2. Гидравлические передаточные устройства

Основные сведения

Увеличение водоизмещения и скорости судов требует увеличения моментов на бал

лере рулей. Значения моментов для больших современных судов измеряется тысячами и десятками тысяч килоньютоно метров ( кНм ). Например, на японских сепертанкерах дед-

вейтом 500 тыс. т максимальный момент на баллере достигает 10 000 кНм.

При таких значениях моментов механические ( секторные ) передачи становятся громоздкими и неэффективными из-за значительных затрат энергии.

Поэтому на современных судах применяют гидравлические рулевые машины, которым присущи следующие достоинства:

1. возможность получения практически неограниченных моментов на баллере;

2. плавное и точное регулирования привода;

3. малые вес и размеры.

Последнее качество позволило разработать гидравлические рулевые машины с

небольшими моментами на баллере и тем самым вытеснить механические рулевые маши-

ны.

Промышленность выпускает гидравлические рулевые машины в виде типизирован-

ного ряда с номерами Р01-Р36, причем рулевые машины типов Р01…Р10 имеют насосы постоянной подачи, а остальные рулевые машины – насосы регулируемой подачи ( табли

ца 10.1. ).

Таблица 10.1.

Технические характеристики гидравлических рулевых машин типизировано-

го ряда

Тип	Число рулей	Число насосов	Число ци- линдров	Номиналь- ный крутя- щий момент, кНм	Давление масла в цилинд- рах, МПа	Мощность электродвигателя насоса, кВт		Масса рулевой маши-ны, кг
Насосы постоянной подачи
Р01	1	1	2	6,2	6,8	0,7		650
Р02	2	1	2	6,2	9,8	0,7		660
Р03	1	1	2	9,8	6,8	0,7		770
Р04	2	1	2	9,8	9,8	0,7		790
Р05	1	1	2	15,7	6,8	2,2		940
Р06	2	1	2	15,7	9,8	2,2		890
Р07	1	1	2	24,5	6,8	2,2		1140
Р08	2	1	2	24,5	9,8	2,2		1140
Р09	1	1	2	39,2	6,8	3,2		1630
Р10	2	1	2	39,2	9,8	3,2		1705
Насосы переменной подачи
Р11	1	1	2	61,8	9,8	8		2690
Р12	2	1	2	61,8	9,8	8		2620
Р13	1	1	2	9,8	9,8	8		3230
Р14	2	1	2	9,8	9,8	8		3350
Р15	1	2	4	157	9,8	11		5000
Р16	1	2	4	245	9,8	18		6750
Р17	1	2	4	392	9,8	27		12100
Р18М1	1	2	4	620	9,8	40		14250
Р21М1	1	2	4	1950	9,8	65		25400
Р22	1	2	4	1570	9,8	95		28200
Р24	1	2	4	2500	9,8	60		-
Р26	2	2	2	620	9,8	8		-
Р36	1	2	4	1200	9,8	55		-

Примечание:

1 кНм = 100 кгсм = 0,1 Тм ( тонно-метр );

1 МПа = 10 кгс/ см= 10 at ( at – техническая атмосфера ).

Устройство и принцип действия насосов постоянной и переменной подачи рассмат

риваются ниже

Рулевые машины с насосами постоянной подачи

Рулевая машина с насосом постоянной подачи изображена на рис. 257.

Рис. 257. Рулевая машина с насосом постоянной подачи:

1 – привод баллера руля;

2 – масляный трубопровод с арматурой;

3 – гидромотор постоянной подачи;

4 – распределительный золотник;

5 – насосный агрегат;

6 – соединительная муфта;

7 – электродвигатель насоса

Рулевая машина состоит из следующих основных узлов: привода баллер руля 1, на-

сосного агрегата 5, электродвигателя насоса 7, масляного трубопровода с арматурой 2.

Насосный агрегат крепится непосредственно к раме рулевой машины и состоит из насоса ( гидромотора ) постоянной подачи 3, соединительной муфты : и распределительно

го золотника 4.

Когда распределительный золотник выводится из среднего ( нейтрального ) поло-

жения в рабочее, соответствующее заданному направлению передачи, нагнетательный тру

бопровод насоса окажется соединенным с одним из цилиндров привода, а силовой трубо-

провод – со вторым цилиндром.

Насос создает поток масла в системе главного трубопровода к цилиндру силового привода, который производит перекладку руля в требуемом направлении.

В перерыве между перекладками руля насос перепускает масло через рагрузочную щель распределительного золотника.

Рулевые машины с насосами переменной подачи

К рулевым машинам с насосами переменной подачи относятся:

1. плунжерные;

2. лопастные;

3. с качающимися цилиндрами.

Плунжерные рулевые машины

Плунжерные рулевые машины по числу плунжеров ( цилиндров ) делятся на два

вида:

1. двухплунжерные ( двухцилиндровые );

2. четырехплунжерные ( четырехцилиндровые ).

Рассмотрим поочередно эти два вида рулевых машин.

Рулевой электропривод с 2-плунжерной гидравлической передачей (рис. 258 ) со-

стоит из электродвигателя 1, насоса 2, гидравлических ци­линдров 3.

Рис. 258. Устройство электрогидравлического 2-плунжерного рулевого привода:

1 – электродвигатель насоса; 2 – насос; 3 – гидравлический цилиндр; 4 – клапан

предохранительный перепускной; 5 – баллер руля; 6 – трубопровод; 7 – манипу-

лятор насоса

Принцип действия передачи с насосом переменной подачи состоит в следующем.

При нейтральном положении манипулятора 7 на­сос работает вхолостую, не вызы-

вая нагнетания рабочей жидкости ни в правую, ни в левую ветвь трубопровода 6. При этом баллер руля 5 остается неподвижным.

Отклонение манипулятора в ту или иную сто­рону вызывает нагнетание рабочей жидкости в соответствующий гид­равлический цилиндр 3 и отсасывание ее из противопо-

ложного цилинд­ра. Благодаря этому плунжеры цилиндров начнут перемещаться и по­ворачивать румпель 5 в заданную сторону.

Движение плунжеров бу­дет продолжаться до тех пор, пока манипулятор не возвра

тится в нейт­ральное положение, при котором давление в цилиндрах станет одина­ковым.

Во избежание чрезмерного повышения давления в рабочих ци­линдрах в случае заклинивания рулевого привода устанавливают пре­дохранительный перепускной клапан 4, автоматически открывающий­ся при давлении жидкости, превышающем рабочее на 10-15 %.

Для больших мо­ментов на баллере руля устанавливают проверенные на практике на­дежные 4-плунжерные приводы. Направление и угловую скорость баллера руля регули

руют насосом переменной подачи или реверсированием и изменением частоты вращения электродвигателя при использовании насоса постоянной подачи.

Принципиальная схема четырехплунжерной рулевой установки представлена на рис. 247.

В румпельном отде­лении на фундаментах симметрично относительно баллера руля устанавливаются четыре цилиндра 1, 10 и 2, 8. Оси цилиндров парал­лельны.

В цилиндрах перемещаются плунжеры 3, 6 и 9, 16, которые попарно связаны между собой специальной соединительной рамой.

Рис. 259. Принципиальная схема четырехплунжерной рулевой машины:

а, б – подача и слив масла

Внутри рамы располагаются муфты 4, 14 с двумя цапфами и подшип­никами на каждой, обеспечивающими свободное вращение вокруг вер­тикальных осей. В отверстие муфты с бронзовой втулкой входит ци­линдрический хвостовик румпеля 13.

Румпель закреплен на баллере руля тремя шпонками.

При перемещении плунжеров в разные стороны происходит поворот баллера руля, сопровождающийся скольжением хвостовиков румпеля в муфтах, а также поворотом муфт в вертикаль­ных цапфах.

Боковые усилия, возникающие на румпеле при его выхо­де из диаметральной плоскости через ползуны 5, 12 соединительных рам, воспринимаются параллельными направляющими 7, 15, закреп­ленными жестко на фундаменте или цилиндрах. Благодаря этому пре­дотвращается возможный изгиб плунжерной пары.

Расположенные накрест цилиндры 1, 8, и 2, 10 попарно соединены трубопроводами, объединенными в две общие магистрали а и б.

Для поворо­та руля, например, против часовой стрелки нужно по магистрали «а» подать масло под давлением в цилиндры 1,8, при этом в связи с изменением объема из цилиндров 2, 10 масло будет сливаться по трубопроводу «б»

Плунжеры 9, 16 переместятся вправо, а плунжеры 3, 6 - влево.

При изменении направления поворота баллера трубопровод «б» стано­вится нагнетающим, а трубопровод «а» - сливным.

Давление в цилинд­рах определяется преодолеваемыми усилиями в плунжерах, которые зависят от момента на баллере руля. Для предотвращения утечки мас­ла на выходе цилиндров устанавливаются специальные набивки — уп­лотнения, кожаные или из маслостойкой резины.

При возникновении чрезмерных давлений (например, при ударах волны, попадании льдин на перо руля) через дроссель 11 происходит перепуск масла из одной полости в другую. Это поглощает энергети­ческий всплеск внешней нагрузки и ослабляет динамические воздейст­вия на детали привода.

Перемещение плунжеров на одно и то же рассто­яние определяет неодинаковый угол поворота баллера. Наибольший поворот на единицу длины хода плунжеров будет при расположении румпеля в диаметральной плоскости.

При бортовых положениях, как следует из кинематики привода, угловой поворот баллера на единицу длины перемещения плунжеров будет минимальным.

Поэтому передаточное число плунжерной гидравлической передачи является пере-

менным.

Система трубопроводов и клапанов четырехплунжерной рулевой установки позволяет при необходимости выводить из эксплуатации любую пару прессов, сохраняя, хотя и не полностью, работоспособность машины.

На небольших судах при сравнительно малом моменте на бал­лере руля устанавивают двухплунжерные гидравлические рулевые машины. Для них характерно отсутствие резервирования в силовой час­ти привода и наличие дополнительного изгибающего момента на голове баллера руля, который нагружает верхний опорный подшипник бал­лера и повышает потери в передаче.

В отечественном судостроении наиболее широко используются имен­но плунжерные рулевые машины, обладающие высокой надежностью, экономичностью, особенно при высоком давлении в прессах, и способ­ные преодолевать значительные нагрузочные моменты.

Разработан типизированный ряд гидравлических рулевых машин для моментов на баллере от 6,3 до 2500 кН-м, который практически удовлетворяет воз­никающие потребности.

Лопастные рулевые машины

Наряду с плунжерным рулевым приводом применяют лопастные ( рис. 245, 246 ).

Лопастные рулевые машины обладают сравни­тельно с плунжерными лучшими массогабаритными характеристика­ми.

По числу лопастей различают два вида рулевых машин:

1. двухлопастные;

2. трелопастные.

Рассмотрим устройство двухлопасной рулевой машины( рис. 260 ).

В корпусе гидродвигателя 1 на баллере руля 2 устанавлива­ют лопасти 3. Перемыч

ки и лопасти разделяют рабочий объем на четыре полости А, Б, В, Г.

Рабочая жидкость по трубопроводам 4 поступает одновременно или в полости А, Г или в полости Б, В, перемещая ло­пасти и вращая баллер руля. Полости расположены под углом 180°, что уравновешивает давление жидкости на внутренние стенки корпуса.

Рис. 260. Устройство 2-лопастного гидродвигателя рулевой машины:

1 – корпус гидродвигателя; 2 – баллер руля; 3 – лопасти; 4 - трубопроводы

Рассмотренный рулевой привод применяется на судах малого и среднего водоизме-

щения.

На более крупных судах используются трехлопастные рулевые машины. Ос­новные поставщики таких машин - фирмы АЕГ (ФРГ), «Фриденбо» (Норвегия) разра­ботали нормализованные ряды таких машин с моментом на баллере до 400 кНм ( 40 Тм ).

Принципиальная схема 3-лопастной рулевой машины показана на рис. 261.

Рис. 261. Схема 3-лопастной рулевой машины

Трехлопастной ротор 1, являющийся румпелем, насажен на верхнюю часть головы баллера 2. Этот ротор помещен в цилиндр 3, раз­деленный тремя перемычками 4.

Последние делят общий объем цилиндpa на три рабочие полости, каждая из которых делится лопастью рото­ра на две части А и Б. Цилиндр крепится к палубе посредством амортизирующего устройства.

При нагнетании масла в по­лость А и сливе его из полости Б ротор и баллер будут поворачи­ваться против часовой стрелки. При подаче масла в полость Б – наоборот.

Подвод и слив масла производятся через перемычки ци­линдра от общих магистралей «а» и «б», связанных с насосом. В днище и крышке силового цилиндра пре-

думотрены сальниковые уплотнения из маслостойкой резины. Уплотне­ния имеются также между зерка­лом цилиндра и торцом каждой лопасти и между перемычками и ступицей ротора.

Для ограничения утла поворота ротора в одной из лопастей имеет­ся пружинный двухсторонний клапан 5, который сообщает полости А и Б между собой при достижении предельных значений перекладки руля.

Наличие сложных уплотнений снижает объемный к.п.д. машины, ограничивает допустимые рабочие давления масла до 4,00 - 6,50 МПа ( 40-65 at ), что является недостатком привода, не позволяющим его использовать при моментах на баллере, превышающих 400-500 кНм.

Поршневые машины с качающимися ци­линдрами

Рулевые машины рассматриваемого типа используют­ся в отечественном и иностранном судостроении.

Типовая схема приво­да с двумя рабочими цилиндрами, наиболее распространенная на мор­ских судах, показана на рис. 262.

Рис. 262. Кинематика рулевой машины с качающимися цилиндрами

Цилиндры 3 имеют проушины с бронзовыми втулками и через вертикальные шкворни 2 связаны с фун­даментом 1. Шкворни 2 являются осью поворота цилиндра.

В цилинд­рах размещаются поршни 4, штоки 5 которых связаны с двухплечным румпелем 7. Штоки и поршни имеют специальные уплотнения, резино­вые или кожаные набивки 6.

Цилиндры - двойного действия, т.е. обе полости А и Б являются рабочими. Каждый

силовой цилиндр используется как для прямой, так и для обратной перекладки руля.

При подаче масла в полость А и сливе из полости Б происходит перекладка руля по часовой стрелке. При подаче масла в полость В — наоборот.

Полости А и Б обо­их цилиндров связаны трубопроводом через клапанную распре-

дели­тельную коробку. Следует заметить, что во втором цилиндре рабочая полость А имеет шток аналогично полости Б первого цилиндра.

Углы качания цилиндров, хотя и различны, но даже при бортовых положениях руля ±35° не превышают 4 - 5°. Поэтому суммарные объе­мы подачи и слива жидкости практически одинаковы.

Вместе с тем, учитывая равенство давлений масла в полостях нагнетания и меньшую поверхность поршня со стороны штока, усилия, передаваемые на каждое плечо румпеля, будут различаться, что вызывает появление хотя и небольшой, дополнительной изгибающей силы на голове баллера.

Подвод масла к рабочим полостям каждого цилиндра производится через герметичное шарнирное соединение внутри шкворня 2 или посредством гибких поли-пропиленовых шлангов, как это принято при производстве рулевых машин данного типа в ГДР.