Судовое рулевое устройство
SHIP STEERING DEVICE

Изобретение относится к области судостроения, в частности, к конструкциям рулевых устройств судов.
Известно судовое рулевое устройство, содержащее профилированное перо руля, состоящее из основной части, закрепленной на баллере, установленном в вертикальной продольной плоскости судна, закрылка, расположенного позади основной части по ходу судна и сообщенного с нею посредством шарнира с вертикальной осью поворота, причем баллер снабжен приводом поворота закрылка (см. http://becker-marine-systems.com/05_downloads/zzpdf/product_pdf/Becker_ Product_Brochure.pdf).
Недостатком известного решения является низкая эффективность управления судном.
В качестве ближайшего аналога принято судовое рулевое устройство, содержащее профилированное перо руля, состоящее из основной части, закрепленной на баллере, установленном в вертикальной продольной плоскости судна, закрылка, расположенного позади основной части по ходу движения судна и сообщенного с нею посредством шарнира с вертикальной осью поворота, причем баллер снабжен приводом поворота закрылка, баллер жестко скреплен с основной частью пера руля, при этом привод поворота закрылка содержит поворотный вал, ось поворота которого размещена в одной вертикальной продольной плоскости судна с осью поворота баллера, причем конец поворотного вала снабжен втулкой, ось которой перпендикулярна оси поворота поворотного вала, через которую пропущен с возможностью возвратно-поступательного движения шток, конец которого снабжен отгибом, жестко скрепленным с закрылком (см. патент РФ № 2551948, МПК B 63 H 25/08, дата публикации 10.06.2015).
Недостатком ближайшего аналога является то, что при повороте в сторону любого борта независимо от направления движения (передним или задним ходом) руль принимает форму, наиболее эффективную при движении передним ходом. При движении задним ходом такая форма руля по отношению к набегающему с кормы потоку наименее эффективна, и ее эффективность ниже, чем у обычного руля неизменяемой формы. Снижение управляемости усугубляется тем, что при движении задним ходом судно всегда хуже «слушается» руля из-за пониженной скорости движения.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка конструкции рулевого устройства с высокой эффективностью управления, в том числе при движении судна задним ходом и при малых скоростях движения судна.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в расширении функциональных возможностей и повышении эффективности управления при движении судна как передним, так и задним ходом.
Поставленная задача решается тем, что в судовом рулевом устройстве, содержащем профилированное перо руля, состоящее из основной части, жестко закрепленной на баллере, установленном в вертикальной продольной плоскости судна, закрылка, расположенного позади основной части по ходу движения судна и сообщенного с нею посредством шарнира с вертикальной осью поворота, причем основная часть пера руля снабжена приводом поворота закрылка, содержащим поворотный вал с вертикальной осью поворота, причем конец поворотного вала снабжен втулкой, ось которой перпендикулярна оси поворота поворотного вала, через которую пропущен с возможностью возвратно-поступательного движения шток, конец которого снабжен отгибом, жестко скрепленным с закрылком, поворотный вал выполнен с возможностью перемещения в поперечной плоскости судна, для чего он сопряжен с ползуном с возможностью вращения вокруг своей оси поворота, причем ползун снабжен приводом и выполнен с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль направляющих, установленных в поперечной плоскости судна.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки «[поворотный вал] с возможностью вращения сопряжен с ползуном» и «ползун снабжен приводом» обеспечивают вращение поворотного вала одновременно с его перемещением и синхронно с поворотом баллера при движении судна задним ходом.
Признаки «поворотный вал выполнен с возможностью перемещения в поперечной плоскости судна» и «ползун выполнен с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль направляющих, установленных в поперечной плоскости судна» позволяют менять расстояние между поворотным валом и вертикальной продольной плоскостью, в которой расположен баллер 2 и, как следствие, – обеспечить поворот закрылка в сторону, противоположную повороту основной части пера руля при движении судна задним ходом.
На фиг.1 изображен общий вид судового рулевого устройства с вертикальным продольным разрезом привода поворота закрылка по оси поворота поворотного вала.
На фиг.2 изображена схема работы судового рулевого устройства во время поворота при прямом (а) и заднем (б) ходах судна.
На фиг.3 показана расчетная схема судового рулевого устройства при движении судна задним ходом.
На чертежах показаны основная часть 1 пера руля, баллер 2, закрылок 3 пера руля, шарнир 4 с вертикальной осью поворота, поворотный вал 5, ось поворота 6 поворотного вала 5, втулка 7 и шток 8 привода поворота закрылка 3, отгиб 9 штока 8, ползун 10, привод 11 ползуна 10, направляющие 12.
Основная часть 1 пера руля жестко закреплена на баллере 2, который установлен в вертикальной продольной плоскости судна (для одновинтового судна – в диаметральной плоскости) и снабжена приводом поворота закрылка 3.
Закрылок 3 пера руля расположен позади основной части 1 по ходу судна и сообщен с нею посредством шарнира 4 с вертикальной осью поворота.
Поворотный вал 5 выполнен с возможностью перемещения в поперечной плоскости судна, для чего он сопряжен с ползуном 10 с возможностью вращения вокруг своей оси поворота 6 известным образом, например с помощью подшипника скольжения, а конец поворотного вала 5 снабжен втулкой 7, ось которой перпендикулярна оси поворота 6 поворотного вала 5, через которую пропущен с возможностью возвратно-поступательного движения шток 8, конец которого снабжен отгибом 9, жестко скрепленным с закрылком 3.
Ползун 10 снабжен приводом 11 и выполнен с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль направляющих 12, установленных в поперечной плоскости судна.
Привод 11 имеет известную конструкцию – гидравлический, пневматический и т.п.
Средство синхронизации поворота баллера 2 и перемещения ползуна 10 известной конструкции (на чертежах не показано) является одним из элементов системы управления рулевым устройством известной конструкции и контролирует угол перекладки основной части 1 пера руля и смещение оси 6 поворотного вала 5. Оно должно быть настроено таким образом, чтобы при движении судна задним ходом независимо от величины угла перекладки руля ось 6 поворотного вала 5 находилась дальше от вертикальной продольной плоскости, в которой расположен баллер 2, чем продольная ось симметрии основной части 1 пера руля.
Устройство работает следующим образом.
В исходном положении и при движении судна по прямой передним ходом привод 11 ползуна 10 отключают, а ось поворота 6 поворотного вала 5 находится в той же вертикальной продольной плоскости судна, что и баллер 2. Основная часть 1 пера руля вместе с закрылком 3 образуют единый симметричный профиль.
При движении судна передним ходом для его поворота поворачивают баллер 2 и жестко скрепленную с ним основную часть 1.
Поворот баллера 2 вокруг его оси приводит к изменению расстояния между точкой крепления отгиба 9 штока 8 к закрылку 3 и поворотным валом 5 за счет возвратно-поступательного движения штока 8 во втулке 7.
В результате происходит поворот закрылка 3 относительно основной части 1 пера руля на определенный угол, величина которого зависит от угла перекладки основной части 1 пера руля и взаимного расположения по длине судна оси баллера 2 и оси втулки 7. При этом закрылок 3 разворачивается в ту же сторону, что основная часть 1, создавая тем самым вогнуто-выпуклый профиль пера руля, обеспечивающий его наибольшую эффективность при движении судна передним ходом.
При движении судна задним ходом включают привод 11 ползуна 10, средство синхронизации поворота баллера 2 и перемещения ползуна 10 и поворачивают баллер 2 и жестко скрепленную с ним основную часть 1 пера руля вокруг его оси поворота.
Поворот основной части 1 пера руля приводит к синхронному перемещению ползуна 10 с помощью привода 11 по направляющим 12 в сторону поворота судна и вращению поворотного вала 5 вокруг своей оси поворота 6.
Как следствие, изменяется не только расстояние между точкой крепления отгиба 9 штока 8 к закрылку 3 и поворотным валом 5 за счет возвратно-поступательного движения штока 8 во втулке 7, но и расстояние между вертикальной продольной плоскостью, в которой расположен баллер 2 и поворотным валом 5 за счет перемещения ползуна 10.
За счет работы средства синхронизации ось 6 поворотного вала 5 находится дальше от вертикальной продольной плоскости, в которой расположен баллер 2, чем продольная ось симметрии основной части 1 пера руля, как следствие, закрылок 3 поворачивает в сторону, противоположную повороту основной части пера руля 1, создавая тем самым вогнуто-выпуклый профиль пера руля, обеспечивающий его наибольшую эффективность при движении судна задним ходом.
Для эффективной эксплуатации устройства необходимо определить зависимость между необходимым смещением оси 6 поворотного вала 5 от вертикальной продольной плоскости судна, в которой расположен баллер 2, и углом перекладки основной части 1 пера руля, т.е. длину отрезка AD в зависимости от угла α.
На фиг. 3 обозначены:
а (отрезок AG) – расстояние от оси баллера 2 до поперечной плоскости, в которой расположена ось 6 поворотного вала 5;
c (отрезок EG) – расстояние между осью баллера 2 и осью вращения закрылка 3;
α – угол перекладки основной части 1 пера руля относительно вертикальной продольной плоскости судна, в которой расположен баллер 2;
β – угол поворота закрылка 3 относительно основной части 2 пера руля.
Представим длину отрезка  в виде суммы отрезков
или  (1)
Отрезок , а ,
Тогда .
Отрезок .
Подставляя FB и BG, получим
.
Откуда
Или .
Искомый отрезок  (2)
Где ;
.
Подставляя AB и BD в (2), получим
.
Для определения величины угла β необходимо провести специальное исследование. Расчетным или опытным путем следует определить зависимость угла поворота закрылка относительно основной части пера руля β от угла перекладки основной части α, т.е.
,
при которой обеспечивается наибольшая эффективность руля.
Тогда .
Полученная формула определяет необходимое оптимальное смещение AD оси поворотного вала от вертикальной продольной плоскости судна, в которой расположен баллер, которое функционально связано с углом перекладки основной части пера руля α. Полученный алгоритм должен быть заложен в систему управления рулевым устройством.