第一章船舶操纵设备

2023/1/91船舶设备第一章船舶操纵设备2023/1/92第一章操船设备航行设备之一，操纵系统之一掌握的内容：舵设备的作用、种类；舵设备水动力特征计算；（流力）零件、部件强度计算；（材力，结构力学）舵机选型、舵系布置；（动力装置）舵叶、舵杆、及其连接件等；襟翼舵、导管舵等其他操船设备。

2023/1/93第一节：操船设备概述舵设备的作用、组成和类型舵设备的构造

2023/1/94一、舵设备的作用、组成和类型舵的作用舵的组成舵的分类2023/1/95舵的作用舵的作用概述:

1.

舵是如何发展来的？是从什么地方演变来的？

篙桨帆橹2023/1/96舵的作用舵的作用概述:2.舵的作用是如何体现在船舶操纵性上的？

或者说：船舶操纵性能包含哪两个相互有关的性能？船舵和发展

“深涉南海数万里，千万人之命直奇于一柁”

——杜甫 舵是远洋航行的三大要件（舵、帆、指南针）之一。 史称“轩辕作舟，夏禹作舵” 至迟到东汉我人民已发明船舵，广州东汉墓出土的陶船模型上有舵（拖舵）。 拖舵应用至少延至隋唐。 垂直舵至迟不迟于宋。

定义 船舶尾流控制器或操纵器舵—置于船尾的平板，用以 对船体产生横向力，使船 舶变向、回转。舵设备—舵和操舵装置的 总称。2023/1/99舵的作用（续）2023/1/910舵的作用（续）航向运舵状态

：

2022/12/2911舵的作用（（四）舵效及产生生舵效的原原理：船用舵是小小展弦比的的平板或机机翼型结构构，设置于于船尾端，，当舵转动动时，舵上上产生的水水动力合力力在垂直于于船体中心心线的方向向上的分力力相对于船船体舯剖面面形成了转转船力矩。。2022/12/2912舵的作用（（续）船舶线型特特点和船舶舶操纵性有有什么关系系？内河船和海海船线型的的不同特点点？2022/12/2913舵的的作作用用（（续续））2022/12/2914舵的作用（续续）2022/12/29152022/12/2916舵的作用（续续）2022/12/2917舵的作用（续续）2022/12/2918舵的作作用（（续））长鹰5号总布布置图图长鹰5号型线线图2022/12/2919舵的作用用（续））2022/12/2920舵的作用（续续）舵的作用在（桨）舵配配合下，具有有稳定航向、、改变航向和和作回转运动动的功能。讨论：对于水水下潜器的舵舵应该是何种种型式？如何何进行控制？2022/12/2921舵的作用（续续）本次作业：除舵设备外还还有哪些常用用船舶操纵机机构或装置？？试分析它们们的作用原理理。2022/12/29222.舵设备备组成成（（一））舵操舵装装置主操舵舵装置置辅助操操舵装装置2022/12/29232022/12/2924舵设设备备组组成成（（二二））主操操舵舵装装置置：：2022/12/2925舵设设备备组组成成（（三三））主操舵装装置：2022/12/2926舵设备组组成（（四）主操舵装装置包括括：操舵装置置：操舵舵器、舵舵角指示示器、传传动装置置（（人人力和机机动）舵机：动动力与转转舵机构构转舵装置置：舵柄柄、舵扇扇止舵装置置：限限位开关关2022/12/29272022/12/2928传统液液压舵舵机——大型柱柱塞拨拨叉式式液压压舵机机2022/12/2929传统液压舵舵机——小型柱塞拨拨叉式液压压舵机2022/12/2930传统液压舵舵机——活塞式液压压舵机2022/12/2931转叶式舵机机产品特点点：1.转叶式舵机机,致密的结构构,所有活动零零部件组成成一体,内置式自润润滑的径向向和轴向轴轴承.2.液压单元安安装在舵机机两侧,避免了由管管路造成的的压力损失失,振动和噪声声等.

3.动力单元与与执行机构构,各种阀件间间的管路出出厂前已连连好,毋须到货后后再做管路路窜洗工作作,有效避免各各种杂质进进入液压系系统.2022/12/2932舵设备组成（（五）舵：舵叶舵杆连续杆支承部件统称舵系2022/12/2933舵叶结构和制制造方法2022/12/2934船舵分类（一一）1.一般分类按舵叶截面形形状区分:单板舵复板舵流线型舵按支承方式区区分:多支承双支承单支承按舵面积对转转轴的分布区区分:不平衡舵平衡舵半平衡舵2022/12/2935船舵分类（二二）2022/12/2936船舵舵分分类类（（三三））称法法：：支承承类类型型＋＋截截面面形形状状＋＋分分布布情情况况。。如：：多多支支承承流流线线型型半半平平衡衡舵舵普通通不不平平衡衡舵舵装装置置：：舵柱柱后后面面（（单单桨桨船船））呆木木后后面面（（非非自自航航船船，，某某些些双双桨桨船船））半悬悬挂挂舵舵装装置置：：呆木木后后面面（（双双桨桨单单舵舵船船））尾支支架架后后面面（（舵舵在在桨桨后后的的单单桨桨或或多多桨桨船船））2022/12/2937船舵分类类（四））2.流线型舵舵及改进进形式：流线型舵舵的优点点：流线型舵舵的种类类：单体舵复体舵半平衡复复体舵流线型改改进形式式：增进推进进效率提高舵压压力2022/12/2938船舵分类类（五））增进推进进效率加导流罩罩整流反应应舵2022/12/2939船舵分分类（（六））问题讨讨论：：1：该舵舵叶导导缘部部分在在靠近近中间间部分分（黑黑色笔笔标出出），，这种种结构构的作作用是是什么么？2：该桨桨叶前前端又又增加加了四四个小小桨片片（见见蓝色色标记记）其其作用用是什什么？？3：用绿绿色标标记的的结构构其安安装在在此处处的作作用是是什么么？2022/12/2940船舵分类（（七）2022/12/2941船舵分类（（八）提升舵压力力蒂姆舵（鱼鱼尾舵）希林舵复体舵2022/12/2942船舵分类（（九）2022/12/2943船舵分类类（十））－特种种舵主动舵、、襟翼舵、转柱舵2022/12/2944舵的构造造（自学）问题：1.舵钮和舵舵销是否否可拆卸卸，它位位于船舵舵的什么么地方？？2.舵是否需需要水密密？如何何加工才才能保证证水密和和强度？？3.舵叶上注注水塞、、放水塞塞、吊环环起什么么作用？？4.舵内部骨骨架？2022/12/2945舵之几何何要素及及水动力力特性第二节2022/12/2946舵之几何要素素及水动力特特性舵几何尺度描描述舵的水动力特特性2022/12/2947舵几何何尺度度描述述（一一）外形：：舵高：h舵宽：：b舵面积积：A舵展弦弦比：：λ舵平衡衡比：e舵剖面面：：2022/12/2948舵几何何尺度度描述述（一一）2022/12/2949舵几何何尺度度描述述（二二）舵面积积总面积积AR――不转舵舵，在在中线线面的的投影影。平衡部部分面面积AC――转轴前前部分分面积积。舵框架架部分分面积积AP――复体舵舵固定定部分分。（（舵柱柱）舵托架架面积积――半平衡衡复体体舵固固定部部分。。综合舵舵面积积AK＝AR＋AP（舵柱柱或托托架面面积）2022/12/2950舵几几何何尺尺度度描描述述（（三三））舵展展弦弦比比λ―――展长长同同弦弦长长比比值值h/b。a）矩矩形形：：b)任意意形形：：c）综综合合体体：：（（或或））2022/12/2951舵几几何何尺尺度度描描述述（（四四））舵平平衡衡比比（（对对平平衡衡舵舵而而言言））e――――影响响舵舵机机功功率率2022/12/2952舵几几何何尺尺度度描描述述（（五五））舵剖剖面面―――垂直直轴轴平平面面切切出出的的舵舵叶叶截截面面分类类：：对对称称剖剖面面与与不不对对称称剖剖面面参数数国内内常常用用剖剖面面形形状状2022/12/2953舵几何尺尺度描述述（六））2022/12/2954舵的水动动力特性性（一））机翼上流流体作用用力简述述水动力换换算关系系影响水动动力特性性的因素素2022/12/2955舵的水动力特特性（二）机翼上流体作作用力简述2022/12/2956舵的水动力特特性（三）水动力换算关关系合力及各分力力换算水动力系数――根据流体力学学理论2022/12/2957舵的水动力力特性（四四）合力及各分分力换算水动力对导导边前缘矩矩水动力对舵舵杆轴线矩矩（扭矩））2022/12/2958舵的水动力力特性（五五）水动力系数数――根据流体力力学理论为水动力系系数2022/12/2959舵的的水水动动力力特特性性问题题1：为什什么么要要引引入入无无因因次次系系数数？？2022/12/2960舵的水动动力特性性问题2：引入无因因次系数数,是为了便便于将试试验资料料应用于于不同尺尺度、速速度的实实际机翼翼上，并并且便于于机翼与与机翼之之间的水水动力特特性比较较。为什什么？2022/12/2961舵的水动动力特性性（六））总结：由流体力力学相似似理论可可知，几何形状状相似的的机翼无无论尺寸寸大小如如何，相相同流态态中、、、、值值都都相等，，其一组组实验值值可应用用于几何何形状相相似、大大小不等等的一系系列机翼翼上去。选取舵时时，（阻阻力）愈愈小愈好好，以比比值表表示，，即机翼翼效率，，或，，2022/12/2962舵的水动动力特性性（七））影响水动动力特性性的因素素展弦比λ，厚度比，，外形，剖面形状状，楔形度2022/12/2963舵的水动动力特性性（八））影响水动动力特性性的因素素－展弦弦比λ射流V除对舵产产生升力力外，在在舵叶上上下两端端环绕至至叶背，，产生涡涡流，在在λ较小时，，情况更更严重。。环绕涡涡流使叶叶面压力力差变小小，舵升升力下降降。翼端绕流流使叶面面产生诱诱导速度度ν0，其合力力方向使使射流角角，，从从而极限限舵角范范围内↓↓，故故↓↓。。所以λ的影响，，实质是是由于翼翼端绕流流损失，，以及舵舵叶上界界层分离离现象所所产生的的。2022/12/2964舵的水动力力特性（九九）影响水动力力特性的因因素----展弦比λ思考题：解解释λ对影影响的原原因？2022/12/2965舵的水动力力特性（十十）影响响水水动动力力特特性性的的因因素素－－厚度度比比(=，表表示示舵舵剖剖面面形形状状的的特特征征系系数数)实验验证证明明：：对对小小λ翼形形舵舵，，对对水水动动力力特特性性，，尤尤其其是是影影响响大大。。2022/12/2966舵的的水水动动力力特特性性（（十十一一））影响响水水动动力力特特性性的的因因素素－－外形形舵面面积积与与舵舵效效在极极限限舵舵角角内内，，舵舵角角一一定定，，舵舵面面积积大大，，舵舵效效好好。。但但面面积积过过大大，，超超过过极极限限，，会会增增加加航航行行阻阻力力，，增增大大舵舵机机负负荷荷，，影影响响船船舶舶稳稳定定性性。。2022/12/2967舵的水动力特特性（十二））影响水动力特特性的因素外形2022/12/2968舵的水动力特特性（十三））影响水动力特特性的因素－－楔形度楔形上厚下薄薄，最高高，有楔形提提高高9％。2022/12/2969舵的的水水动动力力特特性性（（十十四四））影响响水水动动力力特特性性的的因因素素－－剖面面形形状状前缘缘丰丰满满，，外外形形微微有有凹凹陷陷，，水水动动力力特特性性要要好好一一些些。。但但要要考考虑虑加加工工工工艺艺、、成成本本。。2022/12/2970小结结舵的水动动力特性性及计算算方法；；影响水动动力特性性的因素素。2022/12/2971第三节：：舵系设计计计算2022/12/29727000t散货船总布置置图2022/12/2973本章作业完成万吨重重吊船操纵纵设备设计计和计算1.作业任务书书2.船舶的总布布置图3.船舶说明书书4.船舶型线图图5.船舶性能试试验报告2022/12/2974目的的、、内内容容及及步步骤骤（（一一））目的的计算算各各舵舵角角下下，，舵舵受受的的流流体体合合力力及及力力矩矩。。并并以以此此作作为为结结构构设设计计、、强强度度计计算算、、零零件件选选配配、、估估算算舵舵机机功功率率之之依依据据。。按正正、、倒倒车车两两种种状状态态进进行行，，倒倒车车起起校校核核作作用用。。原原理理同同正正车车，，随随边边作作导导边边，，航航速速按按规规范范取取。。海海船船取取设设计计航航速速一一半半2022/12/2975目的、内内容及步步骤（（二）设计计算算内容及及步骤（1）确定舵的的型式与与数量、、相对桨桨的位置置（2）选择舵舵面积，，;（3）水动力力影响规规律及船船体型线线、确定定有关要要素。（（剖面形形状、展展弦比、、外形<绘船、桨桨舵组合合体理论论图>、厚度比比、平衡衡系数））（4）计算水水动力；；（5）舵叶设设计和规规范计算算，各种种附属件件设计计计算；（6）舵主要要零件强强度计算算（强度度高、重重量轻、、价格低低）；（7）确定操操舵系统统、操舵舵装置和和舵机功功率。2022/12/2976舵型式、数数量选择、、舵位置确确定（1）舵型式舵数目舵与桨的配配合――舵位置2022/12/2977舵型式、数数量选择、、舵位置确确定（2）舵型式舵型式选择择通常由船船舶运行条条件决定。。目前常用用流线型平平衡舵。设置平衡舵舵，合理选选择平衡系系数，可以以得到最小小的舵杆力力矩值。海船：流线线型平衡舵舵内河与浅水水：悬挂敞开式（椭椭圆）尾：：很好配合合半悬挂平平衡舵。2022/12/2978舵型式、、数量选选择、舵舵位置确确定（3）舵数目舵数目决决定于船船型、船船舶参数数，而主主要是桨桨轴数目目。舵数数目多，，可靠性性高，展展弦比相相对加大大，但布布置复杂杂，重量量增加，，建造、、维修成成本增加加。单舵――一般运输输船舶、、机构简简单、正正对桨、、充分利利用尾流流。双舵――内河船、、吃水浅浅、避免免太小，，↑操纵纵性。多舵――浅吃水、、操纵性性要求高高、工程程推拖舵数目与与桨数目目相关，，从尾流流控制概概念，船船、桨、、舵效综综合考虑虑。2022/12/2979舵型式、、数量选选择、舵舵位置确确定（4）舵与桨的的配合――舵位置满足操舵舵原理，，远离船船舶回转转中心（（近于舯舯），远远离船舶舶重心。。置于桨后后的高水水流区，，尽量靠靠近桨盘盘，以↑↑；有良好的的保护（（上、下下、前后后缘均保保护）；；舵位置应应与船尾尾形状配配合；考虑多舵舵效果；；2022/12/2980舵面面积积确确定定（1）的确确定定方方法法：：问题题：：为为什什么么确确定定舵舵面面积积是是舵舵设设计计最最主主要要的的一一个个环环节节？？2022/12/2981舵面面积积确确定定（2）的确确定定方方法法型船船换换算算法法统计计方方法法经验验公公式式2022/12/2982确定剖剖面形形状、、厚度度比、、平衡衡系数数、展展弦比比，绘绘船、、桨、、舵组组合体体图（（1）剖面形形状原则（（外形形、剖剖面））一定下下，愈愈大大愈好好小舵角角下有有较高高的升升力系系数，，系数数曲线线梯度度大，，λ↑，希林林舵，，制流流板。。转舵力力矩越越小越越好，，舵机机功率率↓，，考虑虑平衡衡、半半平衡衡，压压力中中心系系数变变化越越小越越好。。阻力要要小。。（反反应舵舵，迎迎流反反应舵舵）最大航航速及及舵角角范围围内无无舵空空泡。。符合强强度要要求，，如悬悬挂式式：上上底大大的倒倒梯形形。工艺性性好，，矩形形。2022/12/2983平衡系系数（（比））e＝e影响舵舵机功功率大大小、、舵的的稳定定性。。功率：：因为为N↓，舵轴轴线与与压力力中心心应尽尽可能能接近近，使使↓↓（水水动力力扭矩矩）稳定性：：中心在在轴后，，转舵时时，压力力永远迫迫使舵自自行回正正。反之之为过平平衡。确定剖面面形状、、厚度比比、平衡衡系数、、展弦比比，绘船船、桨、、舵组合合体图（（2）2022/12/2984展弦比λ在未发生界层层分离以前，，同一下下，λ越大，愈高高。反之，翼翼端损失大。。常用船展弦比比，λ平均。确定剖面形状状、厚度比、、平衡系数、、展弦比，绘绘船、桨、舵舵组合体图（（3）2022/12/2985绘制制船船桨桨舵舵组组合合体体图图，，以以保保证证实实施施。。要保保证证：：①①桨桨、、舵舵、、船船体体之之间间保保持持最最合合适适的的间间隙隙；；②桨桨迎迎受受良良好好的的水水流流；；③考考虑虑桨桨、、舵舵的的保保护护措措施施。。确定定剖剖面面形形状状、、厚厚度度比比、、平平衡衡系系数数、、展展弦弦比比，，绘绘船船、、桨桨、、舵舵组组合合体体图图（（4）2022/12/2986绘制船船桨舵舵组合合体图图，以以保证证实施施。绘制过过程：1)各种因因素决决定后后，由由尾部部高度度条件件定出出舵高高h；2)求出舵舵平均均宽度度;3)根据艉艉部形形状、、舵保保护条条件和和舵型型式绘绘舵叶叶轮廓廓，要要求简简单，，工艺艺性好好。4)由选定定的平平衡系系数e，决定定平衡衡面积积；5)舵截面面试绘绘。6)桨、船船、舵舵间布布置间间隙及及影响响因素素参阅阅《船舶设设计原原理》确定剖剖面形形状、、厚度度比、、平衡衡系数数、展展弦比比，绘绘船、、桨、、舵组组合体体图（（5）2022/12/2987水动力特性性计算计算目的计算思路舵压力及力力矩实用算算法确定舵机功功率2022/12/2988计算算思思路路根据据设设计计船船提提供供的的主主要要尺尺度度和和参参数数，，以以及及桨桨的的参参数数，，针针对对设设计计舵舵的的型型式式、、尺尺度度、、数数量量、、剖剖面面形形状状及及所所处处的的流流态态：：利用用试试验验统统计计资资料料或或者者近近似似计计算算公公式式，，决决定定敞敞水水水水动动力力系系数数、、、、以以及及压压力力中中心心系系数数。。列表表计计算算，，敞敞水水状状态态的的P，。。考虑虑各各种种影影响响因因素素（（包包括括机机械械损损耗耗、、舵舵结结构构影影响响、、水水流流影影响响、、船船桨桨影影响响））计计算算出出实实际际实、实、实………估算算舵舵机机功功率率。。2022/12/2989舵压力及力矩矩实用算法压力及压力中中心计算法（（近似法或或模型试验资资料法）力矩计算考虑影响水动动力的因素，，换算实船水水动力、力矩矩2022/12/2990力矩计算对转轴之力矩矩磨擦力矩舵头扭矩对转舵力矩的的基本要求：最大正车扭矩矩>0，且值最小。。最大正车负扭扭矩Ⅱ＝最大倒车负负扭矩Ⅲ（最大扭矩需需小，以减轻轻舵重）无负扭矩，稳稳定性好。2022/12/2991力矩矩计计算算2022/12/2992考虑影响响水动力力的因素素，换算算实船水水动力、、力矩在船、桨桨、舵综综合作用用下，水水动力情情况与敞敞水舵有有所不同同，要考考虑的影影响因素素主要有有：自由表面面影响（（与λ关系）伴流影响响（尾波波情况））重点因素素涉及v的取法桨尾流影影响（尾尾流情况况）船底影响响艉框影响响（结构构）2022/12/2993确定舵机机功率根据表格计算算结果作P.M.正倒车曲线估算功率2022/12/2994第四节：舵结构与强度度舵结构与强度度（一）舵之结构――多为流线型复复板舵单板舵复板舵：空心心，水密上舵杆、舵骨骨架（代替单单板舵下舵杆杆）、舵头、、舵钮、注入入塞、放水塞塞、吊环。水密性保证方方法：一侧板与水平平板先施焊，，水平板出舌舌头，周围焊焊后切之，或或水平板加复复板，外板开开槽，条形塞塞焊，尾端塞塞板（随边）），首端加无无缝管（导边边）。2022/12/29952022/12/2996舵结结构构与与强强度度（（二二））舵结结构构强强度度（（结结构构尺尺寸寸））规范范要要求求：：1.舵杆杆、、舵舵叶叶、、舵舵销销、、舵舵销销衬衬套套；；2.舵杆杆及及舵舵叶叶联联接接件件（（法法兰兰、、螺螺纹纹、、键键………）3.舵承承、、舵舵角角限限制制器器。。2022/12/2997舵结构与与强度（（三）舵结构强强度（结结构尺寸寸）1、强度理理论计算算问题如何计算算，，如何确定定（（许用应应力、安安全系数数标准））弯矩的计计算（舵舵杆）许用应力力、安全全系数2022/12/2998舵结构构与强强度（（四））舵结构构强度度计算算方法法理论计计算方方法规范计计算方方法2022/12/2999舵结构构与强强度（（五））2022/12/29100舵结构与强强度（六））舵结构强度度（结构尺尺寸）2、规范计算算法以《钢质海船入入级与建造造规范》舵杆舵叶舵销舵轴连接零件舵扇与舵柄柄2022/12/29101舵结构与强强度（七七）2022/12/29102舵结构与强强度（八八）2022/12/29103舵结构与强强度（九九）2022/12/29104舵结结构构与与强强度度（（十十））2022/12/29105舵结构与强度度（十一））2022/12/29106舵结构与强度度（十二））2022/12/29107舵结构与强度度（十三））2022/12/29108第五节节：舵机及及其基基本要要求2022/12/291091.舵机有有哪些些种类类？各有什什么特特点？？2.各自的的原理理是什什么？？3.舵机有有哪些些基本本要求求？自学舵机及及其基基本要要求舵机的的工作作原理理舵机的的转舵舵机构构对舵机机的基基本要要求2022/12/29110舵机的工作作原理目前船舶一一般采用电电动液压舵舵机，它可可以分为阀阀控型和泵泵控型两大大类。（1）阀控型舵舵机：在舵舵机工作时时泵按既定定方向连续续运转，吸吸、排方向向和排量不不变，由液液压阀件控控制舵机的