Рулевое устройство
совокупность механизмов, агрегатов и узлов, обеспечивающих управление судном.
Основными конструктивными элементами любого рулевого устройства являются:
рабочий орган - перо руля (руль) или поворотная направляющая насадка;
баллер, соединяющий рабочий орган с рулевым приводом;
рулевой привод, передающий усилие от рулевой машины к рабочему органу;
рулевая машина, создающая усилие для поворота рабочего органа;
привод управления, связывающий рулевую машину с постом управления.
На современных судах устанавливают пустотелые обтекаемые рули, состоящие из горизонтальных ребер и вертикальных диафрагм, покрытых стальной обшивкой (рис. 1, а). Обшивку крепят к раме электрозаклепками. Внутреннее пространство руля заполняют смолистыми веществами или самовспенивающимся пенополиуретаном ППУ3С.
В зависимости от расположения оси вращения различают балансирные (рис. 1, д, в), небалансирные (рис. 1, б) и полубалансирные рули . Ось вращения балансирного руля проходит через перо руля, а небалансирного - совпадает с передней кромкой пера. У полубалансирного руля в нос от оси вращения выступает только нижняя часть пера. Момент сопротивления повороту балгнсирного или полубалансирного руля меньше, чем небалансирного, и соответственно меньше требуемая мощность рулевой машины.
По способу крепления рули разделяют на подвесные и простые.
Подвесной руль крепят горизонтальным фланцевым соединением к баллеру и устанавливают только на малых и малых маломерных добывающих судах.Простой одноопорный балансирный руль (см. рис. 1, а) штырем упирается в упорный стакан пятки ахтерштевня. Для уменьшения трения цилиндрическая часть штыря имеет бронзовую облицовку, а в пятку ахтерштевня вставлена бронзовая втулка. Соединение руля с баллером - горизонтальное фланцевое на шести болтах или конусное. При конусном соединении коническая концевая часть баллера вставляется в конусное отверстие верхней торцевой диафрагмы руля и плотно затягивается гайкой, доступ к которой обеспечивается через крышку, поставленную на винтах, входящих в обшивку руля. Изогнутый баллер дает возможность раздельного демонтажа руля и баллера (при их взаимном развороте).
Простой двухопорный небалансирный руль (см. рис. 1, б) сверху закрыт листовой диафрагмой и литой головкой, имеющей фланец для соединения руля с баллером и петлю под верхнюю штыревую опору. В петлю рудерпоста вставляют бакаутовые, бронзовые или другие втулки.
Недостаточная жесткость нижней опоры балансирных рулей часто становится причиной вибрации кормы судна и руля. Этот недостаток отсутствует у балансирного руля со съемным рудерпостом (см. рис. 1, в). В перо такого руля вмонтирована труба, через которую проходит съемный рудерпост. Нижний конец рудерпоста закрепляют конусом в пятке ахтерштевня, а верхний крепят фланцем к ахтерштевню. Внутри трубы устанавливают подшипники. Рудерпост в местах прохождения через подшипники имеет бронзовую облицовку. Крепление руля к баллеру - фланцевое.
Рис. 1. Рабочие органы рулевых устройств: а - руль одноопорный балансирный; б - руль двухопорный небалансирный; в - руль баланснрный со съемным рудерпостом; г - активный руль; д - поворотная направляющая насадка со стабилизатором; 1 - баллер; 2 - фланец; 3 - обшивка пера руля; 4 - наделка-обтекатель; 5 - вертикальная диафрагма; 6 - горизонтальное ребро; 7 - пятка ахтерштевня; 8 - гайка; 9 - шайба; 10 - рулевой штырь; 11 - бронзовая облицовка штыря; 12 - бронзовая втулка (подшипник); 13 - упорный стакан; 14 - канал для демонтажа упорного стакана; 15 - гельмпортовая труба; 16 - петля рудерпоста; 17 - рудерпост; 18 - бакаут; 19 - фланец рудерпоста; 20 - съемный рудерпост; 21 - вертикальная труба; 22 - гребной винт руля; 23 - редуктор с обтекателем; 24 - стабилизатор; 25 - поворотная направляющая насадка; 26 - гребной вал; 27 - гребной винт
В пере активного руля (рис. 1, г) помещен вспомогательный гребной винт . При перекладке руля направление упора вспомогательного винта изменяется и возникает дополнительный момент, поворачивающий судно. Направление вращения вспомогательного винта противоположно направлению вращения основного. Электродвигатель размещается в пере руля или в румпельном отделении. В последнем случае электродвигатель непосредственно соединен с вертикальным валом, передающим вращение редуктору движителя. Винт активного руля может обеспечить судну скорость до 5 уз.
На многих судах промыслового флота вместо руля устанавливают поворотную направляющую насадку (рис. 1, д), которая создает такую же, как и руль, боковую силу при меньших углах перекладки. Причем момент на баллере насадки примерно в два раза меньше момента на баллере руля. Для обеспечения устойчивого положения насадки при перекладках и увеличения ее рулевого действия к хвостовой части насадки в плоскости оси баллера крепят стабилизатор. Конструкция и крепление насадки аналогичны конструкции и креплению балансирного руля.
Баллер - изогнутый или прямой стальной цилиндрический брус, выведенный через гельмпортовую трубу в румпельное отделение. Соединение гельмпортовой трубы с наружной обшивкой и настилом палубы - водонепроницаемое. В верхней части трубы устанавливают уплотнительный сальник и подшипники баллера, которые могут быть опорными и упорными.
Рулевое устройство должно иметь приводы: главный и вспомогательный, а при их расположении ниже грузовой ватерлинии дополнительный аварийный, размещенный выше палубы переборок. Вместо вспомогательного привода допускается установка сдвоенного главного, состоящего из двух автономных агрегатов. Все приводы должны действовать независимо друг от друга, но, как исключение, допускается наличие у них некоторых общих деталей. Главный привод должен работать от источников энергии, вспомогательный может быть ручным.
Конструкция привода руля зависит от типа рулевой машины. На судах промыслового флота устанавливают электрические и электрогидравлические рулевые машины. Первые выполняют в виде электродвигателя постоянного тока, вторые - в виде комплекса электродвигатель - насос в сочетании с плунжерным, лопастным или винтовым гидравлическим приводом. Ручные рулевые машины в сочетании с штуртросовым, валиковым или гидравлическим рулевым приводом встречаются только на малых и маломерных добывающих судах.
Рис. 2. Приводы руля: а - секторно-эубчатый; б - штуртросовый; в - гидравлический плунжерный; г - гидравлический лопастный; д - гидравлический винтовой; е - румпель-таль; 1 - штурвал и рулевая колонка вспомогательного привода; 2 - румпель; 3 - червячный редуктор; 4 - зубчатый сектор главного привода; 5 - электродвигатель; 6 - пружинный амортизатор; 7 - баллер; 8 - балансирный руль; 9 - зубчатый сектор вспомогательного привода; 10 - червяк; 11 - штуртрос; 12 - направляющие роульсы; 13 - буферные пружины; 14 - сектор; 15 - поршень-плунжер; 16 - гидроцилиндр; 17 - насос; 18 - предохранительный клапан; 19 - корпус; 20 - секторовидная камера; 21 - крылатка с лопастями; 22 - стакан с продольными канавками; 23 - кольцевой поршень; 24 - стакан с винтовыми канавками; 25 - крышка; 26 - квадратная головка; 27 - рабочая полость цилиндра; 28 - шпоночная канавка; 29 - ходовой конец лопаря; 30 - подвижный блок; 31 - неподвижный блок
На многих мало и среднетоннажных судах устанавливают секторнозубчатый рулевой привод (рис. 2, а). При работе электродвигателя свободно насаженный на баллер зубчатый сектор через пружинные амортизаторы передает усилие жестко закрепленному на баллере продольному румпелю. Амортизаторы смягчают толчки, возникающие при пуске электродвигателя или при ударах волн о перо руля. Червячный редуктор обеспечивает самоторможение привода. В качестве вспомогательного привода предусмотрен дополнительный жестко насаженный на баллер зубчатый сектор. Работу сектора обеспечивает ручная штурвальная колонка через валиковую проводку и дополнительный червячный редуктор.
На маломерных добывающих судах применяют секторный штуртросовый привод (рис. 2, б). Усилие рулевой машины через штуртрос передается жестко насаженному на баллер сектору. Штуртрос выполняют иэ стального троса с участком цепи Галля в средней части или целиком из цепи. Обе ветви штуртроса от сектора через направляющие роульсы идут к звездочке или барабану рулевой машины. В последнем варианте при вращении барабана одна ветвь стального троса выбирается, а другая - потравливается. Слабину штуртроса выбирают винтовыми талрепами, толчки смягчаются буферными пружинами.
Наибольшее распространение на промысловом флоте получили гидравлические рулевые приводы: плунжерный, лопастный, винтовой.
Насос гидравлического плунжерного привода (рис. 2, в) при работе электродвигателя перекачивает рабочую жидкость из одного гидроцилиндра в другой, что приводит к перемещению шарнирно соединенного с жестко насаженным на баллер румпелем плунжера и повороту баллера. При ударе волны о перо руля давление в одном из гидроцилиндров возрастает и предохранительный клапан перепускает часть рабочей жидкости в другой цилиндр, амортизируя удар. Специальное устройство обеспечивает автоматический возврат пера руля в первоначальное положение после спада давления в гидроцилиндре. На многих судах установлены сдвоенные плунжерные гидравлические рулевые приводы. Параллельно работающие две пары гидроцилиндров и два насоса обеспечивают возможность перекладки руля любой парой гидронасосов. В этом случае на судне может отсутствовать вспомогательный привод руля.
Румпель гидравлического лопастного рулевого привода, выполненный в виде крылатки с лопастями, находится в закрытом цилиндрическом корпусе, разделенном неподвижными перегородками на несколько рабочих камер, заполненных рабочей жидкостью (на рис. 2, г две камеры). Зазоры между лопастями и корпусом, неподвижными перегородками и баллером уплотняются. При перекачке рабочей жидкости из одних полостей камер в другие создается разность давлений, вызывающая поворот румпеля и баллера.
Винтовой гидравлический привод (рис. 2, д) состоит из неподвижного корпуса, средняя часть которого выполняет роль цилиндра. В цилиндр помещен кольцевой поршень: его внутренняя поверхность имеет в верхней части винтовые, а в нижней - продольные канавки. На головку баллера жестко надет стакан с продольными канавками. Другой стакан с винтовыми канавками неподвижно прикреплен к крышке корпуса. При подаче жидкости в рабочую полость цилиндра поршень получает поступательное движение, перемещаясь по винтовым канавкам неподвижного стакана, поворачивается и через стакан с продольными канавками поворачивает баллер.
Кроме перечисленных на промысловых судах изредка встречаются рулевые приводы других типов, в основном в качестве вспомогательных или аварийных. В исключительных аварийных ситуациях могут быть применены две румпельтали.
Таль - это два блока, между которыми натянут трос (лопарь, рис. 2, е). Конец лопаря, за который производят тягу, называют ходовым , а закрепленный конец - коренным . Блок состоит из корпуса, внутри которого находятся один или несколько шкивов, вращающихся на оси (нагеле). Тали могут быть различной конструкции. Наиболее простым видом тали является гордень неподвижный одношкивный блок, позволяющий изменить направление тяги (направляющий блок). Гордень не дает выигрыша в усилии.
Другой вид - хваттали это двух и одношкивные блоки, причем коренной конец лопаря закреплен на одношкивном блоке.
Тали, состоящие из блоков с одинаковым числом шкивов, называют ганцами , а из блоков с числом шкивов более трех в каждом блоке - гинями . При работе тали во всех ветвях лопаря возникает усилие, равное усилию, приложенному к ходовому концу, поэтому общее усилие, передаваемое талью, равно сумме усилий в ветвях подвижного блока, включая усилие и в ходовом конце, если он сходит с этого блока. Один блок тали скобой крепят к предусмотренному в шпангоуте отверстию, другой - к сектору или румпелю. Ходовые лопари через систему направляющих блоков выводят к ближайшей лебедке. Принцип работы аналогичен работе штуртросового привода .
Дистанционное управление рулевой машиной из рулевой рубки обеспечивают телединамические передачи, называемые рулевыми телепередачами или рулевыми телемоторами. На современных промысловых судах нашли применение гидравлические и электрические рулевые телепередачи. Часто они дублируются или комбинируются в электрогидравлические.
Электрическая телепередача состоит из специального контроллера, расположенного в рулевой тумбе и связанного электрической системой с пусковым устройством рулевой машины. Управление контроллером осуществляется с помощью штурвала, рукоятки или кнопки.
Гидравлическая телепередача состоит из ручного насоса, приводимого в работу штурвалом, и системы трубок, связывающих насос с пусковым устройством рулевой машины. Рабочей жидкостью системы служат незамерзающая смесь воды с глицерином или минеральное масло.
Управление главным и вспомогательным рулевыми приводами (работающими от источника энергии) - независимо и производится с ходового мостика, а также из румпельного отделения. Время перехода с главного на вспомогательный привод не должно превышать 2 мин. При наличии постов управления главным рулевым приводом в рулевой и промысловой рубках выход из строя системы управления с одного поста не должен препятствовать управлению с другого поста. Время перекладки полностью погруженного руля или поворотной насадки главным приводом (при наибольшей скорости переднего хода) с 35° одного борта на 30° другого не должно превышать 28 с, вспомогательным (при скорости, равной половине наибольшей скорости переднего хода или 7 уз, в зависимости от того, какое значение больше) с 15° одного борта на 15° другого - 60 с, аварийным (при скорости не менее 4 уз) не ограничивается.
Угол,перекладки руля определяют по установленному у каждого поста управления аксиометру. Кроме того, на секторе рулевого привода или других деталях, жестко связанных с баллером, наносят шкалу для определения действительного положения руля. Автоматическую согласованность между скоростью, направлением вращения и положением штурвала и скоростью, стороной и углом перекладки руля обеспечивает сервомотор.
Ограничители перекладки руля выполняют в виде выступов на пере руля и ахтерштевне, которые упираются друг в друга при максимально допускаемом угле перекладки руля, или в виде книц, приваренных к палубе, в которые упирается сектор привода руля. Все механические рулевые приводы дополнительно имеют конечные выключатели, отключающие механизмы прежде, чем руль дойдет до ограничителя поворота. В гидравлическом плунжерном приводе ограничителем поворота руля служат донышки гидроцилиндров привода.
Тормоз (стопор) руля предназначен для удержания руля при аварийном ремонте или при переходе с одного привода на другой. Наиболее часто применяют ленточный стопор, зажимающий непосредственно баллер руля. Секторные приводы имеют колодочные стопоры, в которых тормозная колодка прижимается к специальной дуге на секторе. В гидравлических приводах роль стопора выполняют клапаны, перекрывающие доступ рабочей жидкости к приводам.
Удержание судна на заданном курсе при благоприятных погодных условиях без участия рулевого обеспечивает авторулевой, принцип работы которого основан на применении гирокомпаса или магнитного компаса. Органы обычного управления связаны с авторулевым. Когда судно ложится на заданный курс, руль по аксиометру устанавливают в нулевое положение и включают авторулевой. Если под действием ветра, волнения или течения судно отклоняется от заданного курса, электродвигатель системы, получив импульс от датчика компаса, обеспечивает возвращение судна на заданный курс. При изменении курса или маневрировании авторулевой отключают и переходят на обычное рулевое управление.
Назначение : обеспечение управляемости судна, т.е. его способности двигаться по определённой траектории.
Конструкция рулевого устройства .
Общее расположение одного из вариантов рулевого устройства представлено на рисунке.
Рис. 3.1.1. Схема рулевого устройства:
1- перо руля; 2 – фланцевое соединение; 3- опоры баллера;
4 – голова баллера; 5 – рулевой привод; 6 – рулевая машина;
7- штурвал; 8 – рулевая передача; 9 – баллер; 10 – гельмпортовая труба;
11 – петля пера руля; 12 – штырь; 13 – петля рудерпоста;
14 – рудерпост; 15 – пятка ахтерштевня.
Основным элементом, создающим необходимое для маневра усилие, является перо руля 1. Для поворота пера руля на некоторый угол относительно ДП служит баллер 9 – вал переменного по длине диаметра. Участки с увеличенным по сравнению с расчётным диаметром предусматриваются в местах расположения опор баллера 3 для повышения ремонтопригодности. Для соединения баллера и пера руля чаще всего используют либо фланцевое соединение 2, изображённое на рисунке, либо конусное соединение. Баллер руля входит в кормовой подзор корпуса судна через гельмпортовую трубу 10, обеспечивающую непроницаемость корпуса, и имеет не менее двух опор 3 по высоте. Нижняя опора располагается над гельмпортовой трубой и имеет сальниковое уплотнение, препятствующее попаданию воды в корпус судна. Верхняя опора располагается непосредственно у головы баллера, обычно она воспринимает массу баллера и руля, поэтому на баллере делают кольцевой выступ.
Необходимое для поворота руля усилие на баллере создаётся посредством рулевого привода . В состав рулевого привода входят: рулевая машина 6; средства передачи крутящего момента от рулевой машины голове баллера 4 (рулевой привод - румпель или сектор 5); рулевая передача 8; а так же система дистанционного управления рулевым приводом – устройство для передачи команд по перекладке руля с ходового мостика (от штурвала 7) на органы управления рулевой машины.
Классификация рулей .
По распределению площади пера руля относительно оси вращения выделяют следующие типы рулей (рисунок 3.1.2):
Рис. 3.1.2. Классификация рулей по распределению площади:
1 – перо руля; 2 – противоледовый выступ; 3 – баллер;
4 – рудерпост; 5- кронштейн.
- небалансирный (обычный ) (рис. 3.1.2, а), ось вращения которого близка к передней (носовой) кромке пера руля (отстоит от неё на расстояние, равное радиусу опоры руля);
- балансирный (рис. 3.1.2, б), ось вращения которого смещена ближе к центру гидродинамического давления (отстоит от передней кромки на расстояние, большее радиуса опоры руля), при этом часть площади пера, находящаяся в нос от оси вращения, называется балансирной;
- полубалансирный (рис. 3.1.2, в), у которого распределение площади в нижней части пера руля соответствует балансирному, а в верхней – обычному рулю;
- подвесной (рис. 3.1.2, г), выделяется в классификации традиционно и является тем же балансирным рулём, отличающимся тем, что непосредственно на пере руля опоры не размещаются.
Балансирные и полубалансирные рули характеризуются коэффициентом балансирности k d:
где: F d - часть площади пера руля, находящаяся между передней кромкой и осью вращения (балансирная), м 2 ; F – полная площадь пера руля, м 2 .
Для балансирных рулей обычно k d = 0,21¸0,23, для полубалансирных k d = 0,15.
Достоинство балансирных и полубалансирных рулей: вследствие меньшего отстояния центра давления от оси вращения момент на баллере требуется меньше, чем у небалансирных.
Недостаток – крепление таких рулей к судну сложнее и менее надёжно.
По форме профиля выделяют следующие типы рулей:
- плоские однослойные, из-за своей низкой эффективности применяются редко – в основном на несамоходных судах;
- профилированные двухслойные (обтекаемые ), состоящие из наружной обшивки и внутреннего набора. Набор формируется из горизонтальных рёбёр и вертикальных диафрагм, сваренных друг с другом. Гоизонтальные рёбра крепятся к основе пера руля – рудерпису, представляющему собой массивный вертикальный стержень. Рудерпис изготавливается вместе с петлями для навешивания пера руля на рудерпост. Конкретную форму профиля руля как правило подбирают экспериментально, соответственно, именуют профили по названию лабораторий, в которых они разработаны.
Рулевые приводы, их виды, конструкция и требования к ним .
Рулевой привод предназначен для непосредственного выполнения перекладки руля и контроля его положения.
В составе рулевого привода можно выделить (достаточно условно) следующие элементы:
Устройство для передачи крутящего момента от рулевой машины к баллеру (иногда называемое собственно рулевым приводом);
Рулевая машина – силовая установка, создающая необходимое усилие для поворота баллера;
Рулевая передача, осуществляющая связь между постом управления и рулевой машиной;
Система контроля.
Выделяют следующие основные виды рулевых приводов:
Механические (ручные), к которым относятся румпельно-штуртросовые, секторно-штуртросовые, секторные с валиковой проводкой, винтовые румпельные;
Имеющие источник энергии (гидравлические, электрические, электрогидравлические).
Механические приводы применяются только на малых судах и в качестве вспомогательных рулевых приводов.
Требования к рулевым приводам содержатся в Правилах классификации и постройки морских судов РМРС (том 1, раздел III «Устройства, оборудование и снабжение», п. 2 «Рулевое устройство» и том 2, раздел IX «Механизмы», п.6.2 «Рулевые приводы»). Среди основных требований можно выделить следующие:
1. Все суда должны быть снабжены главным и вспомогательным рулевыми приводами, действующими независимо один от другого.
2. Главный привод и баллер должны обеспечивать перекладку руля с 35 0 одного борта на 30 0 другого борта не более чем за 28 с при максимальной эксплуатационной осадке и скорости переднего хода.
3. Вспомогательный привод должен обеспечивать перекладку руля с 15 0 одного борта на 15 0 другого борта не более чем за 60 с при максимальной эксплуатационной осадке и скорости хода, равной половине максимальной эксплуатационной скорости переднего хода или 7 уз (в зависимости от того что больше).
4. На нефтеналивных судах, газовозах и химовозах валовой вместимостью 10000 и более, на прочих судах вместимостью 70000 и более, а также на всех атомных судах главный рулевой привод должен включать в себя два (или более) одинаковых силовых агрегата. Соответственно, для них должны быть предусмотрены две независимых системы управления с ходового мостика.
5. Управление главным приводом должно быть предусмотрено с ходового мостика и из румпельного отделения.
6. Управление вспомогательным приводом должно быть предусмотрено из румпельного отделения, а в том случае если он действует от источника энергии – должно быть предусмотрено также независимое управление с ходового мостика.
7. Конструкция рулевых приводов должна обеспечивать переход при аварии с главного привода на вспомогательный за время не более 2 мин.
8. Должен быть обеспечен контроль положения руля.
Выделяют следующие типы рулевых приводов:
Продольно-румпельный, в котором одноплечий румпель, насаженный на головку баллера, расположен в продольном направлении (рис. 3.1.3, а);
Поперечно-румпельный, в котором румпель представляет собой двуплечий рычаг (рис. 3.1.3, б) – название при этом условно, т.к. румпель может находиться как вдоль, так и поперёк ДП судна;
Секторный, в котором насаженный на головку баллера сектор поворачивается ведущей шестернёй рулевой машины (рис. 3.1.3, в).
а)
б)
в)
Рис. 3.1.3 Типы рулевых приводов:
а – продольно-румпельный; б – поперечно-румпельный; в секторный.
В настоящее время на крупных судах получил распространение поперечно-румпельный привод с совмещённой с ним четырёхплунжерной гидравлической рулевой машиной.
Выделяют следующие типы рулевых передач:
Валиковая, при которой связь между постом управления и исполнительным механизмом (например, золотником гидравлической рулевой машины) осуществляется посредством системы стальных валиков (отрезков труб), соединённых между собой с помощью шарниров или конических зубчатых передач;
Гидравлическая, в которой используется объёмный гидропривод;
Электрическая, состоящая из системы самосинхронизирующихся двигателей – при вращении штурвала в роторе передающего двигателя (генератора) возбуждается ток, вызывающей вращение ротора приёмника, соединённого с исполнительным механизмом рулевой машины.
Из различных типов рулевых машин наибольшее распространение получили электрические и электрогидравлические рулевые машины.
Наиболее распространёнными на современных судах являются электрогидравлические четырёхплунжерные рулевые машины с поперечно-румпельным рулевым приводом. Конструкция такой ЭГРМ с механической обратной связью приведена на рисунке 3.1.4.
Рис. 3.1.4 Электрогидравлическая рулевая машина (ЭГРМ)
Два идентичных исполнительных механизма ИМ (приводимых в действие электродвигателями 11 от двух электрических линий управления) работают на один выходной управляющий элемент – шток 12. Перемещение штока h (являющееся заданием на перекладку руля) с помощью рычагов BD и FG, соединённых в точке С, и штанги 17 передаётся насосам регулируемой подачи 8, приводимых в действие электродвигателями 7. Насосы согласно полученным перемещениям е 1 и е 2 регулируемых органов создают подачу Q 1 и Q 2 соответственно.
При работе насосов в цилиндрах рулевой машины 6 создаётся перепад давлений р 1 – р 2 , в результате чего баллер 3 посредством плунжеров 5 и румпеля 2 поворачивается, и руль 1 перекладывается на некоторый угол a.
При этом обратная механическая связь 4 возвращает посредством рычагов DB и FG штангу 17 в исходное среднее положение, в котором суммарное перемещение регулируемых органов насосов е = 0. Давления в полостях цилиндров выравниваются, перемещение руля останавливается и поддерживается заданный угол a. Таким образом, данная ЭГРМ с механической обратной связью представляет собой автономную следящую систему, включённую последовательно замкнутому контуру электрической системы управления.
Указатели положения руля на мостике получают электрический сигнал от датчика 14, приводимого в действие рычагом 13, соединённым со штоком 12.
Для согласования нулевых положений штанги и управляемых органов насосов служит регулировочное устройство, состоящее из винтовых соединений 15 и 16 на концах штанги NL. Серьги AB и HG компенсируют взаимное перемещение рычагов.
В случае отказа дистанционной системы управления рулевая машина приводится в действие штурвалом 10, соединённым с редуктором 9.
Рулевое устройство предназначено для обеспечения управляемости судном (устойчивости на курсе и поворотливости).
Общий вид рулевого устройства показан на рис.6.20. В состав рулевого устройства входят руль, привод руля, привод управления.
Вруль входит перо руля и баллер. Основой пера руля является мощная вертикальная балка –рудерпис . С рудерписом соединены горизонтальные рёбра жесткости и петли. По сечению рули делятся на пластинчатые и обтекаемые. Обтекаемый руль - пустотелый в сечении имеет каплевидную форму, улучшает управляемость, увеличивает КПД винта, обладая собственной
Рис. 6.19.Основные типы рулей: а – обыкновенный небалансирный; б – балансирный; в – балансирный подвесной; г – полубалансирный полуподвесной.
плавучестью, уменьшает нагрузку на подшипники. Из-за этих преимуществ практически все морские суда имеют обтекаемые рули. По положению оси вращения рули делятся на: небалансирные, полубалансирные и балансирные, По методу крепления к корпусу судна - обыкновенные, подвесные и полуподвесные (рис.6.19). У балансирных и полубалансирных рулей часть площади руля (до 20%) расположена в нос от оси вращения руля, что уменьшает момент и мощность, необходимую для поворота руля и нагрузку на подшипники.
Баллер служит для передачи вращающего момента на перо руля и его поворота. Баллер – прямой или изогнутый стержень, который крепится одним концом к перу руля с помощью фланца или конуса, а другой конец входит через гельмпортовую трубу и сальник в корпус судна. Баллер поддерживается подшипниками, на его верхний конец насажен румпель – одноплечий или двуплечий рычаг.
Рулевой привод связывает баллер руля с рулевой машиной и состоит из румпеля и соответствующей передачи к нему от рулевой машины. Наибольшее применение имеет гидравлический плунжерный привод рис. 6.21 и рулевая машина с качающимися цилиндрами рис. 6.23. Находят применение зубчатосекторный привод(устаревший тип), румпельный и винтовой (рис.6.22).
Рис. 6.20. Рулевое устройство.
1 – перо руля; 2 – рудерпис; 3 – баллер; 4 – нижний подшипник; 5 – рулевая машина; 6 – гельпортовая труба.
От рулевого устройства зависит безопасность судна, поэтому требуется, чтобы кроме основного привода был и запасной. Основной привод должен обеспечивать поворот руля на полном ходу судна с 35° одного борта до 30° другого борта за 28 сек (механический ограничитель поворота руля на 35 о, а конечный выключатель на 30 о). Запасной привод должен обеспечивать перекладку руля при половинной скорости (но не менее 7 узлов) с 20° на 20° другого борта за 60 сек. Аварийный привод должен быть предусмотрен, если какая-либо ватерлиния проходит выше палубы румпельной (помещения, где размещена рулевая машина).
Учитывая особую важность рулевого устройства для безопасности судна, на современных судах обычно устанавливают два одинаковых привода, которые соответствуют требованиям к основному приводу (рис. 6.21). Это значительно повышает надёжность рулевого устройства, так как в этом случае возможна взаимная замена узлов.
При гидроприводе поворот руля осуществляется за счёт подачи масла высокого давления в один из гидроцилиндров и под действием плунжера поворачивается румпель и руль (из противоположного гидроцилиндра масло свободно сливается).
Рис. 6.21. Общий вид (а) и схема действия электрогидравлической рулевой машины (б): 1-баллер, 2 – румпель, 3 – цилиндр, 4 – плунжер, 5 – электродвигатель, 6 – масляный насос, 7 – пост управления.
Рис. 6.22. Рулевые приводы: а – румпельный; б – винтовой; в – секторный.
1- перо руля; 2- баллер; 3- румпель; 4- штуртрос; 5- зубчатый сектор; 6- пружинный амортизатор;
7-винтовой шпиндель; 8- ползун.
Ручной румпельный привод (рис.6.22.а ) применяется на катерах. Так как тросы намотаны на барабан в противоположных направлениях, то при вращении штурвала с барабаном один трос удлиняется, а второй укорачивается, что заставляет поворачиваться румпель и руль.
Винтовой привод (рис.6.22.б ) применяется на небольших судах. Так как резьба на шпинделе в районе ползунов противоположного направления, то при вращении шпинделя в одну сторону ползуны сближаются, а при вращении в другую - удаляются друг от друга. Это заставляет поворачиваться румпель и руль.
Зубчато-секторный привод раннее достаточно широко применялся (рис.6.22.в ). Приводится в движение электромотором через редуктор. В этом приводе румпель как всегда жёстко посажен на баллер, а зубчатый сектор свободно вращается на баллере. Румпель связан с сектором пружинным аммортизатором, что смягчает удары волн передаваемые от пера руля на редуктор
Привод управления рулевой машины связывает штурвал, расположенный в рулевой рубке и рулевую машину. Наиболее распространены электрический и гидравлический приводы.
Рис. 6.23. Рулевой привод с качающимися цилиндрами
В узкостях на малом ходу судно плохо слушается руля, так как малая скорость набегающего на руль потока резко уменьшает поперечную гидродинамическую силу на руле. Поэтому в этих случаях обычно прибегают к помощи буксиров или на судне устанавливают средства активного управления (САУ): подруливающие устройства, выдвижные поворотные винтовые колонки, активные рули, поворотные насадки.
Подруливающие устройства (рис. 6.24.а) обычно устанавливают в носовой части судна, а иногда и в кормовой. Для того, чтобы ниша в корпусе не создавала дополнительного сопротивления на ходу судна, она закрывается жалюзями.
Выдвижная рулевая колонка обеспечивает упор в любом направлении, поэтому она часто используется на малых судах и плавсредствах для удержания на одном месте на больших глубинах. На малых глубинах возможно повреждение колонки.
Активный руль (рис.6.25) – это установленный в пере руля небольшой винт с приводом от электродвигателя или гидродвигателя, расположенного в капсуле, встроенной в руль. В некоторых случаях привод винта осуществляется от электродвигателя, расположенного в румпельной через вал, который проходит через полый баллер. При неработающем главном двигателе руль может поворачиваться до 90 о и создавать упор в нужном направлении при работе вспомогательного винта. Иногда этот вариант САУ используется, когда необходимо обеспечить малую скорость судна порядка 2 – 4 узлов
Рис. 6.24. Подруливающее устройство (а) и выдвижная поворотная движительно-рулевая колонка (б).
Поворотная насадка (рис. 6.25.б) представляет собой обтекаемое кольцеобразное тело, внутри которого вращается винт. При повороте насадки отклоняется отбрасываемая винтом струя воды, что вызывает поворот судна. Поворотная насадка значительно улучшает поворотливость на малых ходах и особенно на заднем ходу. Это объясняется тем, что вся струя воды отклоняется насадкой как на переднем, так и на заднем ходу, в отличие от руля. Кроме того, в ряде случаев насадка позволяет увеличить КПД винта.
К
Рис.6.25 Активный руль (а) и поворотная насадка (б): 1- перо руля; 2- вспомогательный винт; 3- электродвигатель;4- баллер; 5- электрокабель; 6- гребной винт; 7-насадка поворотная.
Все большую популярность приобретают азимутальные комплексы “AZIPOD”, которые устанавливаю на пассажирских судах и даже на суда арктического плавания. Типичная компоновка предусматривает: две кормового расположения поворотные винторулевые колонки, удерживающие гондолы, вмещающие в себя электродвигатели, приспособленные для вращения “тянущих” гребных винтов (ВФШ) (рис.6.26). Мощность каждой из колонок до 24000 квт.
Рис.6.26. Винторулевые колонки типа “AZIPOD”
Специальный гидравлический привод обеспечивает поворот каждой из гондол на 360° с угловой скоростью до 8° за секунду. Управление вращением винтов дает возможность выбрать любой режим работы в диапазоне от “полного вперед” до “полного назад”. Существенно, что режим “полный назад” может быть обеспечен судну без разворота колонок-гондол на 180°.
“Ходовой режим” -используется при движении судна с относительно большой скоростью; гондолы при этом поворачиваются синхронно (углы совместной перекладки в пределах ±35°). Отмечается высокая гидродинамическая эффективность такого рулевого комплекса: управляемость судна остается приемлемой даже при остановке вращения винтов. Ходовой режим допускает экстренное торможение (за счет реверса – без поворота колонок);
“Режим маневрирования” (мягкая форма) – используется при движении судна с относительно малой скоростью. В этом режиме одна из гондол сохраняют функцию “маршевого” устройства, вторую разворачивают на 90°, заставляя работать в качестве мощного кормового подруливающего устройства;
“Режим маневрирования” (жесткая форма ) – винты, переложенные на правый и левый борт (+45° и –45°), заставляют вращаться “вперед” или “назад”. Если винт правой гондолы работает “вперед”, левой – “назад”, возникает поперечная управляющая сила в направлении правого борта; в симметричной ситуации – в направлении левого борта.
Назначение технических средств управления
На судах ВВП и их типы.
Основные требования к технических средствам управления для судов внутреннего и смешанного (река-море) плавания определяются правилами Российского речного Регистра (РРР), Федерального органа классификации судов внутреннего и смешанного (река-море) плавания. В этих требованиях учитывается тип и класс судов.
Технических средства управления предназначены для обеспечения движения, управления и удержания судна на заданной линии пути. К ним относятся:
Система управления двигательно–движетельной установкой;
Рулевое устройство;
Якорное и швартовое устройства.
Одним из основных элементов технических средств управления является рулевое устройство.
Рулевое устройство служит для изменения направления движения судна и удержания судна на линии заданного пути.
Оно состоит:
Из органа управления (штурвал, джойстик);
Системой передачи;
Исполнительных элементов.
Управляемость судов обеспечивается с помощью исполнительных элементов рулевых устройств. В качестве исполнительных элементов рулевых устройств на судах ВВП могут применяться:
Рули различных типов;
Поворотные винтовые насадки;
Водометные движетельно-рулевые устройства.
Кроме того на некоторых типах судов могут применяться:
Подрулевающие устройства;
Крыльчатые движетельно-рулевые устройства;
Активные и фланкирующие рули.
Рули судов, их формы и типы.
Наибольшее распространение в качестве исполнительного элемента получили рули различных типов.
В состав руля может входить: перо руля, опоры, подвесы, баллер, румпель и др. вспомогательные устройства (сорлинь, гельмпорт, рудерпис).
Р у л и в зависимости от его формы и расположения оси вращения подразделяют на простые, полубалансирные и балансирные; по количеству опор – на подвесные, одноопорные и многоопорные. У простого руля все перо расположено сзади от оси баллера, у полубалансирного и балансирного рулей часть пера расположена впереди от оси баллера, образуя полубалансирную и балансирую части (рис.4.1).
По форме профиля рули подразделяются на пластичные и обтекаемые (профилированные). Наибольшее распространение на судах внутреннего плавания нашли балансирные обтекаемые прямоугольные рули.
Руль характеризуется: высотой h p – расстоянием, измеренным по оси баллера, между нижней кромкой руля и точкой пересечения оси баллера с верхней частью контура руля; длиной l p руля; смещением Δ l p части площади руля вперед относительно оси баллера (у полубалансирных рулей обычно Δ l p до 1/3 l p , у балансирных Δ l p до 1/2 l p ).
Рис.4.1 Рули
Важнейшей характеристикой пера руля является его суммарная площадь ∑S p . Фактическая площадь руля характеризуется выражением
S p ф = h p · l p (4.1)
Суммарная требуемая площадь руля, обеспечивающая управляемость судна выражается уравнением
∑S p т = LT (4.2)
где - коэффициент пропорциональности;
L – длина судна;
Т – наибольшая осадку судна.
Для обеспечения управляемости судна требуемая суммарная площадь руля должна быть равна фактической площади руля, т.е.
Рулевое устройство включает рулевую машину с румпельным, секторным, винтовым или гидравлическим приводом и собственно руль, основной и ручной (запасной) привод руля.
К основным требованиям, предъявляемым к рулевым устройствам, относят:
Максимальный угол перекладки руля для морских судов должен
быть равен 35 градусам, а для судов речного флота может достигать 45 градусов;
Длительность перекладки руля с одного борта до другого борта должна быть не более 28 с;
Рулевые машины должны обеспечивать надёжную работу
рулевого устройства в условиях качки судна с креном до 45 градусов, длительного крена —
до 22,5 градусов и дифферента — до 10 градусов.
Дефектоскопия и ремонт . К характерным дефектам рулевого устройства относят:
Изнашивание шеек баллера руля, его изгиб и скручивание;
Изнашивание подшипников, штырей, чечевицы;
Повреждения соединения баллера с пером руля;
Коррозионные и эрозионные разрушения, трещины пера руля;
Нарушение центрирования руля.
Техническое состояние рулевого устройства определяют перед каждым очередным освидетельствованием судна (на плаву или в доке), до и после ремонта судна и при подозрении о появлении неисправности.
Дефектоскопию рулевого устройства проводят в два этапа.
На первом этапе, без каких-либо демонтажных работ, определяют общее техническое состояние рулевого устройства методом внешнего осмотра (со шлюпки и водолазный осмотр): соответствие положения пера руля и указателей (для определения величины скручивания баллера руля); зазоры в подшипниках и высоту от пятки ахтерштевня до пера руля (Н) (проседание руля):
На втором этапе рулевое устройство демонтируют и разбирают.
Демонтаж, разборка. Перед демонтажем руля в кормовой части устанавливают настил, подвешивают тали, готовят стропы, домкраты и необходимый инструмент. Разборка включает следующие операции:
Разбирают ручной привод руля, тормозное устройство и выводят из зацепления зубчатый сектор механического привода;
Снимают с головной части баллера руля зубчатый сектор, румпель;
Разбирают подшипники баллера руля, разъединяют и разобщают баллер с рудерписом;
Поднимают и выводят перо руля из кормового подзора и опускают на палубу дока, судна или на причал;
Опускают застропленный баллер через гельмпортовую трубу на палубу;
Выбивают чечевицу из гнезда пятки ахтерштевня через отверстие, имеющее в ней.
Втулку-подшипник, запрессованную в пятке ахтерштевня, в случае большого изнашивания, разрезают по длине и после смятия её краев выбивают из гнезда.
При разборке рулевого устройства наибольшую сложность представляет демонтаж румпеля с баллера руля. Как правило, румпель напрессован на головную часть баллера в горячем состоянии с натягом. Иногда головку румпеля для снятия разрезают газовым резаком во время разборки и проводят детальную дефектоскопию с последующим ремонтом деталей рулевого устройства.
Изнашивание шеек баллера устраняют проточкой (допустимое уменьшение диаметра шейки баллера — не более 10% номинального значения), либо электронаплавкой с последующей механической обработкой.
Изогнутый баллер правят в горячем состоянии с нагревом до температуры 850-900 С, а после правки его подвергают отжигу и нормализации. Точность правки считается удовлетворительной, если биение баллера в месте изгиба будет находиться в пределах 0,5-1 мм. После правки и нормализации плоскость фланца баллера и шейки протачивают на токарном станке.
При скручивании баллера до 15 градусов заваривают старый шпоночный
паз, выполняют термообработку этого участка для снятия напряжений скручивания,
размечают и фрезеруют новый шпоночный паз в плоскости пера руля.
При изнашивании втулки-подшипника и чечевицы их заменяют. Чечевицу изготавливают из стали с последующей закалкой.
Дефект фланцевого соединения баллера с пером руля устраняют их проворачиванием, шабрением шпоночного паза и установкой новой шпонки.
К наиболее частым повреждениям пера руля относят вмятины и разрывы листов обшивки пера руля. При общем изнашивании обшивки пера руля (более 25% толщины) листы заменяют.
Трещины и коррозионные разрушения сварных швов устраняют разделкой и сваркой. Перед заменой обшивки пера руля из её внутренней полости удаляют варпек (продукт перегонки каменного угля), который представляет собой твёрдую стекловидную массу чёрного цвета. После ремонта во внутреннюю полость пера руля опять заливают варпек в горячем состоянии (при нагревании варпек становится жидким).
До постановки простого руля на место проверяют центрирование отверстий петель ахтерштевня методом натянутой струны. За базу при центровке петель ахтерштевня принимают оси гельмпортового подшипника и подшипника пятки ахтерштевня.
Качество ремонта и монтажа рулевого устройства оценивают по результатам центрирования, величине установочных зазоров в подшипниках, соответствию положений пера руля и указателей.
Критерием общего технического состояния рулевого устройства является время перекладки руля во время ходовых испытаний судна, которое не должно превышать 28 с. Испытания рулевого устройства должны проходить при волнении моря не более 3 баллов, на полном переднем ходу судна при номинальной частоте вращения гребного вала.
Методика контроля рулевого устройства по техническому состоянию.
Методика предусматривает определение общего технического состояния рулевого устройства на основе его наружных осмотров без каких-либо демонтажных работ (осмотр со шлюпки, водолазный осмотр) и контроля следующих параметров:
Уровня виброускорения баллера руля; .
Времени перекладки руля с борта на борт;
Давления жидкости в гидравлических цилиндрах для электрогидравлических рулевых машин;
Силы рабочего тока исполнительного электродвигателя для электрических рулевых машин;
Наличия металлических и абразивных продуктов изнашивания в рабочей жидкости.
По уровню виброускорения баллера руля контролируют состояние зазоров в подшипниках руля.
Периодичность контроля параметров рулевого устройства приведены в таблице:
Достижение предельно-допустимого значения хотя бы одним из параметров говорит о необходимости проведения технического обслуживания (ремонта) рулевого устройства.
На основе контроля фактического технического состояния рулевого устройства могут выполняться следующие работы: замена или пополнение смазки в подшипниках, замена подшипников, плунжерных пар; кроме того, решается вопрос о необходимости постановки судна в док для демонтажа баллера из-за увеличенных зазоров в его подшипниках и повреждений пера руля.
