船舶舵机装置的自动控制系统介绍

衡，在舵面上产生与其垂直的压力F。将F分解为相互垂直的两个 分力F1和F2。其纵向分力F1对船舶航行起制动作用，使船速减低， 而横向分力F2会产生一个使船舶转向的转船力矩M。假设在船舶的 重心“0”处加上一对大小相等而方向相反的力，即f1=f2=F2，并与 F2平等。则F2与f1组成一个转船力矩M=F2×a，a为F2与f1之间的 距离。而f2则引起船舶的横向漂移。 转船力矩在一定的舵角上出现最大值，这个舵角称为最大舵 角。在船舶上通常予以限定的角度（例如350）作为舵机的最大转 舵角。
对于一定型式的舵，转舵力 矩在最大舵角时达最大值， 而此值在船舶倒车时更大些。 随着航速和吨位的增加，转 舵力矩也将增大。若采用电 动舵机时，传动装置将出现 体大笨重，因此现代大型远 洋和近海船上电动液压舵机 获得广泛地应用。 (一)、电动—机械舵机装置 图13-3扇形齿轮传动机构 图13-3为扇形齿轮传动的电动舵机，它由电动机1通过连轴节2带 动蜗杆3和蜗轮4转动，并通过主动齿轮5带动扇形齿轮6，再经过缓 冲弹簧7转动舵柄8（在扇形齿轮的下部），从而使舵柱9和舵叶偏 转。缓冲弹簧的作用是减轻船舶在航行中波浪对舵叶的冲击力，防 止传动装置受到损伤。 不论是扇形齿轮传动机构还是蜗杆传动机构，它们共同的特点都 是通过机械传动机构，以很高的减速比把电动机的高速转动直接传 送
三、对舵机拖动控制系统的技术要求 （一）、从主配电板到舵机舱应采用双线供电制，并尽可能远离 分开敷设（如左、右舷两路）。在正常情况下应急配电板供电时， 其中一路可以经应急配电板供电。驾驶室与舵机舱的操舵装置应使 用同一电源。 （二）、舵机电动机应满足舵机的技术性要求，并能保证堵转 1min的要求。 （三）、拖动电动机组应采用双机系统，各机组可单独运行（一 机组为备用），也可同时运行。一机组故障碍时，另一机组应能自 动投入运行。 （四）、至少设有驾驶室和舵机舱两个控制站，并设有转换装置， 防止两地同时操纵。 （五）、现代船舶驾驶室多装有操舵仪，一般设有自动、随动、 应急三种操舵方式，也可只设两种。 （六）、船舶处于最深航海吃水并以最大营运航速前进时，不仅 能满足舵自一舷350转至另一舷350的最大舵角要求，还应满足自任 一舷350转至另一舷300的时间不超过28s的转舵速度要求。 （七）、舵角指示器指示舵角的误差应不大于±10。
水流方向 转向
β
F2
f1 f2 航向
F
F1 α
图 14-2 舵 叶 偏 转 时 作 用 于 船 舶 上 的 力
图13-2 舵叶偏转时作用于船舶上的力
现代船舶广泛采用流线型舵叶。这种舵叶在转舵时所受到的 水流压力F与舵叶面积，船舶速度和舵偏转的角度之间的关系，符 合机翼升力理论，可用下式表示：
F=9.8CRρ(V2/2)S 式中：CR—对舵叶模型试验测得的升力系数，与翼型及β角有关： V—船舶速度m/s ρ—水的密度kg/m3 s—舵叶有效作用面积m2 舵角为β时产生的转船力矩M，可近似用下式表示： M=KSV2sin2β 式中：K—常数。 在自动操舵时，舵角β通常采取小舵角，因而sin2β≈2β，则M公式 可写成 M=2KSV2sin2β=CV2β 式中 C=2KS 可见转船力矩M近似地与航速的平方成正比；航速越高舵效越好。 当航速一定时，M与舵角β（小舵角情况下）成正比。 二、舵机装置图13-3扇形齿轮传动机构 舵机按拖动方式，目前主要分为电动机械传动舵机和电动液压传 动舵机两类。舵机的转舵力矩不仅取决于舵叶上的水流压力F，而 且与舵的结构型式有关，采用平衡舵可减少舵机的负载。
1-舵柄；2-上舵轴承；3-下舵轴承；4-舵杆套筒；5-舵销；6-舵钮；7-舵叶；8-舵 柱பைடு நூலகம்9-舵托；10-舵轴承
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。 一、舵的作用原理 如图13-2所示，舵叶处于船舶首尾线上时，水流方向与舵面一致， 不产生转船力矩，船舶保持直线航行。当舵叶离开首尾线，向某一 航侧偏转一个β角时，因舵叶面现水流流速不同，两面的压力不平
1 2 4 5 7 3
1 2 3 4 1 0 7
1 4 5
2 3 6 9
6 8 9 9 ( a ) 不 平 衡 舵 ( b ) 平 衡 舵
( c ) 半 平 衡 舵
1 、 舵 柄 ； ２ 、 上 舵 承 ； ３ 、 舵 杆 ４ 、 舵 杆 套 筒 ； ５ 、 舵 销 ； ６ 、 舵 钮 ７ 、 舵 叶 ； ８ 、 舵 柱 ； ９ 、 舵 托 ； １ ０ 、 舵 承 几 种 舵 的 示 意 图
到舵柱的低速偏转。这类舵机的电力拖动系统常采用直流G-M控制 系统。 电动—液压舵机装置基本上与 电动—液压起货机传动装置相 类似，有双向变量油泵，由恒 速电动机拖动，提供可逆流向 的高压油。两者不同之处在于 拖动起货机卷筒的是可连续旋 转的油马达，而转舵机构则是 图13-4液压舵机传动机构 左、右方向移动的液压油缸装 置，如图13-4所示。与舵柄 (二)、电动—液压舵机装置 铰链的撞杆两端置入左右高压油缸内，两油缸与油泵连接，当油缸 注入高压油而油缸排出低压油时，推动撞杆（类似于活塞）向低压 端移动，从而带动舵柄、舵柱和舵叶偏转。高压油泵的排量和流向 则由操舵系统控制。
第十三章
船舶舵机装置的自动控 制系统
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第一节 第二节 第三节 第四节
舵与舵机装置 操舵方式及基本工作原理 自动舵的基本类型及其基本要求 舵机自动控制系统事例
思考题与习题
第十三章
船舶舵机装置的自动控制系统
第一节 舵与舵机装置
目前，绝大多数船舶都以舵作为保持或改变航向的设备。舵 垂直安装在螺旋桨的后方。早期船舶都采用平板舵。目前除一些内 河小船外，为了提高舵效和推进效率，大都采用钢板焊接而成的空 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13-1示出三种典型的海船用舵。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，它穿过船体上的舵杆套筒4带动舵叶 7偏转。舵承固定在船体上，由滑动或滚动轴承及密封填料等到组 成此处，舵叶7还可以通过舵销5支承在舵柱8的舵托9舵钮6上。 舵杆轴线一般就是舵叶的转动轴线。舵杆轴线紧靠舵叶前缘 的舵，称为不平衡舵图13-1（a）；舵杆轴线位于舵叶前缘后面一 定位置的舵称为平衡舵图13-1（b）而仅于下半部做成平衡型式的 舵称为半平衡舵图13-1（c）。