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.
Традиционное рулевое устройство судна состоит из пера руля и деталей, обеспечивающих его перекладку на требуемый угол поворота. К этим деталям относятся штурвал, штуртрос, ролики, румпель, баллер и перо руля (рис. 2.17. ).
Рис. 2.17.
Схема традиционного рулевого устройства:
1 - штурвал;
2 - штуртрос; 3 - направляющие ролики; 4 - румпель секторного типа; 5 - баллер;
6 - перо руля
Современное рулевое устройство состоит из руля, рулевой машинки, боудена и кронштейна крепления боудена (рис. 2.18. ).
Рис. 2.18. Схема современного рулевого устройства: 1 - рулевой редуктор; 2 - кронштейн крепления; 3 - рулевое колесо; 4 - рулевой боуден
Рули бывают пассивными (традиционные) и активными (подвесной лодочный мотор (далее - ПЛМ), поворотно-откидная колонка (далее - ПОК) или водомет). Рули (пассивные) бывают различных типов (рис. 2.19. ).
Рис. 2.19.
Типы пассивных рулей:
а - навесной на транце; б -
подвесной балансирный; в - полубалансирный
Перо руля закрепляется на баллере, служащем для поворота пера руля на задаваемые углы. Перо руля может состоять из одной плоской пластины (пластинчатый руль) или иметь полую обтекаемую форму. На верхнюю часть баллера насаживается румпель в виде рычага для управления.
Для чего необходимы балансирный и полубалансирный рули? Во время движения судна на перо руля, отклоненное от диаметральной плоскости, давит сила, возникающая от обтекания водой. Эта подъемная сила, направленная горизонтально, сосредотачивается в одной точке - точке приложения всех равнодействующих сил давления. Она располагается примерно на 1/3 от передней кромки пера руля. Таким образом, чем ближе к баллеру располагается точка приложения сил давления, тем меньшее усилие передается от пера руля через баллер и румпель на штуртрос и далее на штурвал.
Рули могут не иметь снизу точки опоры или опираться на «пятку». На водоизмещающих судах устанавливают подвесные полубалансирные и балансирные рули. Рулевое устройство состоит из штурвала, на валу которого закреплен барабан штуртроса, который проложен по роликам вдоль бортов катера к корме и крепится там к сектору, ПЛМ или ПОК. Штуртрос состоит из гибкого стального, иногда оцинкованного троса диаметром 3-6 мм. На барабан штурвала штуртрос навивается несколькими шлагами (витками) и контрится.
На роликах штуртрос обычно испытывает значительное трение, ввиду чего нужна постоянная смазка. Существенный недостаток штуртросной проводки: она быстро вытягивается, появляется «слабина». Это устраняется при помощи подтягивания талрепов. На мотолодках до 5 метров вместо талрепов иногда ставят натяжные пружины. Штуртрос проводится так, чтобы на переднем ходу вращение штурвального колеса в какую-либо сторону вызывало отклонение носовой части судна в ту же сторону. Натяжение и прокладка штуртроса должны быть такими, чтобы исключить его «набегание» на реборды роликов, а также его касание с конструкциями судна. Диаметр роликов по ручейку не должен быть меньше 15-18 диаметров троса. Штуртрос не должен препятствовать откидыванию ПЛМ и ПОК при дистанционном рулевом управлении ими. В настоящее время на новых моторных судах штуртросовая проводка применяется редко. На современных судах устанавливаются рулевые устройства с боуденами. Схема устройства боуденов и разновидности кронштейнов на рис. 2.20.
Рис. 2.20. Схема устройства боуденов
На рисунке показано принципиальное устройство боудена. В зависимости oт назначения, т. е. усилия и расстояния, на которое оно передается, конструкция боуденов может быть различной. Боудены существуют двух видов - рулевой и управления газом и реверсом. Те и другие также существуют трех типов: для небольших усилий на коротких расстояниях, средние и для наиболее нагруженных конструкций на удаленном расстоянии. Как правило, рулевые боудены поставляют длиной от 8 до 22 футов с интервалом в один фут.
Рулевые машинки (редукторы) также существуют двух видов - обычные системы и рулевые управления с функцией NFB, т. е. фиксируются в остановленном положении и без помощи штурвала в первоначальное положение руль не возвращается. Соответственно тот и другой вид машинки существует нескольких типов, в том числе способных работать в паре. Если посты управления в каюте и на палубе, можно установить машинки, работающие параллельно. Рулевую машинку, а, следовательно, и рулевое колесо (штурвал) не зависимо от наклона конструкции судна, к которой крепится рулевая машинка, можно установить под углом, удобным водителю. Боуден рулевого управления может крепиться на самом моторе (если есть детали крепления), на транце судна и стенке подмоторной ниши в зависимости от особенностей конструкции судна. В соответствии с этим выбирается конструкция рычага (тяги), которая поворачивает мотор (см. рис. 2.20.). Какой длины нужен рулевой боуден - см. рис. 2.21.
Рис. 2.21. Схема выбора длины боуденов
Еще одна деталь рулевого управления. Если на судно устанавливается два мотора, они должны быть соединены траверсой (специальной тягой) для синхронного поворота обеих моторов. Современные водоизмещающие суда и относительно большие глиссирующие суда (более 10 м) оборудуются подруливающим устройством. В носовой подводной части, поперек судна, располагается туннель (труба). Внутри туннеля, в диаметральной плоскости, расположен гребной винт, приводимый в движение электромотором, который при включении создаст тягу, направленную поперек корпуса судна в ту или другую сторону. В кормовой части подруливающее устройство чаще устанавливается на транец в виде отдельного агрегата чуть выше уровня днища судна.
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.
Рулевое устройство служит для изменения направления движения судна, обеспечивая перекладку пера руля на некоторый угол в заданный промежуток времени. Основными его частями являются:
· Пост управления;
· Рулевая передача от поста управления к рулевому двигателю:
· Рулевой двигатель;
· Рулевой привод от рулевого двигателя к баллеру руля;
· Руль или поворотная насадка, непосредственно обеспечивающие управляемость судна.
Основные элементы рулевого устройства показаны на рис. 3.10.
Руль - основной орган, обеспечивающий работу устройства. Он действует только на ходу судна и в большинстве случаев располагается в кормовой части. Обычно на судне один руль. Но иногда для упрощения конструкции руля (но не рулевого устройства, которое при этом усложняется) ставят несколько рулей, сумма площадей которых должна быть равной расчетной площади пера руля.
Основной элемент руля - перо. По форме поперечного сечения перо руля может быть: а) пластинчатым или плоским, б) обтекаемым или профилированным.
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
Рис.3.10 Рулевое устройство
1 – перо руля; 2 – баллер; - 3 – румпель; 4 – рулевая машина с рулевым приводом; 5 – гельмпортовая труба; 6 – фланцевое соединение; 7 – ручной привод.
Преимущество профилированного пера руля в том, что сила давления на него превосходит (на 30% и более) давление на пластинчатый руль, что улучшает поворотливость судна. Отстояние центра давления такого руля от входящей (передней) кромки руля меньше, и момент, необходимый для поворота профилированного руля, также меньше, чем у пластинчатого руля. Следовательно, потребуется и менее мощная рулевая машина. Кроме того, профилированный (обтекаемый) руль улучшает работу винта и создает меньшее сопротивление движению судна.
Форма проекции пера руля на ДП зависит от формы кормового образования корпуса, а площадь - от длины и осадки судна (L и d), У морских судов площадь пера руля выбирается в пределах 1,7-2,5% от погруженной части площади диаметральной плоскости судна. Ось баллера является осью вращения пера руля. Баллер руля в кормовой подзор корпуса входит через гельмпортовую трубу. На верхней части баллера (голове) крепится на шпонке рычаг, называемый румпелем, служащий для передачи вращательного момента от привода через баллер на перо руля.
| |
Судовые рули принято классифицировать по следующим признакам:
По способу крепления пера руля с корпусом судна различают рули:
а) простые - с опорой на нижнем торце руля или со многими опорами на рудерпосте;
б) полуподвесные – с опорой на специальном кронштейне в одной промежуточной точке по высоте руля;
в) подвесные – висящие на баллере.
По положению оси вращения относительно пера руля различают рули:
а) небалансирные – с осью, размещенной у передней (входящей) кромке пера;
б) балансирные – с осью, расположенной на некотором расстоянии от передней кромки руля.
Рис.3.11 Простой небалансирный руль.
Рис.3.12 Полуподвесной небалансирный руль.
Рис.3.13 Подвесной небалансирный руль.
Рис.3.14 Простой балансирный руль.
Рис.3.15 Полуподвесной балансирный руль (полуподвесной)
Рис.3.16 Подвесной балансирный руль.
Рулевой привод предназначается для передачи команд от штурмана из рулевой рубки к рулевой машине в румпельном отделение. Наибольшее применение находят электрическая или гидравлическая передачи. На малых судах применяются валиковые или тросовые приводы, в последнем случае этот привод называют - штуртросовым.
Контрольные приборы следят за положением рулей и -исправным действием всего устройства.
Приборы управления передают приказания рулевому при управлении рулем вручную.
Рулевое устройство - одно из самых важных устройств, обеспечивающих живучесть судна. На случай аварии рулевое устройство имеет дублирующий пост управления рулем, состоящий из штурвала и ручного привода, расположенных в румпельном отделении или вблизи от него.
При малых скоростях судна рулевые устройства становятся недостаточно эффективными и порой делают судно совершенно неуправляемым. Для повышения маневренности на современных судах некоторых типов (промысловых, буксирах, пассажирских и специальных судах) устанавливают активные рули, поворотные насадки, подруливающие устройства или крыльчатые движители. Эти устройства позволяют судам самостоятельно выполнять сложные маневры в открытом море, а также проходить без вспомогательных буксиров узкости, входить на акваторию рейда и гавани и подходить к причалам, разворачиваться и отходить от них, экономя на этом время и средства.
Активный руль (рис.3.17) представляет собой перо обтекаемого руля, на задней кромке которого установлена насадка с гребным винтом, приводящимся в движение от валиковой конической передачи, проходящей через пустотелый баллер и вращающийся от электродвигателя, установленного на голове баллера. Существует тип активного руля с вращением винта от электродвигателя водяного исполнения (работающего в воде) вмонтированного в перо руля. При перекладке активного руля на борт, работающий в нем винт создает упор, разворачивающий корму относительно оси поворота судна. При работе гребного винта активного руля на ходу судна скорость судна увеличивается на 2-3 узла. При остановленных главных двигателях от работы гребного винта активного руля судну сообщается малый ход до 5 узл.
Рис.3.17 Активный руль с конической передачей на винт .
Поворотная насадка , установленная вместо руля, при перекладке на борт отклоняет отбрасываемую гребным винтом струю воды, реакция которой вызывает разворот кормовой оконечности судна. Поворотные насадки представляют собой направляющую насадку гребного винта, укрепленную на вертикальном баллере, ось которого пересекается с осью гребного винта в плоскости диска винта (рис.29). Поворотная направляющая насадка является частью движительного комплекса и одновременно служит органом управления, заменяя руль. Выведенная из ДП насадка работает как кольцевое крыло, на котором возникает боковая подъемная сила, вызывающая поворот судна. Возникающий на баллере насадки гидродинамический момент (как на переднем, так и нa заднем ходу) стремится увеличить угол ее перекладки. Чтобы снизить влияние этого отрицательного момента, в хвостовой части насадки устанавливается стабилизатор с симметричным профилем. Угол поворота насадки относительно ДП корабля составляет, как правило, 30-35°.
Рис.3.18. Поворотная насадка.
Подруливающие устройства выполняются обычно ввиде туннелей, проходящих через корпус, в плоскости шпангоута в кормовой и
Рис.3.19 Принципиальная схема подруливающего устройства
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.