Методические указания к выполнению разделов проекта

3.1 Определение геометрических характеристик руля, гидродинамических сил и моментов, действующих на руль.

3.1.1 Характеристики судна взять по табл. 2.2.

3.1.2 Определение геометрических характеристик руля.

При отсутствии данных о геометрических характеристиках руля рекомендуется высоту руля h_f определять из условия расположения руля в кормовом подзоре

, м,                                           (3.1)

где Т_ср – осадка судна в грузу, м.

Установить площадь рулей S S_p в зависимости от типа и размерений судна

, м²,                                              (3.2)

где, m =0,33–0,44 – для судов типа БМРТ, ПСТ, СРТ;

m =0,017-0,022 – для плавбаз, транспортных рефрижераторов;

L_вл – длина судна по грузовой ватерлинии.

Площадь руля

, м²,                                           (3.3)

где x - количество рулей.

Относительное удлинение  (для морских судов l = 0,5-2,5),        (3.4)

Средняя ширина руля

, м.                                                (3.5)

Степень компенсации простых рулей k = 0.

Степень компенсации балансирных и полубалансирных рулей определяют по формуле

,                                                                       (3.6)

где S_Х – площадь балансирной части руля, м².

Примечания.

1). Полубалансирный руль в приближенном расчете заменяется балансирным рулем при той же степени компенсации. Желаемые значения k = 0,15-0,35.

2) При значениях k >0,35 происходит значительное уменьшение максимального момента на баллере руля как на переднем, так и на заднем ходу судна. В этих случаях необходимо уменьшить k и повторить гидродинамический расчет руля.

3) Для балансирного руля значение k нужно выбирать таким, чтобы момент на баллере руля равнялся нулю при угле поворота руля от диаметральной плоскости судна 7-10⁰.

3.1.3 Гидродинамический расчет руля.

После установления геометрических характеристик руля следует выполнить гидродинамический расчет руля с целью определения расчетных значений гидродинамических силы и момента на баллере руля, необходимых для выбора рулевой машины, на переднем ходу судна.

Далее приводится расчет профильных рулей.

Исходными данными для расчета являются:

l - относительное удлинение руля (0,5 £ l £ 2,5);

Sp – площадь пера руля, м²;

Vp – скорость обтекания руля при его работе в потоке винта.

, м/с,                               (3.7)

где V_S – максимальная расчетная скорость движения судна на переднем ходу, уз.;

w - коэффициент попутного потока

,                                            (3.8)

здесь d - коэффициент общей полноты водоизмещения судна.

,                                                  (3.9)

Ñ - объемное водоизмещение судна, м³,

, м³,                                                (3.10)

здесь D_max – весовое водоизмещение судна (максимальное), тс;

r = 1,025 – массовая плотность морской воды, т/м³;

h_P – высота руля, м;

z – показатель степени (для среднего руля z=1, для бортовых рулей z=2).

Сила нормального давления

,                                                  (3.11)

где C_n – безразмерный коэффициент нормальной силы.

Безразмерный коэффициент C_n для прямоугольных рулей любого профиля определяется по формуле:

,                      (3.12)

где l - относительное удлинение руля;

a - угол перекладки, рад.

C_n можно также определить по диаграмме [12, стр. 47].

Гидродинамический момент относительно передней кромки руля

, Нм,                               (3.13)

где C_m – безразмерный коэффициент момента относительно передней кромки руля.

Безразмерный коэффициент C_m для прямоугольных рулей любого профиля определяется по эмпирической формуле

.                         (3.14)

C_m можно также определить по диаграмме [12, стр. 47].

Момент гидродинамической нагрузки на баллере балансирного руля

,                                               (3.15)

где Х – ширина компенсационной части руля, м.

,                                                        (3.16)

Момент гидродинамической нагрузки на баллере простого руля

,                                                   (3.17)

Расчет сил и моментов на баллере руля заканчивается построением диаграммы моментов в функции угла перекладки руля с градацией 5⁰. Результаты расчета занесите в табл. 3.1.

Таблица 3.1

a «0»^0	Cn	Cm	N, H	Mnk, Нм	М d, Нм
0
5
10
15
20
25
30
35

3.1.4 Определение диаметра баллера руля.

Гидродинамический расчет, в результате которого определяются значения крутящего момента на баллере руля, является предварительным и не учитывает некоторых возможных в эксплуатации дополнительных внешних нагрузок. Поэтому при определении диаметра баллера руля рекомендуется принимать

, кНм.                                 (3.18)

Рассчитайте диаметр баллера, работающего на кручение:

, м,                                                 (3.19)

где М_кр – расчетный крутящий момент, кНм;

R_ен – предел текучести материала баллера, МПа (для сталей, применяемых для изготовления баллера руля R_ен £ 390 МПа).

Полученное значение d _d округлите до ближайшего значения из стандартного ряда диаметров баллера руля (табл. 3.2).

 

Таблица 3.2                                Стандартный ряд диаметров баллера

dd, м

0,08; 0,95; 0,105; 0,115; 0,125; 0,135; 0,145; 0,16; 0,17; 0,185; 0,2; 0,22; 0,235; 0,25; 0,27; 0,31; 0,34; 0,37; 0,38; 0,4; 0,42; 0,46; 0,48; 0,51

3.2 Расчет электрогидравлического рулевого привода

3.2.1 Исходные данные

3.2.1.1 Число рулей.

3.2.1.2 Диаграмма вращающихся моментов на баллере на переднем ходу

.

3.2.1.3 Наибольший вращающий момент , кНм, на баллере на переднем ходу при

a _max = 35⁰.

3.2.1.4 Время перекладки руля с борта на борт (2a_max-5^О) на переднем ходу судна при работе одного насоса Т, С.

3.2.1.5 Род тока и напряжение судовой сети.

3.2.2 Выбор стандартной рулевой гидравлической машины.

По наибольшему вращающему моменту на баллере руля на переднем ходу при a _max =35^О выберите по табл. 6.2 [4] рулевую электрогидравлическую машину:

Тип рулевой машины.

Число цилиндров.

Число насосов.

Тип гидравлического насоса.

Давление в цилиндрах P_N.KAT., Н/м².

3.2.2 Определение основных параметров электрогидравлической рулевой машины.

3.2.2.1 Радиус румпеля в среднем положении

, м.                                        (3.20)

3.2.2.2 Максимальный ход плунжеров

, м.                                      (3.21)

3.2.2.3 Диаметр цилиндров

, м,                     (3.22)

где m – число пар цилиндров;

f = 0,1 – коэффициент трения.

3.2.4 Определение параметров гидравлического насоса и выбор его по каталогу.

3.2.4.1 Объем перекачиваемой насосом рабочей жидкости при перекладке руля с борта на борт:

, м³,                                             (3.23)

3.2.4.2 Наибольшая теоретическая производительность насоса

, м³/с,                                (3.24)

где h _Vср = 0,7 – 0,85 – средний объемный КПД насоса.

3.2.4.3 Номинальная производительность насоса

, м³/с,                                  (3.25)

где k₀ = 1,11 - 1,25 – коэффициент неравномерности передачи;

k_рез = 1 или 0,5 – коэффициент резервирования (100% или 50%);

k_n = 0,7 – 0,6 – скоростной коэффициент (рекомендуется для повышения ресурса насоса уменьшать частоту вращения насоса на 30-40%).

3.2.4.4 Максимальное давление в цилиндрах

, Н/м².                                              (3.26)

3.2.4.5 По P_H.KAT. и Q_H. выберите насос из табл. 6.3, 6.4, 6.5 [4].

Тип гидравлического насоса.

Наибольшая теоретическая производительность Q_Tmax.

Частота вращения приведенного вала n_нас, об/мин.

При выборе насоса необходимо обеспечить выполнение условий:

 

3.2.5 Предварительное определение номинальных параметров электродвигателя гидравлического насоса.

Для привода гидравлического насоса следует применять электродвигатели:

- постоянного тока с параллельным возбуждением типа ПМ;

- асинхронные короткозамкнутые с нормальным скольжением типа АМ, АМШ, АОМ.

Жесткая характеристика двигателя позволяет поддерживать производительность насоса и скорость перекладки руля на больших углах на заданном уровне в случае уменьшения объемного КПД в связи с ростом нагрузки.

3.2.5.1 Обороты электродвигателя выберите по номинальным оборотам насоса с учетом принятого запаса для повышения его ресурса

n_H» 70-60% n_HАС..                                                   (3.27)

3.2.5.2 Мощность, необходимую для вращения насоса при номинальном давлении P_N.KAT. и h _max = 0,9-0,95, определяют по формуле:

.                                  (3.28)

3.2.5.3 Двигатель выбирают по каталогу [4, § 2.3, 2.5].

Таблица 3.3 - Двигатель асинхронный

Тип двигателя	Рн, кВт	nH, об/мин	UН, В	h	In Iн	Mn Mн	Mmax Мн	cos jН	Iн, А

 

 

Таблица 3.4 - Двигатель постоянного тока

Тип двигателя	Рн, кВт	UН, В	nH, об/мин	h	Iн, А	Ra+Rап, Ом	Rов, Ом

3.2.5.4 Расчет механических характеристик W = f(M) двигателя по каталожным данным.

Методика расчета характеристик W = f(M) приведена:

- для двигателя постоянного тока в § 5.3 справочника [4];

- для двигателей асинхронных с КЗ ротором в § 5.6 справочника [4].

Характеристику W = f(M) постройте на отдельном листе.

3.2.6 Проверка электродвигателя на продолжительность перекладки руля.

При максимальной скорости переднего хода судна руль должен перекладываться с 35^О одного борта на 30^О другого не более, чем за 28 с.

3.2.6.1 Определите рабочее давление насоса Pp = f(a)

Pp = Pc + Pтр,                                                      (3.29)

где Ртр – потери в трубопроводах, Н/м²;

Pтр = (0,1 – 0,2) Рн_КАТ,

Рс – величина основного давления, Н/м²;

                         (3.30)

 

Используя данные табл. 3.1 и подставляя их в уравнение (3.29), получите зависимость P_Р = f(a).

Нужно помнить, что отрицательные моменты нагрузки при перекладке руля от борта к диаметральной плоскости судна и создаваемые ими давления в направлении перекладки обеспечивают естественное перетекание масла из цилиндра одного пресса в цилиндр другого. Насос рабочего давления не создает.

Примерные кривые P_Р = f(a) для простых и балансирных рулей приведены на рис. 69 [5]. Расчет P_Р = f(a) ведите в табличной форме, результаты расчетов занесите в табл. 3.5.

3.2.6.2 Определите момент сопротивления на валу М_С=f(a):

, Нм,                                         (3.31)

где Q_уст = Q_{Т КАТ}, м³/с (см. п. 3.2.4.5 настоящих методических указаний);

W _Н – номинальная частота вращения электродвигателя, р/с (см. табл. 3.3 или табл. 3.4);

Р_Р – рабочее давление, Н/м² (см. табл. 3.5);

h _МЕХ – механический КПД насоса (см. рис. 2.16 пособия [11]).

Полученные данные занесите в табл. 3.5.

3.2.6.3 Определите действительную частоту вращения электродвигателя в зависимости от угла поворота баллера руля по Мс=f(a) и механической характеристике W = f(М).

Полученные данные занесите в табл. 3.5.

3.2.6.4 Определите действительную производительность насоса

, м³/с,                                  (3.32)

где h _V – объемный КПД насоса см рис. 2.16 пособия [11]).

W _НАС – номинальная частота вращения насоса, р/с.

Полученные данные занесите в табл. 3.5

По данным табл. 3.5 постройте зависимость Q_Д = f(a).

Таблица 3.5

a	-35	-30	-20	-10	-5	0	5	10	15	20	25	30
Рр, Н/м^2
Мс, Нм
W, р/с
QД, м^3/с

3.2.6.5 График зависимости Q_Д = f(a) разбейте на зоны и определите время работы электродвигателя в каждой зоне.

Ход плунжеров, м,

H_i=R₀ (tg a ₀ - tg a _i ),                                          (3.33)

где a ₀, a _i – углы, ограничивающие зону и отсчитываемые от диаметральной плоскости судна (рис. 3.1).

Объем рабочей жидкости, перекачиваемой в пределах зоны, м³,

.                                                  (3.34)

Время перекладки руля в зоне, с,

,                                             (3.35)

где  - среднее значение действительной производительности в зоне, м³/с.

Рисунок 3.1 - Пути, проходимые плунжером при перекладке руля

Полученные данные занесите в табл. 3.6.

Таблица 3.6

Зона	Граничные углы зон	Hi, м^2	Vi, м^3	QД.СР.i	ti,с
I
II
...
K

3.2.6.6 Условие проверки двигателя на продолжительность перекладки руля

, с.                                       (3.36)

3.2.7 Проверка электродвигателя на нагрев при удержании судна на курсе и при перекладках руля на малые углы не производится, так как электродвигатель насоса работает на холостом ходу.

3.2.8 Проверка электродвигателя на нагрев для режима маневрирования судна.

3.2.8.1 Определите число перекладок руля в час

,                                                           (3.37)

где  - время работы электродвигателя, с (см. п. 3.2.6.6).

3.2.8.2 В случае отсутствия кривой h = f(Р) зависимость КПД от мощности на валу электродвигателя рассчитайте, используя формулу:

,                                          (3.38)

где ,  - степень загрузки электродвигателя;

 - КПД двигателя при нормальной мощности Р_Н на валу.

3.2.8.3 Используя данные, приведенные в табл. 3.5, рассчитайте мощность электродвигателя при перекладке руля с борта на борт, т.е. :

, кВт,                                                  (3.39)

где n- в об/мин.

3.2.8.4 Используя зависимости , рассчитайте потери мощности электродвигателя

, кВт.                                             (3.40)

Данные расчета занесите в табл. 3.7

Таблица 3.7

a	-35	-30	-20	-10	-5	0	5	10	15	20	25	30
Р, кВт
D Р, кВт

3.2.8.5 По данным табл. 3.7 постройте зависимость D P = f(t), последнюю разбейте на зоны, для которых в табл. 3.6 определено время перекладки руля.

Постройте зависимость D P = f(t) (примерная зависимость приведена на рис. 81 [5]).

3.2.8.6 Определите исполнительные потери энергии при одной перекладке руля, используя зависимость D P = f(t):

, Дж.                                        (3.41)

3.2.8.7 Определите номинальные потери мощности электродвигателя

, кВт.                            (3.42)

3.2.8.8 Определите потери мощности электродвигателя в режиме холостого хода

, кВт,                                   (3.43)

где Р_Х = (0,15 - 0,35) Р_Н, кВт;

h _ХХ – КПД электродвигателя при мощности на валу, равной Р_Х (находится по зависимости h = f (P)).

3.2.8.9 Определите время работы электродвигателя на холостом ходу t_x, используя зависимость D P = f(t).

3.2.8.10 При правильно выбранном электродвигателе должно выполняться следующее неравенство:

.                (3.44)

3.3 Разработка электрических схем электропривода.

В курсовом проекте необходимо разработать следующие схемы рулевого электропривода и дать их описание:

1) Принципиальную электрическую схему управления приводными электродвигателями гидравлических насосов с элементами сигнализации.

2) Принципиальную электрическую схему простого и следящего управления исполнительными механизмами гидравлических насосов.

3) Схему внешних соединений электропривода рулевой машины.

4) Схему размещения элементов электропривода рулевой машины на судне.

При разработке принципиальных схем следует ориентироваться на стандартные комплексные устройства, дорабатывая их в соответствии с требованиями Регистра (см. [2], [4]).

Принципиальные схемы необходимо выполнять в соответствии с ЕСКД.

3.4 Выбор основного электрооборудования.

При выборе электрооборудования необходимо следовать указаниям, изложенным в справочнике [4].

Произведите выбор кабелей по току нагрузки, рассчитайте уставки реле.

3.5 Составьте инструкцию по технической эксплуатации установленного электрооборудования, обращая внимание на особенности принятых вами схемных решений (см. [6]-[8]).