舵机.ppt

1、2020/8/31,主讲 赵伟,1,舵机 STEERING GEAR,2020/8/31,主讲 赵伟,2,2020/8/31,主讲 赵伟,3,1、 舵机概述 一、舵机的功用、要求、组成和类型 (一)舵机的功用 按照驾驶人员的意图，保持或改变船舶的航向，使船舶安全驶达目的地。目前最普遍应用操纵改变舵叶的偏转角度来达到目的。 操舵转向的基本原理。,2020/8/31,主讲 赵伟,4,正舵位置是舵叶偏转角为0，船舶直线航行，左舵位置是舵叶向 左偏转角，船舶向左转向；右舵位置是舵叶向右偏转角，船 舶向右转向,舵叶向左或向右偏转舵角时，舵叶两侧的水压力变化，产生不平衡力PN。若假设在船舶重心位置O加上一

2、成对力P1和P2。，并使P1=P2=PN ,PN 和P1构成力偶矩MC=PNL0-转船力矩，它的大小反映船舶的转向性能和舵效。,2020/8/31,主讲 赵伟,5,P2的纵向分力R是船舶转向时产生的航行阻力， 横向分力T将使船舶转向时产生横向飘移。 由于水压力PN的作用中心与船舶重心O不在同一水平面上，船舶转向时还会出现横倾或纵倾。 平板型舵叶在操纵转向上存在着固有的缺陷低速航行时舵效差。这是由于航速低时，通过舵叶两侧的水流速度低，产生的水力效应较小，不平衡水压力PN值下降。对于船舶进出繁忙的港口和通过狭窄弯曲航道等情况来说，低速舵效差是十分不利的。,2020/8/31,主讲 赵伟,6,在近代

3、船舶上常装设侧推装置，以提高低速航行时的操纵性能，侧推效果与航行速度有关。低速时，侧推效果较好，可能产生的转船力矩MC=PTL1在喷射水柱后侧产生的低压区，效率损失不大。在高速时，侧推效果较差，喷射水柱后侧产生的低压区将产生明显的效率损失。,当在船舶首尾装设侧推装置时(分别称为首推器和尾推器)，若两者向相反方向同时发出侧推力，则可使船舶绕重心原地转向。 在船舶上装设侧推器，正好可弥补平板型舵叶低速操纵性能的不足，提高船舶的操纵性能，有利于船舶掉头和靠离码头。,2020/8/31,主讲 赵伟,7,在对操纵性要求较高的特种船舶上，例如电缆敷设船、渡船，测量考察船，渔船等，常装设主动舵。 主动舵是在

4、一般流线型舵叶中部的后缘处，装设一个小螺旋桨，其外面套一个导流管，螺旋桨由电动机驱动。 当船舶转动舵叶时，螺旋桨随舵一起转动，产生推力，作用在舵剖面的中心线上，可以使船舶获得比普通舵大得多的转船力矩。 即使在航速很低时，也能使船舶具有良好的操纵性能。,主动舵的舵叶偏转角可达7090可以使船舶在原地停住的情况下回转,2020/8/31,主讲 赵伟,8,全回转舵桨是一种桨舵功能合一的船用特种推进器。 可以有效地代替船舶舵的功能，使船舶灵敏地转向和倒航，具有良好的操纵机动性能 目前已经被大量应用在各种拖船，工程船舶和各种特殊船舶上。,2020/8/31,主讲 赵伟,9,(二)对舵机的基本要求 1、满

5、足船舶操纵性能要求 舵机应能保征足够大的转舵力矩，在任何航行条件下，确保正常工作。在最大航速时，能够将舵转动到最大舵角位置。 舵机应保证足够的转舵速度。 一般海船舵机，通常从一舷的最大舵角35转到另一舷的最大舵角35 所需要的时间应不超过30s，并应能在28s内自一舷35转到另一舷的30 位置。在船舶最大倒航速度(最大正航速度的一半)时，舵机应保证正常工作不致损坏。,2020/8/31,主讲 赵伟,10,2工作可靠，生命力强,舵机的结构强度足以承受巨浪冲击。它应备有两套操舵装置，可以互相换用，并有备用动力和应急装置。 当船舶半速但不小于7kn前进时，备用动力应能使舵在60s内自一舷15 转至另

6、一舷15 。 电动舵机或电动液压舵机的操舵装置，设有两套电动机和油泵机组。每套都从主配电板独立引出电源. 主操舵装置和备用操舵装置应能迅速简便地互相换用。操舵装置应有舵角限制器。舵机工作应平稳，无撞击。,2020/8/31,主讲 赵伟,11,3、操纵灵活、轻便、正确 在任何情况下，舵叶都能及时准确地转到要求的舵角位置。操舵角与实际舵角间的误差小，不自动跑舵。应设舵角指示器显示出实际舵角。 4、结构紧凑，占空间地位小。 5、维护管理方便。,2020/8/31,主讲 赵伟,12,(三)舵机的基本组成,舵机除舵设备本身外，主要由转舵装置，操舵装置，能源和控制系统以及其它附件等组成。 转舵装装置(或称

7、推舵装置)包括发出转舵力矩的执行油缸，执行电动机以及将力和力矩传递到舵柱上的传动机构。 操舵装置是从船舶驾驶台到舵机执行机构之间，为实现指令传送，控制舵机转向和速度，并进行信号反馈，保证舵机按照驾驶人员的意图工作的一套设备。 转舵执行机构需要的能源，可来自电力，液压，蒸汽、机械，人工。为准确完成舵机的各项工什，需要有各种控制元件和辅助设备组成的完整的工作系统，它包括输出力和力矩控制、方向控制、速度控制和信息反馈装置等。 其它附件有舵角指示器，压力表，温度表等。,2020/8/31,主讲 赵伟,13,2020/8/31,主讲 赵伟,14,(四)舵机的类型 按动力来源分，舵机有人力机械操纵舵机，手

8、动液压舵机(动力为人力，利用油液传递动力)、蒸汽舵机、电动舵机和电动液压舵机(油泵机组将电动机电能转化为液压能，并依靠液压能进行转舵，简称液压舵机)等五种。 人力机械操纵舵机用于小船上，在较大的船上有时用作备用操舵装置。 手动液压舵机用手动方式产生油压进行转舵工作。它通常采用活塞式压力泵，安装在操舵器内。舵轮旋转时，驱动压力泵，并通过油管将压力传递到执行油缸，再推动舵柄，使舵叶转动。输出力矩较小，一般只用于转舵力矩为2.510kNm的小型船舶上。,2020/8/31,主讲 赵伟,15,蒸汽舵机将蒸汽压力引入汽缸中产生推力，调节蒸汽最可以控制转舵速度。蒸汽舵机工作可靠耐用，但是热效率低、声响大、

9、管路长、安装麻烦，现代船舶上已很少采用。 电动舵机利用电动机作动力，通过减速传动装置将力矩传送到扇形齿弧上。扇形齿弧直接与舵柱连接，两者一起转动。电动舵机运转平稳，电能靠电线传输，较蒸汽管路安装方便，能量损失少。 曾在中，小型船舶上使用，转舵力矩一般不大于160kNm。中间采用蜗杆蜗轮减速传动机构。,2020/8/31,主讲 赵伟,16,2020/8/31,主讲 赵伟,17,电动机械式舵机 用一个大齿圈代替扇形齿弧，使舵能够左右转动更大的角度，用于主动舵。 舵柱可左右转动90(即2X 90)。电动机通过齿轮传动两对蜗杆蜗轮，并由两个对称的小齿轮同时将转舵力矩传递到与舵柱直接连接的大齿圈上。传递

10、力矩的机件受力小均衡。,2020/8/31,主讲 赵伟,18,船舶的大型化和高速化，转舵力矩不断提高，最大已超过15000kNm。采用蒸汽动力或电动动力已很难满足推舵工作的需要。 在近代大型船舶上，电动液压舵机取代了各种舵机，在各类船舶上获得了广泛应用。电动液压舵机简称为液压舵机。,2020/8/31,主讲 赵伟,19,电动液压舵机按转舵机构型式分类如下 1往复柱塞式(撞杆式),2020/8/31,主讲 赵伟,20,2、转叶油缸式,2020/8/31,主讲 赵伟,21,3、双作用油缸式（摆动油缸式） 4、圆弧形柱塞式 5、螺旋转舵油缸,2020/8/31,主讲 赵伟,22,2020/8/31,

11、主讲 赵伟,23,（五）舵机的典型结构,2020/8/31,主讲 赵伟,24,在国产万吨级船舶上应用较广，属四缸往复柱塞式，十字头传动型式。是一种传统的结构型式，具有结构合理、工作可靠、制造维护方便等优点。在近代远洋船舶上占主要地位. 油压作用于柱塞，产生推力P作用到十字头上，分解为两个力：T和N。T垂直于舵柄，TRcos为转舵力矩，N垂直于柱塞，为侧向推力，最后传递至机架。 十字头传动机构是为了传递液压油缸的推力，推动舵柄的转舵机构构，将柱塞直线运动变为舵柱回转运动。既传动推力，又不产生干涉。,2020/8/31,主讲 赵伟,25,为了避免在转舵过程中产生的侧向推力使柱塞挠曲变形，在柱塞上装

12、有导架。它可以沿着机架的凸缘滑动，将侧向推力传递到机架，使其由机架承受。导架中间的青铜衬板经常用牛油润滑，以减少摩擦。 通常在油缸的开端压配有青铜衬套。柱塞支承在青铜衬套上往复运动。青铜衬套主要起支承和减摩作用，同时在一定的程度上阻止油液向外泄漏。但是光靠青铜衬套密封是不够，为了确保舵机工作可靠，需要严格密封。通常在油缸的开端采用橡胶密封装置。它常采用V形胶圈密封装置。,2020/8/31,主讲 赵伟,26,2国外同类型液压舵机 两缸、四缸液压十字头式、 拨叉式舵机有独立的油泵能源装置，互为备用，也可同时供油。油泵是具有伺服控制机构的轴向（径向）柱塞泵、由电动机驱动。,2020/8/31,主讲

13、 赵伟,27,3、转叶油缸式舵机,2020/8/31,主讲 赵伟,28,（1）单叶片转叶油缸：定叶固定在油缸体上，将油缸分隔成两个空间，转叶的中间位置上有舵柄，控制A，B油口方向能控制转舵方向。适用于推舵力矩小于100KNM的场合。,2020/8/31,主讲 赵伟,29,（2）翻边式转叶油缸 特点是：油缸上下无端盖，端盖与转轴制成一体，故耐压强，高压下端盖不易变形，工作油压可达10MPa. 动叶用螺栓和键固定在转轴上，定叶用螺栓和销固定在缸体。 动叶与油缸间，定叶与轴之间的径向密封结构，都采用弹簧塑料密封。利用一排小弹簧，将聚四氟乙烯密封条贴紧密封表面。这样，在磨损后即能自动补偿。密封条也有采

14、用铸铁 翻边外缘和缸体有相对转动，需要严格密封，以防止油液外泄。采用的是U形密封圈和O形密封圈组合的密封装置。,2020/8/31,主讲 赵伟,30,2020/8/31,主讲 赵伟,31,缸体利用其焊接的上、下缘，将整个油缸支撑在具有缓冲皮垫的缓冲架上。 舵机转轴利用联轴器与舵柱直接连接。调整螺钉起支承油缸的作用，并且用来调整定叶的天地间隙。 缓冲架的缓冲橡皮垫可以吸收油缸在工作中产生的振动，允许少量的上下和横向帘动。推舵力矩的反力矩通过缓冲架传给船体。,2020/8/31,主讲 赵伟,32,（3）固定端盖式转叶油缸 油缸制造和安装比较简单，但端盖强度和刚度较弱，容易变形，致使密封性能变差。因

15、此一般使用油压不超过4MPa，限制了转舵力矩的提高。,2020/8/31,主讲 赵伟,33,（4）浮动端盖式转叶油缸 它与固定端盖式不同之处，主要是增加了上下两块平衡板(或称浮动端盖)。这里定叶的高度大于动叶。浮动端盖在三个定叶部位处，在加工后能使定叶嵌在里面，浮动端盖滑套在定叶上。平衡板只能上下滑动，不能转动。 从C口引入的压力油，使平衡板 的端面贴紧在动叶的端面上，以补 偿动叶端面与端盖间间隙因磨损而 扩大。为了保证开始工作时的可靠 性，平衡板上附加有压紧弹簧。 采用浮动端盖进行端面补偿，对 于提高液压效率和延长使用寿命足 有利的，但是结构较复杂，加工和 装配要求较高。,2020/8/31

16、,主讲 赵伟,34,小结：转叶油缸式舵机的特点 转叶油缸的结构紧凑，转轴可以通过联轴器与舵柱直接连接，使整个机组重量轻，尺寸小，占舱容小，安装方便。但转叶油缸的密封困难，在很大程度上限制了它的应用和发展。 密封困难的主要表现是； 1)密封面多，动叶的外径与缸体间，动叶两端与端盖间，定叶内径与转轴间、定叶两端与端盖间，都需要有效的密封。转轴与缸盖间也需要密封。 2)密封结构多是条状，不规则，不易制造和安装。 3)密封装置安装好后，无法检查和调整。发生磨损、老化，损坏时不拆开油缸就无法检修和更换。,2020/8/31,主讲 赵伟,35,a)是单纯依靠运动件与固定件之间的制造间隙来密封的，其值大致在

17、0.01到 0.02mm以内。这种密封形式简单，但制造精度高磨损后无法补偿。当转子 与缸体之间产生偏斜时，容易引起单边断损现象，造成较大泄漏，因此，只能 用于油压较低的场合 b)是一种橡胶密封结构。低压时，利用橡胶自身的弹性，使之紧贴在被密封 件的表面，达到密封。工作油压升高时，将迫使密封填料变形，从而增强密封 能力。但橡皮的摩擦力大，难以装入构件之中，因而使装配工艺复杂化。此外。 橡胶的老化，将使密封受到破坏。 (c)是橡胶加金属条的密封结构。利用橡胶的弹性，使金属条紧贴密封面。这种 密封，金属条磨损后，得到一定的补偿，但工作油压高时，金属条可能被油压 推离密封表面，使密封受到破坏。此外，橡

18、胶老化弹性减弱，也会影响金属条 的密封性能。 d)是弹簧加金属条结构。这种结构便于安装，金属条磨损后能自动补偿，但金 属条与金属条槽的配合精度要求高。 。,e)是弹簧加填充聚四氯乙烯塑料密封结构 f)是弹簧密封条加通高压油的密封结构。 由于密封条后面引入高压油，工作油压越高， 密封件能越好，但结构复杂。,2020/8/31,主讲 赵伟,36,（5）摆动油缸式液压舵机 舵柄两端由两只双作用油缸推动，又称双作用油缸式电动液压舵机。双作用油缸一端作为支点连接在机架上，另一端与舵机连接。转舵时，油缸活塞除作往复运动外，必须绕端点有少许横向摆动。油缸的横向摆动使进、出油管不能采用刚性连接，中间必须加一段

19、高压软管。这种舵机的特点是结构轻巧、外型尺寸小，占舱容小。,2020/8/31,主讲 赵伟,37,2020/8/31,主讲 赵伟,38,2、转舵力矩基本计算公式 舵机是转动水下舵叶的专用设备。转动舵叶所需要的力矩与船型，舵结构型式，船舶航速大小，操舵角度、正倒航以及水流方向和流速等许多因素有关。 (一)作用在舵叶上的水压力 舵叶在水流中的受力，相当于机 翼在均匀流场中流动时的受力情况。 根据机翼理论，当水流以速度v流经 偏转角的舵叶时，舵叶上将受到水 的合作用力P，若按流体运动方向和 垂直于流体运动的方向，合力P可分 解成舵叶升力PL和阻力PD。若按舵叶 中心线和垂直于舵叶中心线的方向， 则合

20、力P可分解成舵叶上的水压力PN 和顺舵叶方向的阻力PT。,2020/8/31,主讲 赵伟,39,目前船舶上普遍采用空心结构的流线型舵。其基本性质与机翼相同，工作情况相似。水压力PN向上的原因是，舵叶偏转角后，舵叶两侧的水流流线不对称，水流经舵叶上侧的流程比下侧的流程长，流速快，上侧的水压较下侧为低，水压力PN向上。 (二)转舵力矩基本计算公式 根据流体力学理论和试验研究，舵叶上作用的各力计算公式,CL由试验测定的升力系数，其大小随舵偏 转角而变，并与舵叶几何形状有关。 CD 由试验测定的阻力系数，其大小随舵偏转角 而变，并与舵叶几何形状有关， p-水流密度，对海水取p=1020kgm3 F舵叶

21、面积， v舵叶处的水流速度，ms，由于舵处于螺 旋桨的尾流中，一般取V为正常航速的1.15一l.2倍， 倒航V约为正常航速的0.5涪,2020/8/31,主讲 赵伟,40,水压力中心O是水的作用力P与舵叶剖面 中心线的交点。水压力中心的位置以离开 舵叶边缘的距离x度量，舵柱中心O1以离开 舵叶边缘的距离度量。 转舵力矩M的基本计算公式为 M=PN（x- ） 若通过压力中心系数cx来表示x，则 Cx=x/B 式中：B -舵叶平均宽度，m。 可得：M=PN(CXB- ) 或 M=1/2Fv2(clcosa+cD sina)(CXB-) Nm 升力系数cL，阻力系数cD、压力中心系数cX都随舵偏转角

22、而变.,2020/8/31,主讲 赵伟,41,以某型舵叶为例，三个系数的变化。 =H/B为舵叶的高宽比， 或称展弦比，其中H为舵叶 高度；t=h/B为舵叶的宽厚 比，其中h为舵叶剖面的最 大厚度。 舵面积比A是根据船型， 尺度来确定的。 A=F/LT 式中F舵叶面积， L水线长度，m T船舶吃水深度，m 一般海洋运输船舶：A=1.52.5%、油船：A=1.32.0%；渔船和拖船：A= 2.56.0,2020/8/31,主讲 赵伟,42,(三)转舵力矩和转船力矩 从减小舵机结构尺寸和提高转向效应来说，应该尽量减少舵机负荷,即转舵力矩M要小，而转船力矩MS却应趋于最大。 从转舵力矩M和转船力矩MS

23、的计算公式可知 1)转舵力矩和转船力矩都与舵叶面积大小成正比，并与航速的平方成正比。舵叶面积越大，转舵力矩和转船力矩也越大。航速低时，转舵力矩小，舵机负载轻，但舵效也差；航速高时，转舵力矩大，舵机负载大，而转船力矩也提高，舵效好。,转船力矩MS可由下式表示： MS= 1/2Fv2 【 cl (L/2+xCOSa)+(CDxsin) 】 式中： L船长，m。,2020/8/31,主讲 赵伟,43,2)转舵力矩和转船力矩随舵角(舵偏转角)的变化而变化,转船力矩MS随舵角的增加而增大。当达到某一值时，出现一个极大值MSmax。对应于最大转船力矩时的舵角，称为最大舵角max。转舵力矩随舵角的增加而增大

24、，最大舵max 时转舵力矩，称额定转舵力矩。,2020/8/31,主讲 赵伟,44,3）舵的型式对转舵力矩有较大的影响,2020/8/31,主讲 赵伟,45,2020/8/31,主讲 赵伟,46,舵的平衡程度用平衡系数f=F/F0表示。 F-舵柱中心线以前的面积 F0舵柱中心线 以后的面积。平衡系数越大，最大转舵力矩就 越小。在小舵角时，由于cX值减小，可能出现 Cxb-aO，即出现负值。 平衡系数越大， 值越大，出现的负力矩也 越大。从保持舵叶工作的稳定性，并使船舶正 航和倒航具有比较接近的最大转舵力矩等因素 考虑，平衡系数不宜太大，一般约为 0.150.35。,2020/8/31,主讲 赵

25、伟,47,(四)舵机输出转矩和其它性能参数的计算公式 转舵力矩M是在船舶航行中转动舵叶时，水流对舵叶产生的阻力矩，即舵机的负载力矩。 舵机输出转矩的大小，与舵机的结构型式、尺寸，工作油压力和机械传动效率等有关。不同类型的转舵机构，其受力状态是不同的。,2020/8/31,主讲 赵伟,48,往复柱塞式舵机中的拨叉式和十字头式传动机构舵机的输出力矩为 M=F2R/cos 式中舵角； F2垂直于舵柄中心线的分力，N，R舵柱中心至油缸轴线的垂直距离，即舵柄的最小工作长度，m,2020/8/31,主讲 赵伟,49,F2=F1/cos F3=F1tg 式中： F3-侧向推力，在十字头式转舵机构中由导架传递

26、给机架。 舵机的输出转矩 m机械传动效率，一般为0.750.85 四缸舵机的输出转矩 Ma=2Ma,油缸柱塞在油压作用下产生的推力为 F1=PD2/4 P油缸中的有效工作油压，D拄塞直径，m,2020/8/31,主讲 赵伟,50,舵柄的最小长度R通常约为舵柱直径的2.53.2倍.它与传动机构的结构和布置密切相关。拨叉传动机构的R值约为十字头式的0.74。 舵从一舷最大舵角转至另一舷最大舵角时，柱塞的移位S S=2Rtgamax 位移容积v= D2(Rtgamax）/2 (双缸，单柱塞，四缸时应乘以2) 单位时间t的排量Q=V/t (双缸，单柱塞，四缸时应乘以2) 所需要的功率N=PQ/ 式中：

27、 总效率， = VM,2020/8/31,主讲 赵伟,51,2020/8/31,主讲 赵伟,52,2020/8/31,主讲 赵伟,53,小结：各种舵机M- a 特性 M随舵角a变化的特性曲线看，往复柱塞式舵机的Ma=f(a)曲线与负载的转舵力矩特性匹配较好，两者都随a的增加而增大 油缸柱塞滚轮传动式舵机的Ma 随a的增加而减小，因此当舵角增大时，必须较大地提高工作油压来补偿，才能达到平衡。 摆动油缸式舵机的特性曲线与油缸柱塞滚轮传动式接近。 圆弧形柱塞式和转叶油缸式舵机，在工作油压一定时，输出转矩为常数，不随舵角。,2020/8/31,主讲 赵伟,54,3、 液压舵机的特点和基本液压油路 在近

28、代船舶，液压舵机获得了广泛应用，特别是在大型，高速、自动化船舶上，液压舵机成了唯一的舵机型式。 (一)液压舵机的特点 1)在相同的重量和体积下，能够产生远比蒸汽舵机，电动舵机大得多的转舵力矩。这是依靠液压传动能够使用很高的工作油压来达到的。 2)液压传动系统能够满足舵机的各项工作性能要求，如无级变速和平稳变向，利用液压控制阀实现停舵、锁舵、超载保护，防浪让舵等要求，结构简单，可靠。,2020/8/31,主讲 赵伟,55,3)液压控制与电气系统易结合，实现遥控和自动控制，并且操纵轻便灵活。 4)在相同的输出功率和输出力矩下，液压舵机重量轻、体积小，占舱室面积小。 5)维护保养简便。,2020/8

29、/31,主讲 赵伟,56,常用液压件图形符号,2020/8/31,主讲 赵伟,57,常用液压件图形符号,2020/8/31,主讲 赵伟,58,常用液压件图形符号,2020/8/31,主讲 赵伟,59,常用液压件图形符号,2020/8/31,主讲 赵伟,60,常用液压件图形符号,2020/8/31,主讲 赵伟,61,常用液压件图形符号,2020/8/31,主讲 赵伟,62,常用液压件图形符号,2020/8/31,主讲 赵伟,63,(二)基本液压油路 舵机液压系统根据各种具体情况，可以设计成不同的方案。液压舵机的基本液压油路有四种。 1开式油路液压系统 开式油路液压系统采用定量泵供油，换向阀改变转

30、舵方向，油液通过油箱循环。 两套独立的油泵机组分别由各自的交流电动机驱动，可以同时投入使用，也可以单独工作，互为备用。三位四通换向阀可以采用手动方式或电磁远距离控制方式来进行操舵换向左舵或右舵。中间位置为停舵工况。这时要求将舵锁住，使之不自动跑舵； 对于小型舵机来说，一般在系统中不再设置专用的锁舵阀门。有时为了避免工作油压影响另一台不工作的油泵，在油泵的出口油路上设置一只单向阀。,2020/8/31,主讲 赵伟,64,2020/8/31,主讲 赵伟,65,溢流阀的主要作用是防止舵机油缸的工作负荷超载，保护舵设备，使之不致损坏。例如，当舵叶碰到急浪或冰块的冲击，油缸中的工作油压力急剧升高时，溢流

31、阀打开，油便溢流到回油路。舵叶自动退让某个角度，油缸，阀件，油管和舵设备即可避免过载。这个动作过程称为防浪让舵，因此该溢流阀也称防浪阀。 开式油路液压系统比较简单，造价低。但利用换向阀改变转舵方向，往往容易引起冲击振动和较大的噪声，在负力矩工况时不够稳定，一般仅适用于小型舵机。,2020/8/31,主讲 赵伟,66,2闭式油路液压系统 闭式油路液压系统采用变量泵作为主油泵，向执行转舵油缸提供压力和流量足够的压力油，同时利用变量泵进行操舵换向。转舵油缸回油直接回到油泵吸入口(不回到油箱)，从而和油泵构成封闭式的循环回路. 两台主油泵互为备用，可同时使用。利用主油泵变量机构不仅可以改变推舵速度，可

32、改变吸，排油方向，实现操舵方向的变换。,2020/8/31,主讲 赵伟,67,两个液控单向阀组成双路油压自锁阀。 一是有效地实现舵机在停航时的锁舵作用(两个液控单向阀都关闭)，而在操舵时又使两条主油路中的油流动畅通(两个液控单向阀都开启)， 二是一台主油泵工作时，不影响另一台备用油泵机组。备用油泵系统中的两个液控单向阀在压力油作用下关闭。,两只安全阀起着过载保护和防浪让舵作用，,2020/8/31,主讲 赵伟,68,采用两套独立的液压能源和控制系统，是为了保证舵机工作的可靠性和生命力。在整个油路系统中，设置了截止阀A，B，C，D，利用它们可使舵机获得各种不同的工况。根据需要选用油泵机组和工作油

33、缸，可以组合成四种不同的工况.,2020/8/31,主讲 赵伟,69,工作油泵和工作油缸的选择，对不同的舵机液压系统有不同的方式，一般都在说明书或铭牌上表明，以便于操作。 四缸式转舵机构具有多种工况可供选择，增强了它的生命力 由于主油路系统封闭循环中不可避免有部分泄漏，需要不断补偿油液，闭式油路液压系统需要有一个辅助油系统。它由辅油泵1和两个补油液压单向阀3,4组成。一般辅油泵是低压泵，从油箱中吸油，并通过两个单向阀之一向主油路系统中的低压管补油。另一个单向阀在高压作用下关闭。 一般辅油泵除向主油路系统补偿油液外，兼有冷却主油泵和提供低压操纵油的功用。 这种采用变量泵为主油泵，用它来换向的闭式

34、油路液压系统，需要附设辅助油系统，较为复杂。但是其操舵和换向工作平稳，冲击振动小，噪声低。由于主油路系统的油液不经油箱循环，与空气直接接触的机会少，油的氧化变质过程缓慢，因而提高了系统的工作可靠性。,2020/8/31,主讲 赵伟,70,2020/8/31,主讲 赵伟,71,3具有特殊阀块的开式油路液压系统 两套独立的油泵机组分别由各自的交流电动机驱动。主油泵供应推舵用油，辅油泵提供控制用油(也可以不设辅油泵，主油泵的油经减压后作控制油用)。两套油泵机组可单独使用，互为备用，也可同时投入使用，提高转舵速度，三位四通换向阀可以是手动，液动，电磁或电液控制的。 阀组5中包括自动锁闭阀6、双向溢流阀

35、8和旁通截止阀7。 双向溢流阀的主要作用是防止舵机工作油压超过规定，保护舵设备不致损坏。旁通截止阀7在检修，调整时使用，正常工作时关闭。 两套油泵机组和液压控制系统完全相同，对称布置。若一套发生故障需要隔离检修而由另一套维持舵机工作时，可用截止阀9，10，13，14来实现。,2020/8/31,主讲 赵伟,72,2020/8/31,主讲 赵伟,73,自动锁闭阀有两个作用： 一是锁住舵，防止舵受非驾驶员操作意图的其它因素影响而跑舵， 二是防止海浪冲击等产生的冲击压力传到油泵机组，也可防止工作油泵对非工作油泵发生干扰。 自动锁闭阀在不操舵时处于中位，锁闭位置。 向左右操舵时，它分别处于左位或右位，

36、使压力油能够顺利通过单向阀，进入工作油缸，并使另一油缸能回油。 过渡位置设有节流孔，用以控制回油速度。,2020/8/31,主讲 赵伟,74,4具有特殊阀块的闭式油路液压系统 特殊阀块的主要作用是，代替由两个液控单向阀组成的双路油压自锁阀，使结构较为紧凑。 它的工作原理是；变量泵处于中位时为油压自锁位置。此时在与油泵连接的油路T和P中，油压为零。特殊阀芯5中的单向阀4、 6在弹簧3,7作用下关闭，A、P通道和B，T通道被切断，闭锁了工作油缸A、B中的油液。 特殊阀芯5在两端弹簧1和9作用下保持在中间位置。当变量泵处于供油位置时，压力油将单向阀4打开，进入油路A，同时经过单向阀中间的小孔进入特殊

37、阀芯5的左侧，将特殊阀芯向右推，使油路B和T相通，进行回油。这样就能使推舵工作顺利进行。 当变量泵供油方向改变时，特殊阀芯向左移动。,2020/8/31,主讲 赵伟,75,A,B,2020/8/31,主讲 赵伟,76,特殊阀芯与阀体之间应有精密的配合间隙，在自锁位置时断流，以防油液泄漏，产生跑舵现象。但是允许少量的泄漏，以保证特殊阀芯的润滑。 水流顺着操舵方向作用于舵叶，可能引起有压油缸的瞬时脱流和回油缸的压力升高。例如A油缸中的压力下降，将导致特殊阀芯5向左移动，从而瞬时关闭回油口。 特殊阀芯必须有适当的移动速度，才能消除冲舵和油泵吸空现象。回油口回油节流的大小，对工作性能的影响很大。 特殊

38、阀芯移动太快时，回油节流口太小，会使油泵产生吸空现象，发生反常的噪声。特殊阀芯移动太慢，回油节流口太大，不能排除冲舵现象。,2020/8/31,主讲 赵伟,77,舵机液压系统还包括手摇泵应急操舵系统，手摇泵一般采用活塞式。当手摇泵左右摇动时，四个单向阀组成定向供油装置，能够保证不断向系统供油。手动三位四通阀用来改变转舵方向。两个液控单向阀组成的双路油压自锁阀的功能与前述相同。油路A和B与主油路系统连接，分别通向各工作油缸。,2020/8/31,主讲 赵伟,78,（三）操舵系统的型式和组成 操舵系统基本上分成两部分：从驾驶台到舵机的远距离舵令传送装置，简称为远操机构，舵机接受舵令后正确执行指令的

39、装置，简称为追随控制机构。 目前船舶上常用的远操机构主要有电力式和电力液压式(简称电液式)。机械式远操机构已很少见，纯液压式远操机构仅用于小型船舶上。 电力式远操机构有伺服电机式和电磁阀式。追随控制机构主要有机械杠杆追随和电力反馈两种。,2020/8/31,主讲 赵伟,79,一)电力式远操，机械杠杆追随的操舵系统 两台伺服电机互为备用。按照驾驶台的舵令信号动作。反馈装置向驾驶台反馈信息，达到指令要求后使伺服电机停转。 伺服电机转动时，通过螺杆和滑块拖动三点式杠杆追随机构。,2020/8/31,主讲 赵伟,80,A点为操舵拖动点， B点与偏离舵柱中心若干距离的点O相连接； C点与油泵变量 机构连

40、接。 Joystick操纵杆 Control rod Cut-off lever追随杆 Ram Floating lever,2020/8/31,主讲 赵伟,81,2020/8/31,主讲 赵伟,82,1)若将滑块向右移动，连接杆12拖动A点。B点是支点不动，杠杆绕B点转动，方向为A-A，C-C 2)在C点时，油泵排量Q=o。C移向C时，油泵供油，转舵油缸运动使舵柱转动。 3)A点为支点不动，B向B移动，杠杆绕A点转动，直到C-C。这时油泵排量回到零位，舵又停止不动。 实际上，B点追随A点是瞬间完成的。B点与A点始终保持着对应的位置关系AA/BB=AC/BC,操舵过程,2020/8/31,主讲

41、 赵伟,83,储存弹簧在追随过程中的作用,弹簧的存在能够允许油泵变量机构保持在最大油泵排量下工作，而不必担心杠杆逼住，损坏(弹簧可压缩变形)，这就相当于起到了储存能量的作用。,2020/8/31,主讲 赵伟,84,为了防止各种原因引起的追随关系失调，导致杠杆弯折和设备损坏等故障，在刚性追随杠杆的某个环节，设置弹性原件，以保护。 可以设在舵柱和B点的连接杆上，或A点和滑块的连接杆上，也可以设在C点和油泵变量机构的连接杆上。,2020/8/31,主讲 赵伟,85,具有辅杠杆三点式杠杆追随机构的杠杆连接 辅杠杆ED上的E点固定，中间的B点与主杠杆AC连接。其中A与操舵杆相连， D与油泵变量机构连接,

42、 C与追随杆连接。 操舵时，A点首先移动，B点固定不 动。杠杆AB以B点为中心转动，并拖 动辅杠杆EC绕E点转动。与油泵变量 机构连接的C点移动，使油泵排量从 零开始变为向系统供应压力油，使舵 转动。舵的转动又促使B点绕A点转动， 使C点返回零位，转舵停止。,工作原理与无辅杠杆式基本相同。不同的是；无辅杠杆时，C点置于主杠杆上，当A点行程为SA时，C点的行程为SC；具有辅杠杆时，C点行程为SC，SCSC， 在其它条件相同的情况下，变量油泵就能更早地获得最大排量，从而缩短转舵时间。提高舵机小角度操舵时的灵敏性具有良好的作用。,2020/8/31,主讲 赵伟,86,当出现下列情况时，弹簧受压缩，L

43、伸长或缩短 1)B点移动速度过慢，不能追随A点的移动速度。当变量机构C点达到极限位置被挡住后，A点继续运动就会使缓冲弹簧产生压缩变形，整个装置伸长，由L变成L1，图C）。或者缩短变成L2，图d)， B点移动过慢的原因，可能是油泵排量不足或油路中的油缸或阀门发生严重泄漏。,杆变长,杆变短,取决于B点的受力方向,2020/8/31,主讲 赵伟,87,2)舵叶受急浪或冰块冲击，推舵油缸中的油压超过规定，经防浪阀泄放油液，进行自动让舵。 这时A点不动，B点移动。位移过大时，油泵变量机构端的C点达到极限位置并被挡住后，B点继续移动就会使缓冲弹簧压缩变形，整个装置长度缩短为L2或伸长为L1，取决于B点的受

44、力方向。 急浪过去后，由于此时油泵处于最大排量位置，可以很快使舵角回复到原来位置，称为自动复位。这时缓冲弹簧也恢复正常状态。,2020/8/31,主讲 赵伟,88,2020/8/31,主讲 赵伟,89,二)自整角机电力式远距离操舵系统 遥控系统采用了液压伺服系统，会增加维护管理的工作量，使发生故障的机会增加；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。 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

45、的并取消了浮动杆追随机构。,2020/8/31,主讲 赵伟,90,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，泵即按相应方向排油转舵，同时舵柄经连杆带动反馈自整角机作相应的转动。当舵角转至指令舵角时，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11作用下回到中位，变量泵7也回到零位，舵停止转动。 止动螺钉8用来限制法兰盘10的摆幅，限制伺服滑阀的最大位移。 止动装置9可在结构停用时插入法兰盘的缺口，防止结构的动作与偏转。,2020/8/31,主讲 赵伟,91,将驾驶室的操舵轮转动给出某一方向 的操舵角时，带动发送自整角机转过 角

46、当与反馈自整角机送回实际舵角符号 不一致时，发出一个方向与() 相对应大小与()成比例的电压信 号，此信号经放大后控制舵机室里的 交流伺服电动机10（克服11） -2-3-5-7,如阀5右行，则主泵的控制油除通入 差动活塞6右侧外，又经被开启的油 口a和油口b进入差动活塞作用面积 较大的左侧，差动活塞也随之右移， 直至油口a又重新被阀5盖住；,如阀5相对活塞6左行，则6左侧压 力油经油口b、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。,b,2020/8/31,主讲 赵伟,92,三）、电-液式远距操舵系统 由电气遥控和液压伺服两部分组成。前者将驾驶台发出的

47、操舵信号传递到舵机室；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，实现远距离操舵。 油泵7采用定量叶片泵，当换向阀处于中位时，油路PT沟通，压力油即经滤器9回油箱10，伺服油缸不动，舵叶不会偏转,2020/8/31,主讲 赵伟,93,油路锁闭阀2 (密封性比换向滑阀好)的作用是在换向阀回中时用以锁闭油路，以防浮动杆传来的反力使活塞产生位移；在系统具有两套互为备用的油路并共用一个伺服油缸时，还用以将备用油路严密锁闭，以免影响工作。 溢流节流阀4 用于调节系统的油量，使伺服活塞能够获得合适的移动速度。 安全阀5 用于防止系统的油压过高，其整定压力决定了

48、伺服活塞最大输出力的大小。 在系统中还设有启阀压力为0.60.8MPa的单向阀6。,2020/8/31,主讲 赵伟,94,当驾驶室的操舵轮带动操舵信号发送器，给出的指令舵角与伺服活塞11位置所反映的操舵角不同时，即会发出相应的电信号，经放大后使电磁换向阀3的一端电磁线圈通电，使换向阀芯移向相应一侧，则压力油就会经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；压力油还将阀2一侧的单向阀顶开，伺服油缸回油侧的油液能够流回油箱。 伺服活塞会向相应的一侧移动。伺服活塞移动时其活塞杆的一端带动反馈信号发送器向驾驶台传送反馈信号。,当伺服活塞位移所给出的操舵 角与指令舵角相等时，反馈信

49、 号与驾驶室发出的操舵信号抵 消，换向阀3的电磁线圈即断 电，换向阀回中，伺服活塞即 停在所要求的操舵角位置。 活塞杆的另一端控制浮动杆的 控制端，使舵在主泵操纵下， 转至相应的舵角。伺服活塞的 最大移动位置还受限位开关限 制，以限制最大操舵角。,液控旁通阀8 在装置起动后，借助油泵的排压将其推至截断位置，以保证系统的正常工作，其最低控制油压应不小于0.4-0.8MPa。 当改用不用伺服缸的其它备用操纵机构时，阀8又会因泵停止排油而回到旁通位置，以使伺服活塞的两侧旁通，不致妨碍其它操纵机构的工作。 能在换向阀回到中位时，也能向液控旁阀8提供足够的控制油压，以保证阀8确能移到隔断位置，,2020

50、/8/31,主讲 赵伟,95,舵轮向某侧转动，给出舵令角，则通过齿轮就会带动操舵信号发送器的自 整角机转子，使其转过相应的角度输出一个反映大小和方向的交流信号电压 V1，其有效值与sin正比，而当的方向相反时，V1的相位则就相差180交 流电压V1，经相敏整流电路后，产生一个大小与V1成正比的直流信号电压V2， 而当V1的相位改变180时，此直流信号电压的极性也就相反。V1的极性可 用“+” “-”号分别表示，它反映了的方向。,直流信号电压V4反映伺服活塞相对中点的位移a的方向和大小 (它通过浮动杆追随机构决定舵角a的方向和大小)。V2和V4相比 较，如果二者不相一致，则(V2V4)经直流放大

51、器放大后，根 据V2-V40或V2-V4 0，分别控制继电器S1或S2，从而使换向阀 电磁线圈S1或S2通电，液压油就会按换向阀所控制的油流方向， 推动伺服活塞，使其向相应的一侧移动。,舵机遥控系统的电气图,伺服活塞的移动，带动浮动杆追随机构，控制变量油泵，使舵 偏转;带动反馈信号发送器的自整角机转子转动，产生一个反映a 的方向和大小的交流信号电压V3，经相敏整流而输出直流信号电 压V4，直至V4与V2相等，即V2-V4=0时，继电器J1(或J2)即断电； 电磁换向阀回中，伺服活塞制锁不动，油泵在追随机构的作用下 变为空转，舵叶停止在给定的指令舵角上。,2020/8/31,主讲 赵伟,96,4

52、、典型的电液式舵机 一、国产液压舵机Electro-hydraulic steering gear 主要技术数据如下； 公称扭矩 637735 kNm 最大舵角 35 舵从一舷35转至另一舷35所需时间30s 最大工作油压 9.811.8 MPa 主油泵型号 ZB1 227，手动伺服变量 额定工作压力 13.7 MPa 最大流量 227 lmin 辅油泵型号 BC100齿轮泵 额定工作压力 2.45 MPa 额定流量 160 lmin 电动机型号 JO2816-H、JO3-82-6-H 额定电压 380V 转速970 RPM 功率 3040 kW 主油路安全阀整定压力 10.312.25MPa 变量泵控制油压 1.5 Mpa 辅泵补油压力 0.8 MPa 撞杆直径 250 mm 撞杆工作行程(35) 420,2020/8/31,主讲 赵伟,97,2020/8/31,主讲 赵伟,98,泵控型液压舵机 1操纵系统 舵机采用伺服电机式电气遥控系统和浮动杆追随机构，为提高舵机在小舵角操舵时的灵敏性，浮动杆设有副杠杆ED。 互为备用的两台伺服电动机(电压为110V，转速为1500RPM，功率为0.4kW) 21a、21b设于舵机间，可由驾驶台遥控，也可在舵机间以非随动系统进行手动控制。 伺服电动机的回转经减速器17和中间轴带动螺杆18回