Udviklet til offshoresejlads i hårdt vejr: Konstruktion, materialer og håndtering af ekstreme belastninger i South Atlantics vindroer til selvstyring

1. Fraværet af et traditionelt sikkerhedsrør

Fraværet af et traditionelt eksternt sikkerhedsrør eller en brudbolt i South Atlantics vindroer til selvstyring afspejler en grundlæggende forskel i den mekaniske konstruktion og i den måde, systemet er designet til at håndtere dynamiske belastninger på.

I stedet for at være afhængig af en særskilt offerkomponent anvender South Atlantic en anden mekanisk opbygning, der kombinerer direkte kraftoverføring, komponentgeometri, materialevalg og bevægelsesfrihed til at håndtere de belastninger, der opstår under offshoresejlads.

2. Hvorfor bruger Monitor et sikkerhedsrør?

Monitor anvender en lukket mekanisme med koniske tandhjul, en fast vinkelopbygning og et transmissionsforhold på 2:1. Den mekaniske konstruktion begrænser desuden pendulrorets bevægelsesområde, så det ikke kan bevæge sig lige så frit som i servo-pendulsystemer, der er konstrueret med en bredere og uhindret bevægelsesbane.

Når pendulroret når grænserne for sin bevægelse, kan det komme i kontakt med den omgivende konstruktion. Under hårde vejrforhold kan kraftige bevægelser i bådens agterende og pludselige ændringer i belastningen på pendulroret skabe betydelige stødbelastninger. Disse kræfter overføres gennem mekanismen og kan belaste transmissionskomponenterne kraftigt, herunder de koniske tandhjul.

For at beskytte mekanismen mod sådanne overbelastninger har Monitor indbygget en ekstern mekanisk sikring, der almindeligvis kaldes et sikkerhedsrør eller en brudbolt. Denne komponent er specifikt konstrueret til at fungere som et offerled, der brister ved for store belastninger, før de kan forårsage mere alvorlige skader på transmissionssystemet.

Sikkerhedsrøret er ikke blot en ekstra sikkerhedsfunktion; det er en integreret del af systemets strategi for håndtering af overbelastninger, som hænger sammen med den mekaniske konstruktion. Monitor leverer en ekstra sikring sammen med vindroret, da det forventes, at den kan skulle udskiftes, hvis den svigter i løbet af systemets levetid.

Brugerrapporter om Monitor og andre vindroersystemer med offerkomponenter, såsom Aries og Hydrovane, forbinder ofte sådanne brud med høje mekaniske belastninger, som især forekommer i hårdt vejr og under vanskelige søforhold.

Selvom sikkerhedsrøret således har en vigtig beskyttende funktion, kan dets aktivering under ekstreme belastninger også medføre et midlertidigt tab af vindrorets styreevne, indtil komponenten er blevet udskiftet.

3. South Atlantic håndterer overbelastninger anderledes

South Atlantics vindroer til selvstyring anvender en anden mekanisk konstruktion og er ikke afhængige af et separat, eksternt sikkerhedsrør, der er konstrueret til at briste.

Flere konstruktionsmæssige egenskaber adskiller denne tilgang:

• Direkte kraftoverføring via kardanled i stedet for koniske tandhjul: South Atlantic anvender en mekanisk transmission baseret på et kardanled og et system med en skubbestang i stedet for en lukket mekanisme med koniske tandhjul. Denne enklere opbygning undgår de specifikke fejltyper, der er forbundet med tænderne på koniske tandhjul. Risikoen for svigt i koniske tandhjul er nul i South Atlantic, ganske enkelt fordi South Atlantic ikke anvender koniske tandhjul. Hele transmissionssystemet er konstrueret til at overføre bevægelser direkte uden et indbygget offerled, der er beregnet til at briste.
• Servobladet som et fleksibelt element: Servobladet arbejder i vandet og er en integreret del af styremekanismen. Det højstyrke-polyethylen, der anvendes i South Atlantics servoblade, giver en vis fleksibilitet, så bladet kan deformeres under hydrodynamiske belastninger. Denne fleksibilitet udgør sammen med bladets geometri og montering en del af systemets reaktion på dynamiske kræfter.
• Kontrolleret friktion og relative bevægelser: Opbygningen af styreliner og transmissionskomponenter tillader en vis grad af indbyrdes bevægelse i mekanismen. Afhængigt af belastningens type og retning kan denne bevægelse påvirke, hvordan kræfterne overføres gennem systemet, og bidrage til at undgå unødigt pludselige belastninger af enkelte komponenter.
• Stort bevægelsesområde: Det brede bevægelsesområde, som visse komponenter har til rådighed, bidrager til at mindske risikoen for pludselig kontakt med mekaniske stop under ekstreme bevægelser. Dette er særligt relevant, når bådens agterende udsættes for pludselige bevægelser forårsaget af bølger, stampning eller rulning.

4. Er et vindror i rustfrit stål stærkere end et i aluminium?

Ikke nødvendigvis. Ud fra et materialeteknologisk perspektiv ville det være forkert at hævde, at aluminium generelt er stærkere end rustfrit stål. Visse kvaliteter af rustfrit stål, såsom 316, har en væsentligt højere trækstyrke end mange almindeligt anvendte marinealuminiumlegeringer.

Men når man sammenligner vindroer til selvstyring, der er monteret på en sejlbåds agterende, er råmaterialets styrke alene ikke afgørende for den færdige konstruktions styrke eller ydeevne.

En meningsfuld sammenligning skal tage højde for flere faktorer:

• Materialestyrke
• Konstruktionsstivhed
• Vægt
• Geometri og tværsnitsdimensioner
• Godstykkelse
• Samlingernes udformning
• Modstandsdygtighed over for udmattelse og stødbelastninger
• Hvordan kræfterne fordeles i hele konstruktionen

En konstruktions ydeevne afhænger af, hvordan materialet anvendes, og ikke blot af dets nominelle styrke.

5. Rustfrit ståls styrke fortæller ikke hele historien

Rustfrit stål, såsom kvalitet 316, kombinerer gode mekaniske egenskaber med fremragende korrosionsbestandighed i mange marine anvendelser. Densiteten er dog cirka tre gange så høj som aluminiums.

For at holde vægten af en konstruktion i rustfrit stål, der monteres på en sejlbåds agterende, under kontrol kan konstruktører være nødt til at anvende rør og komponenter med relativt tynde vægge.

Sådanne konstruktioner kan give fremragende styrke under de driftsforhold, de er beregnet til. Men når de gentagne gange udsættes for dynamiske belastninger, bøjning og vibrationer forårsaget af bølger, bliver geometrien, godstykkelsen og understøtningen lige så vigtige som selve materialets styrke.

En meget stiv konstruktion kan også overføre stødbelastninger effektivt til de tilsluttede komponenter. Afhængigt af konstruktionen kan det kræve yderligere foranstaltninger for at beskytte bestemte mekaniske dele mod overbelastning.

Monitors sikkerhedsrør er et eksempel på en teknisk løsning, hvor en specifikt udformet offerkomponent anvendes til at beskytte andre dele af mekanismen under visse overbelastningsforhold.

6. Fordelene ved aluminium

De marinealuminiumlegeringer af høj kvalitet, der anvendes i South Atlantics vindroer til selvstyring, gør det muligt at konstruere relativt store, tykke og robuste bærende profiler uden at tilføre bådens agterende unødvendig vægt.

• Vægt og geometri: Ved en given konstruktionsvægt gør aluminium det muligt at anvende større tværsnit og kraftigere profiler, end det generelt ville være praktisk med rustfrit stål. Korrekt dimensionerede større tværsnit kan give fremragende modstandsdygtighed over for bøjning og vridning.
• Konstruktionsstivhed: Aluminium har et lavere elasticitetsmodul end rustfrit stål, hvilket betyder, at det deformeres mere under samme spænding og med samme geometri. Ved at øge tværsnittets dimensioner og tykkelse kan en korrekt konstrueret aluminiumskonstruktion dog opnå den nødvendige stivhed til den tilsigtede anvendelse. Derfor skal den færdige komponents stivhed skelnes fra materialets iboende stivhed.
• Elastisk deformation: Aluminiums lavere elasticitetsmodul giver større elastisk deformation ved en given spænding og med tilsvarende geometri. Når konstruktionen er korrekt dimensioneret, kan denne egenskab bidrage til dens reaktion på dynamiske belastninger. Den faktiske modstandsdygtighed over for stød afhænger dog også af materialets styrke, duktilitet, geometri, samlinger og belastningsforhold.
• Lav vægt: At reducere vægten af en konstruktion monteret på bådens agterende handler ikke kun om bekvemmelighed. Det reducerer også de inertikræfter, der opstår, når båden bevæger sig, og begrænser den ekstra vægt, der koncentreres i den ene ende af fartøjet. Dette er særligt relevant under offshoresejlads, hvor stampning og pludselige bevægelser i agterenden kan skabe betydelige dynamiske belastninger.
• Lejer og kompatible materialer: Brugen af aluminium i kombination med POM (polyoxymethylen) og andre marinekompatible materialer gør det muligt at konstruere leje- og ledforbindelser med lav friktion. Disse materialekombinationer undgår desuden behovet for direkte glidende kontakt mellem overflader af rustfrit stål i visse komponenter.

Målet er ikke blot at vælge et let materiale, men at udnytte dets mekaniske egenskaber til at udvikle en konstruktion, der er korrekt dimensioneret til de forventede belastninger og det miljø, den skal fungere i.

7. Konklusion