第八章舵机

1、steering gearsteering gear一、舵的作用：一、舵的作用：船舶的操纵性，是船舶的主要船舶的操纵性，是船舶的主要航行性能之一。舵是船舶操纵装航行性能之一。舵是船舶操纵装置的一个重要部件。置的一个重要部件。舵是一块平板或具有流线型截舵是一块平板或具有流线型截面的板，称为面的板，称为舵叶舵叶。装在船尾中。装在船尾中纵剖面或对称于中纵剖面的位置纵剖面或对称于中纵剖面的位置上。它垂直地浸没在水中，并能上。它垂直地浸没在水中，并能绕舵轴转动。绕舵轴转动。舵是船舶的一种十分重要和不可缺少的专用舾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，装设备。可

2、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。保证航行的安全，而且是不能到达目的港的。舵是舵手（驾驶人员）用来保持或改变船舶在水中运动舵是舵手（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。方向的专用设备。舵有两大功能：舵有两大功能：一是保持船舶预定航向的能力，称为航向稳定性；一是保持船舶预定航向的能力，称为航向稳定性；二是改变船舶运动方向的能力，称回转性。二是改变船舶运动方向的能力，称回转性。通常把二

3、者统称为船舶的操纵性。通常把二者统称为船舶的操纵性。船舵主要由船舵主要由舵叶舵叶和和舵杆舵杆组成，舵叶是产生水压力的部分，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。向，也就达到了调整航向的目的。舵从帆船时代的简单平板舵发展到今天的流线型舵，不断舵从帆船时代的简单平板舵发展到今天的流

4、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，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。备的功能。舵的分类：舵的分类：（一）按舵的支承情况来分（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的舵钮。多支承舵：船体尾柱连有三个以上的舵钮。2半悬式舵：下支承的位置在舵的半高处。半悬式舵：下支承的位置在舵的半高处。3悬式舵：挂在舵杆上的。悬式舵：挂在舵杆上的。4双支承舵：除了上支承儿还有一个安在舵根双支承舵：除了上支承儿还有一个安在舵根的下支承。的下支承。

5、（二）按舵杆轴线位置来分（二）按舵杆轴线位置来分1不平衡舵不平衡舵 ：舵叶位于舵杆轴线之后。：舵叶位于舵杆轴线之后。2半平衡舵：一般就是半悬式舵。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定的距离。一般在舵叶前缘后的13处。处。舵的种类很多，分类的方法也很多，有按支承情况、舵杆位置、剖舵的种类很多，分类的方法也很多，有按支承情况、舵杆位置、剖面形状分类的，也有按结构形式和使用功能分的。面形状分类的，也有按结构形式和使用功能分的。（三）按舵剖面形状来分（三）按舵剖面形状来分1）平板舵）平板舵-仅用一块平板做成仅用一块

6、平板做成的最简单的舵；的最简单的舵；2）改良形平板舵）改良形平板舵-在平板舵上在平板舵上以木质板，其外形与流线型舵相似以木质板，其外形与流线型舵相似的舵；的舵；3）流线型舵）流线型舵-舵的翼剖面是机舵的翼剖面是机翼型的舵，如果带有固定舵柱的就翼型的舵，如果带有固定舵柱的就称为固定舵柱型流线型舵；称为固定舵柱型流线型舵；4）反应舵）反应舵-是将流线型平衡舵是将流线型平衡舵以螺旋轴为界，按一定流程进行上以螺旋轴为界，按一定流程进行上下扭曲后的舵，据说这种舵可以提下扭曲后的舵，据说这种舵可以提高推进效率高推进效率4-6左右。左右。 特种舵特种舵为了提高船舶的推进效率和改善操纵性能，特别是提高船在低速

7、航行为了提高船舶的推进效率和改善操纵性能，特别是提高船在低速航行时的操纵性，而对普通舵进行开发，或者普通舵与别的设备组合的具有时的操纵性，而对普通舵进行开发，或者普通舵与别的设备组合的具有特种型式的舵叫做特种舵。如主动舵、整流帽舵、襟翼舵、转子舵等。特种型式的舵叫做特种舵。如主动舵、整流帽舵、襟翼舵、转子舵等。1、主动舵、主动舵-在普通流线型舵的中部后缘处加装一个带有导流管的小在普通流线型舵的中部后缘处加装一个带有导流管的小螺旋桨，螺旋桨，此桨由装在舵体内的潜水电机或液压马达驱动，依靠舵、桨产此桨由装在舵体内的潜水电机或液压马达驱动，依靠舵、桨产生的力改变船的航向。该种舵最大的特点是在低速或倒

8、航时仍具有良好生的力改变船的航向。该种舵最大的特点是在低速或倒航时仍具有良好的操纵性，而且能提高船的回转性能。还具有低速推进装置的功能。的操纵性，而且能提高船的回转性能。还具有低速推进装置的功能。2、整流帽舵、整流帽舵-在普通舵（一般是流型舵）的适当位置加装一个外型在普通舵（一般是流型舵）的适当位置加装一个外型为对称机翼剖面的回转体或近似于椭圆形的整流帽，为对称机翼剖面的回转体或近似于椭圆形的整流帽，由于整流帽填充了由于整流帽填充了通常是涡流低压区的空间，使得螺旋桨后部的乱流得到改善。这样不仅通常是涡流低压区的空间，使得螺旋桨后部的乱流得到改善。这样不仅提高推进效率，还能降低船尾的震动，据称在

9、一般舵上加装整流帽后，提高推进效率，还能降低船尾的震动，据称在一般舵上加装整流帽后，可以增加航速可以增加航速03-05。3、襟翼舵、襟翼舵-将舵叶做成主舵和子舵两部分，子舵即是襟翼舵将舵叶做成主舵和子舵两部分，子舵即是襟翼舵。当主舵。当主舵转动一个角度时，子舵相对主舵再转动另一个角度。这样一来，就明显转动一个角度时，子舵相对主舵再转动另一个角度。这样一来，就明显地提高了舵效，改善了操纵性能。此种舵的缺点是结构和制造较为复杂。地提高了舵效，改善了操纵性能。此种舵的缺点是结构和制造较为复杂。4、转子舵、转子舵-是在普通舵的前缘装一高速旋转的圆柱，是在普通舵的前缘装一高速旋转的圆柱，由于圆柱的高由于

10、圆柱的高速旋转，产生了一股侧向流，此流即提高舵的升力，同时增加了绕舵的速旋转，产生了一股侧向流，此流即提高舵的升力，同时增加了绕舵的环流，又增加了升力，从而明显地提高了船的回转性能，此种舵多被回环流，又增加了升力，从而明显地提高了船的回转性能，此种舵多被回转性能要求高的船所采用。转性能要求高的船所采用。vFNFTFFLFDF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F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221AvC

11、FLL221AvCFDDbCxxFL 升力升力FD 阻力阻力Cx 压力中心系数压力中心系数v 水流速度水流速度水作用力水作用力F 对船舶运动的影响对船舶运动的影响1.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lAvClFXFXlFMLLCDCLS221sincos1.1.转船力矩随舵角而变化；转船力矩随舵角而变化；2.2.转船力矩有最大值转船力矩有最大值M

12、 Mmaxmax3.3.海船的转船力矩最大值出海船的转船力矩最大值出现在现在303035 35 之间；之间；内河船的转船力矩最大值内河船的转船力矩最大值出现在出现在353545 45 之间。之间。L升力系数D阻力系数X压力中心系数1.转船力矩转船力矩MS水作用力水作用力 F 对船舶重心所产生的力矩。对船舶重心所产生的力矩。2.舵的舵的水动力矩水动力矩Ma舵压力舵压力FN对舵柱轴线所产生的力矩。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。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。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

13、最大舵角时所能输出的的最大扭矩。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(1)水动力矩与舵叶的面积水动力矩与舵叶的面积A和舵叶处水流速度的平和舵叶处水流速度的平方成正比，并随舵角方成正比，并随舵角的增大而增大。的增大而增大。(2)不平衡舵不平衡舵因因XXc，故当船舶正航并向一舷转，故当船舶正航并向一舷转舵时，水动力矩将始终为正舵时，水动力矩将始终为正(指与舵叶转向相反指与舵叶转向相反)，而回舵时则变为负而回舵时则变为负(指与舵叶转向相同指与舵叶转向相同)。平衡舵平衡舵因因XcX-Z，小舵角时由于压力中心，小舵角时由于压力中心O处于舵

14、杆轴线处于舵杆轴线的前方，故的前方，故Ma为负；只有当舵角增大到某一数值之为负；只有当舵角增大到某一数值之后，后，Ma才会因才会因O点移到轴线之后而变为正值。点移到轴线之后而变为正值。舵杆舵杆轴线之前的舵叶面积轴线之前的舵叶面积A与整个舵叶面积与整个舵叶面积A之比，称之比，称为平衡系数，用为平衡系数，用K表示。表示。图示出了舵叶具有不同平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。转舵扭矩较小。(3)船舶倒航时，由于舵叶后缘变成

15、了导边，压力船舶倒航时，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，力臂大大增加，故在其它条件相同时，同一舵角下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。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 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，我国灵，船即会失去控制，甚至事故。因此，我国钢质海船人级与建造钢质海船人级与建造规范规范(1996)(19

16、96)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)(SOLAS公约公约) )的规定，的规定，对舵机的基本技术要求是：对舵机的基本技术要求是：(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。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。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最大营运航速前进时将舵自任何一舷35转至另一舷的转至另一舷

17、的35，并，并且于相同的条件下，自一舷的且于相同的条件下，自一舷的35转至另一舷的转至另一舷的30所需的时间所需的时间不超过不超过28s。此外，在船以最大速度后退时应不致损坏。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，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并以最大营运航速的一半但不小于7kn前进时，能在不超过前进时，能在不超过60s内内将舵自任一舷的将舵自任一舷的15转至另一舷的转至另一舷的15。(2)主操舵装置应在驾驶台和舵机室都设有控制器；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

18、置设置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。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，除但如果采用液压遥控系统，除1万万Gt以上的油轮以上的油轮(包括化学品船、液化包括化学品船、液化气船，下同气船，下同)外，不必设置第二套独立的控制系统。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对舵柄处舵杆直径大于230mm(不包括航行冰区加强不包括航行冰区加强)的船应设的船应设有能在有能在45s内向操舵装置提供的替代动力源。内向操舵装置提供的替代动力源。这种动力源应为应急电这种动力源应为应急电源位于舵机室内

19、的独立动力源，其容量至少应能向符合辅操舵装置要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。立动力源只准专用于上述目的。对对1万万Gt以上的船舶，它应至少可供以上的船舶，它应至少可供工作工作30min，对其它船舶为，对其它船舶为10min。(4)操舵装置应设有有效的舵角限位器。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。装设限位开关或类似设备，使舵

20、在到达舵角限位器前停住。(5)对对1万万Gt以上的油船、化学品船、液化气体运输船尚有如下一些以上的油船、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舵柄、舵扇损坏或转舵机构卡住除外)而而丧失操舵能力时，应能在丧失操舵能力时，应能在45s内重新获得操舵能力。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统组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

21、任一系统中液压流体丧失时应能被发现，有缺陷操舵装置要求，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。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(包包括疲劳和断裂分析括疲劳和断裂分析)、密封设计、材料选用和试验，则也可、密封设计、材料选用和试验，则也可允许用于允许用于1万万Gt以上、以上、10万万Gt以下的油船、化学品船、液化气体运输船。在这以下的油船、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

22、求：即当种情况下，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发生单一故障时应能在45s内恢复操舵能力。内恢复操舵能力。6)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。部分均应设置安全阀。安全阀开启压力应不小于安全阀开启压力应不小于1.25倍最大工作压倍最大工作压力；安全阀能够排出的量应不小于液压泵总流量的力；安全阀能够排出的量应不小于液压泵总流量的110，在此情，在此情况下，压力的升高不应超过开启压力的况下，压力的升高不应超过开启压力的10，且不应超过设计压力，且不应超过设计压力

23、值。值。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）分类：分类：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、转叶往复、转叶分类：分类：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.

24、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

25、追随机构追随机构机械杠杆：三点式、五点式（带副杠杆式）机械杠杆：三点式、五点式（带副杠杆式）电子反馈式电子反馈式1.三点式追随机构三点式追随机构ABCBCCAAAABBA操纵点，追随点，控制点操纵点，追随点，控制点1 11 1CCAABB2 21 1CCAABB2 21 1CCAABB2 21 1三点式杠杆特点：三点式杠杆特点：一次性位移不能太大，受一次性位移不能太大，受最大可位移量确定，否则会损坏控制最大可位移量确定，否则会损坏控制处的机件。（用储能弹簧克服该缺点）处的机件。（用储能弹簧克服该缺点）1.完成一次性操大舵，使完成一次性操大舵，使在最大位置时间长，加快转舵速度；在最大位置时间长，

26、加快转舵速度；2.避免控制点机件损坏；避免控制点机件损坏；储能弹簧的功能储能弹簧的功能2.五点式（带副杠杆式）五点式（带副杠杆式）ABCDEBCDEAAAABCDECC有位移放大作用，有位移放大作用，操小舵角时使控制操小舵角时使控制点有较大的位移，点有较大的位移，使变量泵有较大的使变量泵有较大的排量，使得转舵速排量，使得转舵速度快。度快。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1.往复式转舵机构往复式转舵机构）滑式转舵机构）滑式转舵机构滑式转舵机构特点滑式转舵机构特点1）扭矩特性良好，承载能力较大；）扭矩特性良好，承载能力较大；2）撞杆与油缸的密封采用字型，

27、密封可靠，具有）撞杆与油缸的密封采用字型，密封可靠，具有自动补偿能力；自动补偿能力；3）油缸精加工面少；）油缸精加工面少；4）尺寸、重量大；）尺寸、重量大；5）安装、检修比较麻烦）安装、检修比较麻烦资料表明，当往复式舵机最大工作油压由资料表明，当往复式舵机最大工作油压由10MPa提高提高到到20MPa时，往复式舵机的长度大约缩短时，往复式舵机的长度大约缩短510，重量约可减轻重量约可减轻20，并使工作油液的使用量减少，并使工作油液的使用量减少l2左右。左右。但是，上述各项指标并非随油压的进一步提高按线性但是，上述各项指标并非随油压的进一步提高按线性关系减小，当油压从关系减小，当油压从20MPa

28、提高到提高到30MPa时，往复式舵时，往复式舵机的长度几乎不变，重量只减轻机的长度几乎不变，重量只减轻69，而工作油液的，而工作油液的使用量也仅减少使用量也仅减少16，18。此外，进一步提高工作油压，还将对液压设备的生产此外，进一步提高工作油压，还将对液压设备的生产和管理水平提出更高的要求，故目前液压舵机的最大工作和管理水平提出更高的要求，故目前液压舵机的最大工作油压，多不超过油压，多不超过20MPa。采用字型密封采用字型密封）滚轮式转舵机构）滚轮式转舵机构）摆缸式转舵机构）摆缸式转舵机构2.回转式转舵机构回转式转舵机构AEG型转叶舵机油缸型转叶舵机油缸1.舵杆 2.缸体 3.转毂 4.转叶 5.定叶 6.油管1.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1.伺服油缸式舵机遥控系统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：