Suunniteltu avomeripurjehdukseen kovissa sääolosuhteissa: South Atlanticin tuuliperäsinten rakenne, materiaalit ja äärimmäisten kuormitusten hallinta

1. Perinteisen varoputken puuttuminen

Perinteisen ulkoisen varoputken tai murtotapin puuttuminen South Atlanticin tuuliperäsimistä kuvastaa perustavanlaatuista eroa mekaanisessa rakenteessa ja siinä, miten järjestelmä on suunniteltu käsittelemään dynaamisia kuormituksia.

Erilliseen, tarkoituksella rikkoutuvaan osaan tukeutumisen sijaan South Atlantic käyttää erilaista mekaanista rakennetta, jossa yhdistyvät suora voimansiirto, komponenttien geometria, materiaalivalinnat ja liikkumisvapaus avomeripurjehduksen aikana esiintyvien kuormitusten hallitsemiseksi.

2. Miksi Monitor käyttää varoputkea?

Monitor käyttää suljettua kartiohammaspyörämekanismia, jossa on kiinteäkulmainen rakenne ja välityssuhde 2:1. Mekaaninen rakenne rajoittaa myös pendeliperäsimen liikealuetta, minkä vuoksi se ei pääse liikkumaan yhtä vapaasti kuin servo-pendelijärjestelmät, jotka on suunniteltu laajemmalla ja esteettömällä liikeradalla.

Kun pendeliperäsin saavuttaa liikeratansa äärirajat, se voi osua ympäröivään rakenteeseen. Kovissa sääolosuhteissa perän voimakkaat liikkeet ja pendeliperäsimeen kohdistuvien kuormitusten äkilliset muutokset voivat aiheuttaa merkittäviä iskuvoimia. Nämä voimat välittyvät mekanismin kautta ja voivat rasittaa huomattavasti voimansiirron osia, mukaan lukien kartiohammaspyöriä.

Suojatakseen mekanismia tällaisilta ylikuormituksilta Monitorissa on ulkoinen mekaaninen sulake, jota kutsutaan yleisesti varoputkeksi tai murtotapiksi. Tämä komponentti on suunniteltu toimimaan tarkoituksella rikkoutuvana osana, joka murtuu liian suuren kuormituksen alaisena ennen kuin kuormitus ehtii aiheuttaa vakavampia vaurioita voimansiirtojärjestelmään.

Varoputki ei ole pelkästään ylimääräinen turvaominaisuus, vaan olennainen osa järjestelmän mekaaniseen rakenteeseen liittyvää ylikuormitusten hallintastrategiaa. Monitor toimittaa tuuliperäsimen mukana varasulakkeen, sillä sen vaihtaminen voi tulla tarpeelliseksi järjestelmän käyttöiän aikana.

Monitorin ja muiden tarkoituksella rikkoutuvia osia käyttävien tuuliperäsinjärjestelmien, kuten Ariesin ja Hydrovane-järjestelmän, käyttäjäraporteissa näiden osien rikkoutuminen yhdistetään usein suuriin mekaanisiin rasituksiin, joita esiintyy erityisesti kovassa säässä ja vaikeissa meriolosuhteissa.

Vaikka varoputki tarjoaa tärkeän suojatoiminnon, sen laukeaminen äärimmäisissä kuormitustilanteissa voi myös johtaa tuuliperäsimen ohjauskyvyn tilapäiseen menetykseen, kunnes rikkoutunut osa on vaihdettu.

3. South Atlantic hallitsee ylikuormituksia eri tavalla

South Atlanticin tuuliperäsimissä käytetään erilaista mekaanista rakennetta, eivätkä ne ole riippuvaisia erillisestä, tarkoituksella rikkoutuvasta varoputkesta.

Useat rakenteelliset ominaisuudet erottavat tämän lähestymistavan muista:

• Suora voimansiirto kardaaninivelen avulla kartiohammaspyörien sijaan: South Atlantic käyttää kardaaniniveleen ja työntötankojärjestelmään perustuvaa mekaanista voimansiirtoa suljetun kartiohammaspyörämekanismin sijaan. Tämä yksinkertaisempi rakenne välttää kartiohammaspyörien hampaisiin liittyvät erityiset vikaantumistavat. Kartiohammaspyörien rikkoutumisen riski on South Atlanticissa nolla yksinkertaisesti siksi, ettei South Atlantic käytä kartiohammaspyöriä. Koko voimansiirto on suunniteltu välittämään liike suoraan ilman linjaan sijoitettua, rikkoutumaan tarkoitettua varoputkea.
• Servolapa joustavana osana: Servolapa toimii vedessä ja on olennainen osa ohjausmekanismia. South Atlanticin servolavoissa käytetty erittäin luja polyeteeni tarjoaa tietynasteista joustavuutta, jonka ansiosta lapa voi muotoutua hydrodynaamisten kuormitusten vaikutuksesta. Tämä joustavuus yhdessä lavan geometrian ja kiinnityksen kanssa vaikuttaa järjestelmän tapaan reagoida dynaamisiin voimiin.
• Hallittu kitka ja osien keskinäinen liike: Ohjausköysien ja voimansiirron komponenttien rakenne sallii mekanismin sisällä tietynasteisen keskinäisen liikkeen. Kuormituksen tyypistä ja suunnasta riippuen tämä liike voi vaikuttaa siihen, miten voimat välittyvät järjestelmän läpi, ja auttaa välttämään yksittäisten komponenttien tarpeettoman äkillistä kuormittumista.
• Laaja liikerata: Tiettyjen komponenttien laaja liikealue auttaa vähentämään äkillisten osumien todennäköisyyttä mekaanisiin rajoittimiin äärimmäisten liikkeiden aikana. Tämä on erityisen tärkeää, kun perä joutuu aaltojen, nyökkimisen tai keinumisen aiheuttamien äkillisten liikkeiden kohteeksi.

4. Onko ruostumattomasta teräksestä valmistettu tuuliperäsin vahvempi kuin alumiininen?

Ei välttämättä. Materiaalitieteen näkökulmasta olisi virheellistä väittää, että alumiini olisi yleisesti vahvempaa kuin ruostumaton teräs. Tietyillä ruostumattoman teräksen laaduilla, kuten 316-teräksellä, on huomattavasti suurempi vetomurtolujuus kuin monilla yleisesti käytetyillä merikäyttöön tarkoitetuilla alumiiniseoksilla.

Kun kuitenkin vertaillaan purjeveneen perään asennettavia tuuliperäsimiä, pelkän raaka-aineen lujuus ei ratkaise valmiin rakenteen lujuutta tai suorituskykyä.

Merkityksellisessä vertailussa on otettava huomioon useita tekijöitä:

• Materiaalin lujuus
• Rakenteellinen jäykkyys
• Paino
• Geometria ja poikkileikkauksen mitat
• Seinämän paksuus
• Liitosten rakenne
• Väsymis- ja iskukuormitusten kesto
• Voimien jakautuminen koko kokoonpanossa

Rakenteen suorituskyky riippuu siitä, miten materiaalia käytetään, ei pelkästään sen nimellislujuudesta.

5. Ruostumattoman teräksen lujuus ei kerro koko totuutta

Ruostumaton teräs, kuten laatu 316, yhdistää hyvät mekaaniset ominaisuudet erinomaiseen korroosionkestävyyteen monissa meriolosuhteissa. Sen tiheys on kuitenkin noin kolme kertaa suurempi kuin alumiinin.

Jotta purjeveneen perään asennettavan ruostumattomasta teräksestä valmistetun rakenteen paino pysyisi hallinnassa, suunnittelijat saattavat joutua käyttämään suhteellisen ohutseinäisiä putkia ja komponentteja.

Tällaiset rakenteet voivat tarjota erinomaisen lujuuden niille tarkoitetuissa käyttöolosuhteissa. Kun ne kuitenkin altistuvat toistuvasti dynaamisille kuormituksille, taipumiselle ja aaltojen aiheuttamalle tärinälle, geometriasta, seinämän paksuudesta ja tuennasta tulee yhtä tärkeitä tekijöitä kuin materiaalin omasta lujuudesta.

Erittäin jäykkä rakenne voi myös välittää iskuvoimia tehokkaasti siihen liitettyihin komponentteihin. Rakenteesta riippuen tämä voi edellyttää lisätoimenpiteitä tiettyjen mekaanisten osien suojaamiseksi ylikuormitukselta.

Monitorin varoputki on esimerkki teknisestä ratkaisusta, jossa erikseen määriteltyä tarkoituksella rikkoutuvaa komponenttia käytetään suojaamaan mekanismin muita osia tietyissä ylikuormitustilanteissa.

6. Alumiinin edut

South Atlanticin tuuliperäsimissä käytetyt korkealaatuiset merikäyttöön tarkoitetut alumiiniseokset mahdollistavat suhteellisen suurten, paksujen ja kestävien rakenneosien suunnittelun lisäämättä veneen perään liiallista painoa.

• Massa ja geometria: Tietyllä rakenteen painolla alumiini mahdollistaa suurempien poikkileikkausten ja järeämpien profiilien käytön kuin ruostumattoman teräksen kanssa yleensä olisi käytännöllistä. Oikein suunnitellut suuremmat poikkileikkaukset voivat tarjota erinomaisen taivutus- ja vääntölujuuden.
• Rakenteellinen jäykkyys: Alumiinin kimmomoduuli on pienempi kuin ruostumattoman teräksen, mikä tarkoittaa, että se muotoutuu enemmän saman jännityksen ja geometrian alaisena. Poikkileikkauksen mittoja ja paksuutta kasvattamalla oikein suunniteltu alumiinirakenne voi kuitenkin saavuttaa käyttötarkoituksensa edellyttämän jäykkyyden. Siksi valmiin komponentin jäykkyys on erotettava materiaalin luontaisesta jäykkyydestä.
• Elastinen muodonmuutos: Alumiinin pienempi kimmomoduuli mahdollistaa suuremman elastisen muodonmuutoksen tietyllä jännityksellä ja vastaavalla geometrialla. Oikein suunniteltuna tämä ominaisuus voi vaikuttaa myönteisesti rakenteen käyttäytymiseen dynaamisten kuormitusten aikana. Todellinen iskunkestävyys riippuu kuitenkin myös materiaalin lujuudesta, sitkeydestä, geometriasta, liitoksista ja kuormitusolosuhteista.
• Kevyt paino: Perään asennettavan rakenteen painon vähentäminen ei ole pelkästään käytännöllisyyskysymys. Se vähentää myös veneen liikkeistä syntyviä hitausvoimia ja rajoittaa aluksen toiseen päähän keskittyvää lisäpainoa. Tämä on erityisen tärkeää avomeriolosuhteissa, joissa nyökkiminen ja perän äkilliset liikkeet voivat aiheuttaa huomattavia dynaamisia kuormituksia.
• Laakerit ja yhteensopivat materiaalit: Alumiinin käyttö yhdessä POM:n (polyoksimeteeni) ja muiden meriympäristöön soveltuvien materiaalien kanssa mahdollistaa vähäkitkaisten tukien ja nivelrakenteiden valmistamisen. Nämä materiaalivalinnat myös välttävät tietyissä komponenteissa ruostumattomien teräspintojen välisen suoran liukukosketuksen tarpeen.

Tavoitteena ei ole ainoastaan valita kevyttä materiaalia, vaan hyödyntää sen mekaanisia ominaisuuksia sellaisen rakenteen kehittämiseksi, joka on mitoitettu asianmukaisesti sille odotettavien kuormitusten ja käyttöympäristön mukaan.

7. Johtopäätökset