0 引　言

舵机是船舶操纵系统的核心部件，负责控制船舶的航行方向。在船舶航行过程中，舵机频繁工作，其能耗在船舶总能耗中占据相当大的比例。特别是在船舶频繁转向、进出港口等操作时，舵机需要输出强大动力，能耗急剧增加。因此，对舵机进行节能优化，能够显著降低船舶的整体能耗，对船舶节能减排目标的实现具有重大意义^[1]。

传统舵机在设计和运行过程中，存在诸多能耗较高的问题。部分舵机采用的液压系统效率较低，能量在传输和转换过程中损失较大；机械传动部件之间的摩擦也会消耗大量能量。通过采用先进的节能材料、优化结构设计以及改进控制策略等手段，舵机具有巨大的节能潜力。研究表明，经过合理的节能改造，舵机能耗可降低15%～30%，这将为船舶带来可观的节能收益。

欧美国家在碳纤维复合材料用于船舶舵机结构方面研究处于领先地位。如美国的一些科研机构与船舶制造企业合作，通过对碳纤维复合材料进行特殊的编织和树脂浸渍工艺处理，开发出适用于舵机叶片和舵杆的高性能材料。研究表明，相比传统金属材料，使用碳纤维复合材料制造的舵机部件重量可减轻30%～40%，显著降低了船舶航行时的能耗^{[2 − 3]}。英国的研究团队则专注于优化碳纤维复合材料的结构设计，通过有限元分析等方法，确定在保证舵机强度和刚度的要求下，实现材料的最佳铺层方式，进一步提升了舵机的性能和节能效果。日本企业研发出新型高强度镁合金，通过添加特定合金元素和采用先进的铸造工艺，提高了镁合金的力学性能。将其用于舵机外壳和部分内部结构件，不仅减轻了重量，还利用镁合金良好的阻尼特性，降低了舵机工作时的振动和噪声，提高了船舶的舒适性。此外，镁合金在海水中的腐蚀速率相对较低，配合适当的表面防护处理，可有效保证舵机在海洋环境下的可靠性。

国内众多高校和科研机构对玻璃纤维增强塑料（FRP）在船舶舵机结构中的应用进行了深入研究。通过改进玻璃纤维的配方和增强方式，以及优化树脂基体的性能，开发出一系列适用于舵机制造的高性能 FRP材料。一些研究采用多层玻璃纤维布叠层并结合真空导入成型工艺，制造出具有良好力学性能和耐腐蚀性的舵机叶片。与传统金属叶片相比，FRP叶片重量减轻约20%～30%，同时其良好的绝缘性能可有效防止电化学腐蚀，延长舵机使用寿命。相关研究还表明，使用FRP材料制造的舵机在实际航行中，可降低船舶能耗8%～12%^[4]。

本文通过对船舶舵机结构进行分析，对铝基复合材料、钛基复合材料等在船舶舵机结构设计中的应用进行了研究，这些材料的应用不仅降低了船舶能耗，同时提升了舵机结构的强度。

1 船舶舵机结构分析

船舶舵机作为船舶操纵系统的核心执行装置，其结构设计需满足海洋环境下的高可靠性要求。典型船舶舵机系统由液压动力单元、机械传动机构和电子控制模块3个部分构成：液压系统采用柱塞泵或叶片泵提供高压油源，通过伺服阀组控制油缸活塞运动；机械传动部分包含蜗轮蜗杆或齿轮齿条机构，将液压推力转化为舵叶的旋转运动；电子模块集成信号处理器和驱动电路，接收来自驾驶室的操舵指令并实时监测舵角反馈信号^[5]。系统通常配备冗余设计，包括双油泵、双控制单元和应急手动操作装置，确保在极端工况下仍能维持转向功能。

船舶舵机的工作原理基于闭环液压伺服控制机制，其控制流程涉及信号转换、动力传递和动态补偿3个关键环节^[6]。当驾驶台发出舵角指令，电子控制器将模拟电压信号（0～10 V）或数字信号（CAN总线）转换为电液伺服阀的控制电流，驱动阀芯动作调节油路方向。高压油液推动油缸活塞产生线性位移，经连杆机构转化为舵杆的旋转运动，带动舵叶偏转。安装在舵杆上的编码器或电位器实时反馈实际舵角，与指令值比较后通过PID算法调整伺服阀的开度，形成动态闭环控制，系统可实现±0.1°的控制精度，响应时间小于1 s，最大转舵扭矩可达数kN·m。

为适应船舶航行的特殊需求，现代船舶舵机还具备多重保护功能^[7]。液压系统设置压力传感器和溢流阀，防止过载损坏；油温控制系统确保油液粘度稳定；动态补偿算法可根据船舶航速、吃水和海况自动调整控制参数。部分高端舵机采用变频调速技术，通过调节油泵电机转速优化能耗，同时降低噪声和振动。这些技术创新使船舶舵机不仅满足国际海事组织（IMO）的安全标准，还能在恶劣海况下保持稳定可靠的转向性能，成为保障船舶航行安全的关键设备。

2 基于节能材料的舵机结构优化方法 2.1 铝基复合材料在舵机轻量化结构设计中的应用

在船舶舵机轻量化设计中，铝基复合材料展现出显著的比强度优势。这类材料以高强度铝合金（如6061或7075）为基体，通过引入SiC颗粒、Al₂O₃晶须等增强相实现性能优化。体积分数15%～30%的SiC颗粒可使复合材料拉伸强度提升至680～820 MPa，而密度仅为2.9～3.1 g/cm³，其比强度（250～290 MPa·cm³/g）较传统7075铝合金（204 MPa·cm³/g）提高约42%。

表1为不同铝基复合材料的测试数据，在船舶舵机结构设计中，BP/7A04玄武岩颗粒增强铝基复合材料与TiB₂/7075Al-PA纳米颗粒增强材料（抗拉强度690 MPa）通过熔体搅拌+热处理或FSP工艺，适用于舵机齿轮、活塞杆等高负载部件，其密度2.85～2.88 g/cm³，比强度达240～245 MPa·cm³/g，较传统7075铝合金提升42%。纳米Al₂O₃/A356复合材料通过限域超声+原位反应工艺实现纳米颗粒均匀分散（平均粒径<50 nm），在密度仅2.7 g/cm³的前提下，获得350 MPa抗拉强度与129.6 MPa·cm³/g的比强度，同时保持10%延伸率。

表2为舵机结构轻量化设计方案及预期效果，可以发现在船舶舵机结构设计中，铝基复合材料通过差异化设计实现了显著的性能优化：纳米Al₂O₃/A356复合材料采用蜂窝夹层结构实现舵柄减重35%，同时保持129.6 MPa·cm³/g的比强度与10%延伸率；BP/7A04玄武岩颗粒增强材料通过轮辐镂空设计使传动齿轮减重28%，表面激光淬火强化至HRC55以提升耐磨性。

2.2 钛基复合材料在船舶舵机强韧化结构设计中的应用

以连续碳纤维增强Ti-6Al-4V复合材料为例，当纤维体积分数达40%时，其纵向拉伸强度可达1600～2100 MPa，比强度高达380～450 MPa·cm³/g，远超传统钛合金（214 MPa·cm³/g）。这类材料在深海舵机关节中的应用验证了其优异的抗腐蚀疲劳性能−在3000 m水深环境下，裂纹扩展速率较纯钛降低60%，使用寿命延长4倍。通过激光熔覆技术制备的梯度增强钛基复合材料，在保持基体高强度的同时，实现了局部耐磨性提升50%，特别适用于高速船舶传动臂等易磨损部件。此外，TiB₂颗粒增强钛基复合材料制成的应急操舵装置，在冲击载荷下表现出80 J/cm²的高韧性，显著优于传统材料。

图1为连续碳纤维增强Ti-6Al-4V复合材料纤维体积分数与纵向拉伸强度关系数据表，可以发现：随着纤维体积分数的增加，纵向拉伸强度总体呈现上升趋势。这是因为碳纤维具有较高的强度和模量，能够有效承担载荷，增强复合材料的整体性能。但当纤维体积分数过高时，可能会出现纤维团聚、基体难以充分浸润纤维等问题，从而影响复合材料的性能提升效果。在本数据中，当纤维体积分数达到60%时，强度提升的幅度有所减小。

连续碳纤维增强Ti-6Al-4V复合材料在室温下展现出卓越的纵向力学性能，当纤维体积分数达40%时，纵向拉伸强度可达1600～2100 MPa，拉伸模量为220～240 GPa，显著优于传统钛合金。这得益于SCS-6碳化硅纤维的高强度特性（抗拉强度4.1 GPa）与热等静压工艺形成的优质界面结合（结合强度120 MPa）。材料呈现明显的各向异性特征，横向模量仅为纵向的15%～20%，反映出纤维定向排列对性能的方向性强化作用。延伸率0.8%～1.2%的脆性特征表明，断裂过程以纤维拔出为主导机制，少量基体撕裂辅助耗能，这种失效模式在保证高承载能力的同时，需通过界面优化抑制裂纹扩展。

表3为钛基复合材料应用及结构设计方案，在船舶舵机强韧化结构设计中，钛基复合材料通过梯度复合结构与纤维铺层优化实现了轻量化与高强度的协同突破：深海舵机关节采用外层C_f/Ti（纤维体积分数40%）与内层Ti-6Al-4V的梯度结构，结合HIP+CVI工艺，抗压强度达2500 MPa且腐蚀疲劳寿命延长至3.2×10⁶循环；高速传动臂表面激光熔覆CrMnFeCoNi高熵合金梯度层，使耐磨性提升50%并避免共振失效；应急操舵装置采用TiB₂颗粒增强钛基复合材料（体积分数20%），通过仿生多孔结构实现冲击韧性80 J/cm²，这些设计通过界面纳米涂层（TiN/Al₂O₃）、梯度硬度调控（12.5 GPa→9.8 GPa）及粉末冶金-热挤压工艺，在马士基集装箱船改造中实现舵柄减重3.2 t，同时提升最大工作压力39%至25 MPa，为海洋装备在极端工况下的可靠性提供了材料解决方案。

2.3 多种节能材料协同优化设计

连续碳纤维增强Ti-6Al-4V复合材料和铝基复合材料的协同优化设计进一步拓展了其工程应用潜力。通过梯度复合结构设计，活塞杆可实现Al基复合材料外层与Ti基复合材料芯部的刚度渐变，界面应力集中系数控制在1.2以下。仿生结构优化则模拟鲸类胸鳍骨骼形态，结合2种材料特性实现减重20%同时保持刚度。当前技术仍面临制备成本高（钛基复合材料成本为传统材料3～5倍）、横向强度不足（纤维增强材料横向强度仅为纵向15%～20%）等挑战。

协同设计舵机在全航速范围内均表现出显著的节能优势，其非线性特征与船舶实际运行工况高度契合（见图2）。

1）在低速区（5～12 kn），传统舵机能耗随航速平方增长（122.3～190.7 kW·h），而协同设计舵机通过梯度复合材料降低表面粗糙度，节能率达28.3%（11 kn）。

2）中速区（12～24 kn）兴波阻力成为主导因素，传统舵机能耗激增40.3%/6 kn，协同设计舵机凭借碳纤维增强钛基材料提升的刚度（模态频率提高25%），抑制了波浪诱导振动，能耗增速仅33.8%/6 kn，节能率峰值达30.1%（20 kn）。

3）高速区（24～32 kn）空泡效应导致传统舵机能耗指数级上升（417.3～736.9 kW·h），而协同设计舵机通过表面纳米涂层（类金刚石DLC）将临界空泡数提升至1.5，能耗增速与传统舵机基本持平，但仍保持29.7%的节能率（32 kn）。数据显示26 kn临界航速后节能率略有下降（空泡完全附体导致能耗激增），但复合材料的高阻尼特性（阻尼比0.035）使能量吸收率提升150%，有效延长了设备寿命。因而在实际应用中可采用分段航速控制策略（经济航速17～20 kn），并通过智能监测系统实时调整液压阻尼参数，以最大化发挥复合材料的综合性能优势。

3 结　语

1）铝基复合材料通过梯度增强、纳米颗粒弥散强化及仿生结构设计，在船舶舵机轻量化中实现减重20%～35%，成功应用于舵柄、传动齿轮等关键部件；钛基复合材料则凭借连续碳纤维增强和梯度复合结构，使深海舵机关节抗压强度突破2500 MPa，显著提升极端工况下的可靠性。

2）铝基-钛基梯度复合结构活塞杆通过刚度渐变设计，在减重22%的同时将界面应力集中系数控制在1.2以下；仿生胸鳍骨骼结构结合2种材料特性，在极地低温舵机中实现20%减重并保持宽温域强度稳定（–40℃～85℃）。船舶全航速能耗测试显示，协同设计舵机节能率达29.7%～30.1%，验证了材料-结构协同优化对船舶能效提升的显著作用。