Гидравлическая система электрогидравлической рулевой машины

Полезная модель относится к гидравлическим системам судовых электрогидравлических рулевых машин.
Известна гидравлическая система роторной рулевой машины (19) CN 201179975Y (45) 2009.01.14 «Direct driving type helm gear», содержащая размещенные на корпусе силового привода насосные агрегаты, через блоки клапанов гидравлически связанные с рабочими полостями силового привода. При этом блоки клапанов содержат фильтры, клапаны подпитки, гидравлические замки и предохранительные клапаны.
Недостатком известной системы является то, что рулевая машина с известной гидравлической системой теряет работоспособность при наличии внешних и внутренних утечек гидравлической жидкости, а также при потере электрического питания.
Известна рулевая машина с устройством аварийного рулевого управления (19) 1184362117 (А), (45) 1982.12.07 «Marine steering gear with emergency steering means», реализованным с помощью судового рулевого механизма, оснащенного средством аварийного рулевого управления, которое содержит клапан аварийного направленного управления, способный пополнять гидравлическую текучую среду или масло во множество камер давления привода через обратные клапаны и запорные клапаны, а также предохранительный клапан, предназначенный для установки требуемого давления нагнетания и размещения в гидравлических магистралях для подачи рабочей жидкости через распределительный клапан, обратные клапаны и запорные клапаны с целью принудительного уменьшения объема воздуха в камерах давления и, тем самым, удержания пера руля по существу в состоянии гидравлической фиксации.
Недостатком известной системы является то, что в случае применения известного механизма аварийного управления для роторной рулевой машины не обеспечивается надежная фиксация пера руля при наличии внутренних протечек в одной из камер силового привода, а также при потере электрического питания.
Наиболее близкой по совокупности признаков гидравлической системой к заявленной и принятой за прототип является гидравлическая система электрогидравлической рулевой машины (19) SU 284145 (А1), (45) 1999.07.27 «Электрогидравлическая рулевая машина», содержащая силовой исполнительный механизм с накрест расположенными цилиндровыми камерами, кинематически связанный с баллером руля и гидравлически сообщенный с двумя насосными агрегатами, двумя дополнительными баками с реле уровня жидкости, двумя цистернами резерва жидкости и системой заполнения-осушения машины, причем каждый насосный агрегат включает в себя насос регулируемой подачи, вспомогательный насос управления и подпитки, электродвигатель с аппаратурой управления, реле контроля температуры и охладитель рабочей жидкости, при этом охладители рабочей жидкости сообщены с электроприводным насосом, имеющим пусковой аппарат с контактором, отличающаяся тем, что с целью повышения надежности и улучшения условий обслуживания она снабжена двумя коробками запорно-проходных клапанов, каждая из которых установлена на гидравлических линиях, соединяющих насосный агрегат с силовым исполнительным механизмом, и включает в себя четыре основных и три вспомогательных запорно-проходных клапана, имеющих входы и выходы, при этом входы одной пары основных запорно-проходных клапанов соединены с гидравлическими линиями насосного агрегата, а другой пары - с входами соответствующей пары основных запорно-проходных клапанов второй клапанной коробки, входы двух вспомогательных запорно-проходных клапанов соединены с системой заполнения-осушения, а вход и выход одного вспомогательного запорно-проходного клапана и выходы всех остальных запорно-проходных клапанов соединены с цилиндровыми камерами силового исполнительного механизма.
Недостатками известной гидравлической системы являются:
- конструктивная сложность коробки запорно-проходных клапанов и ее неэргономичность ввиду необходимости управления четырнадцатью ручными клапанами для смены режимов работы;
- отсутствие компонентов для предохранения силового привода от обрыва магистралей трубопровода, связывающего силовой привод с насосными агрегатами;
- отсутствие компонентов, обеспечивающих аварийное управление рулевой машиной при отсутствии электропитания;
- не обеспечивается необходимая скорость реакции системы на управляющий сигнал ввиду большой инерционности гидравлической системы изменения направления вращения румпеля исполнительного механизма за счет перекладки люльки регулируемого гидронасоса;
- возможность использования гидросистемы только с исполнительным механизмом плунжерного типа.
Заявляемая полезная модель направлена на устранение вышеперечисленных недостатков, а именно на создание гидравлической системы судовой рулевой машины позволяющей обеспечить:
- надежную фиксацию пера руля в заданном положении при прекращении подачи гидравлической жидкости, либо при обрыве трубопроводов;
- возможность при отсутствии электропитания осуществить аварийный вывод пера руля в нулевое положение, либо его перекладку на необходимый угол;
- безударное изменение направления вращения руля и плавное нарастание скорости перекладки;
- возможность использования гидросистемы с исполнительным механизмом плунжерного типа и роторно-лопастного типа;
- возможность блочного монтажа на судне составных частей гидросистемы с их последующим соединением гидравлическим трубопроводом.
Техническим результатом при осуществлении полезной модели является обеспечение надежности, удобства и простоты в эксплуатации гидравлической системы управления судовой рулевой машиной как в нормальном режиме работы, так и в аварийном, в том числе при отсутствии электропитания, при этом исключается необходимость оснащения судов дополнительными механизмами фиксации пера руля. Обеспечивается удобство монтажа рулевого устройства на судне. Улучшена управляемость исполнительного механизма.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что известная система, содержит силовой исполнительный механизм, кинематически связанный с баллером руля и гидравлически сообщенный с двумя насосными агрегатами, двумя дополнительными баками с реле уровня жидкости, двумя цистернами резерва жидкости и системой заполнения-осушения рулевой машины. Система снабжена новыми конструктивными элементами, их взаимным расположением и связями между ними, а именно: в каждом из двух насосных агрегатов с насосом регулируемой подачи гидравлически соединен гидрораспределитель через блок клапанов, содержащий клапан кольцевания, запорный клапан и тормозные клапаны, связанный с исполнительным механизмом. Упомянутые блоки клапанов смонтированы на корпусе исполнительного механизма, причем каждый из них гидравлически связан с одной парой полостей исполнительного механизма и друг с другом. Блоки клапанов дополнительно оснащены гидравлическими замками, через которые они гидравлически соединены с аварийным ручным насосом. Насосные агрегаты и дополнительные баки установлены на единой раме и соединены гидравлически, блок заполнения-осушения смонтирован на цистерне резерва и также связан с ней гидравлически.
Наличие в блоках клапанов тормозных клапанов обеспечивает выравнивание расходов рабочей жидкости в гидравлических каналах слива из рабочих полостей исполнительного механизма относительно расхода в линиях напора, что при работе рулевой машины от крайнего положения пера руля к нулевому, когда присутствует попутная нагрузка на перо, позволяет обеспечить плавную и безударную работу гидравлической системы рулевой машины.
При прекращении подачи рабочей жидкости от насосных агрегатов, либо при обрыве гидравлического трубопровода тормозные клапаны обеспечивают надежное автоматическое запирание внутренних полостей исполнительного механизма, предотвращая возможные утечки рабочей жидкости, и фиксацию пера руля в заданном положении, тем самым обеспечивая безопасность эксплуатации рулевой машины.
Наличие в гидроблоках гидравлических связей через встроенные в них запорные клапаны позволяет выполнять работу силового привода в следующих режимах:
Первый режим - работает один насосный агрегат и через гидроблоки подает рабочую жидкость ко всем парам полостей исполнительного механизма.
Второй режим - работают оба насосных агрегата и совместно, каждый через свой гидроблок, подают рабочую жидкость ко всем парам полостей исполнительного механизма.
Третий режим - работает один насосный агрегат и подает рабочую жидкость через гидроблок на половину пар полостей исполнительного механизма, при этом второй гидроблок гидравлически отсоединен от первого гидроблока, находящегося в работе с насосным агрегатом, и от пар полостей, на которые подается рабочая жидкость. В то же время нерабочие полости исполнительного механизма через клапан кольцевания второго гидроблока гидравлически связываются друг с другом, тем самым не препятствуя работе исполнительного механизма.
Конструкция гидроблоков позволяет производить переход с первого на второй режим и обратно в автоматическом режиме, а переход с первых двух режимов на третий режим и обратно производить переключением положений не более чем трех запорных клапанов в гидроблоках, что значительно упрощает процесс управления рулевой машиной и повышает ее эргономичность.
Наличие в составе гидравлической системы аварийного ручного насоса, гидравлически связанного с исполнительным механизмом через гидрозамки, встроенные в блоки клапанов, позволяет при выходе из строя основных насосных агрегатов, в том числе по причине потери электропитания, сохранить управляемость рулевой машиной. При этом при переходе с работы от основного насосного агрегата на работу от ручного аварийного насоса за счет применения тормозных клапанов и гидравлических замков происходит принудительное отсоединение гидравлических связей исполнительного механизма с основными насосными агрегатами и автоматическое гидравлическое соединение с аварийным ручным насосом. То есть не требуется от обслуживающего персонала проведения дополнительных операций в экстренных условиях работы, что повышает безопасность и надежность работы гидросистемы рулевой машины.
Установка насосных агрегатов и дополнительных баков на единой раме, а блока заполнения-осушения на цистерне резерва значительно упрощает процесс монтажа рулевой машины на судне и минимизирует количество гидравлических трубопроводов, связывающих отдельные узлы и агрегаты гидросистемы рулевой машины.
Ввиду того, что время срабатывания золотникового гидрораспределителя значительно меньше времени перекладки люльки насоса в гидросистеме электрогидравлической рулевой машины известного прототипа, наличие гидрораспределителей в составе насосных агрегатов на гидравлических магистралях от насоса регулируемой подачи к исполнительному механизму позволяет увеличить быстродействие гидросистемы, в частности, изменение направления вращения рулевой машины и, как следствие, улучшить управляемость судна.
Сущность полезной модели поясняется на чертеже, где представлена принципиальная схема гидравлической системы электрогидравлической рулевой машины.
В варианте осуществления полезной модели гидравлическая система используется в судовой электрогидравлической роторной рулевой машине РРМ 160, предназначенной для установки на судах с номинальным крутящим моментом на баллере руля равным 160 кН⋅м.
Гидравлическая система рулевой машины состоит из:
1- исполнительного механизма;
2 - блока заполнения-осушения;
3 - аварийного ручного насоса;
4 - насосной станции.
Исполнительный механизм 1 включает в себя:
5 и 6 - блоки клапанов;
7 - роторно-лопастной привод.
Роторно-лопастной привод 7 включает в себя:
8 - ротор;
9 - статор;
10÷13 - рабочие полости.
Блоки клапанов 5 и 6 включают в себя:
14÷17 - тормозные клапаны;
18 и 19 - блоки предохранительных клапанов;
20÷23 - клапаны запорные;
24 и 25 - замки гидравлические.
Блок заполнения-осушения 2 включает в себя:
26 - насос заполнения-осушения;
27 - фильтр сетчатый;
28 - клапан предохранительный;
29 - блок запорной арматуры;
30 - цистерну резервную.
Аварийный ручной насос 3 включает в себя:
31 - насос ручной;
32 - клапан предохранительный;
33 - ручной гидравлический распределитель;
34 - бак.
Насосная станция 4 включает в себя:
35 и 36 - распределители;
37÷40 - предохранительные клапаны;
41 и 42 - реле давления подпитки;
43÷46 - фильтры гидравлические;
47 и 48 - маслоохладители;
49 и 50 - агрегаты насосные;
51 и 52 - насосы подпитки;
53 и 54 - насосы переменной подачи;
55 и 56 - реле уровня;
57 и 58 - термометры;
59 и 60 - реле температуры;
61 - бак двухсекционный.
В исходном положении сигнал на распределителях 35 и 36 отсутствует. Насосы 53 и 54 выведены на нулевую подачу. Насосная станция 4 отсоединена от исполнительного механизма 1. Полости 10÷13 роторно-лопастного привода 7 заперты гидрозамками тормозных клапанов 14÷17. Приводные электродвигатели насосных агрегатов 49 и 50 выключены, давление в контурах управления отсутствует.
Электродвигатель насоса 26 выключен, клапаны блока запорной арматуры 29 закрыты. Блок заполнения-осушения 2 отсоединен от полостей 10÷13 роторно-лопастного привода 7 и бака двухсекционного 61.
Распределитель 33 аварийного ручного насоса 3 находится в нейтральном положении, гидравлический замок 25 блока клапанов 6 заперт.
Гидравлическое питание исполнительного механизма обеспечивается от агрегатов насосных 49 и 50, состоящих из электродвигателя (не показан), и двух пар насосов: 51, 52 насосы постоянной подачи, 53, 54 - насосы переменной подачи.
Запорные клапаны 20 и 23 открыты, а запорные клапаны 21 и 22 закрыты.
Гидросистема работает в следующих режимах:
1 - Работает один агрегат насосный на все полости роторно-лопастного привода.
2 - Работают оба агрегата насосных на все полости роторно-лопастного привода.
3 - Работает один агрегат насосный на половину рабочих полостей роторно-лопастного привода.
4 - Работает ручной аварийный насос на половину рабочих полостей (агрегаты насосные выключены).
5 - Работает блок заполнения-осушения. Устройство работает следующим образом.
При работе от одного агрегата насосного 49 или 50 на все полости 10÷13 роторно-лопастного привода 7 (режим 1):
Насос 51 забирает рабочую жидкость из бака двухсекционного 61 и через фильтр 43, предохранительный клапан 39 и маслоохладитель 47 направляет ее обратно в бак двухсекционный 61, при этом клапан предохранительный 39 обеспечивает поддержание постоянного давления в контуре управления распределителя 35. Реле давления 41 подает сигнал в систему управления о наличии или отсутствии давления в контуре управления.
При подаче электропитания на регулятор насоса переменной подачи 53 насос забирает рабочую жидкость из бака двухсекционного 61 и через фильтр 44 и распределитель 35 направляет ее обратно в бак.
При подаче управляющего сигнала на распределитель 35 рабочая жидкость от насоса переменной подачи 53 перенаправляется к блоку клапанов 5 на вход тормозного клапана 14 или 15 в зависимости от того, на какой электромагнит распределителя 35 подан управляющий сигнал. В случае подачи управляющего сигнала на электромагнит Y1 распределителя 35 рабочая жидкость от насоса переменной подачи 53 подается на вход тормозного клапана 15, через него в рабочую полость 12 роторно-лопастного привода 7 и через открытый запорный клапан 20 в рабочую полость 11. При начале подачи рабочей жидкости тормозной клапан 15 подает управляющий гидравлический сигнал на тормозной клапан 14, в результате чего последний открывается, свободно пропуская рабочую жидкость из полостей роторно-лопастного привода 10 и 13 через распределитель 35 в бак двухсекционный 61. При этом происходит вращение ротора 8 роторно-лопастного привода 7 против часовой стрелки. Соответственно, при подаче управляющего сигнала на электромагнит Y2 распределителя 35 полости 10 и 13 связываются с напорной магистралью насоса 53, а полости 11 и 12 с баком двухсекционным 61, при этом происходит вращение ротора 8 по часовой стрелке. Скорость вращения ротора регулируется в зависимости от величины подачи насоса 53.
При возникновении ударных нагрузок на перо руля, связанное посредством баллера с ротором 8 роторно-лопастного привода 7, в одной из пар полостей может возникнуть давление, значительно превышающее номинальное давление насоса 53, в таком случае рабочая жидкость из пар полостей, находящихся под воздействием избыточного давления, через блоки предохранительных клапанов 18 и 19 принудительно связывается с противоположной парой полостей, не находящихся под давлением, за счет чего избыточное давление стравливается.
В каждой независимой половине бака двухсекционного 61 установлены реле температуры 59 и 60 и реле уровня 55 и 56. При возникновении от указанных реле сигналов в системе управления о превышении максимальной рабочей температуры или понижении уровня рабочей жидкости до минимального, агрегат насосный 49 или 50, связанный с секцией бака, в которой установлены сработавшие реле, принудительно отключается и автоматически включается второй агрегат.
Работа гидросистемы от второго агрегата насосного 50 или от двух (режим 2) агрегатов насосных 49 и 50 одновременно на все полости роторно-лопастного привода 7 аналогична вышеописанной работе от одного агрегата ввиду их полной идентичности.
Работа гидросистемы половиной роторно-лопастного привода 7 (режим 3) производится следующим образом:
При работе от агрегата насосного 49 с насосом переменной подачи 53 клапаны запорные 20 и 23 переводятся в положение «Закрыто», а клапан запорный 22 в положение «Открыто». При этом работают полости 10 и 12 роторно-лопастного привода 7, а полости 11 и 13 находятся в нерабочем состоянии и через запорный клапан 22 связаны друг с другом, при этом рабочая жидкость свободно перетекает из одной полости в другую.
При работе от агрегата насосного 50 с насосом переменной подачи 54 клапаны запорные 20 и 23 переводятся в положение «Закрыто», а клапан запорный 21 в положение «Открыто». При этом работают полости 11 и 13 роторно-лопастного привода 7, а полости 10 и 12 находятся в нерабочем положении и через запорный клапан 21 связаны друг с другом.
Работа от аварийного ручного насоса 3 (режим 4) производится следующим образом.
Насосная станция 4 находится в исходном выключенном состоянии. Запорные клапаны 20 и 23 закрыты, а запорный клапан 21 открыт.
Рукоятка ручного распределителя 33 переводится в одно из крайних положений, затем производится работа рукояткой ручного насоса 31, в результате чего насос 31 забирает рабочую жидкость из бака 34 и через распределитель 33 подает ее к гидрозамку 25, который свободно пропускает жидкость к напорной полости 11 или 13 роторно-лопастного привода 7, в зависимости от заданного распределителем 33 направления. От сливной полости, например 13, через гидравлический замок 25 и распределитель 33 рабочая жидкость возвращается в бак 34, при этом происходит вращение ротора 8 относительно статора 9 роторно-лопастного привода 7 против часовой стрелки. В случае превышения давления в напорной магистрали насоса 31 выше установленной величины рабочая жидкость через предохранительный клапан 32 перепускается обратно в бак 34. При подключении ручного аварийного насоса вместо гидравлического замка 25 к замку 24 работа осуществляется противоположной половиной роторно-лопастного привода 7.
Режим 5 заполнения-осушения осуществляется следующим образом.
При исходном положении гидросистемы переключением соответствующих запорных клапанов блока запорной арматуры 29 выбирается один из следующих режимов работы:
- заполнение цистерны 30 от корабельной системы;
- заполнение полостей 10÷13 роторно-лопастного привода 7 от корабельной системы;
- заполнение бака двухсекционного 61 от корабельной системы;
- заполнение полостей 10÷13 роторно-лопастного привода 7 от цистерны 30;
- заполнение бака двухсекционного 61 от цистерны 30;
- осушение полостей 10÷13 роторно-лопастного привода 7 в корабельную систему;
- осушение бака двухсекционного 61 в корабельную систему;
- осушение полостей 10÷13 роторно-лопастного привода 7 в цистерну 30;
- осушение бака двухсекционного 61 в цистерну 30;
- осушение цистерны 30 в корабельную систему.
После выбора режима в работу включается насос 26, который через фильтр 27 подает рабочую жидкость в соответствующую выбранному режиму емкость. В случае повышения давления рабочей жидкости в напорной магистрали насоса 26 выше установленного происходит открытие предохранительного клапана 28, который стравливает избыточное давление в подающую магистраль насоса 26.
Таким образом, на основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
- гидравлическая система предназначена для использования в электрогидравлической роторной рулевой машине;
- для заявленной гидравлической системы подтверждена возможность ее осуществления с помощью вышеописанных средств.
Преимущество технического решения, изложенного в предлагаемой полезной модели, состоит в том, что с его помощью можно осуществлять:
- фиксацию пера руля в заданном положении при прекращении подачи гидравлической жидкости, либо при обрыве трубопроводов;
- аварийный вывод пера руля в нулевое положение, либо его перекладку на необходимый угол при отсутствии электропитания;
- безударное изменение направления вращения руля и плавное нарастание скорости перекладки;
- использование гидросистемы с исполнительным механизмом плунжерного и роторно-лопастного типа.
- монтаж на судне составных частей гидросистемы с заранее выполненным монтажом гидравлических трубопроводов.