船舶舵机装置的自动控制系统介绍

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6 8 9 9 (a)不平衡舵 (b)平衡舵
(c)半平衡舵
７、舵叶；８、舵柱；９、舵托；１０、舵承 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 几种舵的示意图 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
求的角度（由舵角指示器观测）时，把手柄开关恢复零位，发电机 励磁电流：输出电压消失，舵叶就停在右舵某一角度上。在船舶逐 渐回到正航各的过程中，必须回舵。回航时将手柄开关板到左边， JG-KG通励磁电流（与前者反方向），电动机逆时针方向转动 （n0<0），偏舵角逐渐减小，舵叶逐渐按近艏艉线，当β=0时，手 柄开关也应恢复零位。此时，船舶也回到正航向（即ψ=0，由分罗 径观测）上。当船舶向右偏航要操左舵予以较正时，与上述操作相 反。 单动操舵的操作方法可以归纳为：手扳舵转，复零舵停；左 舵左扳，回舵右扳；右舵右扳，回舵左扳。
（八）、保护和报警装置：设有舵叶偏转限位开关，实现极限位置 自动停舵；电源失压报警装置；过载声光报警，但无过载保护装置； 采用自动操舵装置时，应设有航向超过允许偏差的自动报警装置。
第二节 操舵方式及基本工作原理
一、单动操舵的工作原理 单动操舵也就是通过转换开关SA运行的应急操舵，其示意图如图 13-5所示。船舶交流电源经整流后，向差复励直流发电机G、直流 电动M他励绕组JG—KG、J′G—K′G、JM—KM供电。在有负载情况下， 发电机串励绕组JGS—KGS通过电流Ia产生的磁势总是与他励绕组 JG—KG（或J‘G—K’ G）所 产生的磁势反方向。当船舶向 左偏航需要操右舵予以校正时， 将手柄开关扳到右位，J‘G— K’G通励磁电流，G输出电压 U0输出电流Ia为正，M顺时针 方向转动（n0>0）,经过减速 比很高的蜗轮一扇形齿轮传动 机构，使舵叶右偏β（β>0）。 当右偏到符合要 求的角度（由舵角指示器， 图13-5 单动操舵原理图
右偏，并自动停在右舵，舵操右舵XX0，舵叶右偏，并且自动停在 右舵XX0上。为了减小S形航迹的振幅，船舶在返回正航向过程中， 必须操回舵 ．
图13-8 随动操舵方框图
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图13-9为自动操舵的原理图。当船舶沿给定航向上航行，舵叶 在艏艉线上，如图示，滚轮1恰好与绝缘块4接触，两个继电器KA1、 KA2线圈都不通电，其常开触头都开启，直流发电机G磁场电流为 零，输出电压U0为零，直流电动机M停转。沿着正航向航行的船舶， 当受到风、水流等外界干扰而向右或左偏转离开正航向K某一角度γ 时，通过罗经的航向发送器，使航向接受器也转动同一角度 γ，于 是被航向接受器带动的滚轮1也就在两个导电半圆环2、3内侧滚动 某一角度，或与导电半圆环2接触，或与3接触，于是
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。
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）。
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 1、舵柄；２、上舵承；３、舵杆４、舵杆套筒；５、舵销；６、舵钮 柱；9-舵托；10-舵轴承
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 水流方向 舵角。
转向
β
F2
f1 f2 航向
F
F1 α
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：
图14-2 舵叶偏转时作用于船舶上的力
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。
于是继电器KA1或KA2线圈通电，电动机M正转或反转，视船舶偏离 正航向的方向而定。 三、自动操舵工作原理 图13-9为自动操舵的原理图。 当船舶沿给定航向上航行，舵 叶在艏艉线上，如图示，滚轮 1恰好与绝缘块4接触，两个继 电器KA1、KA2线圈都不通电， 其常开触头都开启，直流发电 机G磁场电流为零，输出电压 图13-9 自动操舵原理图 U0为零，直流电动机M停转。 沿着正航向航行的船舶， 当受到风、水流等外界干扰而向右或 左偏转离开正航向K某一角度γ时，通过罗经的航向发送器，使航向 接受器也转动同一角度γ，于是被航向接受器带动的滚轮1也就在两 个导电半圆环2、3内侧滚动某一角度，或与导电半圆环2接触，或 与3接触，于是继电器KA1或KA2线圈通电，电动机M正转或反转， 视船舶偏离正航向的方向而定。
图13-6 单动操舵方框图
单动操舵的方框图如图13-6所示。从方框图中可以看出，人在单动 操舵过程中的作用就是观察分罗径的航ψ和舵角指示器的偏航角β， 再根据上述操舵方法进行操作，所以单动操舵机构虽然简单，但操 纵过程却显得很麻烦，而且需要熟练的操舵经验，否则将使船舶沿 固定航向左右摆动的幅度太大。这种操舵方式仅适用于内河小型船 舶和作为海船的应急操舵方式。 二、随动操舵工作原理 图13-7所示为随动操舵的原理图。当操舵手轮和舵叶分别在零位和 艏艉线上时，由舵轮带动的发送电位器R1和由装在舵柱上的同步传 递机构中的接受机带动的反馈电位器R2的滑动点在等电位0和0，电 桥处于平衡状态，放大器输入信号U00为零，差复励发电机G的励磁 电流IfG为零，他励电动机M停止不转。当舵轮向右转过某一角度， 例如使发送电位器R1的滑动点从0点移至a点，电桥平衡被破坏，放 大器输入信号Ua0>0,发电机励磁电流IfG和输出电压U0为正，电动机 顺时针方向转动，操右舵。在舵叶右偏的过程中，通过舵角反馈同 步传递机构的接受机带动反馈电位器R2的滑动点从0′不断地向a′点 作追随运动，图13-7 随动操舵原理图 直至到达a′点，电桥又重新处于平衡状态，放大器输入信号
Aura′=0，电动机停止转动。舵叶处于右舵与舵轮转角相对应的某 一角度的位置上。 如果要求回舵，就得舵轮扳回零位，R1的滑动点从a点重新返 回到0点，电桥平衡又被破坏，但这时放大器的输入信号U0a′<0， 发电机励磁电流IfG和输出电压U0为负，电动机逆时针方向转动， 舵叶向着艏艉线方向偏转。当回到艏艉线上时，通过反馈机构，R2 的滑动点也从a′点返回到0′点电桥又重新恢复平衡，放大器输入信 号U00′=0，电动机停止转动。 改变舵轮的转动方向，便可以改变电动机旋转和舵叶偏转的方 向。随动操舵的方框图如图13-8所示。由方框图可知，就其工作原 理来说，随动操舵就是一个闭环的随动系统，是一个根据偏差进行 自动调节的系统。这种系统的停舵指令不是由操舵人员发出的，而 是在舵叶偏转过程中，由它本身通过反馈机构发出的。由于闭环系 统中采用了比较环节（由两个电位器组成的电桥）进行比较，因此 只有当舵角反馈信号（与偏舵角β成比例）与操舵信号（分操舵角γ 成比例）相等时，偏关信号U1=0，舵叶才会停止偏转。舵轮从角回 互零位，舵叶也从β角回到艏艉线上。图13-8 随动操舵方框图 随动操舵的方法是，船舶在偏航右舵，舵轮操右舵XX0，舵叶右
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。