Ontworpen voor oceaanzeilen onder zware weersomstandigheden: Constructie, materialen en beheer van extreme belastingen in de windvaanstuurinrichtingen van South Atlantic

1. Het ontbreken van een traditionele veiligheidsbuis

Het ontbreken van een traditionele externe veiligheidsbuis of breekpen in de windvaanstuurinrichtingen van South Atlantic weerspiegelt een fundamenteel verschil in de mechanische constructie en in de manier waarop het systeem is ontworpen om dynamische belastingen op te vangen.

In plaats van te vertrouwen op een afzonderlijk onderdeel dat bedoeld is om bij overbelasting te breken, gebruikt South Atlantic een andere mechanische opbouw, waarbij directe krachtoverbrenging, componentgeometrie, materiaalkeuze en bewegingsvrijheid worden gecombineerd om de belastingen tijdens het oceaanzeilen te beheersen.

2. Waarom gebruikt Monitor een veiligheidsbuis?

Monitor maakt gebruik van een gesloten tandwielmechanisme met conische tandwielen, een vaste hoekopstelling en een overbrengingsverhouding van 2:1. De mechanische constructie beperkt bovendien het bewegingsbereik van het pendulum, waardoor het niet zo vrij kan bewegen als bij servo-pendelsystemen die zijn ontworpen met een grotere, onbelemmerde bewegingsboog.

Wanneer het pendulum de grenzen van zijn bewegingsbereik bereikt, kan het in contact komen met de omringende constructie. Bij zware weersomstandigheden kunnen hevige bewegingen van de achtersteven en plotselinge veranderingen in de belastingen op het pendulum aanzienlijke stootkrachten veroorzaken. Deze krachten worden via het mechanisme overgebracht en kunnen de transmissiecomponenten, waaronder de conische tandwielen, zwaar belasten.

Om het mechanisme tegen dergelijke overbelastingen te beschermen, is Monitor voorzien van een externe mechanische breekbeveiliging, die doorgaans een veiligheidsbuis of breekpen wordt genoemd. Dit onderdeel is specifiek ontworpen als een opofferingscomponent die bij overmatige belasting breekt voordat deze ernstigere schade aan het transmissiesysteem kan veroorzaken.

De veiligheidsbuis is niet zomaar een extra veiligheidsvoorziening, maar een integraal onderdeel van de strategie voor overbelastingsbeheersing die samenhangt met de mechanische constructie van het systeem. Monitor levert een reservebreekbeveiliging bij de windvaan, omdat vervanging ervan tijdens de levensduur van het systeem nodig kan zijn wanneer het onderdeel breekt.

Gebruikersrapporten over Monitor en andere windvaansystemen met opofferingscomponenten, zoals Aries en Hydrovane, brengen dergelijke breuken regelmatig in verband met hoge mechanische spanningen, die vooral optreden bij zwaar weer en ruwe zeeomstandigheden.

Hoewel de veiligheidsbuis dus een belangrijke beschermende functie vervult, kan het aanspreken ervan bij extreme belastingen ook leiden tot een tijdelijk verlies van de stuurfunctie van de windvaan, totdat het onderdeel is vervangen.

3. South Atlantic beheerst overbelastingen op een andere manier

De windvaanstuurinrichtingen van South Atlantic hebben een andere mechanische constructie en zijn niet afhankelijk van een afzonderlijke, opofferingsgerichte veiligheidsbuis.

Verschillende ontwerpkenmerken onderscheiden deze aanpak:

• Directe krachtoverbrenging via een kruiskoppeling in plaats van conische tandwielen: South Atlantic gebruikt een mechanische transmissie op basis van een kruiskoppeling en een duwstangsysteem, in plaats van een gesloten mechanisme met conische tandwielen. Deze eenvoudigere constructie vermijdt de specifieke faalmechanismen die verband houden met de tanden van conische tandwielen. Het risico op defecten aan conische tandwielen is bij South Atlantic nul, eenvoudigweg omdat South Atlantic geen conische tandwielen gebruikt. De volledige transmissie is ontworpen om beweging rechtstreeks over te brengen, zonder een in-line veiligheidsbuis die bedoeld is om te breken.
• Het servoblad als flexibel element: Het servoblad werkt in het water en vormt een integraal onderdeel van het stuurmechanisme. Het hoogwaardige polyethyleen dat in de servobladen van South Atlantic wordt gebruikt, biedt een zekere mate van flexibiliteit, waardoor het blad onder hydrodynamische belasting kan vervormen. Deze flexibiliteit vormt, samen met de geometrie en montage van het blad, een onderdeel van de manier waarop het systeem op dynamische krachten reageert.
• Gecontroleerde wrijving en relatieve beweging: De opstelling van de stuurleidingen en transmissiecomponenten maakt een zekere mate van relatieve beweging binnen het mechanisme mogelijk. Afhankelijk van het type en de richting van de belasting kan deze beweging invloed hebben op de manier waarop krachten door het systeem worden overgebracht en helpen om onnodig abrupte belasting van afzonderlijke componenten te voorkomen.
• Een ruime bewegingsboog: Het grote bewegingsbereik van bepaalde componenten helpt de kans op plotseling contact met mechanische aanslagen tijdens extreme bewegingen te verkleinen. Dit is vooral relevant wanneer de achtersteven wordt blootgesteld aan plotselinge bewegingen als gevolg van golven, stampen of rollen.

4. Is een windvaan van roestvast staal sterker dan een aluminium windvaan?

Niet noodzakelijk. Vanuit het perspectief van de materiaalkunde zou het onjuist zijn om te beweren dat aluminium in het algemeen sterker is dan roestvast staal. Bepaalde kwaliteiten roestvast staal, zoals 316, hebben een aanzienlijk hogere treksterkte dan veel gangbare aluminiumlegeringen voor maritieme toepassingen.

Bij het vergelijken van windvaanstuurinrichtingen die op de achtersteven van een zeilboot zijn gemonteerd, bepaalt de sterkte van het ruwe materiaal alleen echter niet de sterkte of prestaties van de uiteindelijke constructie.

Een zinvolle vergelijking moet rekening houden met verschillende factoren:

• Materiaalsterkte
• Constructieve stijfheid
• Gewicht
• Geometrie en afmetingen van de doorsnede
• Wanddikte
• Ontwerp van verbindingen
• Weerstand tegen vermoeiing en schokbelastingen
• De manier waarop krachten over de gehele constructie worden verdeeld

De prestaties van een constructie hangen af van de manier waarop het materiaal wordt toegepast, en niet uitsluitend van de nominale sterkte ervan.

5. De sterkte van roestvast staal vertelt niet het hele verhaal

Roestvast staal, zoals kwaliteit 316, combineert goede mechanische eigenschappen met een uitstekende corrosiebestendigheid in veel maritieme toepassingen. De dichtheid is echter ongeveer drie keer zo hoog als die van aluminium.

Om het gewicht van een constructie van roestvast staal die op de achtersteven van een zeilboot wordt gemonteerd binnen de perken te houden, moeten ontwerpers mogelijk relatief dunwandige buizen en componenten gebruiken.

Dergelijke constructies kunnen onder de beoogde gebruiksomstandigheden een uitstekende sterkte bieden. Wanneer ze echter herhaaldelijk worden blootgesteld aan dynamische belastingen, buiging en trillingen die door golven worden veroorzaakt, worden de geometrie, wanddikte en ondersteuning minstens zo belangrijk als de sterkte van het materiaal zelf.

Een zeer stijve constructie kan schokbelastingen bovendien efficiënt overbrengen naar de aangesloten componenten. Afhankelijk van het ontwerp kunnen daarom aanvullende maatregelen nodig zijn om specifieke mechanische onderdelen tegen overbelasting te beschermen.

De veiligheidsbuis van Monitor is een voorbeeld van een technische oplossing waarbij een speciaal ontworpen opofferingscomponent wordt gebruikt om andere onderdelen van het mechanisme onder bepaalde overbelastingsomstandigheden te beschermen.

6. De voordelen van aluminium

De hoogwaardige aluminiumlegeringen voor maritieme toepassingen die in de windvaanstuurinrichtingen van South Atlantic worden gebruikt, maken het mogelijk relatief grote, dikke en robuuste constructiedelen te ontwerpen zonder het gewicht op de achtersteven van de boot buitensporig te verhogen.

• Massa en geometrie: Bij een gelijk constructiegewicht maakt aluminium het mogelijk grotere doorsneden en zwaardere profielen te gebruiken dan doorgaans praktisch zou zijn met roestvast staal. Goed ontworpen grotere doorsneden kunnen een uitstekende weerstand tegen buiging en torsie bieden.
• Constructieve stijfheid: Aluminium heeft een lagere elasticiteitsmodulus dan roestvast staal. Dit betekent dat het bij dezelfde spanning en geometrie meer vervormt. Door de afmetingen en dikte van de doorsnede te vergroten, kan een goed ontworpen aluminiumconstructie echter de stijfheid bereiken die voor de beoogde toepassing vereist is. De stijfheid van het uiteindelijke onderdeel moet daarom worden onderscheiden van de intrinsieke stijfheid van het materiaal.
• Elastische vervorming: De lagere elasticiteitsmodulus van aluminium maakt bij een bepaalde spanning en een vergelijkbare geometrie een grotere elastische vervorming mogelijk. Wanneer het ontwerp hierop is afgestemd, kan deze eigenschap bijdragen aan het constructieve gedrag onder dynamische belastingen. De werkelijke schokbestendigheid hangt echter ook af van de sterkte en taaiheid van het materiaal, de geometrie, de verbindingen en de belastingsomstandigheden.
• Laag gewicht: Het verminderen van het gewicht van een constructie op de achtersteven is niet alleen een kwestie van gebruiksgemak. Het vermindert ook de traagheidskrachten die ontstaan door de bewegingen van de boot en beperkt het extra gewicht dat aan één uiteinde van het vaartuig wordt geconcentreerd. Dit is vooral relevant bij oceaanzeilen, waar stampen en plotselinge bewegingen van de achtersteven aanzienlijke dynamische belastingen kunnen veroorzaken.
• Lagers en compatibele materialen: Het gebruik van aluminium in combinatie met POM (polyoxymethyleen) en andere materialen die geschikt zijn voor maritieme toepassingen maakt de constructie van steun- en scharnierpunten met lage wrijving mogelijk. Deze materiaalcombinaties vermijden bovendien in bepaalde componenten de noodzaak van direct glijdend contact tussen oppervlakken van roestvast staal.

Het doel is niet simpelweg een licht materiaal te kiezen, maar de mechanische eigenschappen ervan te benutten om een constructie te ontwikkelen die correct is gedimensioneerd voor de verwachte belastingen en de gebruiksomgeving.

7. Conclusies