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1.自動操舵系統(tǒng)基本要求

在給定的航向上,為使船舶以足夠的精度安全航行自動舵必須滿足以下的基本要求:

(1)自動操舵性能良好

當船舶偏離給定航向一定角度(超過系統(tǒng)靈敏度所整定的角度)時,系統(tǒng)應立即工作,使舵葉偏轉一定的角度,這個初始轉舵角叫做一次偏舵角。初始舵角應有適當?shù)臄?shù)值,如果過大會降低船舶航行速度,過小則產(chǎn)生的轉船力矩不足以使船舶回到正航向來。如果給出初始偏航舵角后船舶仍然偏離預定航向,自動舵必須保證有附加舵角(二次偏舵角)。上述要求,實質(zhì)上是選擇比例舵的比例系數(shù)問題。此外,在自動舵中還應具有微分和積分(或壓舵)校正環(huán)節(jié),其目的是使自動舵在調(diào)節(jié)過程中具有良好的動態(tài)性能和靜態(tài)性能。

(2)具有必要的調(diào)節(jié)裝置

為了使同一型號的自動舵裝置能夠適用于不同的排水量、裝載量、航速及舵機拖動裝置的船舶,并能適應各種天氣、海況,在自動舵系統(tǒng)中應有如下的基本調(diào)節(jié)裝置:

①靈敏度調(diào)節(jié)(俗稱天氣調(diào)節(jié))。靈敏度是指系統(tǒng)開始投入工作時的最小偏航角。它視天氣、海況而定。在風平浪靜時,靈敏度要調(diào)高一些;在大風大浪下,應適當降低自動舵的靈敏度,以減少動舵次數(shù)。

②舵角比例調(diào)節(jié)。偏舵角與偏航角之比(即K1的數(shù)值)的大小,直接影響自動舵給出的一次偏舵角和二次偏舵角的數(shù)值,因此要根據(jù)船型、裝載、航速等情況調(diào)節(jié)舵角比例,以獲得一個合適的舵角比。

③反舵角調(diào)節(jié)。偏航中的船舶在自動舵的作用下回復到正航向時,舵葉應先回到艏艉線上,然后再向另一舷偏過一個小角度,以防止船舶因慣性力而繼續(xù)向另一側偏航,這個預先的偏舵角稱之為反舵角(又稱制動舵角,穩(wěn)舵角,糾偏舵角),應根據(jù)船型、裝載、天氣等情況進行調(diào)節(jié)。反舵角可以由微分環(huán)節(jié)來實現(xiàn)反舵角調(diào)節(jié)主要調(diào)節(jié)微分系數(shù)K2,又稱微分調(diào)節(jié)。

④壓舵調(diào)節(jié)。為了糾正船舶由于受到單側風浪、水流等因素影響而引起的不對稱偏航單側偏航,自動舵中應當設有自動壓舵/人工壓舵的調(diào)節(jié)裝置。在具有航向積分環(huán)節(jié)的自動舵中,則設有積分調(diào)節(jié),主要調(diào)節(jié)積分系數(shù)K3。

⑤航向調(diào)節(jié)。應能保證在自動舵不間斷工作的情況下,通過航向調(diào)節(jié)來改變船舶的給定航向,使船舶在新的預定航向上航行。航向的修正也可以通過此調(diào)整裝置進行。各種自動舵系統(tǒng),由于自動操舵儀使用元件不同,調(diào)整方法可能有差別,但它們的作用相同。

(3)應設有隨動、單動等操舵設備在船舶進出港、或遭到緊急情況以及自動操舵失靈,能立刻轉換為其他形式的操舵,如隨動操舵或單動(應急)操舵,以保證船舶航行的可靠性。此外,自動舵還應設有雙電源(兩路供電),雙機組換轉等裝置。

2.自動操舵系統(tǒng)的工作原理

上圖為電動一機械自動操舵系統(tǒng)的原理簡圖。圖中,交流三相異步電動機、直流發(fā)電機及直流電動機構成了M系統(tǒng),直流電動機M為執(zhí)行電動機。操舵開關為為兩半圓環(huán)2和3,它們被一絕緣塊4所分離。兩半圓環(huán)與舵角反饋裝置機械相連。滾動觸頭(滾輪)1與航向接收器機械相連。航向接收器與羅經(jīng)發(fā)訊器是同步傳遞。當船舶沿給定航向K航行,舵葉在艏艉線上,如圖示,滾輪1恰好與絕緣塊4接觸,兩個繼電器KA1、KA線圈都不通電,其常開觸頭都開啟,直流發(fā)電機G磁場電流為零,輸出電壓U為零,直流電動機M靜止不動。當船舶偏離預定航向時,通過陀螺羅經(jīng)發(fā)訊器使航向接收器也轉動同一個角度,滾輪1在兩個半圓環(huán)上滑動,滾輪1與左或右半圓環(huán)接觸,使接觸器KA1(或KA2)線圈通電動作,使電動機正轉(或反轉),拖動舵葉向某一舷偏轉(視船舶偏離預定航向的方向而定),在舵的作用下使船舶向原預定航向返回。

下面分5個階段(其實是連續(xù)的)說明船舶因外界干擾而偏轉離正航向K后是如何通過自動舵的作用又重返正航向的。

第一個階段(I)船舶沿正航向K航行,滾輪1恰好與絕緣塊4接觸,電動機不轉動,舵

葉在艏艉線上,艏艉線與正航向重合,偏航角φ、偏舵角B都為零。

第二階段(Ⅱ)假設由于受到風、流等外界影響,船舶向右偏航,首先航向發(fā)送器使自動操舵儀上的航向接收器(即羅經(jīng)復示器)同步轉動某一角度,并帶動滾輪T向左偏轉,與左邊導電半圓環(huán)2接觸,電動機轉動,舵葉向左舷偏轉,通過舵角反饋同步傳遞結構,使兩個導電環(huán)以相同的方向向左作追隨滾輪的運動。這一階段由于外界干擾的持續(xù)存在,開始偏舵時偏舵角很小,舵效不明顯,所以船舶繼續(xù)向右偏航(增加),導電環(huán)繼續(xù)作追隨滾輪的運動。

第三階段(Ⅲ):由于較強的舵效,使船舶偏航到某一最大偏航角m而停止偏航,導電環(huán)追上滾輪,絕緣塊與滾輪接觸,電動機停轉,偏舵角也達到最大值max第四階段(Ⅳ):船舶在左舵作用下,向正航向K回轉,偏航角從max逐漸減小,又通過航向發(fā)送器作用,使?jié)L輪開始與右邊導電環(huán)3接觸,電動機向右轉,舵葉朝著艏艉方向偏轉(減小),導電環(huán)向右作追隨滾輪的運動。

第五階段(V):船舶回到正航向K上,導電環(huán)正好追上滾輪,使?jié)L輪處于絕緣塊上,電動機停轉,舵葉位于艏艉線上。

上述連續(xù)的5個階段船舶偏離正航向又重返正航向的航跡如圖所示?？梢姴捎眠@一系統(tǒng)進行操舵能夠使船舶在偏航后有自動恢復正航向的能力。這就是電動一機械自動操舵系統(tǒng)的基本工作原理。

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