Гидравлическое рулевое устройство для винторулевой колонки морского судна
Изобретение относится к судостроению, а именно к гидравлическим рулевым устройствам для винторулевой колонки морского судна. Гидравлическое рулевое устройство для винторулевой колонки морского судна содержит бак для гидравлического масла, по меньшей мере, один гидравлический насос, блок управляющего клапана, уравновешивающий блок и, по меньшей мере, один гидравлический двигатель. Гидравлический двигатель имеет порты для гидравлического масла и применяется для управления винторулевой колонкой. Уравнивающий предохранительный блок имеет размеры для больших объемных расходов, чем остальная часть рулевого устройства и выполнен в близком сообщении с, по меньшей мере, одним гидравлическим двигателем. Достигается усовершенствование гидравлического рулевого устройства винторулевой колонки. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.
Область изобретения
Варианты настоящего изобретения относятся к новой конструкции гидравлического рулевого устройства для винторулевой колонки морского судна. Гидравлическое рулевое устройство по настоящему изобретению специально разработано для винторулевых колонок, предназначенных для работы в арктических условиях, где присутствуют льды. Вследствие этого эксплуатация и требования к устройству рулевого управления существенно отличаются от тех, которые относятся к стандартным устройствам рулевого управления для винторулевых колонок, работающих только в открытых водах.
Предшествующий уровень техники
Винторулевая колонка, как это понимается в настоящем описании, является управляемым движителем, расположенным в основном под корпусом морского судна (фиг. 1). Винторулевая колонка состоит из узла гребного винта (который имеет возможность поворачиваться вокруг вертикальной оси), расположенного под корпусом, и из по существу вертикальной стойки. Вертикальная стойка проходит вверх в корпус морского судна сквозь отверстие в дне корпуса. На периферии этого отверстия имеются средства, например подшипники, для удержания верхнего конца вертикальной стойки внутри корпуса судна. На верхнем конце вертикальной стойки имеется первое зубчатое колесо, которое находится в зацеплении с одним или более меньшими вторыми зубчатыми колесами, каждое из которых приводится во вращение рулевым гидравлическим двигателем. Первое и вторые зубчатые колеса являются механическими компонентами зубчатой передачи азимутального рулевого устройства. Сама вертикальная стойка винторулевой колонки имеет возможность поворота посредством первого зубчатого колеса и рулевого гидравлического двигателя (двигателей), прикрепленного к невращающейся опорной раме, на которую опирается винторулевая колонка, проходящая в отверстие в дне корпуса судна. Привод гребного винта осуществляется через полость внутри вертикальной стойки. Таким образом, привод может быть механическим, через приводные валы и косозубые зубчатые колеса. Естественно, привод гребного винта может осуществляться также и гидравлическими или электрическими средствами.
Обычно рулевое устройство винторулевой колонки предназначено для управления азимутальным углом устройства. Позиционирование механической части винторулевой колонки осуществляется одним или более гидравлическим двигателем. В JP52-77397 (Kawasaki Heavy Industries), например, описано традиционное гидравлическое рулевое устройство для винторулевой колонки. Пропорциональный направляющий распределитель управляет потоком масла от гидравлического насоса на рулевой гидравлический двигатель. После того как будет достигнут нужный азимутальный угол, пропорциональный распределитель используется для перекрытия потока от насоса к гидравлическому двигателю, а также от гидравлического двигателя обратно в масляный бак. После этого азимутальный угол винторулевой колонки выдерживается, поскольку оба канала от гидравлического двигателя перекрыты и, поэтому, двигатель вращаться не может.
Несколько более подробно устройство рулевого управления винторулевой колонкой показано на фиг. 2. Основное отличие от вышеприведенного документа JP52-77397 заключается в уравновешивающем блоке, который расположен между пропорциональным направляющим распределителем, которым управляет рулевой, и рулевым гидравлическим двигателем, вращающим винторулевую колонку. Уравновешивающий блок содержит узел предохранительного клапана и два, т.е. первый и второй, узла уравновешивающих клапанов. Узел предохранительного клапана предназначен для открывания канала от одного порта гидравлического двигателя, если давление на этом порте превышает заранее установленную допустимую величину. Масло под давлением течет на узел предохранительного клапана, открывает клапан при заранее определенной установке предохранительного клапана и поступает в трубу гидравлического двигателя, в которой имеется более низкое давление, или возвращается из выпускного порта в бак.
Узлы уравновешивающих клапанов соединены с гидравлическими трубами, соединенными с портами гидравлического двигателя дальше, чем узел предохранительного клапана. Узел уравновешивающего клапана содержит обратный клапан и гидравлически управляемый клапан сброса давления. Узлы уравновешивающих клапанов предназначены для запирания рулевого управления, т.е. для удержания винторулевой колонки в том положении, в которое она была повернута пропорциональным распределителем с помощью рулевого гидравлического двигателя (двигателей). На фазе рулевого воздействия узлы уравновешивающих клапанов работают следующим образом. Первый узел уравновешивающего клапана расположен на впускной трубе рулевого двигателя (двигателей) и позволяет маслу под давлением течь на впускной порт рулевого двигателя (двигателей) с минимальной потерей давления. Во втором узле уравновешивающего клапана на выпускной трубе рулевого двигателя (двигателей) давление возвращающегося масла воздействует на клапан сброса давления и открывает его вместе с пилотным давлением от трубы, проходящей между пропорциональным направляющим распределителем и первым узлом уравновешивающего клапана. Таким образом, возвращающееся масло создает некоторое противодавление, т.е. на втором узле уравновешивающего клапана происходит некоторая потеря давления. Когда рулевое воздействие прекращается, чтобы оставить винторулевую колонку в принятом ею положении, пропорциональный направляющий распределитель смещается в центральное положение, в результате чего этот пропорциональный распределитель образует соединение между узлами уравновешивающих клапанов и баком. Таким образом, соединение между насосом и уравновешивающим клапаном перекрыто. В таком случае в рулевом двигателе (двигателях) внутренняя нагрузка отсутствует. Однако на винторулевую колонку могут действовать внешние нагрузки от морской воды, в результате которых винторулевая колонка воздействует на рулевой двигатель (двигатели), стараясь провернуть их. На практике это значит, что двигатель (двигатели) действует как насос (насосы). Этот двигатель (двигатели) создает давление масла, которое воздействует и на предохранительный клапан, и на один из уравновешивающих клапанов уравновешивающего блока. Пока в гидравлическом двигателе (двигателях) отсутствует внутренняя утечка, винторулевая колонка не может повернуться, пока давление не превысит заранее определенную величину, необходимую для открывания предохранительного или уравновешивающего клапана. Когда эта величина будет превышена, масло под давлением начинает течь из выпускного порта рулевого двигателя (двигателей) на впускной порт (порты) или в бак.
Однако теперь, когда винторулевые колонки нашли применение на судах, эксплуатируемых и в арктических условиях, на нагрузки, и особенно, на крутящие нагрузки, возникающие при воздействии льда на винторулевую колонку, следует обратить более пристальное внимание. Крутящий момент на винторулевой колонке, создаваемый льдом, может достигать недопустимых для конструкции винторулевой колонки или для всей системы рулевого управления величин. Как описано выше, известные конструкции винторулевых колонок имеют предохранительные клапаны, предназначенные для регулирования потоков и давления масла, связанных с гидродинамическими нагрузками, но эти клапаны имеют лишь ограниченный предел безопасности.
Однако предохранительные клапаны по известному уровню техники не предназначены для внезапных нагрузок, создаваемых твердыми и большими объектами, такими как лед, и не рассчитаны на них. Нагрузки, связанные с контактом со льдом имеют сложные динамические характеристики. Типичным аспектом является то, что такие нагрузки могут приводить к возникновению очень кратковременному крутящему моменту на рулевой системе, которая превышает величину, которую может выдержать конструкция. Кроме того, если судно, оснащенное винторулевой колонкой, идет с некоторой скоростью в момент контакта винторулевой колонки со льдом, то скорость, с которой блок льда (или другой большой твердый объект) стремится повернуть винторулевую колонку, будет в 5-10 раз выше нормальной скорости поворота при рулевом воздействии. Принудительный поворот винторулевой колонки приводит к тому, что гидравлические двигатели работают как насосы и генерируют поток, который превышает также в 5-10 раз поток, необходимый для рулевого воздействия. Предохранительные клапаны по предшествующему уровню техники были подобраны так, чтобы выдерживать поток, соответствующий нормальной скорости рулевого воздействия при блокировке рулевой системы. Это же относится и к размерам труб для масла между гидравлическими двигателями и предохранительным клапаном. Кроме того, положение клапанов, находящихся, возможно, на существенном расстоянии от рулевого двигателя (двигателей), основано на требованиях, связанных с рулевым управлением. Другими словами, основным конструктивным параметром было требование, чтобы частота вращения винторулевой колонки при рулевом воздействии составляла порядка 2 об/мин, и чтобы трубы для масла ведущие к двигателю (двигателям) и от него (них) могли пропускать такой поток. С одной стороны, когда в гидравлической рулевой системе возникают существенно увеличившиеся потоки, генерируемые гидравлическими двигателями, ограниченный диаметр труб приводит к высоким скоростям потоков в трубах, в результате чего трение масла в трубах создает существенную потерю давления во всем гидравлическом трубопроводе между гидравлическим двигателем и предохранительным клапаном. Максимальное давление в рулевой системе ограничивается максимальной механической прочностью рулевой системы или винторулевой колонки относительно крутящей нагрузки. Более высокая нагрузка приводит к повреждению рулевой системы или винторулевой колонки. С учетом максимально допустимого крутящего момента или давления в рулевой системе потеря давления в трубопроводе потребовала бы более низкой уставки предохранительного клапана. Другими словами, чем более высокую скорость поворота винторулевой колонки нужно принимать в расчет, тем ниже будет давление срабатывания предохранительного клапана. Понижение рабочего давления предохранительного клапана, однако, мешает нормальной работе рулевого управления. Аналогично, быстрое вращение гидравлического двигателя (двигателей), работающих в режиме насоса создает на впускном порту гидравлического двигателя (двигателей) пониженное давление, что легко приводит к неконтролируемой кавитации, поскольку трубы, ведущие к впускному порту (портам) гидравлического двигателя (двигателей), не позволяют маслу течь в двигатель (двигатели) достаточно быстро.
С другой стороны, если гидравлические трубы и предохранительный клапан рассчитывать на максимально вообразимый поток, а расстояние между гидравлическим двигателем (двигателями) и уравновешивающим блоком, где находится клапан сброса давления, составляет несколько метров, то гидравлические трубопроводы будут иметь относительно большие объемы. Эти объемы могут проявлять нежелательное динамическое поведение, такое как импульсы давления и временные задержки. Нежелательные динамические явления могут возникнуть особенно в случае больших внешних нагрузок, которые выглядят как ударные нагрузки. Импульсы давления являются крайне нежелательными, поскольку они могут привести к дребезгу предохранительного клапана, т.е. открыванию и закрыванию клапана с очень коротким периодом колебаний. Это может привести к поломке клапана сброса давления и гидравлического двигателя. Кроме того, при нормальной работе рулевой системы импульсы давления и задержки могут негативно повлиять на рулевое управление так, что рулевое движение не будет плавным.
Краткое описание изобретения
Первой целью настоящего изобретения является нахождение решения одной или более вышеуказанных проблем.
Второй целью настоящего изобретения является усовершенствование гидравлического рулевого устройства винторулевой колонки. Основная часть гидравлической системы остается без изменений (иди даже может быть уменьшена или упрощена), а это означает, что динамическое поведение для нормального рулевого управления остается без изменений. Клапан сброса давления располагается как можно ближе к гидравлическому двигателю так, чтобы высокое давление, возникающее в результате больших нагрузок, сбрасывалось как можно быстрее, что является хорошей мерой по предотвращению возникновения волн давления.
Третьей целью изобретения является создание гидравлического рулевого устройства винторулевой колонки с предохранительным клапаном (клапанами), расположенным как практически можно ближе к гидравлическому двигателю (двигателям).
Четвертой целью настоящего изобретения является создание гидравлического рулевого устройства винторулевой колонки с комбинацией уравновешивающего блока и набора предохранительных уравнительных клапанов, расположенных рядом с гидравлическим рулевым двигателем.
Пятой целью настоящего изобретения является задание таких размеров предохранительных уравнительных клапанов, чтобы обеспечить высокую частоту вращения рулевых устройств, в то же время поддерживая давление в системе в допустимых пределах.
Шестой целью изобретения является создание гидравлического рулевого устройства винторулевых колонок с рулевыми двигателями, которые могут работать в качестве тормоза во время перегрузки рулевого устройства.
По меньшей мере одна из вышеперечисленных и другие цели изобретения достигаются с помощью гидравлического рулевого устройства для винторулевой колонки морского судна, содержащего бак для гидравлического масла, по меньшей мере один гидравлической насос, блок управляющих распределителей, уравновешивающий блок, по меньшей мере один гидравлический двигатель, имеющий два порта для гидравлического масла, при этом гидравлический двигатель используется для рулевого воздействия на винторулевую колонку, в котором предохранительный уравнительный клапан расположен для непосредственного сообщения с по меньшей мере одним гидравлическим двигателем.
Другие отличительные признаки настоящего изобретения будут очевидны из приложенных зависимых пунктов формулы изобретения.
Настоящее изобретение при решении по меньшей мере одной из проблем, указанных выше, улучшает работоспособность и надежность морских судов, и особенно в арктических водах, где могут присутствовать льды. Предохранительный уравнительный блок гарантирует, что винторулевые колонки начнут поворачиваться до того как крутящий момент, действующий на рулевое устройство, станет неприемлемым. Важным аспектом является то, что рост давления в рулевом устройстве, возникающий в результате воздействия льда, минимизируется за счет того, что предохранительный уравнительный блок расположен как можно ближе к рулевому гидравлическому двигателю (двигателям). Другое преимущество заключается в том, что изменения, вносимые в гидравлическую систему ограничены. Достоинство такого решения состоит в том, что динамические свойства системы при нормальной работе остаются более или менее не затронутыми.
Краткое описание чертежей
Далее следует более подробное описание гидравлического рулевого устройства винторулевой колонки со ссылками на приложенные чертежи, где:
Фиг. 1 - схематическая иллюстрация винторулевой колонки по предшествующему уровню техники с рулевым устройством.
Фиг. 2 - схематическая иллюстрация рулевого устройства винторулевой колонки по предшествующему уровню техники.
Фиг. 3 - схематическая иллюстрация первого предпочтительного варианта рулевого устройства по настоящему изобретению.
Фиг. 4 - схематическая иллюстрация второго предпочтительного варианта рулевого устройства по настоящему изобретению.
Фиг. 5 - схематическая иллюстрация третьего предпочтительного варианта рулевого устройства по настоящему изобретению.
Фиг. 6 - схематическая иллюстрация четвертого предпочтительного варианта рулевого устройства по настоящему изобретению.
Фиг. 7 - схематическая иллюстрация пятого предпочтительного варианта рулевого устройства по настоящему изобретению.
Подробное описание чертежей
На фиг. 1 показана известная винторулевая колонка 1, которая в настоящем описании определяется как управляемый по азимуту движитель, расположенный в основном под корпусом (не показан) морского судна. Винторулевая колонка 1 состоит из узла 2 гребного винта (выполненного с возможностью поворота/ращения вокруг вертикальной оси), расположенного под корпусом, и по существу вертикальной стойки 3. Вертикальная стойка 3 проходит вверх в корпус морского судна сквозь отверстие 4 в этом корпусе. Верхний конец вертикальной стойки 3 установлен с возможностью вращения на подшипниках внутри круглой опорной рамы 5, которая прикреплена к дну корпуса так, чтобы входить в отверстие 4. Верхний конец вертикальной стойки 3 снабжен первым зубчатым колесом 6, которое находится в зацеплении с одним или более меньшими вторыми зубчатыми колесами 7, каждое из которых приводится во вращение гидравлическим рулевым двигателем 8, прикрепленным к опорной раме 5. Обычно из соображений резервирования и необходимой производительности имеется несколько гидравлических двигателей. Первое и вторые зубчатые колеса 6 и 7 соответственно образуют механические компоненты зубчатой передачи устройства азимутального рулевого управления. Вертикальная стойка 3 винторулевой колонки 1 сама является поворотной посредством гидравлического рулевого двигателя (двигателей) 8. Привод гребного винта 9 осуществляется через пустотелую вертикальную стойку 3. Таким образом, механический привод гребного винта осуществляется приводными валами 10, 10' и косозубыми зубчатыми колесами 11, 11'. Однако гидравлическое рулевое устройство по настоящему изобретению может использоваться и с гидравлическими и электрическими приводами.
На фиг. 2 схематически показано гидравлическое оснащение рулевого устройства винторулевой колонки 1 по предшествующему уровню техники. Основное отличие от рулевого устройства по ранее описанному японскому патентному документу заключается в предохранительном и уравновешивающем блоке 30, который расположен между блоком 20 управления винторулевой колонкой и гидравлическим двигателем 8, поворачивающим эту винторулевую колонку 1. Таким образом, блок 20 управления выполняет по существу те же функции, что и пропорциональный распределитель в японском патентном документе.
Блок 20 управления винторулевой колонкой 1 содержит пропорциональный направляющий распределитель 22 (4 порта, 3 положения). В зависимости от возникающих потоков и давлений работа распределителя может выполняться управляемыми клапанами. Гидравлическое рулевое устройство имеет по меньшей мере один гидравлический насос 26 для нагнетания масла, находящегося в баке 28 для гидравлического масла. Нормальное количество гидравлических насосов равно по меньшей мере двум, например, из соображений резервирования и для обеспечения безопасности. В таком случае один насос может быть способен удовлетворять потребность в масле всех потребителей либо оба насоса могут применяться одновременно. В состоянии отсутствия рулевого воздействия пропорциональный распределитель (и факультативно золотники) находится в нейтральном положении, блокируя поток масла через клапаны, в результате чего давление масла, создаваемое насосом (насосами) 26, действует только на клапаны. Когда направление винторулевой колонки 1 требуется изменить, пропорциональный распределитель сдвигают в требуемом направлении. Теперь сообщение по потоку между насосом (насосами) 26 и рулевым двигателем 8 открывается, что приводит к вращению рулевого двигателя 8 и повороту винторулевой колонки 1. Поток масла, возвращающийся от рулевого двигателя 8, течет через пропорциональный направляющий распределитель 22 обратно в бак 28. Когда будет достигнут требуемый азимутальный угол винторулевой колонки 1, пропорциональный направляющий распределитель 22 возвращается в нейтральное положение. В результате он блокирует поток масла от насоса (насосов) 26 к рулевому двигателю 8. Эта функция запирает угол поворота винторулевой колонки 1 (не принимая во внимание пренебрежимо малую утечку из гидравлического двигателя).
Предохранительный и уравновешивающий блок 30 включает устройство 32 предохранительного клапана и два, т.е. первое и второе, устройства 40', 40″ уравновешивающих клапанов.
Устройство 32 предохранительного клапана предназначено для открывания канала от одного порта гидравлического рулевого двигателя 8 к другому его порту в том случае, когда двигатель 8 по какой-либо причине начнет работать как насос и поднимет давление на одном из своих портов. Устройство 32 предохранительного клапана состоит из четырех обратных клапанов 34', 34″ и 36' 36″ и предохранительного клапана или клапана сброса давления 38. Когда двигатель 8 работает как насос и создает давление масла, превышающее заранее определенное давление открывания предохранительного клапана 38, один из первых двух обратных клапанов 34' или 34″, т.е. один из двух обратных клапанов 34' или 34″ (в зависимости от того, в какую сторону вращается двигатель) на путях потока между гидравлическим двигателем 8 и предохранительным клапаном 38 открывается, и в результате масло течет через предохранительный клапан 38, проходит через один из вторых обратных клапанов 36' и 36″ и попадает в трубу гидравлического двигателя 8 с более низким давлением, т.е. работающую как впускная труба гидравлического двигателя.
Первое и второе устройства 40' и 40″ уравновешивающего клапана подсоединены к гидравлическим трубам 50 и 52, соединенным с портами гидравлического рулевого двигателя 8 дальше, чем устройство 38 предохранительного клапана. Первое устройство 40' уравновешивающего клапана содержит обратный клапан 42 и управляемый клапан 44 сброса давления, а второе устройство 42″ уравновешивающего клапана содержит обратный клапан 46 и управляемый клапан 48 сброса давления. Устройства 40' и 40″ уравновешивающих клапанов предназначены для запирания рулевого управления, т.е. для удержания винторулевой колонки 1 в том направлении, в которое она была повернута гидравлическим рулевым двигателем (двигателями) 8 под управлением пропорционального направляющего распределителя 22. Другими словами, устройства 40' и 40″ уравновешивающих клапанов принимают нагрузку, создаваемую давлением, если гидравлический двигатель 8 начинает работать как насос, благодаря чему пропорциональный направляющий распределитель 22 не подвергается каким-либо нагрузкам, создаваемым давлением при вращении гидравлического двигателя.
На фазе рулевого воздействия устройства 40' и 40″ уравновешивающих клапанов работают следующим образом, предполагая, что первый участок 50' трубы и второй участок 50″ трубы пропускает поток масла на двигатель, а по трубе 52 идет обратный поток. Первое устройство 40' клапана, расположенное на впускной трубе 50 рулевого двигателя (двигателей) 8, позволяет маслу под давлением течь через обратный клапан 42 на впускной порт (порты) рулевого двигателя (двигателей) 8 с минимальной потерей давления. Во втором устройстве 40″ клапана давление возвращающегося масла на первом участке 52' выпускной трубы рулевого двигателя (двигателей) 8 воздействует на управляемый клапан 48 сброса давления и открывает его с помощью управляющего давления от напорной трубы 50″ между пропорциональным направляющим распределителем 22 и управляемым клапаном 44 сброса давления. Таким образом, возвращающееся масло имеет некоторое противодавление, т.е. происходит потеря давления во втором устройстве 40″ уравновешивающего клапана.
Когда достигнуто требуемое направление, т.е. угловое положение винторулевой колонки, и рулевое воздействие прекращается, винторулевая колонка удерживается в положении требуемого направления. Как уже пояснялось выше, пропорциональный направляющий распределитель 22 перемещается в нейтральное положение, в результате чего поток от подающей стороны на сторону гидравлического двигателя отсутствует. Однако, благодаря наличию устройств уравновешивающих клапанов, вращение рулевого двигателя предотвращает непропорциональный направляющий распределитель 22, как это имеет место в вышеуказанном японском документе, а устройства 40' и 40″ уравновешивающих клапанов. В этом случае на рулевой двигатель (двигатели) 8 никакая внутренняя нагрузка не действует. Однако на винторулевую колонку 1 могут действовать внешние нагрузки со стороны моря или любых объектов, находящихся в море, в результате чего винторулевая колонка 1 действует на рулевой двигатель (двигатели) 8 через рулевую зубчатую передачу (описанную со ссылками на фиг. 1) и стремится привести его во вращение. На практике это означает, что двигатель (двигатели) 8 начинает вращаться, работая как насос. Двигатель (двигатели) 8 создает давление масла, которое действует и на предохранительный клапан 38, и на один из управляемых клапанов 44, 48 сброса давления. Если двигатель (двигатели) 8 не имеет внутренних утечек, винторулевая колонка 1 не имеет возможности повернуться, пока давление, создаваемое двигателем (двигателями) 8 перед предохранительным клапаном 38, не превысит заранее определенную величину, при которой этот клапан открывается. Когда эта величина будет превышена, масло под давлением от выпускного порта (портов) рулевого двигателя (двигателей) 8 к впускному порту (портам) этого двигателя (двигателей) течет через два обратных клапана и предохранительный клапан 38. Таким образом, давление, при котором открывается предохранительный клапан 38, ниже, чем давление, при котором открываются управляемые клапаны 44, 48 сброса давления. Следует отметить, что управляющим давлением управляемых клапанов 44, 48 сброса давления можно пренебречь (когда пропорциональный направляющий распределитель 22 находится в нейтральном положении).
На фиг. 3 показан предпочтительный вариант гидравлического рулевого устройства винторулевой колонки 1 по настоящему изобретению. Гидравлическое рулевое устройство состоит из четырех основных частей, которые физически сгруппированы друг с другом, т.е. гидравлический силовой блок 60, уравновешивающий блок 70, предохранительный уравнительный блок 80 и гидравлический рулевой двигатель 8. Общая конструкция и работа гидравлического силового блока, уравновешивающего блока 70 и гидравлического рулевого двигателя 8 известны и более подробно описаны выше со ссылками на фиг. 2.
Гидравлический силовой блок 60 содержит гидравлические насосы 26, бак 28 для масла и управляющий блок (описан со ссылками на фиг. 2), содержащий пропорциональный направляющий распределитель 22, являющийся его главным компонентом. Пропорциональный направляющий распределитель 22 факультативно может работать с помощью по меньшей мере одного пропорционального направляющего электромагнитного клапана 24. Два насоса 26, показанные на фиг. 2 и 3 могут иметь производительность как дважды по 50% от требуемого расхода или как дважды по 100% от требуемого расхода, что означает, что активным будет лишь один насос, а второй является резервным. Однако, если это будет признано целесообразным, количество гидравлических насосов гидравлического рулевого устройства может быть больше двух. Функция гидравлического силового блока 60 заключается в подаче масла на гидравлические рулевые двигатели 8. В зависимости от положения пропорционального направляющего распределителя 22 гидравлический силовой блок 60 подает определенный поток. Требуемое давление нагрузки генерируется автоматически (средство не показано) вплоть до установки безопасного давления силового блока 60.
Уравновешивающий блок 70 содержит уравновешивающие клапаны, т.е. управляемые клапаны 44 и 48 сброса давления, обратные клапаны 42 и 46, взаимодействующие с ними, клапан сброса давления, т.е. предохранительный клапан 38 с его обратными клапанами (34', 34″, 36' и 36″) и систему 76 защиты от кавитации, в которой используется обратный клапан 36' или обратный клапан 36″.
Уравновешивающий блок 70 выполняет три функции. Главная функция выполняется уравновешивающими клапанами, т.е. управляемыми клапанами 44 и 48 сброса давления, и взаимодействующими с ними клапанами 42 и 46 сброса давления. Например, канал к гидравлическому двигателю (двигателям) 8 проложен через обратный клапан 42, т.е. с низким падением давления. Однако обратный канал к пропорциональному направляющему распределителю 22 проходит через управляемый клапан 48 сброса давления, т.е. с большим падением давления. Фактически уравновешивающий блок 70, показанный на фиг. 3, имеет два управляемых клапана 44 и 48 сброса давления. Эти клапана предназначены для всех гидравлических рулевых двигателей 8 совместно. Другими словами, один уравновешивающий блок используется для одной винторулевой колонки, т.е. регулирует потоки масла на все рулевые двигатели винторулевой колонки. В другом варианте можно установить уравновешивающий блок для определенного числа рулевых двигателей. Например, для винторулевой колонки, имеющей шесть рулевых двигателей, можно применять два или три уравновешивающих блока, каждый их которых обслуживает три или два рулевых двигателя. Для открывания обратного канала через управляемый клапан 44 или, как в вышеприведенном примере, через управляемый клапан 48, требуется относительно высокое давление. Давление, которое открывает обратный канал, является комбинацией давления, создаваемого нагрузкой (давление возвращающегося масла) и давления в прямом канале (масла, текущего от управляемого клапана 44 сброса давления к рулевым двигателям 8), которое называется управляющим давлением. Если целью является вращение гидравлических двигателей 8, то управляющее давление будет довольно высоким, как и давление, создаваемое нагрузкой и, следовательно, уравновешивающий клапан, т.е. управляемый клапан 48 сброса давления в возвратном канале, откроется. Если целью является удержание гидравлического рулевого двигателя 8 на месте, т.е. не вращать винторулевую колонку 1, то управляющее давление будет низким, поскольку имеется открытое соединение через пропорциональный направляющий распределитель 22 с баком 28 для масла, когда пропорциональный направляющий распределитель находится в центральном, т.е. нейтральном положении. В этом случае для открывания управляемых клапанов 44 и 48 сброса давления имеется только давление, создаваемое нагрузкой. Чтобы иметь возможность открыть управляемые клапаны 44 и 48 сброса давления давление, создаваемое нагрузкой, должно быть существенно выше, поскольку его должно хватать без помощи управляющего давления. Эта концепция используется для сохранения угловых положений гидравлических рулевых двигателей 8. Эта функция также необходима для классификационного общества, которое требует, чтобы в случае отказа силового блока 60 винторулевая колонка 1 оставалась в своем положении.
Другой функцией уравновешивающего блока 70 является сброс давления в случае слишком высокого давления на одном из участков 50' или 52' трубы, отходящей от рулевого двигателя. При определенном давлении клапан сброса давления, т.е. предохранительный клапан 38, открывается так, чтобы масло могло течь в бак 28 или на другой участок 52' или 50' трубы.
Третьей основной частью является гидравлический рулевой двигатель 8, который соединен с зубчатой передачей и установлен на опорной раме (как показано на фиг. 1). Нормально из соображений резервирования и необходимой производительности устанавливают множество гидравлических двигателей 8. Эти три части 60, 70 и 8 соединены трубами для масла. Обычно после уравновешивающего блока 70 имеется несколько участков трубы, ведущих к гидравлическим двигателям 8, т.е. для одной винторулевой колонки имеется один уравновешивающий блок 70. Гидравлический силовой блок 60 и уравновешивающий блок 70 необязательно устанавливать на винторулевой колонке 1, предпочтительно они находятся на расстоянии от нее. Гидравлические рулевые двигатели 8 преобразуют движение потока масла во вращение вала.
Гидравлический силовой блок 60 и уравновешивающий блок 70 имеют такую производительность, чтобы пропускать поток, соответствующий требуемой частоте вращения винторулевой колонки, равной приблизительно 2 об/мин (гидравлические двигатели 8, естественно, вращаются с большей частотой из-за рулевой зубчатой передачи). Поскольку на скорость поворота винторулевой колонки может влиять льдина или какой-либо другой твердый объект, и эта скорость может быть существенно выше расчетной скорости поворота, рулевое устройство по настоящему изобретению оснащено предохранительным уравнительным блоком 80. Предохранительный уравнительный блок 80 содержит клапаны 82 и 84 сброса давления, которые предпочтительно расположены как практически возможно ближе к рулевому двигателю. Другими словами предохранительный уравнительный блок 80 предпочтительно прикреплен к гидравлическому двигателю 8. Если один предохранительный блок 80 обслуживает несколько гидравлических двигателей 8, этот предохранительный блок предпочтительно расположен так, чтобы отрезки трубы между двигателями и блоком имели минимальную длину. Клапаны 82 и 84 сброса давления имеют пропускную способность, позволяющую им справиться с значительно большим расходом, чем соответствующие клапаны 38, 44 и 48 сброса давления в уравновешивающем блоке 70. Основной причиной выбора такой пропускной способности является цель поддержания давления гидравлического масла на приемлемом уровне во всем гидравлическом устройстве и предотвратить импульсы давления и их отрицательное влияние на гидравлическое рулевое устройство.
Предохранительный уравнительный блок 80 содержит еще две гидравлические трубы 54 и 56, которые соединены одними своими концами с портами гидравлического двигателя 8, а своими противоположными концами с клапанами 82, 84 сброса давления. Трубы 54, 56 имеют диаметр, позволяющий пропускать поток большого объема от гидравлического двигателя 8 к клапанам 82, 84 сброса давления и от этих клапанов обратно на двигатель 8. Размеры труб 54 и 56 должны базироваться на существенно более высокой пропускной способности, в 5-10 раз более высокой, чем у участков 50' и 52' трубы, отходящих от труб 54 и 56 и соединяющих предохранительный уравнительный блок 80 с уравновешивающим блоком 70. Поэтому участки 50' и 52' гидравлической трубы могут иметь размеры как и в известных гидравлических рулевых устройствах. Более высокая пропускная способность труб 54 и 56 обеспечивает поддержание приемлемых пределов давления в этих трубах.
Предохранительный уравнительный блок 80 работает следующим образом: когда гидравлическое рулевое устройство, обычно из-за льда или другого твердого объекта, стремящегося повернуть винторулевую колонку 1, подвергается неприемлемой нагрузке, в результате которой гидравлические рулевые двигатели 8 приходят в действие и вращаются под действием этой нагрузки, т.е. гидравлические рулевые двигатели 8 начинают работать как насосы, один из предохранительных уравнительных клапанов, например клапан 82 сброса давления, открывается. Поэтому поток, создаваемый гидравлическими рулевыми двигателями 8, проходит через один из предохранительных уравнительных клапанов 82, 84. Скорость рулевого воздействия, которую можно достичь, когда рулевые двигатели 8 приводятся механически, т.е. винторулевой колонкой 1, легко может превысить скорость, которая нормально создается рулевыми двигателями 8. Такая скорость по оценке легко может достигать пятикратной, а иногда десятикратной скорости обычного рулевого воздействия. Таким образом, и клапаны 82, 84 сброса давления, и гидравлические трубы 64, 65 предохранительного уравнительного блока 80 рассчитаны на пятикратный, предпочтительно на десятикратный, объемный расход по сравнению с трубами 50' и 52', которые ведут от предохранительного уравнительного блока 80, например, к уравновешивающему блоку 70.
Предохранительный клапан 38 в уравновешивающем блоке 70 является необязательным. Пропускная способность всей гидравлической системы, требуемая при контакте со льдом, при добавлении клапана увеличивается. Уставки клапанов должны быть немного выше, чем уставка предохранительных уравнительных клапанов 82, 84 на рулевых двигателях. Пропускная способность предохранительных уравнительных клапанов, т.е. клапанов 82, 84 сброса давления, близка к пропускной способности гидравлических двигателей 8, а необязательный предохранительный клапан 38 в уравновешивающем блоке настроен так, что рост давления в гидравлическом рулевом устройстве ограничен заданным пределом.
С учетом уставок давления на клапанах 82 и 84 сброса давления гидравлические двигатели 8 должны создавать существенное давление, чтобы иметь возможность открыть один из этих клапанов и дать возможность маслу стечь через клапан. Благоприятным результатом является то, что для вращения гидравлических двигателей 8 на них должен действовать существенный нагрузочный момент. Гидравлические двигатели продолжают генерировать момент, противодействующий внешней нагрузке, создаваемой льдом. Таким образом, гидравлические двигатели 8 работают как тормоз. Вследствие этого скорость азимутального поворота устройства в определенной степени ограничена.
На фиг. 4 показано гидравлическое рулевое устройство винторулевой колонки по второму предпочтительному варианту изобретения. В этом варианте конструкция предохранительного блока 80 уравнительных клапанов изменена по сравнению с вариантом, показанным на фиг. 3. В остальном второй вариант соответствует первому, т.е. показанному на фиг. 3. В этом случае предохранительный блок 80 уравнительных клапанов содержит только один предохранительный клапан 86 и четыре обратных клапана 88, с помощью которых масло под давлением из гидравлического двигателя 8 направляется на предохранительный клапан 86 и из предохранительного клапана 86 обратно на гидравлический двигатель 8, независимо от направления вращения гидравлического двигателя 8.
На фиг. 5 показано гидравлическое рулевое устройство винторулевой колонки по третьему предпочтительному варианту изобретения. Рулевое устройство по этому варианту показано аналогичным второму варианту, описанному со ссылками на фиг. 4. Основная идея этого варианта заключается в том, что уравновешивающий блок 70 клапанов более не требует предохранительного клапана 38 (показанного на фиг. 3 и также присутствующего в варианте по фиг. 4), поскольку предохранительный клапан 86 расположен в собственном блоке 80 предохранительных клапанов рядом с гидравлическим двигателем 8.
На фиг. 6 показано гидравлическое рулевое устройство винторулевой колонки по четвертому варианту изобретения. Рулевое устройство по этому варианту показано аналогичным первому варианту, описанному со ссылками на фиг. 3. Основная идея этого вариант заключается в том, что уравновешивающий блок 70 клапанов более не требует предохранительного клапана 38 (показанного на фиг. 3), поскольку два предохранительных клапана 82 и 84 на фиг. 3 расположены в собственном блоке 80 предохранительных клапанов рядом с гидравлическим двигателем.
На фиг. 7 показано гидравлическое рулевое устройство винторулевой колонки по пятому варианту изобретения. Здесь показано, как множество гидравлических двигателей 8, расположенных для поворота винторулевой колонки, снабжены одним блоком 80 уравнивающих предохранительных клапанов, содержащим два предохранительных клапана 82, 84. Таким образом на блок 80 предохранительных клапанов может приходиться один гидравлический двигатель 8 или более. Естественно, блок 80 предохранительных клапанов может быть сконструирован как показано на фиг. 5, т.е. только с одним предохранительным клапаном и множеством обратных клапанов. Кроме того, обратный клапан уравновешивающего блока можно убрать, как показано на фиг. 5 и 6.
Следует понимать, что выше приведено лишь иллюстративное описание нового гидравлического устройства винторулевой колонки и способа его компоновки. Следует понимать, что вышеприведенное описание содержит лишь несколько предпочтительных вариантов изобретения и не имеет целью ограничить изобретение описанными вариантами и их деталями. Поэтому описание не следует понимать как ограничивающее настоящее изобретение, объем которого определяется только приложенной формулой. Из вышеприведенного описания следует понимать, что отдельные признаки изобретения можно использовать в сочетании с другими отдельными признаками, даже если такая комбинация не была конкретно описана или показана на чертежах.
1. Гидравлическое рулевое устройство для винторулевой колонки морского судна, содержащее бак (28) для гидравлического масла, по меньшей мере, один гидравлический насос (26), блок (20) управляющего клапана, уравновешивающий блок (30, 70) и, по меньшей мере, один гидравлический двигатель (8), имеющий порты для гидравлического масла и применяемый для управления винторулевой колонкой (1), отличающееся тем, что содержит уравнивающий предохранительный блок (80), имеющий размеры для больших объемных расходов, чем остальная часть рулевого устройства, и выполненный в близком сообщении с, по меньшей мере, одним гидравлическим двигателем (8).
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что уравнивающий предохранительный блок (80) расположен на, по меньшей мере, одном гидравлическом двигателе или как можно ближе к нему на верхнем конце винторулевой колонки (1).
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что уравнивающий предохранительный блок (80) содержит гидравлические трубы (54, 56), соединенные с портами этого, по меньшей мере, одного гидравлического двигателя (8), и, по меньшей мере, один клапан (82, 84) сброса давления, соединенный гидравлическими трубами (54, 56) с портами, по меньшей мере, одного гидравлического двигателя (8).
4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что уравнивающий предохранительный блок (80) содержит два клапана (82, 84) сброса давления, соединенные гидравлическими трубами (54, 56) с портами, по меньшей мере, одного гидравлического двигателя (8).
5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что уравнивающий предохранительный блок (80) содержит один клапан (82, 84) сброса давления, соединенный через четыре обратных клапана и с помощью гидравлических труб (54, 56) с портами, по меньшей мере, одного гидравлического двигателя (8).
6. Устройство по любому из пп.3-5, отличающееся тем, что гидравлические трубы, соединенные с портами, по меньшей мере, одного гидравлического двигателя (8), содержат участки (50', 52'), обеспечивающие сообщение по текучей среде уравновешивающего блока (70) с портами этого, по меньшей мере, одного гидравлического двигателя (8).
7. Устройство по любому из пп.3-5, отличающееся тем, что гидравлические трубы (54, 56), соединенные с портами, по меньшей мере, одного гидравлического двигателя (8), имеют пропускную способность в 5-10 раз большую, чем участки (50', 52') трубы для поддержания давления в трубе в приемлемых пределах.
