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. 1.34).
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. 1.35):
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. 1.36). 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. 1.37). 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.
(рис. 1.38). Необходимость создания эффектив- ных 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 дизель-генератор, электромотор и винт (рис. 1.39).
Дизель-генератор, расположенный в машинном отделении судна, вырабатывает электроэнергию, которая по кабельным соединениям передается на электро-мотор. 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. 1.40), 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. 1.41. 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.
Перед каждым выходом в море рулевое устройство готовят к работе: тщательно осматривают все детали, устраняют обнаруженные неисправности, трущиеся части очищают от старой смазки и смазывают вновь.
Затем под руководством вахтенного помощника капитана проверяют исправность рулевого устройства в действии путем пробной перекладки руля. Перед перекладкой надо убедиться, что под кормой чисто и никакие плавсредства и посторонние предметы не мешают повороту пера руля.
Одновременно проверяют легкость вращения руля и отсутствие даже незначительных заеданий. Во всех положениях пера руля сличается соответствие показаний рулевых указателей и время, затрачиваемое на перекладку.
Румпельное отделение всегда должно быть на замке. Ключи от него хранятся в штурманской рубке и в машинном отделении на специально отведенных постоянных местах, аварийный ключ - у входа в румпельное отделение в запертом шкафчике с застекленной дверцей.
Между ходовым мостиком и румпельным отделением должны быть установлены две независимо действующие линии связи.
По прибытии в порт и по окончании швартовки руль ставят в прямое положение, выключают энергию на рулевой двигатель, осматривают рулевой привод и если все найдено в должном порядке, закрывают румпельное отделение.
Рулевое устройство (рис. 60), в состав которого входят руль и привод руля, предназначено для управления судном.
Руль (рис. 61) состоит из пера и баллера.
Перо - это плоский или, чаще, двухслойный обтекаемый щит с внутренними подкрепляющими ребрами, площадь которого у морских судов составляет 1/40 - 1/60 площади погруженной части ДП (произведения длины судна на его осадку LT ). Внутреннюю полость пера руля заполняют пористым материалом, предотвращающим попадание воды внутрь. Основу пера руля составляет рудерпис - массивный вертикальный стержень, к которому крепят горизонтальные ребра пера руля. Вместе с рудерписом отливают (или отковывают) петли для навешивания руля на рудерпост (его иногда заменяют жесткой сварной конструкцией).
Баллер - это стержень, при помощи которого поворачивают перо руля. Нижний конец баллера имеет обычно криволинейную форму и заканчивается лапой - фланцем, служащим для соединения баллера с пером руля при помощи болтов. Это разъемное соединение баллера с пером руля необходимо для съема руля при ремонте. Иногда вместо фланцевого применяют замковое или конусное соединение.
Баллер руля входит в кормовой подзор корпуса через гельмпортовую трубу и поддерживается специальным упорным подшипником, расположенным на одной из платформ или палуб.
Верхняя часть баллера проходит через второй подшипник и соединяется с румпелем.
В зависимости от расположения руля относительно оси вращения различают (см. рис. 62): обыкновенные рули, у которых перо полностью расположено в корму от оси вращения; балансир осью вращения на две неравные части: большая - в корму от оси, меньшая - в нос; полубалансирные рули отличаются от балансирных тем, что балансирная часть сделана не по всей высоте руля.
Рис. 60. 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
ные рули, у которых перо разделено
Балансирные и полубалансирные рули характеризуются коэффициентом
компенсации, т. е. отношением площади балансирной части к полной площади руля (обычно он равен 0,25-0,35). Для их перекладки требуется меньше усилий и, следовательно, менее мощная рулевая машина. Однако крепление таких рулей к корпусу судна сложнее, поэтому на тихоходных судах, на которых требуются небольшие усилия для перекладки руля с борта на борт, применяют обыкновенные рули.
Рис. 61. Основные типы рулей:
а - обыкновенный; б - балансирный; в - балансирный подвесной;
г - полубалансирный одновинтового судна
Разновидностью балансирного руля является широко известный руль типа Симплекс (рис. 7.4) со съемным неподвижным шпинделем, заменяющим
рудерпост, на который навешивают перо руля. Эти рули более надежны, обладают большей жесткостью крепления к корпусу судна и их удобнее демонтировать.
Рис. 62. Балансирный руль типа Симплекс.
1 - перо руля; 2 - лапа баллера;
3 - неподвижный шпиндель
Привод руля состоит из механизмов и устройств, предназначенных для перекладки руля на борт. В их число входят рулевая машина, рулевой привод, т. е. устройство для передачи вращающего момента от рулевой машины к баллеру, и привод управления рулевой машиной (рулевая передача). По Правилам Регистра каждое морское судно должно иметь три привода, действующих независимо друг от друга на руль: основной, запасной и аварийный. Обычно для основного привода применяют рулевые машины, а запасной и аварийный делают ручными, за исключением судов, у которых диаметр головы баллера руля больше 335 мм, а также пассажирских судов с диаметром головы баллера более 230 мм; для них требуется механический запасной привод.
Рулевую машину обычно размещают в специальном румпельном отделении, поблизости от руля, а на малых судах и катерах - в посту управления судном.
Рис. 63. Общий вид и схема действия электрогидравлической рулевой машины.
1 - баллер; 2 - румпель; 3 - цилиндр; 4 - плунжер; 5 - электродвигатель; 6 - масляный насос; 7 - пост управления
В качестве приводов для рулевых машин в настоящее время используют электродвигатели, электрогидравлические, гидравлические и, реже, паровые машины. Наиболее распространены электрогидравлические машины (рис. 63).
Мощность рулевой машины в основном рулевом приводе должна обеспечить на максимальном переднем ходу судна перекладку руля с 35°одного борта до 30° на другой борт не более чем за 28 с. На небольших судах допускается и ручной основной привод в тех случаях, если при выполнении изложенных выше условий усилие на рукоятке штурвала не превысит 160 кН (16 кгс), а число оборотов штурвала будет не более 25 за одну полную перекладку.
Передача на руль усилий, развиваемых в рулевой машине, осуществляется с помощью рулевого привода в виде тросов, цепей или гидравлической системы либо путем жесткой кинематической связи между рулевой машиной и рулем (зубчатые секторы, винты и пр.). Различают румпельный, секторный и винтовой приводы.
Румпельный привод представляет собой одноплечий рычаг - румпель, один конец которого соединен с верхним концом баллера, а другой - с тросом, цепью или гидросистемой, предназначенными для связи с рулевой машиной или постом управления (рис. 64).
Рис. 64. Рулевые приводы:
а - румпельный; б - винтовой.
1 - перо руля; 2 - баллер; 3 - румпель; 4 - штур трос; 5 - зубчатый сектор;
6 - пружинный амортизатор; 7 - винтовой шпиндель; 8 - ползун
Этот привод, называемый иногда продольно-румпельным, применяют на небольших судах, а также спортивных и несамоходных судах внутреннего плавания. В отличие от него поперечно-румпельный привод представляет собой румпель в виде двух-плечего рычага. Он широко распространен на крупных судах, обслуживаемых четырехплунжерными гидравлическими рулевыми машинами.
Секторный привод широко применяют при передаче усилий на руль от электрических рулевых машин. В этом случае находящаяся в зацеплении с сектором шестерня вращается от электродвигателя. Для компенсации ударных нагрузок на руль в секторе устанавливают пружинные компенсаторы.
Винтовой привод обычно бывает запасным, его ставят непосредственно у руля в румпельном отделении. Вращение от штурвала передается винтовому шпинделю, имеющему по концам резьбу противоположных направлений. Перемещающиеся при вращении шпинделя ползуны с правой и левой резьбой через систему тяг воздействуют на плечи поперечного румпеля, насаженного на баллер руля. Винтовой привод компактен и позволяет снизить до необходимого предела усилия на штурвал благодаря возможному большому передаточному числу. Недостатком его является более низкий КПД из-за потерь при трении винтовой пары.
Привод управления рулевой машиной (рулевая передача) служит для передачи команд из рулевой рубки на рулевую машину, находящуюся обычно на большом расстоянии от мостика. На современных крупных судах наиболее распространены электрический и гидравлический приводы. Реже применяют тросовый или валиковый приводы.
Положение пера руля контролируется специальными указателями. Для обеспечения бесперебойной работы рулевого устройства пост управления машиной дублируют, располагая запасный пост в румпельном отделении или рядом с ним.
На малых судах, не имеющих рулевых машин, перекладка руля вручную
при вращении штурвала выполняется с помощью штуртросовой проводки, состоящей из троса, прикрепленного с двух сторон к румпелю и проведенного
через направляющие ролики от румпеля к штурвалу. Закрепленные на барабане
штурвала штуртросы при вращении штурвала навиваются на барабан или сматываются с него, усилие передается на румпель, а затем на руль. Для устранения возникающей при повороте румпеля слабины штуртроса в схему вводят пружинные компенсаторы или ползуны, перемещающиеся вдоль румпеля.
Разновидностью ручного привода с секторной передачей усилия на баллер руля является валиковая передача. Она состоит из нескольких валиков,
соединенных при помощи муфт и карданных шарниров, а в местах крутых изломов - коническими передачами. Вращение от штурвала через валиковую передачу сообщается шестерне, сцепленной с сектором руля. Валиковая передача обладает большим КПД, чем штуртросовая.
Рис. 65. Активный руль (а) и поворотная насадка (в).
1 - перо руля; 2- винт подруливающего устройства; 3- гидравлический двигатель; 4- баллер; 5 – трубопровод; 6- гребной винт; 7- поворотная насадка
Дополнительные средства управления. Для улучшения маневренности судна на малых ходах, когда обычное рулевое устройство недостаточно эффективно, особенно при швартовке судна у пирса и движении в узких местах (каналы, шхеры, ограниченный фарватер), устанавливают дополнительные средства управления: носовые рули, а также средства активного управления (САУ) - направляющие насадки, активные рули, подруливающие устройства и вспомогательные движительно- рулевые колонки (ВДРК).
Носовой руль размещают в нижней части носовой оконечности. Его применяют на паромах так называемого челночного типа, т. е. плавающих попеременно носом и кормой. Широкого распространения не получил.
Активный руль (рис. 65) - это небольшой гребной винт, установленный в пере обычного руля и приводимый в действие от электродвигателя, расположенного либо непосредственно вместе с ним в пере руля, либо в баллере. При перекладке руля с работающим в нем гребным винтом последний создает упор, поворачивающий кормовую оконечность судна, даже если оно не имеет хода.
Работающий гребной винт активного руля может также сообщать судну малый ход вперед. Активные рули применяют на траулерах, паромах, исследовательских и других судах. Недостатком их является вызываемое дополнительное сопротивление движению судна на полном ходу и в связи с этим некоторое снижение скорости.
Поворотная насадка (рис. 65, б) представляет собой кольцеобразное тело, укрепляемое на баллере, ось которого расположена в плоскости диска гребного винта. При повороте насадки (устанавливаемой вместо руля) отбрасываемая гребным винтом струя воды отклоняется, что и вызывает поворот судна.
Поворотная насадка не только значительно улучшает поворотливость судна на малых ходах (особенно на заднем), но и позволяет при постоянной мощности увеличить скорость на 4-5 %. Поворотные насадки широко применяют на речных судах, толкачах-буксирах и некоторых рыбопромысловых судах.
Подруливающее устройство (рис. 66, а) - это расположенная в носовой
(реже, в кормовой) оконечности труба, перпендикулярная к ДП, со сквозными выходами на оба борта, закрываемыми обычно жалюзи. В этой трубе размещают гребной винт или крыльчатый движитель, образующий направленную перпендикулярно к ДП судна струю воды, создающую упор, под действием которого и поворачивается нос (или корма) судна. При установке двух подруливающих устройств (в носу и корме) эффективность их действия возрастает благодаря возможности одновременной работы в разные стороны. При работе обоих устройств в одном направлении судно может перемещаться лагом, что очень удобно при швартовке у пирса. Подруливающие устройства обеспечивают высокую маневренность в дрейфе и на малых ходах (при скорости не более 2-6 уз), поэтому их обычно ставят на судах, имеющих частые швартовки (например, на пассажирских судах, паромах, спасателях и др.). Подруливающее устройство на океанских пассажирских лайнерах и крупнотоннажных судах позволяет им входить в порты, подходить к причалу и отходить от него без помощи буксиров.
Рис. 66. Подруливающее устройство и вспомогательная движительно-рулевая колонка
В последнее время на некоторых танкерах встречается подруливающее устройство в виде водометного движителя, использующего энергию балластного, или грузового насоса. Интересны также применяемые на некоторых паромах, промысловых и исследовательских судах и на судах технического флота ВДРК - выдвигаемые под днищем поворотные колонки с гребным винтом, создающим упор в нужном направлении (рис. 66, б).
Как показывают расчеты, для удовлетворительной управляемости на малых ходах подруливающее устройство должно создавать упор, равный 40-60 кН (4-6 кгс) на каждый квадратный метр площади подводной части ДП судна.
Рулевое устройство обеспечивает управляемость судна, т. е. позволяет удерживать судно на заданном курсе и изменять направление его движения. Составными частями рулевого устройства являются: руль, рулевой двигатель, рулевой привод, пост управления и рулевая передача.
Руль служит непосредственно для сохранения или изменения направления движения судна. Он состоит из стальной плоской или обтекаемой пустотелой конструкции - пера руля и вертикального поворотного вала - баллера, жестко соединенного с пером. На верхний конец баллера (головку), выведенный на одну из палуб, насаживается сектор или рычаг - румпель.
К нему прилагается внешнее усилие, поворачивающее баллер. При установке пера руля в диаметральной плоскости движущегося судна оно будет сохранять направление движения.
Если перо руля отклонить от этого положения, то сила давления воды, действующая на перо, создаст вращающий момент, который повернет судно. Рулевой двигатель - паровая, электрическая, гидравлическая или электрогидравлическая машина, приводящая в действие руль.
Рулевой двигатель устанавливается у румпеля и соединяется с ним непосредственно, без промежуточных передач, или отдельно от румпеля.
Рулевой привод
передает усилие от рулевого двигателя к баллеру. Пост управления устанавливается в рулевой рубке. Он служит для дистанционного управления рулевой машиной через штурвал, контроллер или кнопочный пульт управления.
Органы управления монтируют обычно на одной колонке с авторулевым агрегатом, рядом устанавливают путевой магнитный компас и репитер гирокомпаса. Для контроля за положением пера руля относительно диаметральной плоскости судна на колонке управления и на лобовой переборке рубки устанавливают рулевые указатели - аксиометры.
Рулевая передача
служит для связи поста управления с пусковым механизмом рулевого двигателя. Наиболее простыми передачами являются механические, непосредственно соединяющие штурвал с пусковым устройством рулевого двигателя.
Но они имеют ряд существенных недостатков (низкий КПД, требуют постоянного ухода и др.) и на современных судах не применяются. Основными видами рулевых передач являются электрические и гидравлические.
рис. 61 Рули
а - обыкновенный плоский; б - обтекаемый; в - балансирный, г - полубалансирный
По конструкции пера рули могут быть плоскими и обтекаемыми.
Обыкновенный плоский руль
имеет ось вращения у передней кромки руля (рис. 61, а). Перо руля 1, изготовленное из стального листа толщиной 20-30 мм, имеет ребра жесткости 2, которые идут попеременно с одной и другой стороны пера.
Они отлиты или откованы заодно с утолщенной вертикальной кромкой руля - рудерписом 3, имеющим ряд петель 4 с надежно закрепленными в них штырями 5. Этими штырями руль навешивается на петли 6 рудерпоста 9. Штыри имеют бронзовую облицовку, а петли рудер-поста - бакаутовые втулки. Нижний штырь рудерписа входит в углубление пятки ахтерштевня 10, в которое для уменьшения трения вставляется бронзовая или бакаутовая втулка с закаленной стальной чечевицей на дне. Пятка ахтерштевня через чечевицу воспринимает на себя весь вес руля.
Для предупреждения смещения руля вверх
один из штырей, обычно верхний, на нижнем конце имеет головку. Верхняя часть рудерписа соединяется с баллером руля 8 при помощи специального фланца 7. Фланец несколько смещен от оси вращения, благодаря чему образуется плечо и облегчается поворот пера руля.
Смещенный фланец позволяет во время ремонта пера руля снять его с петель рудерпоста без подъема баллера, разобщив фланец и развернув перо и баллер в разные стороны.
Обыкновенные плоские рули просты по конструкции, отличаются прочностью, но создают большое сопротивление движению судна и требуют большого усилия для их перекладки. Поэтому на современных судах вместо плоских рулей применяются обтекаемые.
Перо обтекаемого руля
(рис. 61, б) представляет собой сварной металлический каркас, обшитый листовой сталью (стальная оболочка водонепроницаемая). Перу придают обтекаемую форму. Для уменьшения сопротивления воды движению судна на пере руля устанавливают специальные наделки - обтекатели и придают обтекаемую форму рудерпосту.
В зависимости от положения пера руля относительно оси его вращения рули подразделяются на обыкновенные, или небалансирные, балансирные и полубалансирные.
У балансирного руля
(рис. 61, в) часть пера расположена к носу судна от оси вращения. Площадь этой части, называемой балансирной, составляет от 20 до 30% всей площади пера. При перекладке руля давление встречных потоков воды на балансирную часть пера содействует повороту руля, уменьшая тем самым нагрузку на рулевую машину.
Балансирные рули, как правило, обтекаемые. Полубалансирный руль (рис. 61, г) отличается от балансирного тем, что его балансирная часть имеет меньшую высоту, чем основная.
Крепление балансирных и полубалансирных рулей осуществляется по-разному в зависимости от конструкции кормы и ахтерштевня судна. Кроме рассмотренных основных типов рулей, на некоторых судах применяются специальные рули и подруливающие устройства, позволяющие значительно улучшить маневренные качества судна. К ним относятся: активные рули, поворотные насадки, дополнительные носовые рули и подруливающие устройства.
Активные рули имеют обтекаемую форму.
В каплевидной наделке на пере руля вмонтирован электродвигатель, который приводит во вращение небольшой гребной винт, установленный за задней кромкой пера. Питание на электродвигатель подается через пустотелый баллер.
Активный руль упором рулевого винта позволяет эффективно разворачивать судно, имеющее малую скорость движения или не имеющее хода, что очень важно при плавании в узкостях, при швартовке и в других случаях.
Поворотная насадка представляет собой массивное кольцо
, закрепленное на баллере по типу балансирного руля. При повороте насадки струя воды, отбрасываемая гребным винтом, изменяет свое направление и этим обеспечивается поворот судна.
Такие насадки применяются на буксирах. Носовые рули балансирного типа устанавливаются в дополнение к основным для улучшения управляемости на заднем ходу. Они применяются на паромах и некоторых других судах.
Для улучшения маневренности судна используются также подруливающие устройства. Их гребные винты, насосы или крыльчатые движители создают упор в направлении, перпендикулярном ДП судна, чем способствуют эффективному развороту судна. Управляют подруливающими устройствами из рулевой рубки.
Традиционное рулевое устройство судна состоит из пера руля и деталей, обеспечивающих его перекладку на требуемый угол поворота. К этим деталям относятся штурвал, штуртрос, ролики, румпель, баллер и перо руля (рис. 2.17. ).
Рис. 2.17.
Схема традиционного рулевого устройства:
1 - штурвал;
2 - штуртрос; 3 - направляющие ролики; 4 - румпель секторного типа; 5 - баллер;
6 - перо руля
Современное рулевое устройство состоит из руля, рулевой машинки, боудена и кронштейна крепления боудена (рис. 2.18. ).
Рис. 2.18. Схема современного рулевого устройства: 1 - рулевой редуктор; 2 - кронштейн крепления; 3 - рулевое колесо; 4 - рулевой боуден
Рули бывают пассивными (традиционные) и активными (подвесной лодочный мотор (далее - ПЛМ), поворотно-откидная колонка (далее - ПОК) или водомет). Рули (пассивные) бывают различных типов (рис. 2.19. ).
Рис. 2.19.
Типы пассивных рулей:
а - навесной на транце; б -
подвесной балансирный; в - полубалансирный
Перо руля закрепляется на баллере, служащем для поворота пера руля на задаваемые углы. Перо руля может состоять из одной плоской пластины (пластинчатый руль) или иметь полую обтекаемую форму. На верхнюю часть баллера насаживается румпель в виде рычага для управления.
Для чего необходимы балансирный и полубалансирный рули? Во время движения судна на перо руля, отклоненное от диаметральной плоскости, давит сила, возникающая от обтекания водой. Эта подъемная сила, направленная горизонтально, сосредотачивается в одной точке - точке приложения всех равнодействующих сил давления. Она располагается примерно на 1/3 от передней кромки пера руля. Таким образом, чем ближе к баллеру располагается точка приложения сил давления, тем меньшее усилие передается от пера руля через баллер и румпель на штуртрос и далее на штурвал.
Рули могут не иметь снизу точки опоры или опираться на «пятку». На водоизмещающих судах устанавливают подвесные полубалансирные и балансирные рули. Рулевое устройство состоит из штурвала, на валу которого закреплен барабан штуртроса, который проложен по роликам вдоль бортов катера к корме и крепится там к сектору, ПЛМ или ПОК. Штуртрос состоит из гибкого стального, иногда оцинкованного троса диаметром 3-6 мм. На барабан штурвала штуртрос навивается несколькими шлагами (витками) и контрится.
На роликах штуртрос обычно испытывает значительное трение, ввиду чего нужна постоянная смазка. Существенный недостаток штуртросной проводки: она быстро вытягивается, появляется «слабина». Это устраняется при помощи подтягивания талрепов. На мотолодках до 5 метров вместо талрепов иногда ставят натяжные пружины. Штуртрос проводится так, чтобы на переднем ходу вращение штурвального колеса в какую-либо сторону вызывало отклонение носовой части судна в ту же сторону. Натяжение и прокладка штуртроса должны быть такими, чтобы исключить его «набегание» на реборды роликов, а также его касание с конструкциями судна. Диаметр роликов по ручейку не должен быть меньше 15-18 диаметров троса. Штуртрос не должен препятствовать откидыванию ПЛМ и ПОК при дистанционном рулевом управлении ими. В настоящее время на новых моторных судах штуртросовая проводка применяется редко. На современных судах устанавливаются рулевые устройства с боуденами. Схема устройства боуденов и разновидности кронштейнов на рис. 2.20.
Рис. 2.20. Схема устройства боуденов
На рисунке показано принципиальное устройство боудена. В зависимости oт назначения, т. е. усилия и расстояния, на которое оно передается, конструкция боуденов может быть различной. Боудены существуют двух видов - рулевой и управления газом и реверсом. Те и другие также существуют трех типов: для небольших усилий на коротких расстояниях, средние и для наиболее нагруженных конструкций на удаленном расстоянии. Как правило, рулевые боудены поставляют длиной от 8 до 22 футов с интервалом в один фут.
Рулевые машинки (редукторы) также существуют двух видов - обычные системы и рулевые управления с функцией NFB, т. е. фиксируются в остановленном положении и без помощи штурвала в первоначальное положение руль не возвращается. Соответственно тот и другой вид машинки существует нескольких типов, в том числе способных работать в паре. Если посты управления в каюте и на палубе, можно установить машинки, работающие параллельно. Рулевую машинку, а, следовательно, и рулевое колесо (штурвал) не зависимо от наклона конструкции судна, к которой крепится рулевая машинка, можно установить под углом, удобным водителю. Боуден рулевого управления может крепиться на самом моторе (если есть детали крепления), на транце судна и стенке подмоторной ниши в зависимости от особенностей конструкции судна. В соответствии с этим выбирается конструкция рычага (тяги), которая поворачивает мотор (см. рис. 2.20.). Какой длины нужен рулевой боуден - см. рис. 2.21.
Рис. 2.21. Схема выбора длины боуденов
Еще одна деталь рулевого управления. Если на судно устанавливается два мотора, они должны быть соединены траверсой (специальной тягой) для синхронного поворота обеих моторов. Современные водоизмещающие суда и относительно большие глиссирующие суда (более 10 м) оборудуются подруливающим устройством. В носовой подводной части, поперек судна, располагается туннель (труба). Внутри туннеля, в диаметральной плоскости, расположен гребной винт, приводимый в движение электромотором, который при включении создаст тягу, направленную поперек корпуса судна в ту или другую сторону. В кормовой части подруливающее устройство чаще устанавливается на транец в виде отдельного агрегата чуть выше уровня днища судна.
Рулевое устройство предназначено для сохранения заданного курса или изменения его в нужном направлении. В состав рулевого устройства входят руль, рулевой привод, рулевая машина и системы дистанционного управления рулевой машиной с ходового мостика.
Руль. Основными органами управления большинства современных морских судов являются рули: обыкновенные, балансирные и полубалансирные. На некоторых судах улучшение ходкости и управляемости достигается установкой винтов с насадками, активных рулей, подруливающих устройств, крыльчатых движителей и др. Перекладка обычных и активных рулей, а также поворотных насадок с нужной скоростью на требуемый угол (от диаметральной плоскости - ДП) или удержание их в заданном положении производится рулевой машиной.
Рулевой привод . Рулевые приводы делятся на две группы: с гибкой связью (штуртросовые, цепные) и с жесткой связью (зубчатые, винтовые, гидравлические).
Выбор типа рулевого привода обусловливается расположением рулевой машины на судне. На большинстве судов, особенно маломерных, рулевая машина располагается в рулевой рубке или под ней на уровне верхней палубы. При таком расположении рулевой машины ее связь с баллером руля осуществляется обычно через гибкую цепную или тросовую передачу. Охватывающую тяговый барабан рулевой машины цепь направляют через ролики вдоль бортов и присоединяют концами к сектору или румпелю, закрепленному на баллере руля. На. прямолинейных участках цепь часто заменяют стальными штангами. В бортовую проводку включают талрепные стяжки для выборки слабины и амортизирующие буферные пружины, работающие на сжатие.
На рис. 4.1 схематически изображен штуртросовый привод с рычажным румпелем.
Рис. 4.1. Схема штуртросового привода с рычажным румпелем
Румпель 5 представляет собой рычаг, один конец которого жестко насажен на головку 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. 4.2). Замена румпеля сектором позволяет уравнять длины сбегающего и набегающего тросов при перекладке пера руля.
Рис. 4.2. Схема секторного штуртросового привода
Рис. 4.3, Схема секторного зубчатого привода
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.
Секторный зубчатый рулевой привод показан на рис. 4.3.
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.
Расположение рулевой машины на корме в специальном румпельном отделении обеспечивает надежную связь машины с румпелем, однако при этом требуется довольно длинная кинематическая связь рулевой машины с ходовым мостиком.
В современном судостроении более широко применяются рулевые приводы с жесткой связью. Рулевые машины расположены в непосредственной близости от рулевого привода.
На рис. 4.4 изображен винтовой привод, который может приводиться в действие электродвигателем или ручным штурвалом.
Рис. 4.4. Винтовой привод
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.