船舶液压舵机

交流伺服电机式舵机遥控系统
1
17
a
o
2
16
同右
14
15
3
a
＇
o
＇
13 12 4
11
7
5 8 9 接浮动杆控制点A 6
10
图8-14 直流伺服电机式遥控系统原理图 1-舵轮；2-操舵电位计；3-反馈电位计；4-齿轮齿条； 5-锥齿轮副；6-丝杆；7-导杆；8-滑块螺母；9-蜗轮；10行星齿轮；11-蜗杆；12-直流伺服电动机；13-直流电动机激磁绕组；14-交流电动机；15-直流发电机；16-直流发 电机激磁绕组；17-放大器
二、回转式转舵机构
1-舵杆 2-缸体 3-转毂 4-转叶 5-定叶 6-油管
1. 结构与动作原理
2、 转舵扭矩：M=zpAR0ηm
式中：z——转叶数目； p——转叶两侧油压差，Pa； A——每个转叶的单侧面积，m2； R0—— 转叶压力中心至舵杆轴线的距离， m ； ηm——机械效率，一般0、75~0、85
4. 转舵扭矩M：

舵机施加于舵杆上的扭矩。舵匀速转动时， M=Ma＋Mf

Mf—— 舵各支承处的总摩擦扭矩，平衡舵一般 Mf=（ 0.15~0.20）Ma

舵机的公称转舵扭矩：在最大舵角输出的最大扭 矩
综述：
1 ） 转船力矩 Ms 比水动力矩Ma 大得多，它们 都与A及v2成正比 2） 正航偏舵时Ma和Ms随舵角α变化的规律
§8-3 液压舵机的转舵机构
作用：将油泵供给的液压能转变为转动 舵杆的机械能，以推动舵叶偏转 分类：按动作方式不同：
1. 往复式：滑式、滚轮式、摆缸式 2. 回转式：转叶式

1-油缸； 2-底座； 3-撞杆； 4-舵杆； 5-机械式舵角指示器； 6-十字头轴承； 7-十字头耳轴； 8-舵柄； 9-滑块； 10-导板； 11-撞杆行程限制器； 12-放气阀
3.各阀的作用：
①油路锁闭阀2：换 向阀回中时锁闭油 路；锁闭备用油路 ②溢流节流阀4：调 节流量，使伺服活 塞获得合适的移动 速度 ③安全阀5：防止系 统油压过高
④液控旁通阀8：油 泵工作时截止，以 保证系统工作正常 （ 控 制 油 压 ≮ 0 . 4~0 . 8MPa）； 油泵不工作时旁通， 不防碍其它操纵机 构的工作 ⑤单向阀6：启阀压 力0. 6~0 . 8MPa，保 证泵工作时阀8在截 止位置
§8-2 液压舵机工作原理和基本组成
组成：转舵机构、液压系统、操作系统 分类：1、电动舵机：小型船舶 2、液压舵机：多采用
①泵控型液压舵机 ②阀控型液压舵机
一、泵控型液压 舵机
1 、双向变量泵 2 ：由控制杆 4 控制其流量大小 及吸排方向，以改变撞杆和舵叶的运动方向


油泵的工作油压主要取决于推动撞杆所需的力即转 舵扭矩。 油泵额定排出压力≮舵机的最大工作压力。舵机最 大工作压力越高，装置的尺寸和重量会变小，但受 限。目前液压舵机的最大工作压力≯20MPa 转舵速度取决于油泵的流量。进出港及窄水道航行 时双泵并联，转舵速度几乎提高一倍
舵机 Steering Gear
§8-1 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 类型：
1. 平板舵：早期 2. 复板舵（流线型舵）：目前多用

1） 不平衡舵：舵杆轴线紧靠舵叶前缘 2） 平衡舵：舵杆轴线位于舵叶前缘后一定位置 3） 半平衡舵：仅下半部做成平衡型式

二、舵的作用原理和转舵扭矩

机械式、液压式、电气式（应用最普遍）
一、伺服油缸式 舵机遥控系统
1.组成：电气遥控：将驾驶台发出的操舵信号 传递到舵机室 液压伺服：将信号转换成伺服油缸活塞杆的位 移，再通过浮动杆式追随机构控制主油泵的变 量机构，以实现远距离操舵 2.动作原理： 限位开关：限制伺服活塞的最大移动位置，以 限制最大操舵角

α↑→Ms↑，并在某一舵角出现最大值，海船300~350， 河船350~450。
3 ） 现代船舶多用平衡舵。 Xc↓→Ma↓，但 Ms 几乎不受影响 4）倒航时Xc↑→Ma↑，但倒航航速≯正航最大 航速的1/2 。平衡舵倒航时最大 Ma 一般为正航 最大值的60%
三、对舵机的基本技术要求
1.每艘船舶均应设置一套主操舵装置和一套辅操舵装置。 2. 舵自任一舷35°转至另一舷的35°，并且于相同条件下自一舷35°转至另 一舷30°所需时间不超过28s； 3.辅操舵装置能在最大营运前进航速的一半但不小于7 kn时进行操舵，从一舷 15°转至另一舷15°，所需时间不超过60s； 4.主、辅操舵装置动力设备的布置应能在动力源发生故障失效后又恢复输送时 ，能自动再起动 5. 主操舵装置当其管系或一台动力设备发生单项故障时，此缺陷能被隔离， 使操舵能力能够保持或迅速恢复， 6.操舵装置应设有有效的舵角限位器。舵装置应有保持舵位不动的制动装置。 7. 安全阀开启压力应凋整为不小于1.25倍最大工作压力；安全阀能够排出的量 ，应不小于所有液压泵总流量的110％。压力升高应不超过开启压力的10％。 8.对于舵柄处舵杆直径大于230 mm的所有船舶，应设有能在45s内向操舵装置 自动提供的替代动力源，1万Gt及以上船舶连续工作30 min，其他船舶10 min。
A A1
舵从处于零舵角到转到一定舵角的过程
A-----操纵指令控制点Control point （驾驶台遥控或在舵机室手轮控制） B-----反馈点Hunting point（与舵柄 相连) C-----控泵点Pump control point （与变量泵的控制杆相连）
ACB表示浮动杆的三点均处于中位， 舵角处于零位；油泵变量机构回中， 不排油；舵也处于零舵角。 A1C1B表示控制点拉到一定舵角， 舵还未转动，但泵的控制杆已偏离 中点，泵已开始排油。 A1CB1表示舵已转到并稳定在所要 求的角度；泵的控制杆回中，泵停 止供油。

3. 特点：
①占地面积小，重量轻，安装方便 ②无须外部润滑，管理方便，且转舵时 舵杆不受侧推力，可减轻舵承磨损 ③扭矩特性不如滑式，但比滚轮式和摆 缸式好 ④内漏部位较多，密封不易解决，容积 效率低
§8-4 液压舵机的遥控系统
随动操舵系统 自动操舵系统 非随动操舵系统 分类：按传递信号的不同：
二、阀控型液压舵机
使用单向定量泵，油液进出转舵油缸的方向由驾驶 台遥控的换向阀控制，以改变转舵方向 换向阀处于中位时，油泵排油经换向阀旁通返回油 泵进口（闭式系统）或油箱（开式系统），转舵油 缸的油路锁闭而稳舵 与泵控型液压舵机相比，阀控型舵机的特点：




油泵和系统较简单，造价相对较低 用换向阀换向，液压冲击较大 停止转舵时主泵仍以最大流量排油，油液发热较多，经 济性较差 适用的功率范围比泵控型小
第七节 液压舵机的管理
一、舵机系统的清洗和充油
（1）开启系统中各放气阀（或松开压力表接头）、 旁通阀及其他各截止阀。 （2）经滤器将工作油加入补油箱（闭式系统）或 循环油箱（开式系统），使达到最高油位。
（3）关闭转舵油缸的旁通阀，在机旁操纵主泵， 间断地轮流向左、右两侧转舵（变量泵应尽量 采用小流量），并反复开启压力侧的放气阀， 尽可能放尽系统中残留的空气，直至舵机转动 平稳且不存在异常噪声为止。
2）拨叉式转舵机构：
使用整根撞杆，撞杆中部有圆柱销，销外套有 方形（或圆形）滑块。撞杆移动时，滑块一面 绕圆柱销转动，一面在舵柄的叉形端部滑动 （或滚动） 与十字头式相比，拨叉式的特点： 结构简单（无需导板），加工和拆装方便 公称扭矩较小时可用拨叉式，较大时仍以采用 十字头式为宜
2. 滚轮式转舵机构
（4）新装的舵机应在充油以后1.25倍的设计压力 对转舵油缸和主油路系统进行液压密封性试验。
滚轮代替滑式机构中的十字头或拨叉 Q=Pcosα=π/4 D2pcosα 转 舵 扭 矩 M=zQR0ηm=π/4 D2p zR0ηm cosα
特点：
①工作时无侧推力，结构简单，加工容易，拆 装方便 ②每个油缸均与其撞杆自成一组，可采用单列 式、双列式或上下重叠式等 ③滚轮与撞杆间的磨损可自动补偿 ④扭矩特性差，要达到同样的转舵扭矩，须采 用比滑式更大的结构尺寸或工作油压 ⑤在负扭矩下转动时滚轮可能与某侧撞杆脱开 而导致敲击。故有的机构在滚轮与撞杆间设有 板簧拉紧机构
一、往复式转舵机构
1. 滑式转舵机构：十字头式、拨叉式 1）十字头式转舵机构 基本组成：


转舵油缸 插入油缸中的撞杆 十字形滑动接头：将撞杆的往复运动转变为舵的摆 动 撞杆行程限制器（挡块）11：限制撞杆的极限行程
受力分析：
与 舵 杆 方 向 始 终 垂 直 的 力 Q=P/cosα=πD2p/4cosα N
式中：CL——升力系数 ρ——水的密度，kg/m3； A——舵叶单侧浸水面积，㎡； V——舵叶处水流速度，m/s； L——舵杆轴线至船舶重心的距离。

3. 水动力矩Ma：
舵压力FN对舵杆轴线产生的力矩 Ma=FN Xc=1/2 CNρA v2Xc Nm


式中：Xc——舵压力中心至舵杆轴线距离，m； CN——舵叶压力系数。
2、泵控型液压舵机多采用浮动杆式追随机构
控制点A（发指令）：由驾驶台通过遥控系统控制 或在舵机室由手轮控制 控泵点C：与变量泵控制杆相连，以改变泵的流量 和方向 反馈点 B：经反馈杆 8 与舵柄相连，反映实际舵角 大小和方向 动作过程：
浮动杆式(三点式)追随机构
The Floating Lever
1、几个名词：
迎水面、背水面、导边、随边 舵叶展舷比λ=舵叶高度h / 舵叶平均宽度 b。海船＞河船 平衡系数K=舵杆中心线前的舵叶面积A` / 整个舵叶面积A。一般K=0.15~0.35
2. 转船力矩Ms：
舵的水作用力F对船舶重心G形成的转矩 Ms=FL（L＋Xccosα）＋ FDXcsinα≈FLL=1/2 CLρA v2L Nm