Конструкция рулевых устройств с пассивным рулем зависит от следующих факторов:
Конструктивных особенностей кормового подзора судна;
Типа рулей;
Типа соединения руля с баллером;
Типа рулевого привода.
Рули . Судно может иметь один (в ДП), два (за винтами на двухвинтовых судах), а также три и более рулей.
Современный судовой руль (рис.208) представляет собой вертикальное крыло с внутренними подкрепляющими ребрами, вращающееся вокруг вертикальной оси, площадь которого у морских судов составляет 1/40–1/60 площади погруженной части ДП (произведения длины судна на его осадку: LT).
На форму руля значительное влияние оказывает форма кормовой оконечности судна и расположение ГВ.
По форме профиля пера рули делятся на плоские и профильные обтекаемые . Профильный руль состоит из двух выпуклых наружных оболочек, имеющих с внутренней стороны ребра и вертикальные диафрагмы, сваренных друг с другом и образующих каркас для повышения жесткости, который с обеих сторон покрыт приваренными к нему стальными листами.
Профильные рули имеют перед пластинчатыми ряд преимуществ: более высокое значение нормальной силы давления на руль; меньший момент, необходимый для поворота руля. Кроме того, обтекаемый руль позволяет улучшить пропульсивные качества судна. Поэтому они нашли наибольшее применение.
Внутреннюю полость пера руля заполняют пористым материалом, предотвращающим попадание воды внутрь. Перо руля крепится к рудерпису
с помощью штырей (рис. 209, 210). Рудерпис отливают (или отковывают) заодно с петлями для навешивания руля на рудерпост (отливку иногда заменяют сварной конструкцией), являющийся неотъемлемой частью ахтерштевня.
По способу соединения с корпусом и количеству опор пера пассивные рули разделяют:
На простые (многоопорные) (рис. 211, а , б, в );
Полуподвесные (одноопорные – подвешенные на баллере и опертые на корпус в одной точке) (рис. 211, в );
Подвесные (безопорные, подвешенные на баллере) (рис. 211, г ).
По положению оси баллера относительно пера различают рули небалансирные (обычные), у которых ось баллера проходит вблизи передней кромки пера, и балансирные, ось баллера у которых расположена на некотором расстоянии от передней кромки руля. Полуподвесные балансирные рули называют также полубалансирными (см. рис. 211).
Небалансирные рули устанавливают на одновинтовых судах, полубалансирные и балансирные – на всех судах. Применение подвесных (балансирных) рулей позволяет снизить мощность рулевой машины за счет уменьшения крутящего момента, необходимого для перекладки руля.
Наиболее важными геометрическими характеристиками руля являются:
Площадь S r ;
Относительное удлинение l r = S r /b 2 r = h 2 r /S r ;
- средняя ширина руля b r
;
Высота пера руля h r ;
Форма и относительная толщина профиля.
Величина площади пера руля зависит от типа судна и его назначения. Для ориентировочной оценки необходимой площади руля обычно используют отношение S r /LT ,которое для морских транспортных судов с одним рулем составляет 1,8–2,7, для танкеров – 1,8– 2,2; для буксиров – 3– 6; для судов прибрежного плавания – 2,3– 3,3.
Баллер
руля
(см. рис. 211, 213) – это массивный вал, при помощи которого поворачивается перо руля. Нижний конец баллера обычно имеет криволинейную форму и заканчивается лапой
– фланцем, служащим для соединения баллера с пером руляболтами, что облегчает съем руля при ремонте (рис.212). Иногда вместо фланцевого (рис. 212, а
) применяют замковое (рис. 212, б
) или конусное соединение. Крепление пера руля к баллеру и корпусу на многих типах судов имеет много общего и отличается незначительно. Конструкции верхнего узла крепления приведены на рис. 209, а нижнего – на рис. 211, а, б
) Установка под штырь чечевицы
из закаленной стали для уменьшения трения в точке опоры пера руля показана на рис. 210, а
.
Баллер руля входит в кормовой подзор корпуса через гельмпортовую трубу, обеспечивающую непроницаемость корпуса, и имеет не менее двух опор (подшипников) по высоте. Нижняя опора располагается над гельмпортовой трубой и, как правило, имеет сальниковое уплотнение, препятствующее попаданию воды в корпус судна; верхняя опора размещается непосредственно у места закрепления сектора или румпеля. Обычно верхняя опора (опорно-упорный подшипник) воспринимает массу баллера и пера руля, для чего на баллере делают кольцевой выступ.
Рулевые приводы . На судах морского флота эксплуатируются разнообразные рулевые приводы, среди которых преимущественное распространение получили рулевые машины с электрическими и гидравлическими приводами отечественного и зарубежного производства.
Они обеспечивают передачу усилий рулевого двигателя к баллеру. Среди них широко известны два основных типа приводов:
- механический секторно-румпельный привод от электромотора (рис.213, 214);
Силовой плунжерный привод от гидроцилиндров (рис.215).
Рулевые передачи,
посредством которых осуществляется связь поста управления с исполнительным механизмом рулевого привода, имеют различное устройство. На современных судах применяют в основном электрические и гидравлические передачи.
Рулевое устройство с механическим секторно-румпельным приводомприменяется на судах малого и среднего водоизмещения. Кинематическая схема передачи усилия от рулевой машины к перу руля этого привода хорошо показана на рис.213.
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 электромотором через сектор и румпель, а динамические нагрузки от ударов волн гасятся амортизаторами.
Схема управления секторно-рулевой машиной с электрической передачей приведена на рис.214.
В составсхемы управления рулевым устройством входят:
Пост управления со следящей электрической системой;
Электрическая передача от поста управления к электромотору;
Основной пост управления
находится в рулевой рубке у путевого компаса и репитера гирокомпаса. Штурвал или пульт управления рулем монтируют обычно на одной колонке с авторулевым агрегатом. Основным элементом электрической передачи
являются система контроллеров, помещенных в штурвальной колонке и связанных электропроводкой электродвигателем основного привода в румпельном отделении. Крутящий момент от электродвигателя передается на зубчатый сектор, соединенный с румпелем и баллером, через червячно-редукторную передачу. Все механизмы смонтированы в виде самостоятельного агрегата. Румпель крепится на баллере на двух шпонках и связан с сектором двумя пружинными амортизаторами.
Рулевые устройства с гидравлическим приводом в упрощенном виде показаны на
рис.215; 216). В его состав входят два (или четыре) гидроцилиндра, маслонасос, телемотор и гидросистема.
Работа устройства осуществляется следующим образом. При вращении штурвала, размещенного в рулевой рубке, телединамический датчик поста управления формирует командный сигнал в виде давления масла, которое гидросистемой нагнетается в цилиндр телемотора. Под действием этого сигнала телемотор приводит в действие рычажную систему обратной связи, которая открывает доступ силового масла в один из гидроцилиндров. При этом масло под давлением насоса перепускается из одного цилиндра в другой, двигая поршень и поворачивая румпель, баллер и перо руля в нужную сторону. После этого регулировочная тяга возвращается в нулевое положение, а датчик и репитор фиксируют новое положения руля.
Чтобы давление масла в гидроцилиндрах не повышалось при ударах о перо руля сильной волны или большой льдины, гидросистема снабжена предохранительными клапанами и амортизационными пружинами.
В случае выхода из строя телемотора управление рулевой машиной можно осуществлять из румпельного отделения вручную.
При выходе из строя обоих масляных насосов переходят на ручную перекладку руля, для чего трубы гидросистемы напрямую соединяют с гидроцилиндрами, создавая в них давление вращением штурвала в посту управления.
Более подробная схема управления рулевым устройством с двухплунжерной рулевой машиной приведена на рис. 215, а ее компоновка – на рис.217.
Схема гидропривода четырех плунжерной рулевой машины с аналогичным принципом действия показана на рис.216. Эти машины получили наибольшее распространение на современных судах, так как они обеспечивают наивысший коэффициент полезного действия всего рулевого устройства. В них давление рабочего масла в гидроцилиндрах непосредственно преобразуется сначала в поступательное движение плунжера, а затем через механическую передачу - во вращательное движение баллера руля, который жестко связан с румпелем. Необходимое давление масла и мощность рулевой машины формируется радиально-поршневыми насосами переменной производительности, а раздачу его по цилиндрам осуществляет телемотор, который получает команду от штурвала с рулевой рубки.
Рулевое устройство включает рулевую машину с румпельным, секторным, винтовым или гидравлическим приводом и собственно руль, основной и ручной (запасной) привод руля.
К основным требованиям, предъявляемым к рулевым устройствам, относят:
Максимальный угол перекладки руля для морских судов должен
быть равен 35 градусам, а для судов речного флота может достигать 45 градусов;
Длительность перекладки руля с одного борта до другого борта должна быть не более 28 с;
Рулевые машины должны обеспечивать надёжную работу
рулевого устройства в условиях качки судна с креном до 45 градусов, длительного крена —
до 22,5 градусов и дифферента — до 10 градусов.
Дефектоскопия и ремонт . К характерным дефектам рулевого устройства относят:
Изнашивание шеек баллера руля, его изгиб и скручивание;
Изнашивание подшипников, штырей, чечевицы;
Повреждения соединения баллера с пером руля;
Коррозионные и эрозионные разрушения, трещины пера руля;
Нарушение центрирования руля.
Техническое состояние рулевого устройства определяют перед каждым очередным освидетельствованием судна (на плаву или в доке), до и после ремонта судна и при подозрении о появлении неисправности.
Дефектоскопию рулевого устройства проводят в два этапа.
На первом этапе, без каких-либо демонтажных работ, определяют общее техническое состояние рулевого устройства методом внешнего осмотра (со шлюпки и водолазный осмотр): соответствие положения пера руля и указателей (для определения величины скручивания баллера руля); зазоры в подшипниках и высоту от пятки ахтерштевня до пера руля (Н) (проседание руля):
На втором этапе рулевое устройство демонтируют и разбирают.
Демонтаж, разборка. Перед демонтажем руля в кормовой части устанавливают настил, подвешивают тали, готовят стропы, домкраты и необходимый инструмент. Разборка включает следующие операции:
Разбирают ручной привод руля, тормозное устройство и выводят из зацепления зубчатый сектор механического привода;
Снимают с головной части баллера руля зубчатый сектор, румпель;
Разбирают подшипники баллера руля, разъединяют и разобщают баллер с рудерписом;
Поднимают и выводят перо руля из кормового подзора и опускают на палубу дока, судна или на причал;
Опускают застропленный баллер через гельмпортовую трубу на палубу;
Выбивают чечевицу из гнезда пятки ахтерштевня через отверстие, имеющее в ней.
Втулку-подшипник, запрессованную в пятке ахтерштевня, в случае большого изнашивания, разрезают по длине и после смятия её краев выбивают из гнезда.
При разборке рулевого устройства наибольшую сложность представляет демонтаж румпеля с баллера руля. Как правило, румпель напрессован на головную часть баллера в горячем состоянии с натягом. Иногда головку румпеля для снятия разрезают газовым резаком во время разборки и проводят детальную дефектоскопию с последующим ремонтом деталей рулевого устройства.
Изнашивание шеек баллера устраняют проточкой (допустимое уменьшение диаметра шейки баллера — не более 10% номинального значения), либо электронаплавкой с последующей механической обработкой.
Изогнутый баллер правят в горячем состоянии с нагревом до температуры 850-900 С, а после правки его подвергают отжигу и нормализации. Точность правки считается удовлетворительной, если биение баллера в месте изгиба будет находиться в пределах 0,5-1 мм. После правки и нормализации плоскость фланца баллера и шейки протачивают на токарном станке.
При скручивании баллера до 15 градусов заваривают старый шпоночный
паз, выполняют термообработку этого участка для снятия напряжений скручивания,
размечают и фрезеруют новый шпоночный паз в плоскости пера руля.
При изнашивании втулки-подшипника и чечевицы их заменяют. Чечевицу изготавливают из стали с последующей закалкой.
Дефект фланцевого соединения баллера с пером руля устраняют их проворачиванием, шабрением шпоночного паза и установкой новой шпонки.
К наиболее частым повреждениям пера руля относят вмятины и разрывы листов обшивки пера руля. При общем изнашивании обшивки пера руля (более 25% толщины) листы заменяют.
Трещины и коррозионные разрушения сварных швов устраняют разделкой и сваркой. Перед заменой обшивки пера руля из её внутренней полости удаляют варпек (продукт перегонки каменного угля), который представляет собой твёрдую стекловидную массу чёрного цвета. После ремонта во внутреннюю полость пера руля опять заливают варпек в горячем состоянии (при нагревании варпек становится жидким).
До постановки простого руля на место проверяют центрирование отверстий петель ахтерштевня методом натянутой струны. За базу при центровке петель ахтерштевня принимают оси гельмпортового подшипника и подшипника пятки ахтерштевня.
Качество ремонта и монтажа рулевого устройства оценивают по результатам центрирования, величине установочных зазоров в подшипниках, соответствию положений пера руля и указателей.
Критерием общего технического состояния рулевого устройства является время перекладки руля во время ходовых испытаний судна, которое не должно превышать 28 с. Испытания рулевого устройства должны проходить при волнении моря не более 3 баллов, на полном переднем ходу судна при номинальной частоте вращения гребного вала.
Методика контроля рулевого устройства по техническому состоянию.
Методика предусматривает определение общего технического состояния рулевого устройства на основе его наружных осмотров без каких-либо демонтажных работ (осмотр со шлюпки, водолазный осмотр) и контроля следующих параметров:
Уровня виброускорения баллера руля; .
Времени перекладки руля с борта на борт;
Давления жидкости в гидравлических цилиндрах для электрогидравлических рулевых машин;
Силы рабочего тока исполнительного электродвигателя для электрических рулевых машин;
Наличия металлических и абразивных продуктов изнашивания в рабочей жидкости.
По уровню виброускорения баллера руля контролируют состояние зазоров в подшипниках руля.
Периодичность контроля параметров рулевого устройства приведены в таблице:
Достижение предельно-допустимого значения хотя бы одним из параметров говорит о необходимости проведения технического обслуживания (ремонта) рулевого устройства.
На основе контроля фактического технического состояния рулевого устройства могут выполняться следующие работы: замена или пополнение смазки в подшипниках, замена подшипников, плунжерных пар; кроме того, решается вопрос о необходимости постановки судна в док для демонтажа баллера из-за увеличенных зазоров в его подшипниках и повреждений пера руля.
Рулевое устройство обеспечивает управляемость судна, т. е. позволяет удерживать судно на заданном курсе и изменять направление его движения. Составными частями рулевого устройства являются: руль, рулевой двигатель, рулевой привод, пост управления и рулевая передача.
Руль служит непосредственно для сохранения или изменения направления движения судна. Он состоит из стальной плоской или обтекаемой пустотелой конструкции - пера руля и вертикального поворотного вала - баллера, жестко соединенного с пером. На верхний конец баллера (головку), выведенный на одну из палуб, насаживается сектор или рычаг - румпель.
К нему прилагается внешнее усилие, поворачивающее баллер. При установке пера руля в диаметральной плоскости движущегося судна оно будет сохранять направление движения.
Если перо руля отклонить от этого положения, то сила давления воды, действующая на перо, создаст вращающий момент, который повернет судно. Рулевой двигатель - паровая, электрическая, гидравлическая или электрогидравлическая машина, приводящая в действие руль.
Рулевой двигатель устанавливается у румпеля и соединяется с ним непосредственно, без промежуточных передач, или отдельно от румпеля.
Рулевой привод
передает усилие от рулевого двигателя к баллеру. Пост управления устанавливается в рулевой рубке. Он служит для дистанционного управления рулевой машиной через штурвал, контроллер или кнопочный пульт управления.
Органы управления монтируют обычно на одной колонке с авторулевым агрегатом, рядом устанавливают путевой магнитный компас и репитер гирокомпаса. Для контроля за положением пера руля относительно диаметральной плоскости судна на колонке управления и на лобовой переборке рубки устанавливают рулевые указатели - аксиометры.
Рулевая передача
служит для связи поста управления с пусковым механизмом рулевого двигателя. Наиболее простыми передачами являются механические, непосредственно соединяющие штурвал с пусковым устройством рулевого двигателя.
Но они имеют ряд существенных недостатков (низкий КПД, требуют постоянного ухода и др.) и на современных судах не применяются. Основными видами рулевых передач являются электрические и гидравлические.
рис. 61 Рули
а - обыкновенный плоский; б - обтекаемый; в - балансирный, г - полубалансирный
По конструкции пера рули могут быть плоскими и обтекаемыми.
Обыкновенный плоский руль
имеет ось вращения у передней кромки руля (рис. 61, а). Перо руля 1, изготовленное из стального листа толщиной 20-30 мм, имеет ребра жесткости 2, которые идут попеременно с одной и другой стороны пера.
Они отлиты или откованы заодно с утолщенной вертикальной кромкой руля - рудерписом 3, имеющим ряд петель 4 с надежно закрепленными в них штырями 5. Этими штырями руль навешивается на петли 6 рудерпоста 9. Штыри имеют бронзовую облицовку, а петли рудер-поста - бакаутовые втулки. Нижний штырь рудерписа входит в углубление пятки ахтерштевня 10, в которое для уменьшения трения вставляется бронзовая или бакаутовая втулка с закаленной стальной чечевицей на дне. Пятка ахтерштевня через чечевицу воспринимает на себя весь вес руля.
Для предупреждения смещения руля вверх
один из штырей, обычно верхний, на нижнем конце имеет головку. Верхняя часть рудерписа соединяется с баллером руля 8 при помощи специального фланца 7. Фланец несколько смещен от оси вращения, благодаря чему образуется плечо и облегчается поворот пера руля.
Смещенный фланец позволяет во время ремонта пера руля снять его с петель рудерпоста без подъема баллера, разобщив фланец и развернув перо и баллер в разные стороны.
Обыкновенные плоские рули просты по конструкции, отличаются прочностью, но создают большое сопротивление движению судна и требуют большого усилия для их перекладки. Поэтому на современных судах вместо плоских рулей применяются обтекаемые.
Перо обтекаемого руля
(рис. 61, б) представляет собой сварной металлический каркас, обшитый листовой сталью (стальная оболочка водонепроницаемая). Перу придают обтекаемую форму. Для уменьшения сопротивления воды движению судна на пере руля устанавливают специальные наделки - обтекатели и придают обтекаемую форму рудерпосту.
В зависимости от положения пера руля относительно оси его вращения рули подразделяются на обыкновенные, или небалансирные, балансирные и полубалансирные.
У балансирного руля
(рис. 61, в) часть пера расположена к носу судна от оси вращения. Площадь этой части, называемой балансирной, составляет от 20 до 30% всей площади пера. При перекладке руля давление встречных потоков воды на балансирную часть пера содействует повороту руля, уменьшая тем самым нагрузку на рулевую машину.
Балансирные рули, как правило, обтекаемые. Полубалансирный руль (рис. 61, г) отличается от балансирного тем, что его балансирная часть имеет меньшую высоту, чем основная.
Крепление балансирных и полубалансирных рулей осуществляется по-разному в зависимости от конструкции кормы и ахтерштевня судна. Кроме рассмотренных основных типов рулей, на некоторых судах применяются специальные рули и подруливающие устройства, позволяющие значительно улучшить маневренные качества судна. К ним относятся: активные рули, поворотные насадки, дополнительные носовые рули и подруливающие устройства.
Активные рули имеют обтекаемую форму.
В каплевидной наделке на пере руля вмонтирован электродвигатель, который приводит во вращение небольшой гребной винт, установленный за задней кромкой пера. Питание на электродвигатель подается через пустотелый баллер.
Активный руль упором рулевого винта позволяет эффективно разворачивать судно, имеющее малую скорость движения или не имеющее хода, что очень важно при плавании в узкостях, при швартовке и в других случаях.
Поворотная насадка представляет собой массивное кольцо
, закрепленное на баллере по типу балансирного руля. При повороте насадки струя воды, отбрасываемая гребным винтом, изменяет свое направление и этим обеспечивается поворот судна.
Такие насадки применяются на буксирах. Носовые рули балансирного типа устанавливаются в дополнение к основным для улучшения управляемости на заднем ходу. Они применяются на паромах и некоторых других судах.
Для улучшения маневренности судна используются также подруливающие устройства. Их гребные винты, насосы или крыльчатые движители создают упор в направлении, перпендикулярном ДП судна, чем способствуют эффективному развороту судна. Управляют подруливающими устройствами из рулевой рубки.
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.
