船舶舵机的电力拖动与控制

船 舶 电 机 与 电 气 控 制 系 统 机 电 系 电 气 教 研 室 电 力 拖 动第 10章 船 舶 舵 机 的 电 力 拖 动 与 控 制 电 力 拖 动第 10章 船 舶 舵 机 的 电 力 拖 动 与 控 制 电 力 拖 动 主 要 内 容 ： 舵 机 控 制 装 置主 要 掌 握 ： 舵 机 装 置 及 分 类 对 舵 机 电 力 拖 动 的 要 求 主 要 掌 握 ： 对 舵 机 电 动 机 的 要 求 对 舵 机 控 制 系 统 要 求主 要 掌 握 ： 对 舵 机 控 制 系 统 的 要 求10.1 舵 机 电 力 拖 动 与 控 制 的 基 本 要 求 电 力 拖 动 舵 机 是 船 舶 上 最 重 要 的 机 械 设 备 之 一 ， 它 可 以用 来 改 变 船 舶 的 方 向 ， 保 证 船 舶 按 预 订 航 向 航 行 、是 船 舶 机 动 性 和 生 命 力 的 主 要 设 备 。 舵 机 装 置 主 要由 舵 叶 、 舵 机 动 力 装 置 、 传 动 机 构 和 操 舵 控 制 装 置等 组 成 。舵 又 称 为 舵 叶 ， 安 装 于 推 进 螺 旋 桨 后 侧 ， 承受 水 流 作 用 而 产 生 转 船 力 矩 。舵 机 提 供 转 舵 的 动 力 ， 都 配 备 驱 动 电 动 机 ，其 直 接 经 传 动 机 构 或 液 压 设 备 带 动 转 舵 机 构 ， 以 转动 舵 叶 。传 动 机 构 将 舵 机 发 出 的 功 率 传 递 给 舵 柱 的 设备 。10.1 舵 机 电 力 拖 动 与 控 制 的 基 本 要 求 电 力 拖 动航 向 舵 叶 偏 转 时 作 用 于 船 舶 上 的 力 a P1P2 转 向O水 流 方 向P一 、 舵 的 作 用 原 理 在 驾 驶 台 设 有 操 舵 控 制 台 ，其 上 有 操 舵 手 轮 ， 操 舵 方 式 转 换开 关 、 单 动 操 舵 用 的 手 柄 及 自 动舵 设 备 。 电 力 拖 动 舵 叶 处 于 船 舶 首 尾 线 上 时 ， 水 流 方 向 与 舵 面 一 致 ， 不 产生 转 船 力 矩 ， 船 舶 保 持 直 线 航 行 。 当 舵 叶 离 开 首 尾 线 ， 向 某 一舷 侧 偏 转 一 个 角 时 ， 因 舵 叶 两 面 水 流 流 速 不 同 ， 两 面 的 压 力不 平 衡 ， 在 舵 面 上 产 生 与 其 垂 直 的 压 力 R。 将 R分 解 为 相 互 垂 直的 两 个 分 力 T和 P。 其 纵 向 分 力 T对 船 舶 的 航 行 起 制 动 作 用 ， 使船 速 减 低 ， 而 横 向 分 力 P会 产 生 一 个 使 船 舶 转 向 的 转 船 力 矩 M。 转 船 力 矩 在 一 定 的 舵 角 上 出 现 最 大 值 ， 这 个 舵 角 称 为 最 大舵 角 。 在 船 舶 上 通 常 予 以 限 定 的 角 度 (例 如 35 0)作 为 舵 机 的 最 大转 舵 角 。 电 力 拖 动 按 规 定 要 求 ， 电 动 机 堵 转 时 间 应 能 持 续 1分钟 以 上 ， 仍 不 致 将 电 动 机 烧 毁 。 要 求 电 动 机 具 有 软的 机 械 特 性 和 足 够 大 的 过 载 能 力 。 故 采 用 差 复 励 的重 复 短 时 工 作 的 直 流 电 动 机 （ 电 动 机 械 装 置 ） 以 及连 续 运 行 的 交 流 电 机 （ 电 动 液 压 装 置 ） 。二 、 对 电 力 拖 动 与 控 制 的 基 本 要 求1. 供 电 要 可 靠 从 主 配 电 盘 到 舵 机 应 当 用 两 路 分 离 较 远 的 馈电 线 对 舵 机 电 动 机 供 电 。 其 中 之 一 还 应 该 与 应 急配 电 盘 相 连 。2. 电 动 机 的 运 行 要 可 靠 电 力 拖 动三 、 对 舵 机 拖 动 控 制 系 统 的 技 术 要 求 1 从 主 配 电 板 到 舵 机 舱 应 采 用 双 线 供 电 制 ， 并尽 可 能 远 离 分 开 敷 设 (如 左 、 右 舷 两 路 )。 在 正 常情 况 下 应 急 配 电 板 由 主 配 电 板 供 电 时 ， 其 中 一 路可 以 经 应 急 配 电 板 供 电 。 驾 驶 室 与 舵 机 舱 的 操 舵装 置 应 使 用 同 一 电 源 。 2 舵 机 电 动 机 应 能 满 足 舵 机 的 技 术 要 求 ， 并 能保 证 堵 转 1min的 要 求 。 3 拖 动 电 动 机 组 应 采 取 双 机 系 统 ， 各 机 组 可 单独 运 行 （ 一 机 组 为 备 用 ） ， 也 可 同 时 运 行 。 一 机组 故 障 时 ， 另 一 机 组 应 能 自 动 投 入 工 作 。 电 力 拖 动 4 至 少 设 有 驾 驶 室 和 舵 机 舱 两 个 控 制 站 ， 并 设有 转 换 装 置 ， 防 止 两 地 同 时 操 纵 。 5 现 代 船 舶 驾 驶 室 多 装 有 操 舵 仪 ， 一 般 设 有 自 动 、随 动 、 应 急 三 种 操 舵 方 式 ， 也 可 只 设 两 种 。 6 船 舶 处 于 最 深 航 海 吃 水 并 以 最 大 营 运 航 速 前 进时 ， 不 仅 能 满 足 舵 自 一 舷 350转 至 另 一 舷 350的 最 大 舵角 要 求 ， 还 应 满 足 自 任 一 舷 350转 至 另 一 舷 300的 时 间不 超 过 28s的 转 舵 速 度 要 求 。 电 力 拖 动 7 舵 角 指 示 器 指 示 舵 角 的 误 差 应 不 大 于 土 10。 8 保 护 和 报 警 装 置 ： 设 有 舵 叶 偏 转 限 位 开关 ， 实 现 极 限 位 置 自 动 停 舵 ； 电 源 失 压 报 警 装 置 ；过 载 声 光 报 警 ， 但 无 过 载 保 护 装 置 ； 采 用 自 动 操舵 装 置 时 ， 应 设 有 航 向 超 过 允 许 偏 差 的 自 动 报 警装 置 。 电 力 拖 动三 、 舵 机 拖 动 控 制 系 统 的 维 护 开 航 备 车 时 对 舵对 舵 时 应 注 意 以 下 各 项 ： （ 1） 检 查 操 舵 台 上 的 控 制 开 关 、 按 钮 、 指 示灯 及 失 压 、 过 载 报 警 、 声 光 信 号 等 装 置 是 否 完整 良 好 ； （ 2） 观 察 两 舷 供 电 转 换 使 用 情 况 ， 并 用 应 急电 源 在 驾 驶 室 和 舵 机 舱 分 别 试 操 ； 电 力 拖 动 （ 3） 用 各 种 操 舵 方 式 在 各 操 作 台 进 行 操 试 ，检 查 应 急 舵 操 纵 是 否 有 效 ， 观 察 两 套 机 组 工 作 是否 正 常 ， 自 动 切 换 是 否 可 靠 ， 控 制 系 统 工 作 是 否正 常 ， 舵 机 的 机 械 传 动 部 分 是 否 灵 活 可 靠 ； （ 4） 检 查 操 舵 器 、 舵 角 指 示 器 与 舵 叶 实 际 位置 的 偏 差 ， 在 正 舵 时 ， 偏 差 应 为 零 ， 在 大 舵 角下 ， 偏 差 应 不 大 于 2 ； 电 力 拖 动 （ 5） 复 查 舵 从 一 舷 35 转 至 另 一 舷 30 所 需时 间 是 否 符 合 规 定 。 检 查 舵 叶 偏 转 速 度 是 否 均匀 ， 转 舵 时 有 无 异 常 声 音 、 异 常 现 象 等 。 2 航 行 期 间 的 巡 视 检 查 巡 视 检 查 应 包 括 下 列 内 容 ：（ 1） 查 看 机 组 的 运 行 情 况 ， 电 动 机 运 转 的 声 音 、 温 升 ；（ 2） 检 查 电 磁 阀 、 伺 服 马 达 、 限 位 开 关 等 动 作 是否 可 靠 ；（ 3） 观 察 各 仪 表 读 数 、 机 组 运 行 指 示 、 舵 角 指 示等 装 置 的 工 作 是 否 正 常 ； 电 力 拖 动10.2 操 舵 方 式 及 其 基 本 工 作 原 理 单 动 操 舵 也 就 是 通 过 转 换 开 关 进 行 的 应急 操 舵 。 一 、 单 动 操 舵 工 作 原 理手 动 操 舵 系 统 框 图手 柄 放 大 器 执 行 机 构 传 动 装 置 舵 叶人 单 动 操 舵 的 操 作 方 法 可 以 归 纳 为 ： 手 板 舵 动 ，复 零 舵 停 ； 左 舵 左 扳 ， 回 舵 右 扳 ； 右 舵 右 扳 ， 回舵 左 扳 。 电 力 拖 动 进 行 单 动 操 舵 ， 操 舵 人 员 必 须 经 常 观 察 罗径 上 航 向 指 示 及 舵 角 指 示 器 ， 再 根 据 操 舵要 求 扳 动 操 舵 手 柄 ， 发 出 操 舵 信 号 。 每 转舵 一 次 ， 扳 动 操 舵 手 柄 两 次 （ 一 次 发 出 信号 使 舵 偏 转 ， 一 次 消 除 信 号 使 舵 停 转 ） 。因 此 ， 这 种 操 舵 系 统 虽 简 单 ， 但 操 舵 人 员劳 动 强 度 大 。 这 种 操 舵 方 式 仅 适 用 于 内 河 小 型 船 舶 和 作 为海 船 的 应 急 操 舵 方 式 。 电 力 拖 动二 、 随 动 操 舵 工 作 方 式 船 舶 左 偏 航 操 右 舵 ， 舵 轮 操 右 舵 ， 舵 叶 右 偏 ，并 自 动 停 在 右 舵 上 。 为 了 减 少 航 迹 的 振 幅 ， 船 舶在 返 回 正 航 向 过 程 中 ， 必 须 回 舵 。随 动 操 舵 的 方 法 ： 随 动 控 制 已 经 广 泛 应 用 于 船 舶 舵 机 电 力 拖 动 中 ，它 可 以 简 化 操 舵 工 作 ， 操 舵 人 员 不 必 不 断 扳 动 操舵 手 柄 并 连 续 查 看 舵 角 指 示 器 。 随 动 是 自 动 的 基础 。 电 力 拖 动 随 动 操 舵 是 舵 叶 转 动 的 角 度 能 自 动 跟 踪 手 轮 发 出 的 操 舵 角度 ， 即 舵 角 能 自 动 停 止 在 指 令 角 度 上 。 随 动 操 舵 是 典 型 的 位 置(Position)随 动 系 统 ， 实 质 上 也 是 自 动 调 节 舵 叶 角 位 移 的 反 馈 系 统 。舵 叶 的 偏 转 角 ， 模 仿 复 制 了 操 舵 手 轮 的 偏 转 角 ， 按 被 调 节 量 (舵 角 )与 手 轮 给 定 值 的 偏 差 进 行 调 节 。 系 统 中 主 要 有 检 测 和 转 换 装 置 、 比较 装 置 (误 差 检 测 )、 放 大 装 置 (Magnify equipment)、 执 行 机 构 及 调节 对 象 (舵 叶 )等 五 个 部 分 。手 轮 放 大 器 执 行 机 构 测 量 机 构 舵人 舵 角随 动 操 舵 系 统 框 图 电 力 拖 动三 、 自 动 操 舵 工 作 原 理 当 船 舶 沿 给 定 航 向 航 行 (Navigate)， 舵 叶 在 艏 艉 线 上 ，当 受 到 风 、 流 等 外 界 干 扰 而 向 右 或 左 偏 转 离 开 正 航 向 某 一 个角 度 时 ， 要 使 船 舶 保 持 给 定 航 向 ， 就 必 须 经 常 操 舵 。 自 动 操舵 是 用 电 罗 经 与 自 控 装 置 代 替 人 发 出 转 舵 信 号 ， 只 要 一 次 给定 航 向 ， 再 不 需 要 人 工 经 常 转 动 舵 轮 就 能 使 船 舶 自 动 保 持 在给 定 航 向 上 航 行 。自 动 舵 使 船 舶 航 行 的 S型 航 迹 幅 度 减 小 ， 从 而 提 高 实 际航 速 ， 缩 短 了 航 行 时 间 ， 加 快 船 舶 的 运 转 周 期 。 电 力 拖 动 反 馈 机 构 ： 航 向 反 馈 和 舵 角 反 馈 机 构 。电 罗 经 是 检 测 元 件 ， 也 是 比 较 环 节 。比 较 元 件 ： 由 两 个 导 电 半 圆 环 和 滚 轮 所 构 成 的 部 件 。变 换 器 ： 把 角 差 信 号 变 换 为 发 电 机 的 励 磁 电 流 。放 大 环 节 ： 直 流 发 电 机执 行 机 构 ： 他 励 直 流 电 动 机 M。图 11-2-7 自 动 操 舵 系 统 框 图电 罗 经 控 制 器 变 换 元 件 舵 给 定 航 向 执 行 元 件 船干 扰航 向 反 馈舵 角 反 馈 电 力 拖 动10.3 自 动 舵 的 基 本 类 型 及 其 调 节 规 律 K 1过 大 ， 使 船 回 转 过 头 ， 稳 定 性 变 坏 ， 还 会 降 低 航 速 。 一 、 自 动 舵 的 基 本 类 型 及 其 调 节 规 律基 本 闭 环 调 节 规 律 可 分 为 三 种1 比 例 舵以 船 舶 偏 航 角 的 大 小 按 比 例 给 偏 舵 角 ， 即= K 1K 1为 比 例 系 数 ， 负 号 表 示 偏 舵 的 方 向 是 消 除 偏K 1过 小 ， 不 能 产 生 足 够 的 转 船 力 矩 ， 回 转 性 能 不 好 。 电 力 拖 动 加 入 微 分 环 节 后 使 得 系 统 具 有 “ 超 前 ” 的 校正 控 制 作 用 。 提 高 系 统 的 灵 敏 度 。 2 比 例 微 分 舵 以 船 舶 偏 航 角 和 偏 航 角 速 度 d/ d t按 比 例 给出 偏 舵 角 ， 即= （ K 1+K 2d/d t ） K 2是 微 分 系 数 。即 偏 航 时 提 前 施 以 最 大 舵 角 ， 阻 止 船 舶 进 一 步 偏 航 ； 回 航 时提 前 施 以 反 舵 角 ， 以 防 止 船 舶 因 惯 性 向 反 方 向 偏 航 。 电 力 拖 动 积 分 环 节 的 作 用 在 于 消 除 船 舶 由 于 船 型 不 对称 、 螺 旋 浆 不 对 称 或 船 舶 单 侧 风 、 水 流 的 影 响 使偏 航 角 在 不 灵 敏 区 所 引 起 的 横 向 移 动 距 离 。 （ 不灵 敏 区 是 在 较 小 时 ， 自 动 舵 是 不 调 节 的 ）3 比 例 微 分 积 分 舵 其 调 节 规 律 是 以 船 舶 偏 航 角 、 偏 航 角 速 度 d/ d t和 偏 航 角 的 积 分 d t按 比 例 给 出 偏 舵 角 ， 即= （ K 1+K 2d/d t + K 3d t）K 3是 积 分 系 数 。 电 力 拖 动天 气 调 节 （ 灵 敏 度 调 节 ） ： 能 使 自 动 舵 开 始 动 作 的偏 航 角 称 为 灵 敏 度 ， 天 气 条 件 不 同 灵 敏 度 要 求 不 同 。航 向 调 节 即 小 航 角 改 变 设 定 航 向 的 调 节 ， 目 前 的 系统 已 经 可 以 做 到 随 意 改 变 航 向 。比 例 调 节 ： 根 据 船 舶 大 小 、 船 型 、 装 载 情 况 及 航速 来 选 择 舵 角 比 例 系 数 。二 、 自 动 舵 的 基 本 要 求 电 力 拖 动稳 舵 角 调 节 （ 又 称 反 舵 角 调 节 ） ： 船 舶 在 舵 的 作 用下 返 回 给 定 航 向 时 ,由 于 船 舶 的 惯 性 可 能 向 另 一 方向 偏 转 ,为 了 使 船 舶 恰 好 回 到 给 定 航 向 而 不 超 过 ,就需 要 船 接 近 回 到 给 定 航 向 时 ， 舵 能 向 另 一 舷 转 过 一个 小 角 度 ， 以 抵 消 船 的 惯 性 ， 这 个 舵 角 叫 稳 舵 角 、反 舵 角 或 回 舵 角 。 惯 性 不 同 的 船 要 求 稳 舵 角 不 同 ，因 此 稳 舵 角 应 是 可 调 的 。压 舵 角 调 节 （ 也 称 偏 航 调 节 ） ： 由 于 船 舶 在 航 行 中受 到 不 对 称 的 外 界 干 扰 (一 舷 的 风 浪 ,螺 旋 桨 不 对 称 ,装载 量 不 对 称 等 )会 产 生 一 舷 的 持 续 力 矩 ,船 将 产 生 不 对称 偏 航 。 为 此 ,必 须 使 舵 偏 离 首 尾 线 一 个 舵 角 来 抵 消一 舷 的 持 续 力 矩 。 这 个 偏 航 角 叫 做 压 舵 角 。 此 舵 角可 由 人 工 给 定 或 加 积 分 环 节 产 生 。 电 力 拖 动思 考 题1.舵 是 如 何 使 船 舶 转 动 的 ？2.对 舵 机 电 机 有 何 要 求 ？3.对 舵 机 控 制 线 路 有 何 要 求 ？4.舵 机 的 操 舵 方 式 有 几 种 ？5.自 动 舵 是 如 何 保 持 船 舶 航 向 不 变 的 ？6.自 动 舵 通 常 有 哪 些 类 型 ？7.什 么 是 压 舵 调 节 、 天 气 调 节 、 反 舵 角 调 节 ？