Рулевая машина обеспечивает поворот руля в соответствии с сигналом с мостика и является составной частью рулевого устройства.
Рулевое устройство состоит из четырех частей:
– системы управления,
– силового агрегата,
– рулевого привода,
Силовой агрегат и рулевой привод образуют собственно рулевую машину.
Система управления или телепередача передает с мостика сигнал на поворот руля и обеспечивает работу силового агрегата и рулевого привода до тех пор, пока не будет достигнут заданный угол поворота руля. Силовой агрегат создает усилие, необходимое для поворота руля на заданный угол. Рулевой привод – это устройство, посредством которого осуществляется движение непосредственно руля.
Рулевое устройство должно удовлетворять следующим требованиям:
– иметь два независимых средства перекладки руля (при наличии двух силовых агрегатов, вспомогательный или резервный силовой агрегат не требуется);
– мощность и вращающий момент агрегата должны быть такими, чтобы перекладка руля с 35 одного борта на 30 другого осуществлялась при максимальной скорости судна за время не превышающее 28 с;
– вспомогательный рулевой привод должен обеспечивать перекладку руля с 15 одного борта на 15 другого не более чем за 60 с при скорости переднего хода, равной половине максимальной, но не менее 7 узлов;
– рулевая машина должна быть защищена от ударных нагрузок;
– должно быть предусмотрено аварийное управление рулевой машиной из румпельного отделения;
– танкеры, имеющие валовую вместимость более 10 000 р.т, должны иметь две независимые системы управления рулевой машиной с мостика.
Рулевые машины могут иметь паровой, электрический и гидравлический привод.
На современных морских судах используются рулевые машины с гидравлическим плунжерным либо лопастным приводом.
5.10.2. Электрогидравлические рулевые машины
Электрогидравлические рулевые машины состоят из следующих основных узлов:
– гидравлического рулевого привода – устройства, поворачивающего баллер руля;
– насосного агрегата (насос и двигатель), обеспечивающего питание гидравлических рулевых приводов рабочей жидкостью;
– органов распределения рабочей жидкости и системы управления насосами и распределением рабочей жидкости;
– системы трубопроводов питания, предохранительных клапанов, компенсаторов; динамических нагрузок, ограничителей мощности и других элементов в зависимости от конструкции рулевой машины.
Гидравлические рулевые приводы – это гидродвигатели, обеспечивающие ограниченные углы поворота исполнительного вала, которым является баллер руля. Наиболее широкое распространение получили плунжерные приводы. В зависимости от значения необходимого вращающего момента применяется двух– либо четырех плунжерный привод. Принципиальная схема такого привода показана на рис. 74.
Рис. 74. Принципиальная схема плунжерного привода:
1– электродвигатель насоса, 2– насос, 3– предохранительный клапан, 4– муфта, 5– румпель, 6– цилиндр, 7– цистерна
Плунжеры движутся в гидравлических цилиндрах, поворачивая румпель шарнирной крестовины, находящейся в развилке плунжеров. Привод обслуживается двумя насосами переменной подачи. Каждый из насосов сообщается трубопроводами со всеми гидравлическими цилиндрами рулевого привода для всасывания и нагнетания масла.
Рядом с цилиндрами находится масляная цистерна, которая снабжена невозвратными клапанами для автоматического пополнения утечек масла из системы. Байпасный клапан объединен с предохранительным клапаном и открывается для перепуска масла в случае сильных ударов волны в перо руля. В этом случае плунжера смещаются, что в свою очередь, вызывает изменение подачи насоса, который нагнетает масло в соответствующий цилиндр, и перо руля возвращается в прежнее положение. Для защиты от поломки рычагов управления при ударной нагрузке используется буферная пружина. При обычных условиях эксплуатации работает один из насосов. Если требуется обеспечить ускоренную перекладку руля, оба насоса могут использоваться одновременно.
На рис. 75 показано устройство 4-х плунжерной электрогидравлической рулевой машины.
Такая машина создает больший вращающий момент и имеет повышенную надежность в случае выхода из строя различных частей установки. Каждый насос может работать на все цилиндры или на два цилиндра правого или левого борта.
Наличие блока клапанов управления, объединяющего предохранительные клапаны, запорные клапаны насосов и цилиндров, байпасные клапаны, повышает живучесть рулевой машины.
При нормальных условиях один насос может обеспечить работу всех цилиндров. В аварийной ситуации могут быть использованы два насоса с ручным управлением для работы двух плунжеров правого борта, двух – левого борта, двух носовых или двух кормовых плунжеров.
Рис. 75. 4-х плунжерная электро-гидравлическая рулевая машина:
1 ,23,25 – насосы переменной подачи, 2,9,19,22 – запорные клапаны цилиндров, 3,10,18,21 – гидравлические цилиндры с плунжерами, 4,8,17,24 – воздушные и манометровые запорные клапаны, 5,7,40,47,48 – масляные трубопроводы цилиндров,6,16,20 – электродвигатели, 11,27 – байпасные клапаны, 12,37 – соединительные звенья, 13,26 – плавающие рычаги, 14 – тяга буферной пружины, 15 – румпель, 28 – маховик местного поста управления, 29,30,31,32,33,34 – невозвратные всасывающие пополнительные клапаны, 35 – приемник телемотора, 36– соединительная тяга насосов, 38,39,49,50,51,52 – запорные клапаны насосов, 41,42,43, 44,45,46,53,54 – масляные трубопроводы между клапанами, 55 – цистерна пополнения масла.
Для того, чтобы система была готова к работе, необходимо заполнить маслом каждый цилиндр рулевого привода, затем установить на место наполнительные пробки и закрыть воздушные краны. Байпасные клапаны при этом должны быть открыты, а цистерна для пополнения заполнена. Воздушные краны на насосах оставляют открытыми до тех пор, пока вытекающее масло содержит пузырьки воздуха. Используя механизм ручного управления, насосы ставят в положение минимальной подачи и проворачивают их вручную, удаляя воздух сначала из одной а затем из другой пар цилиндров. После этого включают электродвигатель насоса и приступают к проверке рулевой машины в действии. При этом еще раз удаляют воздух из цилиндров и насосов через соответствующие краны.
В электрогидравлических рулевых машинах с роторным лопастным приводом рис. 76 лопастной ротор прочно закреплен на баллере.
Рис. 76. Лопастной электро-гидравлический привод:
а – принципиальная схема, б – разрез, 1 – электродвигатель, 2 – насосы, 3 – предохранительный клапан, 4 – корпус, 5 – баллер, 6 – ротор, 7 – масляная полость, 8 – масляная цистерна, 9 – крышка
Ротор может поворачиваться в корпусе, который крепится к судовому набору. Пространство между лопастями ротора и перемычками корпуса образуют полости, объем которых изменяется при повороте ротора. Полости уплотнены специальной набивкой. С обеих сторон поворотных лопастей подведены трубопроводы, каждый из которых имеет кольцевой коллектор. При подаче масла во все полости с левой стороны поворотных лопастей и при всасывании масла из всех полостей с правой стороны обеспечивается поворот ротора по часовой стрелке. Для поворота в противоположном направлении всасывание и нагнетание меняются местами.
Привод обычно имеет три лопасти, благодаря чему обеспечивается перекладка руля на 70 0 .
Перемычки корпуса выполняют функцию стопоров, ограничивающих поворот руля.
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 — 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. 4). Обшивку крепят к раме электрозаклепками. Внутреннее пространство руля заполняют смолистыми веществами или самовспенивающимся пенополиуретаном ППУ3С.
Рули бывают в зависимости от расположения оси вращения:
1) балансирные (рис. 4, 6), ось вращения проходит через перо руля;
2) небалансирные (рис. 5), ось вращения совпадает с передней кромкой пера;
3) полубалансирные рули.
Момент сопротивления повороту балансирного или полубалансирного руля меньше, чем небалансирного, и соответственно меньше требуемая мощность рулевой машины.
По способу крепления рули разделяют на:
1) Подвесные, которые крепят горизонтальным фланцевым соединением к баллеру и устанавливают только на малых и малых маломерных добывающих судах.
2) простые.
Простой одноопорный балансирный руль (см. рис. 4) 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 (рис. 5) 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 (рис. 6). 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.
В пере активного руля (рис. 7) 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 ско-рость до 5 уз.
На многих судах промыслового флота вместо руля устанавливают поворотную направляющую насадку (рис. 8), которая создает такую же, как и руль, боковую силу при меньших углах перекладки. Причем момент на бал-лере 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.
Рис.4 Рабочие органы рулевых устройств: руль одноопорный балансирный.
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.
Рис.5. Рабочие органы рулевых устройств: руль двухопорный небалансирный.
1 - баллер; 2 - фланец; 3 - обшивка пера руля; 7 - пятка ахтерштевня; 8 - гайка; 9 - шайба; 10 - рулевой штырь; 11 - бронзовая облицовка штыря; 12 - бронзовая втулка (подшипник); 15 - гельмпортовая труба; 17 - рудерпост; 18 - бакаут.
Рис.6 Руль балансирный со съемным рудерпостом.
1 - баллер; 3 - обшивка пера руля; 7 - пятка ахтерштевня; 11 - бронзовая облицовка штыря; 12 - бронзовая втулка (подшипник); 15 - гельмпортовая труба; 19 - фланец рудерпоста; 20 — съемный рудерпост; 21 — вертикальная труба.
Рис. 7 Активный руль.
3 - обшивка пера руля; 4 - наделка-обтекатель; 23 - редуктор с обтекателем; 24 - стабилизатор;
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 вспомогатель-ный, 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.
Дистанционное управление рулевой машиной из рулевой рубки обеспечивают телединамические передачи, называемые рулевыми телепередача-ми 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 осу-ществляется 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 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.
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.
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 кото-рого 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.
Общие требования Регистра к рулевому устройству следующие:
— Каждое судно, за исключением судовых барж, должно иметь надежное устройство, обеспечивающее его поворотливость и устойчивость на курсе: рулевое устройство, устройство с поворотной насадкой и другие;
— С учетом назначения и особенной эксплуатации судна допускается использование указанных устройств совместно со средствами активного управления судном (САУС).
— 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 узлов, в зависимости от того, какое значение больше) с 15° одного борта на 15° другого — 60 с, аварийным (при скорости не менее 4 узлов) не ограничивается.
В Регистре Части III Главы 2 изложены требования, предъявляемые ко всем элементам рулевого устройства, даны формулы для расчета эффектив-ности и рулей и поворотных насадок.
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 является основным средством управления судном, обеспечивающим его поворотливость и удерживающем его на заданном курсе. Основными его частями являются:
пост управления (штурвал или рулевой электрический манипулятор);
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.
Основной пост управления рулём находится в рулевой рубке у путевого компаса и репитера гирокомпаса. Штурвал или пульт управления рулем монтируют обычно на одной колонке с авторулевым генератором. Рулевой указатель помещается на колонке управления и на левой переборке рубки так, что капитан и вахтенный помощник имели возможность постоянно контролировать положение пера руля.
Штурвал или манипулятор. Штурвал представляет собой колесо с рукоятками, при помощи которых оно вращается на валу, помещающемся в специальной штурвальной тумбе.
Поворотом штурвала рулевой приводит в движение всю рулевую систему. Для простоты управления штурвал устроен таким образом, что вращение его вправо соответствует повороту носа корабля вправо и наоборот.
Электрический рулевой манипулятор представляет собой рукоятку, установленную на специальной тумбе. Движение рукоятки вправо или влево через электрическую передачу приводит в движение рулевой электродвигатель, с помощью которого руль поворачивается в соответствующую сторону. Штурвалы (манипуляторы) устанавливаются в постах управления кораблем (в рулевой походной рубке, в боевых рубках, в центральном посту и в румпельном отделении).
Для обеспечения контроля за положением руля на тумбе штурвала или манипулятора или рядом с ними устанавливаются рулевые указатели, показывающие угол отклонения руля.
Рулевая передача. Поворот штурвала приводит в движение рулевую передачу, которая служит для управления рулевым двигателем, находящимся обычно в кормовой части корабля. Существует несколько систем рулевых передач.
Валиковая передача состоит из систем стальных или бронзовых валиков, соединенных друг с другом с помощью конических шестеренок или шарниров.
Валиковая передача имеет существенные недостатки: шестеренки довольню быстро срабатываются, деформация палуб и прогиб валиков могут вывести из действия все рулевое устройство.
Гидравлическая передача представляет собой систему, состоящую из двух цилиндров, соединенных между собою тонкими медными трубками. Один из цилиндров расположен в нижней части штурвальной тумбы, и поршень его связан со штурвалом. Поршень другого цилиндра, находящийся у рулевой машинки, связан с ее золотником. Вся система заполнена жидкостью (смесью глицерина с водой или минеральным маслом).
Схема валиковой передачи.
1 - штурвал, 2 -конические шестеренки, 3- валики, 4 - рулевой двигатель, 5 - руль.
Схема гидравлической передачи.
1 - штурвал, 2 - манипуляторная часть, 5 - трубопроводы, 4 - поршень исполнительной части.
Штуртросовая передача.
При повороте штурвала поршень цилиндра, находящегося в штурвальной тумбе, давит на жидкость и заставляет ее переливаться по трубкам, а так как жидкость в практических условиях не сжимается, то перемещается поршень второго цилиндра.
Гидравлическая передача мало живуча, так как, если трубка будет перебита, передача выходит из строя и для ее восстановления требуется много времени.
Электрическая передача в настоящее время должна быть признана наиболее совершенной системой. Она осуществляется при помощи электрических проводов. Основным элементом этих передач являются контроллеры, расположенные в штурвальной тумбе и связанные специальным электропроводом, проложенным в наиболее защищенных частях судна, с электрической рулевой машиной, находящейся в румпельном отделении. Контроллеры поворачиваются штурвалом, ручным качающимся коромыслом или специальными ручками и приводят в движение электрическую рулевую машину
Штуртросовая передача применяется на малых судах. Она состоит из стальных тросов или цепей, связанных с одной стороны со штурвалом, а с другой - непосредственно с рулевым приводом. Главный недостаток штуртросовой передачи - это значительное трение в роликах или шкивах, по которым проходит штуртрос, а также ее быстрое растяжение, приводящее к образованию мертвых ходов.
Аксиометр - прибор для указания положения руля относительно диаметральной плоскости судна. Он установлен на штурвальной тумбе или рядом с нею. Стрелка показывает, на сколько градусов переложен руль вправо или влево, при этом загорается соответственно зеленая или красная сигнальная лампочка; при прямом положении руля горит белая лампочка.
Рулевой двигатель приводит в движение рулевые приводы. Существует очень много конструкций рулевых двигателей, но чаще всегона судах имеются электрические и электрогидравлические машины.
На случай порчи рулевого двигателя он снабжается удобным средством для выключения его из рулевой системы и перехода к ручному управлению.
Рулевые приводы. Для передачи рулю усилий, развиваемых рулевыми двигателями, применяются рулевые приводы. В качестве рулевых двигателей на судах имеются электрические и электрогидравлические машины.
Рулевые приводы обеспечивают передачу усилий рулевого двигателя к баллеру.
Секторно-румпельный привод применяется па некоторых современных судах небольшого тоннажа. В таком приводе румпель жестко скреплен с баллером руля. Сектор, свободно насаженный на баллер, связан с румпелем при помощи пружинного амортизатора, а с рулевым двигателем - зубчатой передачей. Перекладка руля осуществляется рулевым двигателем через сектор и румпель, а динамические нагрузки от ударов волн гасятся амортизаторами.
На современных судах рулевые машины совмещаются с рулевыми приводами, что позволяет добиться высокого коэффициента полезного действия всего устройства.
Наибольшее распространение из таких комбинированных устройств получили электрогидравлические машины.
В отечественном судостроении применяют плунжерные электро-гидравлические машины. В них давление рабочей жидкости преобразуется в поступательное движение плунжера, которое затем через механическую передачу преобразуется во вращательное движение румпеля. В качестве рабочей жидкости в таких машинах применяется минеральное масло. Машины выпускаются в двух и четырехцилиндровом исполнении.
В такой машине с баллером руля 1 жестко связан румпель 2 и на нем установлен ползун, соединенный с плунжерами 3 двух цилиндров 4. Цилиндры соединены трубопроводами с насосом 6, приводимым в действие электродвигателем 5. Масло, перекачиваемое посредством насоса из одного цилиндра в другой, вызывает поступательное перемещение поршней, поворачивающих баллер через румпель. Амортизатором является перепускной клапан 7, который посредством дополнительного трубопровода соединен с обоими цилиндрами. При ударах воли в перо руля в одном из цилиндров создается излишнее давление. Тогда клапан приоткрывается, и масло перемещается из одного цилиндра в другой. На крупнотоннажных теплоходах, обычно устанавливают четырехцилиндровые электрогидравлические машины, создающие большие вращающие моменты.
На баллере 1 жестко насажен румпель 2, который через ползуны 3 соединен с плунжерами 4 гидроцилиндров 5. Электродвигателями 6 приводятся в действие радиально-поршневые насосы переменной подачи 7. Рычагом управления 8, приводимым в действие телемоторами 9 с поста управлении через тягу 10 с амортизаторами 11, ведется регулировка работы насосов. При повороте вправо насосы подают рабочую жидкость (масло) в правый носовой, и левый кормовой цилиндры. Давлением масла через плунжеры, ползуны и румпель, вращающий момент, как указано сплошными стрелками, будет передан на баллер, и руль повернется вправо. Штриховые стрелки показывают направление тока масла при повороте руля влево.
Переключением клапанов в клапанной коробке можно вводить в действие четыре или два цилиндра (носовую или кормовую пары). Могут быть включены два насоса или один из них. Переключение производится в румпельном отделении. На некоторых судах переключение может производиться с мостика. Как правило, в стесненных водах, в узкостях, на подходах к портам включают оба насоса. В открытом море в действии обычно находится один.
Штурвалом запасного управления перекладка руля осуществляется из румпельного отделения, где установлен репитер гирокомпаса. Такая система имеет аварийный ручной насос, установленный вне румпельного отделения и имеющий отдельный трубопровод, который на рисунке не показан. При работе ручного насоса действует только одна пара цилиндров.
Преимуществами электрогидравлических машин являются: получение больших усилий и крутящих моментов при малых массах и размерах на единицу мощности, плавное бесшумное изменение скорости в широких пределах, высокий коэффициент полезного действия, надежное смазывание трущихся частей маслом, применяемым в качестве рабочей жидкости, возможность надежной зашиты от перегрузок и долговечность при дублировании основных узлов.
При эксплуатации электрогидравлических машин необходимо учитывать, что их работа зависит от качества работы гидронасосов. Все замеченные неполадки в работе таких машин обычно относятся к насосам и элементам системы управления. Так, не отфильтрованное масло в системе, окалина, оставшаяся в трубах, металлическая стружка во внутренних полостях деталей могут служить причиной выхода из строя насосов и системы управления машиной. Сам же плунжерный агрегат надежен и долговечен.
В соответствии с требованиями Регистра РФ рулевое устройство морских судов должно иметь три привода: основной, запасный и аварийный.
Основной привод должен обеспечивать непрерывную перекладку руля с борта на борт при максимальной скорости переднего хода, при этом время перекладки руля с крайнего положения 35° одного борта до 30° другого не должно превышать 28 с.
Запасный рулевой привод должен обеспечивать непрерывную перекладку руля с борта на борт при скорости переднего хода, равной половине максимальной, но не менее 7 уз. Запасный рулевой привод должен действовать независимо от основного, и его необходимо устанавливать на всех судах, кроме судов с основными ручными приводами при наличии аварийного румпеля, судов с несколькими раздельно управляемыми рулями и судов с одной электрогидравлической рулевой машиной при наличии двух независимых гидронасосов. Переход с основного на запасное рулевое управление должен быть выполнен за время, не превышающее 2 мин.
Аварийный рулевой привод должен обеспечивать перекладку руля с борта на борт при скорости переднего хода не менее 4 уз. Аварийный привод не должен располагаться ниже палубы переборок. Установка его не требуется, если основной и аварийный приводы расположены в помещении, целиком находящемся выше самой высокой грузовой ватерлинии.
Допускается, чтобы основной, запасный и аварийный рулевые приводы или два агрегата основного привода имели некоторые общие части, например румпель, сектор, редуктор или цилиндровый блок, но при условии, что конструктивные размеры этих частей будут увеличены в соответствии с требованиями Регистра СССР.
Румпель-тали могут рассматриваться как запасный или аварийный рулевой привод только для судов валовой вместимостью до 500 per. т; если они могут присоединиться к электрическому шпилю или лебедке, то они будут рассматриваться как запасный привод, действующий от источника энергии.
Рулевое устройство должно иметь систему ограничителей поворота руля, допускающую его перекладку на угол не более 36,5°. Система управления рулевым приводом должна быть такой, чтобы перекладка руля прекращалась раньше, чем руль дойдет до ограничителя, и во всяком случае не позднее момента, соответствующего перекладке его на угол 35°.
Около каждого поста управления рулевым приводом должен быть указатель положения пера руля. Такие указатели должны быть и в румпельном отделении. Точность показаний относительно истинного положения пера руля должна быть не менее: Г - при положении руля в диаметральной плоскости; 1,5° - при углах перекладки от 0 до 5°; 2,5° - при углах перекладки от 5 до 35°.
Рули. Рулем называется та часть рулевой системы, которая под действием обтекающей корабль воды заставляет его делать повороты.
Рули бывают обыкновенные, балансирные и полубалансирные.
Обыкновенные и полубалансирные рули , состоят из пера 1 , рудерпнеа 4 и баллера 2 . Для облегчения перо выполняется в виде листовой рамы, прикрываемой стальными листами.
Рудерпис имеет ряд петель 5 , в которые вставляются штыри 6 . На рудерпосте имеются петли с отверстиями для навешивания руля. Баллер руля проходит через отверстие в корпусе корабля, называемое гельмпортом. Чтобы не допустить воды внутрь корабля, гельмпорт укупоривается сальником 9 . Самая верхняя часть баллера называется головой руля.
Обыкновенный руль.
1 - перо руля, 2 - баллер, 3- голова руля, 4 - рудерпис, 5 - петли, 6-щтыри, 7- пятка, 8 - рудерпост, 9- сальник.
Балансирный руль не имеет рудерписа. Он упирается специальными выступами на петли, помещающиеся внутри корабля.
Действие руля. Когда судно стоит неподвижно, то перекладка руля в ту или другую сторону никакого действия на корабль не окажет. На ходу, если руль стоит прямо, т. е. в средней продольной (диаметральной) плоскости, судно будет идти прямо. Происходит это от того, что струя встречной воды равномерно с обоих бортов обтекает корпус
Положение руля на переднем ходу. а - вправо, б - влево.
судна и перо руля. Но как только руль будет положен на переднем ходу в сторону, например, вправо, то струи воды, идущие вдоль правого борта, встретят на своем пути перо руля и начнут на него давить. С левого же борта вода никакого препятствия встречать не будет. Под давлением водяных струй справа руль, а вместе с ним и корма начнут подаваться влево, нос пойдет в противоположную сторону, и судно покатится вправо.
При положении руля влево будем наблюдать отклонение кормы вправо, а носа - влево
На заднем ходу произойдет обратное явление: при перекладке руля вправо встречные струи воды будут давить на левую сторону пера руля и толкать корму вправо, а нос - влево, при перекладке руля, влево корма пойдет влево, а нос вправо.
Положение руля на заднем ходу. а- вправо, б - влево.
Отсюда следует, что на переднем ходу корабль катится в ту же сторону, в которую положен руль, а на заднем - в сторону, обратную положению руля.
Причины, влияющие на поворотливость. При управлений кораблем необходимо считаться с влиянием на поворотливость работы винтов, инерции, крена, ветра, волны.
При разборе влияния на поворотливость корабля работы винтов нужно знать наименование шага последних. Винт, вращающийся по часовой стрелке, если смотреть на него, с кормы в нос, называется винтом правого шага (рис. 147); винт, вращающийся против часовой стрелки, - винтом левого шага (рис. 148).
На одновинтовых кораблях ставят винты правого шага, я на двухвинтовых так, чтобы они работали наружу, т, е. справа - винт правого шага, а слева - левого (рис. 149).
Под действием винта правого шага одновинтовой корабль стремится уклониться носом вправо: на переднем ходе немного, а на заднем - сильно. Поэтому при разворачивании в узкости всего лучше делать поворот вправо, если это возможно.
На двух винтовом судне действие винтов взаимно уравновешивается, если они работают с одинаковой силой.
Насадка на винт, установленная вместо руля, значительно улучшает поворотливость судна. Применение ее обеспечивает также увеличение скорости хода судна на 4-5% при постоянной мощности главного двигателя. Насадка представляет
собой надетое на винт и укрепленное на баллере кольцо, которое разворачиваться в горизонтальной плоскости. Отбрасываемая гребным винтом струя создает реактивную силу, обеспечиваю поворот судна. В хвостовой части насадки в плоскости оси баллера имеется стабилизатор, усиливающий рулевое действие насадки
Дополнительно к основным средствам управления могут быть установлены также средства активного управления (САУ) , причем некоторые из них нe только улучшают поворотливость, но и обеспечивают перемещение судна лагом.
Средства активизации управления (САУ) нашли широкое применение на флоте, так как они, во-первых, обеспечивают маневрирование судна на малых ходах, и, во-вторых, улучшают маневренность судна при швартовке.
К наиболее часто встречающимся САУ на судах относятся: активные рули (АР), подруливающие устройства (ПУ), вспомогательные движительно-рулевые колонки (ВДРК).
Активный руль имеет вспомогательный винт в насадке на задней кромке кормового руля. Электрический двигатель вспомогательного винта заключен в каплевидный кожух, питание к нему подается по пустотелому баллеру, а управление выведено в ходовую рубку. На некоторых судах этот двигатель, смонтированный в торце баллера, находится в румпельном отделении и соединен с винтом с помощью вала, находящегося внутри баллера. При работе вспомогательного винта создается сила упора.
Поворот активного руля на некоторый угол к диаметральной плоскости создает момент, разворачивающий корму в сторону, противоположную перекладке руля. При этом намного уменьшается диаметр циркуляции, а поворотливость судна не зависит от скорости хода -
гребной винт от главного двигателя может вообще не вращаться.
При прямом положении руля вспомогательный винт активного руля обеспечивает судну ход до 3 узлов.
Подруливающее устройство (ПУ) представляет собой движитель, заключенный в поперечный туннель ниже ватерлинии и создающий упор в перпендикулярном диаметральной плоскости направлении. Туннель обычно расположен в носовой части судна, но на некоторых судах подруливающее устройство и туннель устроены и в носу, и в корме; в этом случае судно может перемещаться лагом. Рабочим органом ПУ могут быть винты (одиночные и парные), крылатые движители или насосы. Входные отверстия туннеля закрыты жалюзи, а в туннельной трубе помещены редуктор и два винта, вращающиеся в разные стороны. Реверсивный электродвигатель через редуктор передает вращение на гребные валы ПУ.
Выдвижная движительно-рулевая поворотная колонка, которую вместе с винтом и насадкой можно вращать по всему горизонту, что дает возможность создать упор в любом направлении. На ходу судна устройство убирается в специальную шахту в корпусе и не оказывает дополнительного сопротивления движению судна.