Рулевое устройство, составные части и их назначение. Основные типы рулевых приборов

Рулевое устройство совокупность механизмов, агрегатов и узлов, обеспечивающих управление судном.

Основными конструктивными элементами любого рулевого устройства являются:

рабочий орган - перо руля (руль) или поворотная направляющая насадка;

баллер, соединяющий рабочий орган с рулевым приводом;

рулевой привод, передающий усилие от рулевой машины к рабочему органу;

рулевая машина, создающая усилие для поворота рабочего органа;

привод управления, связывающий рулевую машину с постом управления.

На современных судах устанавливают пустотелые обтекаемые рули, состоящие из горизонтальных ребер и вертикальных диафрагм, покрытых стальной обшивкой (рис. 1, а). Обшивку крепят к раме электрозаклепками. Внутреннее пространство руля заполняют смолистыми веществами или самовспенивающимся пенополиуретаном ППУ3С.

В зависимости от расположения оси вращения различают балансирные (рис. 1, д, в), небалансирные (рис. 1, б) и полубалансирные рули . Ось вращения балансирного руля проходит через перо руля, а небалансирного - совпадает с передней кромкой пера. У полубалансирного руля в нос от оси вращения выступает только нижняя часть пера. Момент сопротивления повороту балгнсирного или полубалансирного руля меньше, чем небалансирного, и соответственно меньше требуемая мощность рулевой машины.

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.

Рис. 1. Рабочие органы рулевых устройств: а - руль одноопорный балансирный; б - руль двухопорный небалансирный; в - руль баланснрный со съемным рудерпостом; г - активный руль; д - поворотная направляющая насадка со стабилизатором; 1 - баллер; 2 - фланец; 3 - обшивка пера руля; 4 - наделка-обтекатель; 5 - вертикальная диафрагма; 6 - горизонтальное ребро; 7 - пятка ахтерштевня; 8 - гайка; 9 - шайба; 10 - рулевой штырь; 11 - бронзовая облицовка штыря; 12 - бронзовая втулка (подшипник); 13 - упорный стакан; 14 - канал для демонтажа упорного стакана; 15 - гельмпортовая труба; 16 - петля рудерпоста; 17 - рудерпост; 18 - бакаут; 19 - фланец рудерпоста; 20 - съемный рудерпост; 21 - вертикальная труба; 22 - гребной винт руля; 23 - редуктор с обтекателем; 24 - стабилизатор; 25 - поворотная направляющая насадка; 26 - гребной вал; 27 - гребной винт

В пере активного руля (рис. 1, г) помещен вспомогательный гребной винт . При перекладке руля направление упора вспомогательного винта изменяется и возникает дополнительный момент, поворачивающий судно. Направление вращения вспомогательного винта противоположно направлению вращения основного. Электродвигатель размещается в пере руля или в румпельном отделении. В последнем случае электродвигатель непосредственно соединен с вертикальным валом, передающим вращение редуктору движителя. Винт активного руля может обеспечить судну скорость до 5 уз.

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.

Рис. 2. Приводы руля: а - секторно-эубчатый; б - штуртросовый; в - гидравлический плунжерный; г - гидравлический лопастный; д - гидравлический винтовой; е - румпель-таль; 1 - штурвал и рулевая колонка вспомогательного привода; 2 - румпель; 3 - червячный редуктор; 4 - зубчатый сектор главного привода; 5 - электродвигатель; 6 - пружинный амортизатор; 7 - баллер; 8 - балансирный руль; 9 - зубчатый сектор вспомогательного привода; 10 - червяк; 11 - штуртрос; 12 - направляющие роульсы; 13 - буферные пружины; 14 - сектор; 15 - поршень-плунжер; 16 - гидроцилиндр; 17 - насос; 18 - предохранительный клапан; 19 - корпус; 20 - секторовидная камера; 21 - крылатка с лопастями; 22 - стакан с продольными канавками; 23 - кольцевой поршень; 24 - стакан с винтовыми канавками; 25 - крышка; 26 - квадратная головка; 27 - рабочая полость цилиндра; 28 - шпоночная канавка; 29 - ходовой конец лопаря; 30 - подвижный блок; 31 - неподвижный блок

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.

Насос гидравлического плунжерного привода (рис. 2, в) при работе электродвигателя перекачивает рабочую жидкость из одного гидроцилиндра в другой, что приводит к перемещению шарнирно соединенного с жестко насаженным на баллер румпелем плунжера и повороту баллера. При ударе волны о перо руля давление в одном из гидроцилиндров возрастает и предохранительный клапан перепускает часть рабочей жидкости в другой цилиндр, амортизируя удар. Специальное устройство обеспечивает автоматический возврат пера руля в первоначальное положение после спада давления в гидроцилиндре. На многих судах установлены сдвоенные плунжерные гидравлические рулевые приводы. Параллельно работающие две пары гидроцилиндров и два насоса обеспечивают возможность перекладки руля любой парой гидронасосов. В этом случае на судне может отсутствовать вспомогательный привод руля.

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.

Таль - это два блока, между которыми натянут трос (лопарь, рис. 2, е). Конец лопаря, за который производят тягу, называют ходовым , а закрепленный конец - коренным . Блок состоит из корпуса, внутри которого находятся один или несколько шкивов, вращающихся на оси (нагеле). Тали могут быть различной конструкции. Наиболее простым видом тали является гордень неподвижный одношкивный блок, позволяющий изменить направление тяги (направляющий блок). Гордень не дает выигрыша в усилии.

Другой вид - хваттали это двух и одношкивные блоки, причем коренной конец лопаря закреплен на одношкивном блоке.

Тали, состоящие из блоков с одинаковым числом шкивов, называют ганцами , а из блоков с числом шкивов более трех в каждом блоке - гинями . При работе тали во всех ветвях лопаря возникает усилие, равное усилию, приложенному к ходовому концу, поэтому общее усилие, передаваемое талью, равно сумме усилий в ветвях подвижного блока, включая усилие и в ходовом конце, если он сходит с этого блока. Один блок тали скобой крепят к предусмотренному в шпангоуте отверстию, другой - к сектору или румпелю. Ходовые лопари через систему направляющих блоков выводят к ближайшей лебедке. Принцип работы аналогичен работе штуртросового привода .

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.

Управление главным и вспомогательным рулевыми приводами (работающими от источника энергии) - независимо и производится с ходового мостика, а также из румпельного отделения. Время перехода с главного на вспомогательный привод не должно превышать 2 мин. При наличии постов управления главным рулевым приводом в рулевой и промысловой рубках выход из строя системы управления с одного поста не должен препятствовать управлению с другого поста. Время перекладки полностью погруженного руля или поворотной насадки главным приводом (при наибольшей скорости переднего хода) с 35° одного борта на 30° другого не должно превышать 28 с, вспомогательным (при скорости, равной половине наибольшей скорости переднего хода или 7 уз, в зависимости от того, какое значение больше) с 15° одного борта на 15° другого - 60 с, аварийным (при скорости не менее 4 уз) не ограничивается.

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.

Рулевое устройство служит для изменения направления движения судна или удерживать его на заданном курсе. В последнем случае задачей рулевого устройства является противодействие внешним силам, таким как ветер или течение, которые могут привести к отклонению судна от заданного курса.

Рулевые устройства известны с момента возникновения первых плавучих средств. В древности рулевые устройства представляли собой большие распашные весла, укрепленные на корме, на одном борту или на обоих бортах судна. Во времена средневековья их стали заменять шарнирным рулем, который помещался на ахтерштевне в диаметральной плоскости судна. В таком виде он и сохранился до наших дней. Рулевое устройство состоит из руля, баллера, рулевого привода, рулевой передачи, рулевой машины и поста управления (рис. 6.1).

Рулевое устройство должно иметь два привода: главный и вспомогательный.
Главный рулевой привод - это механизмы, исполнительные приводы перекладки руля, силовые агрегаты рулевого привода, а также вспомогательное оборудование и средства приложения крутящего момента к баллеру (например, румпель или сектор), необходимые для перекладки руля с целью управления судном в нормальных условиях эксплуатации.
Вспомогательный рулевой привод – это оборудование необходимое для управления судном в случае выхода из строя главного рулевого привода, за исключением румпеля, сектора или других элементов, предназначенных для той же цели.
Главный рулевой привод должен обеспечивать перекладку руля с 350 одного борта на 350 другого борта при максимальной эксплуатационной осадке и скорости переднего хода судна не более чем за 28 секунд.
Вспомогательный рулевой привод должен обеспечивать перекладку руля с 150 одного борта на 150 другого борта не более чем за 60 секунд при максимальной эксплуатационной осадке судна и скорости, равной половине его максимальной эксплуатационной скорости переднего хода.
Управление вспомогательным рулевым приводом должно быть предусмотрено из румпельного отделения. Переход с главного на вспомогательный привод должен выполняться за время, не превышающее 2 минуты.
Руль – основная часть рулевого устройства. Он располагается в кормовой части и действует только на ходу судна. Основной элемент руля – перо, которое по форме может быть плоским (пластинчатым) или обтекаемым (профилированным).
По положению пера руля относительно оси вращения баллера различают (рис. 6.2):
- обыкновенный руль – плоскость пера руля расположена за осью вращения;
- полубалансирный руль – только большая часть пера руля находится позади оси вращения, за счет чего возникает уменьшенный момент вращения при перекладке руля;
- балансирный руль – перо руля так расположено по обеим сторонам оси вращения, что при перекладке руля не возникают какие-либо значительные моменты.

В зависимости от принципа действия различают пассивные и активные рули. Пассивными называются рулевые устройства, позволяющие производить поворот судна только во время хода, точнее сказать, во время движения воды относительно корпуса судна.
Винторулевой комплекс судов не обеспечивает их необходимую маневренность при движении на малых скоростях. Поэтому на многих судах для улучшения маневренных характеристик используются средства активного управления, которые позволяют создавать силу тяги в направлениях, отличных от направления диаметральной плоскости судна. К ним относятся: активные рули, подруливающие
устройства, поворотные винтовые колонки и раздельные поворотные насадки.

Активный руль – это руль с установленным на нем вспомогательным винтом, расположенным на задней кромке пера руля (рис. 6.3). В перо руля встроен электродвигатель, приводящий во вращение гребной винт, который для защиты от повреждений помещен в насадку. За счет поворота пера руля вместе с гребным винтом на определенный угол возникает поперечный упор, обусловливающий поворот судна. Активный руль используется на малых скоростях до 5 узлов. При маневрировании на стесненных акваториях активный руль может использоваться в качестве основного движителя, что обеспечивает высокие маневренные качества судна. При больших скоростях винт активного руля отключается, и перекладка руля осуществляется в обычном режиме.

Раздельные поворотные насадки (рис. 6.4). Поворотная насадка – это стальное кольцо, профиль которого представляет элемент крыла. Площадь входного отверстия насадки больше площади выходного. Гребной винт располагается в наиболее узком ее сечении. Поворотная насадка устанавливается на баллере и поворачивается до 40° на каждый борт, заменяя руль. Раздельные поворотные насадки установлены на многих транспортных судах, главным образом речных и смешанного плавания, и обеспечивают их высокие маневренные характеристики.

Подруливающие устройства (рис. 6.5). Необходимость создания эффективных средств управления носовой оконечностью судна привела к оборудованию судов подруливающими устройствами. ПУ создают силу тяги в направлении, перпендикулярном диаметральной плоскости судна независимо от работы главных движителей и рулевого устройства. Подруливающими устройствами оборудовано большое количество судов самого разного назначения. В сочетании с винтом и рулем ПУ обеспечивает высокую маневренность судна, возможность разворота на месте при отсутствии хода, отход или подход к причалу практически лагом.

В последнее время получила распространение электродвижущаяся система AZIPOD (Azimuthing Electric Propulsion Drive), которая включает в себя дизельгенератор, электромотор и винт (рис. 6.6).

Дизель-генератор, расположенный в машинном отделении судна, вырабатывает электроэнергию, которая по кабельным соединениям передается на электромотор. Элетромотор, обеспечивающий вращение винта, расположен в специальной гондоле. Винт находится на горизонтальной оси, уменьшается количество механических передач. Винторулевая колонка имеет угол разворота до 3600, что значительно повышает управляемость судна.
Достоинства AZIPOD:
– экономия времени и средств при постройке;
– великолепная маневренность;
– уменьшается расход топлива на 10 – 20 %;
– уменьшается вибрация корпуса судна;
– из-за того, что диаметр гребного винта меньше – эффект кавитации снижен;
– отсутствует эффект резонанса гребного винта.

Один из примеров использования AZIPOD – танкер двойного действия (рис.6.7), который на открытой воде двигается как обычное судно, а во льдах двигается кормой вперёд как ледокол. Для ледового плавания кормовая часть DAT оснащена ледовым подкреплением для ломки льда и AZIPOD.

На рис. 6.8. показана схема расположения приборов и пультов управления: один пульт для управления судном при движении вперед, второй пульт для управления судном при движении кормой вперед и два пульта управления на крыльях мостика.

Назначение технических средств управления

На судах ВВП и их типы.

Основные требования к технических средствам управления для судов внутреннего и смешанного (река-море) плавания определяются правилами Российского речного Регистра (РРР), Федерального органа классификации судов внутреннего и смешанного (река-море) плавания. В этих требованиях учитывается тип и класс судов.

Технических средства управления предназначены для обеспечения движения, управления и удержания судна на заданной линии пути. К ним относятся:

Система управления двигательно–движетельной установкой;

Рулевое устройство;

Якорное и швартовое устройства.

Одним из основных элементов технических средств управления является рулевое устройство.

Рулевое устройство служит для изменения направления движения судна и удержания судна на линии заданного пути.

Оно состоит:

Из органа управления (штурвал, джойстик);

Системой передачи;

Исполнительных элементов.

Управляемость судов обеспечивается с помощью исполнительных элементов рулевых устройств. В качестве исполнительных элементов рулевых устройств на судах ВВП могут применяться:

Рули различных типов;

Поворотные винтовые насадки;

Водометные движетельно-рулевые устройства.

Кроме того на некоторых типах судов могут применяться:

Подрулевающие устройства;

Крыльчатые движетельно-рулевые устройства;

Активные и фланкирующие рули.

Рули судов, их формы и типы.

Наибольшее распространение в качестве исполнительного элемента получили рули различных типов.

В состав руля может входить: перо руля, опоры, подвесы, баллер, румпель и др. вспомогательные устройства (сорлинь, гельмпорт, рудерпис).

Р у л и в зависимости от его формы и расположения оси вращения подразделяют на простые, полубалансирные и балансирные; по количеству опор – на подвесные, одноопорные и многоопорные. У простого руля все перо расположено сзади от оси баллера, у полубалансирного и балансирного рулей часть пера расположена впереди от оси баллера, образуя полубалансирную и балансирую части (рис.4.1).

По форме профиля рули подразделяются на пластичные и обтекаемые (профилированные). Наибольшее распространение на судах внутреннего плавания нашли балансирные обтекаемые прямоугольные рули.

Руль характеризуется: высотой h p – расстоянием, измеренным по оси баллера, между нижней кромкой руля и точкой пересечения оси баллера с верхней частью контура руля; длиной l p руля; смещением Δ l p части площади руля вперед относительно оси баллера (у полубалансирных рулей обычно Δ l p до 1/3 l p , у балансирных Δ l p до 1/2 l p ).

Рис.4.1 Рули

Важнейшей характеристикой пера руля является его суммарная площадь ∑S p . Фактическая площадь руля характеризуется выражением

S p ф = h p · l p (4.1)

Суммарная требуемая площадь руля, обеспечивающая управляемость судна выражается уравнением

∑S p т = LT (4.2)

где - коэффициент пропорциональности;

L – длина судна;

Т – наибольшая осадку судна.

Для обеспечения управляемости судна требуемая суммарная площадь руля должна быть равна фактической площади руля, т.е.

Рулевое устройство 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

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.