简析舵系统设计

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 简析舵系统设计 摘 要文章主要阐述了舵系统设 计中重要参数的选取及其影响，并结合 实际工作对系统设计中出现的问题做以 分析和解决。 中国论文网 /1/view-12797690.htm 关键词 舵效；合理化设计；参 数选择；常见问题分析 中图分类号：U664.36 文献标识 码：A 文章编号：1009-914X（2015） 30-0108-02 1 概述 操纵性作为船舶的重要性能之一， 包含两个相互关联的性能，即航行的稳 定性和回转性。船舶操纵性的好坏关系 到航运安全及船的安全性和快速性。良 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 好的操纵性必须依靠操纵设备来保证。 舵是实现船舶操纵性的重要设备， 其设计的合理化对于提高船舶操纵性、 改善推进效率起着重要的作用。舵系统 设计需要根据不同的船型和实际的使用 要求配备一个或者多个面积适当并和尾 部线型及螺旋桨配合、满足相关船级社 要求的舵，从而满足船舶操纵性需求。 本文从舵效入手，主要分析设计 初期舵系统相关参数的选取及其影响， 同时结合实际工作对于设计本身常出现 的问题做以分析、解决。 2 舵效 由于船舶类型不同，对于舵性能 要求也各异。对于远洋船舶来说，航行 时间较长，很少变更航向，所以对于保 持航向稳定性要求较高、对操纵灵活性 要求不高；而对于川江航行的船舶，需 要频繁改变航向，停靠次数较多，操纵 灵活性是主要的，航向稳定性是次要的。 因此，良好的舵效对于保证船舶 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 操纵性起着至关重要的作用。 影响舵效的主要因素如下： 1）舵角：舵角的大小直接影响 转船力矩的大小，在极限舵角内，舵角 越大舵压力越大，因而舵效越好。舵角 处于 25-30之间时，舵效最好，此时 舵的升力与水阻力达到最佳的配合（图 1） 。 2）舵面积比：舵面积比越大， 舵效越好。 3）展弦比：展弦比大临界攻角 小，舵效好。 4）航速：航速越快，舵效越好。 但降低航速，加大转速同样可以提高舵 效。 5）舵机性能：操舵所需时间越 短，舵效越好。常规电动液压舵机性能 较好。 6）排水量：排水量越大，舵效 越差。 7）纵倾和横倾：首倾稳定性差， 舵效不好；适当尾倾可以提高舵效。横 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 倾时，向横倾侧转向舵效较差。 3 舵系统合理化设计 除去外在因素的影响，舵自身的 合理化设计有助于提高舵效，保证良好 的船舶操纵性要求，提高推进效率。 3.1 舵的位置 为了使舵上的流体动力对船舶产 生一个尽可能大的转船力矩，舵应布置 在远离船舶重心处，以增加力臂值，改 善回转性。因此，大多数船舶的舵布置 在船尾部。常规设置在船尾螺旋桨尾流 速度较大处，舵可以通过利用螺旋桨尾 流来提高舵效，同时螺旋桨的尾流也可 以通过舵的整流作用，进一步改善推进 效率；装在螺旋桨前面的舵，称倒车舵， 带有倒车舵的工程船，一般将倒车舵布 置在导管前方，倒车舵间距一般为螺旋 桨直径的 0.7 倍。装在船首部的舵，称 首舵，用以改善船舶倒航时的操纵性。 3.2 舵型的选择 平衡舵舵压力中心至舵杆轴线的 距离较小，所需转舵力矩也小，从而可 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 减少转舵所需的舵机功率。它的缺点是 舵在工作时容易摆动，对航向稳定性不 利。不平衡和半平衡舵舵压力中心至舵 杆轴线的距离较大，所需转舵力距也大。 不平衡舵和半平衡舵有利于保持航向的 稳定性，但需要较大的舵机功率。一般 较常见的悬挂平衡舵适用于沿海航行的 中小型船舶，特别是双螺旋桨的作业性 工程船舶；半平衡舵用于高速的集装箱 船、油船及货船等。 3.3 舵的数量 舵的数量与船舶操纵性、尾部线 性和螺旋桨数量有关。增加舵的数量可 以提高船舶操纵性，但同时也会增加成 本。因此，常规设计多采用单桨单舵。 3.4 舵的外形设计 常规舵叶底板不应低于船体基线， 也不应高于螺旋桨盘面的最低点。顶板 应尽量靠近船体外板以减少舵杆弯矩。 航速较低的海船一般不设置假舵，而航 速和船舶操纵性要求较高的船舶通常设 置假舵。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 3.5 舵的参数 （1）舵面积：通常根据尾部线 性、主尺度、航速、航行水域、所选用 舵的形式等来选择。一般来说，海船比 内河船舵面积小；运输船比推轮、拖轮 舵面积小；机动船比非机动船舵面积小。 A）按照不同类型船经验系数确 定舵叶面积范围：1 以公司主要设计船型为例（表 2）： 沿海、内河航行、工程类船舶由 于其航道的复杂性和操纵性的要求，需 要较大的舵面积或者采用舵效较好的舵， 例如襟翼舵等。 （2）展弦比：展弦比是决定舵 流体动力特性的主要因素，其决定升力 系数曲线的斜率与临界攻角的大小。 展弦比大的舵在攻角相同的情况 下，具有更大的升力系数。因为端部的 流动减小了叶背和叶面的压力差。 根据普兰特公式，在相同剖面， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 不同展弦比的情况下：2 和对应展弦比和下，相同升力系 数下的不同攻角。如果，即要获得同样 的升力系数，展弦比小的舵需要较大的 攻角。 在选择合理的舵面积后，可以考 虑适当增大舵的展弦比，以提高舵的操 纵性能。但展弦比不是越大越好，展弦 比增大，来舵较快，但是临界攻角减小， 使得大舵角时舵的升力受到影响。 因此，选择合理的展弦比对于调 整舵叶整体受力情况、合理控制相关参 数、延长系统寿命有着积极的作用。在 兼顾升力系数和失速角的情况下，可以 参照表 3，4 选取： （3）平衡系数： 平衡舵和半平衡舵在正车或者倒 车操舵时，舵的水压力中心和舵杆轴线 之间的距离较小，转舵力矩较小。平衡 比大小与舵杆扭矩的大小有密切的关系。 选择平衡系数应该使舵杆在整个舵角变 化范围内，扭矩变化不大。显然大的平 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 衡系数可以使舵机功率减小，但平衡系 数过大会使舵在最大舵角时处于过平衡 状态，转动加快，对于液压舵机会造成 真空现象，手动舵机会导致舵轮失控。 因此，规范对于舵力臂有具体要求。对 于无缺口舵叶正车时力臂 R 的值不应小 于 0.1c（c 为舵叶平均宽度） ；有缺口舵 叶，正车时力臂 R 的取值不应小于。 常规平衡系数通常选择 0.20.3 之间， 尽量选择正车和倒车时舵杆扭矩变化较 小的平衡比。根据藤井齐单舵自航船模 正航试验结果，单舵的平衡比可以参照 下表进行选取。3 出于舵的整体布置和拆桨的需要， 目前设计船舶平衡系数都较常规偏小。 4 设计中需要注意的问题 （1）舵机的选择对于舵系统的 影响：常用的电液式舵机一般分为两种 形式，往复式和转叶式。 （a）往复式舵机：对于选用单 拨叉往复式舵机的系统，附加弯矩会从 舵机传递到舵杆，因此在计算传递扭矩 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 的舵杆处直径，即舵柄处舵杆直径时要 将附加弯矩添加到计算中。 舵柄处直径： 附加弯矩计算： T：舵机的实际扭矩； b：舵柄处的旋转半径； h：舵柄中心到上舵承衬套中心 之间的距离； 计入附加弯矩后舵柄处的直径： （b）转叶式舵机：选用转叶式 舵机不需要设置上舵承，舵机部分自带 密封系统。若结构吃水大于舵机平台的 高度，需要设置两道密封系统。 （2）舵杆密封系统的选取：对 于海船常在舵杆轴套和衬套间设置不小 于 1.5mm 的间隙，采用水润滑系统； 对于内河船舶，鉴于水中杂质含量较高， 建议采用油润滑系统。 （3）板厚计算中板格选取：在 板厚计算中 s，b 板格的短边长度和长 边长度，应该选取舵叶板中所有板格中 最大板格的短边和长边，即受力最薄弱 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 的部分进行计算。 （4）舵销衬套投影面积：由于 舵销部分限制条件较多，不能一味的通 过增加衬套长度或者轴套直径来增加衬 套的投影面积，因此最直接的解决方法 是提高舵销衬套材料的表面压力值。 （5）止动条剪切面积核对： 对 于止动条剪切面积的核算是选择止动条 大小的依据，需要在计算书中显示。实 际选择止动条的横截面积和焊缝面积都 要不小于计算所得的剪切面积也可以采 用高强度钢来减小剪切面积。 5 结论 作为确保船舶操纵性的重要设备， 舵装置与船舶航行安全紧密相连。对于 单舵尤为突出，单舵一旦损坏将可能引 起意外，因此船舶的安全性直接受