5.2 Steering Gear在线视频

大家好

想必我们都见过鱼 吃过鱼

知道它长有若干个鱼鳍

我们看这条可爱的小鲨鱼

它的尾鳍 也就是尾巴

除了通过摇摆产生前进的动力之外

还用于控制运动方向

对于同样在水中运动的船舶

它的运动方向是靠什么来控制的呢

我们又能从鱼的身上得到哪些启示呢

这一讲

我们就来学习控制船舶航向的设备 舵机

远洋船舶的推进轴系一般沿着纵向布置

螺旋桨产生的推力也就只能在前后方向上

要想改变船舶的运动方向

就需要在船尾

设置一个像鱼尾巴一样的设备 舵

而转舵的动力

就来自于舵机

俗话说大海航行靠舵手

可见舵与舵机的重要性

我们一般把舵 舵机

以及它的控制系统统称为舵设备

在相关的规范中

舵机还被称作操舵装置

舵叶悬挂在船尾

航行时它的大部分浸没在水面以下

舵机在舵的正上方

通过舵杆等机构连接舵叶

它位于舵机间

舵机间内同时还设有舵机的本地控制

和显示单元

在集控室

设置有舵机参数显示与报警面板

在驾驶台

设有舵机的控制与显示单元

接下来

我们学习一下舵的构造和它的作用原理

这张图显示的是舵的四种类型

分别是不平衡舵 平衡舵 半平衡舵和襟翼舵

其中 舵柄1用于连接舵机

并经舵杆3把转舵扭矩传递给舵叶7

目前

船上使用比较多的是平衡舵和半平衡舵

我们再分析一下舵的作用原理

当船舶以航速v航行时

也就相当于水流以速度v冲击舵叶

如果舵角α为0°

那么水流对舵叶两侧的产生的冲击力

是相同的

就不会在船舶的左右方向上产生转舵力矩

假如将舵叶向右偏转一个角度

那么它两侧的水流就不再对称了

从而产生转舵力矩

使船舶转向

我们来分析一下

这个转舵力矩的大小和方向

在转至右舵α时

舵叶两侧所受水压的合力称为舵压力

用FN表示

它垂直于舵叶中线

指向左侧

同时 水流还对舵叶产生摩擦力

用FF表示

它平行于舵叶中线

FN与FF的合力F

就是水流对舵叶产生的水动力

根据需要

我们对F进行分解

把它分解为垂直于水流方向的升力FL

和平行于水流方向的阻力FD

根据量纲分析法

可以得到升力 FL=1/2·CL·ρ·A·v2

在这里 CL是升力系数

ρ是水的密度

A是舵叶的浸水面积

v是舵叶处的水流速度

这个水动力F

对船舶运动到底能产生什么影响呢

为了便于分析船舶的受力情况

我们假设在船舶重心的G点

加上一对方向相反 大小都等于F的力

F1和F2

那么 力F对船体的作用效果

就等同于F、F1、F2

三个力共同对船体的作用效果

F和F1共同表现为转船的扭矩MS

它迫使船舶绕重心G点向右回转

力F2可以分解为纵向的分力R

和横向的分力T

R会使船舶前进的阻力增加

T会使船舶向偏舵的反方向

这里是向左 漂移

此外

由于力F的作用点

与重心G一般不在同一个水平面上

船舶在转向的同时

还存在横倾与纵倾力矩

我们再进一步分析转船力矩Ms的大小

根据船舶的受力情况

Ms≈FL·l=1/2·CL·ρ·A·v2·l

对于既定的船舶

水的密度ρ

舵杆轴线至船舶重心的距离 l 是定值

只需要考虑CL、A 和 v 的影响

而升力系数CL

一般随舵角 α 的增大而增大

在35°左右达到最大值

之后可能会随舵角的增大而减小

所以呢 海船的最大舵角一般规定为35°

这样 我们可以得出结论

转船力矩也就是舵效

随舵角的增大而增大

与舵叶的浸水面积成正比

与舵叶处水流速度的平方成正比

可以说

没有相对水速就没有舵效

因此 在靠离港期间

船舶航速低 舵效差

大型船舶一般都需要拖轮的协助

当然

为了改善微速时的船舶操纵性能

也可以采用全回转推进器

如Z型推进装置

或者配置侧推器

另外 在转舵时

船首会朝着期望的方向回转

同时船尾也会向偏舵的反方向漂移

并伴随着船体的倾斜

如果在高航速 大舵角转向

就可能导致船舶阻力剧增

并产生严重的倾斜

实际上

这与汽车在高速时急转弯的道理是类似的

都是不可取的

由于舵机是影响航行安全的关键设备

所以

根据《国际海上人命安全公约》的规定

中国船级社制定了《钢质海船入级规范》

对舵机提出了明确要求

我们看几个比较重要的要求

第一

必须具有一套主操舵装置和一套辅操舵装置

或者主操舵装置设两套动力设备

当其中一套失效时

另一套能迅速投入工作

海船一般都为主操舵装置设置两套动力设备

就不再设辅操舵装置

第二

应设两套以上的独立的控制系统

并能分别在驾驶室和舵机室进行控制

第三

大型船舶的舵机必须设替代动力源

并能在45秒之内提供动力

海船大多采用应急电源作为替代动力源

第四

大型油船发生单项故障而丧失操舵能力时

应能在45秒之内恢复

此外

还对液压舵机提出了一些要求

目前

大多数海船采用的是液压舵机

在这里

我们就介绍一下典型液压舵机的组成

分类和工作原理

液压舵机主要由转舵机构

液压动力系统和控制系统组成

根据转舵机构动作方式的不同

可以把液压舵机分为

往复式和回转式两大类

往复式主要有十字头式 拨叉式等

回转式主要采用二转叶或三转叶

根据调速方式的不同

液压舵机可分为泵控型和阀控型两种

泵控型液压舵机

一般采用双向变量泵和闭式液压系统

泵的转向和转速不需要改变

只需要通过变量机构改变供油方向和流量

就能实现对舵机运动方向和速度的控制

阀控型液压舵机

一般采用单向定量泵和开式液压系统

液压泵连续运转

用换向阀控制舵机的运动方向

用调速节流阀控制舵机的运动速度

下面

我们来看两个舵机液压系统的实例

这张图显示的是泵控型舵机液压系统

双向变量泵1

用于控制转舵柱塞6的运动方向和速度

油缸5 柱塞6 滑块7和舵柄8

构成了拨叉式转舵机构

再看第二个实例

它是阀控型舵机液压系统

电液换向阀3

用于控制转叶7的运动方向和速度

油缸6和转叶7构成了二转叶转舵机构

下面 我们结合一个动画学习它的工作原理

这是它的外观

球形转舵油缸上

布置有两台互为备用的液压泵

和两套液压管路

也就是两套动力设备

所以呢 配置一套转舵机构

就可以满足规范的要求了

它是二转叶的

两个转叶和两个定叶之间就形成了4个油腔

在工作过程中

绿色的是进油腔

红色的是排油腔

转叶会在两侧油液的压差作用下逆时针偏转

从而带动舵叶转动

反之

当进排油腔转换时

转叶会在油液压差的作用下顺时针偏转

实现反向转舵

另外 我们还能看到

转舵机构不需要实现一整周的运动

偏转角度达到90°就够用了

最后 我们再看一下舵机的操纵

从这张图可以看到

舵机有两个操作位置

位于舵机间的本地控制和位于驾驶台的遥控

在驾驶台遥控模式下

舵机有三种操作方式

分别是自动舵 随动舵和非随动舵

船舶正常航行时会采用自动舵

舵机按照预先设定的航线自动控制舵角

船舶机动航行时

需要转为随动舵

它由驾驶人员通过舵轮手动操舵

随动舵虽然和自动舵一样

需要自动控制系统的参与

但它的舵角指令来自于

驾驶人员对舵轮的输入

非随动舵是遥控模式下的应急舵

它不需要自动控制系统的参与

可以在主电网失电

或者控制系统失灵的时候使用

手动操作相应的转舵按钮或手柄

转舵指令就一直被执行

直到满足要求为止

如果以上三种方式都不好用了

就需要把舵机转到本地控制模式

在舵机间进行应急操舵

本质上讲

驾驶台的非随动舵和舵机间的机旁应急舵

都可以在主电网失电的情况下使用

只不过机旁应急操作面板离舵机更近

所以也就更加可靠

同学们

这一讲

我们主要学习了舵的工作原理

典型的液压舵机和舵机的操纵方式

以上就是这一讲的全部内容

再见