船舶舵机的电力拖动与控制

1 舵机装置及自动操舵装置的基本要求 8 2 舵机的操舵方式 自动舵工作原理 11 考证考点 本节重点 9 1 4 船舶舵机的电力拖动与控制 1 识记 船舶舵机的组成和分类 2 领会 1 船舶舵机的基本要求 2 舵机的操舵方式 3 各种操舵方式的特点3 应用 舵机的基本工作原理 舵及其拖动装置是船舶用以改变其航向或维持其预定航向航行的重要设备 整个舵机装置主要由操舵装置 舵机控制与驱动系统 传动机构和舵叶四大部分组成 操舵装置是由安装在驾驶室的发送装置和位于舵机房的接收装置组成 远洋船舶上装备的都是远距离控制自动操舵仪 简称自动舵 舵机控制与驱动系统是转舵的动力 有人力的 汽动的 电液的和电力驱动 目前船舶上装备的几乎全部是电动液压舵机 9 1 舵机电力拖动与控制的基本要求 我国 钢质海船入级规范 根据 国际海上人命安全公约 SOLAS公约 的规定 对于从事于国际航行的大于500总吨的货船或仅从事于非国际沿海航行的大于1600总吨的货船的舵机提出了明确的要求 其基本精神就是要求舵机必须具有足够的转舵扭矩和转舵速度 并且在某一部分发生故障时 应能迅速采取替代措施 以确保操舵能力 基本技术要求如下 1 主操舵装置和舵杆 具有足够的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 使舵自任一舷的35 转至另一舷的35 并且于相同条件下自一舷的35 转至另一舷的30 所需时间不超过28s 从一舷最大角到另一舷最大角的时间不超过30s 2 从主配电板到舵机房应当用两路分离较远 如分左 右舷两路 的馈电线供电 其中之一应与应急配电板相连 3 舵机的驱动电动机采用连续工作制 具有软的机械特性 有足够的过载能力 保证拖动电动机在堵转1min情况下不致被烧坏 4 至少有两个控制站 驾驶台和舵机房 控制站之间装有转换开关 现场控制站具有操作优先级 在电力拖动或液压拖动不能进行时 能迅速转换到人力操舵 5 任何舵角下能投入工作 并准确地转至给定舵角 自动操舵仪包括自动 随动和单动三种操舵方式 并能方便的选择切换 6 每艘船舶均应设置1套主操舵装置和1套辅助操舵装置 主 辅操舵装置动力设备应具备以下能力 当动力源发生故障失效后又恢复输送时能自动再起动 任一台操舵装置动力设备的动力源发生故障时 应在驾驶台发出声 光警报 操舵装置应设有有效的舵角限位器 以动力转舵的操舵装置 应装设限位开关或类似设备 使舵在到达舵角限位器前停住 装设的限位开关或类似设备 应该与转舵机构本身同步而不应与舵机的控制相同步 舵机只有过载报警而没有过载保护装置 舵的作用原理 M FLl 视频播放 舵机装置分为 电动 机械 电动 液压 工作过程 电动机带动蜗杆蜗轮转动 经主动齿轮和扇形齿轮 再经缓冲弹簧转动舵柄 在扇形齿轮下面 通过弹簧推动 从而使舵柱和舵叶偏转 系统组成 一般采用G M系统 作用 蜗杆蜗轮传动 大变比减速 能够锁定舵柱和舵叶 缓冲弹簧 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 系统组成 恒速电动机 可用普通异步机 拖动双向变量油泵 提供双向的高压油驱动液压油缸 工作过程 当一油缸注入高压油而另一油缸排出低压油时 推动撞杆 活塞 移动 从而带动舵柄 舵柱和舵叶偏转 转换开关改变发电机励磁方向 从而使电动机反转 原理 手扳舵转 手放舵停 左舵左扳 回舵右扳 右舵右扳 回舵左板 单动操舵特点 单动操舵是在自动操舵及随动操舵都不能使用的应急情况下提供的一种操舵方式 也叫应急操舵 1 单动舵 定义 2 随动舵的工作原理 随动操舵是按设定值和实际值的偏差原则进行调节的操舵自动跟踪系统 被调对象是舵 被调节量是舵角 舵叶角度与操舵手轮位置自动同步操舵手轮转至某一所需角度时 舵叶相应地偏转到同一角度后自行停止 特点 U 10V 2A R1 R4 R2 R3 操舵过程 舵轮向右转 角度 电位器R1的滑动点移动 电桥失去平衡 放大器输入信号 0 发电机输出电压使电动机顺时针方向转动 使舵叶向右偏转 同时舵角反馈同步传递机构带动反馈电位器R2的滑动点不断向a 点移动 当电桥重新处于新的平衡状态时 放大器输入 0 电动机停转 舵叶处于右舵与舵轮转动相对应的角度上 随动操舵一般规律的方框原理图如右所示 它是一个闭环跟踪系统 以实现舵角的自动追随 图中的比较环节种类很多 如电桥式 电阻式 运算放大器等等 执行机构也因不同的舵机型式而异 例如在双向变量泵拖动的电液舵机中 执行机构则由伺服电动机和双向变量泵构成 左偏航操右舵 舵轮操右几度 舵叶右偏几度 右偏航操左舵 舵轮操左几度 舵叶左偏几度 总结 3 自动舵的工作原理 自动操舵 实际上是自动航向保持仪 组成原理 利用电罗经检测船舶实际航向 然后与给定航向K 进行比较 其差值作为操舵装置的输入信号 使操舵装置动作 改变偏舵角 在舵角的作用下 船舶逐渐回到正航向上 船舶回到正航向后 舵叶不再偏转 第I阶段 船沿预定航向航行 滚轮在绝缘块上 电动机不工作 舵叶在首尾线上 第II阶段 船向右偏航 滚轮与左半环接触 电动机转动 使舵向左偏转 半圆环开始向滚轮运动方向跟踪 第III阶段 船的偏航角达最大值 半圆环追赶上滚轮 又使滚轮位于绝缘块上 电动机停止转动 此时偏舵角亦为最大值 第IV阶段 船在舵的作用下向原航向回转 逐渐接近于预定航向 滚轮与右半环接触 电动机反向转动 舵叶朝首尾线方向回转 半圆环也开始向滚轮方向跟踪 第V阶段 船回到原航向上 半圆环追赶上滚轮 滚轮又处于绝缘块上 电动机停止转动 舵叶回到首尾线上 9 3 自动舵的基本类型及其调节规律 自动舵是根据电罗经送来的船舶实际航向与给定航向信号的偏差进行控制的 在舵机投入自动工作时 如果船舶偏离了航向 不用人的干预 自动舵就能自动投入运行 转动舵叶 使船舶回到给定航向上来 船舶应用的自动舵类型众多 究其调节规律 有三种基本类型 以船舶偏航角的大小和方向进行调节的比例舵 以船舶偏航角和偏航角速度的大小和方向调节的比例 微分舵和以船舶偏航角 偏航角速度及偏航角积分的大小和方向来调节的比例 微分 积分舵 比例舵调节中偏舵角 与偏航角 成比例关系变化 即 K 式中 K1为比例系数 负号 表示偏舵的方向是消除偏航 航向发生 偏航 操舵仪就操纵舵机使舵叶偏转 K 角度 参数K1可以根据船舶载重量 天气状况进行调整 船舶因风浪等影响引起偏航时 采用比例舵操舵有纠正偏航的能力 但是它使船舶周而复始地围绕正航向左右摇摆 船舶的航迹呈S形振荡 衰减很慢 1 比例舵 比例 微分舵调节规律的关系式式中 K2为微分系数 d dt为偏航角速度 即偏航变化率 与比例舵的操舵系统相比较 舵角关系在时间上超前了 在船舶回到正航向前 它已产生了足够大小的反舵角 对克服由于船舶惯性向另一侧摆动很有好处 使船舶比较快地稳定在正航向上 通常所说的 纠偏舵 稳舵角 效果或反舵角等均指微分舵的作用 2 比例 微分舵 按比例操舵的偏舵角仅考虑了偏航角的大小 没有考虑偏航角速度 其实 偏航速度高时 应当加大偏舵角 以有效地抑制船舶继续偏航 另外 该船舶回到正航向后 虽然偏航角等于零 但由于惯性 船舶仍然有一个偏航角速度 使船舶又继续朝另一侧偏航 因此比例操舵会造成船舶沿航向作S形航行 由于潮流 波浪 风向 推进器特性 船舶装载的非对称性等原因 使航行中的船舶朝一侧持续小偏航 这一偏航角在不灵敏区内 换言之 在此偏航角下 自动操舵系统不会投入工作 经过时间t后 船舶位置离开了给定正航向的距离约为 S vt 尽管平均偏航角 很小 但累积时间久了船舶偏航会十分明显 为了提高航向调节的精度 减少 甚至消除静态误差 因此在比例 微分舵的基础上 设置积分调节 即比例 微分 积分舵 3 比例 微分 积分舵 比例 微分 积分舵满足关系式 式中 K3为积分系数 dt为偏航积分 偏航积分调节主要用以校正操舵系统死区以内的小偏航角引起的平均航向偏离 如果由于某种原因引起船舶的瞬时偏航 后来立即消失 因为作用时间短 不影响整个航向 所以对其平均航向没有偏移 无需发出校正动舵信号 只有当船舶在偏航死区内左右摇摆不均匀 平均航向偏离正航向一侧 且又持续了很长一段时间 于是偏航积分环节发出信号 予以校正 比例 微分 积分 调节系统是比较完善的自动舵 但系统构造较复杂 有的自动舵以 压舵 环节替代上述的积分环节 从而使控制系统得到简化 所谓 压舵 指的是船舶航行受到持续的单侧横向力的干扰 如风浪 推进器 船舶装载不对称等 使船舶形成向某一侧的小偏航 则在自动舵放大环节的输入端加入某一极性的固定信号 这样产生一个相应的固定偏舵角 对船舶形成一个固定的转船力矩 用以平衡单侧横向干扰力 这一固定大小的舵角称之为压舵角 9 4 自动舵系统的基本要求 1 自动操舵性能良好 当船舶偏离给定航向一定角度 超过系统灵敏度所整定的角度 时 系统应立即工作 使舵叶偏转一定的角度 使船舶回到正航向 2 具有必要的调节环节 为了使同一型号的自动舵装置能够适用于不同的排水量 装载量 航速及舵机拖动装置的船舶 并能适应各种天气 海况 在自动舵系统中应有如下的基本调节装置 1 灵敏度调节 俗称天气调节 它视天气 海况确定 在风平浪静时 灵敏度要调高一些 在大风大浪下 应适当降低自动舵的灵敏度 以减少动舵次数 S航迹振幅减小 2 舵角比例调节 要根据船型 装载 航速等情况调节舵角比例 以获得一个合适的舵角比 3 反舵角调节 偏航中的船舶在自动舵的作用下回复到正航向时 舵叶应先回到艏艉线上 然后再向另一舷偏过一个小角度 以防止船舶因惯性力而继续向另一侧偏航 这个预先的偏舵角称之为反舵角 又称制动舵角 稳舵角 纠偏舵角 应根据船型 装载 天气等情况进行调节 反舵角可以由微分环节来实现 4 压舵调节 为了纠正船舶由于受到单侧风浪 水流等因素影响而引起的不对称偏航单侧偏航 自动