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1、第八章第八章舵舵 机机w第一节w舵的作用原理和对舵机的要求8-1-1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平衡舵图81(b) 舵杆
2、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，水流对舵叶还会产生与舵叶
3、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。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、F2 w 那么水作用力F对船体的作用n可用水作用力
4、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8-1-2-2 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Mmax w Ms出现极大值时的舵角数值，与舵叶的几何形状有关 ，并主要取决于舵叶
5、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，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
6、，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
7、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 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
8、航时的最大水动力 矩不会超过正航时的水动力矩8-1-3 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 8-1-3 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
9、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8-1-3 对舵机的基本技术要求w (2)主操
10、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30min，对其它船舶为 10min。8-1-3 对舵机的基本技术要求w (4)操舵装置应设有有效的舵
11、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8-1-3 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
12、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第二节液压舵机工作原理和组成8-2 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阀控型泵控型液压舵机原理图（1）图8-58-2-1 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
13、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。泵控型液压舵机原理图（2）8-2-1 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
14、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。8-2-1 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
15、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20MPa8-2-1 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。8-2-1 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
16、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ABC8-2-1 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C1 w 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）B1A 1C 18-2-1 泵控型舵机 - 回舵w 当驾驶
