Измерение моментов на баллере руля

Измерение крутящих моментов на баллере руля требует применения достаточно сложной измерительной аппаратуры и серьезной предварительной подготовки. Поэтому в программу сдаточных испытаний судов подобные измерения, как правило, не включают.

Исследования крутящих моментов проводят главным образом при специальных испытаниях рулевого устройства, когда наибольший интерес представляет гидродинамическая составляющая момента, действующего на перо руля. Однако измерение этой составляющей крутящего момента в чистом виде осуществить не удается. Все известные методы измерения позволяют зафиксировать лишь сумму моментов, преодолеваемых рулевой машиной, а именно гидродинамических моментов и моментов трения. Разделить эти составляющие со сколько-нибудь удовлетворительной точностью в настоящее время не представляется возможным.

Методы, применяемые для измерения крутящих моментов, определяются конструкцией рулевого привода, причем преобладают косвенные методы, отличающиеся невысокой точностью.

Существующие конструкции рулевых устройств могут быть подразделены на две основные группы. К первой относятся устройства, у которых рулевая машина располагается в румпельном отделении и непосредственно связана с баллером руля, ко второй — рулевые устройства, у которых связь баллера с рулевой машиной осуществляется штуртросной или цепной передачей. В первом случае момент определяют расчетным путем по измеренным параметрам рулевой машины, во втором измеряют напряжения в одном из элементов передачи, а величину момента также находят путем расчета.

Если на судне установлена гидравлическая рулевая машина, то наиболее эффективным методом оценки момента является измерение давления масла в рабочих цилиндрах. Поскольку максимальные значения крутящих моментов наблюдаются при неустановившихся режимах движения судна, измерительная аппаратура должна фиксировать мгновенные значения давлений.

Применяемые в этой аппаратуре измерительные преобразователи весьма разнообразны по конструкции. В одной из простейших конструкций используется обычный манометр, стрелка которого заменена скользящим контактом, перемещающимся по реохорду. Такая конструкция не является в полной мере безынерционной и может давать существенные погрешности при регистрации кратковременных пиков давления. Этого недостатка лишен преобразователь, состоящий из полного стального цилиндра, на наружную поверхность которого наклеивают тензометр, регистрирующий деформации стенок цилиндра (рис. 71). Внутренняя полость преобразователя сообщается с рабочей полостью цилиндров. Этот простейший преобразователь давления имеет недостаточную чувствительность, поэтому в ряде случаев прибегают к мембранному преобразователю, обладающему более высокой точностью и стабильностью показаний (рис. 72). Преобразователь давления представляет собой цилиндр небольшого диаметра, дно которого перекрыто мембраной из бериллиевой бронзы или стали. Прогиб мембраны под воздействием давления также регистрируют с помощью тензометров.

Рис. 71. Схема преобразователя давления.


Рис. 72. Схема мембранного преобразователя. 1 — мембрана; 2 — тензометр; 3 — корпус датчика.

Температура масла в гидросистеме в процессе испытаний может изменяться в широких пределах, что будет оказывать определенное влияние на показания тензометров. Чтобы исключить погрешности, обусловленные этим обстоятельством, в конструкциях измерительных преобразователей обычно предусматривают температурную компенсацию, которая осуществляется с помощью второго тензометра, наклеиваемого на недеформируемую часть корпуса преобразователя.

Существенный недостаток тензометров, применяемых в качестве чувствительных элементов преобразователей, заключается в необходимости предварительного усиления Сигнала. Чтобы избежать этого, применяют индуктивные преобразователи.

Измерительные преобразователи целесообразно подключать непосредственно к рабочим цилиндрам. Между тем их часто подключают к штатным манометрам с помощью специальных тройников. Особенно часто прибегают к этому в тех случаях, когда рулевая машина имеет два параллельно действующих гидравлических цилиндра. При этом возможно появление погрешностей, обусловленных гидравлическими потерями в маслоподводящей системе.

Таким образом, для определения крутящего момента на баллере руля необходимо не менее двух преобразователей. Один устанавливается на цилиндре, в который подается масло, другой — на цилиндре, из которого производится слив. Показания каждого преобразователя могут регистрироваться на самописце (осциллографе) независимо один от другого. Подобная схема обеспечивает большую достоверность измерений, однако требует применения самописцев с большим числом каналов. Поэтому часто пользуются дифференциальной схемой, согласно которой на самописец подается разность сигналов преобразователей, расположенных на обоих цилиндрах.

Точность определения гидродинамического крутящего момента методом измерения давления в гидравлической системе невысока: погрешность измерения оценивается величиной, равной примерно 10%.

Определение крутящих моментов на судне, оборудованном электрической рулевой машиной, возможно с еще меньшей точностью. В этом случае момент на баллере руля рассчитывают по мощности приводного двигателя. Мощность, как правило, непосредственно не измеряют. Последнюю определяют расчетным путем по измеренным характеристикам потребляемого тока. Для расчета крутящего момента необходимо знать величину угловой скорости вала двигателя, которую можно определить путем регистрации во времени частоты вращения приводного двигателя или путем записи угла перекладки руля с последующим графическим дифференцированием этих записей-. Первый способ более точный, но требует измерения дополнительного параметра, поскольку измерение угла перекладки должно производиться независимо от измерения момента на баллере.

Для последующего расчета момента на баллере руля необходимо учесть механический к. п. д. привода.

На небольших судах с штуртросным рулевым приводом крутящий момент измеряют путем включения измерительного звена в штуртрос в районе соединения его с румпелем. Измерительные звенья выполняют, как правило, в виде стальных пластинок с наклеенными тензометрами. Характеристики этих звеньев устанавливают путем предварительной тарировки.

С помощью измерительных звеньев можно определить натяжение в штуртросе и по нему рассчитать величину крутящего момента, что при известной кинематической схеме не составляет труда. Измерительные звенья можно также применять при наличии секторного привода руля, если соединение между румпелем и сектором осуществляется буферными пружинами. Для проведения испытаний последние заменяют жесткими шарнирными тягами, одно из звеньев которых является измерительным (рис. 73). Шарнирные тяги должны содержать не менее трех шарниров, с тем чтобы полностью исключить передачу сжимающих усилий.

Рис. 73. Схема измерения момента при секторном приводе руля. 1 — измерительный элемент; 2 — тензометр.


Рис. 74. Измерение угла перекладки руля. 1 — направляющая с наклонным пазом; 2 — балочка с тензометром; 3— подвижный элемент.

Для анализа полученных измерений крутящего момента необходима регистрация во времени положения пера руля. Методы регистрации этой величины весьма многочисленны. Один из наиболее распространенных методов основан на применении реохорда, который выполняют либо прямолинейным — В этом случае ползун связывают с одной из деталей привода, имеющей поступательное перемещение, — либо криволинейным, если ползун связан  с баллером. В условиях вибрации, однако, реохорды из-за нарушений в контакте работают недостаточно надежно. Поэтому для установки на элементе привода, двигающимся поступательно, можно рекомендовать устройство с тензометрическим преобразователем, наклеенным на изгибающейся балочке (рис. 74).

В качестве измерительного преобразователя можно также применять кольцевой проволочный потенциометр, подвижной контакт которого связан с указателем перекладки руля.