Il vantaggio nell'uso di alloggiamenti cilindrici invece di inserire direttamente le boccole nel dritto del timone è che è più facile lavorare gli alloggiamenti cilindrici alle dimensioni finali anziché lavorare l'intero dritto del timone. È anche più facile sostituire solo gli alloggiamenti in caso di danni
Successivamente le boccole vengono inserite negli alloggiamenti cilindrici. Queste boccole sono composti da un materiale laminato di cotone e resina, proprio come lo scafo di una scialuppa di salvataggio che è composto da fibra di vetro e resina. In questa vista ravvicinata, è possibile vedere che sulle boccole sono praticate scanalature che permettono all'acqua di mare di entrare nel boccola e di lubrificarlo. Queste scanalature sono chiamate vie d'acqua.
Notare la chiavetta che è lavorata nella boccola inferiore e il suo alloggiamento. Una chiavetta viene inserita in esse per bloccarle insieme. Le boccole del cuscinetto superiore sono anch’esse di simile costruzione ma senza chiavetta e scansione.
Per supportare queste boccole, vengono inseriti fermi boccola sulle facce superiore e inferiore del dritto del timone e saldati in posizione.
Ora diamo un'occhiata all'albero del timone. L'albero del timone trasmette la coppia dalla macchina del timone al timone, ruotandolo così all'angolo richiesto.
A questo albero del timone, sono montate due boccole realizzate in fusioni di acciaio inossidabile con un fissaggio interferente.
Inoltre, c'è un perno inferiore che sostiene un cuscinetto per il perno inferiore. Anche il perno è dotato di una boccola.
Guardando il timone, possiamo notare che è necessaria una struttura interna per conferire al timone la sua resistenza strutturale. Questa struttura interna è composta da diversi bracci orizzontali e pareti verticali saldati insieme per formare la struttura interna. Due fusioni di acciaio sono saldate a questa struttura interna. Queste fusioni consentono al timone di essere montato sull'albero del timone e sul perno. Infine, una barra rotonda chiamata barra di bordo è montata sul retro della struttura collegando i bracci superiore e inferiore.
Guardando la sezione superiore della fusione, è possibile notare il foro conico interno che si connetterà alla faccia conica dell'albero del timone formando un accoppiamento conico. Si noti che queste fusioni sono realizzate in modo tale da presentare facce piatte per consentire ai bracci e alle pareti di essere saldati su di esse. I gruppi interni sono previsti per iniettare pressione idraulica al momento della spinta del timone. In questa vista, è possibile vedere il foro di iniezione dell'olio.
Si noti che per la fusione inferiore, il perno non è dotato di spinte idrauliche quindi non vi sono scanalature per l'olio. La piastra inferiore del timone è dotata di due tappi di scarico all'avanti e all'indietro. Tuttavia, si noti che i tappi di scarico non sono avvitati direttamente nella piastra inferiore. Un bossolo filettato è saldato nella piastra inferiore in cui vengono inseriti i tappi insieme agli anelli di tenuta. Oltre ai tappi di scarico, sono presenti anche due tappi di sfiato, uno sul braccio orizzontale montato sulla fusione inferiore e uno in cima al timone.
Se girate il timone verso l'altro lato e osservate da vicino i bracci e le pareti interni, noterete che le barre piatte sono saldate ai bracci e alle pareti interne in parte della loro lunghezza sul lato di dritta. Il motivo è che dopo che i bracci orizzontali, le travi verticali e i supporti sono saldati insieme, le lastre esterne sul lato sinistro possono essere saldate alla struttura interna dal lato destro poiché è accessibile. Tuttavia, non sarebbe possibile saldare le lastre esterne allo stesso modo sul lato destro perché la struttura interna non sarebbe più accessibile.
Per risolvere questo problema, sul lato destro vengono praticati degli scanalature nelle lastre esterne vicino alle barre piatte. Questo permetterebbe alle lastre esterne di essere saldate alle barre piatte attraverso queste scanalature, fissandole così alla struttura interna. Questa tecnica è chiamata saldatura a scanalature. Qui vengono mostrate le scanalature per un solo braccio orizzontale e una sola barra verticale. Allo stesso modo, verranno praticate delle scanalature per tutti i bracci e le travi. Notare che queste scanalature non si trovano vicino al centro del timone tra la prima, la seconda e la terza trave verticale poiché la struttura interna può essere raggiunta attraverso i fori di illuminazione nei bracci. È anche importante notare che le società di classificazione richiedono che la saldatura a scanalature sia ridotta al minimo.
Ora, prima del montaggio finale, vengono posizionati due anelli di tenuta nelle scanalature dei supporti superiori e inferiori. Le lastre esterne e una parte del braccio orizzontale nel punto di contatto vengono rimossi e il punto di contatto è posizionato nel supporto inferiore. Viene quindi montato un altro anello di tenuta nella parte inferiore, seguito da una rondella e infine, il punto di contatto è fissato con un dado.
Il timone viene quindi abbassato dal comparto del meccanismo di sterzo, appoggiato al supporto del timone. Il timone viene abbassato a sufficienza per superare il corno del timone e il punto di contatto e portato nella posizione corretta. Il timone viene sollevato fino a quando il giunto conico del punto di contatto del timone non viene in contatto. Si noti che questa non è la posizione finale del timone poiché deve essere spinto nella posizione corretta utilizzando la pressione idraulica. Ora, una parte della piastra del timone in corrispondenza dell' dado viene rimossa e viene installato un anello o, una rondella e un dado idraulico.
Prima che inizi la pressatura idraulica, bisogna assicurarsi che il timone sia allineato all'albero del timone. Questo allineamento viene fatto con l'aiuto di una barra guida che è fissata alla fusione superiore. In questa vista ravvicinata è possibile vedere che c'è una barra guida fissata esattamente al centro della fusione superiore con la parte anteriore della barra guida sporgente verso l'interno.
Si può anche notare che c'è una scanalatura tagliata nella parte inferiore del manicotto dell'albero del timone. Prima che venga applicata la pressione idraulica al dado dell'albero del timone, il timone è allineato in modo che la barra guida sia esattamente centrata rispetto alla scanalatura nel manicotto dell'albero del timone.
Ora, il posizionamento finale del timone viene fatto iniettando pressione idraulica nei canali della fusione superiore e contemporaneamente iniettando la pressione nel dado idraulico dell'albero del timone. Nella sezione delle fusioni dopo l'assemblaggio, si può vedere come gli O-ring in alto e in basso sigillano le superfici di contatto degli accoppiamenti conici contro l'ingresso d'acqua per prevenire la corrosione. La società di classificazione richiede che ci sia almeno l'80% di area di contatto tra la fusione e l'albero. Si nota la barra guida e come sia allineata alla scanalatura nel manicotto dell'albero del timone.
Un'altra cosa che rimane da discutere è il concetto di spazio di gioco per salto. Abbiamo visto in precedenza che nella parte inferiore del corpo del timone è montata una barra di salto semicircolare. Inoltre, sul braccio orizzontale montato sulla fusione inferiore, si possono vedere due barre di salto.
In questa vista ravvicinata, è possibile vedere che lo spazio di gioco per salto è uno spazio misurato tra la barra di salto sul corno del timone e le barre di salto sul braccio orizzontale. Questo spazio è progettato per essere inferiore allo spazio tra la canna di tiro e i pistoni idraulici nel vano dell'ingranaggio di governo. In modo che, nel caso in cui il timone venga sollevato in mari agitati, l'impatto sarà assorbito dalle barre di salto anziché dai pistoni che potrebbero subire danni. Le barre di salto sono supportate per tutto il percorso del timone. Lo spazio di gioco per salto per una nave di nuova costruzione è di circa 2 mm.
In passato la trasmissione della manovra avveniva per mezzo di cavi. La ruota del timone manovrava un cilindro su cui erano avvolti diversi giri di cavo, i cui due capi andavano fino a poppa dove erano fissati alle due estremità di una barra trasversale del timone. Questo consentiva di applicare una forza maggiore e con più precisione. Inoltre il riporto del comando del timone in cabina di manovra consente la condotta a vista. Il metodo usato successivamente al sistema a cavi (frenelli) è quello oleodinamico, in cui la ruota del timone aziona un servosistema idraulico che amplifica la forza e la trasmette sotto forma di pressione ad uno stantuffo agente sul timone.
Prendiamo in esame il sistema con quattro cilindri idraulici: essi sono collegati ai due bracci del disco dell'attuatore su entrambi i lati. Questi cilindri sono direttamente collegati a pompe idrauliche azionate elettricamente, che generano pressione idraulica attraverso tubi. Questo campo di pressione idraulica presente nelle pompe imprime un movimento ai cilindri idraulici, che a loro volta corrispondono con l'attuatore per agire sul fusto del timone. Il senso di rotazione di questo timone è guidato dall'azione della pompa idraulica.
La fisica dietro la sua funzione può essere spiegata meglio con l'aiuto della seguente figura. Qui i cilindri indicati come 1 e 3 sono collegati al lato di scarico della pompa, generando una pressione positiva nei cilindri a pistone. Al contrario, gli altri due cilindri 2 e 4 sono collegati al lato di aspirazione della pompa, creando una pressione negativa nei cilindri. Le forze risultanti creano un momento in senso orario nel timone.
Per metterla semplicemente, le pressioni positive e negative dalle pompe generano forze laterali sulle rampe che creano una coppia per girare l'albero del timone. Allo stesso modo, per metterlo in senso antiorario, si esegue il contrario. Ciò significa che le estremità di scarico delle pompe sono collegate ai cilindri 2 e 4, mentre il lato di aspirazione delle pompe è 2, 1 e 3. Questo flusso di pressione inversa dalle pompe idrauliche è ottenuto con l'aiuto di valvole di controllo operate dalla plancia.
Il sistema di governo a rampe produce un valore di coppia considerevolmente alto per una determinata potenza applicata. La pressione dell'olio idraulico varia da 100 bar a 175 bar a seconda delle dimensioni del timone e della coppia richiesta. Secondo i requisiti di SOLAS, tutte le petroliere di oltre 10.000 tonnellate di stazza lorda e tutte le altre navi di 70.000 tonnellate di stazza lorda dovrebbero avere un sistema di governo a ripresa «safematic». Deve essere presente un sistema per isolare il guasto e continuare ad utilizzare il sistema di governo in caso di emergenza. Per evitare un guasto totale del sistema di governo, sono introdotte nel sistema valvole di isolamento e bypass automatiche.
In condizioni normali, una pompa soddisfa il bisogno di tutte e 4 le rampe. In caso di perdita, il commutatore di livello del sistema si attiva avviando la pompa di riserva e attivando l'allarme. Ma se una perdita persiste nel sistema, si avviano la valvola di bypass e di isolamento. Ora, il sistema di governo funziona al 50% della sua coppia isolando il set difettoso di rampe. Ora, l'altro sistema senza perdite farà funzionare la pompa e la rampa ad essa associata si muoverà come comandato.
L'efficienza delle prestazioni del sistema di governo dipende da alcuni aspetti principali. Questi requisiti di base che devono essere costantemente rispettati da tutti i sistemi di governo sono guidati dalle regole stabilite dalle società di classificazione. Possono essere brevemente delineati secondo i requisiti standard. Il sistema di governo dovrebbe essere in grado di governare la nave da 35 gradi verso sinistra a 35 gradi verso destra e viceversa, mentre la nave procede avanti ad una velocità costante massima per giri albero continuativi massimi e linea d'acqua a pieno carico nel periodo massimo di 28 secondi.
Con un'unità di alimentazione funzionante, il timone deve essere in grado di girare da 15 gradi a sinistra a 15 gradi a dritta e viceversa entro un periodo di 1 minuto con la nave in movimento in avanti alla sua velocità massima nominale o 7 nodi, a seconda di quale sia maggiore sulla linea di carico estiva.
Le principali unità di potenza e i sistemi di controllo devono essere duplicati in modo che se uno di essi fallisce, l'altro possa facilmente sostituirlo come standby. Il sistema di governo deve essere provvisto di un'unità di potenza aggiuntiva, pompa idraulica, ecc. Collegato all'alimentazione elettrica di emergenza del generatore di emergenza, che deve essere in grado di girare il timone di 15 gradi da un lato all'altro entro 60 secondi con la nave che si muove alla massima velocità di 7 nodi o più. Il sistema idraulico di governo è una macchina critica a bordo la cui conoscenza operativa è estremamente importante per la navigazione sicura della nave.
Il sistema di timone che vedi è un sistema idroassistito elettroidraulico di tipo a vano rotativo. Ci sono due set di centraline idrauliche composte da pompe idrauliche e serbatoio d'olio. La valvola di controllo bidirezionale cambia la direzione del flusso dell'olio. Le valvole di isolamento automatico azionate elettricamente isolano il sistema difettoso in caso di emergenza. Le valvole di rilascio combinato degli urti mantengono la pressione dell'olio nel sistema entro limiti. Il quadro di controllo riceve l'ordine dal comando dal ponte e invia segnali elettrici alla valvola di controllo bidirezionale.
Potenzialmente un sensore rileva la posizione dell'albero del timone e invia il feedback al quadro di controllo. Controlla il livello dell'olio idraulico nel serbatoio. Un livello insufficiente di olio idraulico porterà a una cattiva prestazione del sistema. Tuttavia, sono previste allarmi per avvertire l'operatore. Verifica se l'alimentazione elettrica è disponibile per entrambi i motori dello sterzo. Per il motore dello sterzo di riserva, l'alimentazione elettrica dovrebbe essere disponibile per le emergenze. Il motore della pompa dello sterzo viene avviato. La pompa numero due inizia a funzionare.
Viene controllato l’assorbimento elettrico (A) del motore della pompa. La valvola di isolamento azionata elettricamente della pompa in funzione è mantenuta in posizione aperta contro la pressione della molla e la valvola di isolamento della pompa di riserva quando non viene dato alcun ordine di sterzo. La valvola di controllo bidirezionale è in posizione centrale.
Quando viene dato l'ordine di babordo dal ponte, la valvola di controllo bidirezionale si sposta a sinistra. L'olio pressurizzato viene pompato nel rotore. L'olio respressurizzato muove le palette del rotore. Il rotore a sua volta sposta l'albero del timone a babordo. L'olio di ritorno fluisce indietro dal lato di ritorno della pompa. Quando l'albero del timone raggiunge l'angolo di ordine desiderato, il potenziometro invia un segnale al quadro di controllo. Il quadro di controllo invia un segnale alla valvola di controllo bidirezionale. La valvola viene riportata alla sua posizione iniziale. Ciò blocca il flusso dell'olio e ferma il movimento del rotore.
Quando viene dato l'ordine di tribordo dal ponte, il quadro di controllo invia un segnale alla valvola di controllo bidirezionale. La valvola si sposta verso destra. L'olio pressurizzato viene pompato dall'altro lato del rotore. L'olio pressurizzato muove le palette del rotore. Il rotore a sua volta muove l'albero del timone dalla posizione di sinistra a destra. L'olio di ritorno fluisce verso il lato di ritorno della pompa. Quando il timone raggiunge la posizione di destra, il potenziometro invia un segnale alla scatola di controllo. La scatola di controllo invia un segnale alla valvola di controllo bidirezionale. La valvola viene spinta nella sua posizione iniziale. Ciò blocca il flusso dell'olio e ferma il movimento del rotore.
Considerando che durante l'operazione si verifica una rottura in uno dei tubi. L'olio inizia a perdere e i livelli di olio iniziano a scendere nel serbatoio. Viene attivato l'allarme di livello basso. Se la perdita è grave, suona l'allarme di basso livello e si attua l'isolamento automatico nella parte anteriore.
Il motore della pompa timone numero 2 viene spento. Anche la valvola di isolamento si chiude. Viene avviata la pompa n. 1 e si apre la valvola di isolamento n. 1. Pertanto, il sistema 2 viene isolato e il sistema 1 viene messo in uso.
Considerando che dal ponte di comando è stato dato un ordine da babordo e improvvisamente l'alimentazione va via, si ha un errore nell'unità di controllo. In caso di emergenza, viene utilizzato un sistema di comunicazione alternativo per dare l'ordinanza dalla plancia di comando al timone. La valvola di controllo bidirezionale viene azionata manualmente utilizzando le leve. Ad esempio, quando si aziona la leva destra, la valvola di controllo bidirezionale si sposta verso destra. Il rotore a sua volta sposta il timone sul lato di babordo.
Quando l'angolo desiderato del timone viene raggiunto, l'operatore manuale rilascia la leva e la valvola torna nella sua posizione iniziale. La macchina del timone viene spenta quando la nave raggiunge un porto e si accosta al molo. Il motore della pompa del timone viene spento. Viene spenta l'alimentazione ai comandi di plancia.
TIMONERIA CON POMPA A PORTATA VARIABILE
Una delle pompe a portata variabile è quella con cilindri disposti radialmente rispetto all’asse di rotazione (detta a pistoni radiali, pompa “Hele Shaw”). Sulle timonerie moderne sia a palmole che a torchi questa pompa non è più utilizzata, in sostituzione è installata una pompa volumetrica a portata fissa con distributore a tre vie per comandare i cilindri/palmole in un verso o nell’altro.
Le particolari esigenze operative dell’impianto obbligano alla scelta di una pompa che assicuri una portata variabile utilizzando la potenza fornita, a velocità praticamente costante, all’albero del motore primo. Per tale motivo la pompa volumetrica non può che essere del tipo a pistoni (lineare), poiché le altre tipologie di pompe non garantiscono la stessa flessibilità di portata da valori quasi nulli a valori alti.
La pompa deve combinare una camera di lavoro volumetrica lineare a portata variabile con il moto rotatorio del motore. Tali vincoli progettuali obbligano all’uso di una pompa multi–cilindro, ne esistono due configurazioni: quella con cilindri paralleli all’asse di rotazione dell’albero motore (detta a pistoni assiali, pompa “Janney”)
In questa animazione vediamo il funzionamento dell’unità di controllo che è assemblato con elettrovalvola pilota (1), valvola di sicurezza (2) e valvola di controllo (3).
Approssimativamente dopo un secondo, la valvola di controllo (3) è mossa a fine posizione.
Il flusso dell’olio proveniente dalla pompa ha il passaggio libero dal canale (1) al tubo B azionando l’attuatore. Il ritorno dell’olio dall’attuatore entra nel tubo A e ha libero passaggio al canale 2 e ritorna all’aspirazione della pompa.
1-Elettrovalvola pilota
2-Valvola di sicurezza
3-Valvola di controllo
4-By pass
In questa animazione vediamo il funzionamento della valvola di sicurezza.
Se la pressione aumenta al massimo valore che corrisponde alla pressione di apertura della valvola pilota (1), la valvola principale a molla (4) sarà spinta oltre la sua pressione aprendo il passaggio dell’olio.
1 – Valvola di sicurezza pilota
2 – Pistone pilota
3 – Valvola di ritegno
4 – Molla valvola principale
5 – Vite di regolazione pressione di mandata
In questa animazione possiamo vedere le valvole di blocco in azione.
Il timone del sistema di controllo del timone è azionato da un motore DC (rudder motor). L'alimentazione per il motore del timone (rudder motor) è fornita da un generatore DC (D.C. generator) con tensione di uscita controllabile. Il generatore DC (D.C. generator) è azionato da un motore di induzione a gabbia di scoiattolo trifase a una sola velocità (A.C. motor).
La velocità e la direzione del motore del timone (rudder motor) variano variando la tensione applicata. La corrente alternata dalla fonte di alimentazione principale (Main A.C. supply) viene trasformata in tensione più bassa (Transformer) e raddrizzata (Rectifier) per alimentare i poli del campo del motore (Field Rudder motor).
L'uscita del generatore (D.C. generator) varia variando la corrente di campo del generatore (Field D.C. generator) e la direzione utilizzando un reostato (Potentiometer). Con la variazione della direzione, la corrente applicata fornita al motore del timone (Rudder motor) cambia di conseguenza la direzione.
Due reostati sono collegati per formare un circuito a ponte. I due contatti del reostato, cioè il contatto del reostato del volante in plancia e il contatto del potenziometro del timone, sono collegati alle due estremità della bobina di campo del generatore (Field D.C. generator).
Quando il volante è in posizione di riposo al centro, i due contatti del reostato sono nella stessa posizione e non scorre corrente tra di loro. Ora il volante è girato a sinistra. Questo fa sì che il contatto del reostato di ordine del volante si sposti dalla posizione centrale. A causa della differenza di tensione tra i due contatti, la corrente scorre attraverso la bobina di campo del generatore (Field D.C. generator). Il generatore genera energia e la fornisce al motore del timone (Rudder motor) che gira il timone sul lato tribordo. Mentre il timone si muove, il contatto del reostato del timone si muove verso l'alto e quando il timone raggiunge l'angolo richiesto, il contatto del timone raggiungerà la posizione del contatto dell'ordine del volante in plancia. Il flusso di corrente alla bobina di campo del generatore si interromperà e il motore del timone smetterà anche di girare il timone.
Il volante è girato a centro nave. Ciò sposterà il contatto del reostato del volante in posizione centro nave. La corrente verso la bobina del generatore scorre nella direzione opposta e il motore del timone gira in senso antiorario facendo girare il timone verso il lato opposto. Mentre il timone raggiunge la posizione centro nave, il contatto del timone raggiunge la posizione opposta rispetto al contatto dell'ordine del volante in plancia. Il flusso di corrente alla bobina di campo del generatore si interrompe. Pertanto, la tensione di uscita del generatore per il motore del timone si interrompe. Il timone si ferma in posizione centro nave. Lo stesso processo continua per tutti gli ordini della plancia.
TIMONERIA A VAPORE
Da non dimenticare l’agghiaccio a vapore di cui se ne è fatto uso su moltissime navi quando non era ancora acclamato l’uso dell’idraulica nelle apparecchiature di bordo. Sulle piccole navi per anni è stato possibile utilizzare i timoni a catena. Macchina comandata con la forza del vapore che potrebbe essere stata molto rara perché il processo di governo della nave era molto complicato e lento e quindi non in regola con il regolamento dell'IMO che stabilisce la navigazione della nave da dritta a sinistra o viceversa dovrebbe essere possibile in non più di 30 secondi al momento della partenza della nave a tutta velocità.
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