5. Контрольные вопросы

Что понимается под термином «гидропривод»?

Перечислите области применения на судах индивидуальных объёмных гидроприводов.

Перечислите преимущества группового гидропривода и области его применения.

изложите основные требования к рабочим жидкостям гидроприводов.

Перечислите источники загрязнения рабочей жидкости гидропривода.

Проанализируйте схемы включения гидроприводов с объёмным регулированием.

Дайте обоснование целесообразности применения группового гидропривода на судах.

Проанализируйте схемы включения гидроприводов с дроссельным регулированием.

Перечислите основные причины понижения к.п.д. роторно-поршневых гидромашин.

Опишите последовательность взаимодействия деталей гидродвигателя (рис.6, в)при преобразовании энергии потока жидкости в вращение выходного звена.

Поясните назначение и работу элементов гидросистемы на рис.8.

От чего зависит надёжность гидросистем?

От чего зависит тонкость очистки масел?

Каков размер частиц задерживает фильтра нормальной очистки ?

Перечислите основные причины отказов в работе гидроприводов.

Какие способы регулирования скорости выходного звена индивидуального гидропривода Вы знаете ?

Какие способы реверсирования выходного звена Вы знаете?

Из каких элементов состоит индивидуальный гидропривод постоянной мощности?

Как увеличить крутящий момент регулируемого гидромотора, если в индивидуальной схеме используется нерегулируемый насос?

По какой схеме выполняется индивидуальные гидроприводы механизма подъёма груза.

От чего зависит вязкость масла в гидросистеме?

Какая предельно допустимая температура масла в гидросистеме?

От чего зависят оптимальные условия эксплуатации гидросистемы?

Где нужно размещать основную часть трубопроводов гидросистем палубных механизмов и почему?

За счёт чего достигаются высокая точность и быстрота отработки команд силовыми гидродвигателями?

От чего зависит устойчивость против автоколебаний в сдедящих гидроприводах?

Перечислить практические рекомендации, направленные на снижение содержания воздуха в гидроприводе.

Лабораторная работа № 3-2

ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ СУДНОМ

1.Цель работы

– изучить устройство и особенности конструкций, работу рулевых машин, подруливающих устройств, выдвижных рулевых колонок, управляемых рулей;

– уяснить основные требования Регистра к рулевым машинам, характерные отказы в работе и их причины.

2. Теоретические сведения.

2.1. Рулевые устройства.

Рулевое устройство предназначено для сохранения заданного курса или изменения его в нужном направлении. В состав рулевого устройства входят рулевой орган (руль), рулевой привод, силовой привод и система дистанционного управления рулевой машиной с ходового мостика. Основным органом управления судна является руль (обыкновенный, балансирный, полубалансирный и др.).

Элементы рулевого устройства. Перо руля (руль) при перекладке на какой-либо борт воспринимает давление потока воды при определенной скорости судна и изменяет его курс. Судовые рули по расположению оси вращения делятся на небалансирные — ось вращения проходит у передней кромки руля и балансирные — ось вращения проходит на некотором удалении от передней кромки руля. Площадь балансирной части, расположенная в нос от оси вращения, составляет 20—30 % всей площади руля. Давление воды на балансирную часть руля помогает рулевой машине перекладывать руль на борт, что приводит к существенному экономическому выигрышу.

По способу крепления к корпусу судна рули могут быть навесные (рис.10) и полуподвесные (рис.11). Навесные рули отличаются надежностью крепления, а полуподвесные обладают лучшими гидродинамическими качествами.

По форме поперечного сечения различают плоские и обтекаемые рули. На рис. 10 показан плоский двухслойный руль, состоящий из литосварного каркаса, закрытого снаружи листами стали соответствующей толщины. Такие рули обладают высокой прочностью и устанавливаются обычно на ледоколах. Обтекаемый руль (рис. 11) имеет в сечении каплеобразную форму и состоит из вертикальных и горизонтальных диафрагм, закрытых стальной сварной обшивкой.

Обтекаемые рули имеют перед плоскими некоторые преимущества: при перекладке создают большую гидродинамическую силу давления воды, что улучшает поворотливость судна; центр гидродинамического давления располагается ближе к оси вращения, а это уменьшает момент на баллере, снижая мощность рулевой машины; испытывают меньшее сопротивление воды; улучшают работу гребного винта, расположенного перед рулем.

Рисунок. 10. Рулевое устройство с навесным небалансирным рулем.

1—перо руля; 2 — нижний опорный подшипник; 3 — баллер; 4 — верхний опорный под­шипник; 5 — электрогидравлическая рулевая машина; 6—ограничитель поворота баллера; 7 — гельмпортовая труба; 8 — верхний штырь; 9 — нижний штырь; 10 — опорный камень

После изготовления пустотелые рули испытывают на прочность и плотность наливом воды или надувом воздуха. Внутренняя полость плоских двухслойных или обтекаемых рулей может заливаться смолистым веществом или окрашиваться и оставаться полой.

На некоторых судах, имеющих небольшую осадку, вместо пера руля может быть установлена поворотная насадка. Конструкция полого кольца насадки в поперечном сечении аналогична конструкции обтекаемого руля. Изменение курса судна происходит вследствие отбрасывания струи воды винтом через насадку в сторону какого-либо борта.

Баллер, как элемент рулевого органа, служит для передачи вращающего момента на руль и перекладки последнего на необходимый угол. Баллер представляет собой изогнутый или прямой стальной цилиндрический брус, который крепится к рулю с помощью фланцев (рис. 10). Сое динение может быть конусным на шпонках (рис. 11) с затяжкой гайкой. Подшипники создают опору баллеру руля. Они могут быть опорными (при навесном руле) и опорно-упорными (при подвесном или полуподвесном руле). В состав подшипника может входить сальниковое устройство для обеспечения непроницаемости корпуса судна в месте прохода баллера.

Рисунок. 11. Рулевое устройство с полуподвесным балансирным обтекаемым рулем.

1 - пeро руля; 2–протектор; 3 – нижний опорный подшипник баллера; 4 - верхний опорно-упорный подшипник баллера; 5-рулевая машина; 6 - запасный валиковый рулевой привод; 7 — баллер; 8 — нижний штырь.

Румпель имеет вид рычага, который насаживается своей обоймой на верхнюю часть баллера. Румпель соединен с баллером на шпонках, что обеспечивает передачу усилия рулевой машины на баллер.

Аксиометр — прибор, расположенный в рулевой рубке, перед рулевым. Показывает положение пера руля по отношению к диаметральной плоскости судна. Имеет электрическую или механическую связь с датчи­ком, расположенным в румпельном отделении

Рулевые приводы делят на две группы: с гибкой связью (штуртросовые, цепные) и с жесткой связью (зубчатые, винтовые, гидравлические, плунжерные, лопастные и др.).

Схемы различных типов рулевых приводов малотоннажных судов представлены на рисунке 12.

а)	б)
в)	е)
г)
д)
Рис. 12. Рулевые приводы малотоннажных судов

На рис. 12,а схематически изображен штуртросовый привод с рычажным румпелем.

Румпель 5 представляет собой рычаг, один конец которого жестко насажен на голову баллера руля О. Ко второму концу румпеля присоединен штуртрос 4, выполненный из цепи или стального троса. Штуртрос проходит по направляющим блокам 2 и навивается на барабан 1.

При вращении барабана один конец штуртроса навивается и тянет за собой румпель, который поворачивает руль, а второй конец в это время сматывается с барабана. Для смягчения толчков от ударов волн о перо руля в системе штуртроса предусмотрены пружинные амортизаторы 3.

Недостатком описанного рулевого привода является появление неизбежной слабины в штуртросах. Это приводит к неточности перекладки руля, так как при перемене направления вращения штуртросового барабана сначала будет выбираться слабина, т. е. будет мертвый ход.

Провисание штуртроса устранено в штуртросовых приводах с секторным румпелем (рис. 12, б). Замена румпеля сектором позволяет уравнять длины сбегающего и набегающего тросов при перекладке пера руля.

На внешней стороне сектора 3 имеются две канавки, в которых размещены два противоположных конца штуртроса, закрепленные на ступице в точках 1 и 2. Трос к проушинам крепят через амортизирующие пружины, работающие на сжатие. Провисание штуртроса исключается, так как последний не сходит полностью с сектора при его повороте на углы перекладки руля и обеспечивает постоянство плеча, создающего момент на баллере.

Винтовой привод, который может приводиться в действие электродвигателем или ручным штурвалом, показана на рис. 12, в.

Привод состоит из вала 12 с правой и левой резьбами, по которому при вращении движутся в разные стороны ползуны 11 и 4, скользящие вдоль неподвижных направляющих 5 и 10. Тягами 3 и 13 ползуны соединены с концами румпеля 1, насаженного на баллер руля 2. Винтовой вал приводится во вращение червяком 8, сидящим на валу двигателя и находящимся в зацеплении с червячным колесом 7 и парой цилиндрических шестерен 9 и 6. Если при вращении вала ползун 11 пойдет вправо, а ползун 4 — влево, то руль будет перекладываться на правый борт. При обратном движении вала ползуны 11 и 4 будут расходиться и руль будет перекладываться на левый борт.

Рулевой привод такой конструкции часто применяют в качестве запасного ручного привода. Его недостатками являются косвенное влияние конечной длины тяг на точность перемещения ползуна, низкий механический КПД и жесткость соединений.

Секторный зубчатый рулевой привод показан на рис. 12, г, он состоит из зубчатого сектора 2, свободно сидящего на голове баллера 1 руля, и румпеля 3, жестко укрепленного на баллере. Связь между сектором и румпелем осуществляется с помощью буферных пружин 4, которые предохраняют зубчатую передачу от поломки при ударе волн о перо руля. Зубчатый сектор находится в зацеплении с цилиндрической шестерней 5, вал 6 которой вращается рулевой машиной. Секторный зубчатый привод позволяет осуществлять точную перекладку руля.

Схема гидравлической поршневой рулевой машины показана на рис. 10,г. Стандартные компактнее цилиндры 5 качающегося типа двухстороннего действия одним концом соединены через подшипник 6 с фундаментальной рамой 7, а другим  через шток поршня 4, подшипник 3 с румпелем 2. Румпель жестко насажен на голову баллера. Механический упор 1 ограничивает разворот румпеля.

Рабочая жидкость из бака 10 через фильтр 9 насосами переменной подачи 11 подаётся через блок клапанов 8 в накрестлежащие полости рабочих цилиндров , а из противоположных вытесняется на слив в бак 10. В случае необходимости число цилиндров может быть удвоено и их можно располагать в два яруса.

В других модификациях рулевых машин поршневого типа используются неподвижные цилиндры и в этом случае гибкие шланги, соединяющие блок клапанов 8 с цилиндрами не требуются, но возникает необходимость в применении более сложного подвижного соединения штока поршня с румпелем. К достоинствам этих машин следует относить их компактность, а к недостаткам – недостаточную надежность из-за наличия большого количества нагруженных соединений.

Рулевая машина с винтогидравлическим приводом показана на рис.10, е. Основная часть винтогидравлической рулевой машины состоит из цилиндра I, кольцевого поршня 2 с внутренней крутой винтовой нарезкой в верхней части и вертикальными внутренними шлицами в нижней части, крышки-муфты 3 с наружной винтовой нарезкой и стакана 4 с направляющими вертикальными вырезами для шлицевого соединения. Кольцевой поршень 2 перемещается вверх или вниз по вертикальным направляющим под действием разности давления масла в верхней и нижней полостях цилиндра. При этом внутренняя винтовая нарезка поршня заставляет его совершать дополнительное вращательное движение, т.к. наружная нарезка крышки-муфты 3, прикрепленной болтами к цилиндру машины, остается неподвижной. В результате вращательное движение поршня 2 передается баллеру руля 5, для чего служит стакан 4, закрепленный на баллере с помощью шпонок 6. Поршень имеет уплотнения 9 из маслостойкой резины и особые уплотнения цилиндра 7. Давление масла, вследствие небольших размеров цилиндра и всех рабочих поверхностей, поддерживается порядка 12 - 30 МПа.

Изменение подачи масла (в верхнюю или нижнюю полости) вызовет изменение направления вращения баллера руля 5.

На квадрат 8 баллера может быть надет румпель аварийного привода.

Эта рулевая машина является наиболее компактной и относительно легкой. По занимаемой площади она, примерно, в 10 раз меньше лопастных рулевых машин. Однако, в виду их значительной сложности, эти рулевые машины еще не нашли широкого применения на судах. Кроме того, коэффициент полезного действия этих машин значительно ниже гидравлических рулевых машин (механический к.п.д. привода порядка 70%).

На судах среднего и большого тоннажа используются электро-гидравлические плунжерные и лопастные приводы. На рис. 13 представлена принципиальная схема современной электрогидравлической плунжерной рулевой машины (РЭГ).

Рисунок.13. Схема электрогидравлической рулевой машины

Эта машина состоит из следующих основных частей: двух гидравлических цилиндров 1 и 2, плунжеров 3, шарнира 4, румпеля 6, двух масляных насосов 11 и 30 и гидравлического телемотора, состоящего из элементов 25  29.

При вращении штурвала 27 против часовой стрелки, плунжер в цилиндре датчика 26 перемещается и жидкость по трубе 28 нагнетается в цилиндр 25 приемника телемотора, в результате чего плунжер (скалка) 16 переместится влево. Вместе с ней переместится влево тяга 19, которая повернет рычаг 20 вокруг оси 18 против часовой стрелки. В результате этого тяга 13 передвинется вправо и повернет рычаги 33 и 35 по часовой стрелке. Рычаг 33 шарниром 10 связан с тягой 36 регулировочного кольца масляного насоса 11, а в точке 34 − с концом тяги 8, закрепленной в шарнире 7 на румпеле 6, надетом на баллер 5 руля. Рычаг 33, поворачиваясь относительно точки 34 по часовой стрелке, сместит регулировочное кольцо насоса вправо и начнется нагнетание масла в гидравлический цилиндр 2 из цилиндра 1. Плунжер 3 под давлением масла переместится вправо и через шарнир 4 повернет на заданный угол румпель, следовательно и баллер и перо руля по часовой стрелке.

Обратная связь осуществляется при помощи рычажных тяг 33 и 8. При начальном вращении штурвала 27 румпель 6 остается неподвижным и рычаг 33, поворачиваясь по часовой стрелке, сместит регулировочное кольцо насоса вправо. Но как только руль начнет перекладываться, шарнир 7, а следовательно, и тяга 8 начнет перемещаться влево, причем при вращении штурвала тяга 13 будет перемещаться вправо с такой же скоростью, с какой тяга 8 движется влево. В результате рычаг 33 повернется по часовой стрелке вокруг шарнира 10, а регулировочное кольцо останется в отклоненном положении, следовательно, насос будет нагнетать масло в гидравлический цилиндр 2 и перо руля будет перекладываться. По прекращении вращения штурвала шарнир 12 останется неподвижным, рычаг 33 под действием тяги 8 повернется по часовой стрелки и вернёт регулировочное кольцо насоса в среднее положение и подача масла в гидравлический цилиндр прекратится. При вращении штурвала 27 в обратную сторону, насос начнет подавать масло из цилиндра 2 в гидравлический цилиндр 1 и перо руля начнет перекладываться на другой борт.

Для предотвращения повышения давления масла в гидравлических цилиндрах при плавании в штормовую погоду или во льдах рулевая машина снабжена предохранительными клапанами 24 и 17. При возникновении сильного удара волны или льдины по перу руля, произойдет резкое повышение давления в одном из гидравлических цилиндров и в маслопроводе, соответствующий предохранительный клапан откроется и перепустит масло по трубопроводу в другой цилиндр. Пружины 15 делают систему рычагов эластичной. В случае выхода из строя телемотора, управление рулевой машиной осуществляется из румпельного отделения с помощью маховика 23, конических шестерен 21 и червячной пары 22.

Еще более простой конструкцией рулевого привода является лопастной, особенность которого − отсутствие румпеля. Привод имеет в качестве исполнительного механизма лопастной гидромотор, жестко насаженный на конус баллера руля. Основной недостаток лопастных приводов - это необходимость надежного уплотнения скользящих кромок лопастей в гидромоторе при высоких давлениях рабочего масла. Согласно правилам Регистра рулевые приводы должны обеспечивать перекладку руля с 30° одного борта на 35° другого борта при максимальной скорости переднего хода за время, не превышающее 28 сек.

Схема гидравлической рулевой машины с лопастным приводом представлена на рис.14.

Гидравлическая рулевая машина работает при давлении рабочей жидкости 3,5-5,0 МПа. Она состоит из двухлопастного рабочего цилиндра 19, пластинчатого насоса 15, золотниково-распределительного устройства 10, сдвоенного перепускного клапана 21 привода, предохранительного клапана 13 насоса, пружинного гидроаккумулятора 16, бака 14 для рабочей жидкости и системы рычагов управления.

При среднем положении золотника 11 работа насоса 5 вызовет лишь циркуляцию рабочей жидкости по кольцу в направлении, указанном штри­ховыми стрелками. При вращении штурвала, например, в правую сторону каретка телемотора 1 и шток золотника 11 перемещаются вправо (сплошные стрелки). Кулачковый механизм 4 перемещает разгружающий золотник 7 также вправо, закрывается канал а, и жидкость выходит через окно, открытое золотником, в трубопровод по направлению, указанному сплошными стрелками, к рабочему цилиндру 19. На внутренней поверхности рабочего цилиндра закреплены неподвижные лопасти, на вертикальном валу подвижные. Вал соединен с баллером.

При нагнетании жидкости в две диаметрально противоположные полости цилиндра вал и баллер 18 руля 20 поворачиваются в данном случае против часовой стрелки. Поворот баллера вызовет перемещение рычага 3 сервомотора (обратная связь), при этом рычаг 2 поворачивается и смещает золотник до тех пор, пока закроются окна 12 золотниковой коробки, а кулачковое устройство 4 станет в первоначальное положение. Давление рабочей жидкости на кольцевую поверхность

К' разгрузочного золотника 7 совпадает с направлением действия пружин, золотник сместится и откроет канал а, возобновится циркуляция жидкости по кольцу, указанному штриховыми стрелками. Руль останется в переложенном на борт положении, и показания аксиометра будут соответствовать ранее заданному углу перекладки.

Рисунок.14. Схема гидравлической рулевой машины с лопастным приводом

Фиксатор 9 с пружиной 8 предназначен для уменьшения ошибки между показаниями аксиометра и действительным положением пера руля.

Устройство фиксатора обеспечивает также разгрузку нагнетательной сети трубопровода при недопустимом повышении давления, выполняя в этом случае функции предохранительного клапана, хотя схемой и предус­матривается специальный предохранительный клапан 13. Рулевая машина может работать и без фиксатора 9.

Между рычагом управления 3 и баллером 18 в системе сервомоторов предусмотрена пружина 17, являющаяся демпфером при резких поворотах руля от ударов волны. В этом случае схемой предусматривается возможность перепуска рабочей жидкости из нагнетательных полостей рабочего цилиндра во всасывающие через клапан 21.

Поворот штурвала может быть уменьшен благодаря удлинению толкателя 6 разгрузочного золотника при регулировании системы путем вывин­чивания его из развилки 5. При этом первоначальное сечение перепускного окна а уменьшится и потребуется меньший ход разгрузочного золотника до начала перекладки руля.

Сервомотор обеспечивает работу машин и в том случае, когда в процессе перекладки руля удар волны (иди другое внешнее воздействие) заставит сработать механизм возврата золотника.

Наибольший вращающий момент на баллере при работе машины РЭГ ОВИМУ - 7 составляет 100 , наибольшее давление, развиваемое насосом, 6,5 МПа, масса сухой машины с одним комплектом оборудования составляет 1600 кг

Для уменьшения габаритов и получения больших вращающих моментов, в настоящее время начинают применять электрогидравлические рулевые машины с давлением в гидравлической системе до 60 МПа.

Винто-рулевые колонки (ВРК) объединяют в себе гребную установку и рулевое устройство. Вращательное движение гребному валу передаётся через приводной вертикальный вал, смонтированных внутри корпуса ВРК. Корпус ВРК своей нижней частью, выполненной в виде фланца, опирается на опорный подшипник посадочного гнезда фундамента. По окружности посадочного гнезда либо фланца корпуса ВРК может быть зубчатая рейка, которая находиться в зацеплении с шестернёй, приводимой во вращение механизмом привода поворота ВРК относительно вертикальной оси.

На рис. 15 показано устройство винто-рулевых колонок с винтом фиксированного шага а и винтом регулируемого шага б.

	а)		б)
Рисунок. 15. Винто-рулевые колонки. 1 — гидромотор, 2 — шестерня гидромотора, 3 — корпус зубчатого колеса, 4 — подшипник, 5 — внешний корпус ВРК, б — подшипник, 7 — фланец корпуса, 8 — уплотнение, 9 — приводной вал, 10— подшипник, 11 — шестерня, 12— рычаг обратной связи, 13 — гидравлическая распределительная коробка, 14 — корпус редуктора, 15 — подшипник, 16 — главная шестерня, 17 — подшипник, 18 — гребной вал, 19 — механизм изменения шага, 20 — корпус, 21 — поворотная лопасть, 22 — подшипник, 23 — поворотная насадка, 24 — поворотная труба (баллер), 25 — золотниковое устройство, 26 — зубчатое колесо, 27 — соединительный вал.

В настоящее время производятся различные типы ВРК в зависимости от назначения и требований к управляемости  выдвижные, откидные, с поворотом на 180 и на 360 .

Основным достоинством ВРК является повышение маневренности судна, особенно в сложных навигационных условиях. Судно может разворачиваться на месте или двигаться лагом при двух ВРК, двигаться и управляться при заднем ходе.