第五章 舵设备

第一节舵设备的作用与组成舵设备的作用：1．舵设备是船舶在航行中保持和改变航向及旋回运动的主要工具。2．影响舵效的主要因素是：舵角大小；流经舵面的流速；船的转动惯性及纵横倾；风流、浅水等海况；舵机的性能。3．一般把等于32°～35°称为使用极限舵角。船上对此使用了止舵器或限位器，能使舵角不超过35°。舵设备的组成：1．舵设备由舵装置、舵机与转舵装置、操舵装置的控制装置及其他附属装置组成。2．舵手转动舵轮或扳动操舵手柄（或应急装置），启动机械、液压或电力操舵装置即可控制舵机正转、反转及停止。3．转舵装置又称传动装置，其作用是把舵机的动力传到舵轴，驱动舵叶转动。舵机和转舵装置又统称为操舵装置，均装于船尾舵机舱内。舵的种类、特点与作用：1．按舵杆的轴线位置分类：不平衡舵、平衡舵和半平衡舵。2．按舵叶的支承情况分类：双支承舵、多支承舵、悬挂舵和半悬挂舵。3．按舵叶的剖面形状分：平板舵、流线型舵：又称（复合舵）。流线型舵的舵叶以水平隔板和垂直隔板作为骨架，外覆钢板制成水密的空心体，水平剖面呈机翼形。这种舵阻力小，升力大，舵效高，虽构造比较复杂，但应用广泛。4．特种舵：（1）整流帽舵：即在普通流线型舵的正对螺旋桨的轴线延长部位，加一个流线型的圆锥体，俗称整流帽，它有利于改善螺旋桨后的水流状态。（2）主动舵：在舵叶后端装有小螺旋桨或导管推进器，转舵时可发出推力，增加船舶的转向能力；另外，即使是在低速甚至停车时，操作小螺旋桨仍可得到转头力，推船缓行，大大提高了船舶的操纵性，这种舵适用于对操纵能力要求高、靠离码头比较频繁的船舶，例如引航船、渡轮、科学考察船等。（3）襟翼舵：又称可变翼形舵。可以横向移动。因此，襟翼舵有助于船舶获得较大的转船力矩，从而提高舵效或减小舵杆扭矩，舵机功率也较小；另外，如果使用襟翼舵，航向改变可以用较小的舵角，使船舶改向时失速较小，从而减少了油耗。襟翼舵的广泛使用说明了它深受船东与船员的欢迎，但其价格偏高，维护保养要求也比较高。（4）反应舵：又称迎流舵，它以螺旋桨的轴线为界，舵叶的上下线型分别向左右扭曲一些，使由螺旋桨射出的水流对舵没有冲击作用，而离开舵时呈直线向后流去。结果舵居中时舵的上下两部分具有舵压力，且具有向前的分力，助船推进，即能从尾流中收回一部分旋转的动能增加推力，（5）组合舵：也称希林舵或工字型舵。在流线型舵叶的上下两端各安装一块制流板，可减少舵叶两端的绕流损失。（6）现阶段海运船舶上比较流行的舵为平衡悬挂舵、襟翼舵、航海舵和鱼尾舵。第三节操舵装置操舵装置的概念与分类：1．操舵装置是将舵转至所需角度的装置。可分为人力操舵装置和动力操舵装置两类。2．操舵装置一般多设于尾尖舱平台甲板上，按规范规定，又分为主操舵装置和辅助操舵装置。3．所谓主操舵装置是指在正常航行情况下为驾驶船舶而使舵产生动作所必需的机械、转舵机构、舵机装置动力设备（如设有）及其附属设备和向舵杆施加转矩的部件（如舵柄及舵扇）。4．所谓辅助操舵装置是指在主操舵装置失效时，为驾驶船舶所必需的设备（这些设备不应属于主操舵装置的任何部分，但可共用其中的舵柄、舵扇或作同样用途的部件）。船舶要求设有两套操舵装置，一套是主操舵装置，一套是辅助操舵装置。小船的辅助操舵装置可以是人力操纵的，大船必须是用动力操纵的。现在较大船舶上的主操舵装置，一般都有两套相同的动力，并且使用其中一套动力就能满足操舵要求，所以它可不设辅助操舵装置。5．辅助操舵装置是在主操舵装置失效时，为应急操舵而补设的一种操舵装置，有时也称应急操舵装置。在舵机室里的这些装置不应属于主操舵装置的任何部分，但可共用其中的舵柄、舵扇或其他等效用途的部件。小船的辅助操舵装置是以人力去操纵轴传动、链索传动和液压传动等形式去驱动舵柄或舵扇．而大船的辅助操舵装置必须是以独立的动力操纵去驱动舵柄或舵扇。较大船舶可不设辅助操舵装置，一般至少设两台相同的动力设备供主操舵装置使用，其中一台作为备用。电动操舵装置：1．电动操舵装置主要由电动机、传动齿轮、舵扇和舵柄等组成。2．缓冲弹簧用以吸收波浪对舵的冲击力。舵扇下面装有楔形块，停泊时打上楔形块可刹住舵扇，防止舵受浪冲击而损坏舵机。3．电动操舵装置结构简单，操作简便，工作可靠，适用于中小型船舶上。液压操舵装置：1．液压操舵装置主要由电动机、油泵、管路、转舵机械等组成。这种操舵装置是现代海船广泛采用的一种操舵装置。2．它的特点是具有传动平稳、无噪声、操作方便、易于遥控、能实现无级调速，在操舵次数频繁的情况下，比电动操舵装置具有较高的可靠性。特别是对大型、高速和转舵力矩大的船舶，如果采用较高的工作油压时，可获得尺寸较小、重量较轻、布置紧凑的转舵装置。3．根据液压舵机推舵时油缸运动形式的不同，有往复式和转叶式两大类。舵角限位器：1．航行中船舶使用的最大有效舵角，一般流线型舵为32°，平板舵为35°。2．为了防止在操舵时实际舵角太大而超过有效舵角，在操舵装置的有关部位设置舵角限位器。舵角限位器有机械、电动等多种类型。机械舵角限位器可以设在舵叶上或下舵杆与舵柱的上部。3．还有在舵柄两侧极限舵角位置处装设角铁架。当舵转到满舵时，舵柄被角铁架挡住，不能继续转动。电动舵角限位器为装于舵柄两侧极限位置的开关。当舵转到满舵时，舵柄与其相连的装置使开关处于断路位置，与开关串联的舵用电机即停止向某一舷继续转动，当舵机电机反转时，舵柄或与其相连的装置和开关脱离接触，开关即在弹簧的作用下回到通路位置。SOLAS公约与我国《钢制海船入级》要求：1．对一艘船舶应满足如果设置一个主操舵装置和一个辅助操舵装置，对主辅操舵装置的布置，应满足当它们中的一个失效时应不致使另一个失灵。2．主操舵装置和舵杆应能满足（1）具有足够的强度并能在最大营运前进航速时进行操舵，使舵自任一舷的35°转至另一舷的35°，并且于相同条件下自一舷的35度转至另一舷的30°所需的时间不超过28s。（2）为了满足上款的要求，当舵柄处的舵杆直径（不包括航行冰区的加强）大于120mm时，该操舵装置应为动力操作。（3）设计成船舶最大后退速度（指船舶在最大航海吃水情况下用设计的最大后退功率估计能达到的速度）时不致损坏。但这种设计要求不需要在试航中的最大后退速度和最大舵角进行验证。3．辅助操舵装里应能满足（1）具有足够的强度和足以在可驾驶的航速下操纵船舶，并能在紧急时迅速投入工作。（2）能在最大营运前进航速的一半但不小于7kn时进行操舵，使舵自一舷的15°转至另一舷的15°，且所需时间不超过60s。（3）为了满足上款的要求，在任何情况下，当舵柄处的舵杆直径（不包括航行冰区的加强）大于230mm时，该操舵装置应为动力操作。（4）人力操舵装置只有当其操作力在正常情况下不超过160N时方允许装船使用。4．主、辅操舵装置动力设备的布置应能满足（1）当动力源发生故障失效后又恢复输送时，能自动再启动。（2）能从驾驶室使其投入工作。（3）任一台操舵装置动力设备的动力源发生故障时，应在驾驶室发出声、光警报。（4）如主操舵装置具有两台或几台相同的动力设备，则在下列条件下可不设置辅助操舵装置：①对于客船，当任一台动力设备不工作时，主操舵装置仍能按本考点2.（1）的规定进行操舵。②对于货船，当所有动力设备都工作时，主操舵装置能按本考点2.（1）的规定进行操舵。③主操舵装置应布置成当其管系或一台动力设备发生单项故障时，此缺陷能被隔离，使操舵能力能够保持或迅速恢复。5．附加要求（1）1万总吨及以上的每艘油船和7万总吨及以上的每艘其他船舶，其主操舵装置应设两台或几台相同的动力设备，并符合本考点4.（4）中的各条规定。（2）1万总吨及以上的每艘油船，其操舵装置应符合以下规定：主操舵装置应这样设置，即由于主操舵装置的一个动力转舵系统的任何部分（但除舵柄、舵扇或为同样目的服务的部件或因转舵机构卡住以外）发生单项故障以致丧失操舵能力时，应在45s内能够重新获得操舵能力。操舵装置应包括：①两个动力和分开的动力转舵系统，每个系统均能满足本考点2.（1）的要求。②至少有两个相同的动力转舵系统在正常运行中同时工作能满足本考点2.（1）的要求。当需要符合此要求时，各个液压动力转舵系统应设有交叉联结。任一系统中液压流体丧失时应能发现及有缺陷的系统应能自动隔离，使另一个或几个动力转舵系统保持完全运行。③非液压形式的操舵装置应能达到同等的标准。（3）对1万总吨及以上但小于10万载重吨的油船的操舵装置，若能达到同等的安全衡准和符合下述规定时，可允许采用不同本考点2．中的所述办法，即对一个或几个动力转舵系统不必应用单项故障标准。①由于管路或一台动力设备的任何部分发生单项故障而丧失操舵能力时，应能在45s内恢复操舵能力。②若操舵装置只具有单一的动力转舵系统，则须对设计时的应力分析，包括疲劳分析、断裂力学分析（如适合时）和对所用的材料、密封装置的安装、试验、检查及有效的维护规定等予以特别考虑。（4）对1万总吨及以上但小于10万载重吨的油船的非双套动力转舵系统，其验收要求应经船检部门特别同意，并应符合国际海事组织A467（Ⅻ）决议的规定。6．操舵装置控制系统的布置（1）对主操舵装置，应在驾驶室和舵机室两处都设有控制器。（2）当主操舵装置是由两台或几台相同的动力设备组成不设辅助操舵装置时，应设置两个独立的控制系统，且每个系统均应能在驾驶室控制。（3）对于辅助操舵装置应在舵机室进行控制。若辅助操舵装置是用动力操纵的，则也应能在驾驶室进行控制，并应独立于主操舵装置的控制系统。（4）能从驾驶室操作的主、辅操舵装置的控制系统应符合下列要求：①在舵机室应设有能将驾驶室操作的控制系统与其所服务的操舵装置脱开的设施。②此控制系统应能在驾驶室某一位置被投入操作。（5）当控制系统的电源供应发生故障后，应在驾驶室发出能视听的警报。（6）驾驶室与舵机室之间应备有通信设施。（7）舵角位置应在驾驶室及舵机室显示。舵角指示应与操舵装置控制系统独立。（8）驾驶室和舵机室应固定展示带有原理框图的适当操作说明。此说明表明操舵装置控制系统和动力转舵系统的转换程序。第四节操舵装置控制系统：1．操舵装置控制系统是使舵机能按照驾驶者意图及时地、准确地将舵转到所需舵角上的装置，有电力式、液压式、电动液压式和机械式等多种。现代船舶操舵装置的控制系统主要有液压控制和电力控制两种。2．液压控制系统实质上是通过一充满液体的连通器将驾驶台的操舵动作传达到舵机上。3．电力控制系统：目前海船上普遍采用电力控制装置，因它轻便灵敏，线路易于布置，对船体变形和温度变化可不受影响，工作可靠，维修方便，并有利于操舵自动化。采用电力控制装置的船舶，都有两套独立操舵系统的线路布置。当一套操舵系统发生故障后，立即可以转换另一套操舵系统。这两套系统分别称为随动操舵系统和手柄操舵系统。4．随动操舵系统是装有舵角反馈发送器，能进行追随控制的操舵系统，这种操舵方式的舵轮转动角和舵叶的偏转角度是相当的，操舵时比较直观。5．手柄控制系统也称直接控制系统，它是直接控制继电器使舵机转动的系统。它没有舵角反馈装置，手柄或揿钮相当于继电器的开关。操舵时，当舵角指示器上到达所需的舵角时，要立即将手柄回复到中间位置或松开揿钮。该线路布置简单，一般作为随动控制系统失灵时的备用控制系统。使用直接控制系统操舵时，应注意掌握船的回转惯性的作用，要及时断电，才能使舵叶准确到达所需的舵角。第五节自动舵自动舵的种类：1．按船舶偏航角φ来操舵的自动舵（1）这种自动舵采用比例控制系统，偏舵角α和偏航角φ成正比关系。（2）这种类型的自动舵一般出现在机械式自动操舵仪上，结构简单，比较直观。但不能克服偏航角速度的影响，航向稳定的过程较慢，航迹易成“S”形曲线，它的灵敏度低，质量差，仅在为数不多的大型客船上使用过，现已被淘汰。2．按船舶偏航角φ和偏航角速度tdd来操舵的自动舵（1）这种自动舵采用比例-微分控制系统。（2）这种自动舵除了有与偏航角成比例的舵角成分外，还有与偏航速度成比例的舵角成分。偏航速度越快，舵角给出越大，因此可以及早克服船舶惯性。相对机械式自动操舵仪，它减少了偏摆、稳定航向的过程比较快，提高了灵敏