Силовой привод рулевой машины

Полезная модель относится к области судового машиностроения, а именно к силовым приводам машин рулевых судовых, обеспечивающих перекладку и поддержание заданного угла поворота руля судна.
Известен силовой привод рулевой машины по международной заявке WO 2002/044022, (51) В63Н 25/30 F15B 15/12, (45) 19.04.2006, в котором поверхности статора и ротора выполнены шарообразными, при этом корпус статора силового привода выполнен из двух, жестко соединенных между собой половин, а рабочее сечение полостей представляет собой усеченный шар.
Данный силовой привод не способен работать при высоких давлениях рабочей жидкости в гидросистеме и, следовательно, создавать большой крутящий момент, поскольку возникающие из-за воздействия давления упругие деформации в корпусе способствуют раскрытию соединения двух половин, из которых он состоит, что, в свою очередь, приводит к потере герметичности рабочей камеры и внутренним перетечкам рабочей жидкости между полостями.
Для того, чтобы избежать этих процессов необходимо наращивать толщину стенок корпуса, что увеличивает металлоемкость конструкции и ее массу. Кроме того, из-за применяемой конструкции силового привода, в случае выхода из строя каких либо его внутренних частей, восстановление его работоспособности в условиях судна невозможно. Изготовление корпусов данного типа требует значительных затрат из-за высоких требований к точности и взаимному сопряжению деталей. В аналоге также отсутствует опорный подшипник, что создает необходимость создания пары трения между статором и ротором за счет применения соответствующих материалов, что делает конструкцию привода еще более сложной в изготовлении и требует соблюдения повышенной точности при формировании пар трения.
Данная особенность не позволит быстро восстановить работоспособность силового привода, так как для восстановления пары трения потребуется полная разборка и ремонт корпуса статора в заводских условиях. Помимо этого, в аналоге отсутствует возможность крепления упоров статора в вертикальной плоскости, тем самым снижается общая жесткость конструкции и возникает большой риск перетечек рабочей жидкости между полостями, что, в свою очередь, снижает КПД привода.
Также известен силовой привод рулевой машины по заявке DE 2544679, (51) В63Н 25/30, (43) 29.04.1976, имеющий сходную с предлагаемым силовым приводом компоновку корпуса, а также идентичное сечение рабочей камеры. Однако, примененный в данном силовом приводе опорный подшипник должен обеспечиваться смазкой, подводимой извне, что требует создания дополнительного контура смазки. К тому же, из-за выбранного конструктивного решения узла трения данный силовой привод не может использоваться в таких рулевых машинах, где опорный подшипник силового привода является также опорным подшипником для баллера руля судна с закрепленным на нем пером из-за высоких нагрузок, возникающих в местах крепления узла.
Данный силовой привод крепится к фундаменту судна через отверстие в корпусе, следовательно, используемые крепежные элементы испытывают не только нагрузку, приходящую с пера руля судна, но и нагрузку, создаваемую локальными упругими деформациями стенок корпуса привода, которые могут достигать значительных величин.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому техническому решению по совокупности признаков является силовой привод по международной заявке WO 2011/051233 А2, (51) F16J 15/54, (43) 05.05.2011, выбранный в качестве прототипа.
В данном силовом приводе используется система поджима уплотнений лопаток ротора давлением рабочей жидкости через установленные в лопатках ротора обратные клапаны, а также система каналов в роторе, соединяющих между собой пары отсеков, работающие совместно на нагнетание или слив. В качестве подшипников в приводе использованы сегментированные пластины из бронзосодержащих, или аналогичных по физико-механическим свойствам материалов. Крепление составных частей статора силового привода производится с помощью болтов и винтов с внутренним шестигранником.
Недостатком данного технического решения является то, что из-за наличия гидравлических связей между рабочими отсеками внутри ротора, в случае выхода из строя какого-либо уплотнения в одной из лопаток, силовой привод становится полностью неработоспособен вследствие уравнивания давлений рабочей жидкости в отсеках нагнетания и слива.
Кроме того, используемая в прототипе система поджима уплотнений лопаток ротора из-за наличия в них дополнительных деталей таких, как сборный ввертной обратный клапан, создает дополнительную вероятность отказа и влияет на общую надежность изделия. Также стоит иметь ввиду, что ввертной обратный клапан не герметичен и требует использования при сборке дополнительных герметизирующих составов, без применения которых будут происходить протечки по резьбе, сказывающиеся на общей работоспособности силового привода.
При этом составные части статора по прототипу (крышка, корпус и основание) скрепляются между собой при помощи болтов и винтов с внутренним шестигранником, при этом крышка крепится своими болтами, а основание - своими винтами, что не позволяет производить частичную разборку и замену вышедших из строя деталей без снятия силового привода с баллера руля судна.
В прототипе также использованы упорные подшипники, состоящие из сегментов. Недостатком этого решения является то, что помимо необходимости замены всех сегментов, при дефекте в одном, необходимо использовать надежное крепление для каждого сегмента, что снижает общую контактную площадь и повышает удельное давление на подшипник, что, в свою очередь, приводит к уменьшению срока службы данного подшипника.
Задачей, решаемой заявленной полезной моделью, является создание силового привода, имеющего улучшенные показатели надежности, ремонтопригодности и повышенный КПД, а также уменьшенные трудозатраты на монтаж, ремонт и обслуживание в процессе эксплуатации.
Техническим результатом заявленного технического решения является усовершенствование конструкции силового привода, а именно, создание силового привода, имеющего разгруженный упорный подшипник, увеличивающий КПД силового привода, а также легкоразборные статор и лопатки ротора.
Указанный технический результат достигается тем, что силовой привод рулевой машины содержит статор, соединенный с судном и состоящий из корпуса, верхней крышки, двух упоров и основания, ротор, вращающийся вокруг оси и установленный в статоре, две полости между статором и ротором, заполняемые рабочей жидкостью, две лопатки на роторе, разделяющие каждую полость между статором и ротором на два отсека, уплотнения лопаток на роторе для герметизации двух отдельных отсеков. Новым является то, что лопатка, установленная в паз ротора, не закреплена и состоит из двух разъемных частей корпуса, составного уплотнения конической формы и пружины, обеспечивающей самоустановку частей лопатки в нулевое положение. Каждый отсек силового привода роторной рулевой машины, образованный разделением полостей лопатками ротора, имеет индивидуальное подключение к гидравлической системе рулевой машины. При этом для упорного подшипника, установленного в основании статора, применена система гидравлической разгрузки. В статоре и роторе силового привода выполнены дренажные каналы для сбора утечек рабочей жидкости и смазки подшипников, находящиеся за пределами герметизируемой уплотнениями зоны, причем для крепления составных частей статора силового привода использованы сквозные шпильки с ввинчиваемым концом и гайкой.
В отличие от всех имеющихся на сегодняшний день аналогов и прототипа предлагаемый силовой привод имеет систему гидравлической разгрузки подшипника, содержащую в себе упорный подшипник, выполненный из бронзы или сходного по характеристикам материала, герметизирующие уплотнения и канал подвода гидравлической жидкости. Новым по сравнению с прототипом является то, что в данной системе, за счет подачи давления в зону подшипника, происходит отрыв контактной поверхности ротора от поверхности подшипника, тем самым создается искусственный масляный клин. Таким образом, создается жидкостное трение, которое в десятки раз меньше сухого. С учетом того, что основным фактором, снижающим КПД силового привода, являются потери на трение в подшипниках и уплотнениях, то ожидаемый эффект от нововведения составит 10-15% к общему КПД силового привода относительно прототипа.
В силовом приводе, по сравнению с прототипом, используются разъемные лопатки, устанавливающиеся в пазы ротора и при этом не имеющие жесткого крепления к ротору. Предлагаемая лопатка не имеет сходных конструктивных решений с используемыми в прототипе. В такой лопатке корпус состоит из двух, связанных между собой, половин, между которыми установлены прокладка из упругого материала и возвратная пружина, обеспечивающая некий зазор между половинами корпуса, а сечение канавки под уплотнение выполнено в форме конуса. В качестве уплотнений могут применяться составные уплотнения из упругого материала с металлическим основанием, которое в, свою очередь, выполнено также в форме конуса. Герметизация сечения отсеков данными уплотнениями происходит за счет сдвига одной из частей корпуса лопатки в сторону другой, при этом выбирается зазор, обеспеченный пружиной, и выталкивания металлического основания уплотнения из канавки за счет сближения конических поверхностей посадочного места под уплотнение. Применение данной лопатки позволяет отказаться от использования каналов и дополнительных клапанов в лопатке, что повышает ее надежность, а также упрощает монтажные работы с данной лопаткой из-за отсутствия крепежных элементов, требующих разборки.
В предлагаемом силовом приводе, в отличие от прототипа, в качестве крепежа для составных частей статора силового привода (корпуса, крышки и основания) применяются длинные шпильки с ввинчиваемым концом, которые ввинчиваются в основание, проходят через отверстия в корпусе и затягиваются гайками на крышке. Применение таких крепежных элементов позволяет разобрать статор даже в стесненных условиях судна, не снимая силовой привод с фундамента и баллера, тогда как проведение такой операции с приводом, представленным в прототипе, невозможно в силу того, что корпус закреплен через основание винтами, к которым после установки на судне нет доступа.
В отличие от прототипа предлагаемый силовой привод имеет дренажную систему - внутренние каналы, выполненные в упорах корпуса и роторе, что позволяет отводить рабочую жидкость, перетекшую через герметизирующие уплотнения, за пределы силового привода, предотвращая тем самым скопление жидкости за пределами герметизируемой зоны и, соответственно, исключая воздействие давления жидкости на составные части силового привода за пределами герметизируемой зоны, которое может привести к выходу из строя силового привода, создавая избыточные нагрузки. Таким образом, повышается общая надежность силового привода. При этом дренажная система обеспечивает смазку радиальных подшипников статора.
Предлагаемый силовой привод отличается от прототипа тем, что каждый отсек силового привода, образованный лопатками ротора, имеет индивидуальное подключение к гидравлической системе рулевой машины.
Такое решение позволяет работать силовому приводу на половинной мощности даже в случае выхода из строя уплотнений в одной из лопаток, что повышает надежность силового привода.
Общий вид силового привода представлен на фиг. 1, фиг. 3 и фиг. 4.
Вид сверху на силовой привод представлен на фиг. 2.
Силовой привод рулевой машины включает в себя статор, состоящий из корпуса 1, упоров 2, жестко связанных с корпусом или изготовленных с корпусом совместно из одной заготовки. Корпус соединен с крышкой 3 и основанием 4, которое служит для крепления силового привода к фундаменту судна. Крепление составных частей статора происходит за счет сквозных шпилек 5 с гайками.
Поворотный ротор, состоящий из ступицы 7 и лопаток 8, устанавливается в статор силового привода и жестко соединяется с баллером руля судна при помощи гидропрессового конусного соединения или цилиндрического соединения, или конусного соединения со шпонкой.
Внутренняя часть силового привода разделяется на полости двумя упорами 2, а каждая полость разделяется лопатками ротора 8 на 2 отсека.
Крышка и основание статора включают в себя упорные подшипники 9 и радиальные 10 (фиг. 1), причем упорный подшипник 9, установленный в основании, является частью системы гидравлической разгрузки, представленной на фиг. 5.
В ступице 7 ротора и упорах 2 (фиг. 3) выполнены каналы 11 и 12, соединенные, соответственно, с каналами 13 и 14 в крышке 3, которые являются частью дренажной системы силового привода, ко всему прочему, выполняющей роль системы смазки для радиальных подшипников 10. Выходы дренажной системы 13 и 14 в крышке 3 соединяются вне силового привода трубопроводной арматурой, по которой рабочая жидкость уходит в систему гидравлики рулевой машины (например, в бак или насосную станцию), при этом в трубопроводе, соединяющем дренажную систему силового привода с другими элементами гидросистемы, должен быть предусмотрен обратный клапан, создающий определенное давление подпора в системе за счет комплектной пружины.
Лопатка 8 ротора, изображенная на фиг. 1, фиг. 4 и фиг. 6, состоит из частей корпуса 15 и 16, упругих уплотнительных элементов 17 и 18, представляющих собой упругий элемент и металлическое основание, возвратной пружины 19 и упругой прокладки 20. При этом уплотнительные элементы лопатки имеют в сечении форму усеченного конуса.
Подвод рабочей жидкости в полости силового привода производится за счет отверстий в корпусе 21 и 22 (фиг. 4), при этом подвод может осуществляться как напрямую, так и через установленный на стенке корпуса 1 гидроблок, что является более предпочтительным.
Силовой привод работает следующим образом.
Через каналы 21 или 22 в отсеки силового привода под давлением подается рабочая жидкость, которая за счет разницы давлений в отсеках, разделенных лопатками 8 ротора, перемещает ротор, заполняя пространство между лопатками ротора и упорами 2 корпуса. Усилие, возникающее на лопатке ротора, создает крутящий момент на балл ере руля судна и, соответственно, на пере руля, что позволяет судну совершать поворот во время движения.
При этом лопатка ротора 8 создает герметичный барьер между двумя отсеками следующим образом: при подаче давления к одной из частей 15 или 16 корпуса лопатки (фиг. 6), за счет разницы давлений в рабочих полостях, одна часть корпуса сдвигается к другой, преодолевая действие пружины 19 и выталкивая металлическое основание уплотнительных элементов 17 и 18 по стенке канавки за счет сдвига примененного в ней конического профиля. Упругий элемент прижимается к соответствующей поверхности статора, создавая герметичный барьер между отсеками, тем самым обеспечивая необходимое усилие прижима. Величина усилия прижима зависит от давления напора рабочей жидкости и влияет на КПД силового привода. При уравнивании давлений в отсеках пружина 19 возвращает части корпуса лопатки в исходное положение. Это необходимо в случае, когда по каким-либо причинам требуется работать одной парой отсеков для снижения сопротивления от трения в уплотнительном узле, исключенном из рабочего цикла.
В силовом приводе для снижения потерь от контактного трения в упорном подшипнике 9, установленном в основании 4 статора, применена система гидравлической разгрузки, искусственно создающая масляный клин между поверхностями ступицы ротора 7 и упорного подшипника.
Схема системы гидравлической разгрузки представлена на фиг. 5.
Гидравлическая жидкость подается через ввертной штуцер, устанавливаемый в гнездо 23, на поверхность упорного подшипника 9 через канал 24. Далее происходит нагнетание давления в канале до тех пор, пока ступица ротора 7 не приподнимется над плоскостью подшипника 9, создав определенный зазор и выбрав таким образом часть зазора между упорным подшипником 9, установленным в крышке 3 (фиг. 1 и фиг. 3), и ступицей ротора 7, при этом необходимо убедиться, что зазор не выбран целиком. Установившееся в канале 24 давление следует считать окончательным и его необходимо поддерживать на протяжении срока эксплуатации силового привода. Поддержание давления может осуществляться, например, с помощью установленного в систему гидроаккумулятора.
Герметичность полости нагнетания системы гидравлической разгрузки обеспечивают кольцевые упругие уплотнения 25 и 26.
Положительная сторона системы гидравлической разгрузки состоит в том, что даже в случае ее отказа (например, из-за износа уплотнений) силовой привод не теряет работоспособности в целом, то есть применение этой системы увеличивает срок службы упорного подшипника 9, а также общий КПД силового привода ввиду снижения коэффициента трения.
Преимущество системы состоит также в том, что для создания давления нагнетания в канале 24 можно использовать ручной насос, обычно поставляемый совместно с рулевой машиной на судно, и дополнительно установленный обратный клапан, что не требует прокладки дополнительных труб на судне.
Современный как отечественный, так и зарубежный флот требуют, чтобы рулевые устройства судна были простыми в эксплуатации, требовали меньше времени и трудозатрат на обслуживание и ремонт, были максимально устойчивыми к аварийным ситуациям, имели повышенные показатели надежности и ремонтопригодности, обеспечивая при этом высокую эффективность в работе по перекладке рулей.
Технический результат заявленного силового привода, направленный на выполнение перечисленных выше требований, предъявляемых к рулевым устройствам судна, достигается за счет того, что применены следующие технические решения:
- система гидравлической разгрузки, повышающей КПД силового привода;
- быстросъемные лопатки, имеющие минимальное количество деталей;
- выполнение в форме конуса герметизирующих уплотнений лопаток, что позволяет создавать более эффективный прижим за счет большего сжимающего усилия, создаваемого корпусом лопатки, и гарантировать более высокий КПД;
- быстроразъемный статор, благодаря которому большинство операций по восстановлению работоспособности силового привода можно провести в максимально сжатые сроки и с минимальными трудозатратами;
-индивидуальное подключение отсеков силового привода к гидросистеме рулевой машины.
За счет повышенного КПД заявляемый силовой привод может развить больший крутящий момент при сохранении массогабаритных показателей по сравнению с прототипом.
Разработка выполнена на базе современных технологий, применяемых в силовых приводах рулевых машин последнего поколения, в обеспечение реализации программы импортозамещения.