Эксплуатационные особенности судовых гидравлических рулевых машин

Эксплуатационные особенности судовых гидравлических рулевых машин

В.М. Харин, д-р. техн. наук

Одесская национальная морская академия

Судовые гидравлические рулевые машины (ГРМ) комплектуются согласно требованиям международной организации по безопасности мореплавания (ИМО) двумя насосами. Мировая практика использования рулевых машин такова: в обычных условиях плавания работает один насос, а в сложной навигационной обстановке (проливы, каналы, швартовка в порту или на рейде и т.д.) включаются в совместную работу оба насоса. При этом по опыту судоводителей улучшается маневренность судна благодаря ускоренной перекладке руля.

Однако при совместной работе насосов возникают многочисленные отказы рулевых машин, приводящие к аварийным ситуациям. Известны многие аварии судов (столкновения и посадки в каналах на мель) с большими убытками. В результате возникла на уровне ИМО противоречивая ситуация - использовать или нет режим совместной работы насосов? Судоводители утверждают “да” и требуют такой режим, а судомеханики - против. Ситуация осложняется еще и тем, что утверждение судоводителей базируется на их личном опыте, но не имеет научного обоснования.

Обсуждение этого вопроса в комитете ИМО завершилось любопытной резолюцией, обязательной, как и все прочие, для исполнения: «При плавании в районах, требующих особой осторожности, должны быть включены в работу два и более силовых агрегата рулевой машины, если они могут надежно работать совместно». Такая резолюция не только не «успокоила» эксплуатационников (судоводителей и судомехаников), но обострила ситуацию.

А какова позиция в этом вопросе многих солидных фирм, проектирующих и производящих судовые рулевые машины? Они авторитетно утверждают, что их рулевые машины соответствуют в полной мере требованиям ИМО и могут надежно работать при всех режимах. Естественно, в условиях жесткой конкуренции фирмы не могут плохо отзываться о своем товаре. Решить проблему они также не способны, так как необходимо провести обстоятельные научные исследования.

Автором проведены такие исследования. Прежде всего, необходимо было документально подтвердить или опровергнуть утверждение судоводителей об улучшении маневренности судна при совместной работе насосов. С этой целью проводились многие натурные эксперименты на судах разного водоизмещения при выполнении ими типовых стандартизованных маневров: циркуляция, отворот, зигзаг и др. Маневр циркуляции, представляющий полную окружность, оказался непригодным для оценки режимов работы рулевой машины. Диаметр окружности (критерий оценки маневренности судна) был одинаков, потому что этот маневр является установившимся, а не переходным процессом.

Наиболее характерным оказался маневр зигзаг. График его показан на рис.1. Здесь обозначены: - угол перекладки руля (град.); ц - курсовой угол судна (град.); t - время (сек.); 1 - график маневра при работе одного насоса; 2 - график маневра при совместной работе двух насосов; 3 - график перекладки руля; ц10 и ц20 - максимальные курсовые углы; Т10 и Т20 - периоды колебаний. Графики показывают, что при совместной работе насосов значительно уменьшаются параметры ц20 и Т20 по сравнению с параметрами ц10 и Т10 . Относительные значения параметров (Т10 - Т20) / Т10 и (ц10 - ц20) / ц20 составляют примерно 30 % и 40 %. Такие результаты подтверждают мнение судоводителей об улучшении маневренности судов при совместной работе насосов рулевой машины.

Целью дальнейших исследований было выяснение причин отказов рулевых машин при совместной работе насосов. Они бывают разных типов и конструкций. Соответственно различны механизмы и системы управления их подачей. Разные также и дистанционные системы управления рулевыми машинами (от штурвала на мостике до машины в корме судна). При всем конструктивном разнообразии наиболее важными оказываются две особенности. В одном случае регулируемые органы насосов имеют механическую связь, которая соединена с обратной связью, а рулевая машина является следящей системой. В другом случае насосы независимы, а рулевая машина становится следящей системой совместно с системой управления благодаря другим обратным связям.

Названные особенности существенно влияют на безотказную работу рулевой машины в режиме двух насосов. Во-первых, изменяются динамические характеристики и могут быть автоколебания [1]. Во-вторых, возникают отказы такого типа. Например, штурвалом задан угол перекладки руля «Право 200», но руль останавливается при угле «Право 100» и далее не идёт. Такая ситуация расценивается судоводителями как отказ рулевой машины. При этом штурман производит, как правило, немедленные переключения насосов, пытаясь заставить руль «слушаться» штурвала. В зависимости от выключения того или другого насоса руль начинает перемещаться или в нулевое положение или далее на борт. В одном случае такое перемещение может оказаться желательным для совершения судном требуемого маневра, а в другом - пагубным. По истечении некоторого времени ГРМ оказывается работоспособной во всех режимах.

Такие отказы ГРМ пугают судоводителей, потому что они непонятны и возникают неожиданно. Предпринимались многочисленные попытки смоделировать такой отказ, но это никогда не удавалось, потому что он является случайным.

Поясним, как происходят такие отказы. На рис.2 показаны идентичные характеристики насосов регулируемой подачи в зависимости от углов поворота их люлек (эксцентриситетов). Если имеется механическая связь 1 между ними, то характеристики Q1 и Q2 наложены друг на друга и управление подачей насосов происходит с помощью этой связи. Если же связь отсутствует, то управление люльками насосов осуществляется независимыми друг от друга системами (гидроусилителями). В последнем случае при временном (даже незначительном) заедании одного из золотников гидроусилителей возникает рассогласование нулевых положений люлек, и характеристики насосов расходятся по координате «е». Это приводит к взаимодействию насосов по различным схемам, указанным на рис.2.

В схеме «б» оба насоса подают различные по величине, но одинаковые по направлению потоки рабочей жидкости к рулевому приводу. В схеме «в» рабочую жидкость подает только насос 1, а люлька насоса 2 занимает нулевое положение. В схеме «г» насос 2 противодействует насосу 1, принимая на себя часть потока рабочей жидкости в связи с изменением знака угла поворота люльки с положительного на отрицательный. Скорость перекладки руля при этом замедляется.

В схеме «д» устанавливается равенство Q1 = - Q2 подач насосов 1 и 2 . При этом прекращается подача рабочей жидкости к рулевому приводу и руль останавливается, не достигнув заданного положения, а насосы имеют остаточные эксцентриситеты O1O и ОО2, равные по величине, но разные по знаку.

Возникает, таким образом, некоторое равновесное положение руля и насосов. Если в этом случае выключить один из насосов (нарушить равновесие), то «освободившаяся» подача другого насоса вызовет перемещение руля в том или другом направлении. Величина этого перемещения будет зависеть от величины рассогласования нулевых положений насосов. При больших рассогласованиях наступает характерный отказ ГРМ.

Такие отказы происходили и происходят часто на судах различных компаний мирового флота. Один из таких отказов был основной причиной столкновения отечественного теплохода с иностранным судном в Суэцком канале. Повреждения иностранного судна были оценены в один миллион долларов США. Автор участвовал в расследовании этой аварии. Анализ обстоятельств, сопутствовавших аварий, показал, что рулевая машина была работоспособна при всех режимах до входа в канал (имелся соответствующий акт испытаний). Повторное испытание рулевой машины непосредственно после аварии также свидетельствовало о её полной исправности и работоспособности. В экспертном заключении автору удалось доказать невиновность судоводителей и механиков отечественного теплохода. Это было основанием в Международном суде для освобождения Черноморского пароходства от ответственности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

В.М. Харин Автоколебания судовых электрогидравлических рулевых машин: Збірник наукових праць Кіровоградського державного технічного університету, Кіровоград: КДТУ, 2000. - Вип. 7. - С. 120-124.