下载文档原格式
第35卷第3期力学与实践2013年6月舵布置位置对船舶操纵性影响试验研究1)曹留帅2)朱军3)葛义军(海军工程大学舰船工程系,武汉430033)摘要舵合理布置于船尾螺旋桨后方能有效吸收螺旋桨尾流，达到船舶操纵性能优化设计的目的.根据螺旋桨尾流特征，设计了舵的4个横向和3个纵向，共计6个舵布置位置方案，通过自由自航模型试验考察舵布置位置对操纵性的影响.在湖上开展了船模回转、Z形操舵和回舵试验，速降和静横倾角的试验结果符合一般操纵性规律，表明试验结果的有效性.关键词船舶操纵性，自航模试验，舵布置中图分类号：U661.33文献标识码：A DOI：10.6052/1000-0879-12-464THE EFFECT OF RUDDER ARRANGEMENT ON SHIP MANEUVERABILITY STUDIED BY FREE-RUNNING MODEL TEST1)CAO Liushuai2)ZHU Jun3)GE Yijun(Department of Naval Architecture and Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan430033,China)Abstract The rudder is always placed behind the propeller to absorb the energy in the wakeflow,thus to achieve a more optimized maneuverability.According to the characteristics of the propellerflow,six kinds of rudder arrangement were adopted by varying the lateral and longitudinal distances away from the propeller. In each case,the free-running model test was carried out in the lake,including the turning circle test,the zigzag test and the pull-out test.The speed drop and the static roll angle agree well with the general rules of maneuverability.By testing the parameters and analyzing the test data,different effects on the turning ability, the course-keeping ability,and the response to intermediate and small helm angles were achieved with different rudder arrangements.Key words ship maneuverability,free-running model test,rudder’s arrangement舵通常被布置于船尾螺旋桨后方，以有效吸收螺旋桨尾流，对操纵性的优化设计具有重要意义[1].文献[2]通过理论计算和模型水动力试验测量，得到了关于单桨单舵船舶舵纵向布置位置对来流增速的影响规律，当舵纵向位置约大于0.5倍螺旋桨直径时，舵能吸收约60%螺旋桨尾流的能量.文献[3-5]的结论亦表明，合理布置舵的纵向位置能有效改善船舶的操纵性能.对于多桨多舵船舶的舵布置位置，有研究表明合理布置舵的横向位置也能改善船舶的操纵性.文献[6]通过数值计算表明，在偏离螺旋桨轴线一定横向位置内，螺旋桨尾流纵向速度略有增加，这为舵横向布置位置设计提供了一定的参考.船舶操纵性能包含航向稳定性和机动性两个方面的重要能力.一般航向稳定性用航向稳定性衡准数或稳定性指数评估，机动性则用定常回转性、转首性等技术参数衡量.船舶操纵性基本上由船体主要尺度和线型，特别是尾部线型[7]，以及舵的尺寸大小和布置位置决定[8].螺旋桨尾流对舵有较大的影响，在舵大小和形状确定情况下，合理布置舵位置使2012–12–14收到第1稿，2013–04–11收到修改稿.1)国家部委基金资助项目(9140A140305093B1105).2)曹留帅，1990年生，男，博士研究生，主要研究方向为船舶流体力学.E-mail:cao liushuai@3)朱军,1959年生，男，教授，博士生导师，主要研究方向为船舶流体力学.E-mail:zhjun101@36力学与实践2013年第35卷其充分吸收螺旋桨尾流的速度也是改善船舶操纵性的有效措施.驱逐舰、护卫舰设计经验表明[9-12]，舵合理外偏能减少约0.5倍定常回转直径，但是很少有研究阐述在改进回转性的同时对航向稳定性的影响.因此，有必要全面考察舵布置位置对船舶操纵性的影响.文章为了探究舵布置位置对船舶操纵性的影响，根据横向和纵向位置的变化，设计得到6个不同的舵位置情形，通过操纵性自由自航模型试验，分别对每种情形进行了回转试验、Z 形操纵试验和回舵试验，以确定舵布置位置的最佳方案，为总体设计提供参考依据.1舵布置位置设计方案本试验共设计了6个舵布置方案，各方案相对螺旋桨布置位置见图1.方案1∼方案6相对螺旋桨中心线布置位置尺寸见表1，其中D 为螺旋桨直径.图1舵布置位置示意图表1舵布置位置方案及其参数方案123456横向位置0.15D 0.30D 0.45D 0.30D 0.30D纵向位置1.36D 1.36D 1.36D 1.36D 1.16D 1.64D2自航模型试验概况模型试验在天然湖泊中进行，水域开阔，水面平整，水深满足试验条件(图2).试验模型船长约6m ，船体和附体材质为木质，附体有舭龙骨、呆木和螺旋桨支架、包套等.螺旋桨图2湖泊中自由自航模型试验模型材质为铅锡合金.轨迹记录采用GPS(global positioning system)定位系统，标称平面椭圆误差 2cm ；运动与航行姿态测量采用组合导航系统，方位角测量误差 0.1◦；舵机为数字式位置控制，精度为0.04◦.3舵布置位置对操纵性影响分析3.1试验内容本试验开展操纵性的3项实验：回转试验、Z 形操纵试验和回舵试验.每种情形分别在高速(F r=0.289)和低速(F r =0.174)两种速度下进行，测量记录的船舶运动量有：回转轨迹、航向角、回转角速度、横倾角、航速、舵角和螺旋桨转速等.图3为定常回转试验中速降与定常回转直径的关系，初始航速为高速.图中圆点为方案1∼方案6试验测量结果，曲线为拟合结果.图3表明试验结果符合一般速降与定常回转直径的关系.图4是方案4的操舵角δ=±10◦∼±35◦、初始航速为高速时，定常回转稳定横倾角和无量纲定常回转直径乘积(φ×D s )与稳定航速V s 的关系图线，其他方案结果与此一致.曲线表明各个方案的稳图3速降与无量纲定常回转直径关系曲线图4静横倾与定常回转航速关系曲线第3期曹留帅等：舵布置位置对船舶操纵性影响试验研究37定回转横倾角测量结果符合指数变化(图中回归曲线)规律，试验结果满足工程精度要求.图3和图4的结果表明，试验测量结果符合一般操纵性规律，离散度满足工程测量结果要求.3.2试验测量结果分析图5和图6分别为各个方案高速、低速满舵定常回转直径试验测量结果的对比.结果表明各个舵布置方案满舵无量纲定常回转直径在2.4左右；高速情况下方案1,2,5定常回转直径较小，低速情况方案2最小，低速方案1,3,5相当.除方案1,2略有不同外，高低速度各方案的满舵定常回转直径规律相似.图5高速满舵定常回转直径各方案对比图6低速满舵定常回转直径各方案对比图7为Z形试验的无量纲初转期ta各方案对比.高速情况下各方案无量纲初转期约有15%的变化范围，方案2,5,6相对较小，方案1,3偏大.低速情况下方案1,4,6无量纲初转期较其他方案小，约为1.25s.1957年野本[13]提出，对于航向稳定性的船，在操舵不是很频繁的情况下，可用一阶K和T方程式来描述船的转首响应T˙r+r=Kδ图7Z形操纵试验初转期各方案对比并说明了K和T指数的意义和用Z形试验来确定K和T的方法.图8为Z形试验的无量纲K 指数.低速和高速情况除方案1外有着基本相同的规律，方案4的K 指数最大.图9的无量纲T 指数与无量纲K 指数变化规律相同，符合K 大T 也大，K 小T 也小的一般规律.图8Z形操纵试验无量纲K 指数各方案对比图9Z形操纵试验无量纲T 指数各方案对比图10为回舵试验中各方案高速和低速的剩余角速度对比曲线.曲线表明低速情况下除方案1为航向稳定外，其余各方案均有不同程度的剩余角速度.高速情况下方案4,5有明显的剩余角速度存在，这一点与图9中稳定性指数T偏大具有一致性.38力学与实践2013年第35卷图10回舵试验剩余角速度各方案对比低速情形较高速情形航向稳定性普遍较差，除了船体本身的动力学特性差异外，还由于低速情形对风作用的敏感性，也正是这种敏感性使得试验更困难.高速情形下方案5不具有航向稳定性的原因，可能与舵过于靠近螺旋桨有关，舵过于靠近螺旋桨将导致流动的不稳定性，增强了舵处涡的分离和外泄.4结论本文设计了6个舵布置方案，通过自由自航模型试验开展了回转试验、Z 形操纵和回舵试验，测量了回转性和航向稳定性.通过对试验测量结果的对比分析，得到了舵布置位置与操纵性的关系，并得到如下结论：(1)高速情况下总体上具有航向稳定性，低速时不具有航向稳定性；(2)舵布置于螺旋桨正后方(方案1)和外偏0.30D 且近螺旋桨布置(方案5)的高速回转效果较好，高速满舵回转直径改善程度约20%；(3)靠近螺旋桨的舵纵向布置位置方案，其高速回转效果最好，但是航向稳定性相对较差；(4)综合考虑操纵性，舵横向布置位置选取在正对螺旋桨处，纵向位置可在现有方案1上适当减少与螺旋桨的间距.参考文献1International Towing Tank Conference (ITTC).The ma-neuvering committee,final report and recommendations to the 25th ITTC,Fukuoka,Japan,20082Okada S.Investigation on the effect of the propeller raceupon the performance of rudders:Hydrodynamical re-search of ship’s rudder—the third report.Stevens Institute of Technology,19593Mori M.Calculation of normal force of rudder behind pro-peller.Journal of the Kansai Society of Naval Architects ,1974,153:81-894Fujii H,Tuda T.Experimental research on rudder perfor-mance.Journal of Zosen Kiokai ,1961,110:31-425Yumuro A.Influences of propeller and rudder on maneu-vering stability derivatives.Journal of the Society of NavalArchitects of Japan ,1980,148:80-916王展智,熊鹰,齐万江等.船后桨的布局对螺旋桨水动力性能的影响.哈尔滨工程大学学报,2012,33(4):427-431(Wang Zhanzhi,Xiong Ying,Qi Wanjiang,et al.The effect of propeller arrangement behind the hull on propeller hydro-dynamic performance.Journal of Harbin Engineering Uni-versity ,2012,33(4):427-431(in Chinese))7曹留帅,朱军,黄昆仑.船舶呆木设计及对操纵性影响研究.中国舰船研究,2012,7(2):20-24(Cao Liushuai,Zhu Jun,Huang Kunlun.Design of the dead wood and its effect on ship maneuverability.Chinese Journal of Ship Research ,2012,7(2):20-24(in Chinese))8范尚雍,程智斌,吕韶康.高速双桨双舵船的船--桨--舵之间的水动力干扰.中国造船,1989,(2):27-34(Fan Shangy-ong,Cheng Zhibin,L¨u Shaokang.Hydrodynamic interac-tion between hull,propeller and rudder of high speed twin-screw,twin-rudders ships.Ship Building of China ,1989,(2):27-34(in Chinese))9朱军，庞永杰，徐玉如.规则波浪中船舶操纵运动计算.哈尔滨工程大学学报,2004,25(1):1-5(Zhu Jun,Pang Yongjie,Xu Yuru.Maneuvering prediction of a ship in regular waves.Journal of Harbin Engineering University ,2004,25(1):1-5(in Chinese))10范尚雍,朱军,程智斌.驱逐舰操纵性预报.中国造船,1990,(1):3-8(Fan Shangyong,Zhu Jun,Cheng Zhibin.Prediction of destroyer maneuverability.Ship Building of China ,1990,(1):3-8(in Chinese))11范尚雍,吕韶康,程智斌.双桨双舵船模系列斜拖试验研究.中国造船,1988,(1):38-47(Fan Shangyong,L¨u Shaokang,Cheng Zhibin.Oblique towing test results of a series of twin-screw,twin-rudder ship models.Ship Building ofChina ,1988,(1):38-47(in Chinese))12范尚雍,吕韶康.高速方尾船斜航状态的水动力试验研究和数值计算.水动力学研究与进展,1988,3(3):77-86(Fan Shangy-ong,L¨u Shaokang .Experiment study and numerical cal-culation of hydrodynamic forces and moments acting on the high speed transom stern ships running obliquely.Ad-vances in Hydrodynamics ,1988,3(3):77-86(in Chinese))13范尚雍.船舶操纵性.北京：国防工业出版社，1988(责任编辑:刘希国)。
浅析船舶动力定位系统的组成及应用发布时间：2022-12-19T07:56:40.231Z 来源：《科技新时代》2022年12期作者：陈龙韩朋刚刘欢蒙亚东只升震[导读] 船舶动力定位是在船舶需要定在某一坐标点时不在需要传统的定位锚机来固定，而是依靠一定的参考系统，如DGPS、罗经等，利用船舶自身的动力可以自动的维持在地球上的某一坐标点，这时DP控制系统依靠参考系统反馈回来的位置信息，风和流信息以及外力的信息，自动去控制主推进器，舵机，侧推等动力设备，维持在这个设定坐标点，这就是动力定位的简单解释。
（安装公司海洋石油202船）摘要：船舶动力定位是在船舶需要定在某一坐标点时不在需要传统的定位锚机来固定，而是依靠一定的参考系统，如DGPS、罗经等，利用船舶自身的动力可以自动的维持在地球上的某一坐标点，这时DP控制系统依靠参考系统反馈回来的位置信息，风和流信息以及外力的信息，自动去控制主推进器，舵机，侧推等动力设备，维持在这个设定坐标点，这就是动力定位的简单解释。
由于动力定位船舶的机动性、高效性，动力定位系统被广泛应用于海底管线检修，海洋电缆铺设、海洋石油平台守护、海洋钻井船、水下机器人跟踪、海底管线埋设等。
本文对工程船舶动力定位系统组成及作用进行分析。
关键字：动力定位参考系统自动控制工程船舶Abstract：This article is mainly about the Dynamic Position System, this system is different from the traditional position winch system. It depend on the DGPS, Gyro, Reference system, using the ship’s own ability hold a set position. The DP control system using the Reference system, calculate the external result forces, automatic control the thrusters, rudders to generate a opposite force, in order to keep the DP Ship positioning .Because of the better flexible and maneuvering, The DP control system is used more and more in the Marine Engineering construction. This article is mainly about the Dynamic Position System and the function.Key Words: Dynamic Position Reference System Automatic Control Engineering Ship1．动力定位系统工作原理的简单介绍20世纪60年代，随着海洋石油开发的需求，动力定位概念开始出现，美国Honewell公司将动力定位系统于1961年应用于第一条动力定位船舶CUSS1；近年来，随着海洋石油逐步走向深蓝，国际上各海洋石油公司发展目标、战略重心逐步转向深海领域；在海洋工程船舶的投资发展方向都是动力定位船舶，而动力定位系统是必不可少的利器。
船舶自动操舵仪故障分析及其解决方案作者：李成玉摘要:文章分析了半导体分立元件和集成电路设计的自动舵工作原理,指出它们的缺点及其故障产生的根本原因。
应用可编程序控制器(PLC)技术研制的自动舵,克服了常规自动舵的缺点及其参数整定困难和控制效果的不足。
自整定比例微积分调节器(PID)自动舵能够自动适应船况和海况的变化,实现无扰动切换、变增益调节、抗积分饱和、微分先行等功能,克服了舵机振荡。
实船应用证明了该自整定比例微积分调节器船舶自动舵的有效性。
0引言船舶自动操舵仪是保证船舶安全航行的重要设备,而舵机振荡出现的故障率最高。
我国造船工业已具规模,每年生产艘数甚多的小型船舶,开发出性能可靠、价格合理的船舶自动操舵仪,完全可以得到推广和应用。
针对船舶自动操舵仪出现的故障,分析了其控制单元的特点及工作原理,给出了通用的性价比高的技术解决方案。
1常规自动舵控制单元分析1)半导体分立元件自动舵。
半导体分立元件正常工作需要一定的条件,若超出其允许的范围,将不能正常工作,甚至造成永久性的破坏。
对于大功率管的功耗能力并不服从等功耗规律,其工作电压升高,其耗能功率相应减小。
三极管在工作时,可能Uce并未超过BUceo,Pc也未达到Pcm,而三极管已被击穿损坏了。
因此,使用半导体模拟元件要考虑di/dt、du/dt的影响,即使在其允许工作范围内也可能造成损坏。
特别是外延型高频功率管,在使用中要防止二次击穿。
元器件老化、特性飘移,引起性能下降、工作不稳定,故障率最高。
2)集成电路设计的自动舵。
集成电路与分立元器件组成的电路相比,具有体积小、功耗低、性能好、重量轻、可靠性高、成本低等许多优点。
但同样对电源电压、温度、湿度等外界因素变化敏感,其内部又存在固有噪声,这些将引起回路特性和参数变化,降低其稳定性和可靠性。
其功能扩展困难,难以调试,不能在线修改和故障诊断,对制作工艺要求很高。
故障分析和排除十分困难。
3)舵机振荡出现的几率最高。
第1章 自动控制系统的基本概念1－1 水位控制装置如图1-12所示。
试分析它的控制原理，指出它是开环控制还是闭环控制系统？说出它的被控量及扰动输入量是什么？绘制出其系统框图。
在该液位控制系统中，水箱的进水量来自进水阀门，出水量由用户阀门确定。
该系统能在用户用水量随意变化的情况下，保持水箱水位在希望的高度上不变。
工作原理：当水箱水位低于设定值H 2时，浮子下移，通过杠杆使阀门开合度增大，从而加大进水量，使水箱水位提高；反之，当水箱水位高于设定值H 2时，浮子上移，通过杠杆使阀门开合度减小，从而减小进水量，使水箱水位降低。
最终调节液位在一个相对稳定的高度。
控制任务：保持水位H 1在设定值；被控制量：实际水位H 1；扰动量：出水量；被控对象：水箱；测量元件：浮子；执行元件：进水阀门。
根据上析分析，给出系统的原理方框图如图1-13所示。
1－2某生产机械的恒速控制系统原理图如图1-14所示。
系统中除了速度反馈外，还设置了电流正反馈以补偿负载变化的影响。
试标出速度负反馈、电流正反馈的信号的正、负号并画出框图。
被控对象：电动机；被控量：电动机转速n ；给定量：电位器的电压u 1；扰动量：负载力矩的变化。
工作原理：电位器电压u 1与转速设定值相对应。
当转速n 低于设定值时，测速发电机输出电压u 2减小，电压偏差信号 增大，电压放大器1的输出电压提高，经功率放大器放大后加到电机电枢两端电压u 4提高，从而使电动机的转速提高。
另一方面，当负载转矩增大时，电枢回路中的电流增大，电压放大器2的输出电压u 3增大，经功率放大器后加到电机上的电压u 4也提高，起到了扰动补偿作用。
由此可见，当转速低于设定值时，可通过反馈回路和扰动补偿两方面的共同作用使转速提高，从而达到了复合控制转速的目的。
反之亦然。
根据题意，可得系统原理方框图如图1-15所示。
21u u u -=∆1-3图1-16所示为一温度控制系统的原理图。
指出系统的输入量、被控量和控制原理，并画出系统框图。
船舶舵机的常见故障及日常安全检查应注意的问题摘要：船舶在海中能够按照驾驶员的指令航行，使船舶改变航向或则维持指定的航向，是依靠安装在船舶尾部的舵机来实现的，由此可见，舵对于船舶的正常航行的重要性是不容置疑的。
当船舶航行时因舵机发生故障对船舶安全的影响是巨大的，对于舵机日常比较容易出现故障的情况，主要分为两大部分。
一是属于硬件类的故障，二是属于软件类的故障。
关键词：概述；故障；注意问题；掌握重点舵机的硬件类的故障是指与舵机相关的机器、设备发生了功能性的障碍，使得舵机不能正常工作发挥效用。
常见的主要有：1、通信系统的故障。
驾驶员发出的舵令信号不能输出至舵机，舵机接收不到舵令。
驾驶台与舵机间无法通话等。
2、电力系统的故障。
动力电路、配电板等电力输出故障，使电动机无法正常运转。
两路电力线路只有一路可以使用。
3、液压系统的故障。
液压系统密封性能出现问题，有油路泄漏或有旁通现象、主油路锁闭不严、油位过低、液压系统内有空气等问题。
使液压系统不能正常运行。
软件类的故障是指与舵机运行有关的管理制度，船员对舵机的操作存在的问题。
通常主要是船员对应急舵的操作不熟悉，在需要的时候无法启动应急舵。
综上所述，加强船舶舵机的日常安全检查和及时的维修保养对舵机的工作可靠性延长舵机的无故障使用时间尤其重要，轮机员必须对舵机的基本知识和日常安全检查的重点有所了解。
一、液压舵机概述（一）基本概念从实用意义上讲舵机是使船舶转向的动力机械设备，例如电动液压舵机是指电动机和它所驱动的液压泵所组成，但船上一般笼统地把整个操舵装置称为舵机。
液压舵机基本组成：（1）操纵系统；（2）控制元件；（3）转舵机构；（4）动力输出源。
（二）液压舵机的类型和工作原理现今大型船舶基本都采用电动液压舵机，根据液压油流向控制方法不同可分为泵控型和阀控型两种。
1、泵控型双向变量油泵设置在舵机室，由电动机驱动做单项回转，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，依靠油泵控制C偏离中位的方向和距离，来决定油泵的吸排方向和流量。
