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船舶试航操舵装置试验要求

新建船舶试航时进行操舵试验,按照《国际海上人命安全公约》(以下称公约)第II-1章第29条要求,主操舵装置能在船舶处于最深航海吃水并以最大营运航速前进时将舵自一舷35°转至另一舷35°以及于相同条件下在不超过28s内将舵自任一舷35°转至另一舷30°。上述规定是公约对船舶主操舵装置的要求,验船师在试航期间要对试验进行现场见证,确保船舶满足公约要求。

当船舶在操舵时,舵叶转动一个角度如图1,水流对舵叶有冲角时,由于水流的作用,根据机翼原理,舵迎流面一侧水流速度降低,压力升高;背流面一侧水流速度升高,压力降低。

图1

由于舵叶两侧的压差,在舵叶压力中心处产生一个水动力的合力,此合力可以分解为沿船长方向的阻力和沿船舶横向的升力如图2,阻力使船速度降低,升力对船舶重心产生一个转船力矩,使船绕船舶重心回转。

图2

伴随舵角的增大,作用在舵叶上的升力和阻力逐渐变大,当舵角增加到某一数值时,舵叶背流面就会出现涡流,使舵叶迎流面与背流面的压力差减小,升力骤然下降,阻力继续升高,出现舵的失速现象。出现失速时的舵角,称为失速舵角。

作为现阶段海船普遍使用的对称机翼剖面的流线型舵,升力和阻力随舵角变化情况通常如图3,舵角逐渐增大时,升力也随之逐渐增大,大约在38°时升力达到最大值,在此过程阻力也逐渐增大,但始终小于升力值。当舵角超过40°时,升力迅速下降,阻力继续升高,导致船速降低,舵效变差,当舵角达到45°时升力与阻力相等。公约要求舵具有自一舷35°转至另一舷35°能力,是因为船舶舵角限定在35°可以避免船舶在转舵时出现失速舵角,始终保证舵叶在升力逐渐变大,阻力较小的范围内工作,从而获得较大的转船力矩,而对船产生的阻力较小。

图3

船舶航行时舵叶上产生的升力和阻力的大小与舵角的变化有关,同时也受到船舶的吃水和航速等多方面的影响。现阶段为了改善船舶的操纵性,特别是提高船舶在低速航行时的操纵性,船舶设计时选择各种特种舵。如:主动舵;整流帽舵;鱼尾舵;襟翼舵和转子舵。国外某公司对外公布的研究结果见图4,由于不同型舵水动力的差异,升力的最大值可能不会出现在35°舵角附近,因此根据舵的类型提出不同舵角的工作范围更为合理。

图4

关于公约规定主操舵装置能在船舶处于最深航海吃水并以最大营运航速前进时不超过28s内将舵自任一舷35°转至另一舷30°。公约1974年版就有这一规定,主要考虑了上世纪七八十年代被广泛使用的一种采用浮动杆追随机构的电动液压舵机,其工作原理和特性决定了,公约对安装该机构舵机操舵时间计算自任一舷35°开始至另一舷30°结束是比较合理的;而且操舵时间的测量终点选择在舵旋转过程中一处比最大舵角附近,测量的结果更加准确。

舵机按照动力源分类,主要分为手动舵机,蒸汽舵机,气动舵机,电动舵机和电动液压舵机。在提供相同转舵扭矩情况下电动液压舵机较其他种类的舵机,尺寸小,重量轻,效率高,耐冲击,并可以提供较大的扭矩被现代船舶广泛应用。

电动液压舵机根据液压油流向变换方法的不同,可以分为泵控型和阀控型两类。采用浮动杆追随机构的泵控型电动液压舵机见图5,双向变量泵设于舵机舱内,由电动机驱动作单向持续运转,通过双向变量泵控制杆与浮动杆在B处相连接偏离中位的方向和距离,来决定泵的吸排方向和流量。浮动杆的控制点A由驾驶室台通过操舵控制器控制,浮动杆上的控制点B与双向变量泵控制杆相连,反馈点C经过反馈杆与舵柄相连。

图5

这种舵机浮动杆追随机构工作原理见图6,当舵叶和驾驶台上的舵轮都处于中位时,浮动杆即处在ABC连线位置,C点恰使双向变量泵控制杆居于中位,液压泵空转,舵保持中位不动。如果驾段台给出右舵35°指令,通过操舵装置控制杆,使A点移动到A1点,此时B点将移动到B1,浮动杆即处在A1B1C连线位置,于是液压泵开始工作向右转舵液压缸提供液压油,舵叶开始偏转。实际上反馈杆上安装了可以双向压缩的蓄能弹簧,反馈杆反应慢于操舵装置控制杆和液压泵控制杆。当舵叶转到接近指定舵令右舵35°时,反馈杆C点向C1点移动,双向变量泵控制杆B1点随移到中位B点,浮动杆即处在A1BC1连线位置,液压泵空转,舵叶保持右舵35°不动。

图6

在舵叶停在右舵35°时 ,如果驾段台随即给出左舵35°指令见图7,通过操舵装置控制杆,使A1点移动到A2点,此时B点将移动到B2,于是液压泵工作向左转舵液压缸提供液压油,舵叶向左舵偏转,C1点将移动到C点,浮动杆即处在A2B2C 连线位置。当舵角接近指定舵令左舵35°时,反馈杆C点向C2点移动,B2点将随移到B点,浮动杆即处在A2BC2连线位置,液压泵空转,舵叶保持左舵35°不动。 

图7

当船舶安装采用浮动杆追随机构的电动液压舵机,由于舵叶的转速与液压泵流量密切相关,舵叶自一舷35°转至另一舷35°时过程,期间在一舷35°转至另一舷30°之间,液压泵是在同一方向全流量条件下提供液压油,舵叶转速较快;当舵角在接近35°时,由于液压泵控制杆逐渐返回中位,泵的流量逐渐降低最终至零,舵叶转速也随之变慢最终停在另一舷35°位置。在船舶航海试验时,考核舵机液压泵选型在全流量条件下工作,不超过28s内将舵自任一舷35°转至另一舷30°,而对30°至35°之间的5°内舵叶转速逐渐降低,转舵时间没有明确的规定值。

现阶段采用浮动杆追随机构的电动液压舵机已经很少使用,而多是通过电位器向操舵控制系统反馈舵叶旋转的位置。这类舵机在转舵自一舷35°转至另一舷35°全过程液压泵均在全流量下工作,舵叶转动速度平稳,不存在舵转到指定舵令前,转速逐渐变慢的现象,因此现阶段公约规定操舵时间起点自任一舷35°,终点为另一舷30°,除遵守公约延续的规定外,选择在舵旋转过程中一处为操舵时间测量终点,获得的结果更加准确。

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