第八章舵机

1、wangkewangkewangke一、舵的作用：一、舵的作用： 船舶的操纵性，是船舶的主要航行性能之一。舵是船舶操纵装置的一个重要部件。 舵是一块平板或具有流线型截面的板，称为舵叶。装在船尾中纵剖面或对称于中纵剖面的位置上。它垂直地浸没在水中，并能绕舵轴转动。 wangke 舵是船舶的一种十分重要和不可缺少的专用舾装设备。可以想象，如果船没有舵，或舵失灵，就象汽车没有方向盘一样，将无法行驶）在大海里任凭风浪摆布。无主动航向的船不仅不能保证航行的安全，而且是不能到达目的港的。wangke 舵是舵手（驾驶人员）用来保持或改变船舶在水中运动方向的专用设备。 舵有两大功能： 一是保持船舶预定航向的能

2、力，称为航向稳定性； 二是改变船舶运动方向的能力，称回转性。 通常把二者统称为船舶的操纵性。 wangke 船舵主要由舵叶和舵杆组成。舵叶是产生水压力的部分；舵杆的作用是转动舵叶和保证舵叶具有足够的强度。舵的作用原理是当水流以某冲角冲至舵叶上时，便产生了流体动力，此作用力通过舵杆传递并船体上，从而迫使船舶转向，也就达到了调整航向的目的。 wangke 舵从帆船时代的简单平板舵发展到今天的流线型舵，不断得到改进，现普通舵和特种舵已有十几种类型。近个时期，随着科学技术的发展，还出现了一些推进设备也兼有舵设备的功能。 wangke 舵的分类：（一）按舵的支承情况来分 1多支承舵：船体尾柱连有三个以上

3、的舵钮； 2半悬式舵：下支承的位置在舵的半高处； 3悬式舵：挂在舵杆上； 4双支承舵：除了上支承外还有一个安在舵根的下支承。（二）按舵杆轴线位置来分1不平衡舵 ：舵叶位于舵杆轴线之后；2半平衡舵：一般就是半悬式舵；3平衡舵：舵杆轴线位于舵叶前缘后一定的距离，一般在舵叶前缘后的13处。wangke（三）按舵剖面形状来分 1. 平板舵- 仅用一块平板做成的最简单的舵； 2. 改良形平板舵- 在平板舵上以木质板，其外形与流线型舵相似的舵； 3. 流线型舵- 舵的翼剖面是机翼型的舵，如果带有固定舵柱的就称为固定舵柱型流线型舵； 4. 反应舵- 是将流线型平衡舵以螺旋轴为界，按一定流程进行上下扭曲后的舵

4、，据说这种舵可以提高推进效率4- 6左右。 wangkevFNFTFFLFDF 水作用力水作用力FN 舵叶两侧水压力（舵压力）舵叶两侧水压力（舵压力）FT 摩擦力摩擦力FL 升力升力FD 阻力阻力F 水作用力水作用力舵的作用原理舵的作用原理wangke舵的作用原理舵的作用原理221AvCFLL221AvCFDDbCxxFL 升力升力 FD 阻力阻力Cxv升力系数、阻力系数CL、CD舵叶处的水流速度压力中心系数舵压力中心至舵导边的距离wangkeF 水作用力水作用力FN 舵叶两侧水压力（舵压力）舵叶两侧水压力（舵压力）FT 摩擦力摩擦力FL 升力升力FD 阻力阻力F 水作用力水作用力舵的作用原理

5、舵的作用原理船舶重心船舶重心wangke 转船力矩转船力矩 横向推力横向推力 阻力阻力在船舶重心上加一对大小等于在船舶重心上加一对大小等于F，方向相反的力，方向相反的力F1、F2lAvClFXFXlFMLLCDCLS221sincoscos2FT sin1FR 转舵效应；转舵效应； （1）偏转）偏转 （2）横移）横移 （3）减速）减速舵的作用原理舵的作用原理wangke1. 转船力矩随舵角而变化；2. 转船力矩有最大值Mmax3. 海船的转船力矩最大值出现在3035 之间； 内河船的转船力矩最大值出现在3545 之间。L升力系数D阻力系数X压力中心系数舵的作用原理舵的作用原理wangke1.转

6、船力矩转船力矩MS 水作用力 F 对船舶重心所产生的力矩。2.舵的水动力矩舵的水动力矩Ma 舵压力FN对舵柱轴线所产生的力矩。3.转舵力矩转舵力矩M 操舵装置对舵杆施加的力矩。4.磨擦力矩磨擦力矩Mf 舵柱支承处总摩擦力矩。6.公称转舵扭矩公称转舵扭矩 在规定的最大舵角时所能输出的的最大扭矩。5.转舵力矩转舵力矩 M=Ma+Mf各项力矩的定义各项力矩的定义wangke(1) 水动力矩与舵叶的面积A和舵叶处水流速度的平方成正比，并随舵角的增大而增大。(2) 不平衡舵因XXc，故当船舶正航并向一舷转舵时，水动力矩将始终为正(指与舵叶转向相反)，而回舵时则变为负(指与舵叶转向相同)。平衡舵因XcX-

7、Z，小舵角时由于压力中心O处于舵杆轴线的前方，故Ma为负；只有当舵角增大到某一数值之后，Ma才会因O点移到轴线之后而变为正值。舵杆轴线之前的舵叶面积A与整个舵叶面积A之比，称为平衡系数，用K表示。图示出了舵叶具有不同平衡系数时的水动力矩曲线。由图可见，平衡系数越大，舵叶的最大水动力矩越小，即舵机所需的公称转舵扭矩较小。(3) 船舶倒航时，由于舵叶后缘变成了导边，压力中心离开舵杆轴线的距离因而增大，致使舵压力的力臂大大增加，故在其它条件相同时，同一舵角下倒航时的水动力矩就会超过正航时的水动力矩。转转船船力力矩矩水水动动力力矩矩wangke 舵机是保持或改变船舶航向，保证安全航行的重要设备，一旦失

8、灵，船舵机是保持或改变船舶航向，保证安全航行的重要设备，一旦失灵，船即会失去控制，甚至事故。因此，我国即会失去控制，甚至事故。因此，我国钢质海船入级与建造规范钢质海船入级与建造规范(1996)根据根据国际海上人命安全公约国际海上人命安全公约)(SOLAS公约公约)的规定，对舵机的基本技术要求的规定，对舵机的基本技术要求是：是：(1) 必须具有一套主操舵装置和一套辅操舵装置；或主操舵装置有两套以上的动力设备。当其中之一失效时，另一套应能迅速投入工作。 主操舵装置应具有足够的强度并能在船舶处于最深航海吃水并以最大营运航速前进时将舵自任何一舷35转至另一舷的35 ，并且于相同的条件下，自一舷的35

9、转至另一舷的30 所需的时间不超过28s。此外，在船以最大速度后退时应不致损坏。 辅操舵装置应具有足够的强度，且能在船舶处于最深航海吃水，并以最大营运航速的一半但不小于7kn前进时，能在不超过60s内将舵自任一舷的15 转至另一舷的15 。wangke(2) 主操舵装置应在驾驶台和舵机室都设有控制器；当主操舵装置设置两台动力设备时，应设有两套独立的控制系统，且均能在驾驶室控制。但如果采用液压遥控系统，除1万Gt以上的油轮(包括化学品船、液化气船，下同)外，不必设置第二套独立的控制系统。(3) 对舵柄处舵杆直径大于230mm(不包括航行冰区加强)的船应设有能在45s内向操舵装置提供的替代动力源。

10、这种动力源应为应急电源位于舵机室内的独立动力源，其容量至少应能向符合辅操舵装置要求的一台动力设备及其控制系统和舵角指示器提供足够的能源。此独立动力源只准专用于上述目的。对1万Gt以上的船舶，它应至少可供工作30min，对其它船舶为10min。wangke(4) 操舵装置应设有有效的舵角限位器。以动力转舵的操舵装置，应装设限位开关或类似设备，使舵在到达舵角限位器前停住。(5) 对1万Gt以上的油船、化学品船、液化气体运输船尚有如下一些附加要求：当发生单项故障(舵柄、舵扇损坏或转舵机构卡住除外)而丧失操舵能力时，应能在45s内重新获得操舵能力。 舵机可由两个均能满足主操舵装置要求的独立的动力转舵系

11、统组成；或至少有两个相同的动力转舵系统，在正常运行时同时能满足主操舵装置要求，其中任一系统中液压流体丧失时应能被发现，有缺陷的系统应能自动隔离，使其余动力转舵系统安全运行。 有的转舵机构虽不能分隔成两部分，但如经过严格的应力分析(包括疲劳和断裂分析)、密封设计、材料选用和试验，则也可允许用于1万Gt以上、10万Gt以下的油船、化学品船、液化气体运输船。在这种情况下，只对管系或动力设备而不对转舵机构提出下列要求：即当发生单一故障时应能在45s内恢复操舵能力。wangke6) 能被隔断的、由于动力源或外力作用能产生压力的液压系统任何部分均应设置安全阀。安全阀开启压力应不小于1.25倍最大工作压力；

12、安全阀能够排出的量应不小于液压泵总流量的110，在此情况下，压力的升高不应超过开启压力的10，且不应超过设计压力值。wangkewangke基本组成：基本组成：1.1.远操机构远操机构 （转递操舵信号）（转递操舵信号） 2.2.舵机舵机 （提供转舵动力）（提供转舵动力） 3.3.转舵机构转舵机构 （对舵柱产生转舵力矩）（对舵柱产生转舵力矩） 4.4.舵叶舵叶 （产生转船力矩）（产生转船力矩）分分 类：类：1.1.按远操机构分按远操机构分 机械、电力、液压机械、电力、液压 2.2.按舵机能源分按舵机能源分 人力、气动、电动、液压人力、气动、电动、液压 3.3.按转舵机构分按转舵机构分 往复、转叶

13、往复、转叶wangke根据液压油流变换方法的不同可分为：根据液压油流变换方法的不同可分为： 变向变量泵式（变向泵式）变向变量泵式（变向泵式） 定向定量泵式（换向阀式）定向定量泵式（换向阀式）组成：组成： 1. 操纵系统转递操舵信号操纵系统转递操舵信号 2. 控制元件控制油液的流向、流量和压力控制元件控制油液的流向、流量和压力 3. 转舵机构将油液的压力能转变为机械能转舵机构将油液的压力能转变为机械能 4. 动力源提供一定压力和流量的油液动力源提供一定压力和流量的油液wangke变向泵式变向泵式换向阀式换向阀式反馈机构反馈机构发发 送送 器器受受 动动 器器变向变量泵变向变量泵转舵机构转舵机构舵

14、舵 叶叶远操机构远操机构操操 纵纵 阀阀三位四通阀三位四通阀控制油缸控制油缸式换向阀式换向阀手、液动手、液动转舵机构转舵机构舵舵 叶叶副油泵副油泵主油泵主油泵wangke受动器受动器反馈机构反馈机构变向泵变向泵转舵机构转舵机构舵柱舵柱储能弹簧储能弹簧防浪阀防浪阀wangke追随机构：机械杠杆（三点式、五点式）、电子反馈式1. 三点式追随机构：ABCBCCAAAABBA 控制点，反馈点，控泵点控制点，反馈点，控泵点1 11 1CCAABB2 21 1一、泵控型液压舵机一、泵控型液压舵机wangkeCCAABB2 21 1CCAABB2 21 1三点式杠杆特点： 一次性位移不能太大，受最大可位移量

15、限制，否则会损坏控制处的机件。（用储能弹簧克服该缺点）一、泵控型液压舵机一、泵控型液压舵机wangke1.完成一次性操大舵，使在最大位置时间长，加快转舵速度；2.避免控制点机件损坏。储能弹簧的功能：储能弹簧的功能：一、泵控型液压舵机一、泵控型液压舵机wangke2.五点式（带副杠杆式）ABCDEBCDEAAAABCDECC 有位移放大作用，操小舵角时使控制点有较大的位移，使变量泵有较大的排量，使得转舵速度快。一、泵控型液压舵机一、泵控型液压舵机wangke在由于海浪或冰块等冲击舵叶时导致系统油压过高的情况下，使液压舵机能够很好地适应冲击负荷。安全阀（防浪阀）的功能：安全阀（防浪阀）的功能：一、

16、泵控型液压舵机一、泵控型液压舵机wangke分类：分类：1. 往复式转舵机构往复式转舵机构2. 回转式转舵机构回转式转舵机构wangke1.往复式转舵机构）滑式转舵机构1-油缸；2-底座；3-撞杆；4-舵杆；5-舵角指示器；6-十字头轴承；7-十字头耳轴；8-舵柄；9-滑块；10-导板；11-撞杆行程限制器；12-放气阀wangke1.往复式转舵机构）滑式转舵机构 cos4cos2pDpQ 转舵力矩： 2020cos4coscosmmmDzpRRPzzQRM wangke 扭矩特性良好，承载能力较大；撞杆与油缸的密封采用字型，密封可靠，具有自动补偿能力；油缸精加工面少；尺寸、重量大；安装、检修

17、比较麻烦.1.往复式转舵机构）滑式转舵机构滑式转舵机构特点:wangke）滚轮式转舵机构1.往复式转舵机构结构特点： 在舵柄端部的滚轮代替滑式机构中的十字头或拨叉，受油压推动的撞杆，以顶部顶动滚轮，使舵柄转动；这种机构不论舵角如何变化，通过撞杆端面与滚轮表面的接触线作用到舵柄上的推力P，始终垂直于撞杆端面，而不会产生侧推力。wangke）滚轮式转舵机构1.往复式转舵机构 cos4cos2pDPQ mmRzpDzQRM 02cos4 转舵力矩：wangke）摆缸式转舵机构1.往复式转舵机构wangke2.回转式转舵机构AEG型转叶舵机油缸型转叶舵机油缸1-舵杆；2-缸体；3-转数；4-转叶；5-

18、定叶；6-油管wangke转叶式机构的转舵扭矩可用下式表示：式中：z 转叶数目； P转叶两侧油压差，Pa； A每个转叶的单侧面积，m2； Ro转叶压力中心至舵杆轴线间的距离，m； m机械效率，一般为0.750.85。 上式表明：转叶式机构所能产生的转舵扭矩与舵角无关，扭矩特性在坐标图上是一条与横坐标平行的直线。mzPARM 2.回转式转舵机构wangke转叶式转舵机构的特点：(1) 占地面积小，重量轻，安装方便；(2) 无须外部润滑，管理简便；舵杆不受侧推力，可减轻舵承磨损；(3) 扭矩特性不如滑式，但比滚轮式和摆缸式好；(4) 内泄漏部位较多，密封不如往复式容易解决；容积效率低，油压较高时更

19、为突出；(5) 内部密封问题是其薄弱环节。2.回转式转舵机构wangkemzPARM mmRzpDzQRM 02cos4 22cos4coscosmmmDzpRRPzzQRMwangke1. 伺服油缸式舵机遥控系统伺服油缸式舵机遥控系统2. 交流伺服电机式舵机遥控系统交流伺服电机式舵机遥控系统wangke1）随动操舵系统发出舵角指令后，不仅可使舵按指定方向转动，而且在舵转到指令舵角后还能自动停止操舵的系统；2）自动操舵系统在船舶长时间沿指定航向航行时使用，它能在船因风、流及螺旋桨的不对称作用等造成偏航时，靠罗经测知并自动发出信号，使操舵装置改变舵角，以使船舶能够自动地保持既定的航向；3）非随动

20、操舵系统只能控制舵机的起停和转舵方向，当舵转至所需要的舵角时，操舵者必须再次发出停止转舵的信号，才能使舵停转；通常既可在驾驶台，也可在舵机室操纵，以备应急操舵或检修、调试舵机之用。根据传递操舵信号方法不同，遥控系统可分为：机械式、液压式和电气式等，现代船舶大多采用电气遥控系统。wangke1.伺服油缸式舵机遥控系统由电气遥控和液压伺服两部分组成：1）将驾驶台发出的信号转到舵机室；2）将信号转换成伺服油缸活塞的位移（通过追随机构控制主油泵的变量机构，实现远距离操舵）。1-伺服油缸；2-油路锁闭阀；3-电磁换向阀；4-溢流节流阀；5-安全阀；6-单向阀；7-油泵；8-液控旁通阀；9-滤器；10-油箱；11-伺服活塞wangke2.交流伺服电机式舵机遥控系统前述遥控系统采用了液压伺服系统，会增加维护管理的工作量，使发生故障的机会增加；此外，更重要的是采用浮动杆追随机构同时控制两台主油泵，当一台主泵变量机构卡阻时，为了保证操舵的需要就必须使该台主泵与浮动杆脱开，否则另一台主泵也将无法操纵。1.执行电机 2.角杆 3.连杆 4.液压放大器 5.伺服滑阀 6.差动活塞 7.径向柱塞泵 8.止动螺钉 9.止摆装置 10.法兰盘 11.回中弹簧在HSH式舵机遥控系统中