船用舵机解析

FL=1／2· CLρAυ2 FD=1／2· CDρAυ2 x = Cxb
舵水作用力F对船舶运动的影响
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 那么水作用力F对船体的作用


可用水作用力对船舶重心所产生的力矩Ms和F2的作用来代替。 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： F2则又可分解为R和T两个分力 纵向分力R=F2sinα，增加了船舶前进的阻力 横向分力T=F2cos α ，使船向偏舵的相反方向漂移 船在转向的同时，还存在着横倾与纵倾力矩
8-1-3 对舵机的基本技术要求
(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


能在最深吃水并以最大营运航速前进时将舵自一舷35º 转至另一舷的35 º 自一舷的35 º 转至另一舷的30‘所需的时间不超过28s 在船以最大速度后退时应不致损坏 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 º 转至另一舷的15 º


8-1-2-2 综上可见
(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 (2)不平衡舵


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) 平衡舵因Xc=X—Z，小舵角时由于压力中心。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 水动力矩和转舵扭矩
舵压力FN对舵杆轴线所产生的力矩称为舵的水动力矩，用Mα表 示。 1 M a FN X C ( FL cona FD cona ) X c C N Av 2 X c
式中：CN，称为压力系数，其余符号同式(8—1)
2
转舵扭矩M

操舵装置施加在舵杆上的扭矩 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，即
油泵工作油压取决于推动撞杆所需的力(转舵扭矩)

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 舵机油泵的额定排出压力不得低于舵机的pmax pmax选得越高，转舵机构的主要尺寸就越小

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
资料表明

当pmax由10MPa提高到20MPa时
双向变量油泵设于舵机室，由电动机1驱动作单向回转 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 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
图示舵机采用往复式转舵机构


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 当油泵按图示吸排方向工作时
图8—5示出泵控型液压舵机的原理图。 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
(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 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230mm的船应设有能在45s内 向操舵装置提供的替代动力源

泵就会通过油管从右侧油缸吸油 排向左侧油缸 撞杆通过中央的滑动接头与舵柄7联接 舵柄7的一端又用键固定在舵杆10的上端 撞杆9的往复运动就可转变为舵叶的偏转

撞杆9在油压作用下向右运动 (油液可压缩性极小)


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
液压舵机工作原理和组成
8-2 液压舵机工作原理和组成
大型船舶几乎全部采用液压舵机 电动舵机仅用于一些小型船舶上 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 根据液压油流向变换方法的不同, 有两类：

泵控型 阀控型
泵控型液压舵机原理图（1）
Hale Waihona Puke 图8-58-2-1 泵控型液压舵机

8-1-3 对舵机的基本技术要求

是保持或改变船舶航向，保证安全的重要设备 一旦失灵，船会失去控制，甚至事故
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



基本精神要求舵机必须具有足够的转舵扭距和转舵速 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 基本技术要求如下；
二、舵的作用原理和转舵扭矩
正舵位置，即α=0时

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 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 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 除FN外，水流对舵叶还会产生与舵叶中线方向一致的摩擦力Fr 当舵叶偏转舵角α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。
舵叶偏转任一角度α ，两侧水流如图所示


舵水作用力及其对船的影响
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，
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 ρ——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

往复式舵机长度大约缩短5％一10％ 重量约可减轻20％ 并使工作油液的使用量减少1／2左右 往复式舵机的长度几乎不变 重量只减轻6％～9％ 而工作油液的使用量也仅减少16％～18％

当pmax从20MPa提高到30MPa时


进一步提高pmax ，对液压设备生产和管理要求更高
8-2-1 泵控型舵机 - 转舵速度

浮动杆的控制点A系由驾驶台通过遥控系统 控制

A
如把X孔的插销转插到Y孔之中，也可在舵机室 用手轮来控制


浮动杆上控泵点C与变量泵的控制杆4相连 反馈点B经反馈杆8与舵柄相连
浮动杆即处在用点划线ACB所表示的位置 C点恰使变量机构居于中位，油泵空转，舵 保持中位不动
C
当舵叶和驾驶台上的舵轮处于中位时

舵叶的偏转由操舵装置(通常称舵机)来控制 舵机经舵柄1将扭矩传递到舵杆3上 舵杆3由舵承支承，它带动舵叶7偏转 舵承固定在船体上，由承及密封填料组成 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
不平衡舵图8-1(a) 舵杆轴线紧靠舵叶前缘的舵 平衡舵图8—1(b) 舵杆轴线位于舵叶前缘后面一定位置的舵 半平衡舵图8—1(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
M= Ma + Mf

普通平衡舵 Mf=(0.15～0.20) Ma Mα可用经验公式或舵的模型试验资料计算 指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确定的 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
公称转舵扭矩

辅操舵装置应具有足够的强度


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


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 客船，当任一台动力设备不工作时 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

B
8-2-1 泵控型舵机 - 用舵
驾驶台给出某一舵角指令

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
应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、LPG船尚有如下 附加要求：


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 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 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
8-1-2-2 综上可见
平衡系数 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 X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 但X也不宜过大，否则在常用舵角 (10º -20º )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 一般舵的X在0.15—0.35之间 (3)船舶倒航时 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） 同一舵角下倒航时的水动力矩会超过 正却时的水动力矩 但实际上倒航时的最大航速将比正航 时要小得多，故倒航时的最大水动力 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
（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
第二节

λ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。
舵叶的λ值受到船舶吃水及船尾形状等条件限制


海船 (λ=2～2.5)， Mmax的舵角多介于30º ～35 º 之间，规定35 º 河船 (λ 1.0～2.0)， Mmax出现在35 º ～45 º 舵角之间
水作用力F与船舶的重心G并不在同一水平面上

8-1-2-2 转船力矩与最大舵角
转船力矩 (Ms)
M s FL (l X c con ) FD X c sin FL l 1 C l Av 2 l 2
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 Ms随舵角α的增大而增大，并在达到某一舵角时出现 极大值Mmax Ms出现极大值时的舵角数值，与舵叶的几何形状有关， 并主要取决于舵叶的展弦比λ (λ =舵叶高度A／舵叶平 均宽度b)
第八章
舵 机
第一节
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
舵用作为保持或改变航向 舵垂直安装在螺旋桨的后方


早期船舶采用平板舵 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

这种舵由于水平截面呈对称机翼形，故又称流线型舵
舵的型式很多，图8—1示出三种


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 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，对其它船舶为 10min。
8-1-3 对舵机的基本技术要求
(4)操舵装置应设有有效的舵角限位器

转舵速度:


主要取决于油泵的流量 而与舵杆上的扭矩负荷基本无关
因为舵机油泵都采用容积式泵 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


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
多采用浮动杆式追随机构