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1、船舶辅助装置,5.1 船舶操舵装置 5.2 起锚机和系缆机 5.3 船用蒸汽锅炉,一、概述 操舵装置简称舵机，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。,5.1 船舶操舵装置,舵是船舶的一种十分重要和不可缺少的专用设备。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。,对舵机的要求,钢制海船入级与建造规范(1966),国际海上人命安全公约(SOLA
2、S74）,1.生命力强。有主、辅两套独立的操舵装置，或一套操舵装置配两套以上动力设备，每台动力设备两处以上独立供电线路。,2.工作可靠。具有足够的强度和能力，在最深航海吃水：主操舵装置能在最大航速时，使舵自一舷35转至另一舷35，海船从一舷35转至另一舷30不超过28s。辅舵装置在最大航速一半但不低于7kn(1kn=1nmile/h= 1.852km/h)时，使舵在60s内自一舷15转至另一舷15。,3.操作灵便。主辅操舵装置均应能在驾驶室和舵机室进行控制，主操舵装置的每台动力装置也均能在驾驶室控制，并能方便地进行切换。,(一)操舵装置的功用和组成 1、功用,舵机有两大功能： 一是保持船舶预定
3、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。 通常把二者统称为船舶的操纵性。,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。,2、型式 按舵机的动力源可分为手动舵机、蒸汽舵机、气动舵机、电动舵机和电动液压舵机。 由于电动液压舵机尺寸小，重量轻，效率高，耐冲击，工作可靠，故在现代船舶上广泛采用。 下面主要介绍电动液压舵机。,3、组成： 1）远距离操纵机构 由设于船首驾驶室的发送器和设于船尾
4、舵机房的受动器组成，用以把舵令转换对转舵动力的控制动作，以便提供转舵动力，或停止转舵动力的供给，或改变转舵动力供给方向。电液舵机的远距离操纵机构有液压式、电力式和电液式三种。,2）转舵动力机械安装于舵机房或机舱提供转舵动力源的机械设备。电液舵机的转舵动力机械是电动机液压泵组。液压泵又称舵机油泵。 3）转舵机构装于舵机房内将转舵动力转换为转舵力矩的机构。目前电液舵机普遍采用往复式的转舵油缸。,4）舵装于舵机房的舵柱（或舵杆）上，插于水下，承受水流作用力，产生转船力矩的设备。 目前普遍采用平衡舵、不平衡舵和襟翼舵（子母舵），其结构如图4-8所示。,图4-8 舵 a)不平衡舵； b)平衡舵； c)襟
5、翼舵;,1-舵柱 2-舵 3-行星齿轮 4-定齿轮 5-主舵 6-主舵柱 7-辅舵柱 8-辅舵（襟翼）,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，据说这种舵可以提高推进效率4-6左右。,5）追随机构装于舵机房，在舵转至舵令要求的舵角时，切断转舵动力的供给，自动使舵停止转动的机构。常用的有杠杆式（分不带和带副杠杆式）和电力式（分电桥式和自整角机式）。 6）应
6、急装置常用操舵装置失灵时，用以维持舵机正常工作的应急备用的操舵设备。 7）辅助装置包括舵角指示、最大舵角限位装置等。,(二) 舵的作用原理 舵机对船舶航向的控制是通过作用在船舶尾部舵叶上的水压力来完成的。,1、力学分析 1）舵角=0位置 (正舵)时: 舵两侧水压相等，舵对船舶的航行无影响，船舶直线航行。,2)舵转角后: a、转船力矩 水流即以冲角流向舵叶，使舵两侧的流线不对称，水压分布不均匀，产生一垂直于舵面的水压力的合力PN。水压力的合力PN对船舶的重心O产生的力矩Ms使船舶转向，称为转船力矩。其值可用下式计算:,式中：L舵压力中心至船舶重心的距离，m； CL升力系数，与舵叶的几何形状有关，
7、随而变； 水的密度，kg/m; A舵叶面积m; V舵叶处水的流速m/s，可取航速的1.151.2倍。,（Nm）,b、水动力矩 舵的水压力PN对舵杆轴线的力矩M是使舵绕轴线偏转的力矩，称为舵的水动力矩。 （Nm） 式中：xc舵压力中心至舵杆轴线的距离（随角而变），m； CN舵叶的压力系数，与舵叶的几何形状有关，随而变； 、V、A与前面相同。,显然，舵匀速转动时，舵机施加于舵杆上的转舵力矩M应等于水动力矩M和舵承总摩擦力矩Mf之和，即 M= M +Mf。 对于平衡舵，一般 Mf=(0.150.20)。,2、分析总结 1）船舶前进时，船的转向与舵的偏转方向相同；船舶后退时，则相反。前进回舵或后退偏舵
8、时，舵的水动力矩M总是使舵回中或偏转，舵机施加于舵杆上的为负的转舵力矩。,图4-10 转船力矩Ms和舵水动力矩M曲线,转船力矩,水动力矩,2）舵产生的转船力矩Ms比水动力矩M大得多，它们均随舵叶浸水面积A的增加和航速的提高而增大，舵机负荷（即工作油压）也相应升高。由于船舶逆水时舵叶处水流速度大，故内河下水船舶靠码头时总先调头，以提高靠码头时的舵效。,图4-10 转船力矩Ms和舵水动力矩M曲线,转船力矩,水动力矩,3）船舶前进偏舵时，转船力矩Ms与舵角之间的关系如图4-10所示。从图可见，Ms随的增加而增大，但增大至某一值时Ms出现最大值。这是由于升力系数按此规律变化的结果。为了提高转船力矩Ms
9、 （即舵效），常以出现最大转船力矩Ms时的舵角max定为舵的最大偏转角。该舵角的大小主要与舵的展舷比（舵叶高度h与平均宽度b的比值）有关。海船吃水较深，值较大，max=30；河船情况相反，max为左右。目前舵机规定的最大舵角，海船为35，河船为3545。,图4-10 转船力矩Ms和舵水动力矩M曲线,转船力矩,水动力矩,4）舵机在最大舵角时输出的最大扭矩，称为舵机的公称扭矩。它决定于船在最深吃水以最大航速前进时，把舵转至最大舵角所需的扭矩，并能按规范要求满足倒车时转舵需要。,图4-10 转船力矩Ms和舵水动力矩M曲线,转船力矩,水动力矩,5）在同样的舵角时的水动力矩M不平衡舵均高于平衡舵。这是由
10、于舵压力中心至舵杆轴线的距离xc，不平衡舵较大之故。这表明，把舵转至同样舵角，采用平衡舵时舵机所需输出扭矩较小 ，而转船力矩几乎不受影响。这就是为什么现代船舶多采用平衡舵的道理。图中K为平衡系数，是舵杆中心前面舵叶面积与整个舵叶面积的比值。由于小舵角时，平衡舵的水压力中心位于舵杆中心线前面，故出现负的水动力矩，即水动力帮助偏舵。适当选取K值（一般K=0.150.35）可减少舵机的额定功率和常用舵角（小于1020）的功率消耗。,图4-10 转船力矩Ms和舵水动力矩M曲线,转船力矩,水动力矩,6）船舶后退时，舵叶的后缘变成导边，压力中心与舵杆中心线距离xc变大，同舵角下的水动力矩高于前进时的水动力
11、矩，但后退最大航速一般不超过前进最大航速的一半，故后退时的最大水动力矩不会超过前进时最大的水动力矩。流线型平衡舵船后退时的最大水动力矩一般只为前进时最大值的60%左右。,二、转舵机构 转舵机构是舵机液压系统的执行元件，它把动力油泵 提供的压力能转换成机械能而输出转舵力矩，常见的有往 复式和转叶式两类。 1、往复式转舵机构 往复式转舵机构又分十字头式、拔叉式、滚轮式和摆 缸式，这里只介绍前两种。 往复式转舵机构又称推舵或转舵油缸。,图4-11 十字头式转舵机构 1、5-油缸；2-柱塞（撞杆）；3-耳轴；4-舵柄；6-密封环；7-柱塞行程限位器； 8-机械式舵角指示器；9-滑块；10-导板；11-
12、中央联结部分；12-十字头；13-轴承；14-舵柱（舵杆）,1）十字头式转舵机构 a 、结构与工作原理 它因具有十字头形接头而得名，结构如图4-11所示。,b、受力分析,图 4-12 十字头式转舵机构受力情况,舵叶偏转角后，通过转舵机构油压产生的转舵力矩 M可用下式表示： （Nm） 式中：D柱塞直径，m； P 柱塞两端的油压差，Pa； R0 舵处于中位时，舵柱与十字头中心距离， m； 舵的转角。 可见，对于既定的舵机，十字头式转舵机构产生的转舵力矩随舵角的增大而增大 ，这恰好与舵负荷力矩（水动力矩）的变化规律相适应，因而可以减小舵机的额定功率。,2）拔叉式转舵机构 a 、结构与工作原理 拔叉式
13、转舵机构是十字头的前身，图4-13所示为其原 理图。与十字头式比较，有以下异同点。,图4-13 拔叉式转舵机构原理,b、与十字头式比较 与十字头式比较，有以下异同点。 （1）两者的受力情况和扭矩相同，传动效率相近，工 作可靠性相当。 （2）以拔叉形式的滑动接头代替十字头式滑动接头； 柱塞可整体制造，舵柱中心与柱塞轴线的距离R0和柱塞 相应最大舵角时的行程缩短，纵横向尺寸均减小，故功率 相同时，重量相对减轻，占地面积缩小。 （3）柱塞的刚度优于十字头式，工作油压不高19.6MPa时，其侧推力可直接由油缸承受，而无需设导板。,（4）拔叉结构较十字头简单，制造安装方便。但其强度和刚度不如十字头，因此
14、拔叉式转舵机构不宜用于大扭矩的场合,只是在内河船舶中、小功率的液压舵机上应用较广。 （5）同样情况下，转舵角相同时，柱塞移动的阻力P和侧推力N均较十字头式大，故输出相同的转舵力矩，要求有较大的柱塞直径或油压，即舵机功率较大。 由于往复式转舵机构，结构合理，密封性好，工作可靠，维护管理方便，且具有良好的负荷匹配性，故在船舶上得到广泛的应用。它的缺点是占舱位面积较大。,2、转叶式转舵机构 1)结构与工作原理 转叶式转舵机构的承压和传动部分组合在一起，利用 油压产生的扭矩直接驱动舵柱转动。原理如图4-14所示。,图4-14 转叶式转舵机构原理图 1-舵柱； 2-缸体； 3-转毂； 4-转叶； 5-定
15、叶； 6-油管。,2)特点 a、输出的转舵力矩与工作油压成正比，而与舵的转 角无关，故其负荷匹配特性就不如往复式转舵机构。 b、转叶式转舵机构结构简单，安装方便，外形尺寸 小，转舵时无侧推力，转毂浸泡在油中，润滑条件好，摩 擦耗功和零部件的磨损减小，传动效率和使用寿命提高， 工作可靠，管理方便。但内部泄漏路径多，密封较困难， 限制了工作油压的提高。,三、舵机液压系统实例 130kNm阀控型电动液压舵机系统 1）主要技术参数 公称扭矩 30kNm（约3tfm）；最大舵角 35 ； 转舵时间 12s ； 公称压力 7.5MPa 溢流阀调定压力 8.3MPa； 油泵型号 25SCY14-1B 专用阀
16、组安全阀调定压力 9.4MPa 电动机功率 4kW 舵机液压系统如图4-15所示 。,图4-15 30kN-m 舵机液压系统 1-动力油柜； 2-液位继电器； 3、4-阀件油路集成块； 5-气囊式蓄能器； 6-操纵台； 7-手动三位四通换向阀； 8-舵机专用阀组； 9-拨叉式转舵油缸； 10-直流舵角发讯器； 11-交流舵角发信器,2）液压系统特点 该舵机液压系统属直控型开式循环系统，适用于急流航区。动力油柜1由两交流电动机泵组1#和2#、阀件油路集成块3、滤器和油箱等组成，具有油液的过滤、沉淀、储存、冷却、加压、过载溢油和止回等功能，其结构紧凑，安装方便。1#、2#泵组可轮换使用。3#泵由直流电动机驱动，是应急动力源。三台泵均为手动变量式轴向柱塞泵，流
