第五章 舵设备

三、舵机装置
舵机装置分为两类： ⑴.电动 - 机械；⑵.电动 - 液压。
1. 电动 - 机械舵机装置： 工作过程：电动机通过连 轴节带动蜗杆蜗轮转动，并通 过主动齿轮带动扇形齿轮，再 经过缓冲弹簧转动舵柄（在扇 形齿轮下面，通过弹簧推动）， 从而使舵柱和舵叶偏转。
系统组成：—— 一般采用G-M系统。 作用：蜗杆蜗轮传动，大变比减速，能够锁定舵柱和舵叶。 缓冲弹簧，减轻船舶在航行中波浪对舵叶的冲击力， 防止传动装置受到损伤。
1）布置成失电而再次获得电源供应时能自动再起动； 2）能从驾驶台使之投入工作。操舵装置的任何一台动 力设备失电时，应在驾驶室里发出声光警报。 3）如果主操舵装置包括有两台或几台相同的动力设备， 则可不必设置辅助操舵装置，但：主操舵装置布置成当 其管系或一台动力设备发生单项故障时，此故障能被隔 离，使操舵能力能够保持或迅速恢复。
比例-微分舵
比例-微分舵操舵的规律是：偏舵角β 的大小与偏航 角φ 的大小成比例-微分关系，即： β = -（K1φ +K2dφ /dt） 其中：K1为比例系数，K2为微分系数。 说明：偏航初期，偏航角变化率大，比例 - 微分舵 能及时给出大偏舵，有效地阻止船舶偏航（最大偏航角 较小）；回航时，偏航角变化率变为负值，能适时给出 反舵角，阻止船舶反向偏航，即能有效阻止反向偏航。 主要特点：具有“超前校正”的控制作用，减小船 舶航向的振荡，减轻舵机负担，增加航速，提高系统灵 敏度和船舶的营运效益。
二、自适应舵的基本概念和调节原理
定义：通过计算机将所有检测信号进行 处理，使舵机按照给定航线进行操舵的自动 舵称为自适应舵。自适应舵可以自动对航线 进行判别，可以自动修正内部参数（例如比 例系数等）以适应船舶的各种状态或海况。 分类：——可分为两类 自校正自适应控制系统和模 型参考自适应控制系统。
2、按舵杆轴线位置分为：
1）不平衡舵- 舵叶全部位于舵杆轴线 之后的舵； 2）平衡舵- 舵杆轴线位于舵叶前缘后 边一定距离的舵； 3）半平衡舵- 一般半悬挂舵为半平衡 舵。
3、按舵的剖面形状分为：

1）平板舵- 仅用一块平板做成的最简单的舵； 2）改良形平板舵- 在平板舵上以木质板， 其外形与流线型舵相似的舵； 3）流线型舵- 舵的翼剖面是机翼型的舵， 如果带有固定舵柱的就称为固定舵柱型流线型 舵； 4）反应舵- 是将流线型平衡舵以螺旋轴为 界，按一定流程进行上下扭曲后的舵，据说这 种舵可以提高推进效率4- 6％左右。
概述：具有比 PID自动舵原理：电罗经和自整角机将船 例、微分和积分调 舶的实际航向和给定航向比较，得到偏航信号 节作用的自动舵称 经发讯器2和相敏整流器整流后送到灵敏度调 为PID自动舵。这种 节器，再经过比例、微分和积分环节（5、6和 PID舵实际上是航向 13）调节后，由放大器8和功率放大器9进行放 保持仪，不能实现 大，送给执行机构10对舵机进行调节控制。 航迹的自动跟踪。 而且，在不同的海 况下，比例、微分、 积分等参数需要人 为地进行调节，才 能达到比较满意的 调节效果。
二、主操舵装置：
系指在正常情况下为操纵船舶使舵产生动作 所需的机械、舵执行器、操舵动力设备以及 附属设备和对舵杆施加扭矩的设施。主操舵 装置应在驾驶室和舵机室都设有控制器。 辅助操舵装置：系指如主操舵装置失败时驾 驶船舶所必须的设备。它不属于主操舵装置 的任何部分，但不包括舵柄、舵扇或作同样 用途的部件。
几种类型舵的示意图
以上介绍的舵均为普通舵，据有 关资料统计，约70- 80％的船都采 用流线型普通舵，一般大型及超大 型海船多用支承或双支承的流线型 平衡舵；中小型船用半平衡流线型 挂舵的居多；平板舵仅用在非自航 船或小艇上。
4.特种舵

1、主动舵- 在普通流线型舵的中部后缘 处加装一个带有导流管的小螺旋桨，此 桨由装在舵体内的潜水电机或液压马达 驱动，依靠舵、桨产生的力改变船的航 向。该种舵最大的特点是在低速或倒航 时仍具有良好的操纵性，而且能提高船 的回转性能。另外，还具有低速推进装 置的功能。
第二节 舵的类型和结构
一、舵的类型 舵的种类很多，分类的方法也很多，有按支承情况、 舵杆位置、剖面形状分类的，也有按结构形式和使用功 能分的。现介绍如下：
1、按舵的支承情况分为：
1）多支承舵- 与船体尾柱连接的舵钮在3个以上的舵； 2）双支承舵- 只有上舵承和丁舵承的舵； 3）半悬挂舵- 下舵承的位置在舵的半高处的舵； 4）悬挂舵- 完全悬在舵杆上的舵。
2. 电动 — 液压舵机装置
系统组成： 恒速电动机 （可用普通异步 机）拖动双向变 量油泵，提供双 向的高压油驱动 液压油缸。 工作过程：当一油缸注入高压油而另一油缸排出 低压油时，推动撞杆（活塞）移动，从而带动舵柄， 舵柱和舵叶偏转。
四. 对操舵装置的要求
1、总的要求 1）每艘船舶应配备满意的主操舵装置和辅助操舵装 置。其中之一发生故障时，不至于导致另一装置不能 工作。 2）应在驾驶台和适当的主机控制位置装设指示其电 动机正在运转的设备。 2、主操舵装置和舵杆 1）能在船舶最深航海吃水和以最大应运航速前进时 将舵自一舷35度转至另一舷35度，以及于相同条件下 在不超过28s内将舵自一舷35度转至另一舷30度。 2）以及在任何情况下如要求舵柄的舵杆直径超过 120mm操作。


第四节 操舵装置的控制系统
操舵装置的控制系统是指用以将舵令由驾驶 室传至舵机装置动力设备之间的一系列设备. 操舵装置的控制系统由发送器、接受器、液 压控制泵及电动机、电动机控制器、管路和 电缆组成.其工作方式有电动控制和液压控 制两种.电动控制因有许多优点并有利于操 舵自动化而被海船普遍采用,液压控制只在 老式船上才能看到.
2. 舵叶
平板舵舵叶的截面形状 为平板形状，该舵阻力较 大，主要用于小船。流线 型舵叶剖面呈流线型的复 板舵，该舵都做成空心水 密，一方面可以减轻舵的 重量，另一方面也可减少 舵承上的压力；其阻力小， 强度高，舵效好，可提高 舵向的稳定性。虽然构造 比较复杂，但被广泛采用。
2. 舵杆
1) 作用:是舵叶转动的轴,并用以承受和传递 作用在舵叶上的力及舵给予转舵装置的力,其下 部与舵叶连接,上部与转舵装置相连 2)结构:舵杆分作上舵杆和下舵杆两段制造,中 间用法兰连接(目前都采用水平法兰接头)
操舵过程：见下图
2. 一般自动舵基本类型
定义：自动舵的基本类型是指按操舵 的规律分类的（也就是舵的偏转规律）类 型，而不是舵机装置的类型。 三种基本类型：⑴.比例舵；⑵.比例 - 微分舵；⑶.比例 - 微分 - 积分舵。 说明：不同基本类型的自动舵，对舵 叶的调节规律是不同的。
偏航与操舵
自动舵方框图
3. 舵承
用来支持舵杆、支承舵的重量及保证船体水 密的设备.按其位置可分为上舵承和下舵承() 目前大型船舶只设下舵承)
第三节 操舵装置
一、基本概念 能够使舵转动的装置称为操舵装置,通常 是指安装在舵机舱内的舵机和传动机构。 根据动力源的不同，操舵装置可分为电动 操舵装置和液压操舵装置等；根据有关公 约和规范，操舵装置又分主操舵装置和辅 助操舵装置。

一.1. 一般自动舵工作原理
自动操舵：实际上是自动航向保持仪。 组成原理：利用电罗经检测船舶实际航向α ，然后与 给定航向K°进行比较，其差值作为操舵装置的输入信号， 使操舵装置动作，改变偏舵角β 。在舵角的作用下，船舶逐 渐回到正航向上。船舶回到正航向后，舵叶不再偏转。 线路分析：最简单的电动操舵线路的工作过程见。
自适应舵说明
自校正控制系统： 自动校正系统的控制参数，使性能指标接近最优。 模型参考控制系统： 设计一个理想（最优）的参考模型，计算机根据实际检 测，实现接近该理想模型的控制规律。 说明：具体 工作原理分析需 要较深基础知识。 因此，本节只做 一般了解。
[第五节要点]：自适应舵的概念和类型。
三、PID自动舵系统工作原理
4、转子舵- 是在普通舵的前缘装一高速旋转 的圆柱，由于圆柱的高速旋转，产生了一股侧向 流，此流即提高舵的升力，同时增加了绕舵的环 流，又增加了升力，从而明显地提高了船的回转 性能，此种舵多被回转性能要求高的船所采用。
特种舵示意图
有稳向叶的转动导流管装置
二、舵的结构 一般流线型平衡舵主要由舵叶、舵 杆、舵承组成
手柄控制系统工作原理
操舵：—— 在海船上就是应急操舵。 方法：手扳舵转，复零舵停；左舵左扳，回舵右扳；右舵右 扳，回舵左扳。—— 人看分罗经和舵角指示器操舵。
原理：转换开关改变发电机励磁方 电动机励磁不变。 向，从而使电动机反转。
第五节 自动舵

一. 一般自动舵
二. 自适应自动舵 三. 航迹舵

随动操舵工作原理
随动操舵，又叫“舵轮操舵”。 随动 —— 舵叶随着舵轮转动 。 原理：是负反馈调节系统。以舵 角和舵轮的偏差控制电动机。 操舵过程：舵轮向右转过一个角 度α，电位器R1的滑动点移动， 电桥失去平衡，放大器输入信号 >0，发电机输出电压使电动机顺 时针方向转动，使舵叶向右偏转。 同时舵角反馈同步传递机构带动 反馈电位器R2的滑动点不断向a’ 方法：左偏航操右舵，舵轮操右几 点移动。当电桥重新处于新的平 度，舵叶右偏几度（右偏也相似）。 衡状态时，放大器输入=0，电动 机停转，舵叶处于右舵与舵轮转 回舵过程相似，只是放大器输入变 反，电动机反转，舵叶回偏。 动相对应的角度上。

3、辅助操舵装置



1）具有足够强度和足已在可航行的航速下操纵船舶， 并能于紧急时迅速投入工作。 2）能在船舶最深航海吃水和以最大应运前进航速的一 半或7kn航速（取大者）前进时，在不超过60s内将舵 自一舷15度转至另一舷15度。 3）以及在任何情况下如要求舵柄的舵杆直径超过 230mm操作。 4、主操舵装置和辅助操舵装置的动力设备应：
三种类型舵的特点比较
比例舵：可以克服偏航，但容易形成S形航迹， 航程较长。 比例 - 微分舵：可以减小最大偏航角，克服 回航时的反向偏航。但微分系数不能太大，否则容 易造成不稳定。 比例 - 微分 - 积分舵：能够产生“自动压舵” 调节，克服不对称偏航。