Основы КСУ (Бормотов А) / Основы конструирования

во многорулевых устройствах можно установить по машине на каждый руль или поворотную насадку, обеспечив раздельное управление ими. Можно применить привод всех рулей от одной машины. В этом случае машина должна развивать момент, равный сумме моментов всех рулей (с учетом потерь на трение);

наибольший угол перекладки руля может не совпадать с наибольшим углом перекладки рулевой машины. У большинства современных машин — это угол 350, но нередко требуется обеспечить перекладку руля до 450, 600 и даже 900. Для этого нужна соответствующая передача от машины к баллеру (рис.4.33, б, е). Момент рулевой машины определяется здесь с учетом назначенного передаточного отношения привода i

Мрм iMб ,

где Mб – расчетный момент на баллере руля; i р / м .

Среди применяющихся в настоящее время на судах речного флота разнообразных вариантов приводов можно выделить следующие основные типы:

ручные секторные приводы со штуртросной проводкой, применяющиеся на судах с моментом на баллере 0,6…1,6 кНм;

ручные секторные приводы с валиковой передачей, обеспечивающие пере-

кладку рулей с моментом 1,6…4,0 кНм;

ручные гидравлические приводы (момент на баллере 5,0 …8,0 кНм);

электроручные секторные приводы (момент на баллере 16…157 кНм), которые сняты с производства и на новых судах не применяются;

гидравлические приводы с качающимися цилиндрами (момент на баллере

2,5… 40 кНм);

гидравлические плунжерно-реечные приводы (момент на баллере 2,5…40 кНм);

электрогидравлические двух- и четырехплунжерные приводы (момент на баллере 6,2…3920 кНм).

100

4.9.Требования Регистра к рулевым приводам

ВПравилах классификации и постройки судов Речного и Морского Регистров изложены требования к судовым рулевым приводам. Основное содержание их следующее.

1.Рулевое устройство судна должно иметь два привода — основной и запасной. Время перехода с основного привода на запасной должно быть не более 10 с (река) или 2 мин (море).

2.Запасного привода может не быть: на малых судах, у которых основной привод – ручной румпельный; на судах с несколькими независимыми друг от друга рулевыми средствами; на судах, имеющих привод из двух независимых агрегатов, каждый из которых может обеспечивать перекладку рулей (насадок) в аварийном режиме.

3.Основной привод должен обеспечивать перекладку руля или насадки с угловой скоростью не менее 0,04 рад/с при полной скорости переднего хода судна.

4.Запасной привод должен обеспечивать перекладку рулей или насадок на тот же наибольший угол, что и основной. Угловая скорость этой перекладки должна быть не менее 0,016 рад/с при скорости хода судна 0,6 от полной.

5.Основной привод должен быть, как правило, механическим. Ручной привод может применяться, если удаѐтся обеспечить перекладку рулей при усилиях на рукоятках штурвала не более 118 Н и числе оборотов штурвала не более 25 за одну перекладку.

6.Запасной привод может быть как механическим, так и ручным. Ручное управление рулѐм допускается, если отмеченные выше требования к запасному приводу выполняются при усилиях на рукоятках штурвала не более 157 Н и числе оборотов штурвала не более 25 за одну полную перекладку.

7.Рулевые машины должны быть самотормозящимися, то есть не допускать самопроизвольной перекладки рулей (насадок) под действием гидродинамической нагрузки.

8.Рулевое устройство должно иметь ограничители поворота руля (насадки), прочность которых проверяется на действие усилий, соответствующих предельному крутящему моменту баллера

Мпр 1,135d 3 т10 4 , кНм,

где d – диаметр баллера в наименьшем сечении, см; т – предел текучести материала баллера, МПа.

101

Допускаемые напряжения в деталях ограничителей принимаются равными 0,95 предела текучести их материала.

4.10. Выбор рулевой машины

При проектировании рулевого устройства судна производится подбор рулевых машин на основе типового ряда, где указаны основные характеристики освоенных моделей машин (прил. Г). Для выбора машины необходимо рассчитать значение момента, который должна развивать рулевая машина при заданном наибольшем угле перекладки руля или насадки. Подсчѐт момента выполняют по выражению

Mрм i(kMмах М тр ) ,

где Ммах - наибольшее значение гидродинамического момента, определяемое по кривым действия руля или насадки; Мтр— суммарный момент сил трения в опорах баллера и пера (насадки); i р / м - передаточное отношение привода

(учитывают, когда наибольшие углы перекладки руля и машины не совпадают); k=1,1…1,2 - коэффициент учета нестационарности нагрузки при повторных перекладках руля.

Момент от сил трения в любом из подшипников рассчитывают по выражению

Мтр=0,5 Rd,

где R – реакция рассматриваемой опоры, определяемая при расчѐте прочности балки баллер – рудерпис; d – диаметр баллера в рассматриваемой опоре; - коэффициент трения, который можно принять по табл. 4.9.

Таблица 4.9. Коэффициенты трения

подшипников баллера, можно оценить момент рулевой машины приближенно:

Мрм i(kМмах М тр ) ik1Mмах ,

102

где k1=1,2…1,5 учитывает нестационарность гидродинамической нагрузки и потери на трение в опорах, причем меньшие значения коэффициентов относятся к простым рулям, большие — к балансирным рулям и поворотным насадкам.

4.11. Общая схема рулевого устройства

Конструирование рулевого устройства начинают с разработки общей схемы размещения всех его элементов. Такая схема, составленная с учетом выбранных размеров рулей (или насадок), планировок и обводов кормы, класса судна помогает установить номенклатуру составных элементов рулевого устройства, наметить места установки отдельных деталей и узлов. В состав рулевого устройства могут входить следующие элементы (рис. 4.34):

1 – перо руля или поворотная насадка; 2 – баллер руля (насадки) – вал, с помощью которого осуществляется перекладка руля или насадки;

3 – рудерпис – конструкция, служащая продолжением баллера внутри руля; 4 – соединение пера (насадки) с баллером, допускающее независимый демонтаж и ремонт как баллера, так и пера руля (насадки); 5 – подшипники – опоры пера (насадки) на ахтерштевне;

6 – нижняя опора баллера, размещаемая в гельмпортовой трубе (обычно конструируется вместе с сальниковым уплотнением); 7 – верхняя опора баллера;

8 – ограничители углов перекладки руля (насадки) – прочные упоры, надежно связанные с корпусными конструкциями; 9 – тормоз руля, позволяющий неподвижно закрепить баллер руля при неисправностях рулевого устройства;

10 – сорлинь – отрезок цепи для страховочного крепления пера руля на случай отрыва его от баллера; 11 – рулевой привод, служащий для перекладки руля (включает рулевую маши-

ну и необходимые передачи с системой управления).

103

Определяющими факторами при выборе конструктивной схемы рулей или насадок являются: число и расположение опор пера (насадки) и расположение рулевого привода относительно опор баллера (рис. 4.35).

Простые рули (схемы а и б) навешиваются на петлях на ахтерштевень.

Число петель на различных судах – от одной до четырех. Это наиболее надежный способ крепления пера руля; он исключает заклинивание пера обломками льда и плавающими предметами, в значительной мере разгружает баллер от изгибных нагрузок. Однако мощность привода у таких рулей заметно выше, чем у балансирных. Схемы нашли применение на ледоколах и некоторых судах ледового плавания.

Применение балансирных рулей (рис. 4.35, в) позволяет устанавливать менее мощные рулевые машины, но требует увеличения диаметра баллера из-за дополнительного его изгиба.

Длинная «лыжа» ахтерштевня оказывает разгружающее действие на баллер в качестве нижней опоры и предохраняет руль от повреждений при посадке судна на мель. Эта схема применяется на одновальных судах. На двухвальных судах применяют, как правило, подвесные рули или насадки (рис. 4.35, г).

Развитый консольный участок с интенсивной нагрузкой вызывает значительный изгиб баллера, создает большие нагрузки на его подшипники. Для уменьшения этих нагрузок целесообразно опоры баллера разносить как можно

104

дальше друг от друга. Опоры крепят на жестких корпусных конструкциях – палубах, платформах, гельмпорте. Гельмпортовая труба должна быть надежно приварена к обшивке и набору корпуса.

Эксплуатация судов показала, что подвесные рули и насадки часто повреждаются плавающими предметами или при навале кормой на мель. Для их защиты могут быть рекомендованы кормовые образования корпусов со скегами (рис. 4.35, д). Для улучшения поворотливости таких судов в нижней части скегов делают окна, стойки между окнами профилируют. Схема на рис. 4.35, е применяется на морских судах, но может быть рекомендована и для речных. Такие рули дают возможность снизить нагрузку на баллер, позволяют убавить площадь руля путем вовлечения в работу обтекаемого кронштейна, обеспечивают защиту пера руля от ударов льдом или бревнами.

Рулевые приводы судов обычно крепятся между опорами баллера (схемы в и г). При малой высоте румпельного отделения приходится выносить привод на палубу (схема а). При достаточной высоте румпельного отделения также возможно размещение привода на голове баллера. В этом случае для крепления верхней опоры баллера и рулевой машины требуется установка специальной платформы (схемы б и е).

105

Расчетным гидродинамическим усилием будет максимальное значение рулевой силы, снятое с кривых действия руля (насадки), причем надо определить полное значение рулевой силы по выражению

P X 2 Y 2 N 2 T 2 ,

где Y и X, N и T – составляющие полной рулевой силы P, ориентированные на соответствующие оси координат. Учитывая, что разница между Pmax и Nmax не превышает 20% (при углах перекладки до 35 … 45°), нередко расчет ведут по составляющей Nmax. За расчетное значение гидродинамического момента на баллере принимают увеличенный на 10 … 20% максимальный момент, определенный по кривым действия руля:

Mб (1,1...1,2)Mmax .

Это обусловлено отмечаемым в эксплуатации возрастанием момента на баллере при непрерывных перекладках руля с борта на борт (так называемый «эффект Преториуса»).

Рулевая машина воздействует на баллер через румпель или сектор, передавая необходимый для перекладки руля крутящий момент. При этом баллер и детали рулевого привода нагружаются окружным усилием

Т0 = Мрм /r ,

где Мрм - крутящий момент, передаваемый баллеру от рулевой машины; r – радиус румпеля или сектора привода.

Следует заметить, что в приводах с двуплечими румпелями изгибающее окружное усилие, передаваемое на баллер, равно нулю, поскольку крутящий момент создается парой сил.

В зависимости от условий работы рулевого устройства принято рассматривать несколько расчетных режимов

1.Нормальный (номинальный) режим работы, когда расчет ведут по наибольшим значениям гидродинамических сил и моментов, полученных по кривым действия рулей или поворотных насадок.

2.Максимальный режим, когда расчет ведут по максимальному значению момента, развиваемого рулевой машиной. Такой режим имеет место, если установленная на судне рулевая машина обладает большей мощностью, чем это требуется по гидродинамическому расчету.

107

3. Аварийный режим (стояночный режим), когда рулевая машина воздействует на заклиненный руль или насадку. В этом случае момент рулевой машины в 2,0 … 2,5 раза превышает номинальный момент.

Основным расчетным режимом считают первый – нормальный режим работы. По этому режиму выбирают предварительные размеры баллера и других деталей, а в дальнейшем выполняют проверочный расчет, позволяющий уточнить принятые размеры. На второй стадии расчета обычно и выполняют проверку по максимальному и аварийному режимам.

Возможные в эксплуатации случайные нагрузки большой интенсивности (удары волн, льдин, бревен, навалы на грунт) заставляют принимать в расчетах по номинальной нагрузке большие коэффициенты запасов прочности. В табл. 4.10 приведены указанные в Правилах речного Регистра РФ [17] допустимые напряжения для нормального режима работы. При проверке прочности деталей в аварийном режиме принимают меньшую из двух величин: [σ] = 0,8 ReH

или 0,6 σвр. Для морских судов допускаемые напряжения в баллере руля не должны превосходить величин, оговариваемых Правилами Морского Регистра

[16]: [σ]= 0,5 R или 0,5(0,7 σ ) – на переднем ходу и [σ] =0,7 R - на зад-

eH вр eH

нем ходу.

Таблица 4.10. Нормы допускаемых напряжений

Для аварийного режима [σ] ≤ 0,95 ReH , если расчет ведут по предельному моменту, регламентированному в Правилах морского Регистра [16]:

Mпр 1,135ReH d 3 10 4 , кНм,

где d – диаметр головы баллера, см; ReH - верхний предел текучести материала баллера, МПа.

108

4.12.1. Расчет прочности баллеров рулей и насадок

Для расчетов прочности баллер вместе с рудерписом представляют в виде условной балки. Опорами балки служат подшипники баллера и пера руля или насадки, а нагрузкой – окружное усилие и момент рулевого привода и гидродинамическая нагрузка пера (насадки). При проверочных расчетах дополнительно учитывают действие массы баллера и пера руля (насадки) и моменты сил трения в опорах. При предварительных расчетах пренебрегают непостоянством моментов инерции сечений по длине балки, а при проверочных – учитывают. Расчет ведут обычными методами сопротивления материалов, применяя для раскрытия статической неопределимости метод трех моментов или метод приравнивания прогибов. В табл. 4.11 [19] приведены схемы и расчетные выражения для наиболее часто встречающихся в учебных проектах разновидностей балок баллер-рудерпис.

Баллер испытывает совместное действие изгиба и кручения, в связи с чем подбор сечений ведут по приведенному моменту

бирают прочные размеры сечения, причем величину [σ] назначают по табл. 4.10. Учитывая, что W d 3 / 32 0,1d 3 , диаметр баллера рассчитывают по выражению

d 310M np / .

На участках, работающих только на кручение, диаметр баллера назначают по условию Mкр /W0 , откуда d1 35Mкр / .

Баллеры судов ледового плавания должны быть более прочными, чем у обычных судов. Различными классификационными обществами рекомендуется для судов, плавающих во льдах, увеличивать диаметр баллера по сравнению с расчетным на 10…30 %.

Марки сталей для изготовления баллеров рулей и насадок выбирают в зависимости от требуемой категории прочности. На небольших судах применяют стали обычного качества Ст 3, Ст 4 (ГОСТ 380-94), на более крупных – качественные стали 35, 40 (ГОСТ 1050-88), на быстроходных судах и на больших

109