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1、舵机 起货机 锚机 绞缆机,第九章 舵 机 91 舵的作用原理和对舵机的要求 一、舵设备的组成和舵的类型 舵叶：大多数船舶都采用由钢板焊接而成的空心舵，称为复板舵，其水平截面呈对称机翼形，又称流线型舵。舵叶的偏转由操舵装置（通常称舵机）来控制。 舵的分类： 不平衡舵：舵杆轴线紧靠舵叶前缘的舵。 平衡舵：舵杆轴线位于舵叶前缘后面一定位置的舵。 半平衡舵：仅于下半部做成平衡型式的舵。后图所示。,二、舵的作用原理和转舵扭矩 1.舵的水作用力及其对船舶运动的影响： 舵叶上作用力分析： 当舵叶偏转角后，舵叶两侧所受水压力的合力为FN ； 水流对舵叶产生的摩擦力为FT ； 在舵叶的压力中心O 上，就会产生
2、一个大小等于FN与FT合力的水作用力F 。,舵上的水作用力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。 升力FL FL = 1/2 CL A v2 阻力FD FD = 1/2 CD A v2 舵压力中心至舵导边的距离X X = CX b CL-升力系数； CD-阻力系数； CX 压力中心系数。 三个系数大小随舵角而变，由模型试验测定。（见后表） V-舵叶处水流速度，一般取航速的1.15-1.2倍； b - 舵叶的平均宽度； A-舵叶的单侧浸水面积,图8-3为某型舵叶的流体动力特性系数曲线。,舵上的水作用力 F 对船舶的影响： 1.产生转船力矩MS ； 2.产生纵向分力R（R
3、=F2 sin）增加船舶前进的阻力； 3.产生横向分力T（T= F2 cos）使船舶向偏舵的相反方向漂移； 4.水作用力F与船舶重心不在同一水平面使船舶产生横倾和纵倾。,转船力矩： MS = FL（l+XC cos）+ FD XDsinFL l = 1/2 CLA v2 l XC 舵压力中心至舵杆轴线的距离； XC = X - Z = CX b Z； Z舵杆轴线至舵叶导边的距离； l 舵杆轴线至船舶重心的距离。 转船力矩变化分析： 转船力矩MS 随舵角的增大而增大，并在达到某一舵角时出现极大值MS max 。（见上图， CL 变化引起 MS 变化并产生极大值） 转船力矩出现极大值时的舵角数值，
4、与舵叶的几何形状有关，并主要取决于舵叶的展弦比（= 舵叶高度h/舵叶平均宽度b）。展弦比越小，达到最大转船力矩时的舵角就越大。 海船舵叶的一般为2-2.5，max为32- 35； 内河船舶一般为1.0-2.0，max为35- 45。,2.舵的水动力矩和转舵扭矩 舵的水动力矩: 舵压力FN对舵杆轴线所产生的力矩称为舵的水动力矩，用Ma表示： Ma = FN XC =（FLcos+FDsin）XC = 1/2CNAv2XC 式中：CN = CL cos+CD sin 转舵扭矩: 操舵装置施加在舵杆上的扭矩称为转舵扭矩M，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 + M
5、f 普通平衡舵Mf =（0.150.20） Ma。 公称转舵扭矩: 指其在规定的最大舵角时所能输出的最大扭矩。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决定的。,平衡系数K: 舵杆轴线之前的舵叶面积A和整个舵叶面积A之比，称为平衡系数，用K表示。 平衡系数K影响: 平衡系数越大，舵叶的最大水动力矩越小，即舵机所需的公称扭矩越小。但K不宜过大，否则在常用舵角（1020）范围内回舵时需克服的公称转舵扭矩就可能较大，使舵机功耗增加。一般舵的平衡系数约在0.150.35之间。船舶倒航时，舵叶后缘成为导边，压力中心离开舵杆轴线的距离XC增大，但倒航船速只有正航正常航
6、速的1/2，故倒航时的水动力矩约为正航最大值的60%，所以舵机不会过载。 图8-4为转船力矩和舵的水动力曲线。,转船力矩和舵的水动力曲线,三、对舵机的基本技术要求 我国钢质海船入级与建造规范（1996）根据国际海上人命安全公约（SOLAS公约）的规定，要求舵机必须具有足够的转舵扭矩和转舵速度，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。 具体的基本技术要求： 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。 主操舵装置应具有足够的强度并能在船舶处于最深航海吃水并以最大营运航速前进时将舵自任何一舷35
7、转至另一舷的35，并且于相同的条件自一舷的35转至另一舷的30所需的时间不超过28秒。此外在船以最大速度后退时应不致损坏。,辅操舵装置应具有足够的强度，且能在船舶处于最深航海吃水，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 。 在主操舵装置备有两台以上相同的动力设备符合下列条件时，也可不设辅操舵装置（ 1万 Gt以上油船、化学品船、液化气体船和7万Gt以上其它船必须如此）：即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；对于客船，当任一台动力设备不工作时，或对于货船，当所有动力设备都工作时，应能满
8、足对主操舵装置的要求。,（2）主操舵装置应在驾驶台和舵机室都设有控制器；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。但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。 （3）对舵柄处舵杆直径大于230 mm（不包括航行冰区加强）的船应设有能在45s内向操舵装置提供的替代动力源。这种动力源应为应急电源位于舵机室内的独立动力源，其容量至少应能向符合辅操舵装置要求的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。此独立动力源只准专用于上述目的。对1万Gt以上的船舶，它应至少可供工作30min，对其它船舶
9、为10min。 （4）操舵装置应设有有效的舵角限位器。以动力转舵的操舵装置，应装设限位开关或类似设备，使舵在到达舵角限位器前停住。,（5）对1万Gt以上的油船、化学品船、液化气体运输船尚有如下一些附加要求： 当发生单项故障（舵柄、舵扇损坏或转舵机构卡住除外）而丧失操舵能力时，应能在45s内重新获得操舵能力。 为此，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；或至少有两个相同的动力转舵系统，在正常运行时同时能满足主操舵装置要求，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。 有的转舵机构（如后面介绍的单缸体转叶式油缸）虽不能分隔成两
10、部分，但如经过严格的应力分析（包括疲劳和断裂分析）、密封设计、材料选用和试验，则也可允许用于1万Gt以上、10万Gt以下的油船、化学品船、液化气体运输船。在这种情况下，只对管系或动力设备而不对转舵机构提出下列要求：即当发生单一故障时应能在45s内恢复操舵能力。,（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。安全阀开启压力应不小于1.25倍最大工作压力；安全阀能够排出的量应不小于液压泵总流量的110，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。,92 液压舵机的工作原理和基本组成 液压舵机分类：按油路循环方式分为开式和闭式两类。 按油路
11、循环方式分为泵控型和阀控型两类。,闭式液压系统：油泵的排油经执行机构而直接返回油泵的进口的系统。,开式液压系统：油泵的排油经执行机构后返回油箱的系统。,阀控型液压舵机特点：系统简单；初置费用低；主泵排量较小；但换向冲击大，阀工作可靠性比较差；无舵令时，泵的能耗较大，油液易发热；做成开式系统时，油液的冷却、净化较方便，但油箱容积较大；油液易遭受污染，所以大多用于中小功率场合的舵机。 泵控型舵机的特点：换向冲击小，工作平稳；能量浪费小，油液不易发热；泵控型一般均采用闭式油路，油液不易遭受污染，不易氧化；油箱容积小。但系统复杂，初置费用高，需配备辅泵，在条件相同情况下，泵控型主泵的排量要大于阀控型系
12、统中的主泵。,液压舵机的组成：转舵机构、液压系统和操纵系统三个主要组成。 一、泵控型液压舵机 工作原理：见图,对尺寸既定的转舵机构来说，舵机油泵的工作油压主要取决于推动撞杆所需要的力，即取决于转舵力矩。,油压与机构尺寸关系：舵机最大工作压力就是产生公称转舵扭矩时油泵出口处的油压。舵机油泵的额定排出压力不得低于舵机的最大工作压力。油泵的额定排出压力越大，转舵机构尺寸就越小，液压油量也越少，但生产和管理水平要求也越高,转舵速度与流量关系：对转舵机构尺寸既定的舵机来说，转舵速度主要取决于油泵的流量，而与舵杆上的扭矩负荷无关。船舶进出港和在窄航道航行时，用双泵并联，转舵速度几乎可提高一倍。,三点浮动杠
13、杆式追随机构工作原理： 简单型的三点浮动杠杆式追随机构，其中A点为操舵控制点（操纵点），B点为反馈点（追随点），C点为油泵变量控制点。如下图所示。 C点的位移取决于舵令信号大小，即油泵的供油量取决于舵令信号，所以操小舵角时，泵的供油量很小，使舵来的很慢，,而当操大舵角时，C点的位移需很大，而液压泵的变量机构的位移有限，以致造成操大舵角时不能连续进行。为此，常在简单型反馈杆上加付杠杆和在舵柄和反馈杆B点间设置可以双向压缩的储能弹簧。,付杠杆的作用：是使C点的位移得到放大，使操小舵角时，液压泵也有足够的供油量，加快转舵。如下图所示。,储能弹簧的作用： 解决了不能连续操大舵角的不足； 增加了泵在最大
14、流量下的工作时间，有利于加快转舵； 在防浪让舵时能起缓冲作用，以防反馈杠杆在让大舵角时受损。,对储能弹簧的要求：不管是受到拉力还是推力作用，弹簧均受压缩，储存能量。但受拉时，弹簧两端点间距离增长，而受推压时，两端点间距离变短。储能弹簧的刚度必须适当。 若弹簧太弱 可能使B点先于C点而移动，操舵也就无法进行； 若弹簧太强 使反馈杆实际上相当于一刚性杆，因而使储能弹簧不起作用。,防浪阀（安全阀）的作用： 当舵叶受到海浪或冰块等冲击以致使任何一侧管路的油压超过安全阀的整定压力时，则安全阀就会开启，使油泵的两侧管路旁通，于是，舵叶也就会偏离所在位置，同时带动浮动杆的B点，使C点离开中位，油泵因而排油。
15、当舵上的负荷消失后，安全阀关闭，舵叶在油泵的作用下，又会返回，并将B点带回原位。所以，舵机能够很好地适应冲击负荷，防止舵杆上的负荷过大、系统油压过高和使电机过载。,图 防浪阀（安全阀）的安装组成,另外一种泵控型闭式液压舵机,二、阀控型液压舵机 使用单向定量油泵，其吸排方向不变，油液进出转舵油缸的方向由驾驶台遥控的换向阀来控制，以达改变转舵方向的目的。,图 阀控型开式液压舵机,93 液压舵机的转舵机构 转舵机构作用：用来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。 转舵机构分类：（根据动作方式的不同分）,一、往复式转舵机构 往复式转舵机构常见的有：滑式、滚轮式、摆缸式等。 1.滑式转
16、舵机构（十字头式和拨叉式） 1）十字头式转舵机构 结构：主要由转舵油缸、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组成。,工作原理：见右图及后图,四缸转舵机构（也称四撞杆转舵机构）如下所示：,十字头式转舵机构的受力分析：如图8-7所示。 液压对舵柄产生作用力Q ： Q = P/cos=D2p/4 cos 产生的转舵力矩M： M = z Q Rm = z P / cosR0 / cos m M =D2 z p R0 m / 4 cos2,结论1：滑式转舵机构所能产生的转舵力矩M 随舵角的增大而增大，与舵的水动力矩的变化趋势相适应。,结论2：十字头式转舵机构的工作油压不会因的增大而急剧增加。 因为： p = 4 M cos2/ D2 z R0 m M cos2,结论3：撞杆有侧推力。需要转舵扭矩很大的场合应有可靠地平衡撞杆所受的侧推力装置（导板）。,
