Гельмпортовые втулки на судне что это
Рулевые устройства
Содержание
Современное рулевое устройство показано на рис. 15.1. Основные элементы рулевого устройства:
Рулевое устройство включает также запасные и аварийные рулевые приводы, ограничители перекладки руля и многие другие элементы, обеспечивающие эффективную и надежную работу устройства.
Судовые рули
Судовые рули классифицируют по следующим признакам: расположению оси вращения руля, размещению руля относительно элементов конструкции кормовой оконечности и по типу крепления руля (рис. 15.3).
Современные рули и их геометрические характеристики приведены на рис. 15.4. Небалансирные рули, расположенные за рудерпостом, длительное время являлись наиболее применимыми. Постепенно их стали заменять балансирными рулями, позволяющими существенно снизить мощность рулевой машины. Однако сложность крепления последних привела к большому распространению полубалансирных рулей. Чаще всего полубалансирные рули размещают за кронштейном. Небалансирные рули с несколькими опорами на рудерпосте применяют на ледоколах и грузовых судах, предназначенных для эксплуатации в арктических морях. На морских судах всех типов в основном применяют обтекаемые рули. Простые рули можно встретить лишь на катерах и небольших несамоходных баржах.
Профиль руля в значительной степени определяет его эффективность. Для морских судов используются симметричные профили, отличающиеся друг от друга положением по хорде точки, соответствующей максимальной толщине профиля, а также формой хвостовой части.
Закрепление баллера осуществляется гайкой с наружным диаметром и высотой соответственно не менее 1,5 и 0,8 наружного диаметра нарезной части. Приварные планки и шплинты используются для предотвращения самоотдачи гайки.
Горизонтально-фланцевое соединение (рис. 15.5, б) состоит из фланцев руля и баллера, а также соединительных болтов, количество которых должно быть не менее шести.
Обычно штырь имеет цилиндрическую и коническую части. Коническая часть используется для закрепления штыря в петле руля или в петле ахтерштевня. Длина конической части должна быть не меньше определенного выше диаметра штыря и иметь конусность не более 1:10. Закрепление штыря осуществляется с помощью гайки. Нарезная часть штыря должна иметь наружный диаметр не менее 0,8 наименьшего диаметра конуса. Минимальные размеры гайки: диаметр 1,5 и высота 0,6 наружного диаметра нарезной части.
Длина цилиндрической части должна быть не менее 1 и не более 1,3 диаметра штыря (вместе с облицовкой, если она имеется). Гайка штыря не должна самоотдаваться, поэтому ее следует надежно застопорить. Для этого используются либо две приварных планки, либо приварная планка и шплинт. Для обеспечения достаточной прочности петель руля и ахтерштевня толщина материала петель должна быть не менее половины диаметра штыря без облицовки.
Для крепления руля может использоваться съемный рудерпост (см. рис. 15.4, к, тип XI). Его диаметр выбирается из условия достаточной прочности. Действующие в верхнем сечении непосредственно у фланца нормальные напряжения, МПа, не должны превышать половины предела текучести используемого материала.
В районе между опорами руля диаметр рудерпоста может быть уменьшен на 10 %. Коническая и нарезная части рудерпоста должны соответствовать требованиям, аналогичным перечисленным выше для штырей. Верхняя часть съемного рудерпоста крепится к корпусу судна фланцем и болтами, число которых должно быть не меньше шести.
Расстояние от центра любого болта до центра системы отверстий должно быть не менее 0,7 диаметра съемного рудерпоста, а до вертикальной оси симметрии плоскости фланца не менее 0,6 диаметра съемного рудерпоста. Толщина фланцев должна быть не менее диаметра болтов.
Типичные конструкции опор приведены на рис. 15.6. На рис. 15.7 показаны различные конструкции опоры пера руля, способной воспринимать не только горизонтальные, но и вертикальные усилия. В первом случае (см. рис. 15.7, а) вертикальное усилие воспринимается специальным опорным кольцом и передается на ахтерштевень, во втором (см. рис. 15.7, б) вертикальное усилие передается на торцевую поверхность штыря.
Традиционная конструкция крепления штыря совершенствуется. Так, для закрепления конусной части штыря вместо гайки применяется стопорный клин (рис. 15.8). Для снижения изгибающих моментов и перерезывающих сил в сечениях штырей применяется конструкция штыря, показанная на рис. 15.9.
Цилиндрические части штырей, вращающиеся в петлях, закрываются износоустойчивой облицовкой из материалов, стойких к коррозии в морской воде. Для этой цели используют бронзу БрА9Мц2Л, латунь ЛМц58-2, нержавеющую сталь ОХ18Н10Т или 12Х18Н10Т. Рекомендуется, чтобы облицовка штыря выходила из петли примерно на 5 % диаметра штыря. Следует исключить возможность попадания воды между облицовкой и материалом штыря. Это достигается как за счет плотной посадки облицовки, так и за счет различных уплотнений. Толщина облицовки изменяется в пределах 5-10 % диаметра штыря, если он меньше 200 мм, и в пределах 3-5 %, если диаметр штыря превышает 200 мм (большие значения относятся к меньшим диаметрам). Внутренняя трущаяся поверхность петли обычно образуется втулкой. Для изготовления втулок используют бакаут, бронзу или текстолит. Плотная посадка и стопорные кольца по торцам обеспечивают неподвижность втулок. Толщина втулок составляет 10-15 % диаметра штыря, если диаметр меньше 200 мм, и 5-10 %, если диаметр больше 200 мм. Зазор между втулкой и облицовкой штыря колеблется в пределах 0,5-1,5 % диаметра штыря. Изготовляют штыри из качественной углеродистой или легированной стали.
Конструктивные схемы некоторых типов рулей показаны на рис. 15.10.
Поворотные насадки
Поворотная насадка представляет собой кольцо, образованное несимметричным крыловым профилем и расположенное соосно с гребным винтом (рис. 15.11). Насадка за счет поворота относительно вертикальной оси изменяет направление отбрасываемого винтом потока, что вместе с взаимодействием самой насадки с потоком жидкости позволяет создавать боковое усилие, необходимое для управления судном. Обычно поворотная насадка имеет стабилизатор (рис. 15.12), который способствует повышению пропульсивных качеств винта за счет спрямления потока и оказывает положительное действие на маневренность судна, особенно при движении малым ходом.
Обозначения основных размеров поворотной насадки показаны на рис. 15.13. К ее геометрическим характеристикам относятся: относительное удлинение насадки λн =lн/Dн; относительная толщина профиля tн=tнmax/ lн; площадь сечения насадки в плоскости диска гребного винта Ан =0,25 π (Dв+2 ∇) 2 ; площадь входного сечения Авх=0,25 πD 2 вх; площадь выходного сечения Aвых=0,25 πD 2 вых ; длина входной части насадки lвх ; длина хвостовой части насадки lхв ; относительный зазор ∇= ∇/Dн; коэффициент раствора насадки θ2=Авх/Ан; коэффициент расширения насадки θ2=Авых / Ан; коэффициент компенсации насадки Кн = lвх / lн.
Геометрическими характеристиками стабилизатора насадки являются высота hст, ширина bст, площадь Aст и тип профиля. Практические рекомендации для назначения основных геометрических параметров насадок приводятся ниже. Относительное удлинение насадки следует принимать в пределах 0,6≤ λн≤ 1(наиболее распространены насадки с λн=0,7÷0,8.
Длина входной части насадки должна составлять (0,4 ÷0,5)lн. Коэффициент раствора θ1 назначается таким образом, чтобы обеспечивался безударный вход воды при расчетном режиме работы гребного винта. Это выполняется при θ1= 1,30÷1,35.
Эффективность направляющей насадки в значительной степени определяется величиной коэффициента ее расширения θ2 (для буксиров θ = 1,1÷1,12, для транспортных судов θ = 1,12÷1,15). Величина зазора ∇ существенно влияет на КПД гребного винта. Для снижения концевых потерь относительный зазор должен составлять ∇ = 0,0054÷0,010, а максимальная величина зазора быть равной 15 мм.
Для поворотных насадок используются специальные несимметричные профили с утолщенной задней кромкой, что увеличивает прочность насадки (рис. 15.14).
Баллеры рулей и поворотных насадок. Подшипники баллеров
По конструкции баллеры делятся на изогнутые и прямые. Изогнутый баллер (рис. 15.15, а) в нижней части заканчивается горизонтальным фланцем, который болтами соединяется с фланцем руля. Прямой баллер в зависимости от конструкции руля и типа соединения может заканчиваться фланцем (рис. 15.15, б) или конусом с нарезной частью (рис. 15.15, в). Форма нижней части изогнутого баллера и размеры фланца должны быть такими, чтобы при повороте баллера и отсоединенного руля в разные стороны на предельные углы можно было бы снять руль.
Надежность баллера в значительной степени зависит от состояния его наиболее изнашиваемых элементов, к которым относятся опорные поверхности и узлы соединения баллера с рулем. В связи с этим, рабочие поверхности шеек баллеров обычно предохраняются защитной рубашкой, представляющей собой цилиндр, изготовленный из бронзы или нержавеющей стали, который плотно насаживается на шейку баллера.
Подшипники баллера обеспечивают беспрепятственный поворот руля, воспринимая и передавая на корпусные конструкции усилия, действующие на баллер (вместе с собственным весом баллера и руля). Различают подшипники опорные, воспринимающие нагрузки, действующие только в поперечном по отношению к оси баллера направлении, и опорно-упорные, способные воспринимать и осевые нагрузки. Так как нижние подшипники баллеров препятствуют попаданию воды внутрь корпуса, они должны быть водонепроницаемыми.
Особое внимание должно быть обращено на надежность и ремонтопригодность подшипника. Надежность достигается использованием износоустойчивых материалов для втулок и других трущихся частей. При этом должны быть обеспечены свободный доступ к сальникам в процессе эксплуатации, легкий демонтаж и разъем подшипников в период ремонта.
Опорные узлы подшипников баллера выполняются в виде подшипников качения и подшипников скольжения. Большое значение для снижения трения имеет подбор материала трущихся пар. В корпус подшипника запрессовывается втулка, высота которой принимается равной 1-1,2 диаметра баллера. Одним из критериев при определении размеров подшипника является удельное давление
Для изготовления втулок используются нержавеющая сталь, бронза, бакаут, текстолит, сталь с наплавкой бронзы и латуни. Допустимое удельное давление для различных комбинаций материалов не должно превышать следующих величин: 236 Н/см 2 для нержавеющей стали или бронзы по бакауту; 441 Н/см 2 для нержавеющей стали по баббиту; 655 Н/см 2 для нержавеющей стали по бронзе. Толщина втулок обычно составляет 5-10 % диаметра баллера.
Рулевые приводы
Расчет основных параметров рулевого привода при его проектировании выполняется исходя из условий, соответствующих ходовому и маневренному режимам движения судна.
Ходовой режим судна с эксплуатационной скоростью характеризуется частыми перекладками руля на угол 4-6°. Число включений привода в час составляет в среднем около 400 при ручном управлении и до 1500 при автоматическом управлении. Количество перекладок руля в целом зависит от степени устойчивости судна на курсе, внешних условий (ветра, волнения, течения) и ряда других факторов. Большое количество перекладок руля приводит к повышенному нагреву вращающихся пар привода, поэтому ходовой режим движения судна является расчетным для рулевого привода по условиям нагрева.
Режим маневрирования на больших скоростях хода судна связан с возникновением на руле максимальных моментов. Этот режим является определяющим для выбора типа привода, расчета прочности основных его элементов, расчета потребной мощности и частоты вращения исполнительного двигателя рулевой машины. Время перекладки руля регламентируется Правилами Регистра, а также может быть определено из условия реального и безопасного маневрирования судна.
Главный и вспомогательный рулевые приводы или по крайней мере один из них рекомендуется располагать над самой высокой грузовой ватерлинией. Если это невозможно, то на судне предусматривается аварийный рулевой привод, располагаемый выше палубы переборок. Аварийный рулевой привод должен обеспечивать перекладку полностью погруженного руля (поворотной насадки) с борта на борт при скорости переднего хода судна не менее 4 уз.
Главный и вспомогательный рулевые приводы должны действовать на баллер руля или поворотной насадки независимо один от другого, в противном случае допускается, чтобы главный и вспомогательный рулевые приводы имели некоторые общие части (румпель, сектор, редуктор или цилиндрический блок), при этом конструктивные размеры общих частей должны быть увеличены.
Румпель-тали можно использовать как вспомогательные или аварийные рулевые приводы только на самоходных судах валовой вместимостью менее 500 peг. т и на несамоходных судах.
Рулевые приводы должны иметь устройство, прекращающее его действие прежде, чем руль дойдет до упора ограничителя поворота руля.
Электропривод рулевого устройства должен обеспечивать: автоматическое удержание руля при отрицательных моментах со стороны пера руля; ограничение момента двигателя вплоть до его остановки под напряжением; автоматический переход двигателя на рабочий режим после прекращения перегрузки; изменение направления вращения пера руля на тот или иной борт; разгон привода; остановку привода без применения механических тормозов; большое число включений.
Подруливающие устройства
Классификация и основные характеристики подруливающих устройств.
Подруливающие устройства относятся к активным средствам управления судами, т. е. позволяют создавать управляющее силовое воздействие на судно, даже если оно не движется.
Подруливающие устройства должны:
Подруливающие устройства подразделяются на подруливающие устройства туннельного типа и выдвижные винтовые колонки различных типов.
Основные геометрические характеристики проточного канала подруливающего устройства туннельного типа следующие (рис. 15.20): диаметр проточной части туннеля Dt; диаметр выходного отверстия сопловой части Dс; заглубление оси (диска) движителя Нв; отстояние диска движителя от основной плоскости hв; длина проточной части туннеля lт; длина сопловой части lс; угол наклона борта в районе сопловой части λ0.
Площадь поперечного сечения проточной части вычисляется по формуле:
а площадь поперечного сечения сопловой части по формуле:
Для движителя подруливающего устройства добавляются следующие характеристики: диаметр ступицы движителя dст; диаметр гондолы редуктора угловой передачи dr.
Основные геометрические характеристики выдвижной винтовой колонки показаны на рис. 15.22.
Рулевое устройство судна
Рулевое устройство совокупность механизмов, агрегатов и узлов, обеспечивающих управление судном.
Основными конструктивными элементами любого рулевого устройства являются:
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. 1, а). Обшивку крепят к раме электрозаклепками. Внутреннее пространство руля заполняют смолистыми веществами или самовспенивающимся пенополиуретаном ППУ3С.
По способу крепления рули разделяют на подвесные и простые.
Подвесной руль крепят горизонтальным фланцевым соединением к баллеру и устанавливают только на малых и малых маломерных добывающих судах.Простой одноопорный балансирный руль (см. рис. 1, а) 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 (см. рис. 1, б) 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 (см. рис. 1, в). 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.
На многих судах промыслового флота вместо руля устанавливают поворотную направляющую насадку (рис. 1, д), которая создает такую же, как и руль, боковую силу при меньших углах перекладки. Причем момент на баллере 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.
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 вспомогательный, 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.
На многих мало и среднетоннажных судах устанавливают секторнозубчатый рулевой привод (рис. 2, а). При работе электродвигателя свободно насаженный на баллер зубчатый сектор через пружинные амортизаторы передает усилие жестко закрепленному на баллере продольному румпелю. Амортизаторы смягчают толчки, возникающие при пуске электродвигателя или при ударах волн о перо руля. Червячный редуктор обеспечивает самоторможение привода. В качестве вспомогательного привода предусмотрен дополнительный жестко насаженный на баллер зубчатый сектор. Работу сектора обеспечивает ручная штурвальная колонка через валиковую проводку и дополнительный червячный редуктор.
На маломерных добывающих судах применяют секторный штуртросовый привод (рис. 2, б). Усилие рулевой машины через штуртрос передается жестко насаженному на баллер сектору. Штуртрос выполняют иэ стального троса с участком цепи Галля в средней части или целиком из цепи. Обе ветви штуртроса от сектора через направляющие роульсы идут к звездочке или барабану рулевой машины. В последнем варианте при вращении барабана одна ветвь стального троса выбирается, а другая — потравливается. Слабину штуртроса выбирают винтовыми талрепами, толчки смягчаются буферными пружинами.
Наибольшее распространение на промысловом флоте получили гидравлические рулевые приводы: плунжерный, лопастный, винтовой.
Румпель гидравлического лопастного рулевого привода, выполненный в виде крылатки с лопастями, находится в закрытом цилиндрическом корпусе, разделенном неподвижными перегородками на несколько рабочих камер, заполненных рабочей жидкостью (на рис. 2, г две камеры). Зазоры между лопастями и корпусом, неподвижными перегородками и баллером уплотняются. При перекачке рабочей жидкости из одних полостей камер в другие создается разность давлений, вызывающая поворот румпеля и баллера.
Винтовой гидравлический привод (рис. 2, д) состоит из неподвижного корпуса, средняя часть которого выполняет роль цилиндра. В цилиндр помещен кольцевой поршень: его внутренняя поверхность имеет в верхней части винтовые, а в нижней — продольные канавки. На головку баллера жестко надет стакан с продольными канавками. Другой стакан с винтовыми канавками неподвижно прикреплен к крышке корпуса. При подаче жидкости в рабочую полость цилиндра поршень получает поступательное движение, перемещаясь по винтовым канавкам неподвижного стакана, поворачивается и через стакан с продольными канавками поворачивает баллер.
Кроме перечисленных на промысловых судах изредка встречаются рулевые приводы других типов, в основном в качестве вспомогательных или аварийных. В исключительных аварийных ситуациях могут быть применены две румпельтали.
Другой вид — хваттали это двух и одношкивные блоки, причем коренной конец лопаря закреплен на одношкивном блоке.
Дистанционное управление рулевой машиной из рулевой рубки обеспечивают телединамические передачи, называемые рулевыми телепередачами 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 осуществляется 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.
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.
Ограничители перекладки руля выполняют в виде выступов на пере руля и ахтерштевне, которые упираются друг в друга при максимально допускаемом угле перекладки руля, или в виде книц, приваренных к палубе, в которые упирается сектор привода руля. Все механические рулевые приводы дополнительно имеют конечные выключатели, отключающие механизмы прежде, чем руль дойдет до ограничителя поворота. В гидравлическом плунжерном приводе ограничителем поворота руля служат донышки гидроцилиндров привода.
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 которого 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.