船舶结构与设备课件——舵设备

1、第一节 舵设备的作用及组成第二节 舵的类型和结构第三节 操舵装置第四节 操舵装置的控制系统第五节 自动舵第六节 应急舵第七节 操舵要领及注意事项第八节 舵设备的检查 保养与试验第五章 舵设备第一节 舵设备的作用及组成一作用:船舶航行中保持和改变航向及旋回运动 主要工具二. 组成:主要由舵装置、转舵装置、舵机、操舵装置的控制系统及其他附属装置组成三. 舵力的产生: 机翼原理四 . 乔塞尔平板公式: P=KFV2 sin P舵力流量系数舵叶面积舵速 -舵角五.极限舵角：极限舵角第二节 舵的类型和结构一、舵的类型 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

2、和使用功能分的。现介绍如下： 1、按舵的支承情况分为： 1）多支承舵- 与船体尾柱连接的舵钮在3个以上的舵； 2）双支承舵- 只有上舵承和丁舵承的舵； 3）半悬挂舵- 下舵承的位置在舵的半高处的舵； 4）悬挂舵- 完全悬在舵杆上的舵。 2、按舵杆轴线位置分为： 1）不平衡舵- 舵叶全部位于舵杆轴线之后的舵； 2）平衡舵- 舵杆轴线位于舵叶前缘后边一定距离的舵； 3）半平衡舵- 一般半悬挂舵为半平衡舵。3、按舵的剖面形状分为： 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

3、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，据说这种舵可以提高推进效率4- 6左右。 几种类型舵的示意图 以上介绍的舵均为普通舵，据有关资料统计，约70- 80的船都采用流线型普通舵，一般大型及超大型海船多用支承或双支承的流线型平衡舵；中小型船用半平衡流线型挂舵的居多；平板舵仅用在非自航船或小艇上。4.特种舵1、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。另外，还具

4、有低速推进装置的功能。 2、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，据称在一般舵上加装整流帽后，可以增加航速03- 053、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。 4、转子舵- 是在普通舵的前缘装一高速旋转的圆柱，由于圆柱的高速旋转，产生了一股侧向流，此流即提高舵的升力，同时

5、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，此种舵多被回转性能要求高的船所采用。特种舵示意图有稳向叶的转动导流管装置二、舵的结构 一般流线型平衡舵主要由舵叶、舵杆、舵承组成 2. 舵叶 平板舵舵叶的截面形状为平板形状，该舵阻力较大，主要用于小船。流线型舵叶剖面呈流线型的复板舵，该舵都做成空心水密，一方面可以减轻舵的重量，另一方面也可减少舵承上的压力；其阻力小，强度高，舵效好，可提高舵向的稳定性。虽然构造比较复杂，但被广泛采用。 2. 舵杆 1) 作用:是舵叶转动的轴,并用以承受和传递作用在舵叶上的力及舵给予转舵装置的力,其下部与舵叶连接,上部与转舵装置相连 2)结构:舵杆分作

6、上舵杆和下舵杆两段制造,中间用法兰连接(目前都采用水平法兰接头) 3. 舵承 用来支持舵杆、支承舵的重量及保证船体水密的设备.按其位置可分为上舵承和下舵承(目前大型船舶只设下舵承)第三节 操舵装置一、基本概念 能够使舵转动的装置称为操舵装置,通常是指安装在舵机舱内的舵机和传动机构。根据动力源的不同，操舵装置可分为电动操舵装置和液压操舵装置等；根据有关公约和规范，操舵装置又分主操舵装置和辅助操舵装置。 二、主操舵装置：系指在正常情况下为操纵船舶使舵产生动作所需的机械、舵执行器、操舵动力设备以及附属设备和对舵杆施加扭矩的设施。主操舵装置应在驾驶室和舵机室都设有控制器。辅助操舵装置：系指如主操舵装置

7、失败时驾驶船舶所必须的设备。它不属于主操舵装置的任何部分，但不包括舵柄、舵扇或作同样用途的部件。三、舵机装置 舵机装置分为两类： .电动 - 机械；.电动 - 液压。 1. 电动 - 机械舵机装置： 工作过程：电动机通过连轴节带动蜗杆蜗轮转动，并通过主动齿轮带动扇形齿轮，再经过缓冲弹簧转动舵柄（在扇形齿轮下面，通过弹簧推动），从而使舵柱和舵叶偏转。系统组成： 一般采用G-M系统。作用：蜗杆蜗轮传动，大变比减速，能够锁定舵柱和舵叶。 缓冲弹簧，减轻船舶在航行中波浪对舵叶的冲击力，防止传动装置受到损伤。2. 电动 液压舵机装置系统组成： 恒速电动机（可用普通异步机）拖动双向变量油泵，提供双向的高压

8、油驱动液压油缸。 工作过程：当一油缸注入高压油而另一油缸排出低压油时，推动撞杆（活塞）移动，从而带动舵柄，舵柱和舵叶偏转。1、总的要求1）每艘船舶应配备满意的主操舵装置和辅助操舵装置。其中之一发生故障时，不至于导致另一装置不能工作。2）应在驾驶台和适当的主机控制位置装设指示其电动机正在运转的设备。2、主操舵装置和舵杆1）能在船舶最深航海吃水和以最大应运航速前进时将舵自一舷35度转至另一舷35度，以及于相同条件下在不超过28s内将舵自一舷35度转至另一舷30度。2）以及在任何情况下如要求舵柄的舵杆直径超过120mm操作。四. 对操舵装置的要求3、辅助操舵装置1）具有足够强度和足已在可航行的航速下

9、操纵船舶，并能于紧急时迅速投入工作。2）能在船舶最深航海吃水和以最大应运前进航速的一半或7kn航速（取大者）前进时，在不超过60s内将舵自一舷15度转至另一舷15度。3）以及在任何情况下如要求舵柄的舵杆直径超过230mm操作。4、主操舵装置和辅助操舵装置的动力设备应：1）布置成失电而再次获得电源供应时能自动再起动；2）能从驾驶台使之投入工作。操舵装置的任何一台动力设备失电时，应在驾驶室里发出声光警报。3）如果主操舵装置包括有两台或几台相同的动力设备，则可不必设置辅助操舵装置，但：主操舵装置布置成当其管系或一台动力设备发生单项故障时，此故障能被隔离，使操舵能力能够保持或迅速恢复。第四节 操舵装置

10、的控制系统 操舵装置的控制系统是指用以将舵令由驾驶室传至舵机装置动力设备之间的一系列设备.操舵装置的控制系统由发送器、接受器、液压控制泵及电动机、电动机控制器、管路和电缆组成.其工作方式有电动控制和液压控制两种.电动控制因有许多优点并有利于操舵自动化而被海船普遍采用,液压控制只在老式船上才能看到. 随动操舵，又叫“舵轮操舵”。随动 舵叶随着舵轮转动 。方法：左偏航操右舵，舵轮操右几度，舵叶右偏几度（右偏也相似）。 原理：是负反馈调节系统。以舵角和舵轮的偏差控制电动机。 操舵过程：舵轮向右转过一个角度，电位器R1的滑动点移动，电桥失去平衡，放大器输入信号0，发电机输出电压使电动机顺时针方向转动，

11、使舵叶向右偏转。同时舵角反馈同步传递机构带动反馈电位器R2的滑动点不断向a点移动。当电桥重新处于新的平衡状态时，放大器输入=0，电动机停转，舵叶处于右舵与舵轮转动相对应的角度上。回舵过程相似，只是放大器输入变反，电动机反转，舵叶回偏。 随动操舵工作原理 操舵： 在海船上就是应急操舵。方法：手扳舵转，复零舵停；左舵左扳，回舵右扳；右舵右扳，回舵左扳。 人看分罗经和舵角指示器操舵。原理：转换开关改变发电机励磁方向，从而使电动机反转。 手柄控制系统工作原理电动机励磁不变。第五节 自动舵一. 一般自动舵二. 自适应自动舵三. 航迹舵 自动操舵：实际上是自动航向保持仪。 组成原理：利用电罗经检测船舶实际

12、航向 ，然后与给定航向K进行比较，其差值作为操舵装置的输入信号，使操舵装置动作，改变偏舵角。在舵角的作用下，船舶逐渐回到正航向上。船舶回到正航向后，舵叶不再偏转。 线路分析：最简单的电动操舵线路的工作过程见。操舵过程：见下图一.1. 一般自动舵工作原理第五节要点：操舵方式(种类、原理)；自动操舵仪组成原理。自动舵方框图2. 一般自动舵基本类型 定义：自动舵的基本类型是指按操舵的规律分类的（也就是舵的偏转规律）类型，而不是舵机装置的类型。 三种基本类型：.比例舵；.比例 - 微分舵；.比例 - 微分 - 积分舵。 说明：不同基本类型的自动舵，对舵叶的调节规律是不同的。偏航与操舵 比例舵 比例舵操

13、舵的规律是：偏舵角的大小与偏航角的大小成比例关系，即： = - K1其中：K1为比例系数，负号表示与偏航方向相反。 特点：机构简单，航行保持精度较差，船舶营运经济性较差（会出现S形航迹）。 比例舵的不足：偏航初期偏舵角较小，不能很快阻止船舶继续偏航；回航过程中船舶具有惯性，偏舵角不能及时减小，容易反向偏航。 比例-微分舵操舵的规律是：偏舵角的大小与偏航角的大小成比例-微分关系，即： = -（K1+K2d/dt）其中：K1为比例系数，K2为微分系数。 说明：偏航初期，偏航角变化率大，比例 - 微分舵能及时给出大偏舵，有效地阻止船舶偏航（最大偏航角较小）；回航时，偏航角变化率变为负值，能适时给出反

14、舵角，阻止船舶反向偏航，即能有效阻止反向偏航。 主要特点：具有“超前校正”的控制作用，减小船舶航向的振荡，减轻舵机负担，增加航速，提高系统灵敏度和船舶的营运效益。 比例-微分舵 比例-微分-积分舵 组成：是在比例 - 微分舵基础上增加积分环节。积分环节作用是 克服不对称偏航。K3是积分系数。 不对称偏航的产生：不对称偏航是某舷（侧）的偏航角持续时间比另一舷（侧）偏航角持续时间长。 原因：装载不对称，斜向风的持续影响，斜向海潮的持续影响。 对于具有双螺旋桨推进的船舶，螺旋桨推进的不平衡也会产生不对称偏航。 积分环节工作原理：积分环节可以对偏航持续时间进行累积，当某舷（侧）偏航持续的时间比另一舷（

15、侧）持续时间长时，通过环节输出的信号（偏舵角）将继续保持，这个信号将通过执行机构使舵叶维持在一定的偏转角度上，从而使船舶具有克服单向偏航的能力。 比例舵：可以克服偏航，但容易形成S形航迹，航程较长。 比例 - 微分舵：可以减小最大偏航角，克服回航时的反向偏航。但微分系数不能太大，否则容易造成不稳定。 比例 - 微分 - 积分舵：能够产生“自动压舵”调节，克服不对称偏航。第五节要点：自动舵的基本类型；各种调节规律的性能、特点。 三种类型舵的特点比较二、自适应舵的基本概念和调节原理 定义：通过计算机将所有检测信号进行处理，使舵机按照给定航线进行操舵的自动舵称为自适应舵。自适应舵可以自动对航线进行判

16、别，可以自动修正内部参数（例如比例系数等）以适应船舶的各种状态或海况。 分类：可分为两类自校正自适应控制系统和模型参考自适应控制系统。自校正控制系统： 自动校正系统的控制参数，使性能指标接近最优。模型参考控制系统： 设计一个理想（最优）的参考模型，计算机根据实际检测，实现接近该理想模型的控制规律。 说明：具体工作原理分析需要较深基础知识。因此，本节只做一般了解。第五节要点：自适应舵的概念和类型。 自适应舵说明 概述：具有比例、微分和积分调节作用的自动舵称为PID自动舵。这种PID舵实际上是航向保持仪，不能实现航迹的自动跟踪。而且，在不同的海况下，比例、微分、积分等参数需要人为地进行调节，才能达到比较满意的调节效果。 PID自动舵原理：电罗经和自整角机将船舶的实际航向和给定航向比较，得到偏航信号经发讯器2和相敏整流器整流后送到灵敏度调节器，再经过比例、微分和积分环节（5、6和13）调节后，由放大器8和功率放大器9进行放大，送给执行机构10对舵机进行调节控制。三、PID自动舵系统工作原理第六节 应急舵一. 主操舵装置中的应急舵二. 辅操舵装置的使用三. 临时应急舵的安装第七节 操舵要领及注意事项操舵