Винторулевая колонка Российский патент 2025 года по МПК B63H21/36 B63H1/00 B63H20/16 

Изобретение относится к области судостроения и касается вопроса создания движительных винторулевых комплексов судов преимущественно докового типа, лихтеровозов и судов, у которых погрузка и выгрузка осуществляется через кормовые ворота.

Особенности конструкции выше названых судов предъявляют ряд требований к компоновке винторулевых колонок (ВРК). Ограниченное пространство для их установки предполагает вытянутое расположение вдоль оси судна и максимально сжатое в поперечном оси судна направлении, в некоторых же случаях добавляется и ограничение по высоте.

Винторулевая колонка, как это понимается в настоящем описании, является управляемым движителем, содержащим жёстко связанные между собой вертикальную стойку и гондолу с размещёнными внутри них элементами приводного механизма гребного винта. Привод гребного винта может быть механическим или электрическим. В ВРК с механическим приводом приводной механизм гребного винта имеет три основные узла – верхний редуктор, вертикальный вал и нижний редуктор. В ВРК с электрическим приводом приводной механизм гребного винта расположен в гондоле. Вертикальная стойка проходит вверх в корпус судна сквозь отверстие в днище корпуса. На верхнем конце вертикальной стойки расположено ведомое колесо редуктора механизма поворота, с помощью которого винторулевая колонка имеет возможность поворота вокруг вертикальной оси. В ВРК с механическим приводом гребного винта это колесо расположено ниже верхнего редуктора привода гребного винта. И минимальные поперечные размеры винторулевой колонки будут определяться размерами колеса верхнего редуктора. В ВРК с электрическим приводом минимальные поперечные размеры будут определяться размерами колеса редуктора механизма поворота. В соответствующих разделах Правил Российского Морского Регистра Судоходства (РМРС) содержатся требования к механизму поворота, к его мощности, к защите от перегрузки, к прочности всех компонентов, к резервированию компонентов.

Известна винторулевая колонка по патенту DE 2053633, у которой на верхнем конце вертикальной стойки расположен редуктор механизма поворота, представляющий собой колесо червячной передачи, находящееся в зацеплении с двумя противолежащими червяками, приводимыми в движение двумя двигателями. Основным недостатком этого механизма является низкий коэффициент полезного действия, низкая эксплуатационная надёжность. Беря в учёт требования РМРС, видно, что в данной конструкции установить резервный узел будет проблематично, поскольку это потребует дополнительного места для размещения компонентов.

Известна винторулевая колонка по патенту RU2560940, у которой механизм поворота выполнен на основе цилиндрической передачи внешнего зацепления, где колесо на верхнем конце вертикальной стойки находится в зацеплении с несколькими ведущими шестернями. Оси колёс этой передачи располагаются вертикально. Оси двигателей механизма поворота также располагаются вертикально вне большого ведомого колеса редуктора механизма поворота. Это наиболее частый вариант компоновки редукторов привода поворота винторулевых колонок морских судов. Однако в данной конструкции накладываются ограничения на поперечные размеры привода механизма поворота. Этот размер определяется размером ведомого колеса редуктора механизма поворота, которое должно быть больше колеса верхнего редуктора привода гребного винта, чтобы была возможность его связи с шестернями.

Известна винторулевая колонка по патенту RU 2349494 (прототип), которая содержит жёстко связанные между собой вертикальную стойку трубчатой конструкции и гондолу, внутри которых располагаются элементы привода гребного винта. Механизм поворота вертикальной стойки и гондолы выполнен на основе конического редуктора и представляет собой коническое колесо на верхнем конце вертикальной стойки, находящееся в зацеплении с двумя диаметрально расположенными противолежащими ведущими коническими валами-шестернями. Ведущие вал шестерни жёстко связаны с валами двигателей, из-за чего появляются большие консольные нагрузки на вал и подшипники двигателей. Один из валов-шестерен обеспечивает рабочий режим, а вторая является резервной, для удовлетворения требованиям Правил РМРС. Для обеспечения требуемой мощности механизма поворота ведущий вал-шестерня должен быть рассчитан на полный номинальный передаваемый момент. При этом ширина зубчатого венца шестерни и колеса максимальна, а крутящий момент от одного вала-шестерни создаёт значительные дополнительные односторонние радиальные нагрузки на подшипники конического колеса, что снижает их ресурс, надёжность и значительно увеличивает размеры конического колеса и привода поворота в целом. В прототипе указано, что при больших массах перемещаемых объектов и тяжёлых условиях плавания (льды), т.е. для увеличения мощности привода, число электродвигателей и ведущих вал шестерён можно увеличить. Однако простое увеличение количества ведущих валов-шестерён приведёт к ещё большему увеличению габаритов.

Таким образом, задачей изобретения является создание мощной и надёжной винторулевой колонки преимущественно для судов докового типа, лихтеровозов и судов, у которых погрузка и выгрузка осуществляется через кормовые ворота, так как особенности конструкции данных судов предъявляют жёсткие требования к поперечным размерам винторулевой колонки.

Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в устранении консольных нагрузок на валы-шестерни механизма поворота, кроме того, результатом является увеличение мощности механизма поворота без увеличения габаритов. Дополнительный технический результат заключается в упрощении монтажа винторулевой колонки и возможности ремонта на плаву.

Указанный технический результат достигается тем, что винторулевая колонка, как и прототип, содержит жёстко связанные между собой вертикальную стойку трубчатой конструкции и гондолу, имеющих возможность поворота вокруг вертикальной оси. Внутри них располагаются элементы привода гребного винта. Механизм поворота вертикальной стойки и гондолы выполнен на основе конического редуктора, представляющего собой коническое колесо на верхнем конце вертикальной стойки, зацепляющееся с ведущими коническими противолежащими валами-шестернями. В отличие от прототипа, каждый из ведущих валов-шестерён посажен на пару подшипников, один из которых расположен снаружи зубчатого венца конического колеса, а другой внутри.

Для увеличения мощности механизма поворота устанавливается дополнительная пара противолежащих валов-шестерён, ось которой составляет малый угол с осью основной пары.

Для сохранения габаритов механизма поворота наружные подшипники обоих пар имеют одинаковый диаметр и находятся на равном расстоянии от центра конического колеса. Внутренние подшипники одной пары расположены на большем расстоянии от центра конического колеса, чем подшипники второй пары для возможности их размещения в ограниченном пространстве внутри конического колеса.

Внутренние подшипники пары, расположенные дальше от центра, для обеспечения одинаковой нагрузочной способности с подшипниками второй пары имеют больший диаметр.

Для иллюстрации изобретения приведём варианты конструкции винторулевой колонки с механическим приводом гребного винта, однако по изобретению может быть выполнена колонка с любым типом привода гребного винта.

На фиг. 1 представлено продольное сечение винторулевой колонки по механизму поворота с одной парой противолежащих валов-шестерён.

На фиг. 2 представлено поперечное сечение винторулевой колонки по механизму поворота с двумя парами противолежащих валов-шестерён.

На фиг. 3 представлен вид сверху винторулевой колонки.

Винторулевая колонка (см. фиг. 1) содержит вертикальную стойку 1 трубчатой конструкции и гондолу 2, которые жёстко связаны между собой. Внутри вертикальной стойки и гондолы проходит привод гребного винта. На верхнем конце вертикальной стойки 1 закреплено коническое колесо 3 механизма поворота. С колесом 3 в зацеплении находятся противоположно расположенные конические валы-шестерни 4 и 5, одна из которых является основной, а другая резервной. Валы-шестерни 4 и 5 жёстко соединены с выходными валами мотор-редукторов 6 и 7 соответственно. Снаружи зубчатого венца конического колеса 3 валы-шестерни 4 и 5 посажены на блоки подшипников 8 и 9, воспринимающие как радиальную, так и осевую нагрузку в обоих направлениях. Кроме того, валы-шестерни 4 и 5 посажены на подшипники 10 и 11, расположенные внутри зубчатого венца конического колеса 3. Это убирает консольную нагрузку на валы-шестерни.

При больших массах перемещаемых объектов, а к таким относятся суда преимущественно докового типа, лихтеровозы и суда, у которых погрузка и выгрузка осуществляется через кормовые ворота, количество двигателей механизма поворота увеличивают, устанавливая их всегда чётное число.

На фиг. 2 с колесом 3 в зацеплении находятся две пары валов-шестерён 12 и 13, одна из пар основная, а вторая резервная. Для сохранения поперечных размеров по оси DD1 валы-шестерни 12 и 13 расположены попарно противоположно на двух пересекающихся под малым углом осях ОО1 и СС1 соответственно и жёстко соединены с выходными валами мотор-редукторов 14 и 15 соответственно. Валы-шестерни 12 и 13 посажены с помощью подшипниковых узлов 16 и 17, находящихся снаружи зубчатого венца конического колеса 3 и подшипников 18 и 19, находящихся внутри зубчатого венца конического колеса 3. Для размещения в ограниченном пространстве внутри конического колеса подшипники 18 валов-шестерён 12, расположены дальше от центра конического колеса 3, чем подшипники 19 валов-шестерён 13. Подшипниковые узлы 16 и 17 имеют одинаковый диаметр и одинаковое расстояние от центра конического колеса 3. Для обеспечения одинаковой нагрузочной способности с подшипниками 19 подшипники 18, расположенные дальше от центра конического колеса 3, должны иметь больший диаметр. Данное расположение подшипников внутри зубчатого венца конического колеса позволяет создать минимально возможный угол γ между осями ОО1 и СС1, обеспечивая минимальный размер по оси ДД1. А в нашем случае увеличение количества валов-шестерён позволяет разделить потоки мощности, что уменьшает нагрузку на зубья венца конического колеса 3 и валов-шестерён 12 и 13. Это позволяет уменьшить диаметр самого конического колеса 3, что, в свою очередь, даёт возможность, не нарушая требований Правил РМРС к механизму поворота, не увеличивать поперечный размер винторулевой колонки по оси ДД1.

Соответствующие расчёты показывают возможность приведения диаметра конического колеса механизма поворота у винторулевой колонки с механическим приводом гребного винта к диаметру ведомого колеса верхнего редуктора. То есть, довести поперечный размер винторулевой колонки до минимально возможного. Что и позволит расположить винторулевую колонку с установленными приводами в заданном ограниченном пространстве (см фиг. 3).

На фиг. 3 приводные двигатели винторулевых колонок 20 с помощью муфт (не показано) соединены с валами 21 и расположены противоположно друг другу вдоль оси ВВ1, соответствующей продольной оси судна. Угловые мотор-редукторы 14 и 15 механизма поворота жёстко соединены с валами-шестернями 12 и 13. Двигатели угловых мотор-редукторов 14 и 15 расположены вертикально, тем самым минимизируя возможность расширения габаритов по оси ДД1.

Уменьшение поперечных размеров механизма поворота винторулевой колонки с механическим приводом гребного винта позволяет минимизировать количество съёмных узлов ВРК перед монтажом в корпус судна, и сохранить заводское качество сборки, а также снизить затраты на установку и проводить её замену на плаву в случае поломки. Кроме этого, уменьшается размер монтажного отверстия в корпусе судна, что является существенным для судов докового типа, лихтеровозов и судов, у которых погрузка и выгрузка осуществляется через кормовые ворота.

Работа предлагаемой винторулевой колонки осуществляется следующим образом. При необходимости смены направления перемещения судна поток энергии от мотор-редукторов 14 и 15 через валы-шестерни 12 и 13 передаётся коническому колесу 3 создавая вращательный момент механизма поворота.

Применение заявленного устройства приводит к повышению надёжности и повышению функциональных возможностей винторулевой колонки. В устройстве снижены механические нагрузки на рабочие элементы зубчатой передачи, повышены коэффициенты мощности и полезного действия.

Изобретение относится к области судостроения, а именно к движительным винторулевым комплексам судов. Винторулевая колонка содержит жёстко связанные между собой вертикальную стойку трубчатой конструкции и гондолу, имеющие возможность поворота вокруг вертикальной оси, внутри которых располагаются элементы привода гребного винта, и механизм поворота вертикальной стойки и гондолы. Механизм поворота выполнен на основе конического редуктора и представляет собой коническое колесо на верхнем конце вертикальной стойки, зацепляющееся с ведущими противолежащими коническими валами-шестернями. Каждый из ведущих валов-шестерён посажен на пару подшипников, один из которых расположен снаружи зубчатого венца конического колеса, а другой внутри. Достигается устранение консольных нагрузок на валы-шестерни механизма поворота и увеличение мощности механизма поворота без увеличения габаритов, а также упрощение монтажа винторулевой колонки и возможности ремонта на плаву. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Винторулевая колонка, содержащая жёстко связанные между собой вертикальную стойку трубчатой конструкции и гондолу, имеющие возможность поворота вокруг вертикальной оси, внутри которых располагаются элементы привода гребного винта, и механизм поворота вертикальной стойки и гондолы, выполненный на основе конического редуктора и представляющий собой коническое колесо на верхнем конце вертикальной стойки, зацепляющееся с ведущими противолежащими коническими валами-шестернями, отличающаяся тем, что каждый из ведущих валов-шестерён посажен на пару подшипников, один из которых расположен снаружи зубчатого венца конического колеса, а другой внутри.

2. Винторулевая колонка по п.1, отличающаяся тем, что установлена дополнительная пара противолежащих валов-шестерён, ось которой составляет минимально возможный малый угол с осью основной пары.

3. Винторулевая колонка по п.2, отличающаяся тем, что подшипники, расположенные снаружи, имеют одинаковый диаметр и находятся на равном расстоянии от центра конического колеса, а внутренние подшипники одной пары расположены на большем расстоянии от центра конического колеса, чем подшипники второй пары.

4. Винторулевая колонка по п.3, отличающаяся тем, что внутренние подшипники пары, расположенной на большем расстоянии от центра конического колеса, имеют больший диаметр.