船舶操纵设备概论课件

1、船舶设备第一章 船舶操纵设备2022/8/51第一章 操船设备（舵设备）第1页，共116页。第一章 操船设备航行设备之一，操纵系统之一掌握的内容： 舵设备的作用、种类； 舵设备水动力特征计算；（流力） 零件、部件强度计算；（材力，结构力学） 舵机选型、舵系布置；（动力装置） 舵叶、舵杆、及其连接件等； 襟翼舵、导管舵等其他操船设备。 2022/8/52第一章 操船设备（舵设备）第2页，共116页。第一节：操船设备概述舵设备的作用、组成和类型舵设备的构造2022/8/53第一章 操船设备（舵设备）第3页，共116页。一、舵设备的作用、组成和类型舵的作用舵的组成舵的分类2022/8/54第一章 操

2、船设备（舵设备）第4页，共116页。舵的作用舵的作用概述: 1. 舵是如何发展来的？是从什么地方演变来的？ 篙桨帆橹2022/8/55第一章 操船设备（舵设备）第5页，共116页。舵的作用舵的作用概述:2.舵的作用是如何体现在船舶操纵性上的？ 或者说：船舶操纵性能包含哪两个相互有关的性能？2022/8/56第一章 操船设备（舵设备）第6页，共116页。船舵和发展 “深涉南海数万里，千万人之命直奇于一柁”杜甫 舵是远洋航行的三大要件（舵、帆、指南针）之一。 史称“轩辕作舟，夏禹作舵” 至迟到东汉我人民已发明船舵，广州东汉墓出土的陶船模型上有舵（拖舵）。 拖舵应用至少延至隋唐。 垂直舵至迟不迟于宋

3、。第7页，共116页。定义船舶尾流控制器或操纵器舵置于船尾的平板，用以对船体产生横向力，使船舶变向、回转。舵设备舵和操舵装置的总称。第8页，共116页。舵的作用（续）2022/8/59第一章 操船设备（舵设备）第9页，共116页。舵的作用（续）航向运舵状态 ： 2022/8/510第一章 操船设备（舵设备）第10页，共116页。舵的作用（四）舵效及产生舵效的原理 ： 船用舵是小展弦比的平板或机翼型结构，设置于船尾端，当舵转动时，舵上产生的水动力合力在垂直于船体中心线的方向上的分力相对于船体舯剖面形成了转船力矩。2022/8/511第一章 操船设备（舵设备）第11页，共116页。舵的作用（续）船

4、舶线型特点和船舶操纵性有什么关系？ 内河船和海船线型的不同特点？2022/8/512第一章 操船设备（舵设备）第12页，共116页。舵的作用（续）2022/8/513第一章 操船设备（舵设备）第13页，共116页。舵的作用（续）2022/8/514第一章 操船设备（舵设备）第14页，共116页。2022/8/515第一章 操船设备（舵设备）第15页，共116页。舵的作用（续）2022/8/516第一章 操船设备（舵设备）第16页，共116页。舵的作用（续）2022/8/517第一章 操船设备（舵设备）第17页，共116页。舵的作用（续）长鹰5号总布置图长鹰5号型线图2022/8/518第一章

5、操船设备（舵设备）第18页，共116页。舵的作用（续）2022/8/519第一章 操船设备（舵设备）第19页，共116页。舵的作用（续）舵的作用在（桨）舵配合下，具有稳定航向、改变航向和作回转运动的功能。讨论：对于水下潜器的舵应该是何种型式？如何进 行控制？2022/8/520第一章 操船设备（舵设备）第20页，共116页。舵的作用（续） 本次作业： 除舵设备外还有哪些常用船舶操纵机构或装置？试分析它们的作用原理。2022/8/521第一章 操船设备（舵设备）第21页，共116页。2. 舵设备组成 （一）舵操舵装置 主操舵装置辅助操舵装置2022/8/522第一章 操船设备（舵设备）第22页，

6、共116页。2022/8/523第一章 操船设备（舵设备）第23页，共116页。舵设备组成 （二） 主操舵装置：2022/8/524第一章 操船设备（舵设备）第24页，共116页。舵设备组成 （三） 主操舵装置：2022/8/525第一章 操船设备（舵设备）第25页，共116页。舵设备组成 （四）主操舵装置包括： 操舵装置：操舵器、舵角指示器、传动装置 （人力和机动） 舵机：动力与转舵机构 转舵装置：舵柄、舵扇 止舵装置 ：限位开关2022/8/526第一章 操船设备（舵设备）第26页，共116页。2022/8/527第一章 操船设备（舵设备）第27页，共116页。传统液压舵机大型柱塞拨叉式液

7、压舵机2022/8/528第一章 操船设备（舵设备）第28页，共116页。传统液压舵机小型柱塞拨叉式液压舵机2022/8/529第一章 操船设备（舵设备）第29页，共116页。传统液压舵机活塞式液压舵机2022/8/530第一章 操船设备（舵设备）第30页，共116页。转叶式舵机产品特点 ：1.转叶式舵机, 致密的结构, 所有活动零部件组成一体, 内置式自润滑的径向和轴向轴承. 2. 液压单元安装在舵机两侧, 避免了由管路造成的压力损失, 振动和噪声等. 3.动力单元与执行机构, 各种阀件间的管路出厂前已连好, 毋须到货后再做管路窜洗工作, 有效避免各种杂质进入液压系统.2022/8/531第

8、一章 操船设备（舵设备）第31页，共116页。舵设备组成 （五）舵：舵叶 舵杆 连续杆 支承部件 统称舵系2022/8/532第一章 操船设备（舵设备）第32页，共116页。舵叶结构和制造方法2022/8/533第一章 操船设备（舵设备）第33页，共116页。船舵分类（一） 1.一般分类 按舵叶截面形状区分:单板舵 复板舵 流线型舵 按支承方式区分 :多支承 双支承 单支承 按舵面积对转轴的分布区分:不平衡舵 平衡舵 半平衡舵 2022/8/534第一章 操船设备（舵设备）第34页，共116页。船舵分类（二） 2022/8/535第一章 操船设备（舵设备）第35页，共116页。船舵分类（三）称

9、法：支承类型截面形状分布情况。如：多支承流线型半平衡舵普通不平衡舵装置： 舵柱后面（单桨船）呆木后面（非自航船，某些双桨船） 半悬挂舵装置： 呆木后面（双桨单舵船）尾支架后面（舵在桨后的单桨或多桨船）2022/8/536第一章 操船设备（舵设备）第36页，共116页。船舵分类（四）2.流线型舵及改进形式 ：流线型舵的优点 ：流线型舵的种类 ： 单体舵 复体舵 半平衡复体舵 流线型改进形式 ： 增进推进效率 提高舵压力 2022/8/537第一章 操船设备（舵设备）第37页，共116页。船舵分类（五）增进推进效率 加导流罩 整流反应舵 2022/8/538第一章 操船设备（舵设备）第38页，共1

10、16页。船舵分类（六）问题讨论：1：该舵叶导缘部分在靠近中间部分（黑色笔标出），这种结构的作用是什么？2：该桨叶前端又增加了四个小桨片（见蓝色标记）其作用是什么？3：用绿色标记的结构其安装在此处的作用是什么？2022/8/539第一章 操船设备（舵设备）第39页，共116页。船舵分类（七）2022/8/540第一章 操船设备（舵设备）第40页，共116页。船舵分类（八）提升舵压力 蒂姆舵（鱼尾舵） 希林舵 复体舵 2022/8/541第一章 操船设备（舵设备）第41页，共116页。船舵分类（九）2022/8/542第一章 操船设备（舵设备）第42页，共116页。船舵分类（十）特种舵主动舵、襟翼

11、舵、转柱舵 2022/8/543第一章 操船设备（舵设备）第43页，共116页。舵的构造（自学）问题： 1. 舵钮和舵销是否可拆卸，它位于船舵的什么地方？ 2. 舵是否需要水密？如何加工才能保证水密和强度？ 3. 舵叶上注水塞、放水塞、吊环起什么作用？ 4. 舵内部骨架？2022/8/544第一章 操船设备（舵设备）第44页，共116页。舵之几何要素及水动力特性 第二节2022/8/545第一章 操船设备（舵设备）第45页，共116页。舵之几何要素及水动力特性 舵几何尺度描述 舵的水动力特性2022/8/546第一章 操船设备（舵设备）第46页，共116页。舵几何尺度描述（一）外形：舵高 ：h

12、舵宽 ：b舵面积：A舵展弦比 ：舵平衡比 ：e舵剖面 ：2022/8/547第一章 操船设备（舵设备）第47页，共116页。舵几何尺度描述（一）2022/8/548第一章 操船设备（舵设备）第48页，共116页。舵几何尺度描述（二）舵面积总面积AR不转舵，在中线面的投影。平衡部分面积AC转轴前部分面积。舵框架部分面积AP复体舵固定部分。（舵柱）舵托架面积 半平衡复体舵固定部分。综合舵面积AKARAP（舵柱或托架面积）2022/8/549第一章 操船设备（舵设备）第49页，共116页。舵几何尺度描述（三）舵展弦比展长同弦长比值h/b。 a）矩形： b) 任意形： c）综合体： （或 ）2022/

13、8/550第一章 操船设备（舵设备）第50页，共116页。舵几何尺度描述（四）舵平衡比（对平衡舵而言） e影响舵机功率 2022/8/551第一章 操船设备（舵设备）第51页，共116页。舵几何尺度描述（五）舵剖面垂直轴平面切出的舵叶截面 分类：对称剖面与不对称剖面 参数 国内常用剖面形状2022/8/552第一章 操船设备（舵设备）第52页，共116页。舵几何尺度描述（六）2022/8/553第一章 操船设备（舵设备）第53页，共116页。舵的水动力特性（一）机翼上流体作用力简述 水动力换算关系 影响水动力特性的因素 2022/8/554第一章 操船设备（舵设备）第54页，共116页。舵的水

14、动力特性（二）机翼上流体作用力简述 2022/8/555第一章 操船设备（舵设备）第55页，共116页。舵的水动力特性（三）水动力换算关系 合力及各分力换算水动力系数根据流体力学理论2022/8/556第一章 操船设备（舵设备）第56页，共116页。舵的水动力特性（四）合力及各分力换算 水动力对导边前缘矩 水动力对舵杆轴线矩（扭矩）2022/8/557第一章 操船设备（舵设备）第57页，共116页。舵的水动力特性（五）水动力系数根据流体力学理论 为水动力系数 2022/8/558第一章 操船设备（舵设备）第58页，共116页。舵的水动力特性问题1： 为什么要引入无因次系数？ 2022/8/55

15、9第一章 操船设备（舵设备）第59页，共116页。舵的水动力特性问题2： 引入无因次系数,是为了便于将试验资料应用于不同尺度、速度的实际机翼上，并且便于机翼与机翼之间的水动力特性比较。为什么？ 2022/8/560第一章 操船设备（舵设备）第60页，共116页。舵的水动力特性（六）总结：由流体力学相似理论可知，几何形状相似的机翼无论尺寸大小如何，相同流态中 、 、 值都相等，其一组实验值可应用于几何形状相似、大小不等的一系列机翼上去。 选取舵时，（阻力）愈小愈好，以比值 表示，即机翼效率，或 ，2022/8/561第一章 操船设备（舵设备）第61页，共116页。舵的水动力特性（七）影响水动力特

16、性的因素展弦比，厚度比 ，外形，剖面形状，楔形度 2022/8/562第一章 操船设备（舵设备）第62页，共116页。舵的水动力特性（八）影响水动力特性的因素展弦比射流V除对舵产生升力外，在舵叶上下两端环绕至叶背，产生涡流，在较小时，情况更严重。环绕涡流使叶面压力差变小，舵升力下降。翼端绕流使叶面产生诱导速度0，其合力方向 使射流角 ，从而极限舵角范围内 ，故 。所以的影响，实质是由于翼端绕流损失，以及舵叶上界层分离现象所产生的。2022/8/563第一章 操船设备（舵设备）第63页，共116页。舵的水动力特性（九）影响水动力特性的因素-展弦比思考题：解释对 影响的原因？ 2022/8/564

17、第一章 操船设备（舵设备）第64页，共116页。舵的水动力特性（十）影响水动力特性的因素厚度比 (= ，表示舵剖面形状的特征系数)实验证明：对小翼形舵， 对水动力特性，尤其是 影响大。 2022/8/565第一章 操船设备（舵设备）第65页，共116页。舵的水动力特性（十一）影响水动力特性的因素外形舵面积与舵效 在极限舵角内，舵角一定，舵面积大，舵效好。但面积过大，超过极限，会增加航行阻力，增大舵机负荷，影响船舶稳定性。2022/8/566第一章 操船设备（舵设备）第66页，共116页。舵的水动力特性（十二）影响水动力特性的因素外形2022/8/567第一章 操船设备（舵设备）第67页，共11

18、6页。舵的水动力特性（十三）影响水动力特性的因素楔形度 楔形上厚下薄， 最高，有楔形 提高9。2022/8/568第一章 操船设备（舵设备）第68页，共116页。舵的水动力特性（十四）影响水动力特性的因素剖面形状前缘丰满，外形微有凹陷，水动力特性要好一些。但要考虑加工工艺、成本。 2022/8/569第一章 操船设备（舵设备）第69页，共116页。小结舵的水动力特性及计算方法；影响水动力特性的因素。2022/8/570第一章 操船设备（舵设备）第70页，共116页。第三节：舵系设计计算2022/8/571第一章 操船设备（舵设备）第71页，共116页。7000t散货船总布置图2022/8/57

19、2第一章 操船设备（舵设备）第72页，共116页。本章作业完成万吨重吊船操纵设备设计和计算 1. 作业任务书 2.船舶的总布置图 3.船舶说明书 4.船舶型线图 5.船舶性能试验报告2022/8/573第一章 操船设备（舵设备）第73页，共116页。目的、内容及步骤 （一）目的 计算各舵角下，舵受的流体合力及力矩。并以此作为结构设计、强度计算、零件选配、估算舵机功率之依据。按正、倒车两种状态进行，倒车起校核作用。原理同正车，随边作导边，航速按规范取。海船取设计航速一半 2022/8/574第一章 操船设备（舵设备）第74页，共116页。目的、内容及步骤 （二）设计计算内容及步骤 （1）确定舵的

20、型式与数量、相对桨的位置 （2）选择舵面积 ， ;（3）水动力影响规律及船体型线、确定有关要素。（剖面形状、展弦比、外形、厚度比、平衡系数） （4）计算水动力；（5）舵叶设计和规范计算，各种附属件设计计算；（6）舵主要零件强度计算（强度高、重量轻、价格低）；（7）确定操舵系统、操舵装置和舵机功率。 2022/8/575第一章 操船设备（舵设备）第75页，共116页。舵型式、数量选择、舵位置确定（1） 舵型式 舵数目 舵与桨的配合舵位置 2022/8/576第一章 操船设备（舵设备）第76页，共116页。舵型式、数量选择、舵位置确定（2） 舵型式 舵型式选择通常由船舶运行条件决定。目前常用流线型

21、平衡舵。设置平衡舵，合理选择平衡系数，可以得到最小的舵杆力矩值 。海船：流线型平衡舵内河与浅水：悬挂敞开式（椭圆）尾：很好配合半悬挂平衡舵。2022/8/577第一章 操船设备（舵设备）第77页，共116页。舵型式、数量选择、舵位置确定（3） 舵数目 舵数目决定于船型、船舶参数，而主要是桨轴数目。舵数目多，可靠性高，展弦比相对加大，但布置复杂，重量增加，建造、维修成本增加。单舵一般运输船舶、机构简单、正对桨、充分利用尾流。双舵内河船、吃水浅、避免太小，操纵性。多舵浅吃水、操纵性要求高、工程推拖舵数目与桨数目相关，从尾流控制概念，船、桨、舵效综合考虑。2022/8/578第一章 操船设备（舵设备

22、）第78页，共116页。舵型式、数量选择、舵位置确定（4） 舵与桨的配合舵位置 满足操舵原理，远离船舶回转中心（近于舯），远离船舶重心。置于桨后的高水流区，尽量靠近桨盘，以 ；有良好的保护（上、下、前后缘均保护）；舵位置应与船尾形状配合；考虑多舵效果；2022/8/579第一章 操船设备（舵设备）第79页，共116页。舵面积 确定 （1） 的确定方法： 问题：为什么确定舵面积是舵设计最主要的一个环节？2022/8/580第一章 操船设备（舵设备）第80页，共116页。舵面积 确定 （2） 的确定方法 型船换算法 统计方法经验公式2022/8/581第一章 操船设备（舵设备）第81页，共116页

23、。确定剖面形状、厚度比、平衡系数、展弦比，绘船、桨、舵组合体图（1） 剖面形状 原则（外形、剖面） 一定 下， 愈大愈好 小舵角下有较高的升力系数，系数曲线梯度大，希林舵，制流板。转舵力矩越小越好，舵机功率，考虑平衡、半平衡，压力中心系数 变化越小越好。 阻力要小。（反应舵，迎流反应舵） 最大航速及舵角范围内无舵空泡。 符合强度要求，如悬挂式：上底大的倒梯形。 工艺性好，矩形。 2022/8/582第一章 操船设备（舵设备）第82页，共116页。平衡系数（比）ee影响舵机功率大小、舵的稳定性。 功率：因为N，舵轴线与压力中心应尽可能接近，使 （水动力扭矩）稳定性：中心在轴后，转舵时，压力永远迫

24、使舵自行回正。反之为过平衡。 确定剖面形状、厚度比、平衡系数、展弦比，绘船、桨、舵组合体图（2） 2022/8/583第一章 操船设备（舵设备）第83页，共116页。展弦比 在未发生界层分离以前，同一 下，越大， 愈高。反之，翼端损失大。常用船展弦比，平均。 确定剖面形状、厚度比、平衡系数、展弦比，绘船、桨、舵组合体图（3） 2022/8/584第一章 操船设备（舵设备）第84页，共116页。绘制船桨舵组合体图，以保证实施。 要保证：桨、舵、船体之间保持最合适的间隙； 桨迎受良好的水流； 考虑桨、舵的保护措施。确定剖面形状、厚度比、平衡系数、展弦比，绘船、桨、舵组合体图（4） 2022/8/5

25、85第一章 操船设备（舵设备）第85页，共116页。绘制船桨舵组合体图，以保证实施。 绘制过程 ：1)各种因素决定后，由尾部高度条件定出舵高h； 2)求出舵平均宽度 ;3)根据艉部形状、舵保护条件和舵型式绘舵叶轮廓，要求简单，工艺性好。4)由选定的平衡系数e，决定平衡面积；5)舵截面试绘。 6)桨、船、舵间布置间隙及影响因素参阅船舶设计原理 确定剖面形状、厚度比、平衡系数、展弦比，绘船、桨、舵组合体图（5） 2022/8/586第一章 操船设备（舵设备）第86页，共116页。水动力特性计算计算目的计算思路 舵压力及力矩实用算法 确定舵机功率2022/8/587第一章 操船设备（舵设备）第87页

26、，共116页。计算思路 根据设计船提供的主要尺度和参数，以及桨的参数，针对设计舵的型式、尺度、数量、剖面形状及所处的流态： 利用试验统计资料或者近似计算公式，决定敞水水动力系数 、 、 以及压力中心系数 。列表计算，敞水状态的P， 。考虑各种影响因素（包括机械损耗、舵结构影响、水流影响、船桨影响）计算出实际 实、 实、 实 估算舵机功率。2022/8/588第一章 操船设备（舵设备）第88页，共116页。舵压力及力矩实用算法压力及压力中心计算法 （近似法或模型试验资料法 ）力矩计算 考虑影响水动力的因素，换算实船水动力、力矩 2022/8/589第一章 操船设备（舵设备）第89页，共116页。

27、力矩计算对转轴之力矩磨擦力矩 舵头扭矩 对转舵力矩的基本要求 ：最大正车扭矩0，且值最小。最大正车负扭矩最大倒车负扭矩（最大扭矩需小，以减轻舵重）无负扭矩，稳定性好。 2022/8/590第一章 操船设备（舵设备）第90页，共116页。力矩计算2022/8/591第一章 操船设备（舵设备）第91页，共116页。考虑影响水动力的因素，换算实船水动力、力矩 在船、桨、舵综合作用下，水动力情况与敞水舵有所不同，要考虑的影响因素主要有 ：自由表面影响（与关系）伴流影响（尾波情况） 重点因素涉及v的取法桨尾流影响（尾流情况）船底影响艉框影响（结构）2022/8/592第一章 操船设备（舵设备）第92页，

28、共116页。确定舵机功率 根据表格计算结果作P.M.正倒车曲线 估算功率 2022/8/593第一章 操船设备（舵设备）第93页，共116页。第四节：舵结构与强度2022/8/594第一章 操船设备（舵设备）第94页，共116页。舵结构与强度（一）舵之结构多为流线型复板舵 单板舵 复板舵：空心，水密 上舵杆、舵骨架（代替单板舵下舵杆）、舵头、舵钮、注入塞、放水塞、吊环。 水密性保证方法 ： 一侧板与水平板先施焊，水平板出舌头，周围焊后切之，或水平板加复板，外板开槽，条形塞焊，尾端塞板（随边），首端加无缝管（导边）。 2022/8/595第一章 操船设备（舵设备）第95页，共116页。舵结构与强

29、度（二）舵结构强度（结构尺寸） 规范要求： 1.舵杆、舵叶、舵销、舵销衬套； 2.舵杆及舵叶联接件（法兰、螺纹、键） 3.舵承、舵角限制器。2022/8/596第一章 操船设备（舵设备）第96页，共116页。舵结构与强度（三）舵结构强度（结构尺寸） 1、强度理论计算问题 如何计算 ， 如何确定 （许用应力、安全系数标准）弯矩的计算（舵杆） 许用应力、安全系数 2022/8/597第一章 操船设备（舵设备）第97页，共116页。舵结构与强度（四）舵结构强度计算方法 理论计算方法 规范计算方法 2022/8/598第一章 操船设备（舵设备）第98页，共116页。舵结构与强度（五）2022/8/59

30、9第一章 操船设备（舵设备）第99页，共116页。舵结构与强度（六）舵结构强度（结构尺寸） 2、规范计算法以钢质海船入级与建造规范舵杆 舵叶 舵销 舵轴 连接零件 舵扇与舵柄 2022/8/5100第一章 操船设备（舵设备）第100页，共116页。舵结构与强度 （七）2022/8/5101第一章 操船设备（舵设备）第101页，共116页。舵结构与强度 （八）2022/8/5102第一章 操船设备（舵设备）第102页，共116页。舵结构与强度 （九）2022/8/5103第一章 操船设备（舵设备）第103页，共116页。舵结构与强度 （十）2022/8/5104第一章 操船设备（舵设备）第104页，共116页。舵结构与强度 （十一）2022/8/5105第一章 操船设备（舵设备）第105页，共116页。舵结构与强度 （十二）2022/8/5106第一章 操船设备（舵设备）第106页，共116页。舵结构与强度 （十三）2022/8/5107第一章 操船设备（舵设备）第107页，共116页。第五节：舵机及其基本要求2022/8/5108第一章 操船设备（舵设备）第108页，共116页。1.舵机有哪些种类？ 各有什么特点？2.各自的原理是什么？3.舵机有哪些基本要求？自学2022/8/5109第一章 操船设备（舵设备）第109页，共116页。舵机及其基本要求舵机的工作原理舵