第十章 船舶舵機的電力拖動與控制

第十章船舶舵機的電力拖動與控制第1頁，共26頁，2023年，2月20日，星期三主要內(nèi)容：10.1舵機電力拖動與控制系統(tǒng)的基本要求10.2操舵方式及其工作原理10.3自動舵的基本類型及其調(diào)節(jié)規(guī)律10.4自動操舵系統(tǒng)工作原理思考題第10章船舶舵機的電力拖動與控制第2頁，共26頁，2023年，2月20日，星期三1.掌握舵機電力拖動的控制性要求2.了解操舵方式3.掌握自動舵的調(diào)節(jié)規(guī)律4.了解各操舵系統(tǒng)的工作

本章要求第10章船舶舵機的電力拖動與控制第3頁，共26頁，2023年，2月20日，星期三

主要內(nèi)容：

舵機控制裝置 主要掌握：舵機裝置及分類

對舵機電力拖動的要求

主要掌握：對舵機電動機的要求

對舵機控制系統(tǒng)要求 主要掌握：對舵機控制系統(tǒng)的要求10.1舵機電力拖動與控制的基本要求第4頁，共26頁，2023年，2月20日，星期三

舵機是船舶上最重要的機械設備之一，它可以用來改變船舶的方向，保證船舶按預訂航向航行、是船舶機動性和生命力的主要設備。舵機裝置主要由舵葉、舵機動力裝置、傳動機構(gòu)和操舵控制裝置等組成。 舵又稱為舵葉，安裝于推進螺旋槳后側(cè)，承受水流作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)船力矩。 舵機提供轉(zhuǎn)舵的動力，都配備驅(qū)動電動機，其直接經(jīng)傳動機構(gòu)或液壓設備帶動轉(zhuǎn)舵機構(gòu)，以轉(zhuǎn)動舵葉。 傳動機構(gòu)將舵機發(fā)出的功率傳遞給舵柱的設備。10.1舵機電力拖動與控制的基本要求第5頁，共26頁，2023年，2月20日，星期三航向

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

在駕駛臺設有操舵控制臺，其上有操舵手輪，操舵方式轉(zhuǎn)換開關(guān)、單動操舵用的手柄及自動舵設備。第6頁，共26頁，2023年，2月20日，星期三

舵葉處于船舶首尾線上時，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。當舵葉離開首尾線，向某一舷側(cè)偏轉(zhuǎn)一個β角時，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分力T和P。其縱向分力T對船舶的航行起制動作用，使船速減低，而橫向分力P會產(chǎn)生一個使船舶轉(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)作為舵機的最大轉(zhuǎn)舵角。

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按《規(guī)定》要求，電動機堵轉(zhuǎn)時間應能持續(xù)1分鐘以上，仍不致將電動機燒毀。要求電動機具有軟的機械特性和足夠大的過載能力。故采用差復勵的重復短時工作的直流電動機（電動機械裝置）以及連續(xù)運行的交流電機（電動液壓裝置）。二、對電力拖動與控制的基本要求1.供電要可靠從主配電盤到舵機應當用兩路分離較遠的饋電線對舵機電動機供電。其中之一還應該與應急配電盤相連。2.電動機的運行要可靠第8頁，共26頁，2023年，2月20日，星期三三、對舵機拖動控制系統(tǒng)的技術(shù)要求

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

3．拖動電動機組應采取雙機系統(tǒng)，各機組可單獨運行（一機組為備用），也可同時運行。一機組故障時，另一機組應能自動投入工作。第9頁，共26頁，2023年，2月20日，星期三

4．至少設有駕駛室和舵機艙兩個控制站，并設有轉(zhuǎn)換裝置，防止兩地同時操縱。

5．現(xiàn)代船舶駕駛室多裝有操舵儀，一般設有自動、隨動、應急三種操舵方式，也可只設兩種。

6．船舶處于最深航海吃水并以最大營運航速前進時，不僅能滿足舵自一舷350轉(zhuǎn)至另一舷350的最大舵角要求，還應滿足自任一舷350轉(zhuǎn)至另一舷300的時間不超過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不大于土10。

8．保護和報警裝置：設有舵葉偏轉(zhuǎn)限位開關(guān)，實現(xiàn)極限位置自動停舵；電源失壓報警裝置；過載聲光報警，但無過載保護裝置；采用自動操舵裝置時，應設有航向超過允許偏差的自動報警裝置。

第11頁，共26頁，2023年，2月20日，星期三三、舵機拖動控制系統(tǒng)的維護１．開航備車時對舵對舵時應注意以下各項：（1）檢查操舵臺上的控制開關(guān)、按鈕、指示燈及失壓、過載報警、聲光信號等裝置是否完整良好；（2）觀察兩舷供電轉(zhuǎn)換使用情況，并用應急電源在駕駛室和舵機艙分別試操；

第12頁，共26頁，2023年，2月20日，星期三（3）用各種操舵方式在各操作臺進行操試，檢查應急舵操縱是否有效，觀察兩套機組工作是否正常，自動切換是否可靠，控制系統(tǒng)工作是否正常，舵機的機械傳動部分是否靈活可靠；

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

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（5）復查舵從一舷35０轉(zhuǎn)至另一舷30０所需時間是否符合規(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包括下列內(nèi)容：（1）查看機組的運行情況，電動機運轉(zhuǎn)的聲音、溫升；（2）檢查電磁閥、伺服馬達、限位開關(guān)等動作是否可靠；（3）觀察各儀表讀數(shù)、機組運行指示、舵角指示等裝置的工作是否正常；第14頁，共26頁，2023年，2月20日，星期三10.2操舵方式及其基本工作原理

單動操舵也就是通過轉(zhuǎn)換開關(guān)進行的應急操舵。

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

單動操舵的操作方法可以歸納為：手板舵動，復零舵停；左舵左扳，回舵右扳；右舵右扳，回舵左扳。第15頁，共26頁，2023年，2月20日，星期三進行單動操舵，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)操舵要求扳動操舵手柄，發(fā)出操舵信號。每轉(zhuǎn)舵一次，扳動操舵手柄兩次（一次發(fā)出信號使舵偏轉(zhuǎn)，一次消除信號使舵停轉(zhuǎn)）。因此，這種操舵系統(tǒng)雖簡單，但操舵人員勞動強度大。這種操舵方式僅適用于內(nèi)河小型船舶和作為海船的應急操舵方式。第16頁，共26頁，2023年，2月20日，星期三二、隨動操舵工作方式

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。隨動操舵的方法：

隨動控制已經(jīng)廣泛應用于船舶舵機電力拖動中，它可以簡化操舵工作，操舵人員不必不斷扳動操舵手柄并連續(xù)查看舵角指示器。隨動是自動的基礎。第17頁，共26頁，2023年，2月20日，星期三

隨動操舵是舵葉轉(zhuǎn)動的角度能自動跟蹤手輪發(fā)出的操舵角度，即舵角能自動停止在指令角度上。隨動操舵是典型的位置(Position)隨動系統(tǒng)，實質(zhì)上也是自動調(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行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)中主要有檢測和轉(zhuǎn)換裝置、比較裝置(誤差檢測)、放大裝置(Magnifyequipment)、執(zhí)行機構(gòu)及調(diào)節(jié)對象(舵葉)等五個部分。手輪放大器執(zhí)行機構(gòu)測量機構(gòu)舵人舵角隨動操舵系統(tǒng)框圖第18頁，共26頁，2023年，2月20日，星期三三、自動操舵工作原理當船舶沿給定航向航行(Navigate)，舵葉在艏艉線上，當受到風、流等外界干擾而向右或左偏轉(zhuǎn)離開正航向某一個角度時，要使船舶保持給定航向，就必須經(jīng)常操舵。自動操舵是用電羅經(jīng)與自控裝置代替人發(fā)出轉(zhuǎn)舵信號，只要一次給定航向，再不需要人工經(jīng)常轉(zhuǎn)動舵輪就能使船舶自動保持在給定航向上航行。 自動舵使船舶航行的S型航跡幅度減小，從而提高實際航速，縮短了航行時間，加快船舶的運轉(zhuǎn)周期。第19頁，共26頁，2023年，2月20日，星期三反饋機構(gòu)：航向反饋和舵角反饋機構(gòu)。電羅經(jīng)是檢測元件，也是比較環(huán)節(jié)。比較元件：由兩個導電半圓環(huán)和滾輪所構(gòu)成的部件。變換器：把角差信號變換為發(fā)電機的勵磁電流。放大環(huán)節(jié)：直流發(fā)電機執(zhí)行機構(gòu)：他勵直流電動機M。圖11-2-7自動操舵系統(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20頁，共26頁，2023年，2月20日，星期三10.3自動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，還會降低航速。一、自動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)，負號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21頁，共26頁，2023年，2月20日，星期三加入微分環(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)。即偏航時提前施以最大舵角，阻止船舶進一步偏航；回航時提前施以反舵角，以防止船舶因慣性向反方向偏航。第22頁，共26頁，2023年，2月20日，星期三

積分環(huán)節(jié)的作用在于消除船舶由于船型不對稱、螺旋漿不對稱或船舶單側(cè)風、水流的影響使偏航角在不靈敏區(qū)所引起的橫向移動距離。（不靈敏區(qū)是在△φ較小時，自動舵是不調(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23頁，共26頁，2023年，2月20日，星期三天氣調(diào)節(jié)（靈敏度調(diào)節(jié)）：能使自動舵開始動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)即小航角改變設定航向的調(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、自動舵的基本要求第24頁，共26頁，2023年，2月20日，星期三穩(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,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，舵能向另一舷轉(zhuǎn)過一個小角度，以抵消船的慣性，這個舵角叫穩(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稱的外界干擾(一舷的風浪,螺旋槳不對稱