船用舵机（课堂PPT）

1、.1.2w第一节第一节w舵的作用原理和对舵机的要求舵的作用原理和对舵机的要求.38-1-1舵设备的组成和舵的类型w 舵用作为保持或改变航向w 舵垂直安装在螺旋桨的后方n早期船舶采用平板舵n为了提高舵效和推进效率，目前多用由钢板焊接而成的空心舵，称为复板舵l这种舵由于水平截面呈对称机翼形，故又称流线型舵w 舵的型式很多，图81示出三种n舵叶的偏转由操舵装置(通常称舵机)来控制n舵机经舵柄1将扭矩传递到舵杆3上n舵杆3由舵承支承，它带动舵叶7偏转n舵承固定在船体上，由承及密封填料组成n舵叶还可通过舵销5支承在舵柱8的舵托9或舵钮6上.4几种舵w不平衡舵图8-1(a) 舵杆轴线紧靠舵叶前缘的舵w平衡

2、舵图81(b) 舵杆轴线位于舵叶前缘后面一定位置的舵w半平衡舵图81(c) 仅于下半部做成平衡型式的舵后两种舵在舵杆轴线之前有一定的舵叶面积，转舵时水流作用在它上面产生的扭矩可以抵消一部分轴线后舵叶面积上的扭矩，从而减轻舵机的负荷.5二、舵的作用原理和转舵扭矩w正舵位置，即=0时n舵叶两侧所受的水作用力相等，对船的运动方向不产生影响w舵叶偏转任一角度 ，两侧水流如图所示n水流绕流舵叶时的流程在背水面就要比迎水面长，背水面的流速也就较迎水面大，而其上的静压力也就较迎水面要小n舵叶两侧所受水压力的合力(称为舵压力)FN就将垂直于舵叶，作用于舵叶的压力中心O，并指向舵叶的背水面n除FN外，水流对舵叶

3、还会产生与舵叶中线方向一致的摩擦力Frn当舵叶偏转舵角后，在舵叶的压力中心O上，就会产生一个大小等于FN与Fr合力的水作用F。.6舵水作用力及其对船的影响w F可分解为与水流方向垂直的升力FL和与水流方向平行的阻力FD，FL=12CLA2 FD=12CDA2 x = Cxb式中：CL，CD，Cx升力、阻力、压力中心系数，其大小随舵角而变，与舵叶几何形状有关，由模型试验测定 水的密度, A舵叶的单侧浸水面积， v舵叶处的水流速度 J舵压力中心至舵导边距离, b舵叶平均宽度.7.8舵水作用力F对船舶运动的影响w 假设在船舶重心G处加上一对方向相反而数值均等于F的力F1、F2w 那么水作用力F对船体

4、的作用n可用水作用力对船舶重心所产生的力矩Ms和F2的作用来代替。n由F和F1形成的力矩Ms迫使船舶绕其重心向偏舵方向回转，称为转船力矩：nF2则又可分解为R和T两个分力n纵向分力R=F2sin，增加了船舶前进的阻力n横向分力T=F2cos ，使船向偏舵的相反方向漂移w 水作用力F与船舶的重心G并不在同一水平面上n船在转向的同时，还存在着横倾与纵倾力矩.98-1-2-2 转船力矩与最大舵角w 转船力矩 (Ms)式中；l舵杆轴线至船舶重心的距离 Xc舵压力中心至舵杆轴线的距离w Ms随舵角的增大而增大，并在达到某一舵角时出现极大值Mmaxw Ms出现极大值时的舵角数值，与舵叶的几何形状有关，并主

5、要取决于舵叶的展弦比 ( =舵叶高度A舵叶平均宽度b)n越小, 绕流的影响就越大，即在同样舵角上所产生的舵压力越小，而达到最大转船力矩时的舵角就越大。w 舵叶的值受到船舶吃水及船尾形状等条件限制n海船 (=22.5)， Mmax的舵角多介于3035 之间，规定35 n河船 ( 1.02.0)， Mmax出现在35 45 舵角之间lAvClFXFconXlFMlLcDcLs221sin)(.10 8-1-2-2 水动力矩和转舵扭矩w 舵压力FN对舵杆轴线所产生的力矩称为舵的水动力矩，用M表示。 式中：CN，称为压力系数，其余符号同式(81)w 转舵扭矩Mn操舵装置施加在舵杆上的扭矩n舵匀速转动时

6、，转舵扭矩M即应等于水动力矩Ma和舵各支承处的总摩擦扭矩Mf 的代数和，即 M= Ma + Mfn普通平衡舵 Mf=(0.150.20) Ma nM可用经验公式或舵的模型试验资料计算w 公称转舵扭矩n指在规定的最大舵角时所能输出的最大扭矩n它是根据船舶在最深航海吃水和以最大营运航速前进时，将舵转到最大舵角所需要的扭矩来确定的n公称转舵扭矩是确定舵机结构尺寸和工作参数的基本依据cNcDLCNaXAvCXconaFconaFXFM221)(.11 8-1-2-2 综上可见w (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w (2)不平衡舵n因X=Xc，故当船舶正航并

7、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)n平衡舵因Xc=XZ，小舵角时由于压力中心。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 .12 8-1-2-2 综上可见n平衡系数l舵杆轴线之前的舵叶面积A，与整个舵叶面积A之比，用X表示lX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l但X也不宜过大，否则在常用舵角(10-20)范围内回舵时需克服的转舵扭矩就可能较大，从而使舵机功耗增加l一般舵的X在0.150.35之间w (3)船舶倒航时n舵叶后缘变成了导边，压力中心离开舵杆轴线距

8、离增大（力臂增加）n同一舵角下倒航时的水动力矩会超过正却时的水动力矩n但实际上倒航时的最大航速将比正航时要小得多，故倒航时的最大水动力矩不会超过正航时的水动力矩.138-1-3 对舵机的基本技术要求n是保持或改变船舶航向，保证安全的重要设备n一旦失灵，船会失去控制，甚至事故w 因此，我国钢质海船人级与建造规)根据国际海上人命安全公约(SOLAS公约)的规定，对舵机提出了明确的要求n基本精神要求舵机必须具有足够的转舵扭距和转舵速度n并且在某一部分万一发生故障时，应能迅速采取替代措施，以确保操舵能力n基本技术要求如下；w .148-1-3 对舵机的基本技术要求w (1)必须具有一套主操舵装置和一套

9、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。n主操舵装置应具有足够的强度l能在最深吃水并以最大营运航速前进时将舵自一舷35转至另一舷的35 l自一舷的35 转至另一舷的30所需的时间不超过28sl在船以最大速度后退时应不致损坏n辅操舵装置应具有足够的强度l能在最深航海吃水，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 n在主操舵装置有两台以上相同动力设备符合下列条件时，也可不设辅操舵装置l当管系或一台动力设备发生单项故障时应能将缺陷隔离，以使操舵能力能够保持或迅速恢复l客船，当任一台动力设备不工作

10、时l货船，当所有动力设备都工作时，应能满足对主操舵装置的要求.158-1-3 对舵机的基本技术要求w (2)主操舵装置应在驾驶台和舵机室都设有控制器n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n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w (3)对舵柄处舵杆直径大于230mm的船应设有能在45s内向操舵装置提供的替代动力源n这种动力源应为应急电源（独立动力源），其容量至少应能向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n此独立动力源只准专用于上述目的n对1万Gt以上的船舶，它应至少可供工作

11、30min，对其它船舶为10min。.168-1-3 对舵机的基本技术要求w (4)操舵装置应设有有效的舵角限位器n应设限位开关或类似设备，使舵在到达舵角限位器前停住w (5)对1万Gt以上的油船、化学品船、LPG船尚有如下附加要求：n当发生单项故障而丧失操舵能力时，应能在45s内重新获得操舵能力n为此l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l或至少有两个相同的动力转舵系统l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.178-1-3 对舵机的基本技术要求w （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部分均

12、应设置安全阀n安全阀开启压力应不小于1.25倍最大工作压力n安全阀能够排出的量应不小于液压泵总流量的110n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.18第二节第二节液压舵机工作原理和组成液压舵机工作原理和组成.198-2 液压舵机工作原理和组成w 大型船舶几乎全部采用液压舵机w 电动舵机仅用于一些小型船舶上w 液压舵机是利用液体的不可压缩性及流量、流向的可控性来达到操舵目的的w 根据液压油流向变换方法的不同, 有两类：n泵控型n阀控型.20泵控型液压舵机原理图（1）图8-5.21 8-2-1 泵控型液压舵机 图85示出泵控型液压舵机的原理图。w 1电动机，2双向变量

13、泵；3放气阀，4变量泵控制杆，5 浮动杆，6 储能弹簧，7舵柄，8反馈杆，9撞杆，10舵杆，11舵角指示器的发送器，12旁通阀，13安全阀，14转舵油缸，15调节螺母，16 液压遥控受动器，17电气遥控伺服油缸w 双向变量油泵设于舵机室，由电动机1驱动作单向回转n油泵的流量和吸排方向，则通过与浮动杆5的C相连接的控制杆4控制n即依靠油泵控制C偏离中位的方向和距离，来决定泵的吸排方向和流量。.22泵控型液压舵机原理图（2）.238-2-1 泵控型液压舵机原理w 图示舵机采用往复式转舵机构n由油缸14(固定在机座上)和撞杆9(可在缸中往复运动)等组成n当油泵按图示吸排方向工作时l泵就会通过油管从右

14、侧油缸吸油l排向左侧油缸n撞杆9在油压作用下向右运动 (油液可压缩性极小)l撞杆通过中央的滑动接头与舵柄7联接l舵柄7的一端又用键固定在舵杆10的上端l撞杆9的往复运动就可转变为舵叶的偏转n改变油泵的吸排方向，则撞杆和舵叶的运动方向也就随之而变。.248-2-1 泵控型舵机 - 工作油压与尺寸w 油泵工作油压取决于推动撞杆所需的力(转舵扭矩)n舵机最大工作压力(pmax)是产生公称转舵扭矩时油泵出口油压n舵机油泵的额定排出压力不得低于舵机的pmaxnpmax选得越高，转舵机构的主要尺寸就越小l油泵额定流量和管路直径减小，装置的尺寸和重量就会变小w 资料表明n当pmax由10MPa提高到20MP

15、a时l往复式舵机长度大约缩短5一10l重量约可减轻20l并使工作油液的使用量减少12左右n当pmax从20MPa提高到30MPa时l往复式舵机的长度几乎不变l重量只减轻69l而工作油液的使用量也仅减少1618n进一步提高pmax ，对液压设备生产和管理要求更高n故目前液压舵机的最大工作油压，多不超过20MPa.258-2-1 泵控型舵机 - 转舵速度w 转舵速度:n主要取决于油泵的流量n而与舵杆上的扭矩负荷基本无关l因为舵机油泵都采用容积式泵l当转舵扭矩变化时，虽然工作油压也随之变化，但泵的流量基本不变，对转舵速度影响不明显n进出港和窄水道航行时，用双泵并联，转舵速度几乎可提高一倍。.268-

16、2-1 泵控型舵机 - 追随机构w 多采用浮动杆式追随机构n浮动杆的控制点A系由驾驶台通过遥控系统控制l如把X孔的插销转插到Y孔之中，也可在舵机室用手轮来控制n浮动杆上控泵点C与变量泵的控制杆4相连n反馈点B经反馈杆8与舵柄相连w 当舵叶和驾驶台上的舵轮处于中位时n浮动杆即处在用点划线ACB所表示的位置nC点恰使变量机构居于中位，油泵空转，舵保持中位不动ABC.278-2-1 泵控型舵机 - 用舵w 驾驶台给出某一舵角指令n通过遥控系统，会使A点移至A1n由于B点在舵叶转动以前并不移动n所以C点将移到C1w 于是，油泵按图示方向吸排，舵叶开始偏转，通过反馈杆带动B点向B1方向移动n当舵叶转到与

17、A1给出指令舵角相符时，B移到B1，C点重回中位n油泵停止排油，舵就停止在所要求的舵角上n浮动杆的位置如图中的实线A1CB1所示。w 实际上，浮动杆动作并不分步进行 (C点偏离中位后，泵就排油）B1A1C1.288-2-1 泵控型舵机 - 回舵w 当驾驶台发出回舵指令时nA点又会从A1移回中位AnC点偏离中位向左，油泵反向吸排n舵叶也就向中位偏转，使B点从B1位置向中位移动n直到舵叶转到由A点位置所确定的指令舵角时，C点重新回中，油泵停止排油，舵叶也就停转B1A1C1A.298-2-1 泵控型舵机 - 防浪阀w 追随机构使油泵在开始和停止排油时流量逐渐增大和减小n可减轻液压系统的冲击w 为防海

18、浪等冲击舵叶时，造成舵杆负荷过大、系统油压过高和使电机过载n在油路系统中装设了安全阀(亦称防浪阀)n当舵叶受到冲击以致任一侧管路的油压超过安全阀的整定压力时l安全阀开启，油泵两侧管路旁通l舵叶会偏离所在位置，带动B点，使C点离开中位，油泵因而排油n当冲击负荷消失后l安全阀关闭l舵叶在油泵的作用下，返回，B点回位.308-2-1 泵控型舵机 - 储能弹簧w C点偏离中位的距离受泵变量机构最大位移限制n只有在舵叶带动B点使C点回移后，A点才能继续操舵n这样，大舵角操舵动作不能一次完成n使泵流量总在零与最大值间变动n使操舵者感到不便，同时降低油泵效率和转舵速度w 为解决这问题，在反馈杆上装了储能弹簧

19、(可双向压缩)n当A点将C点带到最大偏移位置后n浮动杆就会以C点为支点而继续偏转，压缩弹簧nA点得以一次到达所要求的大操舵角n随着舵叶偏转，储能弹簧首先放松，并在其恢复原状后，才会将B点拉到与A点相应的位置，以停止转舵n在储能弹簧完全放松以前，B点不动，C点停留在最大偏移位置(使泵在较长时间内保持Qmax), 加快转舵速度w储能弹簧的刚度必须适当n若弹簧太软，则可能使B点先于C点而移动，操舵就无法进行n如弹簧太强，则大舵角操舵所需操舵力太大，甚至使储能弹簧不起作用Cmax.318-2-2 阀控制液压舵机w 用单向定量油泵n其吸排方向不变n油液进出转舵油缸的方向由驾驶台遥控的换向阀来控制n当换向

20、阀处于中位l油泵的排油经换向阀旁通，转舵油缸油路锁闭而稳舵w 油泵和系统比较简单，造价相对较低w 缺点: n换向阀换向，液压冲击较大，可靠性也相对较差n阀控型舵机在停止转舵时，泵以最大流量排油，油液发热较多，经济性差n阀控型舵机适用功率范围比泵控型小w 泵控型和阀控型舵机n尽管工作原理不尽相同n都是由转舵机构、液压系统和操纵系统等组成n下面就转舵机构和操纵系统依次加以讨论.32第二节第二节液压舵机工作原理和组成液压舵机工作原理和组成.338-2 液压舵机工作原理和组成w 大型船舶几乎全部采用液压舵机w 电动舵机仅用于一些小型船舶上w 液压舵机是利用液体的不可压缩性及流量、流向的可控性来达到操舵

21、目的的w 根据液压油流向变换方法的不同, 有两类：n泵控型n阀控型.34泵控型液压舵机原理图（1）图8-5.35 8-2-1 泵控型液压舵机 图85示出泵控型液压舵机的原理图。w 1电动机，2双向变量泵；3放气阀，4变量泵控制杆，5 浮动杆，6 储能弹簧，7舵柄，8反馈杆，9撞杆，10舵杆，11舵角指示器的发送器，12旁通阀，13安全阀，14转舵油缸，15调节螺母，16 液压遥控受动器，17电气遥控伺服油缸w 双向变量油泵设于舵机室，由电动机1驱动作单向回转n油泵的流量和吸排方向，则通过与浮动杆5的C相连接的控制杆4控制n即依靠油泵控制C偏离中位的方向和距离，来决定泵的吸排方向和流量。.36泵

22、控型液压舵机原理图（2）.378-2-1 泵控型液压舵机原理w 图示舵机采用往复式转舵机构n由油缸14(固定在机座上)和撞杆9(可在缸中往复运动)等组成n当油泵按图示吸排方向工作时l泵就会通过油管从右侧油缸吸油l排向左侧油缸n撞杆9在油压作用下向右运动 (油液可压缩性极小)l撞杆通过中央的滑动接头与舵柄7联接l舵柄7的一端又用键固定在舵杆10的上端l撞杆9的往复运动就可转变为舵叶的偏转n改变油泵的吸排方向，则撞杆和舵叶的运动方向也就随之而变。.388-2-1 泵控型舵机 - 工作油压与尺寸w 油泵工作油压取决于推动撞杆所需的力(转舵扭矩)n舵机最大工作压力(pmax)是产生公称转舵扭矩时油泵出

23、口油压n舵机油泵的额定排出压力不得低于舵机的pmaxnpmax选得越高，转舵机构的主要尺寸就越小l油泵额定流量和管路直径减小，装置的尺寸和重量就会变小w 资料表明n当pmax由10MPa提高到20MPa时l往复式舵机长度大约缩短5一10l重量约可减轻20l并使工作油液的使用量减少12左右n当pmax从20MPa提高到30MPa时l往复式舵机的长度几乎不变l重量只减轻69l而工作油液的使用量也仅减少1618n进一步提高pmax ，对液压设备生产和管理要求更高n故目前液压舵机的最大工作油压，多不超过20MPa.398-2-1 泵控型舵机 - 转舵速度w 转舵速度:n主要取决于油泵的流量n而与舵杆上

24、的扭矩负荷基本无关l因为舵机油泵都采用容积式泵l当转舵扭矩变化时，虽然工作油压也随之变化，但泵的流量基本不变，对转舵速度影响不明显n进出港和窄水道航行时，用双泵并联，转舵速度几乎可提高一倍。.408-2-1 泵控型舵机 - 追随机构w 多采用浮动杆式追随机构n浮动杆的控制点A系由驾驶台通过遥控系统控制l如把X孔的插销转插到Y孔之中，也可在舵机室用手轮来控制n浮动杆上控泵点C与变量泵的控制杆4相连n反馈点B经反馈杆8与舵柄相连w 当舵叶和驾驶台上的舵轮处于中位时n浮动杆即处在用点划线ACB所表示的位置nC点恰使变量机构居于中位，油泵空转，舵保持中位不动ABC.418-2-1 泵控型舵机 - 用舵

25、w 驾驶台给出某一舵角指令n通过遥控系统，会使A点移至A1n由于B点在舵叶转动以前并不移动n所以C点将移到C1w 于是，油泵按图示方向吸排，舵叶开始偏转，通过反馈杆带动B点向B1方向移动n当舵叶转到与A1给出指令舵角相符时，B移到B1，C点重回中位n油泵停止排油，舵就停止在所要求的舵角上n浮动杆的位置如图中的实线A1CB1所示。w 实际上，浮动杆动作并不分步进行 (C点偏离中位后，泵就排油）B1A1C1.428-2-1 泵控型舵机 - 回舵w 当驾驶台发出回舵指令时nA点又会从A1移回中位AnC点偏离中位向左，油泵反向吸排n舵叶也就向中位偏转，使B点从B1位置向中位移动n直到舵叶转到由A点位置

26、所确定的指令舵角时，C点重新回中，油泵停止排油，舵叶也就停转B1A1C1A.438-2-1 泵控型舵机 - 防浪阀w 追随机构使油泵在开始和停止排油时流量逐渐增大和减小n可减轻液压系统的冲击w 为防海浪等冲击舵叶时，造成舵杆负荷过大、系统油压过高和使电机过载n在油路系统中装设了安全阀(亦称防浪阀)n当舵叶受到冲击以致任一侧管路的油压超过安全阀的整定压力时l安全阀开启，油泵两侧管路旁通l舵叶会偏离所在位置，带动B点，使C点离开中位，油泵因而排油n当冲击负荷消失后l安全阀关闭l舵叶在油泵的作用下，返回，B点回位.448-2-1 泵控型舵机 - 储能弹簧w C点偏离中位的距离受泵变量机构最大位移限制

27、n只有在舵叶带动B点使C点回移后，A点才能继续操舵n这样，大舵角操舵动作不能一次完成n使泵流量总在零与最大值间变动n使操舵者感到不便，同时降低油泵效率和转舵速度w 为解决这问题，在反馈杆上装了储能弹簧(可双向压缩)n当A点将C点带到最大偏移位置后n浮动杆就会以C点为支点而继续偏转，压缩弹簧nA点得以一次到达所要求的大操舵角n随着舵叶偏转，储能弹簧首先放松，并在其恢复原状后，才会将B点拉到与A点相应的位置，以停止转舵n在储能弹簧完全放松以前，B点不动，C点停留在最大偏移位置(使泵在较长时间内保持Qmax), 加快转舵速度w储能弹簧的刚度必须适当n若弹簧太软，则可能使B点先于C点而移动，操舵就无法

28、进行n如弹簧太强，则大舵角操舵所需操舵力太大，甚至使储能弹簧不起作用Cmax.458-2-2 阀控制液压舵机w 用单向定量油泵n其吸排方向不变n油液进出转舵油缸的方向由驾驶台遥控的换向阀来控制n当换向阀处于中位l油泵的排油经换向阀旁通，转舵油缸油路锁闭而稳舵w 油泵和系统比较简单，造价相对较低w 缺点: n换向阀换向，液压冲击较大，可靠性也相对较差n阀控型舵机在停止转舵时，泵以最大流量排油，油液发热较多，经济性差n阀控型舵机适用功率范围比泵控型小w 泵控型和阀控型舵机n尽管工作原理不尽相同n都是由转舵机构、液压系统和操纵系统等组成n下面就转舵机构和操纵系统依次加以讨论.46w第三节第三节w液压

29、舵机的转舵机构液压舵机的转舵机构.478-3 液压舵机的转舵机构w 将油泵供给的液压能变为转动舵杆的机械能，以推动舵叶偏转w 根据动作方式不同，可分两大类：n往复式n回转式 .488-3-1 滑式转舵机构w 是应用最广的一种传统型式w 它又有十字头式和拨叉式之分w 十字头式转舵机构n由转舵油缸、插入油缸中的撞杆以及与舵柄相连接的十字形滑动接头等所组成n当转舵扭矩较小时l常用如图85所示的双向双缸单撞杆的型式n而当转舵扭矩较大时l多采用四缸、双撞杆的结构l如图86(a)所示.49十字头式转舵机构w 十字形滑动接头n将撞杆往复运动转变为舵的摆动n两撞杆用螺栓连接，形成两轴承n两轴承环抱着十字头两耳

30、轴n舵柄横插在十字头轴承中w 当撞杆在油压下偏移离中位时n十字头一面随撞杆移动n一面带动舵柄偏转（舵杆转动）w 随舵角增加，十字头在舵柄上向外端滑移n舵柄有效工作长度，随增大而增大w撞杆极限行程由行程限制器1l限制n在舵角超过最大舵角1.5时限止撞杆n在导板一侧还设有机械式舵角指示器 5n用以指示撞杆对应舵角w每个油缸上部设有放气阀12n以便驱放油缸中空气.50滑式转舵机构的受力分析w 当舵转至任意舵角时w 为克服水动力矩所造成的力Q，(与舵柄方向垂直)w 在十字头上将受到撞杆两端油压差的作用力Pw 力P与Q作用方向不在同一直线上，导板必将产生反作用力Nw 以使P和N的合力Q恰与力Q方向相反w

31、 从而产生转舵扭矩以克服水动力矩和摩擦扭矩.518-3-1 滑式转舵机构受力分析w转舵力矩w 上式表明n在撞杆直径D、舵柄最小工作长度R。和撞杆两侧油压差P既定的情况下n转舵扭矩M随舵角的增大而增大，如图所示w这种扭矩特性与舵的水动力矩的变化趋势相适应n当公称转舵扭矩既定时，滑式转舵机构尺寸或最大工作油压较其它转舵机构要小w 实际工作油压随实际需要的转舵扭矩而变w由式可知，舵机在实际工作中撞杆两端的油压差w可见，随着舵角增大，尽管转舵扭矩也在增大，但COS2却相应减小，所以滑式转舵机构的工作油压也不会因的增大而急剧增加224conDzpRconRconPzzQRMmmmmzRDMconP224

32、.52 图8-9 撞杆油缸的密封.538-3-1-1 十字头式转舵机构特点w (1)扭矩特性良好n 承载能力较大n能平衡撞杆所受的侧推力，用于转 舵扭矩很大的场合 w (2)撞杆和油缸间的密封大都采用V型 密封圈n密封圈由夹有织物的橡胶制成n安装时开口应面向压力油腔 (P越高，密封圈撑开越大)n密封可靠，磨损后具有自动补偿能力n密封泄漏时较易发现，更换也较方便w (3)油缸内壁除靠近密封端的一小段外，不与撞杆接触，故可不经加工或仅作粗略加工。w (4)油缸为单作用w (5)安装、检修比较麻烦。n必须成对工作，故尺寸、重量较大n撞杆中心线垂直于船舶首尾线方向，舵机室需要较大的宽度.548-3-1

33、-1 拨叉式转舵机构w 整根撞杆，撞杆中部有圆柱销，销外套有方形滑块n撞杆移动时，滑块一面绕圆柱销转动，一面在舵柄的叉形端部中滑动w 拨叉式与十字头式转矩特性相同w 侧推力由撞杆承受而无导板，结构简单，加工及拆装方便w 以拨叉代替十字头，撞杆轴线至舵杆轴间的距离R。可缩减26%，撞杆的最大行程也因而得以减小w 占地面积比十字头式减少10 %15，重量减轻10左右w 但当公称扭矩较大时，则仍以采用十字头式为宜.558-3-1-2 滚轮式转舵机构w 结构特点n在舵柄端部的滚轮代替滑式机构中的十字头或拨叉n受油压推动的撞杆，以顶部顶动滚轮，使舵柄转动w 这种机构不论舵角如何变化n通过撞杆端面与滚轮表

34、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.568-3-1-2 滚轮式转舵机构w 推力P在垂直于舵柄轴线方向的分力可写为w 式中：R。滚轮中心到舵杆轴线的距离w 上式表明n在D、R。和Pmax既定时，滚轮式转舵机构所能产生的转舵扭矩将随。的增大而减小n扭矩特性在坐标图上是一条向下弯的曲线n在最大舵角时，水动力矩较大，而滚轮式这时所产生的扭矩反而最小，只达到滑式机构的55%左右n在实际中，随着的增大，该机构P比滑式增加快pconDPconQ24mmRzpoDzQRM02cos4.578-3-1-2 滚轮式转舵机构的特点w (1)撞杆与舵柄之间没有约束，无侧推力n结构简单

35、，加工容易，安装、拆修都较方便w (2)每个油缸均与其撞杆自成一组n可根据实际需要，分别采用单列式、双列式或上下重迭式等不同的布置形式，提高了布置上的灵活性w (3)滚轮与撞杆间的磨损可自动进行补偿w (4)扭矩特性差n要达到同样的M，须用比滑式更大的结构尺寸或Pn限制了它在大扭矩舵机中的应用w (5)当舵叶在负扭矩作用下转动时n如果系统有泄漏；或在稳舵时油路锁闭不严，则滚轮就有可能与某侧撞杆脱开而导致敲击n在某些机构中，滚轮与撞杆之间增设板簧拉紧机构.588-3-1-3 摆缸式转舵机构w 结构特点:w 采用两个摆动式油缸1和双作用的活塞2 (也可单作用)w 转舵时n活塞在油压下往复运动，两油

36、缸相应摆动n通过与活塞杆铰接的舵柄，推动舵叶偏转w 由于转舵时缸体必须作相应摆动n必须采用有挠性的高压软管.598-3-1-3 摆缸式转舵机构w 摆缸式机构转舵时n油缸摆角将随油缸的安装角(中舵时油缸摆角)和舵转角而变n一般使中舵时最大n最大舵角时为零或接近于零n但不论舵角如何， 角总是很小n如果忽略，摆缸式与滚轮式扭矩特性相同.608-3-1-3 摆缸式转舵机构特点（1）w (1)用双作用活塞代替了单作用的撞杆n提高了油缸的利用率n其外形尺寸和重量可大大减小w (2)各油缸与其活塞均自成一组n而且油缸与支架、活塞杆与舵柄均采用铰接n结构简单，安装也较方便w (3)由于采用了双作用活塞n对油缸

37、内表面的加工精度、活塞杆与油缸的同轴度、以及活塞与油缸间的密封等都有较高的要求.618-3-1-3 摆缸式转舵机构特点（2）w (4)当活塞的密封性因使用日久而变差时n转舵速度就会变慢，运行的经济性也将降低n而检查和更换密封件又不如撞杆式方便n当铰接处磨损较大时，工作中也会出现撞击w (5)系统工作时n理论排油量和进油量严格说来并不完全相等n如果使用奇数的双作用活塞式油缸(在应急情况下)则相差更为明显，所以在油路中必须采取容积补偿措施w (6)扭矩特性不佳(与滚轮式类同)n除个别采用四缸结构者公称扭矩较大外，一般大多见诸于功率不大的舵机中.628-3-2 回转式转舵机构w 图示为三转叶式转舵机

38、构w 油缸内部装有三个定叶n通过橡皮缓冲器安装在船体上w 三个转叶与舵杆相固接n由于转叶与缸体内壁和上、下端盖之间n及定叶与转毂外缘和上、下端盖之间，均设法保持密封n故借转叶和定叶将油缸内部分隔成为六个小室w 当经油管6从三个小室吸油，并排油人另外三个小室n转叶就会在液压作用下通过轮毂带动舵杆和舵叶偏转.638-3-2 转叶式机构的转舵扭矩w 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，m； 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。 w 上式表明n转叶式机构所能产生的转舵扭矩与舵角无关n扭矩特性在坐标图上是一条与横坐标

39、平行的直线mzPRM.648-3-2 转叶式转舵机构的特点w (1)占地面积小，重量轻，安装方便。w (2)无须外部润滑n管理简便；舵杆不受侧推力，可减轻舵承磨损w (3)扭矩特性不如滑式，比滚轮式和摆缸式好w (4)内泄漏部位较多n密封不如往复式容易解决n容积效率低，油压较高时更为突出w (5)内部密封问题是其薄弱环节n工作油压不超过4MPa左右，限制了它在大功率舵机中的应用n随着密封材料和密封形式的不断改进，Pmax已可达1015MPa，转舵扭矩也提高到3000 kNm 左右.65AEG型转叶式油缸.668-3-2 AEG型转叶油缸特点w 翻边端盖与空心的轮毂3制成一体，然后用V形密封圈9

40、和压盖8防止油外漏w 这种结构的端盖能够承受较高的油压而不易变形，同时又可避免转叶和端盖间的泄漏。而用球墨铸铁制造的转叶4和定叶5，则用由高强度钢制成的定位销和内六角螺钉分别固定在铸钢的转子3和缸体2上，并用在背后装有O形橡胶条的钢制密封条7来保证各工作腔室间的密封w 该型结构的耐压能力较强，工作油压一般可用到10MPa或更高，同时可保持9698的容积效率w 整个转子的重量完全由舵杆轴承来承担，而油缸本体2则通过螺栓12和橡皮缓冲器13支撑于两缓冲架10上，同时在上、下主油路，缸体凸缘的内侧与固定支架的顶部与底部之间预留一定的间隙，以便吸收油缸在工作中可能产生的微量窜动和横向振动。.67第四节

41、 液压舵机的遥控系统.688-4 液压舵机的遥控系统w 随动操舵系统n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w 自动操舵系统n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w 非随动操舵系统n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n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.698-4 液压舵机的遥控系统w 根据传递操舵信号方法不同，遥控系统可分

42、为n机械式、液压式和电气式等n现代船舶大多采用电气遥控系统.708-4-1 伺服油缸式遥控系统w由电气遥控和液压伺服两部分组成n前者将驾驶台发出的操舵信号传递到舵机室n而后者则将信号转换成伺服油缸活塞杆的位移，然后再通过浮动杆式追随机构控制主油泵的变量机构，以实现远距离操舵.71伺服油缸式舵机遥控系统定量叶片油泵7压力油 单向阀6 溢流节流阀4 三位四通电磁换向阀3换向阀处于中位时油路PT沟通压力油经滤器9 油箱伺服油缸不动，舵叶不转当驾驶室使换向阀通电换向阀芯移向一侧压力油 经PA或PB油路 顶开油路锁闭阀2相应一侧的单向阀 进入伺服油缸1的相应的空间回油压力油 还将阀2回油一侧的单向阀顶开

43、 以使伺服油缸回油侧的油液能够流回油箱.728-4-1 伺服油缸式遥控系统w 伺服活塞在油压差作用下，向相应一侧移动n活塞杆带动反馈信号发送器向驾驶台传送反馈信号n当反馈信号与驾驶室发出的操舵信号抵消l换向阀3电磁线圈断电l换向阀回中l伺服活塞停在要求舵角位置w 活塞杆另一端控制浮动杆n主泵使舵转至相应舵角n伺服活塞最大移动位置受限位开关(换向阀线圈断电)限制，以限制最大操舵角.738-4-1 伺服油缸式遥控系统w 油路锁闭阀2 (密封性比换向阀好)n在换向阀回中时锁闭油路l防浮动杆传来的反力使活塞位移n在有两套互为备用的油路共用一个伺服油缸时l将备用油路严密锁闭，以免影响工作w 溢流节流阀4

44、n调节系统油量n使伺服活塞有合适移动速度w 安全阀5n防止系统油压过高n其整定压力决定伺服活塞最大输出力的大小.748-4-1 伺服油缸式遥控系统w 液控旁通阀8n装置起动后，泵排压将其推至截断位置l以保证系统正常工作l最低控制P应不小于0.40.8MPan当改用其它备用操纵机构时l因泵停止排油而回到旁通位置l而不致妨碍其它操纵机构工作w 单向阀6n在换向阀回到中位时l能向液控旁通阀8提供足够的控制油压l以保证阀8确能移到隔断位置n启阀压力为0.60.8MPa.75 8-4-2 交流伺服电机式遥控系统 w 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w 是采用浮

45、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，这种情况显然不能满足钢质海船入级与建造规范关于万吨以上油轮必须能在45s内排除单项故障的要求w 比较先进的舵机操纵系统不但控制电路采用了无触点控制，有的并取消了浮动杆追随机构w 下面介绍的HSH式舵机遥控系统即属这方面的一个例子，n在HSH遥控系统中，共有两套同样的随动操舵系统n两套系统各控制一台油泵n由于它们彼此之间并没有直接的机械联系n在只用一台油泵操舵时，另一台油泵的变量机构就不会随之动作，因而万一某台工作油泵伺服滑阀卡住时，就可迅速地实现油泵的换用n必要

46、时也可同时使用两套泵组，以便加快转舵速度。.76HSH舵机遥控系统.778-4-2 HSH式舵机遥控系统w 将驾驶室的操舵轮转动给出某一方向的操舵角时n发送自整角机发出一个方向与相对应、大小与成比例的电信号n此信号经放大后控制舵机室里的交流伺服电动机，使与之相联的法兰盘10以相应的方向和转矩克服回中弹簧11的阻转矩而偏转n通过角杆2、连杆3，带主油泵伺服变量机构的伺服滑阀5移动相应位移n如阀5右行，则主泵的控制油除通人差动活塞6右侧外，又经被开启的油口口和油口凸进入差动活塞作用面积较大的左侧，差动活塞也随之左移，直至油口又重新被阀5盖住n如阀5相对活塞6左行，则6左侧压力油经油口凸、阀5内通道

47、c及油口d泄往泵7壳内，则活塞6左移，直至泄油通道重新被阀5盖住为止。 w 差动活塞偏离中位即带动径向柱塞泵7的浮动环偏离中位n泵即按相应方向排油转舵n同时舵柄经连杆带动反馈自整角机作相应的转动w 当舵角转至指令舵角时n反馈自整角机发出的反馈信号与控制信号相抵消，伺服电机的控制信号为零，输出转矩消失，法兰盘10在回中弹簧U作用下回中n变量泵7在伺服机构作用下也回至零位，舵即停止转动.78第五节 舵机液压系统实例.798-5-1泵控型舵机液压系统w 双向变量泵作主泵w 一般都采用闭式液压系统n液压回路是闭式循环，工作油液不回油箱，而回到变量泵的吸人端，只需向系统补充少量油液来弥补其泄漏w 图81

48、7为典型国产泵控型舵机液压系统原理n用斜盘式轴向柱塞变量泵作为主油泵n采用直流伺服电机式电气遥控系统和浮动杆追随机构.80.81图片.828-5-1-1 工况的选择 w 两台并联主泵，四个柱塞油缸n其中1#、 3# ，和2#、 4#缸各成一组n分别与主泵两根主油管相连，可根据需要选用不同工况w 工况选择阀采用两个集成阀块，包括12个单向截止阀nC1C4 称缸阀，平时常开，nO1O4 称旁通阀，平时常闭l如果某油缸因故不能工作(严重泄漏)l可将它与另一只油缸(如1#和3# )一起停用l只要将停用的一对缸的缸阀关闭，一对旁通阀开启即可l有的工况选择阀采用双阀座阀, (缸阀关闭的同时开启旁通阀)nP

49、1一P4称泵阀，平时常开l驾驶台随时能启用任一台泵l只有当主泵损坏需要修理时才将其一对泵阀关闭 .838-5-1-1 工况的选择 w 单泵四缸工况n适于开阔水面正常航行n其最大扭矩等于公称转舵扭矩n转舵时间能满足规范要求 w 双泵四缸工况n适于进出港、窄水道航行或其它要求转舵速度较快的场合n转舵速度较单泵四缸工况提高一倍，而转舵扭矩相同 w 单泵双缸工况n在某缸有故障时采用n转舵速度约较单泵四缸工作时提高一倍n转舵扭矩则比四缸工作减小约一半n必须用限制舵角(或降低速度)的方法来限制水动力矩l否则工作P可能超过Pmax而使安全阀开启.848-5-1-2 主油路锁闭w 在主油路（主泵）上，装有成对

50、的主油路锁闭阀w 本例采用双联液控单向阀13A、13Bn任何一台主油泵离开中位向任一方排油时l其主油路上的一对液控单向阀便同时开启l保证油路畅通n当主泵停用或处于中位时l这对阀自动关闭，以实现主油路的锁闭w 这种锁闭阀属主泵启阀式n可调节流阀14A、14B用来调节液控单向阀中控制油的流速n使主油路上单向阀及时开启回油，又使它在舵受负扭矩时关闭的速度尽可能减缓n但当舵上负扭矩较大时，回油侧单向阀仍然难免骤然关闭，而产生撞击 .858-5-1-2 主油路锁闭w 主油路锁闭阀作用：n(1)锁闭备用泵油路l防止工作泵排油经备用泵倒流旁通l备用泵与工作泵的变量机构彼此连接同步动作l如果不将备用泵油路锁闭

51、，它会反转n(2)工作泵回到中位时l将油路锁闭，以防跑舵l当舵停在某一舵角时，在水压力作用下，两组油缸存在油压差l泵内难免有泄漏，如果主油路不锁闭，舵停久了就可因泄漏而跑舵n以上两点前者主要，后者在泵密封性较好时影响不明显w 有舵机主油路锁闭阀采用辅泵启阀式n由辅泵排油开启n不仅使主油路压力损失较小，又在辅泵失压时停止转舵n这时锁闭阀在工作泵回中时，不起油路锁闭作用n当主泵装有机械防反转装置时，可不设主油路锁闭阀 .868-5-1-3 补油、放气和压力保护w 闭式系统都需要解决补油问题n主泵排出侧油液难免有外漏n转舵油缸中柱塞的位移容积就不足以补偿主泵所吸走的油液容积，吸人压力便会降低，从而产

52、生气穴(或吸进空气)，使泵的流量减小，噪音增加，甚至造成泵零部件的损坏n为此，本系统设有辅泵3，经减压阀7以及单向阀8A、8B向低压侧油路补油n若舵机主泵吸人性能好，允许有较低的吸人压力或有吸人真空度，也可不用辅泵补油，而只设补油柜，用补油管从油柜经单向阀接到主泵两根主油路上，以使在吸入侧压力降低时进行补油。 .878-5-1-3 补油、放气和压力保护w 系统在各油缸顶部和油管高处设放气阀n以便在初次充油或必要时放气w 液压系统可以被隔断的各部分都需要分别设安全阀(15A、15B)w 安全阀的作用是：n(1)在转舵时防止油泵排油侧压力超过最大工作压力过多，以免油泵过载，n(2)在停止转舵时，当

53、海浪或其它外力冲击舵叶而导致管路油压过高时开启，使油路旁通，以保护管路、设备的安全.888-5-1-4 辅油泵的作用w 泵控式舵机液压系统大多设有辅泵，其流量一般不低于主泵流量的20，本系统所设辅泵3是齿轮泵，其功用如下：w (1)为主油路补油。补油压力由减压阀7调定为08MPa左右。w (2)为主油泵伺服变量机构提供控制油。n主泵伺服变量的机构控制油虽可经泵内的单向阀内供，但为了在主泵零位起步时提供控制油压和保证备用泵变量机构与工作泵同步动作，故还设有单向阀9A、9B和常开的旁通阀10，以使工作泵的辅泵能向两台主泵变量机构同时供油n所用的控制油压则由溢流阀11调定为15MPa左右。w (3)

54、冷却主泵n以溢流阀11的溢油进人主泵壳体再流回油箱，以便对主泵起冷却和润滑作用n这对保证主泵在零位时的可靠运行颇有好处n有的舵机辅泵还为伺服油缸式遥控系统或电液换向阀提供控制油，用油压开启主油路锁闭阀。.898-5-2 阀控型舵机液压系统w 采用定量油泵为主油泵w 使用电气遥控系统操纵电磁换向阀或电液换向阀，来控制油液流向和转舵方向w 油路采用n闭式n半闭式n开式w 图818为典型的阀控型舵机的液压系统w 系统工作原理如下：.90哈特拉伯R4V型舵机液压系统.918-5-2-1 阀控型舵机-工作原理w M型液动换向阀6n控制转舵油液流向n兼作主油路锁闭阀n电气遥控的H型电磁换向阀5做导阀w 先

55、导式溢流阀(主阀3和导阀4)n整定压力为24MPan当换向阀5中位时，主油泵卸荷（溢流阀3外控油口通油箱）n当换向阀离开中位时，其开启压力由导阀4整定l主泵排油压力升高，控制阀6的偏移及经阀6去转舵l达到指令舵角时，电反馈信号使阀5断电回中，主泵重新卸荷w 高置油箱可经单向阀1向系统补油w 只有在转舵时工作油液才进行封闭循环n在停止转舵时，泵的排油全部排人油箱，利于油液散热.928-5-2-2 阀控型舵机-工况选择w 设有手动工况选择阀：n缸阀Cl C4n泵阀P1P4n旁通阀U1U4w 正常工作时nUl、U2常闭n其余阀常开w 当用No2泵带l、2缸工作时n应关闭P1、P2：U1，其余阀全开w

56、 当用No1泵带3、4缸工作时n应关闭P3、P4、U2，其余阀全开.938-5-2-3 阀控型舵机-自动安全切换w 在两组油缸之间装有自动安全切换装置n必要时自动使一对油缸与主油路隔断，并彼此旁通w 工作原理如下：n当舵机某一套系统因油管破裂而严重失油时l补油箱中液位降低l开关Sl动作报警l经过30s左右后，液位开关S2动作l自动转换工作油泵，并使电磁导阀8线圈Yl通电w阀8左移w主泵油单向阀减压阀10（3MPa）阀8 液动阀9右移w使故障油缸3、4与工作主油路隔离并旁通w舵机自动转换为以1、2油缸工作.948-5-2-3阀控型与泵控型舵机比较w 与泵控型舵机相比w 阀控型泵和系统简单，初置费

57、用较低w 缺点n换向时液压冲击大n阀工作可靠性也不如泵控型n停止转舵时主泵流量并不减少(虽然排压较低)，油液发热，经济性差w 阀控型系统一般只用于中小功率场合w 阀控型舵机可采用开式系统n油液在油箱中可较好散热和沉淀杂质n但油箱容积较大，空气和杂质进入系统机会较多.95第六节液压舵机的管理.968-6-1 舵机的充油和调试w 1系统的清洗和充油n 舵机安装完正式充油前，须对油箱和系统彻底清洗n用专门的清洗油进行清洗n加热到3040n清洗油粘度应足够低（对脏物有较强的溶解和冲洗能力）n一般选用环烷基油较为适宜n如清洗油不易从系统里放净l在其中添加防锈剂和抗氧化剂，注意它与液压油的相容性n系统清洗

58、时用临时油泵，循环冲洗，专门滤器n清洁油箱时不得使用棉纱织物，油箱内壁不得涂复可能脱落的油漆 .978-6-1 舵机管理-系统的充油步骤w (1)开启系统中各放气阀、旁通阀及其它各阀w (2)将工作油加入补油箱(闭)或循环油箱(开)n达最高油位n如油泵系初次使用，必须向泵内灌注洁净工作油n拆开油缸顶部适当接头，经滤器向系统灌油n也可启动主泵（小流量)充油，但应注意向油箱补油w (3)关闭油缸旁通阀，机旁操纵主泵，轮流向左、右两侧转舵充油n反复开启压力侧放气阀，尽可能放尽空气n直至舵机转动平稳且不存在异常噪声为止w 新舵机应在充油后以1.25倍设计压力对系统进行液压密性试验.988-6-1-2

59、舵机的试验和调整w 开航前应会同驾驶员分别在舵机室和驾驶室一起试舵w 试舵时n在驾驶台用起动一套油泵机组，先后向一舷及另一舷作5、15 、25 、35 的操舵试验，判断舵机及其遥控系统、舵角指示器是否能可靠地工作n然后换用另一套油泵机组作同样的试验n如有备用遥控系统，也应试验.998-6-1-2 舵机的试验和调整w “液压舵机通用技术条件”有以下要求，n(1)电气舵角指示器的指示舵角与实际舵角之间的偏差应不大于土1，正舵时须无偏差 n(2)采用随动方式操舵时操舵器的指示舵角与舵停住后的实际舵角之间的偏差应不大于土1 ，正舵时无偏差n(3)不论舵处于任何位置，均不应有明显跑舵(稳舵时舵偏离所停舵

60、角)现象n(4)采用液压或机械方式操纵的舵机，滞舵(舵的转动滞后于操舵动作)时间应不大于1s，操舵手轮的空转不得超过半圈，手轮上的最大操纵力应不超过0.1kN。n(5)电气和机械的舵角限位必须可靠。实际的限位舵角与规定值之差不得大于土30.1008-6-1-2 舵机的试验和调整w 如随动舵的实际舵角与指令舵角零位不符，舵角偏差超过土1，需对操纵系统进行调整w 对于不设浮动杆式追随机构电气遥控系统n当舵轮处在零位时l操舵信号发送器输出应调整为零n当舵叶在零位时l反馈信号发送器的输出应调整为零n而在操舵轮位于其它舵角时l只有当舵叶转至相应舵角时反馈信号才与操舵信号抵消l这时电路中各相敏整流电路及放