Schiffs-Vierkolben-Steueranlage

Schiffssteuersysteme  

Große Handelsschiffe werden mithilfe von Rudern gesteuert, doch dies ist keine einfache Aufgabe, da ein Ruder mehrere Tonnen wiegen kann. Die meisten Schiffe verwenden eine Art elektrohydraulisches System zur Betätigung des Ruders, während die traditionelle – und deutlich ältere – Methode rein mechanisch war. Dieser Artikel konzentriert sich auf eine häufig verwendete Art von Ruderanlage: die Vier-Zylinder-Ruderanlage (Four-Ram Steering Gear System). 

Vier-Ram-Typ Lenkgetriebe

Marine-Lenkgetriebe-Typen

Häufige Lenkgetriebe-Typen sind der Ram-Typ und der Rotationsflügel-Typ. Ram-Typ-Lenkgetriebe verwenden in der Regel zwei oder vier Riegel. Beide Systemtypen sind elektro-hydraulisch, da sie Elektromotoren für die Pumpen von Hydraulikflüssigkeit nutzen. Die verwendete Hydraulikflüssigkeit ist fast immer ölbasiert, obwohl auch eine wasser-glykolgemischte Flüssigkeit verwendet werden kann.

Hinweis: Wasser-glykol-Systeme werden in der Regel nur für sehr große Hydrauliksysteme verwendet. 

Hydrauliksystem-Komponenten

Hydraulikölsysteme können ziemlich komplex sein, enthalten jedoch oft die folgenden häufigen Komponenten:

• Speichertank – ein Behälter, in dem die Hydraulikflüssigkeit gespeichert wird.
• Pumpe – wird verwendet, um die Flüssigkeit im gesamten Lenkgetriebesystem zu pumpen. Die meisten Lenkgetriebe verwenden eine Art Kolbenpumpe zum Pumpen der Hydraulikflüssigkeit.
• Ventile – zur Regelung, zum Starten und Stoppen des Hydraulikflüssigkeitsflusses. Ventildesigns umfassen Rückschlag-, Richtungs- und Druckbegrenzungsventile.
• Richtungssteuerventile – zur Steuerung des Flusses der Hydraulikflüssigkeit im System.
• Druckbegrenzungsventile – zur Druckentlastung des Hydrauliksystems im Falle einer Überdrucksituation. Überdruck kann aus verschiedenen Gründen auftreten, einschließlich äußerer Faktoren wie rauen Wetterbedingungen, die auf das Ruder wirken.
• Aktuator – ein Kolben, Riegel oder Flügel, der durch den Hydrauliköl-Druck betätigt wird. Die Art des verwendeten Aktuators hängt vom Design des Lenkgetriebes ab.

Lenkgetriebe-Komponenten

• Ruder – wandelt die lineare Bewegung des Riegels in eine Drehbewegung an der Ruderwelle um.
• Codpiece (Riegelstück) – ein zylindrisch geformtes Stück, das mit den Riegeln verbunden ist; das Codpiece befindet sich zwischen dem gegabelten Ruder.
• Ruderwelle – überträgt die Bewegung des Ruders auf das Ruder. In seiner einfachsten Form kann die Ruderwelle einfach ein langer Zylinder sein, an dessen oberem Ende das Ruder und am unteren Ende das Ruderblatt befestigt ist.
• Ruder – das Bauteil, das zur Steuerung der Richtung des Schiffs verwendet wird.
• Riegel – Riegel, die in Hydraulikzylindern installiert sind. Jeder Riegel wird gegenüber seinem Gegenstück entlang einer linearen Achse installiert.
• Lokale Ruderwinkelanzeige – ein Stück Metallplatte, das am Lenkgetrieberuder installiert ist. Die Platte ist mit Zahlen markiert, die den Winkel anzeigen, in dem sich das Ruder derzeit befindet.
• Haupt-Elektromotor – die Hydraulikflüssigkeit wird durch das System zirkuliert, indem ein Drehstrom-Elektromotor verwendet wird; der Drehstrom-Elektromotor ist normalerweise mit einer Kolbenpumpe verbunden.
• Pumpe – eine Verdrängungspumpe, die zur Zirkulation der Flüssigkeit im gesamten System verwendet wird.
• Servomotor – ein Servomotor und die dazugehörige Pumpe werden verwendet, um die Position der Richtungssteuerventile zu steuern.
• Steuerkasten und Repeater – werden verwendet, um die Position des Ruders an den Steuerraum weiterzugeben und sicherzustellen, dass die Ruderposition jederzeit bekannt und korrekt ist.

Wie Schiffslenkgetriebe funktionieren

Betrieb des Ram-Typ Lenkgetriebes (Grundlegende Arbeitsbeschreibung)

Hydraulikflüssigkeit wird über den Sauganschluss in die Hauptpumpe des Lenkgetriebes gezogen. Die Flüssigkeit wird dann aus dem Auslassanschluss gepumpt, durch ein Richtungssteuerventil und zu dem vorgesehenen Zylinder. Hauptlenkgetriebe-Pumpen sind in der Regel an den Hydrauliköl-Speichertanks montiert, obwohl sie auch fernab installiert und über Hydraulikschläuche verbunden werden können.

Hydrauliksystem-Diagramm des Vier-Riegel-Typ Lenkgetriebes

Richtungssteuerventile ändern ihre Position, um Hydraulikflüssigkeit an verschiedene Zylinder zu liefern. Diese Ventilarten werden häufig elektrisch betätigt, indem Magnetventile (elektromagnetische Ventile) verwendet werden, oder hydraulisch betätigt, indem Flüssigkeit aus einer Servopumpe genutzt wird. Federn können verwendet werden, um ein Richtungssteuerventil in eine Ausfallsicherung-Position zurückzuführen. Die Betätigung des Richtungssteuerventils verändert den Flussweg der Hydraulikflüssigkeit durch das System, sodass verschiedene Riegel als ein Paar (Zwei-Riegel-Design) oder mehrere Paare gleichzeitig betätigt werden können (Vier-Riegel-Design). Wenn keine Betätigung der Ruderposition erforderlich ist, können die Richtungssteuerventile in eine Position geändert werden, die eine Rekreislauf der Hydraulikflüssigkeit von der Pumpe direkt zurück zum Tank ermöglicht. Wenn Flüssigkeit rekreisläuft, wird der Hydraulikkreis, der die Riegel steuert, „gesperrt“, was bedeutet, dass keine Flüssigkeit in das System hinein oder aus dem System heraus bewegt wird (so dass die Riegel in Position „gesperrt“ sind).

Arbeitsprinzip des Vier-Riegel-Typ Lenkgetriebes 

Wenn Hydrauliköl an einen Zylinder geliefert wird, zwingt es den Riegel im Zylinder, sich in eine lineare Richtung zum gegenüberliegenden Zylinder zu bewegen. Während sich der Riegel bewegt, wird das Hydrauliköl im gegenüberliegenden Zylinder zurück zur Lenkgetriebepumpe oder zum Lenkgetriebepumpentank (je nach Design) entladen. Es ist möglich, die Richtung, in der sich der Riegel bewegt, zu ändern, indem die Position des Richtungssteuerventils geändert wird, wodurch der Flussweg der Flüssigkeit durch das System verändert wird.

Die häufigste Pumpenart, die für Lenkgetriebe verwendet wird, ist die Kolbenpumpe. Kolbenpumpen können in zwei Hauptkategorien unterteilt werden: die axiale Kolbenpumpe (auch bekannt als Hele-Shaw-Pumpe) und die radiale Kolbenpumpe. Kolbenpumpen sind eine Art Verdrängerpumpe und können auch Luft fördern.

Axiale Kolbenpumpe

Steuerfähigkeit

Ein Lenkgetriebe sollte das Ruder maximal um 35 Grad drehen, um effizient zu bleiben. Über 35 Grad beginnen Turbulenzen und Wirbelströme aufzutreten, die das Ruder ineffizient machen; der Dreheffekt wird auch nicht erhöht, wenn das Ruder über 35 Grad betrieben wird, obwohl der Bremswirkungseffekt (Verlangsamung) zunimmt.

Sicherheitsmerkmale

Fast alle kritischen technischen Systeme haben eine Form von Redundanz eingebaut. Zum Beispiel benötigt ein Lenkgetriebe möglicherweise nur ein einziges Hydraulikaggregat (das aus einer Pumpe, einem Motor, Ventilen und einem Tank besteht), aber in der Regel werden zwei installiert. Der Grund für diese Anordnung ist, dass ein Sicherheitsfaktor in das System eingebaut ist. Sollte eines der Aggregat ausfallen, kann das andere weiterhin in Betrieb bleiben, was bedeutet, dass das Ruder weiterhin betätigt und das Schiff sicher manövriert werden kann. Diese Art der Anordnung wird als „vollständig redundantes System“ oder „n+1-System“ bezeichnet.

Beschreibung des Online-Videokurses

In diesem Online-Videokurs „Grundlagen des Schiffslenkgetriebes“ werden wir untersuchen, wie Hydraulik eingesetzt wird, um große Schiffe zu steuern. Wir beginnen mit einem Blick auf die Entwicklung der Schiffslenkmechanismen, von den Zeiten der Seeleute am Steuer von Holzschiffen bis hin zu den vollautomatisierten Systemen, die wir heute verwenden. Anschließend werden wir die wichtigsten Teile moderner Schiffslenkgetriebe betrachten, darunter Riegel, Zylinder, Ruder und Ruderwinkelanzeigen. Wir werden lernen, wie Pumpen, Motoren, Richtungssteuerventile und Druckbegrenzungsventile zusammenarbeiten, um ein Schiff präzise zu manövrieren, auch über lange Distanzen.

Dieser Kurs bietet praktische Einblicke anhand von realen Demonstrationen. Am Ende dieses Kurses werden Sie in der Lage sein:

• Die technologischen Fortschritte zu erkennen, die das Gebiet der Schiffslenkung geprägt haben.
• Die Arbeitsprinzipien der Hydraulik und ihre Anwendung bei der Steuerung des Schiffsruders zu verstehen.
• Ein tiefgehendes Verständnis der mechanischen Komponenten zu erlangen, die die Schiffslenkung bestimmen.
• Zu verstehen, wie Hydrauliktechnologie präzise Kontrolle und Sicherheit in der maritimen Navigation ermöglicht.
• Die entscheidende Rolle der Redundanz in Schiffslenksystemen zu schätzen, die Zuverlässigkeit und Sicherheit während der Navigation gewährleisten.

Egal, ob Sie ein Technikbegeisterter, ein Deck- oder Maschinenbau-Kadett oder einfach nur neugierig auf die inneren Abläufe von Schiffsfahrzeugen sind – dieser Kurs ist Ihr Einstieg, um die Geheimnisse der maritimen Lenkgetriebe und ihrer Funktionsweise zu entschlüsseln.

Begleiten Sie uns auf dieser lehrreichen Reise!