MAŞINA CÂRMEI

Acţionarea instalaţiilor de guvernare: În funcţie de mărimea momentului Max, necesar la arborele cârmei, acţionarea instalaţiilor de guvernare poate fi manuala, elctromecanica sau electrohidraulica.

a) Instalaţiile de guvernare cu acţionare manuală se caracterizează prin lipsa transmisiei de comandă şi maşina cârmei, între timonă şi cârmă existând doar o transmisie de forţă, care poate fi mecanică, prin troţe, lanţuri sau elemente rigide (parghii si tije) sau hidrostatică cu hidromotor acţionat direct de la timonă. Datorită simplităţii sale, această actionare este utilizată şi ca sistem de avarie pentru guvernarea navelor mari.

b) Instalaţiile de guvernare cu acţionare electromecanică: folosesc electromotoare de curent continuu sau alternativ, raportul total de transmisie al instalaţiei este i=2000…4000.

Este preferată acţionarea în curent alternativ, datorită maselor şi gabaritelor mai reduse, simplităţii constructive si exploatării mai facile.

Transmisiile de comandă sunt electrice, iar legătura inversă se realizează cu traductoare unghiulare electrice-selsine.

La capete de cursă sunt dotate cu limitatori electrici, care acţionează cu (2…3) înaintea celor mecanice, întrerupând alimentarea electromotorului de acţionare.

Transmisiile de forţa ale acestor instalaţii sunt mecanice, cu arbori, pârghii sau roţi dinţate.

c) Instalaţii de guvernare cu acţionare electrohidrostatică: Au avantajele instalaţiilor electrice: simplitatea constructivă, gabarit

redus şi se automatizează uşor spre deosebire de instalaţiile electrice, nu au staţii automate pentru comanda electromotorului de acţionare, funcţionează silenţios, transmit momente mult mai mari (500…2500kNm) decât instalaţiile electrice (10…400 kNm).

Acţionarea hidrostatică a instalaţiei se realizează cu:- hidromotoare liniare, orizontale sau verticale- hidromotoare oscilanteSe utilizează pompe hidrostatice cu pistonase axiale sau radiale, cu

debit variabil, antrenate de electromotoare de curent alternativ fară inversare de sens.

Excentricitatea necesară a pompei cu debit variabil se obţine cu ajutorul transmisiilor de comandă care pot fi mecanice, electromecanice sau hidrostatice.

În figura 4.1. este reprezentată schema unei transmisii de comandă mecanică, a excentricităţii pompei, realizată cu arbori şi roţi dinţate.

Figura 4.1.Piesa de comanda c, realizată sub forma unei piuliţe montate pe

şurubul conducător antrenat mecanic de la timonă, are poziţia medie la zero şi se poate deplasa cu curba c al carui domeniu de variaţie este:

-cmax<0<+cmax

În schema de acţionare hidrostatică piesa c este legată de tija de comandă a excentricităţii pompei cu debit variabil, care fiind racordată la hidromotorul cuplat pe arborele carmei provoaca rotirea acetuia dupa legea c=f(x)

În acest fel se obţin corespondentele:-cmax -max; c=0 =0;+cmaxmax

Fig. 4.2.

În figura 4.2 este prezentată o schemă în care legatura inversă este realizată electric. Selsinul de comandă (2) indică mărimea de intrare I, iar selsinul de urmărire (3) indică mărimea de ieşire e. Atât timp cât diferenta I-e0, electromotorul (4) antrenează piesa de comandă c, care în final ajunge în poziţia corespunzătoare cursei c() comandate de timonă.

Când I-e=0, electromotorul 4 se opreşte.

Condiţii impuse maşinii de cârmă. Puterea şi momentul ei nominal Maşina de cârma are rolul de a realiza momentul necesar de acţionare a cârmei conform comenzilor primite de la timonă.

Ea trebuie să satisfacă urmatoarele cerinţe:- pornirea maşinii de carma să se facă cu ajutorul timonei indiferent

de poziţia cârmei- să fie reversibilă pentru a permite deplasarea cârmei în ambele

borduri- cârma să se rotească în acelaşi sens cu timona- la oprirea timonei să se oprească maşina cârmei şi implicit

deplasarea cârmei- în poziţiile extreme maşina de cârma să se oprească imediat- maşina de cârma să poată fi comandată din mai multe locuri, să

funcţioneze silenţios şi să aibă siguranţa mare în funcţionare.Momentul la arborele maşinii de cârmă, Mm, este:

(4.1)

unde: i= raportul de transmitere între arborele cârmei şi arborele maşinii de cârma

= randamentul total al transmisiei

Ştiind că:

Puterea necesară la arborele cârmei, Nax este:Nax=Maxa=(/180)(2maxMax/) (4.2)

iar puterea la arborele maşinii de cârma, Nm, este:Nm=Nax/=(/180)(2maxMax/) (4.3)

4.3 Tipuri de maşini de cârmă utilizate în instalaţiile de guvernare

Cresterea tonajului navelor a dus la creşterea însemnată a cuplurilor la echea cârmei, fapt care a dus implicit la creşterea puterii maşinilor de cârmă, precum şi a dimensiunilor şi maselor acestora. Acest lucru a dus la abandonarea maşinilor de cârmă cu transmisii mecanice şi construirea unui tip mult mai raţional de maşini de cârmă şi anume maşinile de cârmă cu transmisie hidraulică. Introducerea maşinilor de cârmă hidraulice a permis micşorarea gabaritelor şi maselor datorită utilizării uleiului la presiuni înalte şi datorită unui randament sporit al mecanismului de transmitere în ansamblu. În plus, ele pot funcţiona şi în compartiment inundat. În prezent, sunt construite maşini hidraulice cu piston şi cu, palete care realizează o mişcare de avans respectiv de rotaţie. În funcţie de felul cuplajului dintre piston şi eche, maşinile hidraulice cu piston sunt rigide şi articulate, ultimele asigurând o fiabilitate mărită a maşinii de cârmă, dar având dezavantajul ca în jurul echei este necesar să existe spaţiu pentru cilindru. Maşinile cu piston, în funcţie de cuplul la eche şi de viteza de deplasare a cârmei, pot fi cu doi sau cu patru cilindrii şi pot să aibă pompa debit constant sau reglabil. În general, orice maşină hidraulică cu piston (fig. 4.3.) este alcatuită din urmatoarele elemente: doua pompe (1); motorul de antrenare a pompei (2); acţionarea echei (4); caseta cu supape (12) şi tubulatură. Echea (8), fixată de capul arborelui de cârma (7), se roteşte în jurul axei, la mişcarea pistoanelor (5) în cilindrii (3). Mişcarea pistoanelor se produce datorită presiunii uleiului pompat în cei doi cilindri amplasaţi pe diagonală. Pentru mărirea rigidităţii, maşina este prevăzută cu traversele (9). La mişcarea pistoanelor, articulaţiile (6) se rotesc liber în jurul axelor proprii şi în acelaşi timp gliseaza de-a lungul ghidajelor (11). Pentru eliberarea pistoanelor de eforturile transversale, care apar în timpul funcţionarii maşinii, se folosesc manşoanele de ghidare (10), prin care eforturile transversale se transmit la ghidajele (11).

Figura 4.3.Masina de carma hidraulica cu pompa cu debit reglabil

În figura 4.4. este prezentată schema de principiu a maşinii de cârmă cu debit reglabil, care are urmatoarele elemente componente: pompa (1), motorul electric al pompei (2); acţionarea hidraulică a echei (3), caseta cu robinete (4).

La aplicarea semnalului de comanda la servomecanismul SM, uleiul pătrunde în cilindrii maşinii hidraulice. Una din direcţiile posibile ale circulaţiei uleiului (pentru deplasarea cârmei spre stanga) este reprezentată pe desen cu săgeţi. Pompa care scoate uleiul dintr-o pereche de cilindrii şi îl introduce în cealaltă pereche face ca în această din urma să apară o suprapresiune care deplasează pistoanele astfel încât să se rotească în mod corespunzator spre stânga.

În regim normal de lucru bandarea cârmei se asigură de către o singură pompă. A doua pompă asigură o rezervă de 100% (când este nevoie de manevre rapide se pun în funcţiune ambele pompe).

Figura 4.4.Pompa hidraulică cu debit reglabil (fig. 4.5.) constă din pompa

principală cu debit reglabil (4); pompa cu roţi dinţate (6), sertarul (1); cilindrii de forţa (2), care împreună cu transmisia prin parghii constituie amplificatorul hidraulic al pompei; dispozitivul de aducere la zero; sistemul de supape care constă în două supape de alimentare (10), supapa de scurgere (9), supapa de siguranţă (8) si filtrul (7).

Pompa cu roţi dinţate are rolul de a completa scurgerile de ulei din spaţiul închis al pompei . Această pompă, antrenată de axul principal al

pompei printr-o transmisie cu roţi cilindrice, preia uleiul din corpul pompei principale şi-l trimite printr-un filtru şi două robinete de alimentare în tubulatura principală a pompei şi în canalul de comanda al amplificatorului hidraulic. Axul de antrenare (3) roteşte blocul cilindrilor pompei principale (4). La aplicarea semnalului de comandă la mecanismul de execuţie ME, acesta deplasează sertarul amplificatorului hidraulic (1). Ca urmare a acestei deplasări, se deschide admisia uleiului într-unul din cilindrii de forţă

Fig.4.5

(2) ai leaganului pompei (4). Prin urmare, leagănul pompei se roteşte cu un anumit unghi şi determină variaţia debitului pompei principale care trimite uleiul în cilindrii de forţa ai maşinii hidraulice. În acelaşi timp, prin intermediul transmisiei cu pârghii se realizează legătura inversă rigidă şi deci deplasarea sertarului (1) va fi egală cu suma algebrică a deplasării dată de ME şi a celei dată de leagănul pompei (4).

Comanda de avarie a pompei se poate asigura manual printr-o transmitere cu roţi dinţate şi printr-un sector dinţat fixat pe leaganul pompei. Pentru aducerea leaganului pompei în poziţia zero, la deconectarea pompei este utilizat dispozitivul de aducere la zero (5).

Maşina de cârmă hidraulică cu pompa cu debit constantÎn cazul în care puterea maşinii de cârmă nu depăşeşte 5kW, se

utilizează maşini de cârmă cu pompe cu debit constant care au viteza de răspuns şi gabarite reduse.

Figura 4.6.

O astfel de maşină se compune din (figura 4.6.):acţionarea hidraulică a echei (1), agregatul pompei (5), motorul electric al pompei (7), tubulatura şi armătura (2).

Acţionarea (1) este cuplată direct la echea cârmei. Agregatul pompei se fixează în cadrul maşinii de cârmă şi se compune dintr-o pompă cu debit constant (3), cupla (6) si sertarul distribuitor (4). Când sertarul se deplasează din poziţia de mijloc într-o poziţie corespunzatoare direcţiei de deplasare a penei cârmei, tubulatura de refulare a pompei este conectata la unul din cilindrii acţionarii (1), iar tubulatura de scurgere la al doilea

cilindru, bandând cârma în direcţia cerută. În pauzele dintre deplasarile cârmei pompa trimite uleiul în tanc prin orificiul de evacuare al sertarului.

Maşina de cârmă hidraulică cu acţiune rotativăLa cupluri de sarcină mici la echea cârmei se utilizeză şi maşini de

cârmă hidraulice cu acţiune rotativă (fig. 4.7.) compuse din: corpul (1), paletele (2) si butucul (3). Pe butucul fixat rigid de eche sunt camere ale corpului sprijinit pe un cadru fixat de structura navei.

Fig.4.7 Echea cârmei se roteste într-o direcţie sau alta, în funcţie de spaţiul (a sau b), din camere în care pompa cu debit constant trimite uleiul. Selsinele transmiţător si receptor (ST si SR), amplificatorul A si bobinele B ale sertarului permit transformarea unghiurilor de cârma în diverse semnale.

Amplasarea simetrică a paletelor elimină neuniformitatea solicitării lagarelor. Avantajele faţa de maşinile hidraulice cu acţiune liniară sunt date de lipsa reacţiei dată de presiuni, gabarite reduse şi scăderea presiunii uleiului cu 70% faţa de presiunea uleiului la maşinile hidraulice cu acţiune liniară.

4.4.2. Schema maşinii de cârmă utilizate si principiul de funcţionarePentru maşina de cârma (dispozitivul de acţionare a cârmei) vom

alege doua motoare hidraulice liniare (cilindrii hidraulici) cu dublă acţiune, ce acţionează asupra echei fixat rigid de axul cârmei. Schema cinematică a maşini cârmei este prezentată în figura 4.8.

Fig.4.8După cum se observă din figura 4.8., cei doi cilindri sunt cu dublă acţiune. Tija pistonului este articulată sferic cu biela care face legatura cu echea. Echea are o mişcare de rotaţie, ceea ce va face biela să oscileze în jurul axei geometrice a cilindrului cu unghiul =5.

Fluidul de lucru acţionează pe feţele opuse ale pistoanelor pentru deplasarea echei, creeând astfel un cuplu de forţe ce se transmite la eche.

Forţa creată de presiunea fluidului de lucru pe suprafaţa pistonului va acţiona pe eche după direcţia bielei. În acest caz este necesar să se calculeze o forţă normala minimă pe eche ţinând cont de înclinarea maximă a bielei de 5.

4.4.3. Stabilirea datelor iniţiale pentru calculul maşinii de cârmă (parametrii adoptaţi) - lungimea echei între punctele de aplicare a forţelor:

LE= mm Unghiul de bandare al cârmei (conform R.N.R.):

=35 Presiunea nominală de lucru într-un cilindru:

pnom=15MPa Presiunea maximă reglată la supapele de siguranţă:

Pmax=18MPa Unghiul dintre poziţia elementului de legătură a echei cu

cilindrul:max=5

Raportul dintre diametrul cilindrului (D) şi diametrul tijei pistonului (d):

Lungimea tijei pistonului în care se fixează articulaţia sferică a bielei:

K mm Timpul de rotaţie a echei de la -35 la +30 (coform R.N.R.): Randamentul volumetric al pompei de acţionare:v

Turaţia electromotorului de acţionare a pompei:n rot/min Unghiul de înclinare a discului pompei cu pistonaşe axiale: Diametrul pistonaşului pompei de acţionare:dp mm Numărul de pistonaşe ale pompei:i Randamentul la axul electromotorului de antrenare a pompei:

ax

Calculul dimensiunilor cilindrilor de lucru: cursa pistonului (S) se determină (ştiind că deplasarea echei se

face cu =35, deci o deplasare totala cu 70) cu:S=Le*2*α (4.5)

forţa normală pe eche (Fn) pentru învingerea cuplului rezistent dat de pana cârmei va fi:

Fn=Mnom/Le (4.6) forţa (Fc) necesară în fiecare cilindru:

Fn cosβ=>Fn/cosβ KN (4.7)

4.4.6. Materiale utilizate în confecţionarea cilindrilor hidrauliciCilindrii hidraulici se execută din oţel carbon de calitate sau oţeluri

aliate cu crom şi nichel pentru presiuni înalte.Tijele şi pistoanele se execută din oţel de construcţie sau oţel carbon

de calitate.Capacul se execută din oţel de construcţie laminat sau forjat.O importanţă deosebită o prezintă prelucrarea aliajelor cilindrilor la

care operaţia finală este rectificarea si honuirea. După efectuarea acestei operaţii nu se admit urmele de scule longitudinale, care ar duce la creşterea pirderilor volumetrice. În urma prelucrării trebuie să se realizeze:

- rugozitatea suprafetei: 0,4 m- conicitatea maximă admisă la 1000mm este: 0,03 mm- ovalitatea maxima admisă este: 0,02 mm- abaterea axei alezajului de la rectilinitate: 0,02 mm- convexitatea (concavitatea): 0,03 mmCondiţiile tehnice impuse tijei pistonului sunt aceleaşi pentru

rugozitate însa se admit abateri pentru ovalitate si conicitate de 0,01 mm; coliniaritatea dintre axa abezajului şi direcţia de mişcare să nu aibă o abatere mai mare de 0,03 mm.

Motoarele hidraulice liniare sunt supuse unor încercări complexe în faza de prototip şi numai anumitor încercări în cazul probelor date.

O atenţie deosebită se acordă scăpărilor de ulei la presiunea maxima în diverse poziţii ale pistonului care nu trebuie să fie mai mari decât (3…15)cm2/min

La etanşarea tijei pistonului nu se admit scăpări, ci doar realizarea unei pelicule fine de un volum care să nu depăşească 0,5 cm3 la 50 de curse duble pe o lungime de 0,5 m.

Sistemul de etanşare trebuie să satisfacă trei cerinţe mai importante:- durabilitate mare- ermetizare perfectă- frecare minimăCalitatea materialelor din care se execută elementele de etanşare este

determinată de asigurarea unei siguranţe în funcţionare. Cel mai frecvent se utilizeaza manşete profilate din elastomeri.

Din grupa elastomerilor fac parte cauciucul natural şi sintetic, cu urmatoarele proprietăţi comune:

- elasticitate ridicată (capacitatea de a suporta alungiri cu pâna la 100% din lungimea sa şi revenirea la dimensiunile iniţiale)

- adaptarea rapidă la contactul cu suprafeţele metalice- rezistenţă mecanică redusă (necesită armături metalice).Cea mai importantă caracteristică a unei etanşări o reprezintă

capacitatea de ermetizare. Cerinţele impuse ermetizării (etanşeităţii) sunt determinate de alegerea tipului de etanşare şi de elementele constructive ale ansamblului.

Teoria etanşeităţii are la baza următoarele principii:a. Scăpările prin zonele de contact ale etanşarii fixe sunt determinate

microgeometria suprafeţelor ce se etanşază, presiunea de contact şi defectele suprafeţelor

b. Scăpările prin etanşările mobile, depind de pelicula de lichid dintre suprafeţele de etanşare în procesul mişcării relative strâns legate de regimul de frecare.

c. Factorii care asigură etanşeitatea în procesul exploatării se modifică substanţial ca urmare a:

- îmbătrânirii materialului- modificării timpului de funcţionare- deteriorării suprafeţei de contact- influenţei vibraţiilor

d. Asupra etanşeităţii a frecării şi alţi factori întâmplători:- contaminarea fluidului- apariţia produselor uzurii în zona de contact.