Определение рабочих параметров,

Рулевая машина

 

1.1 Оборудование рулевой машины. Гидравлическая

схема, требования Регистра РФ.

В качестве прототипа принимается ГРМ с плунжерным рулевым приводом. Число пар

цилин­дров рулевого привода (Кц), тип насосов и гидравлическая схема

принимается в зависимости от величины крутящего момента на баллере (Мкр). При

величине Мкр<100кНм, Кц=1, при вели­чине Мкр>100кНм, Кц=2.

Для машины с величиной Мкр<40кНм принимается насос постоянной подачи и

гидравличе­ская схема, изображенная на стр.212, рис.141 [2]. Для машины с

величиной Мкр>40кНм прини­мается насос с регулируемой подачей и

гидравлическая схем, изображенная на стр.214, рис.142 [2].

На современных судах широкое применение получили гидравлические рулевые машины.

Эти машины по массе, габаритам, высокой точности судовождения определили все

известные конструкции рулевых машин. Рассчитываемая РМ машина изготовлена с

четырех-плунжерным приводом, т.к. Мкр>100кНм. Такие гидравлические машины

обслуживаются при давлении рабочей жидкости не выше 25

.

ГРМ состоит из следующих основных узлов:

- гидравлического рулевого привода – силового устройства,

поворачивающего баллер руля;

- насосного агрегата (насос-двигатель), предназначенного для питания

ГРМ рабочей жидкостью;

- системы управления насосами переменной подачи;

- системы трубопроводов питания;

- предохранительных клапанов;

- компенсаторов динамических нагрузок;

- ограничителей мощности и прочих элементов.

Основными элементами гидравлической схемы изображенной на чертеже, являются:

плунжерный привод с цилиндрами Ц1-Ц4, главные насосы 3 регулируемой подачи с

электродвигателем 4, следяшие гидроусилители (1,2), блок клапанов 7,

вспомогательные насосы постоянной подачи, аварийный насос регулируемой подачи

31, пополнительные боки 23, 34 и резервуарная цистерна 36, а так же различная

предохранительная и регулирующая, и запорная гидравлическая аппаратура.

Гидравлическими узлами схемы являются: силовой контур (обозначен жирными

линиями), состоящий из плунжерного привода, главных насосов 3 и блоков

клапанов 6 и 7; контуры управления главными насосами, состоящие из

вспомогательных насосов 5, приводимых в действие электродвигателями главных

насосов, золотников 1 и цилиндров 2; система подпитки силового контура от

насоса 25 и контур аварийного насоса 31. В основном режиме, гидравлическая

схема работает следующим образом. Сигнал на перекладку руля поступает от

электрической системы управления на правый (или левый) исполнительный

механизм ИМ, выходной валик которого соединен с золотником 1. При перемещении

золотника из нулевого положения, например вправо, рабочая жидкость сливается

из правой полости цилиндра гидроусилителя в пополнительный бак 23, а

дифференциальный поршень цилиндра 2 под давлением 0,8-1,5 МПа (регулируется

редукционным клапаном 24) в левой полости цилиндра перемещается вправо до

перекрытия рабочих клапанов золотника (т.е. на расстояние хода золотника),

задавая эксцентриситет правого главного насоса 3.

Рабочая жидкость силового контура от насоса 3 через клапаны 8, 13 и 15

подается в цилин­дры Ц1 и Ц4, руль при этом перекладывается по часовой

стрелке. Поворот руля происходит до тех пор, пока обратные связи Сn и Ca не

возвратят золотник 1 в среднее положение. Это же положение займут вместе с

золотником поршень 2 и регулируемый орган насоса 3.Для возвращения руля в

нулевое положение новый электрический сигнал того же значения, но

противоположный по знаку. При этом золотник перемещается влево, и рабочая

жидкость контура управления поступает в правую полость цилиндра.

Дифференциальный поршень перемещается влево, создавая эксцентриситет насоса 3

через клапаны 9, 14, 16 в цилиндры Ц3 и Ц2, поворачивая руль против часовой

стрелки.

Клапана 17 –20 являются байпасными и при нормальной работе ГРМ должны быть

закрыты, а клапаны 8 – 11 всегда открыты.

При работе одним главным насосом второй, во избежании вращения в режиме

гидродвигателя, отсекают от силового контура гидрозамком или затормаживают

храповиком, размещенным на валу соединения с электродвигателем 4. На схеме

показан гидрозамок 32 аварийного насоса.

Для компенсации внешних утечек из силового контура имеется система подпитки,

состоящая из вспомогательного насоса 25, фильтра 26 и гидравлической

магистрали с клапанами: предохранительными 27, редукционным (0,2 – 0,3 МПа)

28, запорными 29 и обратным 30.

В соответствии с требованием Регистра РФ и международной конвенции по охране

жизни на море “СОЛАС” – рулевая машина должна обеспечивать: перекладку

полностью погруженного руля на полном ходу судна с борта 35[ДИ1] ° на

борт 30° за 28 секунд, и поворота из диаметральной плоскости на левый и правый

борт на 35°. На нефтеналивных, газовозах, химовозах валовой вместимостью более

100 тонн РМ должна быть сдвоена. На остальных судах рулевая машина может иметь

одну пару цилиндров. На пассажирских судах РМ должна: каждый из приводов в

отдельности должен отвечать по части времени и угла поворота руля. Если

помещение РМ расположено полностью или частично ниже самой высшей грузовой

ватерлинии, на судне ставится аварийный рулевой привод, который должен

обеспечивать перекладку руля при скорости судна на передний ход около 4-х

узлов.

 

Для расчета принимается

На баллере.

Расчет и определение размеров руля.

Таблица 1

 

№ п/п	Наименование, обозначение, единицы измерения	Расчетная формула или способ определения	Числовое значение
1.	Длина судна L, м	Задана	147,8
2.	Осадка судна T, м	Задана	9,66
3.	Площадь пера руля F,	(0.013 ¸ 0.019)LT	21.42
4.	Относительное удлинение руля l	Задано
5.	Высота пера руля h, м		6,54
6.	Ширина пера руля b, м		3,27
7.	Коэффициент компенсации k	(0,25 ¸ 0,35)	0,33
8.	Расстояние от передней кромки руля до оси баллера z, м		1,080
9.	Площадь балансирной части руля Fб,		7,069

 

Расчет гидродинамических сил и моментов на баллере руля.

Таблица 1.2

 

№ п/п	Наименование, обозначение, единицы измерения	Расчетная формула или способ определения	Числовое значение
1.	Коэффициент попутного потока y	(0,22 ¸ 0,26)	0,24
2.	Коэффициент влияния корпуса на руль Kк		0,578
3.	Диаметр гребного винта D, м	Задан	5,5
Продолжение табл.1.2
4.	Площадь руля, омываемая потоком винта Fв,		17,99
5.	Скорость судна u, уз.	Задана
6.	Скорость судна uс, м/с	1856u/3600	8,25
7.	Плотность забортной воды r,	[1, табл.4]
8.	Осевая скорость винта относительно воды uр, м/с	(1-y)uс	6,27
9.	Мощность, затрачиваемая на вращение винта Nр, кВт	0,98Ne
10.	Упор винта Р, кН	Nрhр/uр; hр=0.6 ¸ 0.7	939,7
11.	Коэффициент нагрузки винта по упору sр		1,96
12.	Коэффициент влияния винта на руль Kв		2,65
13.	Угол поворота руля от среднего положения a, град	a
14.	Коэффициент сопротивления Cx	[1, табл.10]	0,040	0,060	0,090	0,170	0,270	0,380
15.	Коэффициент подъемной силы Су	[1, табл.10]	0,250	0,530	0,835	1,060	1,100	1,140
16.	Коэффициент центра давления Сд	[1, табл.10]	0,230	0,245	0,265	0,285	0,365	0,385
17.	Коэффициент нормальной силы Сn		0,253	0,532	0,830	1,054	1,111	1,180
18.	Отстояние центра от передней кромки руля S, м		0,752	0,801	0,867	0,932	1,194	1,259
19.	Коэффициент гидродинамического момента Cm		0.058	0.130	0.220	0.300	0.406	0.454
20.	Нормальная сила N, кН		289,5	608,8	949,9	1206,3	1271,5	1350,5

 

Продолжение табл. 1.2

 

21.	Гидродинамический момент относительно передней кромки руля М, кНм		217,06	486,50	823,31	1122,70	1519,39	1699,02
22.	Гидродинамический момент относительно оси руля Ма, кНм		-94,681	-169,228	-201,898	-177,499	145,521	242,878
23.	Коэффициент нормальной силы на заднем ходу Сnз.х.		0,190	0,399	0,623	0,791	0,833	0,885
24.	Отстояние центра давления от задней кромки руля на заднем ходу Sз.х., м		1,063
25.	Гидродинамический момент на заднем ходу судна Маз.х., кНм	;	14,12	29,65	46,30	58,79	61,91	65,78
26.	Гидродинамический момент для расчета Мр, кНм	принимаем равным Ма	-94,68	-169,23	-201,90	-177,50	145,52	242,80
27.	Момент на балл ере руля с учетом трения в боковых опорах баллера и пяте руля Мб, кНм		-108,88	-194,61	-232,19	-204,41	167,35	279,31
28.	Крутящий момент на балл ере с учетом дополнительных внешних нагрузок Мкр, кНм		-119,77	-214,07	-255,41	-224,85	184,09	307,24

 

Расчет рулевого привода и мощности насоса.

Таблица 1.3

 

№ п/п	Наименование, обозначение, единицы измерения	Расчетная формула или способ определения	Числовое значение
1.	Диаметр баллера (при максимальном значении Мкр), dб, м		0,303
2.	Начальный радиус румпеля Ro, м	(1,0 ¸ 1,5) dб	0,394
3.	Давление масла в цилиндре привода (при Мкр) pi	(10 ¸ 20)
4.	Число пар цилиндров привода Кц	1 – при Мкр<100 кНм 2 –при Мкр>100 кНм
5.	КПД привода, [1, рис. 146]
0,55	0,675	0,75	0,77	0,79	0,77
6.	Диаметр плунжера (при Мкр=max) Dп, м		0,155
7.	Ход плунжера при перекладке руля с борта на борт S1, мм		0,455
8.	Объем масла, подаваемый в цилиндр рулевого привода при перекладке руля с борта на борт V,		0,0172
9.	Время перекладки руля с борта на борт t, сек	задано
10.	Подача насоса q,
11.	Радиус румпеля при значении угла поворота руля Ra, м
0,396	0,400	0,408	0,419	0,435	0,455
12.	Нормальная сила давления на цапфу румпеля, кН		-155,2	-267,6	-313,0	-268,3	211,6	337,6
13.	Сила давления на цапфу вдоль оси плунжера, кН		-150,6	-263,5	-302,3	-252,1	191,8	292,4
14.	Сила давления масла на плунжер Р1, кН		-273,9	-390,4	-403,1	-327,5	242,8	379,7

 

Продолжение табл. 1.3

 

15.	Давление масла в цилиндре, при значениях угла поворота руля, МПа		-14,52	-20,69	-21,36	-17,35	12,86	20,12
16.	Давление насоса P, МПа		-14,48	-20,65	-21,32	-17,31	12,90	20,16
17.	Мощность насоса Nн, кВт		-19,40	-38,58	-42,05	-26,72	15,79	36,70
18.	КПД насоса,	[1, рис. 149а]	0.53	0.38	0.36	0.46	0.58	0.39
19.	Мощность электродвигателя, кВт	;	44.34
По результатам расчета построены зависимости:;;.

 

1.3 Указания по эксплуатации рулевой машины.

Эксплуатация ГРМ должна производится в строгом соответствии с требованиями

инструкции завода – изготовителя. Марки масел, применяемые для заполнения

гидравлических систем и систем управления ГРМ, должны строго соответствовать

требованиям инструкции.

При заполнении системы маслом открывают все разобщительные клапаны и краны на

трубопроводах и воздушные краны и пробки, расположенные на самом верхнем уровне

каждого гидравлического узла. Через фильтр заливают масло в верхний бак. По

мере прекращения выхода воздуха из отверстий воздушных пробок и кранов их

закрывают. После этого насосы машины вручную при среднем положении скользящих

блоков, а, если возможно, то и при эксцентриситете, и снова проверяют, не

выходит ли воздух из отверстий воздушных пробок и кранов. Перекрывают

соответствующие разобщительные краны системы, оставив включенным в систему один

из насосов. Запустив двигатель насоса, перекладывают руль несколько раз с борта

на борт, предварительно отключив телемотор[ДИ2], управляя машиной из

румпельного отделения. Проверяют работу машины на втором насосе. Если руль

перекладывается плавно, без рывков и машина работает без посторонних шумов, а

уровень в баке стабилизировался, можно считать заполнение системы законченной.

Если перекладка руля происходит рывками, то в системе есть воздух.

Смена масла, рекомендована обычно после двухлетней эксплуатации машины,

должна производиться полностью после промывки и продувки системы. В период

эксплуатации следует осуществлять лишь небольшие добавки масла для сохранения

уровня в цистерна, компенсирующих убыль масла из системы.

Проверка перед пуском

- внешний осмотр всех узлов машины;

- проверка прочности и плотности соединений;

- осмотр и проверка положения (открытия) строго в соответствии с

гидравлической схемой и инструкцией золотников, кранов, клапанов;

- проверка перепускных и предохранительных клапанов (при нормальных

условиях не должны перепускать жидкость);

- проверка исправности насосов (их поочередно включают и

перекладывают руль каждым насосом в отдельности на правый и левый борт);

- проверка исправности концевых включателей в крайних положениях руля;

- проверка запасного рулевого привода и его гидравлической системы;

- проверка наружной плотности системы.

Рулевая машина

 

1.1 Оборудование рулевой машины. Гидравлическая

схема, требования Регистра РФ.

В качестве прототипа принимается ГРМ с плунжерным рулевым приводом. Число пар

цилин­дров рулевого привода (Кц), тип насосов и гидравлическая схема

принимается в зависимости от величины крутящего момента на баллере (Мкр). При

величине Мкр<100кНм, Кц=1, при вели­чине Мкр>100кНм, Кц=2.

Для машины с величиной Мкр<40кНм принимается насос постоянной подачи и

гидравличе­ская схема, изображенная на стр.212, рис.141 [2]. Для машины с

величиной Мкр>40кНм прини­мается насос с регулируемой подачей и

гидравлическая схем, изображенная на стр.214, рис.142 [2].

На современных судах широкое применение получили гидравлические рулевые машины.

Эти машины по массе, габаритам, высокой точности судовождения определили все

известные конструкции рулевых машин. Рассчитываемая РМ машина изготовлена с

четырех-плунжерным приводом, т.к. Мкр>100кНм. Такие гидравлические машины

обслуживаются при давлении рабочей жидкости не выше 25

.

ГРМ состоит из следующих основных узлов:

- гидравлического рулевого привода – силового устройства,

поворачивающего баллер руля;

- насосного агрегата (насос-двигатель), предназначенного для питания

ГРМ рабочей жидкостью;

- системы управления насосами переменной подачи;

- системы трубопроводов питания;

- предохранительных клапанов;

- компенсаторов динамических нагрузок;

- ограничителей мощности и прочих элементов.

Основными элементами гидравлической схемы изображенной на чертеже, являются:

плунжерный привод с цилиндрами Ц1-Ц4, главные насосы 3 регулируемой подачи с

электродвигателем 4, следяшие гидроусилители (1,2), блок клапанов 7,

вспомогательные насосы постоянной подачи, аварийный насос регулируемой подачи

31, пополнительные боки 23, 34 и резервуарная цистерна 36, а так же различная

предохранительная и регулирующая, и запорная гидравлическая аппаратура.

Гидравлическими узлами схемы являются: силовой контур (обозначен жирными

линиями), состоящий из плунжерного привода, главных насосов 3 и блоков

клапанов 6 и 7; контуры управления главными насосами, состоящие из

вспомогательных насосов 5, приводимых в действие электродвигателями главных

насосов, золотников 1 и цилиндров 2; система подпитки силового контура от

насоса 25 и контур аварийного насоса 31. В основном режиме, гидравлическая

схема работает следующим образом. Сигнал на перекладку руля поступает от

электрической системы управления на правый (или левый) исполнительный

механизм ИМ, выходной валик которого соединен с золотником 1. При перемещении

золотника из нулевого положения, например вправо, рабочая жидкость сливается

из правой полости цилиндра гидроусилителя в пополнительный бак 23, а

дифференциальный поршень цилиндра 2 под давлением 0,8-1,5 МПа (регулируется

редукционным клапаном 24) в левой полости цилиндра перемещается вправо до

перекрытия рабочих клапанов золотника (т.е. на расстояние хода золотника),

задавая эксцентриситет правого главного насоса 3.

Рабочая жидкость силового контура от насоса 3 через клапаны 8, 13 и 15

подается в цилин­дры Ц1 и Ц4, руль при этом перекладывается по часовой

стрелке. Поворот руля происходит до тех пор, пока обратные связи Сn и Ca не

возвратят золотник 1 в среднее положение. Это же положение займут вместе с

золотником поршень 2 и регулируемый орган насоса 3.Для возвращения руля в

нулевое положение новый электрический сигнал того же значения, но

противоположный по знаку. При этом золотник перемещается влево, и рабочая

жидкость контура управления поступает в правую полость цилиндра.

Дифференциальный поршень перемещается влево, создавая эксцентриситет насоса 3

через клапаны 9, 14, 16 в цилиндры Ц3 и Ц2, поворачивая руль против часовой

стрелки.

Клапана 17 –20 являются байпасными и при нормальной работе ГРМ должны быть

закрыты, а клапаны 8 – 11 всегда открыты.

При работе одним главным насосом второй, во избежании вращения в режиме

гидродвигателя, отсекают от силового контура гидрозамком или затормаживают

храповиком, размещенным на валу соединения с электродвигателем 4. На схеме

показан гидрозамок 32 аварийного насоса.

Для компенсации внешних утечек из силового контура имеется система подпитки,

состоящая из вспомогательного насоса 25, фильтра 26 и гидравлической

магистрали с клапанами: предохранительными 27, редукционным (0,2 – 0,3 МПа)

28, запорными 29 и обратным 30.

В соответствии с требованием Регистра РФ и международной конвенции по охране

жизни на море “СОЛАС” – рулевая машина должна обеспечивать: перекладку

полностью погруженного руля на полном ходу судна с борта 35[ДИ1] ° на

борт 30° за 28 секунд, и поворота из диаметральной плоскости на левый и правый

борт на 35°. На нефтеналивных, газовозах, химовозах валовой вместимостью более

100 тонн РМ должна быть сдвоена. На остальных судах рулевая машина может иметь

одну пару цилиндров. На пассажирских судах РМ должна: каждый из приводов в

отдельности должен отвечать по части времени и угла поворота руля. Если

помещение РМ расположено полностью или частично ниже самой высшей грузовой

ватерлинии, на судне ставится аварийный рулевой привод, который должен

обеспечивать перекладку руля при скорости судна на передний ход около 4-х

узлов.

 

Определение рабочих параметров,