ВИНТОРУЛЕВАЯ КОЛОНКА
STEERABLE PROPELLER

Изобретение относится к области судостроения и касается вопроса создания движительных, винторулевых и подруливающих комплексов и может быть использовано на судах различного типа и назначения.
Известны судовые поворотные винторулевые колонки, обеспечивающие движение и маневрирование судна в различных условиях, выпускаемые фирмами: ABB Group, Schottel, Rolls Royce, Wartsila, Steerprop и т.д.
Традиционная поворотная винторулевая колонка является управляемым движителем, содержащим жестко связанные между собой вертикальную стойку и гондолу, с размещенными внутри них элементами приводного механизма гребного винта. Стойка с гондолой с помощью механизма поворота имеет возможность поворачиваться вокруг вертикальной оси. Привод гребного винта может быть механическим, гидравлическим или электрическим. В качестве прототипа выбираем конструкцию с механическим приводом (См. Вестник Государственного университета морского и речного флота им. Макарова выпуск 4 (38) 2016 стр. 164-165), хотя настоящее изобретение может быть реализовано в колонках с любым приводом.
Винторулевая колонка в прототипе содержит следующие основные узлы: полую вертикальную стойку, соединенную с гондолой. Стойка вмонтирована в днище корпуса с возможностью поворота вокруг вертикальной оси с помощью механизма поворота. Мощность размещенного в корпусе судна двигателя передается от ведущего вала с помощью верхнего редуктора, на вертикальный вал, который проходит внутри вертикальной стойки. На нижнем конце вертикального вала в гондоле смонтирован нижний редуктор, который соединяет вертикальный вал с гребным валом и гребным винтом. Механизм поворота представляет собой зубчатое колесо на верхнем конце вертикальной стойки, которое связано зубчатой передачей с одним или несколькими двигателями. Вертикальная стойка проходит вверх в корпус морского судна сквозь отверстие в днище корпуса. В этом отверстии внутри корпуса судна на опорных подшипниках, установлен верхний конец вертикальной стойки. Так как подшипники располагаются снаружи вертикальной стойки, они имеют большие радиальные размеры, которые иногда достигают полутора метров. Это влечет за собой конструктивную и технологическую сложность в изготовлении и использовании таких подшипников, так как такие подшипники изготавливают только по специальному заказу. А это значительно увеличивает их стоимость, обслуживание и ремонт. Кроме того в процессе эксплуатации винторулевых колонок могут возникать дополнительные статические и динамические усилия от упора винта, приводящие к увеличению консольных нагрузок на подшипники.
Таким образом, задачей изобретения является создание более дешевой в изготовлении и эксплуатации винторулевой колонки.
Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, заключается в уменьшении диаметральных размеров опорных подшипников, удерживающих вертикальную стойку, что, в свою очередь, облегчит их изготовление и использование, уменьшит консольные нагрузки на подшипники и снизит, как их себестоимость, так и себестоимость винторулевых колонок в целом, улучшит ремонтопригодность.
Указанный технический результат достигается тем, что винторулевая колонка, как и прототип, содержит жестко связанные между собой, полую вертикальную стойку и гондолу, которые с помощью механизма поворота имеют возможность поворачиваться вокруг вертикальной оси. Внутри вертикальной стойки проходят элементы привода гребного винта. Сам привод гребного винта размещен в гондоле. В отличие от прототипа внутри вертикальной стойки, установлена труба, жестко связанная с корпусом судна. На этой трубе с помощью опорных подшипников (верхнего и нижнего) посажена вертикальная стойка. Трубу стоит выполнить максимальной длины, вплоть до нижнего редуктора в гондоле. Тогда плечо между подшипниками будет увеличено, а нагрузка на них уменьшена.
Для уменьшения веса и равномерного распределения нагрузки трубу, связанную с корпусом целесообразно выполнить сужающейся книзу в виде конуса.
Такая посадка вертикальной стойки на трубу позволяет уменьшить консольные нагрузки на опорные подшипники и значительно сократить их диаметральные размеры, что, в свою очередь, снизит их себестоимость, себестоимость винторулевой колонки и улучшит ремонтопригодность. Привод гребного винта осуществляется через полость трубы и, таким образом, может быть как механическим, через приводные валы и косозубые зубчатые колеса, так и может осуществляться гидравлическими или электрическими средствами.
Механизм поворота может быть выполнен таким же, как и в прототипе. Он представляет собой закрепленное на верхнем конце вертикальной стойки зубчатое колесо, которое связано зубчатой передачей с одним или несколькими двигателями.
Механизм поворота может быть выполнен и в виде аксиального-поршневого гидро- или пневмопривода на основе дифференциального кулачкового механизма (см. Крайнев А.Ф. «Словарь-справочник по механизмам», М., Машиностроение, 1987, стр. 98). В этом случае на поверхности колеса, закрепленного на верхнем конце вертикальной стойки, выполнен многократно повторенный торцовый кулачок (его называют также периодическим торцовым кулачком), с которым взаимодействуют толкатели, связанные с поршнями гидроцилиндров, причем число толкателей отличается от числа циклов торцевого кулачка.
Для иллюстрации изобретения приведем варианты конструкции винторулевой колонки с механическим приводом гребного винта, однако по изобретению может быть выполнена колонка с любым типом привода гребного винта и механизма поворота.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема заявляемой винторулевой колонки с механической передачей мощности на винт и механизмом поворота на основе зубчатого зацепления, приводимым в движение одним двигателем.
На фиг. 2 представлена принципиальная схема заявляемой винторулевой колонки с механизмом поворота в виде аксиального-поршневого гидропривода на основе дифференциального кулачкового механизма.
На фиг. 3 представлен механизм поворота в виде аксиального-поршневого гидропривода на основе дифференциального кулачкового механизма.
Винторулевая колонка (фиг. 1 и 2) содержит вертикальную стойку трубчатой конструкции 1 и гондолу 2, которые жестко связанны между собой. Вертикальная стойка 1 проходит вверх в корпус судна 3 сквозь отверстие в днище корпуса. Ниже верхнего конца вертикальной стойки 1 для предотвращения попадания воды в корпус судна установлено уплотнение 4. С точки зрения механического привода винта, колонка имеет три главные части: верхний конический редуктор 5, вертикальный вал 6 и нижний конический редуктор 7. Механизм передачи вращения от верхнего конического редуктора 5 на нижний конический редуктор 7 показан в упрощенном виде. Верхний конический редуктор 5 расположен внутри корпуса судна 3, он включает зубчатую передачу, которая образована из входного вала 8, заканчивающегося ведущим зубчатым колесом 9, которое находится в зацеплении с ведомым зубчатым колесом 10, установленным на верхнем конце вертикального вала 6. Вертикальный вал 6 расположен в полости трубы 11, жестко связанной с корпусом судна 3. На трубе 11 с помощью верхнего 12 и нижнего 13 опорных подшипников посажена вертикальная стойка 1. При этом консольные нагрузки на опорные подшипники уменьшаются. Для большего уменьшения консольных нагрузок трубу 11 целесообразно выполнить максимальной длины (фиг. 1), вплоть до нижнего редуктора 7 в гондоле 2. Тогда плечо между подшипниками 12 и 13 будет увеличено, а нагрузка на них уменьшена. Кроме того при такой посадке вертикальной стойки 1 значительно уменьшаются диаметральные размеры опорных подшипников 12 и 13, что позволяет использовать подшипники стандартного размера выпускаемые серийно. Это значительно снижает себестоимость и подшипников, и винторулевой колонки в целом, а также уменьшает сроки ремонтных работ при поломке подшипников. КВ гондоле 2 расположен нижний конический редуктор 7, который включает: ведущее зубчатое колесо 14, ведомое зубчатое колесо 15. Колесо 15 установлено на гребном валу 16 привода гребного винта 17. Механизм поворота вертикальной стойки 1 представлен шестерней 18 и зубчатым колесом 19, которое закреплено на верхнем конце вертикальной стойки 1. Шестерня 18 посажена на вал двигателя 20.
Винторулевая колонка на фиг. 2 отличается от винторулевой колонки на фиг. 1 тем, что для снижения массы конструкции и для равномерного распределения нагрузки по трубе 11, она выполнена сужающейся книзу, образуя конус. Размер сужения определяется пределом несущей способности опорного подшипника 13.
Механизм поворота на фиг. 2 выполнен в виде аксиально-поршневого гидропривода на основе дифференциального кулачкового механизма (см. фиг. 3). Механизм поворота в соответствии с изобретением содержит гидроцилиндры 21, толкатели 22 и торцовый кулачок 23. Гидроцилиндры 21 расположены в блоке по окружности, оси гидроцилиндров 21 параллельны друг другу и оси цилиндрового блока. На конце толкателей 22 в сферических лунках установлены шарики 24. Торцовый кулачок 23 имеет периодически повторяющуюся поверхность переменной кривизны. Число толкателей 22 отличается от числа циклов изменения профиля кулачка 23.
Работа заявляемой винторулевой колонки, представленной на фиг. 1, аналогична работе прототипа. Мощность размещенного в корпусе судна 3 двигателя, передается от входного вала 8 с помощью верхнего редуктора 5, на вертикальный вал 6. Вертикальный вал 6 расположен в полости трубы 11. Вращение вертикального вала 6 через нижний конический редуктор 7 передается гребному валу 16 и винту 17. Поскольку заявленная винторулевая колонка является управляемой, то вертикальная стойка 1 с гондолой 2 должна иметь возможность контролируемого поворота вокруг вертикальной оси. Для выполнения этого требования управляемый двигатель 20 вращает шестерню 18, которая поворачивает зубчатое колесо 19, вместе с вертикальной стойкой 1.
Механизм поворота на фиг. 2 и 3 работает следующим образом. При последовательном изменении давления в цилиндрах 21 приводятся в движение толкатели 22 с шариками 24, Шарики 24 взаимодействуют с периодическим торцовым кулачком 23. За счет боковой составляющей силы в точке контакта шарика и периодического кулачка создается вращательный момент механизма поворота. При полном цикле последовательных перемещений всех толкателей 22 кулачок 23, а вместе с ним и вертикальная стойка 1 повернутся на один угловой шаг кулачка. Такой механизм незаменим для винторулевых колонок, работающих в тяжелых условиях эксплуатации. Так, к примеру шуга или лед, или другие массивные и твердые объекты на пути судна создают на винты дополнительные нагрузки, под действием которых возникает поток обратной мощности на механизм поворота. Для колонок с механизмом поворота на основе зубчатого зацепления это приводит к жесткому удару и повреждению шестерен и зубчатых колес механизма поворота. Применение аксиально-поршневого гидропривода позволяет уменьшить жесткость удара путем изменения давления в гидроцилиндрах при обратном потоке мощности от винторулевой колонки. В случае поломки механизма поворота аксиально-поршневой привод легко отключается, что облегчает буксировку судна с неисправной винторулевой колонкой.