船舶结构与设备课件 第5章 舵设备

1、船舶结构与设备,第五章 舵 设 备,船舶结构与设备,第五章 舵设备 本章要求： 1、掌握舵设备的组成，舵的分类和各种舵的特点； 2、掌握舵机和操舵装置控制系统的种类、工作原理和特点； 3、掌握自动舵的种类、工作原理、特点； 4、掌握操舵方法和应急操舵的方法。,第五章 舵设备,作业： 1、简述舵的分类及各种舵的特点； 2、流线型平衡舵的特点； 3、一般自动舵有哪几种，自动舵面板上各旋纽的作用和调节依据； 4、船舶操舵方式有哪几种？如何进行应急操舵？,第五章 舵设备,学时：6h 课堂和作业中所反映的主要问题： 1、学生对舵设备的设置情况和应急操舵的程序不很清楚； 2、学生感到本章内容较抽象，较难掌

2、握。,第五章 舵设备,第一节 舵设备的作用及组成 1、作用：控制船首向 2、组成 1）舵装置 rudder：舵叶、舵杆、舵承 2）操舵装置：舵机(steering gear)及转舵机构，位于舵机房（舵机间） 3) 操舵控制系统(steering system),舵设备的组成,第一节 舵设备的作用及组成,3、舵的工作原理 Pa-舵力 理论公式： Pa=Ca0.5SV2 Ca-舵力系数，与舵角，舵叶形状有关。 V-舵速 Joessel公式 P107.23RR2sin/（0.195+0.305sin）,舵力转船力矩：,第五章 舵设备,第二节 舵的类型和结构 一、舵的类型 1、按舵杆轴线位置分： 不平

3、衡舵(single plate rudder); 平衡舵(balance rudder)：部分舵叶在舵杆轴线前方，所需转舵力矩、舵机马力均小。 半平衡舵(semi-balance rudder) 平衡比（平衡比度，平衡系数）： 舵的平衡部分面积与舵面积之比，平衡舵平衡比度值在0.20.3之间。,2、按舵叶支承情况分： 双支承舵（double bearing rudder）两个支承点。 上支承点：舵承 下支承点：舵托 多支承舵(multi-pintle rudder) 悬挂舵(spade rudder) 半悬挂舵(semi-spade rudder),一、舵的类型,3、按舵叶的剖面形状分： 平板

4、舵(single plate rudder); 失速早，阻力大，舵效差 流线型舵(streamlined rudder gear) （复合舵或复板舵）：应用广泛。 水动力性能好、舵效高（升力系数高、阻力系数低） 舵承压力小（叶体空心） 强度高 构造较复杂。,一、舵的类型,一、舵的类型,特种舵 1）整流帽舵(bulb type rudder)： 舵叶正对螺旋浆处设整流帽。改善排出流的状态，提高推进效率和减小振动。,一、舵的类型,2）主动舵active rudder： 舵叶随边设带导流管的小螺旋浆。提高转船力矩，低速或停车时能提供转船力矩。,一、舵的类型,3）襟翼舵flap type rudder

5、： 主舵后加襟翼。可相对主舵产生转角，提高舵效,一、舵的类型,4）反应舵reaction rudder： 舵叶上下各向左右扭曲，以迎合排出流。可减小阻力,一、舵的类型,5）组合舵： 舵叶上下各装一块制流板。减少绕流损失。,第二节 舵的类型和结构,二、舵的结构 流线型平衡舵由舵叶、舵杆、舵承组成。 1、舵叶 由水平隔板和竖直隔板按线型组成骨架，加舵叶板焊制而成水密结构。 舵叶焊制或修理后在涂油漆或敷设其他材料之前应进行密性试验,密性试验,每个密封部分进行密性试验： ）灌水试验 =1.2d+V2/60(m)、保持15min以上 ，不得变形和渗漏 ）充气试验 =0.005d+0.025(N/mm2)

6、、保持15min ，用肥皂水查漏。 c、试验合格，内灌沥青，防止内部锈蚀。,二、舵的结构,2、舵杆(rudder stock) 上舵杆、下舵杆 上舵杆下端与与舵叶连接， 连接方式： 垂直嵌接、水平法兰、垂直法兰 多数通过水平法兰与舵叶连接，水平法兰一般用六只螺栓，螺母朝下，搪水泥包。,二、舵的结构,3、舵承rudder bearing(carrier) 作用：支持舵杆、支承舵的重量 保证船体水密 将作用在舵上的水动力传递给船体 上舵承(upper bearing)：装在舵机甲板上 止推滚珠轴承，承受轴向力 垂直滑动轴承，承受径向力 下舵承(lower bearing)：装在舵杆筒口或舵杆筒内

7、垂直滑动轴承，承受径向力 目前大型船一般只设上舵承,2、舵杆,第五章 舵设备,第三节 操舵装置 一、操舵装置的设置 1、操舵装置：提供转舵动力 2、主操舵装置 正常航行时控制船舶所需的机械、转舵机构、动力设备及其附属设备。和向舵杆施加转矩的部件。,一、操舵装置的设置,3、辅助操舵装置：主操舵装置失效时控制船舶。 4、设置要求：除可共用舵柄或舵扇外，辅助操舵装置不应属于主操舵装置中的任何部分。,一、操舵装置的设置,5、配置方案： 1）一套主操舵装置和一套辅助操舵装置 2）主操舵装置设置两套相同的动力设备，并设两套操舵控制系统： a、一套随动控制 b、一套手柄控制,一、操舵装置的设置,随动控制,手

8、柄控制,交流舵机1#,交流舵机2#,直流舵机3#,1#，2#泵机可单独或同时工作，并互为备用。其中一台意外停止后，另一台能自动启动。,当船舶交流失电后，直流泵机可自动启动并投入运行。,第三节 操舵装置,二、舵机stearing gear 1、电动舵机 1）电动舵机的组成和传动原理 2）缓冲弹簧的作用,二、舵机,2、液压舵机(hydraulic stearing gear) 1）、液压舵机的组成、特点 （1）组成：电动机、油泵、管路、转舵机构。 （2）特点：传动平稳、无噪声、操作方便能实现无级调速、可靠性高、尺寸小、重量轻、布置紧凑。,粤海铁1号2号火车轮渡舵机,2、液压舵机,（3）往复式液压舵

9、机,2、液压舵机,（4）转叶式液压舵机,二、舵机,3、极限舵角限位器 极限舵角35 电动舵机：限位开关 液压舵机：液缸限位、限位开关或限位旁通阀 人力舵机：挡铁,第三节 操舵装置,三、操舵装置的基本要求 1、一般船舶应满足 主、辅操舵装置不能同时失效,三、操舵装置的基本要求,2、主操舵装置和舵杆 1）足够强度，最大营运进速，舵能从一舷35度转至另一舷35度，且自一舷35度至另一舷30度的时间不超过28秒； 2）最大退速时不致损坏。 3）舵杆直径大于120mm 时，应为动力操作。,三、操舵装置的基本要求,3、辅助操舵装置 1）足够强度，最大营运进速的一半或7节时，舵能从一舷15度转至另一舷15度

10、，且所需时间不超过秒60秒； 2）舵杆直径大于230mm 时，应为动力操作。,第五章 舵设备,第四节 操舵装置控制系统 一、液压操舵制系统 液压控制系统的组成、工作原理 三点杠杆式追随机构的工作原理,液压控制系统,泵控型液压舵机,三点杠杆式追随机构的工作原理,阀控型液压舵机,第四节 操舵装置控制系统,二、电力控制系统 电力控制系统的特点和应用 随动控制系统 手柄控制系统,随动控制系统,手柄控制系统,第五章 舵设备,第五节 自动舵 一般自动舵 自适应舵 航迹舵,第五节 自动舵,一、一般自动舵 随动操舵的指令机构是人工操舵的舵轮，而自动舵是偏航信号。 1、一般自动舵的基本工作原理,第五节 自动舵,

11、2、自动舵的种类 1）比例舵：按偏航角决定偏舵角 2）比例微分舵：按偏航角和偏航角速度决定偏舵角,一、一般自动舵,3）比例微分积分舵(PID自动舵) 在比例微分的基础上增加了积分环节，克服不对称干扰。,自动操舵仪的控制面板,船舶都在驾驶室设有主操舵台，操舵控制系统的主要部分设在操舵台内，并设有操舵器和其他控钮。控制面板一般设有： 1）电源转换开关：自动舵电源由机舱主配电板及应急发电机舱的应急配电板直接供电并由开关转换；,自动操舵仪的控制面板,2）舵机动力转换开关：液压舵机都装有二台油泵机组，用开关选用1号或2号机组工作。海上航行时一般选用其中一台，在狭水道、进出港航行时，同时启用二台油泵机组工

12、作，以保证舵效迅速和可靠； 3）操舵部位选择开关：可选择的部位一般为驾驶室和舵机舱。在选定任一部位操舵时，其他部位不应产生误动作。,4）操舵方式选择开关,海船普通自动舵一般均有自动操舵、随动操舵和应急操舵三种不同的操舵方式。 随动操舵方式：利用操舵台上的舵轮进行手动操舵。在舵轮处设有舵令刻度，通常舵轮向左或右转动一圈相当于发出的舵令为10，当实际舵角到达舵令值时，舵机停转。 主操舵装置设有两套互为备用的操舵控制系统的船舶，在操舵台设有随动-1（FU-1）和随动-2（FU-2）两个随动操舵选择位置，可任选用其中之一。,4）操舵方式选择开关,自动操舵方式：选择此方式时，操舵仪处于自动工作状态。 应

13、急操舵方式：这种方式一般属于单动（手柄）操舵(Non-follow-up，NFU)方式，一般由手柄或按钮（左、右舵各一）开关直接控制舵机的动作而产生舵角。 有的自动舵操舵台上没有设手柄或按钮开关，需将手轮轴销拔出，旋转900后置于凹槽内固定，这时可用舵轮代替手柄进行操舵,自动舵的启用,当船舶航行于海上，不需要人工操舵时，可由随动操舵方式转换为自动操舵方式。 压舵旋钮和自动改向调节旋钮（如设有）归零位 船舶稳定在指定的航向上。 当处于正舵时，将选择开关从随动转至自动位置上，船舶就进入自动操舵状态。 根据船舶载重情况和海况，调节主操舵台面板上的有关旋钮。,一、一般自动舵,3、自动舵的调节 1）灵敏

14、度调节 又叫天气调节，航摆角调节。调节舵对偏航信号的敏感程度，即死区大小。 海况差时调低。,3、自动舵的调节,2）舵角调节 调节 ，又叫比例调节。 重载、空载舵叶浸水面积小、海况差时调高。,3、自动舵的调节,3）微分调节（反舵角调节或速率调节） 调节 主要根据偏航惯性，重载时调高，海况差时调小或调零。 4）压舵调节 无积分作用的舵设。,3、自动舵的调节,5）航向改变调节 在自动工作状态下改变航向，比例旋钮放在最小位置 输入新航向 每次改向一般不大于10度，最大不超过20度。,3、自动舵的调节,6）零位修正调节 调节操舵台分罗经与主罗经的同步误差。,一、一般自动舵,4、自动舵的使用 1）使用自动

15、舵的条件 （1）使出港口后，不需经常转向时用 （2）下列情况下应改由人工操舵： 进出港、过狭水道、避让 雾航、大风浪天气 航行渔区、礁区,一、一般自动舵,2）人工操舵改为自动操舵的程序 1）压舵、航向改变置“0”，主分罗经一致，夜间调亮照明 2）灵敏度调高些 3）操舵稳定于新航向、正舵后由“随动”改为“自动” 4）根据海况和装载状态调节各旋纽。,第五节 自动舵,二、自适应舵 1970s，产生了基于现代控制理论的第三代自动操舵仪自适应自动舵(adaptive autopilot)，简称自适应舵。 自动适应运动特性和海况的变化，自动确认各项系数进行最佳控制。,自适应舵组成,1、一般自动舵 2、数学

16、模型：自适应舵的微机内贮存着供计算、比较、鉴别之用的船舶运动特性的模型。 3、识辩装置：船舶运动特性的模型是随着载重量、吃水差、船速和海况等而变化，检测出模型的变化并形成新模型的过程称为“辨识”。,自适应舵组成,4、卡尔曼滤波 有效地滤除罗经输出信号（偏航角、偏航速率）中不规则噪声成分，并估算出船在某一舵角下何时开始转向。 用统计方法处理新模型输出的船舶偏航与由罗经所观测的偏航角不同的差值，从而估算出转舵时船舶的偏航角。,自适应舵组成,5、最佳控制器 将卡尔曼滤波器检出的偏航角加到最佳控制器，经其处理后，产生使船舶回到原航向的舵角指令。 确定偏航角、偏航角速度和自动舵工作的各项性能参数。,自适

17、应舵组成,6、增益调节 当海况恶劣、波浪等噪声增大时，会导致卡尔曼滤波检测的精度下降。为减少噪声对船舶转向的影响并改善操纵性能，需设置增益调节器来调整增益参数。 船舶运动特性模型和噪声模型事先已存入微型计算机，检测出海况的变化后，可自动选择节能方式和保向方式。,PT-21 型自适应舵基本原理图,航迹自动舵,又称自动驾驶仪(automatic navigation或navpilot) 自动舵为基础，以计算机为核心，并连接综合导航仪或船位接收机的一种自动航行控制系统。 能使船舶自动沿着计划航线航行，并能在预定的转向点自动转向，从而实现船舶自动航行控制。,航迹自动舵,航向自动舵输出的舵角主要与船舶偏

18、离计划航向的偏航角和偏航角速度有关 航向自动舵（一般和自适应）保向的关键是航向信息； 航迹自动舵除了与此有关外，还与船舶偏离计划航线的航迹误差有关。 航迹自动舵保持航迹的关键是船位信息。,航迹保持控制方案,船舶航迹保持可分为分离控制和综合控制两种方案。 分离控制(间接式控制)方案,三、航迹舵,工作特点： 在自动舵的基础上配置一套航迹舵组件 人工输入航路数据、位置偏移量 连接定位仪、电罗经、计程仪等 能自动修正船位偏差，沿计划航线航行，到达转向点自动转向,三、航迹舵,1、基本原理,航迹舵,1）船位数据的获取与处理 获取：GPS、LORAN-C、DECCA、NNSS等 被广泛采用的是GPS定位仪

19、处理： 当微处理器收到船位信号后，还要作坐标系统误差的修正、船位数据的滤波处理和较大误差的剔除处理，从而得到更精确的船位,三、航迹舵,2）航迹保持 航法：大圆、恒向线 不能以计划航向C作为指标航向CS 设置允许位置偏移量XTE（d0)和最大位置偏移量XTEmax（dmax) 船舶航行在计划航线的 d0，在计划航线上 船舶航行在计划航线的（ d0 ,dmax ）,修正Cs 船舶航行在计划航线的 dmax以外，不能自动保持船位,航迹舵,三、航迹舵,3）转向原理 航迹自动舵组件在自动转向中的主要功能是确定转向时机和均匀地改变指标航向（CS）。 当船舶航行到A、B或时，航迹组件能根据转向点的位置、当时

20、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，从而自动转到下个计划航向上。,2、使用注意事项,不能使用自动舵的情况下，同样不能使用航迹自动舵。 正常工作的关键在于连续输入的精确的船位数据。 应经常检查综合导航仪或船位接收仪是否工作正常。如较长时间无船位或其他情况时，航迹舵应能指示及时提醒驾驶员转到其他操舵方式。,航迹舵,避让时应终止使用航迹舵，使过让清后，需要重新启用航迹舵时，应确认下一个转向点的正确性和下一个计划航向的度数，调整船舶的航向，使航向基本对准下一个转向点。 4) 必须充分了解周围的海域、船位、使用的航迹带宽度以及转向前后的海面状况等情况。只有在确认安全的情况

21、下，才可自动转向。,主机、舵机和侧推器联合控制装置,“粤海铁”客货火车轮渡装有2台四冲程柴油推进调距浆、2个船舵和3个侧推器(首部设两台、尾部设一台) 几个操作系统可由控制台上的一个手柄操作，称“单手柄操作系统”。,主机、舵机和侧推器联合控制装置,提供“单独控制（HAND REQUEST）”和“单手柄控制（JOYSTICK REQUEST）”两种控制方式。 在单手柄控制方式下，设有“港口人工”、“港口自动”、“海上人工”、“海上自动”四种模式。,主机、舵机和侧推器联合控制装置,单手柄系统的基本原理是用手柄发出操纵船舶所需推力的大小和方向指令，系统中的计算机计算各种分力和输出对下属设备的推力指令。推力的大小和方向由与手柄相连的垂直轮和水平轮上对应的数值指示。,应急操舵,有关规定： 1）按规定至少每三个月应进行一次应急操舵演习，以练习应急操舵程序。 2）操舵演习应包括在操舵装置室内的直接控制，与驾驶室的通信程序及交替动力供应转换的操作。 3）应急操舵装置演习的日期和详细内容应记入主管机关规定的航海日志内。,应急操舵,应急方法 （1）驾驶台应急操舵： 根据舵设备的设置情况和故障情况有多种 控制系统失效：人工转换 设两台相同动力设备：迅速在驾驶室启用另一套控制系统或应急用手柄控制的操舵装置控制系统。 动力系统失效 备用交流机组自动投入工作 交流失电时，直