Міністерство освіти і науки України

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ОДЕСЬКА МОРСЬКА АКАДЕМІЯ»

В.М. Харін, М.О. Колегаєв, О.М.Стукаленко

Експлуатація гідравлічних рульових приводів і машин

НАВЧАЛЬНИЙ ПОСІБНИК

Одеса - 2018

УДК 629.5.061.16

Х 20

Рекомендовано Вченою радою Національного університету «Одеська морська академія» як навчальний посібник з дисципліни «Судновий гідропривід» спеціальності 271 «Річковий та морський транспорт» спеціалізації «Експлуатація суднових енергетичних установок» від 31.05.2018 р., протокол № 10

Рецензенты: Горб С.І. – ректор інституту післядипломної освіти фахівців морського і річкового транспорту, д.т.н., проф.;

Варбанець Р.А. – завідувач кафедри «Суднові енергетичні установки та технічна експлуатація» Одеського національного морського університету, д.т.н., проф.

Х 20

Харін В.М. Експлуатація гідравлічних рульових приводів і машин: навчальний посібник / В.М. Харін, М.О. Колегаєв, О.М.Стукаленко. – Одеса: НУ «ОМА», 2018. – 154 с. Навчальний посібник містить опис конструктивних особливостей та принципів дії основних вузлів гідравлічних рульових машин (ГРМ). Приведені заходи з підготовки до дії ГРМ та їх технічному обслуговуванню. Приведений новий науковий матеріал (деформації циліндра і кришок лопатевих приводів, взаємодії насосів), який пояснює експлуатаційні несправності та відмови ГРМ. Особливістю посібника є наявність витягів із фірмових інструкцій з експлуатації ГРМ з паралельним перекладом на українську мову. Посібник призначений для курсантів і студентів, які навчаються за спеціальністю «Річковий та морський транспорт» спеціалізації «Експлуатація суднових енергетичних установок».

УДК 629.5.061.16

© В.М.Харин, М.А.Колегаев, О.М.Стукаленко, 2018

ЗМІСТ

ВСТУП 5

1. СУДНОВІ ГІДРАВЛІЧНІ РУЛЬОВІ ПРИВОДИ 10

1.1. Гідравлічні плунжерні рульові приводи 10

1.2. Гідравлічні лопатеві рульові приводи 12

1.2.1. Лопатевий привід фірми AEG Schiffbau 12

1.2.2. Лопатеві рульові приводи фірми FRYDENBO (Норвегія) 15

1.2.3. Деформації елементів лопатевих приводів при підвищених навантаженнях 18

1.3. Гідравлічні поршневі рульові приводи 23

2. НАСОСИ (ТИПОВІ СХЕМИ І КОНСТРУКЦІЇ) 26

2.1 Кінематичні схеми насосів 26

2.2. Типові конструкції насосів 28

3. ГІДРАВЛІЧНІ СИСТЕМИ ТИПОВИХ РУЛЬОВИХ МАШИН 40

3.1. Гідравлічні системи плунжерної ГРМ 40

3.2. Гідравлічна система лопатевої ГРМ "AEG Schiffbau" 42

3.3. Гідравлічна система двоконтурної плунжерної ГРМ (Росія) 46

3.4. Гідравлічна система двоконтурної плунжерної ГРМ (Stork, Нідерланди) 49

3.5. Гідравлічна система поршневої ГРМ 52

4. ROTARY VANE STEERING GEAR 54

4. ЛОПАТЕВА ГІДРАВЛІЧНА РУЛЬОВА МАШИНА 54

4.1. General information 54

4.1. Загальна інформація 54

4.2. Technical data 56

57

4.2. Технічні характеристики рульових машин 57

   4.3. The actuators – лопатеві приводи 60

2. FUNCTIONING OF THE ROTARY VANE STEERING GEAR 66

66

5. ФУНКЦІОНУВАННЯ ЛОПАТЕВОЇ РУЛЬОВОЇ МАШИНИ 66

2.1. Functioning of the pump control unit 66

66

5.1. Режими роботи гвинтового насоса 66

5.1.1. Байпасний режим роботи насоса 66

5.1.2. Beginning of steering (modulated flow) 68

68

5.1.2. Початок процесу перекладки руля 68

5.1.3. Functioning of the pump / control unit 69

69

5.1.3. Управління насосом при нормальній перекладці руля 69

5.1.4. Setting of the relief valve 70

70

5.1.4. Регулювання запобіжного клапана 70

5.2. Гідравлічна система лопатевої рульової машини 73

5.2.1. Склад гідравлічної системи 73

5.2.2. Functioning of the actuator 76

5.2.2. Функціонування лопатевого приводу 76

77

5.2.3. The pump unit 77

77

5.2.3. Масляний бак з насосами 77

6. PREPARATION FOR FUNCTIONING ROTARY VANE STEERING GEAR 79

6. ПІДГОТОВКА ДО РОБОТИ ЛОПАТЕВОЇ РУЛЬОВОЇ МАШИНИ 79

6.1. Installation 79

6.1. Установка лопатевого приводу на баллер 79

6.2. Oil cooler, filter 83

6.2. Охолоджувач масла, фільтр 83

6.3. Filling of oil and venting procedure 84

6.3. Заповнення маслом і видалення повітря 84

85

3.4. Procedure for start-up 85

85

6.4. Процедура пуску 85

3.5. Sea trial 86

86

6.5. Ходові випробування 86

7. MAINTENANCE OF HYDRAULIC STEERING GEARS 89

7.1. Important information 89

7. ТЕХНІЧНЕ ОБСЛУГОВУВАННЯ ГІДРАВЛІЧНИХ 89

7.1. Важлива інформація 89

7.2. Routine maintenance 92

7.2. Поточне обслуговування 92

7.3. Periodic maintenance 95

7.3. Періодичне обслуговування 95

8. ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ТЕХНІЧНОГО ВИКОРИСТАННЯ ТА ОБСЛУГОВУВАННЯ ГІДРАВЛІЧНИХ РУЛЬОВИХ МАШИН (ГРМ) 101

8.1. Пошук і усунення несправностей ГРМ 101

8.2. Технічне використання і обслуговування ГРМ 102

8.3. Вимоги ІМО (Регістру) до рульових машин 104

9. АВАРІЇ СУДЕН І АВАРІЙНІ СИТУАЦІЇ, ЩО ПОВ'ЯЗАНІ З ВІДМОВОЮ РУЛЬОВИХ МАШИН 108

9.1. Аварії суден і аварійні ситуації 108

9.2. Дослідження аварій і аварійних ситуацій 112

10. ПРО ДОЦІЛЬНІСТЬ ВИКОРИСТАННЯ РУЛЬОВИХ МАШИН ПРИ СПІЛЬНІЙ РОБОТІ НАСОСІВ 119

10.1. Вплив режимів роботи рульових машин на маневрені характеристики суден 119

10.2. Характерні відмови рульових машин при спільній роботі насосів 129

10.2.1. Відмова ГРМ при наявності насосів регульованої подачі 129

10.2.2. Відмова ГРМ при наявності насосів постійної подачі 132

10.3. Висновок 138

11. ПИТАННЯ ДЛЯ САМОПЕРЕВІРКИ 141

12. ТЕСТИ І ВАРІАНТИ ВІДПОВІДЕЙ З ДИСЦИПЛІНИ «СУДНОВИЙ ГІДРОПРИВІД» 143

154

ЛІТЕРАТУРА 155

Навчальне видання 158

НАВЧАЛЬНИЙ ПОСІБНИК 158

ВСТУП

На суднах світового флоту широко застосовуються гідравлічні рульові машини (ГРМ). Вони складаються з гідравлічних рульових приводів, насосів та гідравлічних систем. У навчальному посібнику послідовно розглядаються всі ці складові.

Завдяки своїм істотним перевагам (компактності, невеликій масі і габаритами, зручності автоматизації, надійності і ефективності експлуатації, більш високій точності управління рулем і відповідно утриманню судна на курсі, здатності витримувати значні перевантаження без погіршення експлуатаційних характеристик) ці машини успішно замінили застарілі типи рульових машин.

Область застосування ГРМ необмежена. Вони використовуються на всіх типах суден: суховантажах і танкерах, поромах і комфортабельних пасажирських лайнерах, супертанкерах і прогулянкових катерах і т.д.

Потужність ГРМ також не має обмежень. Наприклад, на супертанкерах встановлюються ГРМ потужністю до 800 кВт (крутний момент більше 20000 кНм). Основні характеристики ГРМ нормуються правилами ІМО і, відповідно, всіма класифікаційними товариствами. Такі, як час перекладки руля з 35° одного борту до 30° іншого, кількість насосів (не менше двох), наявність запобіжних пристроїв (автоматично діючих клапанів), дублювання ліній управління, можливість аварійного управління рулем і деякі інші.

Все машинобудівні фірми промислово розвинених держав випускають рульові машини.

Інтенсивне використання ГРМ і безперервне їх вдосконалення створили ряд серйозних проблем для експлуатаційників (механіків і судноводіїв): різноманітність конструкцій; труднощі відновлення більшості деталей в суднових умовах через високу точність їх виготовлення; дефіцит запасних частин; недостатність технічної документації, що вимагається, та надрукованої спеціальної літератури, необхідної для якісної підготовки суднових фахівців, підвищення їх кваліфікації і культури технічного використання і обслуговування ГРМ цими фахівцями.

Відсутність узагальнених технічних матеріалів з побудови, принципу роботи різних типів ГРМ, їх характерних відмов не дозволяють судноводіям та механікам вживати своєчасних правильних рішень з управління судном і механізмами в ситуаціях, коли часу на обдумування і пошук виходу з аварійних ситуації недостатньо.

Відомі аварії суден, причинами яких були безпосередньо відмови ГРМ. Наслідками таких аварій були великі економічні збитки, забруднення навколишнього середовища і навіть загибель людей.

Досвід експлуатації ГРМ виявив поряд із зазначеними вище ряд нових проблем. Першою проблемою є нормування часу перекладки руля. Традиційною нормою є час перекладки руля з 35° одного борту до 30° іншого – не більше 28 секунд. Ця норма існує протягом багатьох років, але до цього часу не має наукового обґрунтування. Тому вчені Росії, Японії та інших країн зробили спроби з'ясувати наскільки істотно впливає зміна норми (28 секунд) на маневрені характеристики суден різної водотоннажності.

Результати досліджень виявилися різними. Японські вчені запропонували збільшити норму для великих суден до 50 секунд при одночасному збільшенні площі руля для збереження потужності ГРМ. Російські вчені, навпаки, запропонували зменшити норму для всіх типів суден, незважаючи на значне збільшення потужності і вартості ГРМ.

Пропозиції японських вчених ІМВ не прийняло, а рекомендації російських учених виявилися нереальними.

Друга найбільш складна проблема полягає в наступному. Згідно з вимогами ІМО всі ГРМ комплектуються двома насосами, як правило, однакової подачі. Потужні рульові машини мають три і навіть чотири насоси.

Тривала ​​багаторічна практика використання рульових машин така: при плаванні у відкритому морі працює один насос, а в складних навігаційних умовах (протоках, каналах, шлюзах, акваторіях портів, при льодовій обстановці і т.д.) і при швартовних операціях (в портах і відкритому морі) включають в паралельну роботу обидва насоси, що забезпечує підвищення швидкості перекладки руля приблизно в 2 рази. У цьому випадку зменшується постійна часу затримки повороту і за рахунок цього судно швидше реагує на дії.

Зауважимо, що всі без винятку фірми-виробники рульових машин дозволяють використовувати режим спільної роботи насосів. Однак при цьому режимі більшість рульових машин працюють недостатньо надійно, відбуваються їх численні відмови в тому числі «загадкового» характеру. Створилася, таким чином, суперечлива ситуація, коли капітани, як правило, «за» використання режиму спільної роботи насосів, а старші механіки – «проти». Ця ситуація стала міжнародною, тому ІМО була змушена розглянути її, але прийняла цікаве рішення в поправках до МК «СОЛАС-74», 1981 року (правило 19-1) [14].

Воно сформульовано так: «У районах, де судноводіння вимагає особливої обережності, на суднах має працювати більше одного силового агрегату рульового приводу, якщо такі агрегати можуть працювати одночасно».

Така рекомендація нічого не дала експлуатаційникам, точніше, вона загострила ситуацію на суднах, оскільки судноводії прагнуть використовувати першу частину правила (19-1), а механіки – другу частину.

Такий стан не є випадковим, тому що для вирішення суперечливої проблеми були потрібні результати ґрунтовних досліджень за двома напрямками:

1. Який вплив мають режими роботи рульових машин на маневрені характеристики суден і наскільки суттєво вони покращуються при роботі двох насосів в порівнянні з одним?

2. В чому полягають причини відмов рульових машин при спільній роботі насосів і які можуть бути запропоновані рекомендації для їх запобігання?

Такі дослідження раніше не проводилися, тому рішення ІМО виявилося неспроможним.

Вищезазначені проблеми традиційно протягом багатьох років досліджуються на кафедрі «Суднові допоміжні установки» Національного університету «Одеська морська академія».

За результатами досліджень в 1965 році була опублікована робота доктора технічних наук, професора В.В.Завиша [6], яка отримала хороші відгуки експлуатаційників і фахівців берегових організацій. Ця робота зіграла свого часу істотну роль в підвищенні кваліфікації плавскладу і, відповідно, рівня технічної експлуатації ГРМ.

У 1975 році була опублікована робота [24], в якій поряд з іншими розглядався ряд нових питань (автоколивання ГРМ, сповзання руля, взаємодія головних насосів, способи регулювання ГРМ), що виникли з досвіду експлуатації і вимагали з'ясування. Ця робота була також корисною і отримала позитивну оцінку.

У 1982 році була опублікована монографія [30] і ряд інших робіт [25-29]. У них були викладені результати досліджень згаданих вище проблем, важливих для механіків і судноводіїв. Ці роботи поширювалися на суднах і отримали позитивну оцінку. Були пропозиції і побажання для подальших досліджень.

У 1984, 1992 і 2007 роках. працівниками кафедри були опубліковані підручники [7,19,20]. Їх аналогів не існувало, так як автори займають провідне положення в галузі досліджень рульових машин.

У 2005 році було опубліковано навчальний посібник [31], який призначався для механічних спеціальностей, але окремі розділи стосовно практичного використання рульових машин корисні й судноводіям.

У 2007 році опубліковано навчальний посібник [32] призначений для судноводіїв.

Пропонований навчальний посібник «Експлуатація гідравлічних рульових приводів і машин» призначений для вирішення наступних завдань:

1. Надати курсантам (студентам) морських навчальних закладів III і IV рівнів, істотну інформацію про сучасні гідравлічні рульові машини: типи, конструктивні особливості, характеристики, вимоги ІМО, технічне використання та інші питання.

Така інформація буде корисна також курсантам (студентам) старших курсів морських навчальних закладів ІІ рівня.

2. Поряд з цими традиційними питаннями викласти рішення нових проблем: доцільність використання рульових машин при спільній роботі насосів, надійність їх спільної роботи, вплив режимів роботи рульових машин на маневрені характеристики суден, типові відмови рульових машин.

3. Узагальнити досвід використання рульових машин на основі аналізу аварійних ситуацій і аварій суден, пов'язаних з відмовами рульових машин.

Інформація щодо п.п. 2 і 3 буде корисною не тільки курсантам (студентам), але також судномеханікам з досвідом роботи для підвищення своєї кваліфікації.

Навчальний посібник складається з 10 глав.

У розділі 1 наводяться відомості про рульові приводи різних фірм. Аналізуються їх конструктивні особливості, основні параметри та експлуатаційні можливості.

У розділі 2 розглядаються схеми і конструкції насосів.

У розділі 3 наведені гідравлічні системи різних типів рульових машин. Розглядаються в тому числі нові двоконтурні гідросистеми, в яких автоматично визначається несправний контур, вимикається і вмикається інший контур. Таким чином відновлюється справність дії ГРМ за час не більше 45 секунд.

Глави 4 – 8 присвячені опису конструкцій і прийомів технічного обслуговування нових лопатевих рульових приводів і машин фірми ROLLS-ROYSE. Ці ГРМ широко використовуються на суднах в останні роки. Досвід їх експлуатації потребує узагальнення, але технічної літератури недостатньо.

 Тому ці розділи написані англійською мовою з адекватним перекладом на українську мову. Вважаємо, що такий опис допоможе судновим механікам краще розуміти конструктивні особливості і прийоми технічної експлуатації цих ГРМ.

У розділі 9 розглянуті аварії суден, пов'язані з відмовами рульових машин, а також проводиться аналіз характерних аварій.