第十章 船舶舵機的電力拖動及控制

船舶電機與電氣控制系統(tǒng)機電系電氣教研室主要內(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

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

舵機是船舶上最重要的機械設(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、是船舶機動性和生命力的主要設(shè)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(shè)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(shè)備。10.1舵機電力拖動與控制的基本要求航向

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(shè)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(shè)備。

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(dāng)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。

按《規(guī)定》要求，電動機堵轉(zhuǎn)時間應(yīng)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(fù)勵的重復(fù)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(yīng)當(dāng)用兩路分離較遠(yuǎn)的饋電線對舵機電動機供電。其中之一還應(yīng)該與應(yīng)急配電盤相連。2.電動機的運行要可靠三、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(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，其中一路可以經(jīng)應(yīng)急配電板供電。駕駛室與舵機艙的操舵裝置應(yīng)使用同一電源。2．舵機電動機應(yīng)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(yīng)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(yīng)能自動投入工作。

4．至少設(shè)有駕駛室和舵機艙兩個控制站，并設(shè)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(shè)有自動、隨動、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(yīng)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。

7．舵角指示器指示舵角的誤差應(yīng)不大于土10。

8．保護和報警裝置：設(shè)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(yīng)設(shè)有航向超過允許偏差的自動報警裝置。

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(yīng)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(yīng)急電源在駕駛室和舵機艙分別試操；

（3）用各種操舵方式在各操作臺進行操試，檢查應(yīng)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(yīng)為零，在大舵角下，偏差應(yīng)不大于2０；

（5）復(fù)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(yīng)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(dá)、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；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(yīng)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(fù)零舵停；左舵左扳，回舵右扳；右舵右扳，回舵左扳。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(yīng)急操舵方式。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(yīng)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(chǔ)。

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(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)框圖三、自動操舵工作原理當(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。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(dǎo)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(fù)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。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。

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(fēng)、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)。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(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、自動舵的基本要求穩(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(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稱的外