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1、船舶舵机调速系统工作原理,小组成员：李敏 周芳 刘连喜 阚一杰 吕国国指导教师：赵静一,舵机STEERING GEAR,一、舵的作用：船舶的操纵性，是船舶的主要航行性能之一。舵是船舶操纵装置的一个重要部件。舵是一块平板或具有流线型截面的板，称为舵叶。装在船尾中纵剖面或对称于中纵剖面的位置上。它垂直地浸没在水中，并能绕舵轴转动。,第一节 舵的作用原理和对舵机的要求,舵有两大功能：一是保持船舶预定航向的能力，称为航向稳定性；二是改变船舶运动方向的能力，称回转性。通常把二者统称为船舶的操纵性。,第一节 舵的作用原理和对舵机的要求,舵的作用原理：当水流以某冲角冲至舵叶上时，便产生了流体动力，此作用力通
2、过舵杆传递并船体上，从而迫使船舶转向，也就达到了调整航向的目的。,二、操舵转向的基本原理,第一节 舵的作用原理和对舵机的要求,第一节 舵的作用原理和对舵机的要求,在船舶重心上加一对大小等于F，方向相反的力F1、F2,转船力矩 横向推力 阻力,转舵效应；（1）偏转（2）横移（3）减速,第一节 舵的作用原理和对舵机的要求,三、对舵机的要求,第一节 舵的作用原理和对舵机的要求,1、满足船舶操纵性能要求 舵机应能保征足够大的转舵力矩，在任何航行条件下，确保正常工作。在最大航速时，能够将舵转动到最大舵角位置。舵机应保证足够的转舵速度。一般海船舵机，通常从一舷的最大舵角35转到另一舷的最大舵角35 所需要
3、的时间应不超过30s，并应能在28s内自一舷35转到另一舷的30 位置。在船舶最大倒航速度(最大正航速度的一半)时，舵机应保证正常工作不致损坏。,2工作可靠，生命力强,舵机的结构强度足以承受巨浪冲击。它应备有两套操舵装置，可以互相换用，并有备用动力和应急装置。当船舶半速但不小于7kn前进时，备用动力应能使舵在60s内自一舷15 转至另一舷15。.主操舵装置和备用操舵装置应能迅速简便地互相换用。操舵装置应有舵角限制器。舵机工作应平稳，无撞击。3、操纵灵活、轻便、正确 在任何情况下，舵叶都能及时准确地转到要求的舵角位置。操舵角与实际舵角间的误差小，不自动跑舵。应设舵角指示器显示出实际舵角。4、结构
4、紧凑，占空间地位小5、维护管理方便,第一节 舵的作用原理和对舵机的要求,四、舵机的基本组成,舵机除舵设备本身外，主要由转舵装置，操舵装置，能源和控制系统以及其它附件等组成。转舵装装置(或称推舵装置)包括发出转舵力矩的执行油缸，执行电动机以及将力和力矩传递到舵柱上的传动机构。操舵装置是从船舶驾驶台到舵机执行机构之间，为实现指令传送，控制舵机转向和速度，并进行信号反馈，保证舵机按照驾驶人员的意图工作的一套设备。转舵执行机构需要的能源，可来自电力，液压，蒸汽、机械，人工。为准确完成舵机的各项工什，需要有各种控制元件和辅助设备组成的完整的工作系统，它包括输出力和力矩控制、方向控制、速度控制和信息反馈装
5、置等。其它附件有舵角指示器，压力表，温度表等。,第一节 舵的作用原理和对舵机的要求,第二节 舵机的类型及特点,按动力来源分，舵机有人力机械操纵舵机，手动液压舵机(动力为人力，利用油液传递动力)、蒸汽舵机、电动舵机和电动液压舵机(油泵机组将电动机电能转化为液压能，并依靠液压能进行转舵，简称液压舵机)等五种。人力机械操纵舵机 用于小船上，在较大的船上有时用作备用操舵装置。手动液压舵机 用手动方式产生油压进行转舵工作。它通常采用活塞式压力泵，安装在操舵器内。舵轮旋转时，驱动压力泵，并通过油管将压力传递到执行油缸，再推动舵柄，使舵叶转动。输出力矩较小，一般只用于转舵力矩为2.510kNm的小型船舶上。
6、,蒸汽舵机 将蒸汽压力引入汽缸中产生推力，调节蒸汽最可以控制转舵速度。蒸汽舵机工作可靠耐用，但是热效率低、声响大、管路长、安装麻烦，现代船舶上已很少采用。电动舵机 利用电动机作动力，通过减速传动装置将力矩传送到扇形齿弧上。扇形齿弧直接与舵柱连接，两者一起转动。电动舵机运转平稳，电能靠电线传输，较蒸汽管路安装方便，能量损失少。电动液压舵机 在近代大型船舶上，电动液压舵机取代了各种舵机，在各类船舶上获得了广泛应用。电动液压舵机简称为液压舵机。,液压舵机的特点,1)在相同的重量和体积下，能够产生远比蒸汽舵机，电动舵机大得多的转舵力矩。这是依靠液压传动能够使用很高的工作油压来达到的。2)液压传动系统能
7、够满足舵机的各项工作性能要求，如无级变速和平稳变向，利用液压控制阀实现停舵、锁舵、超载保护，防浪让舵等要求，结构简单，可靠。3)液压控制与电气系统易结合，实现遥控和自动控制，并且操纵轻便灵活。4)在相同的输出功率和输出力矩下，液压舵机重量轻、体积小，占舱室面积小。5)维护保养简便。,舵的结构简图,舵机的典型结构,第三节 液压舵机基本调速液压油路,舵机液压调速系统，根据其工作原理的不同可以分为以下三种：,1、阀控型液压调速系统 使用单向定量油泵，转舵靠驾驶台遥控换向阀实现，油泵排油回泵的进口或回油箱。2、泵控型液压调速系统 采用变量泵供油,由流量控制阀控制流入或流出执行元件的流量来调节速度，同时
8、又使变量泵的输出流量与通过流量控制阀的流量相适应。3、变频液压调速系统 通过改变异步电机的电源频率和电压来调节电机的转速，从而满足执行元件速度的要求。,阀控型液压调速系统,两套独立的油泵机组分别由各自的交流电动机驱动，可以同时投入使用，也可以单独工作，互为备用。三位四通换向阀可以采用手动方式或电磁远距离控制方式来进行操舵换向左舵或右舵。中间位置为停舵工况。这时要求将舵锁住，使之不自动跑舵；溢流阀的主要作用是防止舵机油缸的工作负荷超载，保护舵设备，使之不致损坏。例如，当舵叶碰到急浪或冰块的冲击，油缸中的工作油压力急剧升高时，溢流阀打开，油便溢流到回油路。舵叶自动退让某个角度，油缸，阀件，油管和舵
9、设备即可避免过载。这个动作过程称为防浪让舵，因此该溢流阀也称防浪阀。,阀控型液压调速系统,节流阀,用单向定量油泵其吸排方向不变油液进出转舵油缸的方向由驾驶台遥控的换向阀来控制当换向阀处于中位油泵的排油经换向阀旁通，转舵油缸油路锁闭而稳舵油泵和系统比较简单，造价相对较低缺点:换向阀换向，液压冲击较大，可靠性也相对较差阀控型舵机在停止转舵时，泵以最大流量排油，油液发热较多，经济性差阀控型舵机适用功率范围比泵控型小,阀控型液压调速系统特点,泵控型液压调速系统,泵控型液压调速系统的原理图,1电动机，2双向变量泵；3放气阀，4变量泵控制杆，5 浮动杆，6 储能弹簧，7舵柄，8反馈杆，9撞杆，10舵杆，1
10、1舵角指示器的发送器，12旁通阀，13安全阀，14转舵油缸，15调节螺母，16 液压遥控受动器，17电气遥控伺服油缸双向变量油泵设于舵机室，由电动机1驱动作单向回转油泵的流量和吸排方向，则通过与浮动杆5的C相连接的控制杆4控制即依靠油泵控制C偏离中位的方向和距离，来决定泵的吸排方向和流量。,泵控型液压调速系统采用变量泵作为主油泵，向执行转舵油缸提供压力和流量足够的压力油，同时利用变量泵进行操舵换向。转舵油缸回油直接回到油泵吸入口(不回到油箱)，从而和油泵构成封闭式的循环回路.两台主油泵互为备用，可同时使用。利用主油泵变量机构不仅可以改变推舵速度，可改变吸，排油方向，实现操舵方向的变换。两个液控
11、单向阀组成双路油压自锁阀。一是有效地实现舵机在停航时的锁舵作用(两个液控单向阀都关闭)，而在操舵时又使两条主油路中的油流动畅通(两个液控单向阀都开启)，二是一台主油泵工作时，不影响另一台备用油泵机组。备用油泵系统中的两个液控单向阀在压力油作用下关闭。两只安全阀起着过载保护和防浪让舵作用。,泵控型液压调速系统,采用两套独立的液压能源和控制系统，是为了保证舵机工作的可靠性和生命力。在整个油路系统中，设置了截止阀A，B，C，D，利用它们可使舵机获得各种不同的工况。根据需要选用油泵机组和工作油缸，可以组合成四种不同的工况.,泵控型舵机-转舵速度:主要取决于油泵的流量与舵杆上的扭矩负荷基本无关因为舵机油
12、泵都采用容积式泵当转舵扭矩变化时，虽然工作油压也随之变化，但泵的流量基本不变，对转舵速度影响不明显进出港和窄水道航行时，用双泵并联，转舵速度几乎可提高一倍。,四缸式转舵机构具有多种工况可供选择，增强了它的生命力 由于主油路系统封闭循环中不可避免有部分泄漏，需要不断补偿油液，闭式油路液压系统需要有一个辅助油系统。它由辅油泵1和两个补油液压单向阀3,4组成。一般辅油泵是低压泵，从油箱中吸油，并通过两个单向阀之一向主油路系统中的低压管补油。另一个单向阀在高压作用下关闭。一般辅油泵除向主油路系统补偿油液外，兼有冷却主油泵和提供低压操纵油的功用。这种采用变量泵为主油泵，用它来换向的闭式油路液压系统，需要
13、附设辅助油系统，较为复杂。但是其操舵和换向工作平稳，冲击振动小，噪声低。由于主油路系统的油液不经油箱循环，与空气直接接触的机会少，油的氧化变质过程缓慢，因而提高了系统的工作可靠性。,泵控型液压调速系统的特点,变频液压调速系统,目前在液压系统中，泵绝大多数由异步电机拖动，电机在供电工频条件下按额定转速运行，执行元件所需的流量，靠改变变量泵的排量来实现，即常用的容积调速方式。这种方式尽管避免了溢流损耗，但由于常采用阀控伺服机构来实现排量的变化，故存在着液压系统对油液抗污染要求高，小流量时电机与泵仍需高速运转，机件易磨损和效率低，对液压元件特别是伺服变量泵的制造精度要求高、制造成本高等问题；同时系统
14、相对故障率也较高。随着微电子技术和功率电子器件的发展，异步电机变频调速技术以其结构简单、坚固耐用、动态响应好等优点愈加受到人们的重视。将变频调速技术引入液压系统中，通过改变异步电机的电源频率和电压来调节电机的转速，从而满足执行元件速度的要求。基于变频技术的船舶变频液压舵机是一种新型液压调速系统，它由变频器、普通电机、定量泵、转舵机构等构成，通过变频器改变电机的供电频率改变电机转速，调节液压回路流量，实现对转舵机构的控制。,系统结构原理图,系统结构原理图,当系统发出操舵指令时，卸荷电磁阀3得电，切断卸荷回路，变频电机根据控制信号的要求，以相应工作转速和规定的方向驱动泵工作，推动转舵油缸转舵。当舵
15、角达到要求后，变频电机转速下降至泵的最低稳定工作转速，同时电磁阀3断电，系统卸荷。由于液压系统工作时会发生泄漏，因而对主液压回路须设置补油装置。系统中阀4的两个出油口分别连接到主油路上，进油口通过管路与补油回路相连，可以保证补油回路随时向主液压回路的低压油路补油，防止产生液压系统爬行、振动和噪声等现象。,变频液压调速系统原理,油泵输出流量公式：式中：n 电机（液压泵）转速；qp 液压泵排量；p 电机极对数；s 电机转差率；fs 电机定子供电频率。由上式可知，改变电机供电频率，可以改变电机(泵)的转速，从而改变泵的输出流量，以调节系统中液压马达的速度。它不同于传统的容积调速方式，靠改变泵的排量而调整油泵的输出流量。,系统结构简图：,系统采用变频调速电机、定量泵定量马达构成液压调速系统。高压安全阀防止系统过载，马达加载，光电编码器时刻检测马达转速并反馈给控制器，形成闭环实时控制系统。在控制器设计中，可以采用pid控制、自适应控制和模糊控制等自动控制方式。,
