Нижегородский Государственный Технический

Нижегородский Государственный Технический

Университет

Кафедра Электрооборудование судов

 

Тихомиров В.А.

 

СУДОВЫЕ АВТОМАТИЧЕСКИЕ

СИСТЕМЫ

 

КУРС ЛЕКЦИЙ  

 

 

 

Нижний Новгород

2000 г.

 

 

Введение

 

1834г.- появился электродвигатель постоянного тока (Якоби)

1838г.- на Неве Борисом Семеновичем Якоби испытана шлюпка с электродвигателем постоянного тока.

1889г.- изобретен трехфазный асинхронный электродвигатель переменного тока (Доливо-Добровольский)

1909¸1911г.г.- переменный ток стал широко применяться на судах. Управление осуществлялось вручную.

До 50-х годов применялись релейно-контакторные схемы с применением автоматизации процессов пуска и торможения.

В 50-х годах началось применение дискретных и непрерывных САУ процессами в отдельных агрегатах,  механизмах и системах.

В настоящее время применяется комплексная автоматизация управления судовыми механизмами и системами с централизацией процесса управления и контроля в центральном посту управления (ЦПУ).

В 1961г. построено одно судно с повышенным уровнем автоматизации.

С 1965г. начался период практического применения автоматизации.

К началу 1971г. в эксплуатации и постройке находилось 2100 автоматизированных судов, из которых 35% не требовали круглосуточной вахты в машинном отделении.

В последние годы на судах началось пользование ЦВМ для решения различных задач навигации, управления, контроля, диагностики, регистрации и др.

Для нормального и более эффективного функционирования комплексно-автоматизированных судов создаются автоматизированные системы управления (АСУ). Например, получая информацию о погодных условиях, АСУ вырабатывает программы плавания судов. При решении задач комплексной автоматизации значительно повышается роль судовых автоматизированных электроприводов и систем. В развитие теории судового электропривода большой вклад внесли советские ученые. Основоположник теории судового электропривода - профессор Полонский Владимир Иванович.

 

Больше половины бюджета ВМФ США идет на содержание личного состава, поэтому особую важность приобретает автоматизация.

Модульный принцип постройки. Это позволяет заменять устаревающие устройства на новые. Принцип реализован на десантных кораблях и эскадренном миноносце США. (Лекция в Военно-морской библиотеке, Ленинград, февраль 1977 г.)

 

1)Ливерпульская ассоциация страховщиков подвела итоги аварийности судов (свыше 500 рег. тонн) мирового торгового флота за 1975 г. Всего погибло 192 судна, валовая вместимость 1039.6 тыс. рег. тонн. Из них: посадки на мель -53, затопления - 23, столкновения - 13, навалы на пирс - 3.

1974 г. погибло 195 судов

1973 г. -         179

1972 г. -         188

1971 г. -         175

(“Морской флот”, №5, 1976 г.)

2)В 1974 по сравнению с предыдущим потери тоннажа от столкновений и посадок на мель возросли на 92.2 и 73.9 тыс. рег. тонн соответственно и составило 137137 и 352645 тыс. рег. тонн соответственно.

3)В 1903 г. число погибших судов по отношению к общему их числу составляло 1.36%(по тоннажу 1.14%), в 1953 г. - 0.75%(0.40%). Тем не менее с увеличением интенсивности судоходства абсолютное число ежегодно гибнущих судов возрастает. Так, по данным Регистра Ллойда, в 1949 г. погибло 137 судов, в 1962 - 179, в 1966 - 312, в 1972 - 371 (“Судостроение”, 1976 г. №10).Данные о составе морского флота СССР (на 1 июля 1976 г.) приведены в табл.2.1

 

Таблица 2.1

	Теплоходы		Всего
Тип	кол.	валовая вместимость тыс. т.	кол.	валовая вместимость тыс. т.
1) Пассажирские и грузопассажирские	185	483524	194	610471
2) Сухогрузные	2041	8450756	2187	9222793
3) Нефтеналивные	405	2735760	440	3756317
4) Служебно-  вспомогательные	647	333943	771	408121
5) Промысловые	2796	4272232	2906	4494264
6) Технические	362	296715	387	323523
7) Прочие	3131	432987	322	492527
Итого	6749	7005917	7207	19310025

 

В 1974 г. всего судов было 6902.

 Статистические данные о состоянии мирового торгового флота в 1975г.:

Общая валовая вместимость - 342162 тыс. регистровых тонн.

Всего судов - 63724.

(“Судостроение”, №3, 1976 г.)

Дедвейт- переменный вес судна (топливо, команда, грузы и т.д.).

Водоизмещение - общий вес судна (вес вытесненной воды при полном снабжении и грузе).

Топовые огни - сигналы дальней видимости - дают информацию о направлении движения судна.

 

Линейной интерполяции

 

Нелинейные характеристики электропривода такие, как m_с(j), w(М), cosj(Р_дв), h(Р_дв), i(w) могут быть апроксимированы с помощью линейной интерполяции (рис.4). Задача интерполяции заключается в следующем: если на интервале [а,в] заданы (n+1) точки х₀, х₁,..., х_n, которые называются узлами интерполяции и значения некоторой функции у=f(х) в этих точках: у₀=f(х₀), у₁=f(х₁),..., у_n=f(х_n) то требуется найти функцию F(х) (интерполирующая функция), принадлежащую известному классу, принимающую в узлах интерполяции те же значения, что и у=f(х), т.е. такую, что:

f(х₀)=F(х₀), f(х₁)=F(х₁),..., f(x_n)=F(x_n), и позволяющую приближенно определить значения функции у=f(х) при х¹х_к,

где к=0,1,2,..., n - порядковый номер индекса аргумента.

 Геометрически это значит, что нужно найти кривую у=F(х) некоторого определенного типа, проходящую через заданную систему точек М_к(х_к,у_к), где к=0,1,2,..., n. Такую кривую можно найти с помощью линейной интерполяции, когда каждый участок между узлами интерполяции принимается за линейный. Если известны значения функции у=f(х) в (n+1) равноотстоящих значениях аргумента (узлах): у₀=f(х₀), у₁=f(х₁),..., у_n=f(x_n), то найти значение функции у=f(х) при аргументе х, не равном узлу интерполяции, можно при линейной интерполяции по выражению:

f(х)=у_i+Vk_i,

где у_i - значение функции в узле интерполяции, находящемся в начале участка интерполяции, которому принадлежит аргумент х;

V=х-х_i - разность между аргументом х и значением аргумента в предыдущем узле интерполяции, где х_i=х₀+ih, тогда V=х-(х₀+ih);

k_i - коэффициент, равный тангенсу угла наклона данной интерполяции, он вычисляется по формуле:

      ,                                                                    (2.16)

где  - шаг интерполяции.

Узловые точки имеют целое значение порядкового номера индекса аргумента х, следовательно произвольная величина х будет иметь дробное значение порядкового номера индекса. Определим дробное значение порядкового номера индекса аргумента х:

       .

Осуществим присвоение порядковому номеру индекса аргумента целой части:

i=INT(i_дробн)

Чем меньше шаг интерполяции, тем ближе F(x) к f(x).

Чем больше количество узлов, тем выше точность вычислений, т.е. меньше ошибка между f(x) и F(x).

 

Устойчивость работы

 

Наиболее предпочтительным способом пуска АД с точки зрения простоты и надежности является прямое включение в сеть. Однако, мощность АД отдельных судовых электроприводов может достигать 20¸25% мощности генераторов судовой электростанции и из-за больших пусковых токов АД (5¸7I_н) возникают провалы напряжения генераторов.

Несмотря на наличие АРН, провалы напряжения могут оказаться недопустимыми: 1) по условиям пуска включаемого АД; 2) по условиям устойчивости работающих АД, поэтому выбор способа пуска АД должен производиться с учетом допускаемой величины провала напряжения в судовой электроэнергетической системе, исходя из обеспечения пуска включаемого АД и сохранения устойчивости ранее включенных работающих АД.

Условие обеспечения пуска:

 

m_п>m_сп  ,                                                                                  (2.19)

 .

 

Допустимая величина провала напряжения по условиям обеспечения пуска включаемого АД:

 

  .                                              (2.20)

 

Условие устойчивости работающих АД:

      m_к>m_ск,

.                                                   (2.21)

 

Допустимая величина провала напряжения по условиям обеспечения устойчивости работающих АД:

 

 .                                                                (2.22)

 

Из уравнений, определяющих DU, видно, что уменьшение f (т.е. a) при провале напряжения допускает увеличение DU по условиям обеспечения устойчивости работающих АД.

Устойчивость работающих АД можно обеспечить и при более глубоких провалах паряжения (вплоть до нуля), если ограничить их длительность во времени. Процессы в электроприводе при внезапном уменьшении напряжения выглядят следующим образом:

g<1 при пуске мощного АД; g=0 при к.з.

На участке СД желательно учесть также электромагнитные переходные процессы, которые приводят к появлению ударных токов и моментов.

Рассмотрим подробнее случай уменьшения напряжения в системе, вследствие короткого замыкания.

Фидер, на котором произошло к.з., при наличии селективной защиты будет отключаться с некоторой выдержкой времени. В результате к.з. напряжение на зажимах генератора резко снизится и не будет превышать 10¸15% номинального. Снижение напряжения вызовет снижение скорости вращения работающих электроприводов (линия АВС), что в свою очередь уменьшит их эквивалентное сопротивление. После отключения к.з. генератор сможет восстановить напряжение (участок СД), если вследствие снижения скорости вращения электродвигателей он не окажется включенным на ток нагрузки, намного превышающий то значение, которое предшествовало к.з. При определении тока нагрузки после к.з. для большей точности желательно также учитывать электромагнитные переходные процессы, которые приводят к появлению ударных токов (и моментов). В этих условиях величина начального напряжения может оказаться недостаточной для восстановления скорости вращения электроприводов и последняя, продолжая снижаться, будет увеличивать нагрузку, что вызовет дальнейшее снижение напряжения. При неблагоприятном сочетании обстоятельств может возникнуть “лавинное” снижение напряжения. В результате сработает максимальная защита, которая отключит генератор и вызовет полную остановку работающих электроприводов. В ряде случаев перерыв питания ответственных механизмов может гибельно отразиться на эксплуатации судна (например, отключение рулевого электропривода при прохождении судном узкостей).

Минимальная величина напряжения, обеспечивающая самозапуск электродвигателей после отключения к.з., определяется параметрами генератора и мощностью электроприводов, самозапуск которых должен быть обеспечен.

Переходный процесс в электроприводе при внезапном уменьшении и восстановлении напряжения имеет вид, показанный на рис.11.

Для анализа описанных процессов обычно применяют цифровое моделирование с помощью ЭВМ. 

Установок и судовых систем

 

Нулевой уровень - ручное управление отдельными объектами (например, ручная пожарная лампа). Это не обеспечивает требуемого качества и надежности управления, особенно в аварийных ситуациях. Требуется значительное время для выполнения операций и наличие большого количества обслуживающего персонала из-за территориальной рассосредоточенности установок.

Первый уровень - дистанционное управление, которое обеспечивается с помощью АП. Управление АП осуществляется МПУ.

Второй уровень - управляющий комплекс локальных систем управления (например, систем управления вспомогательными механизмами силовой установки). Управление из ПУЛС на ходовом мостике или в машинном отделении.

Третий уровень - УК судна, который обеспечивает управление совокупностью УК ЛАСУ из ЦПУ на основе алгоритмов централизованного управления и контроля. Это обеспечивает повышение эффективности эксплуатации судов, ликвидацию вахт и дежурств.

 

Основные требования к электроприводам вспомогательных

Механизмов

                                    Часть Х1 ‘Электрическое оборудование”

1) п. 2.8.7.1 Питание электрических приводов насосов и вентиляторов(п.2.8.8.1) должно осуществляться в соответствии с требованиями, изложенными в 2.3.3.1(см. ранее тему “Основные общие требования к электрооборудованию”).

2) п. 2.8.7.2 Электродвигатели топливных, маслоперекачивающих насосов и сепараторов должны быть оборудованы дистанционными отключающими устройствами, находящимися вне помещений расположения этих насосов и вне шахт машинных помещений, но в непосредственной близости от выхода из этих помещений.

3) п. 2.8.7.4 Электродвигатель аварийного осушительного насоса должен иметь устройство дистанционного пуска, расположенное выше палубы переборок.

4) п. 2.8.8.2 Электродвигатели вентиляторов машинных помещений должны иметь два отключающих устройства, причем одно из них должно находиться вне этих помещений и их шахт в месте, легкодоступном с главной палубы

5) п. 2.8.8.4 Электродвигатели общесудовой вентиляции должны иметь устройства для дистанционного отключения их из рулевой рубки или другого поста управления судном.

6) п. 2.8.2.1 Устройства, имеющие автоматическое и ручное управление, должны быть выполнены таким образом, чтобы при переходе на ручное управление автоматическое управление исключалось.

                                          Часть ХV “Автоматизация”

7) п. 4.2.1 На судах с главными двигателями внутреннего сгорания должно

быть обеспечено:

7.1 дистанционный пуск и остановка из ЦПУ вспомогательных механизмов, обслуживающих главные двигатели;

7.2 автоматический пуск резервного масляного насоса при понижении давления в системе смазки с последующей (через определенное время) остановкой ранее работавшего насоса и подачей сигнала в ЦПУ;

7.3 дистанционное или автоматическое (подкачивающим компрессором) пополнение воздухохранителей пускового воздуха.

 

Характеризующие их работу

 

Объектами управления являются насосы, вентиляторы и компрессоры. По принципу действия они разделяются:

-насосы объемные, лопастные;

-вентиляторы-центробежные, осевые;

-компрессоры поршневые.

Основными параметрами, характеризующими работу объектов управления, являются производительность и напор.

Производительность Q-объемное количество жидкости или газа, подаваемое через сечение выходного патрубка в единицу времени. Измеряется Q в м³/с, м³/ч, л/мин.

Напор H- количество энергии, сообщаемое механизмом единице веса перекачиваемой жидкости или газа. Эта удельная энергия эквивалентна высоте их столба.

,

где W - энергия, G - вес.

Давление=вес жидкости / площадь;

 .

Измеряется Н в м. Напор, умноженный на удельный вес g жидкости или газа, равен давлению Р.

Удельный вес g измеряется в н/м³. Давление Р измеряется в н/м², н/см², мм вод. ст., м вод. ст., кгс/м², атм.

Соотношения между различными единицами давления: 1Н/м²=1Па(паскаль);

1 мм вод. ст.=1кгс/м²=9.8Н/м²=10^-3м вод.ст.; 1Н/см²=10⁴Н/м²;

1атм.=1кгс/см²=10 м вод. ст.=9,8Н/см²=9,8Н*10⁴Н/м²=98000Па.

 

Объемные насосы.

К объемным насосам относятся поршневые и роторные (зубчатые и винтовые).

1)Поршневые насосы бывают одинарного, двойного и тройного действия. Они обеспечивают производительность Q=20¸60 м³/ч и выше, давление нагнетания Р_нагн=50¸500Н/см² и выше (рис.12).

2) Основные достоинства поршневых насосов: возможность запуска без предварительной заливки, сравнительно высокий КПД, возможность применения при высоких напорах, относительная простота конструкции.

Недостатки: неравномерность подачи, необходимость применения в ряде случаев редуктора для соединения с электродвигателем, необходимость работы с жидкостью без механических примесей, опасность механических повреждений и перегрузки электродвигателя при повышении напора, что вызывает необходимость применения предохранительных клапанов.

3) Поршневые насосы используются в качестве трюмных, пожарных, питательных, а так же для привода рулевого устройства.

4) Зубчатые насосы обеспечивают Q=0.5¸250 м³/ч, Р_нагн=20¸400 Н/см² и выше.

5) Основное преимущество зубчатых насосов- простота.

Недостатки: пульсации подачи, шум, вибрация, необходимость заполнения жидкостью всасывающего трубопровода перед началом работы насоса.

6) Винтовые насосы обеспечивают Q=0.5¸1200м³/ч, Р_нагн=30¸2000Н/см²

7) Основные достоинства винтовых насосов: они долговечны, бесшумны в работе, компактны, имеют высокий КПД, обеспечивают равномерность подачи.

8) Роторные насосы применяются для подачи чистых, вязких жидкостей (масел, нефтепродуктов и др. хорошо смазывающих жидкостей).

9) Как зубчатые, так и винтовые насосы соединяются с электродвигателем непосредственно.

 

2. Лопастные насосы.

К лопастным насосам относятся центробежные (рис. 13) и осевые (пропеллерные).

Центробежные насосы обеспечивают Q до нескольких сот и даже тысяч м³/ч, Р_нагн=50¸300 м вод. ст. и выше.(1м вод. ст. =9.8´10^-1Н/см²)

Основные достоинства центробежных насосов: простота конструкции, равномерность подачи жидкости, возможность работы с загрезненной жидкостью, отсутствие высокого давления при закрытии нагнетательного патрубка, возможность непосредственного соединения с электродвигателем.

Недостатки: необходимость заполнения жидкостью всасывающего трубопровода перед началом работы насоса, снижение КПД при повышении вязкости перекачиваемой жидкости.

Из всех существующих типов насосов центробежные насосы получили наиболее широкое применение.

Осевые насосы являются насосами малых напоров, не превосходящих 10¸15 м, но имеют большую производительность при высоком значении КПД.

 

Вентиляторы.

Наибольшее распространение на судах получили центробежные вентиляторы. Они обеспечивают Q=100¸10000 м³/ч, Р_нагн=40¸1500 мм вод. ст. Особый тип центробежного вентилятора- воздуходувки, обладающие более прочной конструкцией, что позволяет работать при повышенных скоростях и создавать большое давление.

Осевые вентиляторы обеспечивают большую производительность. На супертанкере “Крым” для вентиляции машинно-котельного отделения установлен пропеллерный вентилятор с Q=100000 м³/ч при Р_нагн=30 мм вод. ст. и центробежный с Q=50000 м³/ч при Р_нагн=120 мм вод. ст.

 

Поршневые компрессоры.

Бывают одинарного, двойного действия; однотактные и многотактные. Они обеспечивают Q до 6000 м³/ч, Р_нагн=4¸100 атм.

 

Выбор электродвигателя

 

Для электроприводов насосов, вентиляторов, компрессоров применяются двигатели как переменного, так и постоянного тока. Чаще всего применяются АД с к.з. ротором. Для ограничения пусковых токов и переходных моментов применяют ограничивающие устройства в статорных цепях.

При выборе АД для центробежного насоса необходимо учесть следующие обстоятельства:

Qºw, HºQ²_{при Hc0»0}ºw², Р_двºw³.

В соответствии с Правилами Регистра СССР в судовой сети допускается длительное повышение частоты на 5%, вызывающее пропорциональное увеличение частоты вращения АД. Мощность электродвигателя при этом увеличивается на 16%.

               Р_двº(1.05w)³=1.16w³.

Отметим, что при Р_двºw³ момент сопротивления на валу равен:

                .                                                   (2.29)

Это “вентиляторная” нагрузочная характеристика, показанная на рис.18.

При выборе типа электродвигателя для поршневого компрессора необходимо учитывать тяжелые условия пуска, обусловленные наличием противодавления при пуске.

 

 Регулирование производительности насосов и вентиляторов

 

На судах необходимо регулировать подачу топлива, масла, охлаждающей воды, вентиляцию помещений в зависимости от режима работы установки и внешних условий. Регулирование производительности осуществляется двумя способами:

- (дросселированием) с помощью регулирующей заслонки;

- изменением частоты вращения электродвигателя.

В основе первого способа лежит искусственное увеличение сопротивления системы с помощью вентиля или заслонки.

Поясним способы регулирования с помощью диаграмм, показанных на рис.19.

Допустим, имеется рабочая точка 1. Вместо Q1 необходимо обеспечить производительность Q2. При неизменной характеристике системы необходим был бы напор Н2. Но характеристика нагнетателя, обеспечивающая установившийся режим в точке Q2H2, отсутствует. Однако, с помощью заслонки можно увеличить сопротивление системы так, что рабочей точкой системы будет точка Q2Hдр, т.е. напор возрастает до Ндр. Такой способ регулирования Q крайне неэкономичен, т.к. имеет место большая потеря напора DН=Ндр-Н2 в регулирующей заслонке, которой соответствуют потери мощности:

 

    

     

,                                               (2.30)

 

где Р_дв.др - мощность на валу электродвигателя при дросселировании;

g - удельный вес жидкости.

Чтобы при Q2 напор был Н2, необходимо уменьшить скорость электродвигателя с w1 до w2. При этом потери на дросселирование отсутствуют, а мощность электродвигателя равна:

 

 .                                                                  (2.31)

 

Скорость электродвигателя может регулироваться:

- у двигателя постоянного тока - изменением U или сопротивления в якорной цепи;

- у двигателя переменного тока - изменением числа пар полюсов, изменением подводимого напряжения, частотным управлением.

 

Часть III

п. 2.1.1. Каждое судно должно иметь надежное устройство, обеспечивающее его поворотливость и устойчивость на курсе.

              

           Основные требования к рулевому электроприводу

 

                         Часть XI”Электрическое оборудование”

1) п.2.3.5.1. Электрические приводы рулевых устройств должны питаться по двум фидерам, проложенным непосредственно от ГРЩ отдельными трассами, разнесенными как можно дальше друг от друга на всем протяжении. Рекомендуется, чтобы один из фидеров получал питание через аварийный распределительный щит.

2) п.5.2.1.1.1. Для электрических двигателей электрического и электрогидравлического рулевого устройства должно быть предусмотрено устройство защиты только от токов к.з.

Защиты от минимального напряжения и перегрузки не допускаются. Вместо защиты от перегрузки должна быть установлена сигнализация о перегрузке электродвигателя.

3) п.2.8.5.3. Электрический привод рулевого устройства должен обеспечивать: а) перекладку руля с борта на борт за время и на угол, указанные в 6.2.1. части IX”Механизмы”.

Из части IX “Механизмы”

п.6.2.1.1. Мощность основного рулевого привода должна быть достаточной для перекладки руля от 35⁰ с одного борта до 30⁰ на другой за время, не более 28с при воздействии на баллер руля номинального крутящего момента рулевой машины.   

Часть III ”Устройства, оборудование и снабжение”

п.2.9.1. Рулевое устройство или устройство с поворотной насадкой... должно иметь два привода: основной и запасной.

п.2.9.4. Запасного привода не требуется: на... судах, если их основной рулевой привод является сдвоенным, состоящим из двух агрегатов, способных действовать независимо один от другого...

п 2.9.7. Если основной и запасной приводы или если сдвоенный привод находятся в помещении, полностью или частично расположенном ниже самой высокой грузовой ватерлинии, то должен быть предусмотрен аварийный привод, который необходимо расположить выше палубы переборок.

Аварийный привод должен обеспечивать перекладку руля или поворотной насадки с борта на борт при скорости переднего хода не менее 4 узлов.

Независимо от расположения основного и запасного рулевых приводов на судах смешанного района плавания II СП допускается не устанавливать аварийный привод.

п 2.9.9. Рулевое устройство должно иметь систему ограничителей поворота руля (поворотной насадки), допускающую его(ее) перекладку на каждый борт только до угла b⁰, который (a⁰+1⁰)£b⁰£(a⁰+1.5⁰), где a⁰- максимальный угол перекладки руля или поворотной насадки, на который настроена система управления рулевым приводом, но не более 35⁰; больший угол перекладки является в каждом случае предметом специального рассмотрения Регистром.

п.2.9.10. Пост управления основным рулевым приводом на мостике должен быть защищен от воздействия моря прочной рубкой.

На пассажирских судах, диаметр головы баллера которых превышает 230 мм, должен быть предусмотрен вспомогательный пост управления основным рулевым приводом, расположенный в кормовой части судна. Системы дистанционного управления рулем или поворотной насадкой с главного и вспомогательного постов должны быть устроены так, чтобы выход из строя любой из этих систем не исключал возможности управления судном с другого поста. Должны быть предусмотрены надежные средства для передачи команд с мостика на вспомогательный пост.

п.2.9.11. Около каждого поста управления основным и запасным рулевым приводом должен находиться указатель положения пера руля или поворотной насадки.

Знаки ограничения района плавания см. п.2.2.6. части I ”Классификация”.

Продолжение Части XI

б) непрерывную перекладку руля с борта на борт в течение 30 мин для каждого агрегата при наибольшей эксплуатационной скорости переднего хода и осадке судна по летнюю грузовую ватерлинию;

в) непрерывную работу в течение 1ч при наибольшей эксплуатационной скорости переднего хода и при перекладке руля на угол, обеспечивающий 350 перекладок в час;

г) возможность стоянки электродвигателя под током в течении 1 мин с нагретого состояния.

Из части IX: п.6.2.13. Двигатели рулевых приводов должны допускать их перегрузку по моменту не менее 1.5 рассчетного момента в течении 1 мин.

4) п.2.8.5.4. Пуск и остановка электродвигателей привода руля, кроме электродвигателей рулей с непосредственным электроприводом, должны осуществляться из румпельного помещения и из рулевой рубки.

5) п 2.8.5.5. Пусковые устройства должны обеспечивать повторный автоматический запуск электродвигателей при восстановлении напряжения после перерыва в подаче питания.

 

     Классификация рулевых электроприводов по характерным

                                          признакам

1. По конструктивным особенностям руля.

Существуют: обыкновенные рули, рулевые насадки, активные рули.

Обыкновенные рули в зависимости от формы разделяются: простые, балансирные, полубалансирные. Уменьшают требуемую мощность за счет компенсирующей части.В зависимости от профиля: пластинчатые, удобооптекаемые(профильные). Уменьшают сопротивление движению судна.

2. По типу передачи от электродвигателя к баллеру руля: с механической передачей, с гидравлической.

Механические передачи: винтовые, секторные.

Гидравлические передачи: с насосом постоянной производительности, с насосом переменной производительности.

3. По степени автоматизации: простого, следящего, автоматического действия.

                

Выбор насоса

Насос выбирается по Р_н и номинальной расчетной производительности Q_нр.

Номинальная расчетная производительность насоса равна:

,                                                              (2.64)

где Q_т - требуемая теоретическая производительность насоса;

К_w=0.6¸0.7 - скоростной коэффициент, учитывающий рекомендацию по уменьшению при эксплуатации номинальной частоты вращения насоса на 30¸40% для повышения его ресурса.

Займемся определением Q_т.

По оределению: Q_д=dV/dt, Q_дdt=dV=ZSdH=V_цmaxdh,

где Q_д - действительная производительность насоса;

  h=H/H_max - относительный ход плунжера; H=R₀tg.

Заменяя действительную производительность теоретической, получаем:

Q_тh_Vdt=V_цmaxdh,

где h_V - объемный КПД насоса.

Тогда

.

Решение интеграла возможно только в случае, если имеется зависимость

.

Давление Р_нас(h) в процессе перекладки руля меняется по сложному закону, поэтому время перекладки приходится определять по участкам.

Объемный КПД h_V насоса изменяется в широких пределах - от1 до0.5

Запишем зависимость h_V=f(Р_нас),показанную на рис.42 в виде:

,

где h _V0 - КПД при давлении, равном нулю;

в=1-(1-в_н)²;

- относительное изменение объемного КПД

(смысл в_н аналогичен S_н для электродвигателя);

h_Vн - КПД при номинальном давлении;

Р=Р_нас/Р_н - относительное рабочее давление насоса.

Зависимость Р=f(h) может быть записана в виде:

,

где ;

 q=1-С;

  Р₀ - относительное значение давления в начале участка перемещения;

  Р_qк - относительное значение давления в конце участка перемещения;

  ,

где h_к - относительная длительность конечного участка перемещения плунжера;

  ; q/_h=hk=1;

  dh=dq(h_к-h₁)=dq´h_к/(1+q₀).

Подставляя Р в h_V, получаем:

.

Тогда

 

;            (2.65)

 

,                                              (2.66)

откуда

 

,                                                         (2.67)

 

где Т=Т_ту-(2¸3)с.

Если руль обыкновенный, то кривую Р(h) можно разбить только на два участка.

Тогда

.

На I участке Р=0, поэтому q₀=0, А=1, В=0, W₀^1/2=1.

На II участке Р нарастает от Р=0 до Р=Р_max, поэтому q₀=0, С=0, А=1, В=вр_max,

.

Если для упрощения принять h_V=h_Vн=const, то

 

 .                                                                   (2.68)

 

Теперь можем определить Q_нр.

По Р_н и Q_нр из каталога выбирается насос. Становится известной w_нас.н, по которой подбирается электродвигатель и КПД насоса h_нас.

 

Характеристики насоса

 

Полный КПД насоса:

h _нас = h _V h _мех =0.6 ¸ 0.85,

где  - объемный КПД;

  h_мех - механический КПД.

Характеристики КПД насоса имеют вид, показанный на рис.43

1кг/см²=0.98067´10⁵Н/м².

h_V, h_мех=f(Р_нас) заносят в табл.2.4

Производительность выбранного насоса переменной производительности в общем случае:

 

,                                                                  (2.69)

 

где d - диаметр поршня насоса, м;

Z - число поршней насоса;

  h_max - полный ход поршня насоса, м;

  е - относительный эксцентриситет (е_max=1);

  n - скорость вращения ротора насоса, об/мин;

h_V - объемный КПД.

Различают два вида производительности.

Установленная производительность:

Q_насн=f(е) при n=n_насн,h_V=1.

Действительная производительность:

Q_д=Q_насн (n/n_насн)h_V.

Диаграмма установленной производительности имеет вид, показанный на рис.44

-на участке АВ подача жидкости увеличивается путем смещения манипулятора насоса переменной производительности (серводвигателем); увеличение происходит в пределах изменения a на 3¸5⁰;

-для насоса постоянной производительности считают, что подача жидкости возникает мгновенно.

Для уменьшения мощности приводного электродвигателя применяют гидравлический ограничитель мощности.

Гидравлический ограничитель мощности (производительности) настраивается по давлению. Он воздействует на манипулятор насоса, изменяя скачком его эксцентриситет.

Q_от=(0.5¸0.65)Q_насн.

Примечание: у насоса постоянной производительности ограничение Q не осуществимо, т.к. манипулятор отсутствует.

 

          Расчет мощности электродвигателя рулевого привода с

                              гидравлической передачей

 

,

здесь

;

Р_нас=Р_н;

h _нас = h _V h _мех;

Тогда

,                                                                    (2.70)

 

w_нр=(0.6¸0.7)w_насн.

Выбираем электродвигатель из справочника.

 

 

Нижегородский Государственный Технический

Университет