Расчет рулевого устройства судна

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Рулевое устройство служит для изменения направления движения судна, обеспечивая перекладку пера руля на некоторый угол в заданный промежуток времени.

Основные элементы рулевого устройства показаны на рис. 1.

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.

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 Т). 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 гельм- портовую трубу. На верхней части баллера (голове) крепится на шпонке рычаг, называемый румпелем , служащий для передачи вращательного момента от привода через баллер на перо руля.

Рис. 1. Рулевое устройство. 1 -- перо руля; 2 --баллер; 3 -- румпель; 4 -- рулевая машина с рулевым приводом; 5 --гельмпортовая труба; 6 -- фланцевое соединение; 7 -- ручной привод

Судовые рули принято классифицировать по следующим признакам (рис. 2).

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 пера руля; в) подвесные -- висящие на баллере.

По положению оси вращения относительно пера руля различают рули:
а) пебалапсириые -- с осью, размещенной у передней (входящей) кромки пера; б) полубалансирные -- с осью, расположенной на некотором расстоянии от передней кромки руля, и отсутствием площади в верхней части пера руля, в нос от оси вращения.

Рис. 2. Классификация судовых рулей в зависимости от способа крепления их с корпусом и расположения оси поворота: а -- небалансирные; б-- балансирные. 1 -- простой; 2 -- полуподвесной; 3 -- подвесной

в) балансирные -- с осью, расположенной так же, как у полу- балансирного руля, но с площадью балансирной части пера на всю высоту руля.

Отношение площади балансирной (носовой) части ко всей площади руля называется коэффициентом компенсации, который у морских судов лежит в пределах 0,20--0,35, а у речных 0,10--0,25.

Рулевой привод представляет собой механизм, передающий на руль усилия, развиваемые в рулевых двигателях и машинах.

Рулевая машина на судах приводится в действие электрическими или электрогидравлическими двигателями. На судах длиною менее 60 м разрешается вместо машины установка ручных приводов. Мощность рулевой машины выбирается исходя из расчета перекладки руля на предельный угол до 35° с борта на борт за 30 сек.

Рулевой привод предназначается для передачи команд от штурмана из рулевой рубки к рулевой машине в румпельное отделение. Наибольшее применение находят электрическая или гидравлическая передачи. На малых судах применяются валиковые или тросовые приводы, в последнем случае этот привод называют -- штуртросовым.

Рис. 3. Активный руль: а -- с конической передачей на винт; б -- с электромотором водяного исполнения

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 румпель- ном отделении или вблизи от него.

На малых ходах 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 и кораблях) 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) представляет собой перо обтекаемого руля, на задней кромке которого установлена насадка с гребным винтом, приводящимся в движение от валиковой кони- ческой 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.

Поворотная насадка , установленная вместо руля, при перекладке на борт отклоняет отбрасываемую гребным винтом струю воды, реакция которой вызывает разворот кормовой оконечности судна. Поворотные насадки преимущественно находят применение на речных судах.

Подруливающие устройства выполняются обычно в виде туннелей, проходящих через корпус, в плоскости шпангоутов, в кормовой и носовой оконечностях судна. В туннелях размещается гребной винт, крыльчатый или водометный движитель, создающие струи воды, реакции которых, направленные от противоположных бортов, разворачивают судно. При работе кормового и носового устройства на один борт судно перемещается лагом (перпендикулярно диаметральной плоскости судна), что очень удобно при подходе или отходе судна от стенки.

Крыльчатые движители, установленные в оконечностях корпуса также увеличивают маневренность судна.

Рулевое устройство подводной лодки обеспечивает более разнообразные ее маневренные качества. Устройство предназначается для обеспечения управляемости подводных лодок в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Управление подводной лодкой в горизонтальной плоскости обеспечивает плавание лодки по заданному курсу и осуществляется вертикальным и рулями , площадь которых несколько больше площади рулей надводных судов и определяется в пределах 2--3 % от площади погруженной части диаметральной плоскости лодки.

Управление подводной лодкой в вертикальной плоскости на заданной глубине обеспечивается при помощи горизонтальных рулей.

Рулевое устройство горизонтальных рулей состоит из двух пар рулей с их приводами и передачами. Рули делаются парными, т.е. на одном горизонтальном баллере располагаются по бортам лодки два одинаковых пера руля. Горизонтальные рули бывают кормовыми и носовыми в зависимости от места расположения по длине лодки. Площадь кормовых горизонтальных рулей больше площади носовых рулей в 1,2--1,6 раза. Благодаря этому эффективность кормовых горизонтальных рулей в 2--3 раза выше эффективности носовых. Для увеличения момента, создаваемого кормовыми горизонтальными рулями, их обычно располагают за винтами.

Носовые горизонтальные рули на современных подводных лодках являются вспомогательными, их делают заваливающимися и устанавливают в носовой надстройке выше ватерлинии, чтобы не создавать дополнительного сопротивления и не мешать управлению лодкой при помощи кормовых горизонтальных рулей на больших скоростях подводного хода.

Обычно на полной и средней скорости подводного хода управление подводной лодкой производится при помощи одних кормовых горизонтальных рулей.

При малой скорости хода управление лодкой кормовыми горизонтальными рулями становится невозможным. Скорость, при которой лодка теряет управляемость, называется инверсивной скоростью. На этой скорости лодка должна управляться одновременно кормовыми и носовыми горизонтальными рулями.

1. Исходные данные

В связи с тем, что между рулевой рубкой и румпельным отделением находится машинное отделение, возникает необходимость использования двух направляющих блоков с каждого борта. В качестве штуртроса используется стальной трос диаметром . Радиус сектора принимаем . Радиус штуртросового барабана .

.

.

.

Крутящий момент на бараебан:

.

Поскольку барабан вращается на двух подшипниках необходимо добавить 1 % на потерю на углах трения: .

По правилам Морского Регистра Судоходства сила на рулевом колесе не должна превышать 0,12 кН, следовательно:

.

С целью уменьшения радиуса рулевого колеса имеет смысл уменьшить радиус штуртросового барабана:

.

.

.

2. Прочностной расчет узлов и деталей рулевого механизма.

Расчетные нагрузки

Условный минимальный момент действующий на рулевой механизм.

=.

.

.

.

.

В дальнейших расчетах вместо нагрузки F принимается F3, а значение F2 принимается равным нулю.

Поперечная сила на баллере:

Расчетный изгибающий момент: .

Расчетный изгибающий момент .

.

.

.

Баллер руля в первом приближении.

.

Момент инерции баллера:

.

Расчет элементов пера руля.

Толщина наружной обшивки.

.

.

на 0,35 длины от носика.

на 0,65 длины от хвостика.

.

.

Минимальная толщина обшивки:

Принимаем толщину обшиивки пера руля .

Толщина ребер и диафрагм пера руля.

Толщина ребер и диафрагм принимается равной толщине обшивке

Спрямление условных поясков дает дополнительный запас прочности.

Моментинерции:

.

Момент сопротивления:

.

.

.

.

.

.

Расчетный изгибающий момент .

.

Расчетный изгибающий момент .

.

Расчетный изгибающий момент:

.

Расчетная реакция опоры 2.

.

Расчетная реакция опоры 4.

.

Расчетный изгибающий момент действующий в любом сечении баллера.

.

Момент сопротивления, площади поперечного сечения пера руля.

Момент сопротивления, площади поперечного сечения пера руля должен быть не менее:

.

Момент сопротивления удовлетворяет требования .

Баллер руля.

Диаметр головы баллера.

.

Баллер должен удовлетворять требованию: .

.

.

.

.

Баллер не удовлетворяет требованиям.

Примем .

.

.

.

Баллер удовлетворяет требованиям.

Момент инерции баллера:

.

Диаметр баллера в районе подшипников.

Диаметр в районе подшипников увеличиваем на 10-15 % для возможной расточки в процессе эксплуатации.

.

.

Примем диаметр в районе подшипников равный

Соединение баллера с пером руля.

Принимается схема болтового соединения с горизонтальными фланцами.

Диаметр соединения болтов должен быть не менее:

должно быть не менее 0,9 диаметра баллера в районе соединения.

.

-принято конструктивно.

.

.

Диаметр болта в резьбовом соединении должен быть не менее:

принято конструктивно.

.

Болт удовлетворяет требованию.

Толщина соединительных фланцев должна быть не менее:

Принимаем

Отстояние центров болтов от кромки фланцев принимаем равное толщине фланца.

Штырь руля.

Диаметр штыря должна быть не менее:

Принимаем

Длина цилиндрической части должна быть:.

Длина конической части должна быть: .

Принимаем .

Конусность по диаметру должна быть не более .

Принимаем диаметр у вершины конусной части

Нарезная часть: диаметр должен быть не менее:.

Принимаем

Гайка.

Наружный диаметр должен быть не менее:.

Высота гайки не менее: .

Длина нарезной части.

Длина нарезной части уточняется в процессе изготовления или по чертежу.

Проверка штыря по удельным давлениям.



принято конструктивно.

.

Штырь удовлетворяет требованиям для трущейся пары: сталь по бронзе при смазывании водой.

.

Толщина материала петли должна быть не менее 0,5 диаметра штыря. Окончательный размер уточняется по чертежу.

3. Выбор площади рулевого устройства в первом приближении

.

.

.

Определение высоты брускового киля.

.

Определение высоты пера руля.

.

Определение эффективности рулевого устройства:

, если меньше 0,866.

данные сняты с теоретического чертежа.

.

.

.

.

.

.

.

Определение площади рулевого устройства во втором приближении.

.

.

Таким образом принимаем

4. Расчет гидродинамических характеристик руля

.

Т.к. то судно является среднескоростным, из чего следует, что для пера руля необходимо выбрать профиль НАСА.

Расчет нормальной силы и момента на баллере руля.

.

Т.к. , то пересчет гидродинамических коэффициентов делать ненужно.

Коэффициент компенсации методом последовательных приближений выбран

Максимальное значение момента на переднем ходу Для выбора рулевой машины предварительна добавим 30% на потерю в узлах трения: ,округляем до .

5. Расчет рулевой машины

Поскольку момент возникающий на баллере относительно мал, то с экономической точки зрения оптимальной рулевой машиной является машина с ручным приводом, а именно штуртросовый привод.

Подшипник баллера.

Опорный подшипник.

В качестве опорного подшипника будет установлен подшипник скольжения.

Подшипник должен удовлетворять следующему условию:

.

.

- диаметр баллера вместе со вкладышем.

- длина втулки подшипника.

.

Значение согласовывается с регистром.

Толщина корпуса подшипника.

Принимаем

Верхний опорно-упорный подшипник.

Верхний подшипник принимаем по ОН9-668-67 тип 2.

Нагрузка действующая на опору.

.

.

.

вес пера руля.

вес баллера.

Подшипник может выдержать нагрузку , следовательно данный подшипник нас удовлетворяет.

Аварийное рулевое устройство.

В качестве аварийного рулевого устройства применяем рычаг, который через отверстие в палубе одевается на баллер.

Расчет момента на баллере.

По Правилам Морского Регистра Судоходства расчет должен вестись на скоростях не менее 4 узлов.

;

Таким образом

Добавим 30 % на потерю в узлах трения.

По правилам усилие на аварийном приводе не должно быть более 0,18 кН; таким образом длина румпеля будет:

C целью уменьшения усилия примем

рулевой баллер изгибающий соединительный

Список использованных источников

1. Техническое обслуживание и надёжность автомобилей. / Кузнецов Е.С. Изд-во «Транспорт», 1972. - 224с.

2. Положение о техническом обслуживании и ремонте подвижного состава автомобильного транспорта. - М.: Транспорт, 1986. - 72с.

3. Положение о техническом обслуживании и ремонте подвижного состава автомобильного транспорта.: утв. М-вом автомоб. трансп. РСФСР 26.04.76. Ч2: Нормативная. Автобусы 695М, 695Н, 697М, 697Н; Гос. НИИ автомоб. трансп. - М.: Транспорт, 1979. - 40с. - 10к.

4. ГОСТ Р51709-2001 «Требования безопасности к техническому состоянию и методы проверки».

5. Техника транспорта, обслуживание и ремонт / Сост. С.Г. Павлишин. - Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2007. - 20с.

Размещено на Allbest.ru

...