1、第十三章第十三章 船舶舵机装置的自动控船舶舵机装置的自动控制系统制系统 第一节 舵与舵机装置 第二节 操舵方式及基本工作原理 第三节 自动舵的基本类型及其基本要求 第四节 舵机自动控制系统事例 思考题与习题 第十三章第十三章 船舶舵机装置的自动控制系统船舶舵机装置的自动控制系统第一节舵与舵机装置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河小船外
2、，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。线型舵。舵的型式很多，图舵的型式很多，图13-1示出三种典型的海船用舵。舵叶的偏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将扭矩传递到将扭矩传递到舵杆舵杆3上，舵杆上，舵杆3由舵承支承，它穿过船体上的舵杆套筒由舵承支承，它穿过船体上的舵杆套筒4带动舵叶带动舵叶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偏转。舵承固定在船体上，由滑
3、动或滚动轴承及密封填料等到组成此处，舵叶成此处，舵叶7还可以通过舵销还可以通过舵销5支承在舵柱支承在舵柱8的舵托的舵托9舵钮舵钮6上。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）；舵杆轴线位于舵叶前缘后面一定位置的舵称为平衡舵图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）而仅于下半部做成平衡型式的舵称为半平衡舵图舵称为半平衡舵图13-1（c）。）。124573689123410791425369(a)不 平 衡 舵(b)平 衡
4、舵(c)半 平 衡 舵1、舵 柄；、上 舵 承；、舵 杆 、舵 杆 套 筒；、舵 销；、舵 钮、舵 叶；、舵 柱；、舵 托；、舵 承几 种 舵 的 示 意 图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；9-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角时，因舵叶面现水流流速不同，两面的压力不平衡，
5、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=F2a，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。转 向航 向水 流 方 向图 1 4-2 舵 叶 偏 转 时 作 用 于 船 舶 上 的 力F 2F 1Ff 2f 1图13-2 舵
6、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=9.8CR(V2/2)S式中：CR对舵叶模型试验测得的升力系数，与翼型及角有关：V船舶速度m/s水的密度kg/m3s舵叶有效作用面积m2舵角为时产生的转船力矩M，可近似用下式表示：M=KSV2sin2式中：K常数。在自动操舵时，舵角通常采取小舵角，因而sin22，则M公式可写成M=2KSV2sin2=CV2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（小舵角情况下）成正比。二
7、、舵机装置图二、舵机装置图13-3扇形齿轮传动机构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。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。图13-3扇形齿轮传动机构(一)、电动机械舵机装置图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
8、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。图13-4液压舵机传动机构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，而转舵机构则是左、右方向移动的液压油缸装置，如图13-4所示。与舵柄(二)、
9、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。三、对舵机拖动控制系统的技术要求三、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
10、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。（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
11、差的自动报警装置。第二节第二节操舵方式及基本工作原理操舵方式及基本工作原理图13-5 单动操舵原理图一、单动操舵的工作原理一、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JGKG、JGKG、JMKM供电。在有负载情况下，发电机串励绕组JGSKGS通过电流Ia产生的磁势总是与他励绕组JGKG（或JGK 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，JGKG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（n00）,经过减速比很高的蜗轮一扇形齿轮
12、传动机构，使舵叶右偏（0）。当右偏到符合要求的角度（由舵角指示器，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（n00,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
13、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U0aVb时，使BG3通过二极管D10在基极与发射极间加上正向电压并导通。而BG4的基极与发射极间加上反向电压，使之可靠截止。二极管D9、D10对截止管BG3或BG4起限幅保护作用。BG3导通后，使BG5的基极与发射极同电位而截止，c点电位升到电源正极电位，稳压管DW1导通，触发可控硅SCR1导通，继电器CJ1吸合，电磁阀T1通电，舵叶转动，给出左舵。同理，当有差值信号VaVb时，则BG4导通，引起BG6截止，于是SCR2导通，继电器CJ2吸合，电磁
14、阀T2通电，舵机动作，舵叶向反方向转舵，给出右舵。利用可控硅可以构成无触点开关，如图中所示。采用双向可控硅FLS1、FLS2等组成的开关插件，可以代替有触点的继电器CJ1、CJ2继电器插件，供使用者选择。思考题与习题13-1 对船舶舵机有什么基本要求？13-2 船舶舵机有几种操舵方式？13-3 各种操舵方式有什么特点？13-4 什么叫随动舵？试认述其工作原理。13-5 什么叫比例-微分舵？它是怎样迅速使S航迹的振幅衰减到零的？13-6 积分环节在自动操舵过程中的作用？13-7 自动舵有几种调节规律？各种调节规律分别起什么作用？13-8 自动操舵仪的组成原理？13-9 自动舵基本类型？各种调节规律的性能、特点？13-10 自适应舵的概念和类型？
