第十章 船舶舵機(jī)的電力拖動(dòng)與控制

第十章船舶舵機(jī)的電力拖動(dòng)與控制第一頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五主要內(nèi)容：10.1舵機(jī)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)的基本要求10.2操舵方式及其工作原理10.3自動(dòng)舵的基本類型及其調(diào)節(jié)規(guī)律10.4自動(dòng)操舵系統(tǒng)工作原理思考題第10章船舶舵機(jī)的電力拖動(dòng)與控制第二頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五1.掌握舵機(jī)電力拖動(dòng)的控制性要求2.了解操舵方式3.掌握自動(dòng)舵的調(diào)節(jié)規(guī)律4.了解各操舵系統(tǒng)的工作

本章要求第10章船舶舵機(jī)的電力拖動(dòng)與控制第三頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五

主要內(nèi)容：

舵機(jī)控制裝置 主要掌握：舵機(jī)裝置及分類

對(duì)舵機(jī)電力拖動(dòng)的要求

主要掌握：對(duì)舵機(jī)電動(dòng)機(jī)的要求

對(duì)舵機(jī)控制系統(tǒng)要求 主要掌握：對(duì)舵機(jī)控制系統(tǒng)的要求10.1舵機(jī)電力拖動(dòng)與控制的基本要求第四頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五

舵機(jī)是船舶上最重要的機(jī)械設(shè)備之一，它可以用來改變船舶的方向，保證船舶按預(yù)訂航向航行、是船舶機(jī)動(dòng)性和生命力的主要設(shè)備。舵機(jī)裝置主要由舵葉、舵機(jī)動(dòng)力裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和操舵控制裝置等組成。 舵又稱為舵葉，安裝于推進(jìn)螺旋槳后側(cè)，承受水流作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)船力矩。 舵機(jī)提供轉(zhuǎn)舵的動(dòng)力，都配備驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，其直接經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)或液壓設(shè)備帶動(dòng)轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)，以轉(zhuǎn)動(dòng)舵葉。 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將舵機(jī)發(fā)出的功率傳遞給舵柱的設(shè)備。10.1舵機(jī)電力拖動(dòng)與控制的基本要求第五頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五航向

舵葉偏轉(zhuǎn)時(shí)作用于船舶上的力ＴaP1P2轉(zhuǎn)向O水流方向PＲ一、舵的作用原理

在駕駛臺(tái)設(shè)有操舵控制臺(tái)，其上有操舵手輪，操舵方式轉(zhuǎn)換開關(guān)、單動(dòng)操舵用的手柄及自動(dòng)舵設(shè)備。第六頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五

舵葉處于船舶首尾線上時(shí)，水流方向與舵面一致，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)船力矩，船舶保持直線航行。當(dāng)舵葉離開首尾線，向某一舷側(cè)偏轉(zhuǎn)一個(gè)β角時(shí)，因舵葉兩面水流流速不同，兩面的壓力不平衡，在舵面上產(chǎn)生與其垂直的壓力R。將R分解為相互垂直的兩個(gè)分力T和P。其縱向分力T對(duì)船舶的航行起制動(dòng)作用，使船速減低，而橫向分力P會(huì)產(chǎn)生一個(gè)使船舶轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)船力矩M。

轉(zhuǎn)船力矩在一定的舵角上出現(xiàn)最大值，這個(gè)舵角稱為最大舵角。在船舶上通常予以限定的角度(例如350)作為舵機(jī)的最大轉(zhuǎn)舵角。

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按《規(guī)定》要求，電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)間應(yīng)能持續(xù)1分鐘以上，仍不致將電動(dòng)機(jī)燒毀。要求電動(dòng)機(jī)具有軟的機(jī)械特性和足夠大的過載能力。故采用差復(fù)勵(lì)的重復(fù)短時(shí)工作的直流電動(dòng)機(jī)（電動(dòng)機(jī)械裝置）以及連續(xù)運(yùn)行的交流電機(jī)（電動(dòng)液壓裝置）。二、對(duì)電力拖動(dòng)與控制的基本要求1.供電要可靠從主配電盤到舵機(jī)應(yīng)當(dāng)用兩路分離較遠(yuǎn)的饋電線對(duì)舵機(jī)電動(dòng)機(jī)供電。其中之一還應(yīng)該與應(yīng)急配電盤相連。2.電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行要可靠第八頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五三、對(duì)舵機(jī)拖動(dòng)控制系統(tǒng)的技術(shù)要求

1．從主配電板到舵機(jī)艙應(yīng)采用雙線供電制，并盡可能遠(yuǎn)離分開敷設(shè)(如左、右舷兩路)。在正常情況下應(yīng)急配電板由主配電板供電時(shí)，其中一路可以經(jīng)應(yīng)急配電板供電。駕駛室與舵機(jī)艙的操舵裝置應(yīng)使用同一電源。2．舵機(jī)電動(dòng)機(jī)應(yīng)能滿足舵機(jī)的技術(shù)要求，并能保證堵轉(zhuǎn)1min的要求。

3．拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)組應(yīng)采取雙機(jī)系統(tǒng)，各機(jī)組可單獨(dú)運(yùn)行（一機(jī)組為備用），也可同時(shí)運(yùn)行。一機(jī)組故障時(shí)，另一機(jī)組應(yīng)能自動(dòng)投入工作。第九頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五

4．至少設(shè)有駕駛室和舵機(jī)艙兩個(gè)控制站，并設(shè)有轉(zhuǎn)換裝置，防止兩地同時(shí)操縱。

5．現(xiàn)代船舶駕駛室多裝有操舵儀，一般設(shè)有自動(dòng)、隨動(dòng)、應(yīng)急三種操舵方式，也可只設(shè)兩種。

6．船舶處于最深航海吃水并以最大營運(yùn)航速前進(jìn)時(shí)，不僅能滿足舵自一舷350轉(zhuǎn)至另一舷350的最大舵角要求，還應(yīng)滿足自任一舷350轉(zhuǎn)至另一舷300的時(shí)間不超過28s的轉(zhuǎn)舵速度要求。

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7．舵角指示器指示舵角的誤差應(yīng)不大于土10。

8．保護(hù)和報(bào)警裝置：設(shè)有舵葉偏轉(zhuǎn)限位開關(guān)，實(shí)現(xiàn)極限位置自動(dòng)停舵；電源失壓報(bào)警裝置；過載聲光報(bào)警，但無過載保護(hù)裝置；采用自動(dòng)操舵裝置時(shí)，應(yīng)設(shè)有航向超過允許偏差的自動(dòng)報(bào)警裝置。

第十一頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五三、舵機(jī)拖動(dòng)控制系統(tǒng)的維護(hù)１．開航備車時(shí)對(duì)舵對(duì)舵時(shí)應(yīng)注意以下各項(xiàng)：（1）檢查操舵臺(tái)上的控制開關(guān)、按鈕、指示燈及失壓、過載報(bào)警、聲光信號(hào)等裝置是否完整良好；（2）觀察兩舷供電轉(zhuǎn)換使用情況，并用應(yīng)急電源在駕駛室和舵機(jī)艙分別試操；

第十二頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五（3）用各種操舵方式在各操作臺(tái)進(jìn)行操試，檢查應(yīng)急舵操縱是否有效，觀察兩套機(jī)組工作是否正常，自動(dòng)切換是否可靠，控制系統(tǒng)工作是否正常，舵機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)部分是否靈活可靠；

（4）檢查操舵器、舵角指示器與舵葉實(shí)際位置的偏差，在正舵時(shí)，偏差應(yīng)為零，在大舵角下，偏差應(yīng)不大于2０；

第十三頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五

（5）復(fù)查舵從一舷35０轉(zhuǎn)至另一舷30０所需時(shí)間是否符合規(guī)定。檢查舵葉偏轉(zhuǎn)速度是否均勻，轉(zhuǎn)舵時(shí)有無異常聲音、異?，F(xiàn)象等。

2．航行期間的巡視檢查巡視檢查應(yīng)包括下列內(nèi)容：（1）查看機(jī)組的運(yùn)行情況，電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的聲音、溫升；（2）檢查電磁閥、伺服馬達(dá)、限位開關(guān)等動(dòng)作是否可靠；（3）觀察各儀表讀數(shù)、機(jī)組運(yùn)行指示、舵角指示等裝置的工作是否正常；第十四頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五10.2操舵方式及其基本工作原理

單動(dòng)操舵也就是通過轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行的應(yīng)急操舵。

一、單動(dòng)操舵工作原理手動(dòng)操舵系統(tǒng)框圖手柄放大器執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝置舵葉人

單動(dòng)操舵的操作方法可以歸納為：手板舵動(dòng)，復(fù)零舵停；左舵左扳，回舵右扳；右舵右扳，回舵左扳。第十五頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五進(jìn)行單動(dòng)操舵，操舵人員必須經(jīng)常觀察羅徑上航向指示及舵角指示器，再根據(jù)操舵要求扳動(dòng)操舵手柄，發(fā)出操舵信號(hào)。每轉(zhuǎn)舵一次，扳動(dòng)操舵手柄兩次（一次發(fā)出信號(hào)使舵偏轉(zhuǎn)，一次消除信號(hào)使舵停轉(zhuǎn)）。因此，這種操舵系統(tǒng)雖簡(jiǎn)單，但操舵人員勞動(dòng)強(qiáng)度大。這種操舵方式僅適用于內(nèi)河小型船舶和作為海船的應(yīng)急操舵方式。第十六頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五二、隨動(dòng)操舵工作方式

船舶左偏航操右舵，舵輪操右舵，舵葉右偏，并自動(dòng)停在右舵上。為了減少航跡的振幅，船舶在返回正航向過程中，必須回舵。隨動(dòng)操舵的方法：

隨動(dòng)控制已經(jīng)廣泛應(yīng)用于船舶舵機(jī)電力拖動(dòng)中，它可以簡(jiǎn)化操舵工作，操舵人員不必不斷扳動(dòng)操舵手柄并連續(xù)查看舵角指示器。隨動(dòng)是自動(dòng)的基礎(chǔ)。第十七頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五

隨動(dòng)操舵是舵葉轉(zhuǎn)動(dòng)的角度能自動(dòng)跟蹤手輪發(fā)出的操舵角度，即舵角能自動(dòng)停止在指令角度上。隨動(dòng)操舵是典型的位置(Position)隨動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)上也是自動(dòng)調(diào)節(jié)舵葉角位移的反饋系統(tǒng)。舵葉的偏轉(zhuǎn)角，模仿復(fù)制了操舵手輪的偏轉(zhuǎn)角，按被調(diào)節(jié)量(舵角)與手輪給定值的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)中主要有檢測(cè)和轉(zhuǎn)換裝置、比較裝置(誤差檢測(cè))、放大裝置(Magnifyequipment)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及調(diào)節(jié)對(duì)象(舵葉)等五個(gè)部分。手輪放大器執(zhí)行機(jī)構(gòu)測(cè)量機(jī)構(gòu)舵人舵角隨動(dòng)操舵系統(tǒng)框圖第十八頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五三、自動(dòng)操舵工作原理當(dāng)船舶沿給定航向航行(Navigate)，舵葉在艏艉線上，當(dāng)受到風(fēng)、流等外界干擾而向右或左偏轉(zhuǎn)離開正航向某一個(gè)角度時(shí)，要使船舶保持給定航向，就必須經(jīng)常操舵。自動(dòng)操舵是用電羅經(jīng)與自控裝置代替人發(fā)出轉(zhuǎn)舵信號(hào)，只要一次給定航向，再不需要人工經(jīng)常轉(zhuǎn)動(dòng)舵輪就能使船舶自動(dòng)保持在給定航向上航行。 自動(dòng)舵使船舶航行的S型航跡幅度減小，從而提高實(shí)際航速，縮短了航行時(shí)間，加快船舶的運(yùn)轉(zhuǎn)周期。第十九頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五反饋機(jī)構(gòu)：航向反饋和舵角反饋機(jī)構(gòu)。電羅經(jīng)是檢測(cè)元件，也是比較環(huán)節(jié)。比較元件：由兩個(gè)導(dǎo)電半圓環(huán)和滾輪所構(gòu)成的部件。變換器：把角差信號(hào)變換為發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流。放大環(huán)節(jié)：直流發(fā)電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)M。圖11-2-7自動(dòng)操舵系統(tǒng)框圖電羅經(jīng)控制器變換元件舵給定航向執(zhí)行元件船干擾航向反饋舵角反饋第二十頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五10.3自動(dòng)舵的基本類型及其調(diào)節(jié)規(guī)律

K1過大，使船回轉(zhuǎn)過頭，穩(wěn)定性變壞，還會(huì)降低航速。一、自動(dòng)舵的基本類型及其調(diào)節(jié)規(guī)律基本閉環(huán)調(diào)節(jié)規(guī)律可分為三種1．比例舵以船舶偏航角φ的大小按比例給偏舵角β，即β=－K1φK1為比例系數(shù)，負(fù)號(hào)表示偏舵的方向是消除偏K1過小，不能產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)船力矩，回轉(zhuǎn)性能不好。第二十一頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五加入微分環(huán)節(jié)后使得系統(tǒng)具有“超前”的校正控制作用。提高系統(tǒng)的靈敏度。2．比例——微分舵以船舶偏航角φ和偏航角速度dφ/dt按比例給出偏舵角β，即β=－（K1φ+K2dφ/dt）K2是微分系數(shù)。即偏航時(shí)提前施以最大舵角，阻止船舶進(jìn)一步偏航；回航時(shí)提前施以反舵角，以防止船舶因慣性向反方向偏航。第二十二頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五

積分環(huán)節(jié)的作用在于消除船舶由于船型不對(duì)稱、螺旋漿不對(duì)稱或船舶單側(cè)風(fēng)、水流的影響使偏航角在不靈敏區(qū)所引起的橫向移動(dòng)距離。（不靈敏區(qū)是在△φ較小時(shí)，自動(dòng)舵是不調(diào)節(jié)的）3．比例——微分——積分舵其調(diào)節(jié)規(guī)律是以船舶偏航角φ、偏航角速度dφ/dt和偏航角的積分∫φdt按比例給出偏舵角β，即β=－（K1φ+K2dφ/dt+K3∫φdt）K3是積分系數(shù)。第二十三頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五天氣調(diào)節(jié)（靈敏度調(diào)節(jié)）：能使自動(dòng)舵開始動(dòng)作的偏航角稱為靈敏度，天氣條件不同靈敏度要求不同。航向調(diào)節(jié)即小航角改變?cè)O(shè)定航向的調(diào)節(jié)，目前的系統(tǒng)已經(jīng)可以做到隨意改變航向。比例調(diào)節(jié)：根據(jù)船舶大小、船型、裝載情況及航速來選擇舵角比例系數(shù)。二、自動(dòng)舵的基本要求第二十四頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期五穩(wěn)舵角調(diào)節(jié)（又稱反舵角調(diào)節(jié)）：船舶在舵的作用下返回給定航向時(shí),由于船舶的慣性可能向另一方向偏轉(zhuǎn),為了使船舶恰好回到給定航向而不超過,就需要船接近回到給定航向時(shí)，舵能向另一舷轉(zhuǎn)過一個(gè)小角度，以抵消船的慣性，這個(gè)舵角叫穩(wěn)舵角、反舵角或回舵角。慣性不同的船要求穩(wěn)舵角不同，因此穩(wěn)舵角應(yīng)是可調(diào)的。壓舵角調(diào)節(jié)（也稱偏航調(diào)節(jié)）：由于船舶在航行中受到不對(duì)稱的外界干擾(一舷的風(fēng)浪,螺旋槳不對(duì)稱,