船用舵机课件

1、 w第一节第一节 w舵的作用原理和对舵机的要求舵的作用原理和对舵机的要求 8-1-1舵设备的组成和舵的类型 w 舵用作为保持或改变航向 w 舵垂直安装在螺旋桨的后方 n早期船舶采用平板舵 n为了提高舵效和推进效率，目前多用由钢板焊接而成的空心 舵，称为复板舵 l这种舵由于水平截面呈对称机翼形，故又称流线型舵 w 舵的型式很多，图81示出三种 n舵叶的偏转由操舵装置(通常称舵机)来控制 n舵机经舵柄1将扭矩传递到舵杆3上 n舵杆3由舵承支承，它带动舵叶7偏转 n舵承固定在船体上，由承及密封填料组成 n舵叶还可通过舵销5支承在舵柱8的舵托9或舵钮6上 几种舵 w不平衡舵图8-1(a) 舵杆轴线紧靠

2、舵叶前缘的舵 w平衡舵图81(b) 舵杆轴线位于舵叶前缘后面一定位置的舵 w半平衡舵图81(c) 仅于下半部做成平衡型式的舵 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 二、舵的作用原理和转舵扭矩 w正舵位置，即=0时 n舵叶两侧所受的水作用力相等，对船的运动方向不产生影响 w舵叶偏转任一角度 ，两侧水流如图所示 n水流绕流舵叶时的流程在背水面就要比迎水面长，背水面的流速也就较迎水面大， 而其上的静压力也就较迎水面要小 n舵叶两侧所受水压力的合力(称为舵压力)FN就将垂直于舵叶，作用于舵叶的压力中 心O，

3、并指向舵叶的背水面 n除FN外，水流对舵叶还会产生与舵叶中线方向一致的摩擦力Fr n当舵叶偏转舵角后，在舵叶的压力中心O上，就会产生一个大小等于FN与Fr合力 的水作用F。 舵水作用力及其对船的影响 w F可分解为与水流方向垂直的升力FL和与水流方向平行的阻力FD， FL=12CLA2 FD=12CDA2 x = Cxb 式中：CL，CD，Cx升力、阻力、压力中心系数，其大小随舵角而变，与舵叶 几何形状有关，由模型试验测定 水的密度, A舵叶的单侧浸水面积， v舵叶处的水流速度 J舵压力中心至舵导边距离, b舵叶平均宽度 舵水作用力F对船舶运动的影响 w 假设在船舶重心G处加上一对方向相反而数

4、值均等于F 的力F1、F2 w 那么水作用力F对船体的作用 n可用水作用力对船舶重心所产生的力矩Ms和F2的作用来代替。 n由F和F1形成的力矩Ms迫使船舶绕其重心向偏舵方向回转，称 为转船力矩： nF2则又可分解为R和T两个分力 n纵向分力R=F2sin，增加了船舶前进的阻力 n横向分力T=F2cos ，使船向偏舵的相反方向漂移 w 水作用力F与船舶的重心G并不在同一水平面上 n船在转向的同时，还存在着横倾与纵倾力矩 8-1-2-2 转船力矩与最大舵角 w 转船力矩 (Ms) 式中；l舵杆轴线至船舶重心的距离 Xc舵压力中心至舵杆轴线的距离 w Ms随舵角的增大而增大，并在达到某一舵角时出现

5、 极大值Mmax w Ms出现极大值时的舵角数值，与舵叶的几何形状有关， 并主要取决于舵叶的展弦比 ( =舵叶高度A舵叶平 均宽度b) n越小, 绕流的影响就越大，即在同样舵角上所产生的舵压力 越小，而达到最大转船力矩时的舵角就越大。 w 舵叶的值受到船舶吃水及船尾形状等条件限制 n海船 (=22.5)， Mmax的舵角多介于3035 之间，规定35 n河船 ( 1.02.0)， Mmax出现在35 45 舵角之间 lAvClFXFconXlFM lLcDcLs 2 2 1 sin)( 8-1-2-2 水动力矩和转舵扭矩 w 舵压力FN对舵杆轴线所产生的力矩称为舵的水动力矩，用M表 示。 式中

6、：CN，称为压力系数，其余符号同式(81) w 转舵扭矩M n操舵装置施加在舵杆上的扭矩 n舵匀速转动时，转舵扭矩M即应等于水动力矩Ma和舵各支承处的 总摩擦扭矩Mf 的代数和，即 M= Ma + Mf n普通平衡舵 Mf=(0.150.20) Ma nM可用经验公式或舵的模型试验资料计算 w 公称转舵扭矩 n指在规定的最大舵角时所能输出的最大扭矩 n它是根据船舶在最深航海吃水和以最大营运航速前进时，将舵转 到最大舵角所需要的扭矩来确定的 n公称转舵扭矩是确定舵机结构尺寸和工作参数的基本依据 cNcDLCNa XAvCXconaFconaFXFM 2 2 1 )( 8-1-2-2 综上可见 w

7、 (1)水动力矩与舵叶的面积A和舵叶处水流速度的平方 成正比，并随舵角的增大而增大 w (2)不平衡舵 n因X=Xc，故当船舶正航并向一舷转舵时，水动力矩将始终 为正(指与舵叶转向相反)，而回舵时则变为负(指与舵叶转向 相同) n平衡舵因Xc=XZ，小舵角时由于压力中心。处于舵杆轴线 的前方，故Ma为负，只有当舵角增大到某一数值之后， Ma 才会因O点移到轴线之后而变为正值 8-1-2-2 综上可见 n平衡系数 l舵杆轴线之前的舵叶面积A，与整 个舵叶面积A之比，用X表示 lX越大，舵叶的最大水动力矩越小， 即舵机所需的公称转舵扭矩较小 l但X也不宜过大，否则在常用舵角 (10-20)范围内回

8、舵时需克服的转 舵扭矩就可能较大，从而使舵机功 耗增加 l一般舵的X在0.150.35之间 w (3)船舶倒航时 n舵叶后缘变成了导边，压力中心离开 舵杆轴线距离增大（力臂增加） n同一舵角下倒航时的水动力矩会超过 正却时的水动力矩 n但实际上倒航时的最大航速将比正航 时要小得多，故倒航时的最大水动力 矩不会超过正航时的水动力矩 8-1-3 对舵机的基本技术要求 n是保持或改变船舶航向，保证安全的重要设备 n一旦失灵，船会失去控制，甚至事故 w 因此，我国钢质海船人级与建造规)根据国 际海上人命安全公约(SOLAS公约)的规定，对 舵机提出了明确的要求 n基本精神要求舵机必须具有足够的转舵扭距

9、和转舵速 度 n并且在某一部分万一发生故障时，应能迅速采取替代 措施，以确保操舵能力 n基本技术要求如下； w 8-1-3 对舵机的基本技术要求 w (1)必须具有一套主操舵装置和一套辅操舵装置，或主操舵装 置有两套以上的动力设备。当其中之一失效时，另一套应能 迅速投入工作。 n主操舵装置应具有足够的强度 l能在最深吃水并以最大营运航速前进时将舵自一舷35转至另一舷的35 l自一舷的35 转至另一舷的30所需的时间不超过28s l在船以最大速度后退时应不致损坏 n辅操舵装置应具有足够的强度 l能在最深航海吃水，并以最大营运航速的一半但不小于7kn前进时，能在不 超过60s内将舵自任一舷的15

10、转至另一舷的15 n在主操舵装置有两台以上相同动力设备符合下列条件时，也可不设辅 操舵装置 l当管系或一台动力设备发生单项故障时应能将缺陷隔离，以使操舵能力能 够保持或迅速恢复 l客船，当任一台动力设备不工作时 l货船，当所有动力设备都工作时，应能满足对主操舵装置的要求 8-1-3 对舵机的基本技术要求 w (2)主操舵装置应在驾驶台和舵机室都设有控制器 n当主操舵装置设置两台动力设备时，应设有两套独立的控制系 统，且均能在驾驶室控制 n如果采用液压遥控系统，除1万Gt以上的油轮(包括化学品船、 液化气船，下同)外，不必设置第二套独立的控制系统 w (3)对舵柄处舵杆直径大于230mm的船应设

11、有能在45s内 向操舵装置提供的替代动力源 n这种动力源应为应急电源（独立动力源），其容量至少应能向 一台动力设备及其控制系统和舵角指示器提供足够的能源 n此独立动力源只准专用于上述目的 n对1万Gt以上的船舶，它应至少可供工作30min，对其它船舶为 10min。 8-1-3 对舵机的基本技术要求 w (4)操舵装置应设有有效的舵角限位器 n应设限位开关或类似设备，使舵在到达舵角限位器前停住 w (5)对1万Gt以上的油船、化学品船、LPG船尚有如下 附加要求： n当发生单项故障而丧失操舵能力时，应能在45s内重新获得 操舵能力 n为此 l舵机可由两个均能满足主操舵装置要求的独立的动力转舵系

12、统组成 l或至少有两个相同的动力转舵系统 l其中任一系统中液压流体丧失时应能被发现，有缺陷的系统应能自 动隔离，使其余动力转舵系统安全运行 8-1-3 对舵机的基本技术要求 w （6)能被隔断的、由于动力源或外力作用 能产生压力的液压系统任何部分均应设置 安全阀 n安全阀开启压力应不小于1.25倍最大工作压力 n安全阀能够排出的量应不小于液压泵总流量 的110 n在此情况下，压力的升高不应超过开启压力 的10，且不应超过设计压力值 第二节第二节 液压舵机工作原理和组成液压舵机工作原理和组成 8-2 液压舵机工作原理和组成 w 大型船舶几乎全部采用液压舵机 w 电动舵机仅用于一些小型船舶上 w

13、液压舵机是利用液体的不可压缩性及流量、 流向的可控性来达到操舵目的的 w 根据液压油流向变换方法的不同, 有两类： n泵控型 n阀控型 泵控型液压舵机原理图（1） 图8-5 8-2-1 泵控型液压舵机 图85示出泵控型液压舵机的原理图。 w 1电动机，2双向变量泵；3放气阀，4变量泵控 制杆，5 浮动杆，6 储能弹簧，7舵柄，8反馈 杆，9撞杆，10舵杆，11舵角指示器的发送器， 12旁通阀，13安全阀，14转舵油缸，15调节螺 母，16 液压遥控受动器，17电气遥控伺服油缸 w 双向变量油泵设于舵机室，由电动机1驱动作单向回转 n油泵的流量和吸排方向，则通过与浮动杆5的C相连 接的控制杆4控

14、制 n即依靠油泵控制C偏离中位的方向和距离，来决定泵 的吸排方向和流量。 泵控型液压舵机原理图（2） 8-2-1 泵控型液压舵机原理 w 图示舵机采用往复式转舵机构 n由油缸14(固定在机座上)和撞杆9(可在缸中往复运动) 等组成 n当油泵按图示吸排方向工作时 l泵就会通过油管从右侧油缸吸油 l排向左侧油缸 n撞杆9在油压作用下向右运动 (油液可压缩性极小) l撞杆通过中央的滑动接头与舵柄7联接 l舵柄7的一端又用键固定在舵杆10的上端 l撞杆9的往复运动就可转变为舵叶的偏转 n改变油泵的吸排方向，则撞杆和舵叶的运动方向也就 随之而变。 8-2-1 泵控型舵机 - 工作油压与尺寸 w 油泵工作

15、油压取决于推动撞杆所需的力(转舵扭矩) n舵机最大工作压力(pmax)是产生公称转舵扭矩时油泵出口油 压 n舵机油泵的额定排出压力不得低于舵机的pmax npmax选得越高，转舵机构的主要尺寸就越小 l油泵额定流量和管路直径减小，装置的尺寸和重量就会变小 w 资料表明 n当pmax由10MPa提高到20MPa时 l往复式舵机长度大约缩短5一10 l重量约可减轻20 l并使工作油液的使用量减少12左右 n当pmax从20MPa提高到30MPa时 l往复式舵机的长度几乎不变 l重量只减轻69 l而工作油液的使用量也仅减少1618 n进一步提高pmax ，对液压设备生产和管理要求更高 n故目前液压舵

16、机的最大工作油压，多不超过20MPa 8-2-1 泵控型舵机 - 转舵速度 w 转舵速度: n主要取决于油泵的流量 n而与舵杆上的扭矩负荷基本无关 l因为舵机油泵都采用容积式泵 l当转舵扭矩变化时，虽然工作油压也随之变化， 但泵的流量基本不变，对转舵速度影响不明显 n进出港和窄水道航行时，用双泵并联，转舵 速度几乎可提高一倍。 8-2-1 泵控型舵机 - 追随机构 w 多采用浮动杆式追随机构 n浮动杆的控制点A系由驾驶台通过遥控系统 控制 l如把X孔的插销转插到Y孔之中，也可在舵机室 用手轮来控制 n浮动杆上控泵点C与变量泵的控制杆4相连 n反馈点B经反馈杆8与舵柄相连 w 当舵叶和驾驶台上的

17、舵轮处于中位时 n浮动杆即处在用点划线ACB所表示的位置 nC点恰使变量机构居于中位，油泵空转，舵 保持中位不动 A B C 8-2-1 泵控型舵机 - 用舵 w 驾驶台给出某一舵角指令 n通过遥控系统，会使A点移至A1 n由于B点在舵叶转动以前并不移动 n所以C点将移到C1 w 于是，油泵按图示方向吸排，舵叶开 始偏转，通过反馈杆带动B点向B1方向 移动 n当舵叶转到与A1给出指令舵角相符时，B 移到B1，C点重回中位 n油泵停止排油，舵就停止在所要求的舵角 上 n浮动杆的位置如图中的实线A1CB1所示。 w 实际上，浮动杆动作并不分步进行 (C 点偏离中位后，泵就排油） B1 A 1 C

18、1 8-2-1 泵控型舵机 - 回舵 w 当驾驶台发出回舵指令 时 nA点又会从A1移回中位A nC点偏离中位向左，油泵 反向吸排 n舵叶也就向中位偏转，使 B点从B1位置向中位移动 n直到舵叶转到由A点位置 所确定的指令舵角时，C 点重新回中，油泵停止排 油，舵叶也就停转 B 1 A 1 C 1 A 8-2-1 泵控型舵机 - 防浪阀 w 追随机构使油泵在开始和停止排油时流 量逐渐增大和减小 n可减轻液压系统的冲击 w 为防海浪等冲击舵叶时，造成舵杆负荷 过大、系统油压过高和使电机过载 n在油路系统中装设了安全阀(亦称防浪阀) n当舵叶受到冲击以致任一侧管路的油压超过 安全阀的整定压力时 l

19、安全阀开启，油泵两侧管路旁通 l舵叶会偏离所在位置，带动B点，使C点离开 中位，油泵因而排油 n当冲击负荷消失后 l安全阀关闭 l舵叶在油泵的作用下，返回，B点回位 8-2-1 泵控型舵机 - 储能弹簧 w C点偏离中位的距离受泵变量机构最大位移限制 n只有在舵叶带动B点使C点回移后，A点才能继续操舵 n这样，大舵角操舵动作不能一次完成 n使泵流量总在零与最大值间变动 n使操舵者感到不便，同时降低油泵效率和转舵速度 w 为解决这问题，在反馈杆上装了储能弹簧(可双向压缩) n当A点将C点带到最大偏移位置后 n浮动杆就会以C点为支点而继续偏转，压缩弹簧 nA点得以一次到达所要求的大操舵角 n随着舵

20、叶偏转，储能弹簧首先放松，并在其恢复原状后， 才会将B点拉到与A点相应的位置，以停止转舵 n在储能弹簧完全放松以前，B点不动，C点停留在最大 偏移位置(使泵在较长时间内保持Qmax), 加快转舵速度 w储能弹簧的刚度必须适当 n若弹簧太软，则可能使B点先于C点而移动，操舵就无法进行 n如弹簧太强，则大舵角操舵所需操舵力太大，甚至使储能弹簧 不起作用 Cma x 8-2-2 阀控制液压舵机 w 用单向定量油泵 n其吸排方向不变 n油液进出转舵油缸的方向由驾驶台遥控的换向阀来控制 n当换向阀处于中位 l油泵的排油经换向阀旁通，转舵油缸油路锁闭而稳舵 w 油泵和系统比较简单，造价相对较低 w 缺点:

21、 n换向阀换向，液压冲击较大，可靠性也相对较差 n阀控型舵机在停止转舵时，泵以最大流量排油，油液发热较 多，经济性差 n阀控型舵机适用功率范围比泵控型小 w 泵控型和阀控型舵机 n尽管工作原理不尽相同 n都是由转舵机构、液压系统和操纵系统等组成 n下面就转舵机构和操纵系统依次加以讨论 第二节第二节 液压舵机工作原理和组成液压舵机工作原理和组成 8-2 液压舵机工作原理和组成 w 大型船舶几乎全部采用液压舵机 w 电动舵机仅用于一些小型船舶上 w 液压舵机是利用液体的不可压缩性及流量、 流向的可控性来达到操舵目的的 w 根据液压油流向变换方法的不同, 有两类： n泵控型 n阀控型 泵控型液压舵机

22、原理图（1） 图8-5 8-2-1 泵控型液压舵机 图85示出泵控型液压舵机的原理图。 w 1电动机，2双向变量泵；3放气阀，4变量泵控 制杆，5 浮动杆，6 储能弹簧，7舵柄，8反馈 杆，9撞杆，10舵杆，11舵角指示器的发送器， 12旁通阀，13安全阀，14转舵油缸，15调节螺 母，16 液压遥控受动器，17电气遥控伺服油缸 w 双向变量油泵设于舵机室，由电动机1驱动作单向回转 n油泵的流量和吸排方向，则通过与浮动杆5的C相连 接的控制杆4控制 n即依靠油泵控制C偏离中位的方向和距离，来决定泵 的吸排方向和流量。 泵控型液压舵机原理图（2） 8-2-1 泵控型液压舵机原理 w 图示舵机采用

23、往复式转舵机构 n由油缸14(固定在机座上)和撞杆9(可在缸中往复运动) 等组成 n当油泵按图示吸排方向工作时 l泵就会通过油管从右侧油缸吸油 l排向左侧油缸 n撞杆9在油压作用下向右运动 (油液可压缩性极小) l撞杆通过中央的滑动接头与舵柄7联接 l舵柄7的一端又用键固定在舵杆10的上端 l撞杆9的往复运动就可转变为舵叶的偏转 n改变油泵的吸排方向，则撞杆和舵叶的运动方向也就 随之而变。 8-2-1 泵控型舵机 - 工作油压与尺寸 w 油泵工作油压取决于推动撞杆所需的力(转舵扭矩) n舵机最大工作压力(pmax)是产生公称转舵扭矩时油泵出口油 压 n舵机油泵的额定排出压力不得低于舵机的pma

24、x npmax选得越高，转舵机构的主要尺寸就越小 l油泵额定流量和管路直径减小，装置的尺寸和重量就会变小 w 资料表明 n当pmax由10MPa提高到20MPa时 l往复式舵机长度大约缩短5一10 l重量约可减轻20 l并使工作油液的使用量减少12左右 n当pmax从20MPa提高到30MPa时 l往复式舵机的长度几乎不变 l重量只减轻69 l而工作油液的使用量也仅减少1618 n进一步提高pmax ，对液压设备生产和管理要求更高 n故目前液压舵机的最大工作油压，多不超过20MPa 8-2-1 泵控型舵机 - 转舵速度 w 转舵速度: n主要取决于油泵的流量 n而与舵杆上的扭矩负荷基本无关 l

25、因为舵机油泵都采用容积式泵 l当转舵扭矩变化时，虽然工作油压也随之变化， 但泵的流量基本不变，对转舵速度影响不明显 n进出港和窄水道航行时，用双泵并联，转舵 速度几乎可提高一倍。 8-2-1 泵控型舵机 - 追随机构 w 多采用浮动杆式追随机构 n浮动杆的控制点A系由驾驶台通过遥控系统 控制 l如把X孔的插销转插到Y孔之中，也可在舵机室 用手轮来控制 n浮动杆上控泵点C与变量泵的控制杆4相连 n反馈点B经反馈杆8与舵柄相连 w 当舵叶和驾驶台上的舵轮处于中位时 n浮动杆即处在用点划线ACB所表示的位置 nC点恰使变量机构居于中位，油泵空转，舵 保持中位不动 A B C 8-2-1 泵控型舵机

26、- 用舵 w 驾驶台给出某一舵角指令 n通过遥控系统，会使A点移至A1 n由于B点在舵叶转动以前并不移动 n所以C点将移到C1 w 于是，油泵按图示方向吸排，舵叶开 始偏转，通过反馈杆带动B点向B1方向 移动 n当舵叶转到与A1给出指令舵角相符时，B 移到B1，C点重回中位 n油泵停止排油，舵就停止在所要求的舵角 上 n浮动杆的位置如图中的实线A1CB1所示。 w 实际上，浮动杆动作并不分步进行 (C 点偏离中位后，泵就排油） B1 A 1 C 1 8-2-1 泵控型舵机 - 回舵 w 当驾驶台发出回舵指令 时 nA点又会从A1移回中位A nC点偏离中位向左，油泵 反向吸排 n舵叶也就向中位偏

27、转，使 B点从B1位置向中位移动 n直到舵叶转到由A点位置 所确定的指令舵角时，C 点重新回中，油泵停止排 油，舵叶也就停转 B 1 A 1 C 1 A 8-2-1 泵控型舵机 - 防浪阀 w 追随机构使油泵在开始和停止排油时流 量逐渐增大和减小 n可减轻液压系统的冲击 w 为防海浪等冲击舵叶时，造成舵杆负荷 过大、系统油压过高和使电机过载 n在油路系统中装设了安全阀(亦称防浪阀) n当舵叶受到冲击以致任一侧管路的油压超过 安全阀的整定压力时 l安全阀开启，油泵两侧管路旁通 l舵叶会偏离所在位置，带动B点，使C点离开 中位，油泵因而排油 n当冲击负荷消失后 l安全阀关闭 l舵叶在油泵的作用下，

28、返回，B点回位 8-2-1 泵控型舵机 - 储能弹簧 w C点偏离中位的距离受泵变量机构最大位移限制 n只有在舵叶带动B点使C点回移后，A点才能继续操舵 n这样，大舵角操舵动作不能一次完成 n使泵流量总在零与最大值间变动 n使操舵者感到不便，同时降低油泵效率和转舵速度 w 为解决这问题，在反馈杆上装了储能弹簧(可双向压缩) n当A点将C点带到最大偏移位置后 n浮动杆就会以C点为支点而继续偏转，压缩弹簧 nA点得以一次到达所要求的大操舵角 n随着舵叶偏转，储能弹簧首先放松，并在其恢复原状后， 才会将B点拉到与A点相应的位置，以停止转舵 n在储能弹簧完全放松以前，B点不动，C点停留在最大 偏移位置

29、(使泵在较长时间内保持Qmax), 加快转舵速度 w储能弹簧的刚度必须适当 n若弹簧太软，则可能使B点先于C点而移动，操舵就无法进行 n如弹簧太强，则大舵角操舵所需操舵力太大，甚至使储能弹簧 不起作用 Cma x 8-2-2 阀控制液压舵机 w 用单向定量油泵 n其吸排方向不变 n油液进出转舵油缸的方向由驾驶台遥控的换向阀来控制 n当换向阀处于中位 l油泵的排油经换向阀旁通，转舵油缸油路锁闭而稳舵 w 油泵和系统比较简单，造价相对较低 w 缺点: n换向阀换向，液压冲击较大，可靠性也相对较差 n阀控型舵机在停止转舵时，泵以最大流量排油，油液发热较 多，经济性差 n阀控型舵机适用功率范围比泵控型

30、小 w 泵控型和阀控型舵机 n尽管工作原理不尽相同 n都是由转舵机构、液压系统和操纵系统等组成 n下面就转舵机构和操纵系统依次加以讨论 w第三节第三节 w液压舵机的转舵机构液压舵机的转舵机构 8-3 液压舵机的转舵机构 w 将油泵供给的液压能变为转动舵杆的机械 能，以推动舵叶偏转 w 根据动作方式不同，可分两大类： n往复式 n回转式 8-3-1 滑式转舵机构 w 是应用最广的一种传统型式 w 它又有十字头式和拨叉式之分 w 十字头式转舵机构 n由转舵油缸、插入油缸中的撞杆以及与舵柄 相连接的十字形滑动接头等所组成 n当转舵扭矩较小时 l常用如图85所示的双向双缸单撞杆的型式 n而当转舵扭矩较

31、大时 l多采用四缸、双撞杆的结构 l如图86(a)所示 十字头式转舵机构 w 十字形滑动接头 n将撞杆往复运动转变为舵的摆动 n两撞杆用螺栓连接，形成两轴承 n两轴承环抱着十字头两耳轴 n舵柄横插在十字头轴承中 w 当撞杆在油压下偏移离中位时 n十字头一面随撞杆移动 n一面带动舵柄偏转（舵杆转动） w 随舵角增加，十字头在舵柄上向外端 滑移 n舵柄有效工作长度，随增大而增大 w撞杆极限行程由行程限制器1l限制 n在舵角超过最大舵角1.5时限止撞杆 n在导板一侧还设有机械式舵角指示器 5 n用以指示撞杆对应舵角 w每个油缸上部设有放气阀12 n以便驱放油缸中空气 滑式转舵机构的受力分析 w 当舵

32、转至任意舵角时 w 为克服水动力矩所造成的力 Q，(与舵柄方向垂直) w 在十字头上将受到撞杆两端 油压差的作用力P w 力P与Q作用方向不在同一直 线上，导板必将产生反作用 力N w 以使P和N的合力Q恰与力Q 方向相反 w 从而产生转舵扭矩以克服水 动力矩和摩擦扭矩 8-3-1 滑式转舵机构受力分析 w转舵力矩 w 上式表明 n在撞杆直径D、舵柄最小工作长度R。和撞杆 两侧油压差P既定的情况下 n转舵扭矩M随舵角的增大而增大，如图所示 w这种扭矩特性与舵的水动力矩的变化趋势相适应 n当公称转舵扭矩既定时，滑式转舵机构尺寸或 最大工作油压较其它转舵机构要小 w 实际工作油压随实际需要的转舵扭

33、矩而变 w由式可知，舵机在实际工作中撞杆两端的油压差 w可见，随着舵角增大，尽管转舵扭矩也在增大， 但COS2却相应减小，所以滑式转舵机构的工作油 压也不会因的增大而急剧增加 2 2 4con DzpR con R con P zzQRM m mm m zRD Mcon P 2 2 4 图8-9 撞杆油缸的密封 8-3-1-1 十字头式转舵机构特点 w (1)扭矩特性良好 n 承载能力较大 n能平衡撞杆所受的侧推力，用于转 舵扭矩很大的场合 w (2)撞杆和油缸间的密封大都采用V型 密封圈 n密封圈由夹有织物的橡胶制成 n安装时开口应面向压力油腔 (P越高，密封圈撑开越大) n密封可靠，磨损后

34、具有自动补偿能力 n密封泄漏时较易发现，更换也较方便 w (3)油缸内壁除靠近密封端的一小段外，不与撞杆接触，故可不经加 工或仅作粗略加工。 w (4)油缸为单作用 w (5)安装、检修比较麻烦。 n必须成对工作，故尺寸、重量较大 n撞杆中心线垂直于船舶首尾线方向，舵机室需要较大的宽度 8-3-1-1 拨叉式转舵机构 w 整根撞杆，撞杆中部有圆柱销，销外套有方形滑块 n撞杆移动时，滑块一面绕圆柱销转动，一面在舵柄的叉形端部中滑动 w 拨叉式与十字头式转矩特性相同 w 侧推力由撞杆承受而无导板，结构简单，加工及拆装方便 w 以拨叉代替十字头，撞杆轴线至舵杆轴间的距离R。可缩减26%，撞杆的 最大

35、行程也因而得以减小 w 占地面积比十字头式减少10 %15，重量减轻10左右 w 但当公称扭矩较大时，则仍以采用十字头式为宜 8-3-1-2 滚轮式转舵机构 w 结构特点 n在舵柄端部的滚轮代替滑式机构中的十字头或拨 叉 n受油压推动的撞杆，以顶部顶动滚轮，使舵柄转 动 w 这种机构不论舵角如何变化 n通过撞杆端面与滚轮表面的接触线作用到舵柄上 的推力P，始终垂直于撞杆端面，而不会产生侧推 力 8-3-1-2 滚轮式转舵机构 w 推力P在垂直于舵柄轴线方向的分力可写为 w 式中：R。滚轮中心到舵杆轴线的距离 w 上式表明 n在D、R。和Pmax既定时，滚轮式转舵机构所能产生的转舵扭 矩将随。的

36、增大而减小 n扭矩特性在坐标图上是一条向下弯的曲线 n在最大舵角时，水动力矩较大，而滚轮式这时所产生的扭矩 反而最小，只达到滑式机构的55%左右 n在实际中，随着的增大，该机构P比滑式增加快 pconDPconQ 2 4 mm RzpoDzQRM 0 2 cos 4 8-3-1-2 滚轮式转舵机构的特点 w (1)撞杆与舵柄之间没有约束，无侧推力 n结构简单，加工容易，安装、拆修都较方便 w (2)每个油缸均与其撞杆自成一组 n可根据实际需要，分别采用单列式、双列式或上下重迭式等 不同的布置形式，提高了布置上的灵活性 w (3)滚轮与撞杆间的磨损可自动进行补偿 w (4)扭矩特性差 n要达到同

37、样的M，须用比滑式更大的结构尺寸或P n限制了它在大扭矩舵机中的应用 w (5)当舵叶在负扭矩作用下转动时 n如果系统有泄漏；或在稳舵时油路锁闭不严，则滚轮就有可 能与某侧撞杆脱开而导致敲击 n在某些机构中，滚轮与撞杆之间增设板簧拉紧机构 8-3-1-3 摆缸式转舵机构 w 结构特点: w 采用两个摆动式油缸1和双作用的活塞2 (也可单作用) w 转舵时 n活塞在油压下往复运动，两油缸相应摆动 n通过与活塞杆铰接的舵柄，推动舵叶偏转 w 由于转舵时缸体必须作相应摆动 n必须采用有挠性的高压软管 8-3-1-3 摆缸式转舵机构 w 摆缸式机构转舵时 n油缸摆角将随油缸的安装角(中舵时油缸摆角)和

38、舵 转角而变 n一般使中舵时最大 n最大舵角时为零或接近于零 n但不论舵角如何， 角总是很小 n如果忽略，摆缸式与滚轮式扭矩特性相同 8-3-1-3 摆缸式转舵机构特点（1） w (1)用双作用活塞代替了单作用的撞杆 n提高了油缸的利用率 n其外形尺寸和重量可大大减小 w (2)各油缸与其活塞均自成一组 n而且油缸与支架、活塞杆与舵柄均采用铰接 n结构简单，安装也较方便 w (3)由于采用了双作用活塞 n对油缸内表面的加工精度、活塞杆与油缸的同轴度、以及 活塞与油缸间的密封等都有较高的要求 8-3-1-3 摆缸式转舵机构特点（2） w (4)当活塞的密封性因使用日久而变差时 n转舵速度就会变慢

39、，运行的经济性也将降低 n而检查和更换密封件又不如撞杆式方便 n当铰接处磨损较大时，工作中也会出现撞击 w (5)系统工作时 n理论排油量和进油量严格说来并不完全相等 n如果使用奇数的双作用活塞式油缸(在应急情况下) 则相差更为明显，所以在油路中必须采取容积补偿 措施 w (6)扭矩特性不佳(与滚轮式类同) n除个别采用四缸结构者公称扭矩较大外，一般大多 见诸于功率不大的舵机中 8-3-2 回转式转舵机构 w 图示为三转叶式转舵机构 w 油缸内部装有三个定叶 n通过橡皮缓冲器安装在船体上 w 三个转叶与舵杆相固接 n由于转叶与缸体内壁和上、下端 盖之间 n及定叶与转毂外缘和上、下端盖 之间，均

40、设法保持密封 n故借转叶和定叶将油缸内部分隔 成为六个小室 w 当经油管6从三个小室吸油， 并排油人另外三个小室 n转叶就会在液压作用下通过轮毂 带动舵杆和舵叶偏转 8-3-2 转叶式机构的转舵扭矩 w 可用下式表示: 式中：z 转叶数目 P转叶两侧油压差，Pa； A每个转叶的单侧面积，m； Ro转叶压力中心至舵杆轴线间的距离，m； m机械效率，一般为0.750.85。 w 上式表明 n转叶式机构所能产生的转舵扭矩与舵角无关 n扭矩特性在坐标图上是一条与横坐标平行的直线 m zPRM 8-3-2 转叶式转舵机构的特点 w (1)占地面积小，重量轻，安装方便。 w (2)无须外部润滑 n管理简便

41、；舵杆不受侧推力，可减轻舵承磨损 w (3)扭矩特性不如滑式，比滚轮式和摆缸式好 w (4)内泄漏部位较多 n密封不如往复式容易解决 n容积效率低，油压较高时更为突出 w (5)内部密封问题是其薄弱环节 n工作油压不超过4MPa左右，限制了它在大功率舵 机中的应用 n随着密封材料和密封形式的不断改进，Pmax已可 达1015MPa，转舵扭矩也提高到3000 kNm 左 右 AEG型转叶式油缸 8-3-2 AEG型转叶油缸特点 w 翻边端盖与空心的轮毂3制成一体，然后用V形密封圈9 和压盖8防止油外漏 w 这种结构的端盖能够承受较高的油压而不易变形，同时 又可避免转叶和端盖间的泄漏。而用球墨铸铁

42、制造的转 叶4和定叶5，则用由高强度钢制成的定位销和内六角螺 钉分别固定在铸钢的转子3和缸体2上，并用在背后装有 O形橡胶条的钢制密封条7来保证各工作腔室间的密封 w 该型结构的耐压能力较强，工作油压一般可用到10MPa 或更高，同时可保持9698的容积效率 w 整个转子的重量完全由舵杆轴承来承担，而油缸本体2 则通过螺栓12和橡皮缓冲器13支撑于两缓冲架10上，同 时在上、下主油路，缸体凸缘的内侧与固定支架的顶部 与底部之间预留一定的间隙，以便吸收油缸在工作中可 能产生的微量窜动和横向振动。 第四节 液压舵机的遥控系统 8-4 液压舵机的遥控系统 w 随动操舵系统 n发出舵角指令后，不仅可使

43、舵按指定方向转动，而 且在舵转到指令舵角后还能自动停止操舵的系统 w 自动操舵系统 n在船舶长时间沿指定航向航行时使用，它能在船因 风、流及螺旋桨的不对称作用等造成偏航时，靠罗 经测知并自动发出信号，使操舵装置改变舵角，以 使船舶能够自动地保持既定的航向 w 非随动操舵系统 n只能控制舵机的起停和转舵方向，当舵转至所需要 的舵角时，操舵者必须再次发出停止转舵的信号， 才能使舵停转 n通常既可在驾驶台，也可在舵机室操纵，以备应急 操舵或检修；调试舵机之用 8-4 液压舵机的遥控系统 w 根据传递操舵信号方法不同，遥控系统可分为 n机械式、液压式和电气式等 n现代船舶大多采用电气遥控系统 8-4-

44、1 伺服油缸式遥控系统 w由电气遥控和液压伺服两部分组成 n前者将驾驶台发出的操舵信号传递到舵 机室 n而后者则将信号转换成伺服油缸活塞杆 的位移，然后再通过浮动杆式追随机构 控制主油泵的变量机构，以实现远距离 操舵 伺服油缸式舵机遥控系统 定量叶片油泵7 压力油 单向阀6 溢流节流阀 4 三位四通电磁换向阀3 换向阀处于中位时 油路PT沟通 压力油经滤器9 油箱 伺服油缸不动，舵叶不转 当驾驶室使换向阀通电 换向阀芯移向一侧 压力油 经PA或PB油路 顶开油 路锁闭阀2相应一侧的单向阀 进 入伺服油缸1的相应的空间 回油 压力油 还将阀2回油一侧的单向 阀顶开 以使伺服油缸回油侧的 油液能够

45、流回油箱 8-4-1 伺服油缸式遥控系统 w 伺服活塞在油压差作用下， 向相应一侧移动 n活塞杆带动反馈信号发送器向 驾驶台传送反馈信号 n当反馈信号与驾驶室发出的操 舵信号抵消 l换向阀3电磁线圈断电 l换向阀回中 l伺服活塞停在要求舵角位置 w 活塞杆另一端控制浮动杆 n主泵使舵转至相应舵角 n伺服活塞最大移动位置受限位 开关(换向阀线圈断电)限制， 以限制最大操舵角 8-4-1 伺服油缸式遥控系统 w 油路锁闭阀2 (密封性比换 向阀好) n在换向阀回中时锁闭油路 l防浮动杆传来的反力使活塞 位移 n在有两套互为备用的油路共 用一个伺服油缸时 l将备用油路严密锁闭，以免 影响工作 w 溢

46、流节流阀4 n调节系统油量 n使伺服活塞有合适移动速度 w 安全阀5 n防止系统油压过高 n其整定压力决定伺服活塞最 大输出力的大小 8-4-1 伺服油缸式遥控系统 w 液控旁通阀8 n装置起动后，泵排压将其推至 截断位置 l以保证系统正常工作 l最低控制P应不小于0.4 0.8MPa n当改用其它备用操纵机构时 l因泵停止排油而回到旁通位置 l而不致妨碍其它操纵机构工作 w 单向阀6 n在换向阀回到中位时 l能向液控旁通阀8提供足够的 控制油压 l以保证阀8确能移到隔断位置 n启阀压力为0.60.8MPa 8-4-2 交流伺服电机式遥控系统 w 前述遥控系统采用了液压伺服系统，会增加维护管理

47、的工作量，使 发生故障的机会增加 w 是采用浮动杆追随机构同时控制两台主油泵，当一台主泵变量机构 卡阻时，为了保证操舵的需要就必须使该台主泵与浮动杆脱开，否 则另一台主泵也将无法操纵，这种情况显然不能满足钢质海船入级 与建造规范关于万吨以上油轮必须能在45s内排除单项故障的要求 w 比较先进的舵机操纵系统不但控制电路采用了无触点控制，有的并 取消了浮动杆追随机构 w 下面介绍的HSH式舵机遥控系统即属这方面的一个例子， n在HSH遥控系统中，共有两套同样的随动操舵系统 n两套系统各控制一台油泵 n由于它们彼此之间并没有直接的机械联系 n在只用一台油泵操舵时，另一台油泵的变量机构就不会随之动作，

48、因 而万一某台工作油泵伺服滑阀卡住时，就可迅速地实现油泵的换用 n必要时也可同时使用两套泵组，以便加快转舵速度。 HSH舵机遥控系统 8-4-2 HSH式舵机遥控系统 w 将驾驶室的操舵轮转动给出某一方向的操舵角时 n发送自整角机发出一个方向与相对应、大小与成比例的电信号 n此信号经放大后控制舵机室里的交流伺服电动机，使与之相联的法 兰盘10以相应的方向和转矩克服回中弹簧11的阻转矩而偏转 n通过角杆2、连杆3，带主油泵伺服变量机构的伺服滑阀5移动相应 位移 n如阀5右行，则主泵的控制油除通人差动活塞6右侧外，又经被开启 的油口口和油口凸进入差动活塞作用面积较大的左侧，差动活塞也 随之左移，直

49、至油口又重新被阀5盖住 n如阀5相对活塞6左行，则6左侧压力油经油口凸、阀5内通道c及油 口d泄往泵7壳内，则活塞6左移，直至泄油通道重新被阀5盖住为止。 w 差动活塞偏离中位即带动径向柱塞泵7的浮动环偏离中位 n泵即按相应方向排油转舵 n同时舵柄经连杆带动反馈自整角机作相应的转动 w 当舵角转至指令舵角时 n反馈自整角机发出的反馈信号与控制信号相抵消，伺服电机的控制 信号为零，输出转矩消失，法兰盘10在回中弹簧U作用下回中 n变量泵7在伺服机构作用下也回至零位，舵即停止转动 第五节 舵机液压系统实例 8-5-1泵控型舵机液压系统 w 双向变量泵作主泵 w 一般都采用闭式液压系统 n液压回路是

50、闭式循环，工作油液不回油箱， 而回到变量泵的吸人端，只需向系统补充少 量油液来弥补其泄漏 w 图817为典型国产泵控型舵机液压系统 原理 n用斜盘式轴向柱塞变量泵作为主油泵 n采用直流伺服电机式电气遥控系统和浮动杆 追随机构 图片 8-5-1-1 工况的选择 w 两台并联主泵，四个柱塞油缸 n其中1#、 3# ，和2#、 4#缸各成一组 n分别与主泵两根主油管相连，可根据需要选用不同工况 w 工况选择阀采用两个集成阀块，包括12个单向截止阀 nC1C4 称缸阀，平时常开， nO1O4 称旁通阀，平时常闭 l如果某油缸因故不能工作(严重泄漏) l可将它与另一只油缸(如1#和3# )一起停用 l只

51、要将停用的一对缸的缸阀关闭，一对旁通阀开启即可 l有的工况选择阀采用双阀座阀, (缸阀关闭的同时开启旁通阀) nP1一P4称泵阀，平时常开 l驾驶台随时能启用任一台泵 l只有当主泵损坏需要修理时才将其一对泵阀关闭 8-5-1-1 工况的选择 w 单泵四缸工况 n适于开阔水面正常航行 n其最大扭矩等于公称转舵扭矩 n转舵时间能满足规范要求 w 双泵四缸工况 n适于进出港、窄水道航行或其它要求转舵速度较快的场合 n转舵速度较单泵四缸工况提高一倍，而转舵扭矩相同 w 单泵双缸工况 n在某缸有故障时采用 n转舵速度约较单泵四缸工作时提高一倍 n转舵扭矩则比四缸工作减小约一半 n必须用限制舵角(或降低速

52、度)的方法来限制水动力矩 l否则工作P可能超过Pmax而使安全阀开启 8-5-1-2 主油路锁闭 w 在主油路（主泵）上，装有成对的主油路锁闭阀 w 本例采用双联液控单向阀13A、13B n任何一台主油泵离开中位向任一方排油时 l其主油路上的一对液控单向阀便同时开启 l保证油路畅通 n当主泵停用或处于中位时 l这对阀自动关闭，以实现主油路的锁闭 w 这种锁闭阀属主泵启阀式 n可调节流阀14A、14B用来调节液控单向阀中控制油的流速 n使主油路上单向阀及时开启回油，又使它在舵受负扭矩时关闭的速度 尽可能减缓 n但当舵上负扭矩较大时，回油侧单向阀仍然难免骤然关闭，而产生撞 击 8-5-1-2 主油

53、路锁闭 w 主油路锁闭阀作用： n(1)锁闭备用泵油路 l防止工作泵排油经备用泵倒流旁通 l备用泵与工作泵的变量机构彼此连接同步动作 l如果不将备用泵油路锁闭，它会反转 n(2)工作泵回到中位时 l将油路锁闭，以防跑舵 l当舵停在某一舵角时，在水压力作用下，两组油缸存在油压差 l泵内难免有泄漏，如果主油路不锁闭，舵停久了就可因泄漏而跑舵 n以上两点前者主要，后者在泵密封性较好时影响不明显 w 有舵机主油路锁闭阀采用辅泵启阀式 n由辅泵排油开启 n不仅使主油路压力损失较小，又在辅泵失压时停止转舵 n这时锁闭阀在工作泵回中时，不起油路锁闭作用 n当主泵装有机械防反转装置时，可不设主油路锁闭阀 8-

54、5-1-3 补油、放气和压力保护 w 闭式系统都需要解决补油问题 n主泵排出侧油液难免有外漏 n转舵油缸中柱塞的位移容积就不足以补偿主泵所吸 走的油液容积，吸人压力便会降低，从而产生气穴 (或吸进空气)，使泵的流量减小，噪音增加，甚至 造成泵零部件的损坏 n为此，本系统设有辅泵3，经减压阀7以及单向阀8A、 8B向低压侧油路补油 n若舵机主泵吸人性能好，允许有较低的吸人压力或 有吸人真空度，也可不用辅泵补油，而只设补油柜， 用补油管从油柜经单向阀接到主泵两根主油路上， 以使在吸入侧压力降低时进行补油。 8-5-1-3 补油、放气和压力保护 w 系统在各油缸顶部和油管高处设放气阀 n以便在初次充

55、油或必要时放气 w 液压系统可以被隔断的各部分都需要分别设 安全阀(15A、15B) w 安全阀的作用是： n(1)在转舵时防止油泵排油侧压力超过最大工作压 力过多，以免油泵过载， n(2)在停止转舵时，当海浪或其它外力冲击舵叶而 导致管路油压过高时开启，使油路旁通，以保护 管路、设备的安全 8-5-1-4 辅油泵的作用 w 泵控式舵机液压系统大多设有辅泵，其流量一般不低于主 泵流量的20，本系统所设辅泵3是齿轮泵，其功用如下： w (1)为主油路补油。补油压力由减压阀7调定为08MPa左右。 w (2)为主油泵伺服变量机构提供控制油。 n主泵伺服变量的机构控制油虽可经泵内的单向阀内供，但为了

56、在主 泵零位起步时提供控制油压和保证备用泵变量机构与工作泵同步动 作，故还设有单向阀9A、9B和常开的旁通阀10，以使工作泵的辅泵 能向两台主泵变量机构同时供油 n所用的控制油压则由溢流阀11调定为15MPa左右。 w (3)冷却主泵 n以溢流阀11的溢油进人主泵壳体再流回油箱，以便对主泵起冷却和 润滑作用 n这对保证主泵在零位时的可靠运行颇有好处 n有的舵机辅泵还为伺服油缸式遥控系统或电液换向阀提供控制油， 用油压开启主油路锁闭阀。 8-5-2 阀控型舵机液压系统 w 采用定量油泵为主油泵 w 使用电气遥控系统操纵电磁换向阀或电液换向 阀，来控制油液流向和转舵方向 w 油路采用 n闭式 n半

57、闭式 n开式 w 图818为典型的阀控型舵机的液压系统 w 系统工作原理如下： 哈特拉伯R4V型舵机液压系统 8-5-2-1 阀控型舵机-工作原理 w M型液动换向阀6 n控制转舵油液流向 n兼作主油路锁闭阀 n电气遥控的H型电磁换向阀5做导阀 w 先导式溢流阀(主阀3和导阀4) n整定压力为24MPa n当换向阀5中位时，主油泵卸荷（溢流阀3外控油口通油箱） n当换向阀离开中位时，其开启压力由导阀4整定 l主泵排油压力升高，控制阀6的偏移及经阀6去转舵 l达到指令舵角时，电反馈信号使阀5断电回中，主泵重新卸荷 w 高置油箱可经单向阀1向系统补油 w 只有在转舵时工作油液才进行封闭循环 n在停

58、止转舵时，泵的排油全部排人油箱，利于油液散热 8-5-2-2 阀控型舵机-工况选择 w 设有手动工况选择阀： n缸阀Cl C4 n泵阀P1P4 n旁通阀U1U4 w 正常工作时 nUl、U2常闭 n其余阀常开 w 当用No2泵带l、2缸工作时 n应关闭P1、P2：U1，其余阀全开 w 当用No1泵带3、4缸工作时 n应关闭P3、P4、U2，其余阀全开 8-5-2-3 阀控型舵机-自动安全切换 w 在两组油缸之间装有自动安全切换装置 n必要时自动使一对油缸与主油路隔断，并彼此旁通 w 工作原理如下： n当舵机某一套系统因油管破裂而严重失油时 l补油箱中液位降低 l开关Sl动作报警 l经过30s左

59、右后，液位开关S2动作 l自动转换工作油泵，并使电磁导阀8线圈Yl通电 w阀8左移 w主泵油单向阀减压阀10（3MPa）阀8 液动阀9右移 w使故障油缸3、4与工作主油路隔离并旁通 w舵机自动转换为以1、2油缸工作 8-5-2-3阀控型与泵控型舵机比较 w 与泵控型舵机相比 w 阀控型泵和系统简单，初置费用较低 w 缺点 n换向时液压冲击大 n阀工作可靠性也不如泵控型 n停止转舵时主泵流量并不减少(虽然排压较低)，油 液发热，经济性差 w 阀控型系统一般只用于中小功率场合 w 阀控型舵机可采用开式系统 n油液在油箱中可较好散热和沉淀杂质 n但油箱容积较大，空气和杂质进入系统机会较多 第六节 液

60、压舵机的管理 8-6-1 舵机的充油和调试 w 1系统的清洗和充油 n 舵机安装完正式充油前，须对油箱和系统彻底清洗 n用专门的清洗油进行清洗 n加热到3040 n清洗油粘度应足够低（对脏物有较强的溶解和冲洗 能力） n一般选用环烷基油较为适宜 n如清洗油不易从系统里放净 l在其中添加防锈剂和抗氧化剂，注意它与液压油的相容性 n系统清洗时用临时油泵，循环冲洗，专门滤器 n清洁油箱时不得使用棉纱织物，油箱内壁不得涂复 可能脱落的油漆 8-6-1 舵机管理-系统的充油步骤 w (1)开启系统中各放气阀、旁通阀及其它各阀 w (2)将工作油加入补油箱(闭)或循环油箱(开) n达最高油位 n如油泵系初