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第五章 舵设备第一节 舵设备的作用与组成一、舵设备的作用与舵角1、作用舵设备是操纵船舶的主要设备，其作用是使在航船舶保持所需航向、改变原来航向或进行旋 回运动。2.舵角1)影响舵力大小的因素：舵力的大小与舵角、舵叶浸水面积、舵相对水流的前进速度和舵的断面形状等因素有关。2)最大有效舵角：舵的进速增大，舵力也就明显增大；当舵速一定时，转船力矩则随舵角而变，当海船舵角达35时(满舵) ，转船力矩也达最大值。若继续增大舵角，转船力矩反而开始下降。舵角处于2532之间时，舵效最好。一般船舶的最大有效舵角在3235之间，把35舵角称为使用极限舵角，超大型船舶的使用极限舵角一般在3540之间。3)几何舵角：船舶的几何极限舵角一般在3538之间。二、舵设备的组成舵设备主要由舵、操舵装置(舵机及其转舵装置)、操舵装置控制系统及其它附属装置等组成：1.舵：2.舵机及其转舵装置：舵机和转舵装置统称为操舵装置。3.操舵装置控制系统：第二节 舵的种类舵是舵设备中承受水动力以产生转船力矩的构件，一般安装在船尾螺旋桨后面。一、按舵叶的剖面形状分1、平板舵：也称单板舵，仅用于小船。特点：阻力较大，舵效随着舵角的增大而变差，失速现象发生早。2、流线型舵(又称复板舵)：海船广泛采用。特点：舵叶剖面呈流线型，强度高；因内部空心和水密，从而产生一定浮力，减少了舵承上的压力；水动力性能好，舵的升力系数大，阻力小，舵效高(舵力大)；舵的构造比较复杂。二、按舵杆轴线位置分1、不平衡舵：又称普通舵，适用于小船。特点：舵叶全部位于舵杆轴线之后，舵钮支点较多，舵杆强度容易得到保证。需要较大的转舵力矩。2、平衡舵：海船广泛应用。特点：舵杆轴线位于舵叶的前后缘之间；舵杆轴线之前的舵叶起平衡作用，这部分的面积与舵叶全部面积之比称为平衡比度或平衡系数，一般在0.20.3之间。所需的转舵力矩小，进而可相应减小舵机功率。3、半平衡舵：一般用于尾柱形状比较复杂的船舶。特点：舵的下半部为平衡舵，上半部为不平衡舵，平衡比度介于平衡舵和不平衡舵之间，即0.2以下。三、按舵的支承方式分1、支承舵：分多支承舵和双支承舵两种。多支承舵：与船体尾柱连接有三个及以上支承点的舵。其支承点可分为舵承、舵钮和舵托等。舵的重量由船体内的支承和舵托来支承。双支承舵：指除上支承外，在舵根处还设有一个下支承的舵。2、悬挂舵：只有上支承而无下支承，其舵叶全部悬挂在船体外的舵杆上。广泛应用。3、半悬挂舵：指下支承的位置设在舵叶中间的舵。四、特种舵1、一般(总)特点：增加舵效；提高推进效率；减小旋回圈直径；改善大型船舶在低速时操纵性能。2、种类：特种舵有：反应舵、主动舵、整流帽舵、襟叶舵、导流管舵、组合舵、首舵和首推进器等。1)反应舵(又称迎流舵)结构特点：舵叶前缘以螺旋桨轴线为界分别向相反方向扭曲一定角度，使其迎着螺旋桨排出的旋状水流。作用：使尾流中的轴向诱导速度增大，减少了阻力，增加了推力。2)主动舵结构特点：作用：在转舵的同时螺旋桨随之转动并发出推力，从而增加了转船力矩。即使在低速甚至主机停车的情况下，这种舵也能获得转船力矩，大大提高了船舶的操纵性。 3)整流帽舵结构特点：在流线型舵正对螺旋桨轴线部位，装设一个圆锥形的流线型体，俗称整流帽。作用：改善螺旋桨排出流的乱流状态，从而提高螺旋桨的推力，改善船尾的振动情况。4)襟翼舵结构特点：作用：所产生的流体动力更大，提高了转船力矩和舵效。广泛采用。优缺点：所需的转舵力矩较小，可相应减小舵机功率。但结构较复杂。5)科特导流管舵结构特点：在螺旋桨外围套装导流管并在其后端处装一舵叶。有两种形式，一种是导流管固定焊接在船尾骨架上，舵叶可以转动；另一种导流管与舵叶可在允许角度内一起转动。作用：增加推进效率，保护螺旋桨，防止绳索缠入。6)组合舵(又称希林舵或工字型舵)结构特点：在流线型舵叶的上下两端各安装一块制流板。舵的剖面设计成象鱼的形状，肥大部分占20%弦长。为能控制更多的尾流，舵杆中心线通常在距导边40%弦长的位置处。舵角可在75范围内使用。作用：减少舵叶上下两端的绕流损失，提高舵压力，进一步改善舵的流体性能。特点：具有低速时操纵性好，浅水中舵效无显著下降的优点。7)侧推器(首、尾)；舵和螺旋桨功能合二为一的螺旋桨舵及可转动双螺旋桨舵等。第三节 操舵装置一、操舵装置分类1.按动力源分类：分电动操舵装置和液压操舵装置；2.按公约和规范分类：分主操舵装置和辅助操舵装置。主操舵装置：系指在正常情况下为驾驶船舶而使舵产生动作所必需的机械、转舵机构、舵机装置动力设备(如设有)以及附属设备和向舵杆施加转矩的设施(如舵柄或舵扇)。主操舵装置应在驾驶室和舵机室都设有控制器。辅助操舵装置：系指在主操舵装置失效时，为驾驶船舶所必需的设备。这些设备不应属于主操舵装置的任何部分，但可共用其中的舵柄、舵扇或作同样用途的部件。 二、电动操舵装置1.组成：舵扇松套、舵柄键套在舵杆上。2.基本原理：3.主要组成部分的作用：1)蜗杆蜗轮：减速比大，转矩大；其机械传动中的自锁作用，可防止舵叶在受外界冲击作用下发生逆转现象，从而起到保护电动机的作用。2)缓冲弹簧：刚性大，正常情况下可顺利地传递转舵力矩。当舵叶受到外界巨大冲击力作用时，能吸收冲击能量，起保护舵机的作用。 4.特点与应用：结构简单、操作方便、传动可靠、维修方便，噪声大、占用面积大。较广泛地应用于中小型船。三、液压操舵装置1.一般原理：液压操舵装置主要是指液压舵机，液压舵机也称电动液压舵机或电液舵机。2.特点与应用：噪声小、体积小、重量轻、转矩大、传动平稳，能实现无级调速，易于遥控和 容易管理，操作方便，在操舵次数频繁时仍有较高可靠性等优点。广泛采用。 3.种类：有柱塞式和转叶式两大类。 1)柱塞式液压舵机 柱塞式液压舵机也称往复式液压舵机，有二缸柱塞式和四缸柱塞式。一般由动力源、转舵机构和操纵追随机构三大部分组成。动力源：转舵机构：将柱塞的直线运动转变成舵柄绕舵杆作旋转运动的装置有：滑式(十字头)、滚轮式及摇摆式三种，大型船均使用滑式。操纵追随机构：由减速器、螺杆、滑块、操纵杆、连杆(也称浮动杆)、反馈杆(也称追随杆)等一系列拉杆组成，主要作用是控制主油泵的工作状态。2)转叶式液压舵机转叶式液压舵机由转舵机构和动力源两大部分组成。转舵机构：由油缸、回转体组成。回转体键套在舵杆上。动力源：由电动机、主油泵、辅油泵和安全控制阀箱等组成。四、舵角限位器1.作用：防止操舵时实际舵角超过最大有效舵角。2.种类：有机械、电动和角铁架式等几种。3.位置：机械舵角限位器一般设在舵叶上侧、下舵杆与舵柱的上部、舵柄两侧极限舵角位置处。4.限制角：流线型舵一般为32，平板舵为35。 五、操舵装置的基本性能和要求1.应配备满意的主、辅助操舵装置。其布置应使两者之一在发生故障时，不致导致另一装置不能工作。2.监控与供电要求：1)应在驾驶室和适当的主机控制位置装设指示其电动机正在运转的设备。2)供电独立，其中之一可以由应急配电板供电。 3.主操舵装置和舵杆：1)具有足够强度，并能在船舶最大航海吃水和最大营运前进航速时进行操舵，能使舵自任一舷35转至另一舷35，并且于相同条件下在自一舷的35转至另一舷30所需的时间不超过28s；2)当舵柄处的舵杆直径(不包括航行冰区的加强)大于120mm时，操舵装置应为动力操纵； 3)在最大后退航速时不致损坏，但不需验证。4.辅助操舵装置：1)具有足够的强度和足以在可驾驶的航速下操纵船舶，并能在应急情况下投入工作；2)应能在船舶最大航海吃水和以最大营运前进航速的一半但不小于7kn时进行操舵，使舵自一舷15转至另一舷15，且所需时间不超过60s；3)当舵柄处的舵杆直径(不包括航行冰区的加强)大于230mm时，操舵装置应为动力操纵。人力操舵装置允许装船使用的条件是：操舵力不超过160N，且其结构不致对操舵手轮产生破坏性的反冲作用。5.主操舵装置和辅助操舵装置动力设备的布置应：1)当动力源发生故障失效后又恢复输送时，能自动再起动； 2)能从驾驶室控制使其投入工作；3)任一台操舵装置动力设备的动力源发生故障时，应在驾驶室里发出声、光警报。6.当主操舵装置具有2台或2台以上相同的动力设备时，则可不必设置辅助操舵装置。7.操舵装置控制系统的布置：1)主操舵装置，应在驾驶室和舵机室两处都设有控制器；2)主操舵装置应设置两套独立的控制系统，且每套系统均应能在驾驶室控制。但不要求设双套操舵手轮或手柄。如控制系统是由液压遥控传动装置组成，则除10000总吨及以上的油船、化学品船或气体运输船外，不必设置第二套独立控制系统； 3)对辅助操舵装置为动力操纵的，则也应能在驾驶室和舵机室进行控制，并应独立于主操舵装置的控制系统。8.驾驶室与舵机室之间应设有通信设施。9.舵角位置1)主操舵装置为动力操纵的，应在驾驶室显示。舵角的显示装置应独立于操舵装置的控制系统；2)在舵机室内能看到舵角的指示。10.液压动力操舵装置应满足液压系统的循环油箱应设低位警报器，在驾驶室和机器处所内易于观察的地方发出声、光警报。 11.安全阀：开启压力应不小于1.25倍的最大工作压力。 12.操舵装置的应急动力：当舵柄处舵杆直径大于230mm(不包括航行冰区加强)时，应设有能在45s内向操舵装置自动供电的应急电源或位于舵机室内的独立动力源。在10000总吨及以上的每艘船舶上，替代动力源应具有足够供应至少连续工作30min的能量，在任何其他船舶上则至少为10min。13.10000总吨及以上的每艘油船、化学品船或气体运输船和70000总吨及以上的每艘其他船舶，其主操舵装置应设有两台或两台以上相同的动力设备。14.10000总吨及以上的每艘油船、化学品船、液化气体运输船的操舵装置还应满足：1)当主操舵装置的一个动力转舵系统的任何部分(除舵柄、舵扇或为同样目的服务的部件或因转舵机构卡住以外)发生单项故障以致丧失操舵能力时，能在45s内重新获得操舵能力；2)主操舵装置应包括：(1)两个独立和分开的动力转舵系统；或(2)至少两个相同的动力转舵系统在正常运转中同时工作时能满足要求。3)非液压型式的操舵装置应能达到同等的标准。17.对10000总吨及以上但小于100000载重吨的油船、化学品船或液化气体运输船的操舵装置，舵机制造厂应使其产品符合IMO通过的非双套转舵系统的验收准则的要求，并经船级社认可。第四节 电力操舵装置控制系统电力操舵装置控制系统是指将舵令由驾驶室传至舵机装置动力设备之间的一系列设备。由发送器、接受器、电动机、电动机控制器和电缆等组成。主要优点有：轻便灵敏，便于遥控和操舵自动化，线路易于布置，不受温度变化和船体变形的影响，工作可靠，维修管理方便。具有自动、随动和应急操舵三种功能。海船都应配备随动操舵控制系统和应急操舵系统。且两套系统的线路独立布置，当一套系统发生故障时，可立即转换使用另一套。一、随动操舵系统设有舵角反馈装置，并能进行追随控制的操舵系统称为随动操舵系统。有液压舵机的随动操舵系统和电动舵机的电动操舵系统。1、液压舵机的随动控制原理舵角信号放大力矩马达伺服电机倾斜盘倾斜油泵排出高压油柱塞舵柄转舵反馈信号力矩马达伺服电机倾斜盘非倾斜舵叶停在所需位置2、电动舵机的随动控制系统 主要是通过舵角反馈来控制电桥平衡。二、手柄控制系统又称直接或应急控制系统。在自动和随动操舵装置发生故障时使用。电源独立(由直流船电供电)，操舵手柄、开关或按钮直接控制继电器或其他相应装置来启动舵机，无反馈装置，开关合上舵机转动，左开关合上左转，右开关合上右转，开关脱开舵机停止。一般应急操舵装置在驾驶室和舵机间各设有一套应急操舵的开关或手柄。操舵时，应注意掌握：按舵角操舵：舵角到及时松开手柄；按航向操舵：应结合改向大小，船舶的回转惯性，合理使用舵角，及时断电，才能使船舶准确到达所需的航向。第五节 自动舵优点：减轻劳动强度；及时纠正偏航；长时间较准确地保持在指定航向上；相应缩短航程，节约燃料；提高了营运经济效益。一、自动舵的种类 按自动舵的调节规律可分为三种：1.比例舵按偏航角j的大小来调节偏舵角b，调节关系为： b = - K1j 式中：K1比例系数，负号表示偏舵的方向与偏航方向相反，用以消除偏航。偏舵角b和偏航角j成正比，K1根据船舶类型、海况、装载情况加以选择和调整。没有考虑偏航角速度即船舶偏航惯性的影响，也没有考虑风流或螺旋桨不对称排出流等原因产生的恒值干扰的影响，航迹呈“S”形。基本不用。2.比例一微分舵按偏航角和偏航角速度的大小来调节偏舵角b。调节关系为： b = -(K1j + K2dj /dt) 式中：K2微分系数。偏舵角b与偏航角j和偏航角速度dj/dt成正比， K1、K2根据船舶种类、装载和偏航惯性等加以选择和调整。由于增加了航向变化率dj/dt(即考虑了船舶偏航惯性的影响)，因而加快了给舵速度，能更好地克服船舶的回转惯性，使船舶较快地稳定在原定航向上，大大提高了维持航向的精确度。这种类型的自动舵比较接近人工操舵。使用仍较普遍(增加一人工调节的压舵旋钮)，国产红旗5型属这一类型。 在安装试航时需将参数K1、K2选择调节合适，否则反而会影响航行质量。3.比例一微分一积分舵在自动舵的调节规律中增加了与偏航角成积分关系的积分功能，调节规律为： b = -(K1j + K2dj/dt + K3jdt)式中：K3一积分系数，根据外界恒值干扰调节。偏舵角b与偏航角j、偏航角速度dj/dt和偏航角积分jdt成正比。积分调节功能的增加，能将风流或螺旋桨不对称排出流等原因产生的恒值干扰影响积累起来，并以此信号控制舵机，施反向舵角来平衡恒值干扰力矩的影响，使船舶稳定在指定的航向上航行，进一步提高了船舶航行质量。目前，各国新型自动舵大多数采用这种类型的自动舵，但结构复杂，造价较高。二、自动舵的操作使用 1.操舵传动方式 有随动、自动和应急三种操舵传动方式。1)随动操舵(又称人工操舵)2)自动操舵3)应急操舵：在自动和随动操舵系统发生故障时使用。2.自动舵调节旋钮的使用1)转入自动开关：首先把压舵与自动改向调节旋钮归零。2)比例旋钮：又称舵角调节旋钮，用以调节纠正偏航的舵角大小。根据海况、装载和舵叶浸水面积等情况确定。重载或空载舵叶露出水面或海况恶劣时一般应调大些。3)微分旋钮：又称反舵角调节或速率调节，是根据偏航惯性来调节的。大船、重载及旋回惯性大时应调大些；轻载时应调小一些；恶劣海况调小或零。4)灵敏度旋钮：又称天气调节旋钮或航摆角调节，是调节自动舵开始投入工作的最小偏航角。 注意：当航摆角大时，灵敏度低。5)压舵旋钮：6)自动改向旋钮(航向改变调节)：先把比例旋钮放最小位，且每次只能进行小度数改向，若需大角度改向，则应分几次进行，一般每次不超过10o。7)零位修正调节旋钮：用于修正自动舵分罗经与主罗经同步误差。方法为：先取下螺帽，用专用钥匙插入，旋转刻度盘，使其与主罗经一致。然后将自动改向调节旋钮指针拔回零位。3.使用自动操舵仪(自动舵)的注意事项1)在大风浪中航行时应改用人工操舵。2)避让、改向、过转向点，航行于狭水道、渔区、礁区、航道复杂水域、进出港和靠离泊位，在能见度受限制的情况下以及在所有其他航行危险的情况下，应尽可能立即改为人工操舵。3)使用自动舵航行时，每一航行班次(即每4小时)至少应检查一次随动操舵装置是否正常。4)在随动操舵状态下，自动操舵的有关各调节旋钮不起作用，但当随动转入自动操舵时，应先将压舵旋钮和自动改向旋钮调至零位。第六节 自适应舵与自动驾驶仪一、自适应舵一般自动舵各调节旋钮是人工根据经验用手动方式进行调节和修正的，由此带来的后果是：精度差操舵次数多阻力增大主机负荷加大、转速下降为阻止转速下降调速器工作油耗增加。从节能的角度来看，一般自动舵在操作中仍有不足之处。自适应舵的优点为：能根据船舶运动特性和海况的变化，自动地确定各项系数进行最佳控制，达到了减少操舵次数、减小舵角的目的，弥补了一般自动舵存在的不足。即能通过计算软件自动地选择节能方式和保向方式运行。自适应舵的主要组成部分及各组成部分的作用如下：1.一般自动舵 包含了一般自动舵的部件和功能。2.数学模型 是供贮存、计算、比较和鉴别船舶运动特性之用的组件。3.辨识装置 是自动辨识船舶运动特性如载重量、吃水差、船速和海况等的组件。这种辨识是在船舶离港用手动操舵时就已开始，并在操纵过程中不断更新模型。4.卡尔曼滤波器 是从不规则噪声信号中提取所需信息(如罗经输出信号)并计算出船舶偏航角的组件。5.最佳控制器 是利用偏航角发出舵角指令，使船舶回到原航向的组件。6.增益调节器 是调节增益参数、改善操纵性能，自动选择节能方式和保向方式，并在海况恶劣时自动转到 保向方式上运行的组件。二、自动驾驶仪自动驾驶仪是以自动舵为基础、计算机为核心，并连接综合导航仪或船位接收机的一个自动航行控制系统，也称航迹舵。主要作用为：当初始人工输入相关航路数据后，能使船舶自动沿着计划航线航行，并能在预定的转向点上自动转向，从而实现船舶驾驶的高度自动化。自适应自动舵基本含有这些功能。1.基本工作原理 通过一台微处理器，将人工输入的转向点经纬度与通过定位传感器得到的实时船位等数据进行计算、比较、分析和处理，并得到一个可供自动舵执行的航向(也称指标航向Cs)。指标航向实际上是受风流影响的一连串变化的航向，一般过1530min修正一次风流压；指标航向小数点的处理：0.10.5取0.5，0.60.9取1.0。船舶只能自动航行在规定的航迹带内，并按Cs自动转向。1)计划航向的确定：2)实时船位的获取：由GPS、LORAN-C、DECCA等获得，其中广泛采用GPS。船位信号的三项处理：坐标系统误差的修正、船位数据的滤波和较大误差的剔除。3)航迹带宽度的设置：位置偏移量d0的计算是以计划航线为基准的。如果船舶不能保持在计划航线的dmax之内时，则认为不能自动保持航迹，需要人工处理。自动驾驶仪还能根据转向点的位置、当时航速、航向改变量和转向允许的速率，自动确定提前开始转向的距离或时间(自动地确定转向时刻与均匀地改变指标航向)，从而自动转到下个计划航向上。2.使用注意事项1)全自动驾驶仪能否正常工作的关键在于连续输入的船位数据。因此，应经常检查综合导航仪或船位接收仪是否工作正常，并确认操舵仪上的RC ready 等指示灯亮。如较长时间无船位或有其他情况时，应及时提醒驾驶员转到其他操舵方式。2)与普通自动舵一样，遇大风浪、避让等情况时，也不能使用自动驾驶仪。当避让等操纵结束，需要重新使用这一系统时，应确认下一转向点的正确性和下一个计划航向的度数，必要时调整船舶的航向，使航向基本对准下一个转向点。3)驾驶人员必须充分了解周围的海域、船位、使用的航迹带宽度(应根据航行区域与海况确定)以及转向前后的海面状况等情况。只有在确认安全的情况下，才可自动转向。三、主机、舵机和侧推器联合控制装置通常配备有主机、舵机和首尾侧推器的船舶，其几个操作系统需分开操作，但目前已有高度自动化的大型船舶配备了主机、舵机和侧推器的联合控制装置(单手柄操作系统)，通过一个单手控制柄即可在主驾驶室内实现对上述几个操作系统的控制。 我国海南客货火车轮渡“粤海铁系列船”使用的就是该项技术。其两台主机、两台舵机及三台侧推器由一个手柄控制。第七节 舵设备的检查与保养日常(含开航前检查)检查和保养；定期检查和保养；安装或修理后，按规范要求进行试验。一、日常检查与保养1、船舶开航前12h之内，进行核查和试验。试验程序一般包括下列操作：1)主、辅操舵装置及操舵装置遥控系统；2)驾驶室内的操舵位置；舵角指示器；应急动力；3)操舵装置遥控系统动力故障报警器；操舵装置动力设备故障报警器；和自动隔断装置及其他自动设备。核查和试验应包括：1)操满舵；试验操舵装置及其联结部件的外观检查；和2)驾驶室与舵机室通信手段的工作试验。对于定期从事短期航行的船舶，每周至少应进行一次核查和试验。2、每次开航前驾驶员应会同主管轮机员试验舵机。试舵前派人察看船尾舵叶周围是否有障碍物；核对各种舵角与舵角指示器和主罗经与分罗经的误差情况；舵机间不准放置杂物，应保持清洁、干燥。舵机间内的备件等应绑扎好，防止船舶摇摆时移动。对舵的步骤为：1)转动舵轮或扳动手柄，检查操舵台舵轮舵角指示器、舵角指示器及舵机室的实际舵角三者是否一致。2)用同样方法向右(左)操满舵快速活舵一次，回至正舵。3)分别连续操左(右)5，15，25满舵和回舵，观察遥控机构、追随机构、舵角指示器和其他工作系统的运作情况是否正常。电动舵角指示器在正舵位置应无误差，在其他舵角位置不应超过1。两台主操舵装置或手柄操舵装置，应分别试舵。航行中，值班驾驶员应经常检查油压、电源和操舵情况是否正常。大风浪时，应检查舵机间可移动物体是否绑扎好。停靠后，应切断电源，关闭驾驶台和舵机间。规定的核查和试验日期及进行应急操舵演习的日期和详细内容，应记入航海日志内。驾驶室及舵机室内，应永久展示操舵装置遥控系统和操舵装置动力装置转换程序的简单操作说明，并附有方框图。驾驶员应熟悉操舵系统的操作以及从一个系统转换到另一系统的程序。二、定期检查每3个月应对舵设备进行一次全面的检查和保养：1、舵杆、舵叶各部分磨损及损坏情况，作好记录。舵杆(销)一般在下舵承处(或舵销处)的轴颈应大于非工作部分的轴颈，否则应修理或换新。工作轴颈表面允许存在少量分散的锈蚀斑点，深度不超过舵杆(销)直径的1%，舵杆非工作轴颈允许减少量为原设计直径的7%。舵钮与舵 钮