2. Рулевые машины

УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ СУДНОМ

обеспечивают удержание судна на курсе или изменение направления его движения.

Т ипы:

- рули;

- поворотные насадки;

- винторулевые колонки;

- крыльчатые движители;

- подруливающие устройства.

О сновными частями рулевого устройства являются:

- руль 1;

- баллер 9;

- рулевая машина 6;

- румпель 5;

- система дистанционного управления рулевой машиной 7.

2 - фланец

3 – опоры

4 – голова баллера

8 – передача

10 – гельмпортовая труба

11 – петля пера руля

12 – штырь

13 – петля рудерпоста

14 – рудерпост

15 – пятка ахтерштевня

Рулевое устройство состоит из руля 1 и рулевого привода. Руль обеспечивает устойчивость судна на курсе и движение его по заданной траектории. Рулевой привод осуществляет перекладку и удержание руля в заданном положении. Он состоит из рулевой машины 6, создающей усилие для перекладки, и румпеля 5, преобразующего это усилие в крутящий момент, передаваемый на руль баллером 9. Баллер представляет собой вертикальный вал с опорами 3, установленными в палубах или платформах. Нижняя опора имеет сальниковое уплотнение и располагается над гельмпортовой трубой 10. Верхняя опора воспринимает осевые усилия. К голове 4 баллера крепится румпель 5, руль крепится к баллеру фланцевым 2 или конусно-шпоночным соединением. Система управления рулевой машиной состоит из поста управления 7 и привода управления 8 насосами или электро­двигателями.

Классификация рулей:

По структуре составляющих руль несущих поверхностей:

- обыкновенные,

- рули с предкрылками и с закрыл­ками;

- многоперьевые системы рулей.

По форме профиля:

- пластинчатые (плоские);

- обтекае­мые (имеющие авиационный профиль)

Наибольшее распространение получили обтекаемые рули, т.к. они имеют большую гидродинамическую эффективность.

Плоские рули обладают высокой прочностью и устанавливаются обычно на ледоколах. Они проще в изготовлении, поэтому их иногда используют на баржах.

По способу установки на судне:

- навесные (простые) многоопорные или двухопорные рули,

- полуподвесные рули,

- подвесные рули.

Навесные рули отличаются надежностью крепления, а подвесные обладают лучшими гидродинамическими качествами.

По размещению площади руля относительно оси баллера:

- небалансирные рули, вся площадь которых размещена в корму от баллера, (рис. 1.3, а);

- балансирные рули, у которых по всему размаху (высоте) руля часть площади размещена в нос от баллера, (рис. 1.3, б, г);

- полубалансирные рули, которые в верхней своей части являются небалансирными, а в нижней — балансирными (рис. 1.3, в).

Площадь балансирной части, расположенная в нос от оси вращения, может составлять 20—30 % всей площади руля. Давление воды на балансирную часть руля помогает рулевой машине перекладывать руль на борт, что позволяет использовать рулевую машину меньшей мощности.

Рулевые приводы подразде­ляются на:

- механические с штуртросовой, валиковой, винтовой и секторнозубчатой передачей на румпель, применяемые на малых судах;

- электромеханические с румпельно-секторным приводом баллера (рис. 57, а);

- электрогид­равлические (рис. 57, б,в,г).

Румпельно-секторный привод применяется с электрическими рулевыми машинами, развивающими крутящий момент до 150 кН-м. Он состоит из зубчатого сектора 2, поворачиваемого шестерней 1 редуктора. Сектор свободно сидит на баллере 5 и передает на него усилие через буферные пружины 3, смягчающие ударные нагрузки, и через румпель 4.

 

Рис. 57. Приводы рулевых машин

На транспортных судах преимущественное распространение полу­чили электрогидравлические приводы, достоинства которых заключа­ются в возможности создания высоких крутящих моментов при относи­тельно малой массе и габаритных размерах, в высокой надежности и точности управления, в удобстве автоматизации и способности выдер­живать значительные перегрузки без ухудшения эксплуатационных характеристик.

Электрогидравлические рулевые машины подразде­ляются на:

- плунжерные;

- поршневые;

- лопастные.

Плунжерные руле­вые машины с двумя гидроцилиндрами имеют одноплечий продольно-румпельный привод баллера (рис. 57, б). Румпель 7, ориентирован­ный вдоль корпуса судна, жестко закреплен на баллере 6 и поворачи­вается штоком 9 плунжеров. Палец 10 штока воздействует на румпель 7 через сухарь 8, перемещающийся при повороте в пазу баллера. В четырехцилиндровых рулевых машинах привод баллера осуществляет­ся через двуплечий румпель.

Плунжерные рулевые машины развивают крутящий момент до 12 000 кНм, рабочее давление масла в систе­ме гидропривода 10÷12 МПа (до 28 МПа).

Поршневые рулевые машины (рис. 57, в) имеют двуплечий поперечно-румпельный привод баллера. Румпель 16, ориентированный поперек судна и жестко сидящий на баллере 15, поворачивается через шатуны 14 при перемещении поршней 12 со штоками 11 в гидроцилинд­рах 13. В отличие от плунжерных, поршневые электрогидравлические рулевые машины (ЭГРМ) имеют гидроцилиндры двойного действия. Поворот баллера в них осуществляется подачей масла в полости а или в полости б гидроцилиндров 13. Поршневые ЭГРМ имеют меньшую мас­су и габаритные размеры, чем плунжерные, при одинаковых рабочих давлениях.

Поршневые рулевые машины развивают крутящий момент до 5 000 кНм, рабочее давление масла в систе­ме гидропривода 12÷16 МПа (до 25 МПа).

У лопастных ЭГРМ (Рис. 57, г) корпус 20 крепится к фундаменту, а ротор с лопастями 17 — к головке баллера 19. Поворот баллера проис­ходит при подводе масла в полости А или Б, которые образованы подвижными лопастями 17 ротора и неподвижными лопастями 18 корпуса. Рабочие давления и крутящие моменты лопастных ЭГРМ зависят от надежности уплотнений 21, 22 между подвижными и непод­вижными деталями.

В машинах используются 2-3 подвижных лопа­сти. Достоинством лопастных ЭГРМ являются малые габаритные размеры и более высокий КПД. Вместе с тем для замены уплотнений необходима полная разборка машины.

Лопастные рулевые машины развивают крутящий момент до 5 000 кНм, рабочее давление масла в систе­ме гидропривода 6,5÷9 МПа.

Основные требования правил Регистра к рулевым приводам

1. Суда должны быть снабжены главным и вспомогательным рулевыми приводами.

2. Главный и вспомогательный рулевые приводы должны быть так устроены, чтобы отдельные повреждения одного из них не выводили из строя другой привод.

3. Конструкция рулевых приводов должна обеспечивать переход при аварии с главного рулевого привода на вспомогательный за время не более 2 мин.

4. Главный рулевой привод должен обеспечивать перекладку руля с 35° одного борта на 30° другого борта не более чем за 28 с при максимальной осадке и скорости переднего хода судна.

5. Вспомогательный рулевой привод должен обеспечивать перекладку руля с 15° одного борта на 15° другого борта не более чем за 60 с при максимальной осадке судна и половине максимальной скорости переднего хода, но не менее 7 уз.

6. Управление главным рулевым приводом должно быть предусмотрено с ходового мостика и из румпельного отделения.

7. Управление вспомогательным рулевым приводом должно быть предусмотрено из румпельного отделения. Для вспомогательного рулевого привода, действующего от источника энергии, должно предусматриваться управление также с ходового мостика. Это управление должно быть независимым от системы управления главным рулевым приводом.

Правила технической эксплуатации рулевых машин

1. Экипаж судна должен быть обучен быстрому переходу с основного на запасной привод руля. Запасный привод руля следует содержать в постоянной готовности к действию, хорошо расхоженным и смазанным.

2. Перед выходом судна в рейс должен быть произведен осмотр рулевой машины и проверка ее в действии путем полных перекладок руля с борта на борт. Проверке подлежат все силовые установки (насосные агрегаты) главного и вспомогательного рулевого привода.

(Примечание. При постоянной эксплуатации судов (паромов и др.) в условиях относительно коротких рейсов объем подготовки и проверок может быть сокращен в соответствии с инструкцией, разработаннои для каждого конкретного типа судна и согласованной с судовладельцем. На таких судах подготовка и проверка в полном объеме должна выполняться не реже одного раза в неделю).

3. Помимо проверок, указанных в п. 2, не реже одного раза в 3 месяца должны проводиться учения по аварийному управлению рулевым устройством, включая управление непосредственно из румпельного помещения по командам, передаваемым с мостика имеющимися средствами связи. Время и результаты проверок и учений должны быть занесены в судовой и машинный журналы.

4. При подготовке к действию рулевых машин с элек-трогидравлическим приводом следует обращать особое внимание на:

- легкость перемещении золотников и отсутствие их заеданий;

- легкость проворачивания вручную валов насосов регулируемой производительности при их нулевом эксцентриситете;

- должные уровни рабочей жидкости в расширительных баках;

- отсутствие нехарактерных шумов, утечек рабочей жидкости, скачков и задержек руля при его перекладках.

5. Рулевые машины должны быть хорошо отрегулированы. Показателями качества регулирования гидравлических рулевых машин являются:

- наибольшая точность установки руля в заданное положение, определяемая разностью заданного на посту управления и фактического (по шкале рулевой машины) углов перекладки;

- минимальное рассогласование нулевых положений насосов;

- ограниченный люфт на управляющем органе главных насосов и небольшая общая зона нечувствительности системы управления (определяется путем плавного поворота штурвала до момента страгивания руля в том и другом направлениях);

- отсутствие сползания руля в режиме "Простой".

6. Во время плавания рулевое устройство и механизмы его управления должны осматриваться вахтенным механиком не реже одного раза за вахту. При этом следует обращать внимание на:

- наличие смазки на трущихся деталях;

- отсутствие нехарактерных шумов и перегрева подшипников;

- температуру в румпельном помещении (должна быть не ниже 5° С).

При осмотре гидравлической рулевой машины особое внимание обращать на:

- должные уровни рабочей жидкости в расширительных баках,

- показания манометров гидравлических контуров,

- плавность перекладок руля,

- перегрева гидрооборудования и рабочей жидкости,

- утечек отсутствие,

- отсутствие автоколебаний деталей.

7. В случае отказа или подачи сигнала о неисправности работающей силовой установки рулевого привода (насоса, трубопроводов и др.) вахтенный помощник и вахтенный механик должны немедленно принять меры по вводу в действие резервных или аварийных технических средств рулевого привода с последующим выводом из действия неисправных. Вахтенный механик должен принять меры по устранению причин неисправности.

Техническое обслуживание рулевых машин

1. Необходимо строго соблюдать инструкции производителя.

2. Не допускается смешивать различные сорта минеральных масел.

3. Действия при заполнении системы маслом:

1. открыть все разобщительные кла­паны и краны на трубопроводах и воздушные краны;

2. через фильтр залить масло в верхний бак;

3. по мере прекращения выхода воз­духа из воздушных кранов их закрывают;

4. проворачивают насосы машины вручную при среднем положении скользя­щих блоков, а если возможно, то и при эксцентриситете, и снова прове­ряют, не выходит ли воздух из отверстий воздушных кранов;

5. перекрывают соответствующие разобщительные краны системы, оставив включенным в систему один из насосов. Запустив двигатель насоса, пере­кладывают руль несколько раз с борта на борт;

6. проверяют ра­боту машины на втором насосе;

7. если руль перекладывается плавно, без рывков и машина работает без посторонних шумов, а уровень в баке ста­билизировался, можно считать заполнение системы законченным. Если перекладка руля происходит рывками, то значит, в системе остался воздух.

Нагрузка на рулевое устройство

Рассмотрим схему основных гидродинамических сил и моментов, действующих на руль и на судно при отклонении руля.

От набегающего на руль потока воды возникает нормальная гидродинамическая сила N (Н), приложенная в некоторой точке, расположенной на расстоянии s (м) от передней кромки руля. Момент этой силы относительно оси баллера J является нагрузкой на рулевую машину:

M_α = N (s – b₁), Нм.

Рис. 6.1 Гидродинамические силы и моменты, действующие на отклонен­ный руль и судно	Рис. 6.2 Схема маневра при циркуляции судна

Разложим силу N на составляющие X, У и приложим в центре тя­жести G судна две равные и противоположно направленные силы (+У) и (-У): получим пару сил +У (-У) с моментом

М_C ≈ УL/2 = N cosα L/2, Нм,

поворачивающим судно вправо относительно точки G. Кроме того, сила (+У) будет вызывать крен и боковое смещение суд­на, а сила X — тормозить его.

С ростом угла отклонения руля растут сила N, но момент M_C, пово­рачивающий судно, растет только до определенных зна­чений α и при α = 30÷40° достигает максимального значения. При боль­ших углах отклонения, несмотря на рост силы N, сила Y=Lcosα уменьшается, и для а = 90° (cos а = 0) момент М_с = 0.

Момент М_а, преодолеваемый рулевой машиной, растет с ростом угла отклонения руля, растут и затраты энергии на действие рулевой машины. В связи с изложенным предельные углы отклонения руля и их ограничите­ли, за исключением некоторых особых случаев, устанавливаются в пре­делах 35÷40°.

На рис. 6.1 б показан характер изменения моментов сил М_C и М_α в зависимости от угла α отклонения руля.

На рис. 6.2 показан маневр циркуляции, который судно выполняет под действием рассмотренных сил и моментов при управляемой пере­кладке руля. Этот же маневр неизбежно совершается в случае отказа рулевой машины, если руль остался на борту. Элементами маневра являются; выдвиг l судна, обратное l₁ и прямое l₂ смещения, диаметр D_T тактической и D_y установившейся циркуляции.

Сила гидродинамического да­вления N (Н) на плоские рули может быть приближенно определена по фор­муле Жосселя (см. рис. 6.1, а):

, Н,

где k - коэффициент, равный 22 для двухвинтовых и 40 для одновинтовых судов (для углов α = 30-35°), Нс²/м⁴;

F – площадь руля, м²;

v_c - скорость судна на прямом курсе перед поворотом руля, м/с;

α - угол отклонения руля от среднего положения.

Метод Жосселя непригоден для толстых обтекаемых рулей, так как не учитывает законов геометрического и гидродинамического подобия.

Для рулей толстых профилей сила нормального гидро­динамического давления на руль:

N = Y cosα + X sinα, Н

где Y – подъемная сила руля, Н;

X – сила лобового сопротивления, Н.

Эти силы могут быть представлены с помощью без­размерных коэффициентов С_X, С_Y, С_N :

; ; , Н,

где ρ - плотность воды, кг/м³;

v - скорость потока, набегающего на руль, м/с;

F – площадь руля, м²;

Эти коэффициенты получают путем продувки моделей изолирован­ных рулей с учетом геометрического подобия, которое заключается в равенстве относительного удлинения λ и относительной толщины мо­дели и руля.

Относительное удлинение руля:

λ = h/b

где h – высота руля, м;

b – ширина руля, м.

Относительная толщина руля:

= Δ/b

где Δ – толщина руля, м;

b – ширина руля, м.

Момент на баллере с учетом сил трения в подшипниках рулевого устройства М_б = (1,2÷1,3) М_α. Его значение является исходным для определения выходных характеристик рулевой машины при следу­ющих условиях: угол α = 35°, v₀ – максимальная скорость передне­го хода судна при полностью погруженном руле.

Расчетный (номинальный) момент рулевого привода принимают с учетом его механического КПД, т. е. М_н = М_б/η_м.

Заметим, что прочность всех деталей рулевого устройства и машины должна обеспечиваться при возник­новении на баллере максимального момента М_mах = 1,5 М_н от внеш­ней нагрузки (удара волны, навала на руль льдин и т.д.). Моменту М_mах должна соответствовать настройка предохранительных клапанов гидросистемы на давление Р_mах = (1,25÷1,5) р_н, где р_н - номиналь­ное давление, кПа.