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.
