45-метровое каботажное судно, входящее в шлюз на скорости трех узлов, является самым ярким испытанием кормового руля направления. На такой скорости корпус сам по себе выталкивает слишком мало воды мимо лопасти, чтобы можно было управлять, и судно реагирует на руль только потому, что гребной винт гонит быстрый, закрученный столб воды прямо над крылом.
Этот единственный факт объясняет как логику дизайна, так и решение о покупке. Кормовой руль представляет собой профилированную лопасть, подвешенную по осевой линии судна за гребным винтом, и он поворачивает корпус, создавая боковую подъемную силу, а не «блокируя» воду. Короткий ответ для тех, кто задает такой вариант: используйте сбалансированную или полусбалансированную лопасть, примерно 20–28 процентов ее поперечной площади вперед от оси приклада, ограничьте ход до 35 градусов в каждую сторону и определите размер рулевого механизма по кривой крутящего момента руля направления при максимальном положении руля, как назад, так и вперед, а не по длине корпуса. В разделах ниже объясняется, почему эти цифры имеют значение и где их можно безопасно скорректировать.
Почему кормовое положение лучше, чем боковое весло
Кормовой руль превосходит боковое рулевое весло главным образом потому, что он работает внутри обоймы гребного винта, где скорость воды по крылу самая высокая.
Подъемная сила возрастает пропорционально квадрату скорости потока. Когда гребной винт ускоряет воду мимо лопасти, местная скорость через отверстие руля направления может примерно удвоиться, а боковая сила при том же угле руля может возрасти в несколько раз. Это физическая причина, по которой центральный кормовой руль направления сместил боковое весло в Северной Европе примерно между 12:00 и 1500 годами, задолго до того, как китайские верфи уже приняли его на вооружение. Вторая причина — симметрия: лопасть на средней линии создает одинаковую силу по левому и правому борту, тогда как бортовое весло ведет себя иначе, чем крен корпуса.
| Аспект | Кормовой руль | Боковое весло |
|---|---|---|
| Позиция | Центральная линия, прямо за гребным винтом | Одна четверть, смещенная от линии вала |
| Главный источник силы | Гидродинамическая подъемная сила плюс гонка пропеллера | Обтекаемость корпуса и угол стреловидности весла |
| Авторитет на низкой скорости | Высокая, даже при нулевой скорости лодки при работающем двигателе | Плохо, если весло не подметается физически. |
| Поведение, когда его накачивают | Предсказуемый, сила остается симметричной | Асимметричный, труднее исправить |
| Структурный спрос | Балка руля, шейка подшипника, цапфа или внутренние подшипники | Лопасть весла, точка опоры и усиление бортов корпуса |
Как лопасть на самом деле поворачивает корпус
Кормовой руль направления управляет, создавая подъемную силу, а подъемная сила гораздо больше зависит от угла атаки, чем только от площади лопастей.
Угол атаки и сваливания
Примерно до 30–35 градусов боковая сила возрастает почти линейно с увеличением угла поворота руля направления. За этой точкой поток отделяется от стороны низкого давления, подъемная сила падает, сопротивление возрастает, и лопасть начинает вибрировать. Вот почему почти каждая коммерческая система рулевого управления останавливается при угле 35 градусов в каждую сторону и почему правила классификации требуют, чтобы механизм поворачивал руль направления от 35 градусов с одной стороны до 30 градусов с другой не более чем за 28 секунд при номинальных условиях.
Гонка гребного винта и рулевое управление на остановленной скорости
Руль направления, расположенный непосредственно за гребным винтом, продолжает создавать силу при вращении двигателя, даже когда корпус неподвижен. На это полагаются швартовые и буксирные работы: лопасть не управляет судном, она управляет волной. Поэтому положение лопасти относительно апертуры винта имеет такое же значение, как и форма лопасти. Слишком большой зазор и гонка разливается по краям лезвия; слишком маленький зазор и эрозия наконечника ускоряется.
Коэффициент баланса и положение на складе
Коэффициент балансировки — это доля поперечной площади, расположенной вперед от оси штока, и это единственный наиболее эффективный способ снизить крутящий момент рулевого управления. Перемещение центра давления ближе к оси разрезает плечо рычага, поэтому хорошо сбалансированному лезвию может потребоваться лишь часть крутящего момента, чем несбалансированному лезвию такой же площади. Типичные коммерческие лезвия занимают от 20 до 28 процентов площади перед ложей; полусбалансированные лопасти, поддерживаемые скегом, используют аналогичную фигуру, в то время как скег несет несущую нагрузку, которая в противном случае нагружала бы ложу.
Типы кормовых рулей и где каждый из них подходит
Четыре семейства охватывают почти все коммерческие работы, и решающее различие заключается в том, как поддерживается лезвие, а не в контуре фольги.
| Тип | Поддержка и поворот | Типовые суда | Главный компромисс |
|---|---|---|---|
| Несбалансированный, скегированный | Лодка на передней кромке, вся площадь в корме | Малые суда, медленноходные рабочие лодки, баржи | Простой и надежный, но с самым высоким крутящим моментом рулевого управления для своей площади. |
| Полубалансный | Часть площадки перед ложей, поддерживаемая скегом, рогом или внутренними подшипниками. | Каботажные суда, рыболовные суда, буксиры, морское сопровождение | Умеренный крутящий момент с полезной защитой гребного винта |
| Полностью сбалансированная лопата | Единственная поддержка — акция, впереди 20–30 процентов площади. | Быстроходные паромы, яхты, патрульные и военно-морские суда | Самый низкий крутящий момент и самый чистый поток, но нет защиты в случае удара лезвия о землю или мусор. |
| Заслонка или откидная задняя кромка | Основное лезвие плюс откидной щиток на задней кромке. | Паромы и суда, нуждающиеся в большой подъемной силе при умеренном руле | Больше подъемной силы на градус руля, но требуются дополнительные связи и подшипники. |
Согласование крутящего момента на руле и рулевом механизме
Размер рулевого механизма должен выбираться исходя из максимального крутящего момента руля направления, а для сбалансированного лопасти этот пик обычно появляется где-то между 25 и 35 градусами руля, вперед и назад, а не на миделе.
Крутящий момент руля направления — это нормальная сила, действующая на лопасть, умноженная на расстояние от ее центра давления до оси баллера. Плечо рычага меняется в зависимости от угла, поэтому кривая крутящего момента поднимается, выравнивается и может снова упасть, прежде чем будет достигнут максимальный поворот. В каждом запросе используются две цифры: крутящий момент при угле 35 градусов, когда судно движется на полной скорости вперед, и крутящий момент в обратном направлении, который часто упускается из виду и часто приводит к перегрузке привода. Большинство строителей применяют расчетный запас, примерно в 1,5 раза превышающий расчетный крутящий момент вперед, чтобы учесть загрязнение, погодные условия и переходные ударные нагрузки, а само снаряжение должно быть сертифицировано классификационным обществом судна.
Для большего крутящего момента руля традиционным решением является румпель, приводимый в движение двумя противоположными гидроцилиндрами. исполнительные устройства вилочного типа ассортимент и широко используются на грузовых судах и буксирах. Лезвия меньшего размера или установки с ограниченным пространством вокруг ложи обычно лучше обслуживаются поворотным приводом.
Гидравлический рулевой механизм вилочного типа Поставщики Продукция Тунчжоу успешно получила признание крупных судовых инспекций, таких как ZC, CCS, ZY, BV, ABS, LR, DNV, NK, KR, BKI и т. д. Продукция экспортируется... Посмотреть продукт → Крутящая способность – это первый фильтр, но не единственный. Ход, монтажная площадь и положение ствола руля направления определяют, может ли физически быть установлен румпельный или поворотный блок. Опубликованные данные производителя однопалубных машиностроительных машин варьируются от 25 кН·м до 1350 кН·м для гидравлического рулевого механизма вилочного типа и от 8 кН·м до 600 кН·м для агрегатов с поворотным цилиндром, что показывает, насколько резко эти два семейства разделяются по размерам судна.
Поставщики гидравлического рулевого механизма с поворотным цилиндром Продукция Тунчжоу успешно получила признание крупных судовых инспекций, таких как ZC, CCS, ZY, BV, ABS, LR, DNV, NK, KR, BKI и т. д. Продукция экспортируется... Посмотреть продукт → Независимо от привода, крутящий момент, который он может передать, необходимо сверить с высокомоментные исполнительные механизмы спецификации соответствуют номинальному давлению в системе, а не настройке предохранительного клапана, и насосный агрегат должен постоянно поддерживать это давление во время длительного поворота на волнении.
Восемь цифр, которые нужно запомнить перед заказом
Правильный порядок руля направления оказывается неправильным, когда в спецификации остается число открытым, а восемь из них являются причиной большинства споров.
- Длина правила, обозначение класса и общество, которое будет свидетелем испытаний, поскольку рулевому механизму необходим собственный сертификат.
- Соотношение площади руля, как правило, составляет примерно от 1/50 до 1/70 от площади подводного борта (длина, умноженная на осадку) для одновинтового грузового судна, увеличиваясь до 1/40 или более для буксиров и судов, требующих жесткого маневрирования.
- Максимальный угол руля направления и угловая скорость, обычно 35 градусов в каждую сторону, время поворота измеряется в соответствии с требованиями правил.
- Диаметр заготовки, марка материала и детали муфты, будь то конус со шпонкой, бесшпоночное фрикционное соединение или фланцевое.
- Крутящий момент под каждым заданным углом вперед и назад с четко указанным расчетным запасом.
- Тип подшипника и смазка, самосмазывающаяся втулка или смазочный ниппель, а также интервал замены.
- Система покрытия и анодный припуск для смачиваемой лопатки и области отверстия.
- Комплект документации: сертификаты на материалы, протоколы неразрушающего контроля, протокол заводских приемочных испытаний и комплект запасных пломб.
Монтаж, допуски и точки износа, которые имеют значение
Большинство жалоб на кормовые рули направления в эксплуатации связаны с выравниванием и зазором подшипников при установке, а не с самим крылом.
Перед подсоединением привода ложа должна располагаться вертикально в пределах допуска изготовителя, а румпель или поворотная ступица должны быть установлены после завершения сварных швов корпуса, поскольку искажения при сварке смещают палубное кольцо и создают предварительную нагрузку на шейку подшипника. После закрытия гидравлического контура давление при вводе в эксплуатацию, фильтрация и удаление воздуха определяют, будет ли механизм работать тихо в течение многих лет или дребезжит с первого рейса.
Производители гидравлических силовых агрегатов Продукция Тунчжоу успешно получила признание крупных судовых инспекций, таких как ZC, CCS, ZY, BV, ABS, LR, DNV, NK, KR, BKI и т. д. Продукция экспортируется... Посмотреть продукт → | Контрольно-пропускной пункт | Почему это важно | Типичное действие |
|---|---|---|
| Вертикальность приклада и выравнивание подшипников шейки | Несоосность нагружает подшипник и уплотнение привода. | Проверьте перед соединением, развертыванием или прокладкой после сварки. |
| Зазор цапфы и пескаря | Slack проявляется как мертвая полоса за рулем и как стуки | Обновите куст, когда игра превышает лимит производителя; элемент опроса класса |
| Зазор между лезвием и диафрагмой | Слишком маленький зазор ускоряет кавитационную эрозию на кромке лезвия. | Соблюдайте зазоры для чертежа и проверяйте края при каждой стыковке. |
| Покрытие и аноды | Питтинг на передней кромке перерастает в трещины | Подкраска при каждом сухом доке, замена анодов по графику. |
| Состояние гидравлического масла | Попадание воды или частиц изнашивает насосы и клапаны. | Отбирайте образцы через фиксированные промежутки времени, меняйте фильтры по факту, а не по привычке. |
Риски закупок, которые стоит учитывать
Дорогостоящими ошибками при закупке кормовых рулей направления являются несоответствия в спецификациях, а не разница в ценах между поставщиками.
- Заявлен крутящий момент только при 35 градусах, а затем обнаружено, что обратный крутящий момент превышает номинал привода во время маневрирования в гавани.
- Заказ рулевого механизма и руля направления у разных поставщиков без единого чертежа интерфейса для диаметра ложи, шпоночного паза и отверстия румпеля.
- Принятие заводских испытаний при пониженном давлении, в результате которых скрывается насосный агрегат, который не может удерживать номинальный крутящий момент при длительном повороте.
- Оставление свидетельства классификационного общества в заказе на поставку, поэтому сертификат поступает после окна осмотра судна.
- Забывая о списке изнашиваемых деталей, который превращает плановую замену уплотнений в недельную закупку.
Часто задаваемые вопросы
Кормовой руль — это то же самое, что сбалансированный руль?
Нет. Стерн описывает, где установлено лезвие; сбалансированный описывает, какая часть его площади находится впереди оси приклада. Кормовой руль направления может быть несбалансированным, полусбалансированным или полностью сбалансированным, а решение по балансировке определяет размер рулевого механизма.
Может ли кормовой руль управлять кораблем, который не движется?
Да, пока пропеллер вращается и лопасть находится в движении. В этом случае сила исходит от ускоренной струи, а не от скорости корпуса, поэтому процедуры швартовки полагаются на короткие импульсы двигателя, а не только на рулевое управление.
Почему колесо чувствует себя слабым в средней части корабля?
Потеря движения вблизи нейтрального положения обычно указывает на износ втулки иглы, подшипника шейки или соединения румпеля, либо на наличие воздуха в гидравлическом контуре. Это признак механического зазора и редко проблема с фольгой.
Имеет ли профиль руля значение больше, чем площадь руля?
Площадь устанавливает потолок доступной силы, а профиль решает, какая часть этого потолка может быть достигнута до того, как поток остановится. Хорошо профилированное лезвие под углом 35 градусов обычно превосходит плоскую пластину большего размера, сдвинутую под тот же угол.
Как часто следует проводить обслуживание рулевого механизма?
Следуйте инструкциям производителя и циклу классификационных осмотров: анализ масла через определенные промежутки времени, фильтрация по показаниям и полная проверка подшипников, уплотнений и связей при каждом сухом доке.
Получите передаточное число, кривую крутящего момента и интерфейс привода прямо на этапе запроса, и кормовой руль станет одним из наименее проблемных элементов на судне. Оставьте любой из них открытым, и рулевая рубка почувствует это при первой же ветреной стоянке.
