哈工程船舶輔機(jī)-08-09-船舶舵機(jī)

1升力FLFL=1/2CLρAv2阻力FDFD=1/2CDρAv2舵壓力中心(zhōngxīn)至舵導(dǎo)邊的距離XX=CXbXC=X-Z=CXb–ZCL-升力系數(shù)；CD-阻力系數(shù)；CX–壓力中心(zhōngxīn)系數(shù)。

三個(gè)系數(shù)大小隨舵角α而變，由模型試驗(yàn)測(cè)定。（見(jiàn)后表）V-舵葉處水流速度，一般取航速(hánɡsù)的1.15-1.2倍；

b-舵葉的平均寬度；

A-舵葉的單側(cè)浸水面積精品資料2某型舵葉的流體動(dòng)力特性系數(shù)(xìshù)曲線。精品資料3轉(zhuǎn)船力矩：MS=FL（l+XCcosα）+FDXDsinα≈FLl=1/2CLρAv2l

XC—舵壓力中心至舵桿軸線的距離；XC=X-Z=CXb–Z；Z—舵桿軸線至舵葉導(dǎo)邊的距離；l—舵桿軸線至船舶重心的距離。轉(zhuǎn)船力矩變化分析：①轉(zhuǎn)船力矩MS隨舵角的增大而增大，并在達(dá)到某一舵角時(shí)出現(xiàn)極大值MSmax。（見(jiàn)上圖，CL變化引起MS變化并產(chǎn)生極大值）②轉(zhuǎn)船力矩出現(xiàn)極大值時(shí)的舵角數(shù)值，與舵葉的幾何形狀有關(guān)，并主要取決于舵葉的展弦比λ（λ=舵葉高度h/舵葉平均寬度(kuāndù)b）。展弦比λ越小，達(dá)到最大轉(zhuǎn)船力矩時(shí)的舵角就越大。③海船舵葉的λ一般為2-2.5，αmax為32°-35°；

內(nèi)河船舶λ一般為1.0-2.0，αmax為35°-45°。精品資料42.舵的水動(dòng)力矩和轉(zhuǎn)舵(zhuǎnduò)扭矩舵的水動(dòng)力矩:舵壓力FN對(duì)舵桿軸線所產(chǎn)生的力矩稱為舵的水動(dòng)力矩，用Ma表示：Ma=FNXC=（FLcosα+FDsinα）XC轉(zhuǎn)舵(zhuǎnduò)扭矩:操舵裝置施加在舵桿上的扭矩稱為轉(zhuǎn)舵(zhuǎnduò)扭矩M，等于水動(dòng)力矩Ma和舵各支承處的總摩擦扭矩Mf的代數(shù)和，即M=Ma+Mf普通平衡舵Mf=（0.15~0.20）Ma。

公稱轉(zhuǎn)舵(zhuǎnduò)扭矩:指其在規(guī)定的最大舵角時(shí)所能輸出的最大扭矩。它是根據(jù)船舶在最深航海吃水和以最大營(yíng)運(yùn)航速前進(jìn)時(shí)，將舵轉(zhuǎn)到最大舵角所需要的扭矩來(lái)決定的。精品資料5平衡系數(shù)(xìshù)K:舵桿軸線之前的舵葉面積A’和整個(gè)舵葉面積A之比，稱為平衡系數(shù)(xìshù)，用K表示。平衡系數(shù)(xìshù)K影響:平衡系數(shù)(xìshù)越大，舵葉的最大水動(dòng)力矩越小，即舵機(jī)所需的公稱扭矩越小。但K不宜過(guò)大，否則在常用舵角（10～20°）范圍內(nèi)回舵時(shí)需克服的公稱轉(zhuǎn)舵扭矩就可能較大，使舵機(jī)功耗增加。一般舵的平衡系數(shù)(xìshù)約在0.15～0.35之間。船舶倒航時(shí)，舵葉后緣成為導(dǎo)邊，壓力中心離開舵桿軸線的距離XC增大，但倒航船速只有正航正常航速的1/2，故倒航時(shí)的水動(dòng)力矩約為正航最大值的60%，所以舵機(jī)不會(huì)過(guò)載。轉(zhuǎn)船力矩和舵的水動(dòng)力曲線精品資料6一、泵控型液壓舵機(jī)(duòjī)精品資料7精品資料8精品資料9精品資料10精品資料11追隨機(jī)構(gòu)(jīgòu)機(jī)械杠桿：三點(diǎn)式、五點(diǎn)式（帶副杠桿式）1.三點(diǎn)式追隨(zhuīsuí)機(jī)構(gòu)ABCBCC'AA'AA'BB'A操縱點(diǎn)，Ｂ追隨點(diǎn)，Ｃ控制點(diǎn)11CC'AA'BB'21二、追隨機(jī)構(gòu)原理精品資料12三點(diǎn)式杠桿(gànggǎn)特點(diǎn)：ＡＡ‘一次性位移不能太大，受ＣＣ’最大可位移量確定(quèdìng)，否則會(huì)損壞控制處的機(jī)件。（用儲(chǔ)能彈簧克服該缺點(diǎn)）1.完成一次性操大舵，使ＣＣ‘在最大位置時(shí)間長(zhǎng)，加快轉(zhuǎn)舵速度；2.避免控制點(diǎn)機(jī)件損壞；儲(chǔ)能彈簧的功能精品資料132.五點(diǎn)式（帶副杠桿(gànggǎn)式）ABCDEBCDEAA'AA'BCDEC'C'有位移放大作用(zuòyòng)，操小舵角時(shí)使控制點(diǎn)Ｃ有較大的位移，使變量泵有較大的排量，使得轉(zhuǎn)舵速度快。精品資料14精品資料15第三節(jié)液壓舵機(jī)(duòjī)的轉(zhuǎn)舵機(jī)(duòjī)構(gòu)撥叉式往復(fù)式回轉(zhuǎn)式滑式滾輪式擺缸式十字頭式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)精品資料16一往復(fù)式轉(zhuǎn)舵(zhuǎnduò)機(jī)構(gòu)1.滑式推舵機(jī)構(gòu)：滑式推舵機(jī)構(gòu)是目前在船舶舵機(jī)中應(yīng)用最廣的一種傳統(tǒng)型結(jié)構(gòu)。它又可分成十字頭式與撥叉式二種。為了將撞桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變(zhuǎnbiàn)為舵葉的擺動(dòng)，在撞桿與舵柄的聯(lián)接處，設(shè)有如圖所示的十字形框架滑動(dòng)接頭。精品資料17兩撞桿3形成上下兩軸承。兩軸承環(huán)抱(huánbào)著十字頭的兩個(gè)耳軸2；而舵柄5則與耳軸垂直，并橫插在十字頭的中央軸承中。精品資料18十字頭式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)(jīgòu)的受力分析：液壓對(duì)舵柄產(chǎn)生作用力Q：Q=P/cosα=πD2p/4cosα產(chǎn)生的轉(zhuǎn)舵力矩M：M=zQRηm=z·P/cosα·R0/cosα·ηmM=πD2zpR0ηm/4cos2α結(jié)論1：滑式轉(zhuǎn)舵(zhuǎnduò)機(jī)構(gòu)所能產(chǎn)生的轉(zhuǎn)舵(zhuǎnduò)力矩M隨舵角α的增大而增大，與舵的水動(dòng)力矩的變化趨勢(shì)相適應(yīng)。精品資料19結(jié)論2：十字頭式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)的工作油壓不會(huì)因α的增大(zēnɡdà)而急劇增加。因?yàn)椋簆=4Mcos2α/πD2zR0ηm

M↑→cos2α↓結(jié)論3：撞桿有側(cè)推力。需要轉(zhuǎn)舵扭矩很大的場(chǎng)合(chǎnghé)應(yīng)有可靠地平衡撞桿所受的側(cè)推力裝置。精品資料20十字頭式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)：

1）扭矩特性良好，承載能力較大，能可靠地平衡撞桿所受的側(cè)推力，可用于轉(zhuǎn)舵扭矩很大的場(chǎng)合。2）密封可靠，磨損后還具有自動(dòng)補(bǔ)償能力。此外，密封泄漏時(shí)較易發(fā)現(xiàn)，更換也較方便。3）油缸內(nèi)壁除靠近密封端的一小段外，都不與拉桿接觸，故可不經(jīng)加工(jiāgōng)或僅作粗略加工(jiāgōng)。4）油缸為單作用，必須成對(duì)工作，故尺寸、重量較大。精品資料212）撥叉式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)受力分析：與十字頭式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)相同。撥叉式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)特點(diǎn)：撞桿軸線至舵桿(duòɡǎn)軸間的距離R0可縮減26%，撞桿的最大行程因而得以減小。在公稱轉(zhuǎn)舵扭矩和最大工作油壓相同的情況下，撥叉式的占地面積可比十字頭式減少10~15%，重量亦相應(yīng)減輕10%。但公稱轉(zhuǎn)舵扭矩較大時(shí)仍以采用十字頭式為宜。精品資料222.滾輪式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)：受力分析(fēnxī)：

液壓對(duì)舵柄產(chǎn)生作用力：

Q=Pcosα=π/4D2pcosα轉(zhuǎn)舵扭矩：

M=zQR0ηm=π/4D2zpR0ηmcosα結(jié)論：滾輪式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)所能產(chǎn)生的轉(zhuǎn)舵扭矩隨α的增大(zēnɡdà)而減小。只達(dá)到主要尺度和最大工作油壓差p相同的滑式機(jī)構(gòu)的55%左右。精品資料23滾輪式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)：（l）控桿與舵柄之間沒(méi)有約束性的機(jī)械連接(liánjiē)，工作時(shí)無(wú)側(cè)推力，故整個(gè)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。（2）每個(gè)油缸均與其撞桿自成一組，故可根據(jù)實(shí)際需要布置。（3）滾輪與撞桿間的磨損可自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，不會(huì)象滑式機(jī)構(gòu)那樣因接頭磨損、間隙增大而產(chǎn)生撞擊。（4）扭矩特性差，故而限制了它在大扭矩舵機(jī)中的應(yīng)用。（5）當(dāng)舵葉在負(fù)扭矩作用下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，如果液壓系統(tǒng)有明顯泄漏；或者在穩(wěn)舵時(shí)油路鎖閉不嚴(yán)，則滾輪就有可能與某側(cè)撞桿脫開而導(dǎo)致敲擊。因此，在某些滾輪式機(jī)構(gòu)中，在滾輪與拉桿的端部之間還增設(shè)了板簧拉緊機(jī)構(gòu)。精品資料243.擺缸式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)主要(zhǔyào)結(jié)構(gòu)：采用了與支架相鉸接的兩擺動(dòng)式油缸和雙作用的活塞。轉(zhuǎn)舵時(shí)，利用活塞在油壓作用下所產(chǎn)生的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以及兩油缸的相應(yīng)擺動(dòng)，即可通過(guò)與活塞桿鉸接的舵柄，推動(dòng)舵葉偏轉(zhuǎn)。油缸兩端的油管必須采用有撓性的高壓軟管。精品資料25擺缸式機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)舵的特點(diǎn)：（1）用雙作用活塞代替了單作用的撞桿，提高了油缸的利用率，其外形尺寸和重量可大大減小。（2）各油缸與其活塞均自成一組，故結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝也較方便。（3）對(duì)油缸內(nèi)表面的加工精度等都有較高的要求。（4）檢查和更換密封件又不如撞桿式方便。（5）系統(tǒng)工作時(shí)，理論排油量和進(jìn)油量嚴(yán)格說(shuō)來(lái)并不完全相等，須采取(cǎiqǔ)容積補(bǔ)償措施。（6）扭矩特性不佳（與滾輪式類同），使用不如滑式普遍。精品資料26受力分析：轉(zhuǎn)舵扭矩：M=zpAR0ηm結(jié)論：轉(zhuǎn)葉式機(jī)構(gòu)所能產(chǎn)生(chǎnshēng)的轉(zhuǎn)舵扭矩與舵角無(wú)關(guān)，其扭矩特性在坐標(biāo)圖上是一條與橫坐標(biāo)平行的直線。二、回轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)舵(zhuǎnduò)機(jī)構(gòu)精品資料27圖示為三轉(zhuǎn)葉式推舵機(jī)構(gòu)的原理圖。該機(jī)構(gòu)內(nèi)部裝有三個(gè)定葉3的液壓缸2。而用鍵與舵柱上端相固接的轉(zhuǎn)轂5，則鑲裝著三個(gè)轉(zhuǎn)葉4。由轉(zhuǎn)葉和定葉將液壓缸內(nèi)部分隔成六個(gè)工作(gōngzuò)腔。經(jīng)油管6分別從三個(gè)工作(gōngzuò)腔吸油，并把油液排出另外三個(gè)工作(gōngzuò)腔，則轉(zhuǎn)葉就會(huì)在液壓能作用下通過(guò)輪轂帶動(dòng)舵柱和舵葉偏轉(zhuǎn)。精品資料28回轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)特點(diǎn)：（1）占地面積小，重量輕，安裝方便；（2）無(wú)需外部潤(rùn)滑，管理簡(jiǎn)便，且轉(zhuǎn)舵時(shí)舵桿不受側(cè)推力，可減輕舵承磨損；（3）扭矩特性不如滑式，但比滾輪式和擺缸式好；（4）內(nèi)泄露(xièlòu)部位較多，密封不如往復(fù)式容易解決，容積效率較低，油壓較高時(shí)更為突出。精品資料29精品資料30第四節(jié)液壓舵機(jī)的遙控(yáokòng)系統(tǒng)一伺服油缸式舵機(jī)(duòjī)遙控系統(tǒng)二伺服電機(jī)式舵機(jī)(duòjī)遙控系統(tǒng)三液壓式舵機(jī)(duòjī)遙控系統(tǒng)精品資料31一伺服油缸式舵機(jī)遙控(yáokòng)系統(tǒng)精品資料32油泵啟動(dòng)前的浮動(dòng)(fúdòng)狀態(tài)追隨機(jī)構(gòu)(jīgòu)左移狀態(tài)精品資料33轉(zhuǎn)舵(zhuǎnduò)狀態(tài)回舵狀態(tài)(zhuàngtài)精品資料34二伺服電機(jī)式舵機(jī)(duòjī)遙控系統(tǒng)精品資料35三液壓式舵機(jī)(duòjī)遙控系統(tǒng)精品資料36精品資料37第五節(jié)舵機(jī)液壓系統(tǒng)(xìtǒng)實(shí)例精品資料38精品資料39其中1#、4#和2#、3#缸各成一對(duì)。系統(tǒng)中設(shè)有專門工況選擇閥箱。與液壓缸相接(xiānɡjiē)的C1~C4缸稱缸閥，平時(shí)常開；01~04稱旁通閥，平時(shí)常閉。如果某液壓缸因故不能工作，可將它與另一只液壓缸一起停用。這時(shí)應(yīng)將停用的一對(duì)缸的缸閥關(guān)閉，相應(yīng)的旁通閥要開啟。P1~P4稱泵閥，平時(shí)常開，以便隨時(shí)能在駕駛臺(tái)啟用任何一臺(tái)泵。只有當(dāng)主泵損壞需要修理時(shí)才將其一對(duì)泵閥關(guān)閉。精品資料40在液壓舵機(jī)主泵的油路上，通常裝有雙聯(lián)液控單向閥13a、13b。其可調(diào)節(jié)流閥14a、14b用來(lái)調(diào)節(jié)液控單向閥中控制(kòngzhì)油的流速，既能使主油路上的單向閥及時(shí)開啟回油，又使它能在舵葉受負(fù)扭矩作用時(shí)關(guān)閉的速度盡可能減緩。主油路鎖閉閥（鎖舵閥）的作用：1.鎖閉備用泵油路，防止工作泵排油經(jīng)備用泵倒流旁通，妨礙轉(zhuǎn)舵。2.工作泵回到中位時(shí)，將油路鎖閉，以防跑舵。因?yàn)楫?dāng)舵停在某一舵角時(shí)，在水壓力作用下，兩組轉(zhuǎn)舵液壓缸仍存在油壓差。此時(shí)泵雖處于中位，但泵內(nèi)難免有漏泄，如果主油路不鎖閉，舵停久了就可能因漏油而跑舵。油路閉鎖(bìsuǒ)精品資料41因?yàn)橹鞅门懦鲇碗y免有外漏，所用需要解決補(bǔ)油問(wèn)題。本系統(tǒng)設(shè)輔泵3，經(jīng)減壓閥7以及單向閥8a、8b向低壓(dīyā)側(cè)油路補(bǔ)油。若舵機(jī)主泵吸入性能好，允許有較低的吸入壓力時(shí)，也可不用輔泵補(bǔ)油，而只設(shè)高位補(bǔ)油柜，在吸入側(cè)壓力降低時(shí)進(jìn)行補(bǔ)油。系統(tǒng)還在各液壓缸頂部和油管高處設(shè)放氣閥，以便在初次充油或必要時(shí)放氣，這對(duì)閉式系統(tǒng)是必不可少的。補(bǔ)油放氣(fànɡqì)精品資料42泵控式舵機(jī)液壓系統(tǒng)大多設(shè)有輔泵，其流量一般不低于主泵流量的20%。本系統(tǒng)所設(shè)輔泵3是齒輪泵，主要作用為：（1）為主油路補(bǔ)油。（2）為主液壓泵伺服變量機(jī)構(gòu)供油。（3）冷卻、潤(rùn)滑(rùnhuá)與沖洗主泵。輔助(fǔzhù)泵精品資料43精品資料44精品資料451輔泵工作(gōngzuò)。2轉(zhuǎn)舵，A點(diǎn)偏離，三位三通閥左位接通(jiētōnɡ)，準(zhǔn)備啟動(dòng)主泵。精品資料463主泵啟動(dòng)供油，啟動(dòng)完成時(shí)帶動(dòng)三位三通閥外殼移動(dòng)，使閥在中位。液壓缸工作，開始轉(zhuǎn)舵，C點(diǎn)準(zhǔn)備(zhǔnbèi)跟隨舵葉偏離至需要的轉(zhuǎn)舵角度。4液壓缸工作，帶