V。

② 銜鐵輸出推力方程

比例電磁鐵屬于勵磁式電—機械轉換器件，比例放大器的控制電流在線圈中

將產生磁通φ。經過比例電磁鐵特殊的結構設計，該磁通被隔離成兩路1φ和2φ。銜 鐵在磁場中受到的電磁力為：

2()[()]2

=

（3.5）

egftitNRl

式中()eft —電流在電磁鐵上產生的電磁吸力，N； N —線圈匝數；

gR

—氣隙磁阻，0 gRlA μ=；

l —氣隙長度，m；0()= ?。

eelxxt

0 ex —氣隙的初始長度，m；0μ—真空磁導率，Hm/

；70410μπ?=×

A —氣隙部位垂直于磁力線的面積，m2。重慶大學碩士學位論文

舵機系統建模

對式（3.5）進行線性化處理可得：

eixeeftKitKxt

()()()

（3.6）

=+ 式中

iK

—比例電磁鐵電流—力增益，N/A；2()=

igKNitRl

? ft()

e —xeK 比例電磁鐵電磁彈簧剛度，也稱為位移—力增益，K xe =

? xt()e

xeK 由于比例電磁鐵具有水平的位移—力特性，故0 ③ 銜鐵力平衡方程

≈。

此比例閥銜鐵用于帶動先導閥工作，需克服的負載包括銜鐵以及所驅動部件 的慣性力、阻尼力、彈簧力、穩態液動力和干擾力。銜鐵上的力平衡方程為：

dxtdxt()()

ee

ftmBKxtft()()()

（3.7）

=+++ eeeeteeL

dtdt

式中

阻尼系數；

em

—銜鐵以及它所驅動的部件質量； eB— 比例電磁鐵支撐及負載的粘性

etK

—比例電磁鐵的總彈簧剛度，包括作用于銜鐵的彈簧剛度及穩態液

eLft 動力剛度，N/m；()

—銜鐵工作時需要克服的負載力。

對式（3.1）、（3.2）、（3.3）、（3.4）、（3.5）、（3.6）、（3.7）在初始條件為零的條

件下進行拉氏變化可得：

egfibecpcKusKisKxssRrisLiss eixeefsKisKxs

[()()]()()()()??=++

（3.8）

()()()

（3.9）

=+

2()()()()()

=+++

（3.10）

ieeeeeteeLKismxssBxssKxsfs由式（3.8）、（3.9）和（3.10）可繪制出比例電磁鐵的傳遞函數方框圖，如圖

3.2所示

fiusfiK

()

eLfs

()++ eeetmsBsK

exs gus()

us 0()

Δus()

()

++()

ccpLsRr

is()

iKeK

efs

()

Δ efs()

()

bus

bKs

圖3.2 比例電磁鐵的傳遞函數方框圖

Fig.3.2 Transfer function block diagram of proportional solenoid

④ 線圈回路傳遞函數及深度電流負反饋的作用

在圖3.2所示的傳遞函數方框圖中，當未加電流負反饋時，反應線圈回路動態

特性的傳遞函數： 重慶大學碩士學位論文

舵機系統建模

Ws '()=== m

ΔusLsRrs+++()()'ccpm

ω =+為控制線圈的轉折頻率

式中 '()mcpcRrL

1()()1Rris+

cp

ω

（3.11）

加入深度電流負反饋后，將反饋點向右移動一個環節，如圖3.3所示。則線圈

回路動態特性的傳遞函數為：

Ws()== m

Δuss+()1

1()()RrKKis ++

cpfie

ω m

（3.12）

式中()=++ω為控制線圈的當量轉折頻率。

mcpfiecRrKKL

mWsgus

()

++()ccpLsRr

bKs

eLfs

()

eWs()

us 0()

Δus()

()

is()

iKeK

()efs

Δ efs()

()

exs++ eeetmsBsK

()

bus

fiKeK

圖3.3 比例電磁鐵的傳遞函數等效方框圖

Fig.3.3 Equivalent transfer function block of proportional solenoid

比例放大器在采用電流負反饋后，比例電磁鐵線圈的轉折頻率

ω明顯增大，e

這有利于消除線圈電感對比例電磁鐵頻寬的影響。

⑤ 銜鐵彈簧組件的傳遞函數

xsK()11

eet

Ws()

=== e

Δ++++

ωω ee

δ—銜鐵-彈簧組件的阻尼比；

δ=

e e

根據圖3.2，可求得銜鐵的輸出位移為

sfsmsBsK2()δ eeeeet

（3.13）

ω=

式中

ω—e 銜鐵-彈簧組件的諧振頻率； eeteKm

BeKm ete

xs()=

e

KusKsfs()(1)(1)()?+

eegetmeL

ω 2δ

eb

ss

Kss K ω

=3

(1)(1)++++

ωωω meee

KusKsfs()(1)(1)()?+

eegetmeL

meememee

++()1

ωωωωωωω

式中

K ee =

KK ei

KRrKK()++

etcpfie

2211δδ

eeb

ss ++++（）

Ks K

（3.14）

為靜態增益常數，m/V。

將式（3.14）特征方程中 s 的三階方程分解成含有 s 的一階和二階的因式： 重慶大學碩士學位論文

舵機系統建模

xs()=

e

KusKsfs()(1)(1)()?+

eegetmeL

sss

(1)(1)+++

ωωω r 2

00

ω 2δ

0

（3.15）

式中

ω—

r 主要由電氣轉折頻率 ω引起的轉折頻率；m

0ω—主要由彈簧-質量系統的諧振頻率 ω引起的二階環節的固有頻率；

e

0δ—二階環節的綜合阻尼系數。

由于先導閥的外負載力幾乎為零，故略去負載力的輸入，則比例電磁鐵以電 壓作為輸入的傳遞函數為：

xsK()eee

g

=

ωωω r

ssuss

+++ 2 00

δ 0 2()(1)(1)

（3.16）

3.1.2 功率級滑閥

可將兩級電液比例閥看作一個閥控缸系統，主閥芯相當于活塞。則：

經線性化處理，先導閥的流量方程：

=?

（3.17）

vLeqeecvLQKxKP主閥的連續性方程：

QCP=++ AxP vLvtpvLvpvvL

（3.18）主閥芯上力平衡方程：

vkvpvLvtvvtvvtvvFAPmxBxKxFt

Vvtβ e

==+++

()3.19）

（ecK 式中

eqK

—先導閥的流量增益系數； —主閥總泄漏系數；

vpA

—先導閥的流量-壓力系數；

vtpC vtV

—主閥芯有效作用面積；

—主閥芯兩端液體在壓縮下總體積；

—主閥芯及一起被推動的液壓油的總質量；

—總彈簧剛度（包括作用于閥芯的彈簧剛度及穩態液動力剛度）； —粘性阻尼及瞬態液動力阻尼系數；

vtm vtB

vtK vFt

()—作用在主閥芯上的外負載力。

對（3.17）、（3.18）、（3.19）進行拉氏變換得：

()()()

（3.20）

=?vLeqvecvLQsKxsKPs

Vvt

()()()()QsCPsAsxssPs =++

（3.21）

vLvtpvLvpvvL β e

2()()()()()=+++

（3.22）

vpvLvtvvtvvtvvAPsmsxsBsxsKxsFs整理可得主閥芯位移為： 重慶大學碩士學位論文

舵機系統建模

xs()

= v

vpeqevcevL

()()? +

VVVKmsKmBsKBAsKK vtvtvtvt 322

++++++()()

vtvcevtvtvcevtvpvcevt 444βββ

eee

vcevcvtpKKC

VAKxsKsF vt 4 β e

（3.23）

式中

=+為總流量-壓力系數。

β evpA

mV vtvt

令 ω=，vh

KmBV β vceevtvtvt

ξ vh =+。忽略作用于閥芯上的液

AVAm 4 β vpvtvpevt

vtB 流力，且由于阻尼系數 一般很小，由粘性摩擦力引起的泄漏流量所產生的活塞

KB vcevt Avp

。式（3.23）經簡化可得主閥芯 移動速度比活塞的運動速度小得多，即21

位移對先導閥閥芯開口的傳遞函數：

KAxs pv()eqv =

2ξ

vhVKKKsxs()(1)

vtvtvcevte ++++ ss

222

ωβω 4 AA vhv evpvhp

（3.24）

3.2 閥控液壓缸模型

由于閥控缸系統與兩級比例換向閥的結構相似，分析過程基本上相同，所以

根據上式可直接寫出活塞桿位移為：

AKxsKsF()()? + ppvqvpcepL

xs()=

p VVVK ptptptpt 322

msKmBsKBAsKK++++++()()

ptpceptptpceptpppcept 444βββ

eee

ppA vxs

V pt 4β

e

（3.25）

式中：

—活塞有效作用面積；

pceK

vqK

—主閥的流量增益系數；

()—主閥芯位移；

—主閥總流量壓力系數；

ptV

—活塞腔液體在壓縮下總體積；

—作用在活塞桿上的任意負載力；

—活塞及負載折算到活塞上的總質量；

ptK

pLF

ptm ptB

—粘性阻尼系數； —負載的彈簧剛度。

ptK 閥-缸組合只是一個為作動器輸出功率的元件，沒有彈簧負載，所以0

BK ptpce 同時考慮到21 <<[32]。式（3.25）簡化得：

App

KKV vqpcept

xssF()()? + vpL

AAA ppppepp

=，xs()= p

4β

ph sss 2ξ

(1)2 ++ ωω ph ph

（3.26）

活塞位移對功率級閥芯開口的傳遞函數為： 重慶大學碩士學位論文

舵機系統建模

xsKA()

ppp

=()(21)v

vq

sxsss ξ ph

++ 2 ωω p hh p

（3.27）

活塞位移對外負載力的傳遞函數為：

KV pcept

+ s 22

xsAA()4 β p pppep

=?

（3.28）2ξ

ph sFss pL

(1)2 ++ ωω php h β eppA

式中

ω=

ph為活塞負載系統的固有頻率；

mV ptpt

KmBV β pceeptptpt ξ ph =+為相對阻尼系數。

AVAm 4 β ppptppept

3.3 放大器及傳感反饋模型

活塞位移經螺旋作動器轉化為轉角

θ=

zpKx

（3.29）

= 在此系統中經計算得2.75zK

轉角反饋傳感器，在整個回路中相當于比例環節，其放大系數為

paK。

由式（3.16）、（3.24）、（3.27）、（3.28）（3.29）可畫出船舶舵機的方塊圖，如

圖3.4所示。

pLF

KVs

pcept

AA 22()4ppepp β?+ sss(1)22 Δ u

2002(1)(1)ωωωr +++

sss

K ee

δ

ex

ξ vh

2222(1)42 ωωβ vhv ++++h

3KA

eqvp

VKKKsss vtvtv AAevpvp

cevt

K vq vxpxu

A pp

ωω++phph

ξ ph

zK

θ

paK

圖3.4 舵機傳遞函數方框圖

Fig.3.4 Transfer function block diagram of steering gear

由圖3.4可見，舵機方塊圖中只含一個反饋回路，即舵葉轉角反饋。由于比例

閥一般采用電流負反饋的放大器，所以其控制線圈回路的轉折頻率 ω很高。同時 r 由于油液的彈性模量很大，功率級滑閥的固有頻率遠大于先導級的銜鐵-彈簧組件 諧振頻率，故功率級滑閥相對于先導級閥的動態特性可以忽略。功率級閥彈簧剛 度相對于液壓彈簧剛度可以忽略。所以可將舵機方塊圖簡化為如圖3.5所示。重慶大學碩士學位論文

舵機系統建模

pLF

KVs pcept

AA 22()4 β?+ ppepp ξ ph sss 2(1)2 ωω++ phph

比例放大器及比例閥

+-Δ u

δ

21200 ωω++ ss

eeK

ex

KA eqvp KKs

+ vcevt 2

Avp

K vxpxu vq

A pp

+-

zK

θ

paK

圖3.5 舵機簡化傳遞函數框圖

Fig.3.5 Simplified transfer function block diagram of steering gear

由圖3.5可得舵機輸出對輸入的開環傳遞函數為：

KKKKAA eeeqvqzvppp

GS()

= 2ξ

ph KKss 2δ

0 vcevt

ssss()(11)+++++)(22 Avp ωω ωω

0 0 phph

（3.30）

3.4 相關參數及系統穩定性

控制系統的穩態誤差有兩類，即給定誤差和擾動誤差。對于隨動系統，給定 的參考輸入是變化的，要求響應以一定的精度跟隨給定的變化而變化，其響應的 期望值就是給定的參考輸入。所以，應以系統的給定誤差去衡量隨動系統的穩態

t 性能。假設操作人員在操舵時是勻速轉動舵輪的，則輸入為斜坡函數θω =。其穩

態誤差終值：

srsrtseetsRsGs →∞→==+=

lim()lim()

0

ω KKA vcevtvp KKKKA eeeqvqzpp

1()

0.015ω≈

（3.31）

由式3.31可知，穩態誤差與轉舵的速度有關，轉舵速度越快其穩態誤差越大，π

rads 轉舵速度越慢，穩態誤差越小。當/ω =，即每秒轉60度時，穩態誤差為 3

0.0157 sre =。相對于舵角精度小于0.5度，其穩態誤差量可以忽略不計，所以此系

統穩態誤差完全滿足要求。

影響系統動態性能的主要是比例閥和液壓缸的頻率0ω和ω。ph 0δ為比例閥的阻 尼比，其值變化較大，根據前人經驗一般取0.4～0.6； ξ為液壓缸阻尼比，根據 ph 經驗，空載時為0.1～0.2，當負載增加時 ξ值也略有增加。

ph

液壓缸、比例閥及其放大器等相關參數見表3.1 重慶大學碩士學位論文

舵機系統建模

表3.1 系統參數

Table 3.1 System parameters

名

稱 數

值 備

注

活塞直徑

D

0.4 m

活塞桿直徑 d

0.18

m

油缸 有效作用面積 ppA

0.12 m

油腔溶劑系數

eV

eppVAs=i

隨初始位移變化而變化

轉角傳感器

paK

固有頻率0ω 75/ rads

額定流量 SQ

160/min L

在壓降為1

額定電流

rI

0.8A

阻尼比0δ 0.5~0.7 此系統取0.6

比例額定壓差

NP

1aMP

閥 閥芯直徑1d

0.02m

流量系數

dC

0.6

流量增益系數

1()sqdppKCw?=i

qK

ρ

10.5[]ρ=()?

ii

cK

cdvsKCwxpp油液密度ρ 8503/

kgm

油液

油液粘度υ 3.92/

ekgsm?i

彈性模量 β 700e

～1400 aMP 取 1000

將表中數值帶入式（3-30），可得舵機閉環傳遞函數：

GS()

= 1.2110×

ssssss6544536278++×1681.39105.58107.6105.86101.2110 +×

+×+×+×

系統的特征方程為：

ssssss65445362781681.39105.58107.6105.86101.2110++× +×+×+×+×=0

將各系數排列成勞斯表，并計算出各個行列值[33]

s 6

41.3910×

67.610×

81.2110×

5s

168

55.5810×

75.8610×

0

4s

41.0610×

67.2510×

81.2110×

0

=?π

22()

ppADd 4

aMP

時

流量-壓力增益系數

aMP

隨負載變化而變化

重慶大學碩士學位論文

舵機系統建模

3s

54.410×

75.6710×

0

2s

65.8610×

81.2110×

s

74.7610×

s 0

81.2110×

由于系統特征方程的各項值都為正數，且勞斯表第一列都為正號。根據勞斯-

赫爾維茨穩定性判據，該系統是穩定的。

由Matlab可得閉環系統對階躍信號的響應圖如圖3.6所示

圖3.6 閉環系統階躍響應

Fig.3.6 Step response of closed-loop system

由圖3.6可知，舵機閉環系統動態特性雖然無超調量無誤差，但反應時間較長，在緩慢操舵時沒有問題，但在遇到特殊情況船舶較快轉向時舵機可能無法跟隨操 作命令作出迅速反應。為了能達到較好的操舵性能必須對舵機系統加校正環節使 其達到更好的性能。

3.5 本章小結

根據第二章設計的液壓傳動系統，建立了比例閥、閥控缸，傳感器等環節的 數學模型，經適當處理得到了舵機系統模型。根據模型計算了系統穩態誤差，分 析了系統穩定性。由系統的動態響應圖可知，閉環系統響應較慢，不能滿足高性 能舵機的要求，為下一章系統校正裝置的設計奠定了基礎。重慶大學碩士學位論文

控制算法及系統仿真 控制算法及系統仿真

在實際生產過程中許多被控對象隨負載變化或干擾因素影響，其對象特性或

結構發生變化，且實際應用的大部分系統都存在非線性時變因素，這對于依賴控 制對象精確模型的控制策略具有很大的影響，其控制效果將大打折扣有時甚至不 起作用。因此，在實際生產過程中，大量采用的仍是PID算法。有人估計現在有 90%以上的閉環控制仍采用PID控制器。這是因為PID控制具有以下的優點[34,35]：

① 不需要被控對象的數學模型

自動控制理論中的分析和設計方法主要是建立在被控對象的線性定常數學模

型基礎上的。這種模型忽略了實際系統中的非線性和時變性，與實際的系統有較 大差距。對于許多實際控制對象，根本無法建立準確的數學模型，因此自動控制 理論中的很多設計方法很難用于大多數控制系統。對于這一類系統，使用PID控 制可以得到比較滿意的效果。

② 結構簡單，容易實現

PID控制器的結構典型，計算工作量較小。需要整定的參數少，各參數有明確 的物理意義，參數調整方便，容易實現多回路控制、串級控制等復雜控制。

③ 有較強的靈活性和適應性

根據被控對象的具體情況，可以采用PID控制器的多種變種和改進的控制方

式，例如PI、PD、帶死區的PID、積分分離PID和智能PID等。

PID控制系統原理框圖如圖4.1所示。系統由PID控制器和被控對象組成。

圖4.1 PID控制原理圖

Fig.4.1 Schematic diagram of PID control

PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值xin(t)與實際輸出值yout(t)構成

控制偏差：

etxintyoutt()()()

（4.1）

=?PID的控制規律為： 重慶大學碩士學位論文

控制算法及系統仿真

Tdet()1

utketetdt()(()())

=++p ∫

（4.2）

Tdt 0 I

tD

4.1 模糊自適應PID控制[36～40]

雖然PID校正有很多優點，但它存在參數修改不方便、不能進行在線自動調 整等缺點。如果能夠實現PID參數的自動調整，則PID控制器的適應性將更好。目前，要實現PID參數自動調整，應用較多的是采用被控對象在線辨識，然后根 據一定的控制要求，對PID控制器的參數進行修改。但應用辨識方法，必須建立 被控對象精確的數學模型，當被控對象存在結構非線性、參數時變性或模型不確 定性時，辨識效果很難奏效，就不能體現出PID控制的優勢。船舶工作環境惡劣，加上舵機液壓系統的不確定性因素以及微機控制和數字化等問題，普遍存在較大 程度的外負載干擾、參數變化以及非線性因數。這些不確定的非線性因數和參數 時變，使得舵機系統很難建立非常精確的數學模型，傳統的控制策略很難滿足其 控制需要[35]。

隨著微電子技術的發展，人們利用人工智能的方法將操作人員的實際操作經

驗作為知識存入微機中，微機根據現場實際情況，自動計算調整PID參數，這樣 就形成了智能PID控制器。這種控制器把古典的PID控制與先進的專家系統相結 合，實現系統的最佳控制。這種控制必須首先將操作人員(專家)長期實踐積累的經 驗知識用控制規則模型化，然后運用推理對PID參數進行調整實現最佳控制。

由于操作者經驗不容易精確描述，控制過程中各種信號量及評價指標不好定

量表示，模糊理論是解決這一系列問題的有效途徑，所以人們應用模糊數學的基 本理論和方法，把規則的條件及操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規則及有 關信息作為知識存入微機知識庫中，然后微機根據控制系統的實際響應情況，應 用模糊推理，即可自動實現對PID參數的最佳調整，這就是模糊自適應PID控制。目前模糊自適應PID控制器有多種結構形式，但其工作原理基本一致。

模糊自適應PID控制器一般以誤差 e 和誤差變化 ec 作為二維模糊控制器的輸

入，可以滿足不同時刻的 e 和 ec 對PID參數調整的要求。利用模糊控制規則在線 對PID參數進行修改，便構成了模糊自適應PID控制器，其結構如圖4.2所示。

de dt

Δ

PK

Δ

IK

Δ

DK

圖4.2模糊自適應PID控制器結構圖

Fig.4.2 Frame diagram of adaptive fuzzy PID control

重慶大學碩士學位論文

控制算法及系統仿真

PID參數模糊自整定是找出PID三個參數的增量與 e 和 ec 之間的模糊關系，在

運行中通過不斷檢測 e 和 ec，根據模糊控制原理來對三個參數進行在線修改，以滿 足不同 e 和 ec 時對控制參數的不同要求，而使被控對象有良好的動、靜態性能。

4.2 模糊控制器設計[41～43]

船舶舵機模糊控制系統，主要實現舵葉的角度調節，即轉角控制；其次滿足船 舶舵機工作過程中的各種開關量控制。在轉舵過程中主要物理量，即舵葉轉角，其控制范圍和精度要求為：-35o～+35o，精度0.3 左右。

extyt 由于舵機系統采用的是單變量調節方法。設偏差()()=?的語言變量為

E，取其相應的模糊子集為PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB；論域量化等級為 {-3，-2，-1，0，1，2，3}。又設偏差變化12 =ceee ?的語言變量為

EC，其相應的

O

模糊子集為PB，PS，ZO，NS，NB，論域量化等級為{-2，-1，0，1，2}。按工 人操作經驗確定模糊子集和隸屬度函數，見表4.1～4.4。PID參數的語言變量為、、的增量 Δ、Δ與

Δ，相應模糊子集為o、、。根據本課題 PIDKKK PKIKDK rtLMN 實際情況，并參考前人用模糊控器控制船舶舵機的經驗，Δ 論域范圍定義為[-6，PK 6]，Δ論域范圍定義為[-1.2，1.2]，Δ論域范圍定義為[-0.3，0.3]。變量均劃分 IK DK 為7個等級。

表4.1 e 的量化域

Table 4.1 Quantify domain of e

量化域(-15,-10](-10,-5](-5,-0.2](-0.2,0.2](0.2,5](5,10](10,15] 等級-3-2-1 0 1 2 3

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控制算法及系統仿真

表4.2 隸屬度函數

μ A

Table 4.2 Membership function

μ A

等

uA

級

-3-2-1 0 1 2 3

E

A

1(PB)0 0 0 0 0.1 0.4 1

A 2(PM)0 0 0.2 0.3 0.5 1 0.4

A 3(PS)0 0.2 0.5 0.7 1 0.5 0.1

A 4(ZO)0 0.3 0.7 1 0.7 0.3 0 A 5(NS)0.1 0.5 1 0.7 0.5 0.2 0 A

6(NM)0.4 1 0.5 0.3 0.1 0 0

A 7(NB)1 0.4 0.1 0 0 0 0

表4.3 ec 的量化域

Table 4.3 Quantify domain of 量化域 [-6,-3](-3,-0.1](-0.1,0.1](0.1,3](3,6] 等級-2-1 0 1 2

表4.4 隸屬度函數

μ B

Table 4.4 Membership function

等

uB

級

-2-1 0 1 2

EC

B 1

(PB)0 0 0 0.5 1

B

(PS)0 0 0.5 1 0.5 B 3

(ZO)0 0.5 1 0.5 0 B

NS)0.5 1 0.5 0 0

B

5(NB)1 0.5 0 0 0

ec

μ B

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控制算法及系統仿真

①

PK

控制器。PID控制器中，比例系數

PK

PK

增大，可以加快系統響應速度，減少系統穩態誤差，提高控制精度；但 統不穩定。反之減小

PK

過大，會使系統產生超調，甚至導致系，能使系統穩定裕度增大，減少超調量，但會降低調節精

PK 度，使過度時間延長。因此，實現 性。的自調整將可以隨時改變系統的靜態動態特

根據系統控制中對過渡過程的要求和專家經驗，通常在偏差較大時，為了加

快系統的響應速度, 應取較大的

PK

；當偏差和偏差變化率為中等大小時, 為了使

PK 系統響應的超調量減小和保證一定的響應速度，為了使系統具有較好的穩態性能，應增大

PK

值應取小一些；當偏差較小時。將輸出量 Δ的模糊子集取為PB，PK

PM，PS，ZO，NS，NM，NB，論域量化等級為{-3,-2,-1,0,1,2,3}，從而得出模糊

控制規則表4.5； Δ的對應模糊子集隸屬度見表4.6。

PK

表4.5

Δ的模糊規則

PK

Δ

PK

Table 4.5 Fuzzy rule of

Δ

PK

E

PB PM PS ZO NS NM NB

EC

PB NB NB NB NM NS ZO PS PS NB NM NM NS ZO PS PS ZO NB NS NS ZO PS PS PM NS NM ZO ZO PS PM PM PM NB NS ZO PS PM PB PB PB

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控制算法及系統仿真

表4.6 隸屬度函數

μ

PK

Table 4.6 Membership function

μ

PK

等

uKP

級

KP

-3-2-1 0 +1 +2 +3

L1

(PB)0 0 0 0 0 0.4 1 L(PM)0 0 0 0 0.4 1 0.4 L(PS)0 0 0 0.5 1 0.5 0 L(ZO)0 0 0.4 1 0.4 0 0 L(NS)0 0.4 1 0.4 0 0 0 L6

(NM)0.4 1 0.4 0 0 0 0 L7

(NB)1 0.4 0 0 0 0 0

定義模糊關系 其輸出控制

PERAL

=×

PPZzUU

=1

=∪。由此可得到 Δ控制查詢表4.7PK

表4.7

；

KPRBL

=×，則

PZPEKPUERECR

=°∧°

Δ查詢表

PK

Δ

PK

Table 4.7 Query table of

Δ

PK

E

-3-2-1 0 1 2 3

EC

-2 3 3 2 2 1 0-1-1 3 2 1 1 0 0-2 0 3 1 1 0-1-1-3 1 2 0 0-1-1-2-3 2 1 0-1-2-2-3-3

②

IK

控制器。在PID控制器中，積分作用主要是消除系統的靜態誤差。加強

積分作用，有利于減小系統靜差，但是過強的積分作用，會使系統超調加大，甚 至引起振蕩。反之，減小積分作用，雖然有利于系統穩定，避免振蕩，減小超調 量，但對消除系統靜差不利。通常在偏差較大時，為防止積分飽和,避免系統響應

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控制算法及系統仿真

出現較大的超調，IK

值要小,通常取

IK

= 0；當偏差和變化率為中等大小時，為了

IK 使系統響應的超調量減小和保證一定的響應速度，時, 為了使系統具有較好的穩態性能, 應增大

IK 的取值要適當；當偏差較小

值。

=×

；

=×，則 因此，將輸出控制量 Δ的模糊子集為PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB，IK 論域量化等級為{-3,-2,-1,0,1,2,3}。由其模糊關系 =°∧°

IZIEKIUERECR

IERAM

KIRBM

其輸出控制

=∪IIZzUU

=1

。由此可得到控制 Δ查詢表4.8。

IK

表4.8

Δ查詢表

IK

Δ

IK

Table 4.8 Query table of

Δ

IK

E

-3-2-1 0 1 2 3

EC

-2 2 3 2 2 1 0 0-1 1 2 2 1 0 0 0 0 0 1 1 0-1-1 0 1 0 0 0-1-2-2-1 2 0 0-1-2-2-3-2

③

DK

控制器。在PID控制器中，微分作用主要是針對具有大慣性的被控對象，DK 改善其動態性能。增大微分系數，有利于加快系統響應，使系統超調量減小，DK 穩定性增加，但對擾動敏感，抑制外擾能力減弱。若 前制動，從而延長調節時間，反之若

DK

過大，會使得響應過程提

不應取定值。當偏差

過小，調節過程的減速將會滯后，過程超

DK 調增加，系統響應變慢。因此，對于時變且不確定系統，較大時, 為防止因開始時偏差的瞬間變大可能引起的微分過飽和而使控制作用超

出許可范圍, 應取較小的 DK；當偏差和變化率為中等大小時，DK的取值對系統影

響很大應取小一些；當偏差較小時，為避免輸出響應在設定值附近振蕩, 以及考慮 系統的抗干擾能力, 應適當選取 DK。其原則是: 當偏差變化率較小時，DK取大一

些;當偏差變化率較大時，DK

取較小的值, 通常

DK

為中等大小。

=×

；

=×，則 因此，將輸出控制量 Δ的模糊子集為PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB，DK 論域量化等級為{-3,-2,-1,0,1,2,3}。由其模糊關系

DZDEKDUERECR

DERAN

KDRBN

=°∧°

其輸出控制

DDZzUU

= 1

=∪

。由此可得到控制 Δ查詢表4.9。

DK

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控制算法及系統仿真

表4.9

Δ查詢表

DK

Δ

DK

Table 4.9 Query table of

Δ

DK

E

-3-2-1 0 1 2 3

EC

-2 2 2 2 1 1 0 0-1 2 1 2 1 0 0 0 0 1 1 1 0-1-1-1 1 0 0 0-1-2-1-2 2 0 0-1-1-2-2-2

對于此系統，我們先計算得到三個參數的查詢表，并將其輸入PLC控制器中。

系統運行過程中，只需計算誤差和誤差變化率，直接從表中查詢數據，再將數據 與原控制參數疊加，以此實現對PID參數的在線自校正。這樣做能有效減少控制 器的運算量，提高響應速度，其工作流程圖如圖4.3所示。

ekeck(),()

ΔΔΔ，PIDKKK

ekxkyk()()()= ?

eckekek()()(1)=??

ekek(1)()? =

圖4.3 模糊PID在線自整定工作流程

Fig.4.3 Online self-tuning workflow of fuzzy PID

PIDKKK ,，4.3 舵機系統仿真[44～48]

MATLAB是由美國MathWorks公司開發的優秀的控制系統計算機輔助設計軟

件。MATLAB語言是一種用于科學工程計算的高效率高級語言，它在數值計算、數字信號處理、系統識別、自動控制、時域分析與建模、優化設計、動態仿真等 方面表現出一般高級語言難以比擬的優勢。其強大的矩陣運算能力和完美的圖形

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控制算法及系統仿真

可視化功能使得它成為控制領域應用最廣的工具。MATLAB軟件中的SIMULINK 工具箱可以對動態系統模型進行數字仿真，并且其圖形化設計界面使得構件系統 模型更加直觀、方便。SIMULINK支持連續和離散系統以及連續離散系統，也支 持線性與非線性系統，常用來仿真較大且復雜的系統。利用SIMULINK工具，用 戶可以容易的實現模型的創建，大大降低仿真難度。

本文利用SIMULINK工具箱建立舵機仿真模型。建立的舵機數學模型，是一

個閉環控制系統，該系統的一個主要輸入是操作人員預設置的舵轉角，該輸入經 控制器、比例閥、液壓缸等元件后，輸出的實際轉角經傳感器反饋，與設定值作 對比。其動態仿真模型如圖4.4所示。

圖4.4 動態仿真模型

Fig.4.4 Dynamic simulation model

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控制算法及系統仿真

圖4.5 階躍響應

Fig.4.5 Step response

圖4.6 輸入正弦信號頻率分別為1、2、3、4

ZH時系統響應

Fig.4.6 Frequency response of the system for Input sinusoidal signal which frequency is one or two

or three or four

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控制算法及系統仿真

由傳遞函數可知，舵機系統由一個慣性環節、一個微分環節、兩個振蕩環節

組成。由圖4.5可知，在未加校正時，由元器件組成的閉環系統雖無超調量，但其 響應時間較長大約為7s；在加入PID校正后，系統響應時間有了明顯的改善，響 應時間縮短到約5s，但同時最大超調量也隨之增加，達到了8%左右，此時基本上 能夠滿足系統的需要；在采用模糊PID控制后，系統響應縮短到3.5s，超調量控 制在5%以內，系統誤差也得到了有效減少。

跟隨性是衡量隨動系統性能的一個重要指標。由圖4.6可看出，在輸入正弦信

號頻率為1 ZH時，無校正閉環響應無法快速跟隨輸入變化，響應僅為輸入的60%

左右，且最開始半個周期與后面周期相比，超調量較大，PID調節及模糊PID都 能較好地跟隨輸入信號；隨著輸入頻率的提高，無論是無校正閉環、常規PID調 節還是模糊PID調節的跟隨性能都將下降，在輸入正弦信號頻率為

4ZH時，模糊 PID能夠保持響應為輸入信號的80%，常規PID能夠保持70%，無校正閉環為25%，且其前半周期與后面周期的差別更大。綜上所述，模糊PID控制使系統閉環快速 性及跟隨性能比常規PID控制有了較明顯的提高。對于本舵機系統，模糊 PID 控 制優于常規 PID，更能適應工況的變化。

4.4 本章小結

本章介紹了PID及模糊控制原理，為充分利用PID控制優勢，提高PID控制

適應性，根據舵機實際情況選擇了模糊PID控制方案，設計了舵機模糊控制器。并對舵機閉環、常規PID調節和模糊PID調節三種控制方式進行了仿真比較。得 出模糊PID控制可使舵機獲得較好的動態性能，適合高性能舵機的需要。

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基于CAN總線的分布式PLC控制系統 基于CAN總線的分布式PLC控制系統

5.1 CAN總線 [49～51]

CAN 是Controller Area Network（局域網控制器）的縮寫，主要是用于各 種過程監測與控制的一種網絡，是目前國際上應用最廣的總線之一。最初CAN 是德國Bosch公司為解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換 而開發的一種串行數據通信協議。由于CAN卓越的特性和極高的可靠性，所 以非常適合工業過程監控設備互聯。隨著CAN高層協議的不斷發展，其應用 范圍不僅局限在汽車工業領域，在工業自動化、過程控制、工程機械、船舶 運輸、醫療儀器以及建筑、環境監控等領域都在迅速發展。

由于采用了許多新技術及獨特的設計，CAN總線與一般的通信總線相比，它的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。其特點包括如下：

① CAN為多主工作方式，網絡上任何一節點均可在任意時間主動地向

網絡上其他節點發送消息，而不分主從。

② 在報文標識符上，CAN上的節點分成不同的優先級，可滿足不同的

實時要求，優先級高的數據最多可在134微秒內得到傳輸。

③ CAN采用非破壞總線仲裁技術。當多個節點同時向總線發送信息出

現沖突時，優先級較低的節點會主動地退出發送，而最高優先級的節點可不 受影響地繼續傳輸數據，從而大大節省了總線沖突仲裁時間。尤其在網絡負 載很重的情況下，也不會出現網絡癱瘓的情況。

④ CAN節點只需通過對報文的標識符濾波即可實現點對點、一點對多

點及全局廣播等幾種方式傳送接收數據。

⑤ CAN的直接通信距離最遠可達10Km（速率在5kbps以下），通信速

率最高可達1Mbps（通信距離最長為40m）。

⑥ CAN上的節點數主要取決于總線驅動電路，目前可達110個。在標準

幀報文標識符有11位，而在擴展幀的報文標識符（29位）的個數幾乎不受限 制。

⑦ 報文采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾概率低，數據出錯率極低。

⑧ CAN的每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，具有極好的檢錯效

果。

⑨ CAN節點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能，以使總線上

其他節點的操作不受影響。

⑩ CAN總線具有較高的性能價格比。它結構簡單器件容易購置，每個

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基于CAN總線的分布式PLC控制系統

節點的價格較低，而且開發技術容易掌握，能充分利用現有的單片機開發工 具。

CAN總線的通信線路由兩條導線組成，分別為CAN-H和CAN-L，網絡中所

有節點均掛接在這兩條線路上，并通過它進行通信。CAN通信線路的總線值為 兩種互補邏輯數值之一：“隱性”或“顯現”。顯性數值表示邏輯“0”，隱性數值 表示邏輯“1”。當在總線上出現同時發送顯性和隱形位時，其結果是總線數值 為顯性。在隱性狀態下，VCAN-H和VCAN-L被固定于平均電壓電平，Vdiff近似為0。在總線空閑或隱性位期間，發送隱性狀態。顯性狀態以大于最小 閥值的差分電壓表示，如圖5.1所示。

V

VCAN-H

Vdiff

Vdiff

VCAN-L

隱形位隱形位顯形位

時間t

圖5.1總線位的數值表示

Fig.5.1 Bit Values of bus

由于CAN技術應用的普遍推廣，這就要求通信協議的標準化。為此，1991

年9月Bosch公司制定并發布了CAN技術規范（Version2.0）。該規范包括A和B 兩部分，2.0A給出了曾在CAN技術規范版本1.2中定義的CAN報文格式，而2.0B 給出了標準和擴展的兩種報文格式。此后，1993年11月ISO正式頒布了道路交通 運輸工具—數字交換—高速通信控制器局域網（CAN）國際標準（ISO11898），為 CAN進一步標準化、規范化起到了重要的作用。

5.1.1 CAN總線通信協議

CAN總線作為一種國際標準，也遵從網絡標準模型。不過由于CAN的數據

結構簡單，又是范圍較小的局域網，因此根據ISO/OSI參考模型，CAN只采用 了其中的物理層、數據鏈路層和應用層。物理層又分為物理層信號（PLS）、物理 媒體連接（PMA）及介質從屬接口（MDI）三部分，完成電氣的連接、實現驅動 器/接收器特性、同步、定時、位編碼解碼等功能。數據鏈路層分為邏輯鏈路控制（LLC）與媒體訪問控制（MAC）兩部分，分別完成驗收濾波、過載通知、恢復 管理，以及數據包裝/解包、幀編碼、介質訪問管理。出錯檢測、應答等功能，如

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圖5.2所示。實際應用CAN總線時，用戶可根據需要實現應用層的功能。由于應 用層協議數據直接取自數據鏈路層或直接向鏈路層寫數據，結構層次大為簡化，所以系統控制信號的實時傳送性能大幅度提高。

圖5.2 CAN總線ISO/OSI參考模型層結構

Fig.5.2 ISO/OSI reference model of CAN bus

5.2 CANopen協議[51]

CAN總線僅僅定義了物理層和數據鏈路層，而沒有規定應用層，本身并不完

整，需要一個高層協議來定義CAN報文中的11/29位標識符、8字節數據的使用。而且，基于CAN總線的工業自動化應用中，越來越需要一個開放的、標準化的高 層協議：這個協議支持各種CAN廠商設備的互用性、互換性，能夠實現在CAN 網絡中提供標準的、統一的系統通訊模式，提供設備功能描述方式，執行網絡管 理功能。CANopen協議在這種需求下應運而生，此協議是在20世紀90年代末，由CiA組織（CAN-in-Automation）在CAL（CAN Application Layer）的基礎上發 展而來，一經推出便在歐洲得到了廣泛的認可與應用。經過對CANopen協議規范 文本的多次修改，使得CANopen協議的穩定性、實時性、抗干擾性都得到了進一 步的提高。并且CIA在各個行業不斷推出設備子協議，使CANopen協議在各個行 業得到更快的發展與推廣。目前CANopen協議已經在運動控制、車輛工業、電機 驅動、工程機械、船舶海運等行業得到廣泛的應用。

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如圖5.3所示為CANopen設備結構圖，CANopen協議通常分為通訊、對象字

典、以及用戶應用層三個部分

圖5.3 CANopen設備結構圖

Fig.5.3 Schematic diagram of CANopen equipment

通信接口和協議軟件提供在總線上收發通信對象的服務。不同CANopen設備

間的通信都是通過通信對象完成的。這一部分直接面向CAN控制器進行操作。

對象字典描述了設備使用的所有數據類型、通信對象和應用對象，是一個

CANopen設備的核心部分。對象字典位于通信程序和應用程序之間，向應用程序 提供接口。

5.3 控制電路實現

船舶在航行時根據不同的情況需要不同的操舵模式，常用的有手動應急操舵，隨動操舵和自動操舵（目前主要是使船舶保持在固定航向上）。根據實際需要設計 了基于CAN總線的PLC控制的舵機原理方塊圖，如圖5.4所示。其工作原理為：由 舵輪產生一個轉向及轉速信號，通過轉角傳感器，經A/D轉換為相應的數字信號輸 入PLC1中，與經PLC2的D/A并通過CAN總線傳送到PLC1的舵角反饋信號比較，比 較后得到的偏差信號經過校正運算，得到控制信號，PLC1將控制信號經CAN總線 傳送到PLC2，D/A轉換后發送到比例放大器中，比例放大器根據控制信號的正負 及大小驅動比例電磁鐵，從而推動功率級閥芯產生一定的開口，使液壓油能夠進 入液壓缸推動螺旋作動器運動，最終帶動舵葉轉動。舵轉動后由舵角檢測傳感器 產生舵轉角信號，經A/D轉換變成數字信號通過CAN總線傳輸到主控制器中與輸入 信號繼續比較，如此形成閉環控制周期。系統控制功能圖如圖5.5所示[52]，控制流 程圖如圖5.6所示。

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圖5.4 舵機控制原理圖

Fig.5.4 Schematic diagram of steering gear control

圖5.5 控制功能圖

Fig.5.5 Function diagram of control

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圖5.6 控制流程圖

Fig.5.6 Flow diagram of control

5.3.1 主電路設計

電源開關主泵電機備用泵電機變壓器及急停開關及控制部分熔斷器主泵、備用泵電機控制PLC控制

QS

A QA

FU3 B FU4L1 24V電源C FU5

N FU1

FU2

FU6 KN1.0 KM1.0 HL1

FR1

KN1.1 KM1.1 0V

KM1.0

KM2.0

N KN1.2 KM1.2

KN2.0FR1

KM2.0 3

FR2

FR2

KM2.1KN2.1 KN2.2 KM2.2

U1 V1W1

YA1KA1

KM1.2

M1

M2 KM2.2

YA2KA2

U2 V2W2

KM1.1

KM2.1

圖5.7 電氣控制主電路圖

Fig.5.7 Main circuit of electrical control

TC

220V

PLC

第五篇：用建構主義學習理論構建職業教育新型師生關系論文

關鍵詞：建構主義構建職業教育師生關系

摘要：構建新型師生關系的理論依據是建構主義學習理論。構建新型師生關系有重要的現實意義和重大的歷史作用；調查情況顯示學生發展需要、教學目的要求闡釋其必然性；教師角色多元化，突出主導性，以學生為中心，突出主體性，構建新型師生關系，積極建構職業教育新課程標準，以適應未來教育現代化要求。

1．構建新型師生關系的理論依據。

隨著課程改革的全面推進和現代教育技術的發展，建構主義(con一structivism)學習理論給教學或學習帶來一場革命啟示。有以下觀點：學習過程不是學習者被動地接受知識，是在與環境交互作用的過程中主動地建構內部心理表征的過程；學習活動是以學習者為中心，是真實的；意義建構是學習的目的；強調以學習者為中心，“情境”、“協作”、“會話”、“意義建構”是學習環境中四大要素；學習是與一定的社會文化背景即“情景”相聯系的，通過“同化”與“順應”達到對新知識意義的建構；同化與順應離不開原有認知結構中的知識、經驗與表象。”

2．構建新型師生關系的現實意義。

教育是在人與人之間的交往中展開的，師生關系在很大程度上決定著教育的質量和效果。構建新型師生關系是體現學校辦學理念的需要，有利于學生的健康成長和教育事業發展，在學校教育中具有重要的地位。社會發展呼喚新型的師生關系。

2．1新型師生關系的內涵。師生關系是教學活動中最基本的關系。新型師生關系是完成教學任務的教與學的關系，也有情感行為的心理關系等。它是一種特殊的人際關系，是教師與學生在日常的正式與非正式的交往過程中形成的。受制于一定的制度、教學規范。蘇聯教育家克魯普斯卡婭說：“教育新人就是形成人與人之間的新關系，教育的本質就在于建立個人與集體和社會這種實際聯系和關系的體系，以保證個人的社會化”。‘

2．2構建新型師生關系的作用。良好的師生關系能促進教師個人魅力的輻射和滲透，激發學生的創新靈感，使學生全面成長成才。構建新型的師生關系(OnNewTeachers舢dentRelationship)，達到素質教育的目的，是我國社會主義新時期的歷史使命。

2-3．1調查情況醒示。據北京市教科院基礎教育研究所的一份調查，北京市93．1名的中小學教師感到當教師越來越不容易，壓力很大，如有機會想調換工作的占50．8％，只有17．5％的教師愿意終身從事這一職業。分析原因：～是教育改革與發展對教師提出越來越高的要求，二是生源減少引發教師崗位的競爭，三是學生考試成績與教師業績評價導向，四是社會對教師職業過高要求。國內研究者對中小學生選擇最有威信的教師的類型進行了研究。調查表明，學生最佩服、最喜愛的教師都具有開明、溫和、理解、信任等人格特征。調查警示我們，一是要引導教師增強危機意識和自我發展意識：二是要改進管理思想和方式，尊重學生人格和合法權利；再者，建立起民主平等的新型師生關系。

2．3．2學生發展的需要。學生發展的前提是自信。自信是學生終身學習的基石。教師要保護和培養學生學習的自信心，就要承認人才的多樣性，發展先后性，特長側重性，多看學生的長處，允許他們存在缺陷和不足。

2-3-3教學目的要求。教學目的的一個重要方面，就是培養學生在已知基礎上探求未知的能力。一是教師要善于把已知當未知。教師要努力在教學研究的過程中形成自己的見解，不當“傳聲筒”。二是教師要善于把學生當先生。“教學相長”成為真正的現實，正如《新課程標準實施綱要》指出的：“教師在教學過程中應與學生積極互動、共同發展。”

3．教師角色多元化

3．1學習活動的組織者。教師與課程同步發展，是學習活動的組織者。學習是學校發展的源動力，教師創設一種每個人都參與學習，發表見解，獨立或協同學習的班組氛圍。教是為了不教，使學生成為追求知識的主人。二是系統思維靈活運用多種教學策略，在與學生平等對話互動中點撥和指導，實現教學相長。

3．2綜合信息的提供者。教學中，教師是各種綜合信息的提供者，學生新知識學習的“先行組織者”。一是更好地“用教材”、“用信息”，不是“教教材”。二是教師給學生的學習提供適當的“腳手架”，以縮短學生原有知識經驗與新的知識經驗之間的距離。

3．3技能操作的合作者。職業教育教學必須突出實踐性。教師要選擇出以學生的經驗與生活為核心的實踐性課程形態。一是基于學生的直接經驗。二是密切聯系學生自身生活和社會生活。三是體現對知識的綜合運用。把技能操作過程變成師生合作，共同發展的互動過程。

3．4創新能力的培養者。創新是教育的最高境界和終極目標。教育目標是通過教學活動實現。特點是將教學目的以傳授知識為中心轉向以學生發展為中心；教學過程以封閉式轉向開放式。培養學生創新精神，創新情感、創新思維的創新能力。

3．5校本開發的研究者。教師是教育教學的研究者，尤其體現在校本研發。一是要有教科研精神，追求教育教學新境界。二是教學過程要以研究者的心態置身教學情景中，以研究者眼光審視和分析學習理論與教學實踐，探求解決問題的途徑與方法，提高教學質量和效益。

3．6就業服務的指導者。職業院校教師是學生就業服務的指導者。一是指導學生樹立正確的就業觀念。指導學生理性分析形勢，堅持相關原則，適應市場經濟雙向選擇。二是指導學生具備一定技能以適應，盡快順利擇業、就業、創業。

4．學生為中心的主體性。

提倡以教師為主導，教師是教學中的引導者、促進者，是“平等中的首席”。學生為主體，學生學習知識時的意義建構，是在真實的任務情境中，合作與對話中實現。使“知識在對話中生成，在交流中重組，在共享中倍增”。

總之，教師必須具備現代教育理念，不斷完善自己的專業素質，職業品質及教育教學能力，扮演好多元角色，要以學生為中心突出主體性，構建新型師生關系。像美國著名課程專家多爾所說：教師是“平等中的首席“。