Размещено на http://www.allbest.ru/

Современные модели рулевых устройств



Введение

С помощью рулевого устройства можно изменять направление движения судна или удерживать его на заданном курсе. В последнем случае задачей рулевого устройства является противодействие внешним силам, таким как ветер или течение, которые могут привести к отклонению судна от заданного курса. Рулевые устройства известны с момента возникновения первых плавучих средств. В древности рулевые устройства представляли собой большие распашные весла, укрепленные на корме, на одном борту или на обоих бортах судна. Во времена средневековья их стали заменять шарнирным рулем, который помещался на ахтерштевне в диаметральной плоскости судна. В таком виде он и сохранился до наших дней.

Типы рулей: а -- обыкновенный руль; b --балансирный руль; с -- полубалансирный руль (полуподвесной); d -- балансирный руль (подвесной); е -- полубалансирный руль (полуподвесной); f -- активный руль; g -- носовое подруливающее устройство (гребные винты противоположного вращения); h -- носовое подруливающее устройство (реверсивный гребной винт).

В зависимости от принципа действия различают пассивные и активные рули. Пассивными называются рулевые устройства, позволяющие производить поворот судна только во время хода, точнее сказать, во время движения воды относительно корпуса судна. В отличие от него активный руль позволяет осуществлять поворот судна независимо от того, движется оно или стоит. Пассивное рулевое устройство состоит из штурвальной колонки с передачей, рулевой машины и пера руля. В старых конструкциях использовались однослойные рули. В настоящее время главным образом применяют профильные фигурные рули (рис. а). Перо такого руля состоит из двух выпуклых наружных оболочек, имеющих с внутренней стороны ребра и вертикальные диафрагмы для повышения жесткости. В целом конструкция пера руля цельносварная и полая внутри. Существуют различные способы крепления руля. Его можно на шарнирах прикрепить к ахтерштевню (рис. а) или установить в подпятнике (рис. b). Другие способы закрепления показаны на рисунках с, е. По положению пера руля относительно оси вращения баллера различают:

-- обыкновенный руль -- плоскость пера руля расположена за осью вращения;

-- полубалансирный руль -- только большая часть пера руля находится позади оси вращения, за счет чего возникает уменьшенный момент вращения при перекладке руля;

-- балансирный руль -- перо руля так расположено по обеим сторонам оси вращения, что при перекладке руля не возникают какие-либо значительные моменты.

Типы рулей: f -- активный руль; g -- носовое подруливающее устройство (гребные винты противоположного вращения); h -- носовое подруливающее устройство (реверсивный гребной винт).

Пример рулевого устройства с активным рулем приведен на рисунке f. В перо руля встроен электродвигатель, приводящий во вращение гребной винт, который для защиты от повреждений помещен в насадку. За счет поворота пера руля вместе с гребным винтом на определенный угол возникает поперечный упор, обусловливающий поворот судна. Активный руль выполняет свои функции и тогда, когда судно стоит на якоре. Такой руль используется на специальных судах, таких как плавучие рыбозаводы, китобойные, ремонтные и вспомогательные. Кроме того, активный руль можно применять как аварийный двигатель.

Рули, как правило, помещаются в корме судна. Только в особых случаях (например, на речных паромах или на судах для каналов) используют также носовые рули. Для повышения маневренности судна довольно часто применяют подруливающие устройства, относящиеся к группе активных рулей без пера. Носовые или кормовые подруливающие устройства устанавливают поперек судна в туннеле. В этом туннеле находятся также два гребных винта или ротор осевого насоса. При вращении одного гребного винта вода течет через туннель. За счет этого возникает упор, и корпус судна совершает движение. В подруливающих устройствах все чаще вместо двух гребных винтов или одного ротора осевого насоса используют гребные винты с переменным шагом.

Как уже было указано, для того чтобы рулевая установка действовала, перо пассивного руля должно стоять под определенным углом. Баллер руля приводится во вращение рулевой машиной, установленной под палубой в корме судна. Существуют паровые, электрические и гидравлические рулевые машины.



Рулевое устройство с электрическим приводом:

а -- расположение рулевого устройства.

1 -- рулевая машина;

2 -- рулевой штырь;

3 -- полубалансирный руль;

4 -- баллер руля.

b -- секторная рулевая передача с электрическим приводом.

1 -- ручной штурвальный привод (аварийный привод);

2 -- румпель;

3 -- редуктор;

4 -- рулевой сектор;

5 -- двигатель;

6 -- пружина;

7 -- баллер руля;

8 -- профильный фигурный руль;

9 -- сегмент червячного колеса и тормоза;

10 -- червяк.

На рис. b показана устаревшая конструкция электрической рулевой машины. Электродвигатель через редуктор приводит в движение рулевой сектор, который крепится на баллере руля. Две пружины, воспринимающие удары волн о перо руля, соединяют сектор руля с румпелем; последний в свою очередь через призматическую шпонку соединен с баллером руля, на котором помещен профильный руль.

Если необходимо повернуть перо руля, нужно запустить мотор с определенной частотой вращения. При неисправности электрической рулевой машины руль приводится в движение с помощью управляемого вручную механизма, состоящего из штурвальной тумбы и штурвала. Путем поворота штурвала приводятся в движение червячное колесо и взаимодействующий с ним аварийный приводной сегмент, укрепленный непосредственно на баллере руля. Штурвальная тумба аварийной рулевой установки обычно монтируется в корме на верхней палубе судна.

На современных судах, как правило, применяют гидравлические рулевые машины. При вращении рулевого колеса на мостике срабатывает датчик телемотора, Протекающее под давлением в трубопроводе масло вызывает перемещение приемника телемотора, за счет чего рулевой насос приводится в движение в соответствующем направлении.

Рулевое устройство с гидравлическим приводом:

а -- схема гидропривода рулевого устройства типа Атлас с телемоторами; b -- поршень гидравлической рулевой машины.

1 -- подключение к бортовой сети; 2 -- кабельные соединения; 3 -- запасная канистра; 4 -- рулевой насос; 5 -- рулевая колонка с датчиком телемотора; 6 -- индикаторный прибор; 7 -- приемник телемоторов; 8 -- двигатель; 9 -- гидравлическая рулевая машина; 10 -- баллер руля; 11 -- датчик указателя положения руля.



1.1 Требования морского регистра к судовым рулевым приводам

Одним из наиболее ответственным из судовых электроприводов является рулевой электропривод. От его качества зависят маневренность судна и безопасность плаванья, поэтому Правилами Регистра РФ к рулевым электроприводам представляются особые требования, которые необходимо выполнять при проектировании и постройке.

К числу этих требований относятся:

1. Перекладку руля с борта на борт на полном переднем ходе при спецификационной осадке судна за время не более 28 секунд.

2. Непрерывную перекладку руля с борта на борт на полном переднем ходу при спецификационной осадке судна в течение 30 минут.

3. Длительную работу при ходе по курсу в режиме не менее 350 перекладок в час.

4. Изменение вращательного момента электродвигателя в пределах от 0 до 200% номинального.

5. Режим стоянки электродвигателя под током в течение 1 минуты с нагретого состояния.

6. Безотказность, надежность и живучесть в течение всего периода эксплуатации.

7. Ограничение момента двигателя при перегрузке или заклинивании руля вплоть до его полной остановки и выхода его на автоматическую характеристику при прекращении перегрузки.

8. Автоматическое удержание руля на заданном курсе как при отрицательном моменте на баллере, так и при остановке привода без применения механических тормозов.

9. Удобство, простоту управления и постоянный контроль работы привода.

10. Возможность управления из разных мест: ходовой рубки, верхнего мостика, румпельного отделения.

11. Автоматическое ограничение предельных углов перекладки.

1.2 Устройство и работа рулевой гидравлической машины

Поршневая гидравлическая рулевая машина БМРТ постройки ПНР. На фундаменте болтами закреплены два гидроцилиндра 1, штоки 7 поршней которых короткими шатунами 8 шарнирно связаны с пальцами 9 отверстий поперечного румпеля 10. Румпель из двух частей, соединенных болтами на шпонках, надет на голову баллера руля. Выступающие со стороны крышек цилиндров 1 концы штоков 7 закрыты колпаками. Сверху к цилиндрам крепится рама, на которой установлены насосные агрегаты и приборы управления. Насосных агрегатов два, из которых один работает, а другой составляет 100 %-ный резерв.

Рис. 1.4.

Каждый насосный агрегат состоит из радиально-поршневого насоса регулируемой подачи и приводного фланцевого электродвигателя 3, к другому концу вала которого присоединен шестеренный насос 2 системы управления и подпитки системы. Подача насосов 4 регулируется передвижением штоков 16 золотников гидроусилителей 17, которые рычажными приводами 15 управляются приборами 5 электрической системы управления. Рычаги 6 служат для ручного управления подачей насосов 4. Датчик 11 рулевого указателя с помощью рычага 13 и тяги 14 связан с румпелем 10. Положение руля контролируют по шкале 12, закрепленной на румпеле и неподвижной стрелке.

На рис. 1.5. показан гидроцилиндр рулевой машины в сборе. Сварной цилиндр 12 имеет фланцы и лапы 22 для крепления к фундаменту. С обеих сторон цилиндр закрыт крышками 10, закрепленными болтами и уплотненными резиновыми кольцами. Сквозь отверстия крышек 10 проходит пустотелый шток 9, направляемый бронзовыми втулками 11. Отверстия для штока уплотнены пакетом манжет 23, прижатых крышками 18 с нажимными кольцами. Для удаления грязи со штока в выточках крышек 18 поставлены резиновые кольца 24.

Рис. 1.5.

Сварной поршень состоит из втулки 15 и гайки 16, навинченных на нарезку штока 9. На втулку 15 надеты направляющие кольца 21, скользящие по зеркалу цилиндра, и резиновые манжеты 14. В выемки манжет входят выступы упорных колец 13, удерживаемых пружинными кольцами 20, заведенными в канавки втулки и гайки поршня.

Шток 9 соединен с пальцем 2 румпеля коротким шатуном, состоящим из соединителя 4 и уха 1. Соединитель имеет шаровую головку 7, охваченную двумя бронзовыми вкладышами 6, которые с одной стороны удерживаются диском 8, а с другой зажимаются нарезной втулкой 5, застопоренной болтом. Монтажный зазор в шаровом шарнире устанавливается дистанционным кольцом, вставленным между вкладышами 6. Конец соединителя 4 ввинчивается в отверстие уха 1 и стопорится гайкой. В отверстие уха для пальца 2 румпеля смонтирован сферический роликоподшипник 3. Смазка к подшипнику подается колпачковой масленкой и удерживается в его гнезде манжетами, надетыми на дистанционные кольца.

1.3 Достоинства и недостатки обтекаемых рулей с различной степенью компенсации

Рулевое устройство предназначено для удержания корабля на заданном курсе и изменения направления его движения. Посредством рулевого устройства обеспечивается одно из важных мореходных качеств -- управляемость корабля. Состоит оно из штурвала или манипулятора, рулевой передачи, рулевого двигателя, рулевого привода и руля.

Различают три типа рулей: обыкновенный, балансирный и полубалансирный. По конструкции рули бывают однослойные или плоские, у которых перо руля представляет собой стальной лист определенной формы и размеров, и двухслойные или обтекаемые, перо руля которых представляет собой раму, обшитую стальными листами.

Баллерный руль -- это такой руль, у которого одна треть пера руля располагается впереди от оси вращения и представляет его балансирную часть. Такие рули, как правило, представляют одно целое с баллером.

Данный тип руля являются классическими в современном судостроении и вполне удовлетворяют требованиям маневрирования кораблей на передних ходах вплоть до самого малого. Однако они в некоторых случаях малоэффективны для малоходных плавучих средств (буксиров, самоходных кранов), а также для паромов, которым зачастую бывает необходимо изменить направление движения или создаваемого усилия без продвижения вперед, как говорится -- «развернуться на пятке». Для улучшения маневренных качеств этих и некоторых других судов стали применять поворотные направляющие насадки. Насадка закрепляется на вертикальной оси в одной продольной плоскости с осью гребного винта и может быть развернута влево или вправо. Разворачиваясь, насадка изменяет направление струи воды от работающего винта, которая отталкивает корму в ту или другую сторону, чем и достигается поворот судна на нужный курс.

Рулевым приводом называется приспособление, связывающее баллер с рулевым двигателем и передающее вращающий момент на руль. Рулевое устройство корабля должно иметь три независимых друг от друга привода: основной, запасной и аварийный. Различают приводы румпельные и винтовые. К каждому из них предъявляются определенные требования.

Основной рулевой привод обеспечивает работу рулевого устройства при непрерывной перекладке руля с борта на борт при максимальной скорости хода корабля. Время перекладки руля от 35° одного борта до 35° другого борта не должно превышать 35 с.

Запасной привод служит для работы рулевого устройства при непрерывной перекладке руля с борта на борт на скорости хода корабля, равной половине максимальной. Время перекладки руля от 20° одного борта до 20° другого борта -- не более 1 мин.

Время перехода с основного привода на запасное управление рулем не должно превышать 2 мин. Пост запасного управления рулем должен иметь связь с главным командным пунктом корабля и быть оборудован курсоуказателем.

Аварийный рулевой привод обеспечивает перекладку руля с борта на борт при скорости хода корабля менее 4 узлов (7,4 км/ч). Время перекладки руля с борта на борт не ограничивается.

Румпели бывают продольными, поперечными и секторными. Продольный румпель -- это стержень, утолщенной частью насаженный на голову (верхнюю часть) баллера руля и расположенный в диаметральной плоскости корабля. Поперечный и секторный румпели представляют собой двуплечие рычаги, соединенные с головой баллера. Винтовой привод применяется в ручном (он же, как правило, аварийный) управлении рулем.

В настоящее время широко применяются гидравлические приводы, являющиеся разновидностью румпельного привода. Гидравлическая часть такого рулевого привода действует от электродвигателя и служит для облегчения перекладки руля.

Рулевым двигателем может быть паровая машина или электродвигатель, которые устанавливаются в румпельном отделении и служат для обеспечения работы рулевого привода.

Рулевая передача связывает пост управления в ходовой рубке с рулевым-двигателем. На кораблях применяется валиковая, тросовая, электрическая или гидравлическая передача. При коротких расстояниях между штурвалом и рулевым двигателем применяется валиковая передача, которая состоит из ряда стальных стержней -- валиков, соединенных с помощью муфт, конических шестерен и карданных шарниров. Это обеспечивает проводку передачи по ломаной линии. Тросовая передача также встречается на небольших кораблях. Она состоит из двух барабанов, обвитых тросом. Один барабан вращается штурвалом и через трос воздействует на второй барабан, который приводит в действие пусковое устройство двигателя.

Более распространенными на всех типах кораблей являются электрическая и гидравлическая телемоторная передачи. Гидравлическая передача состоит из двух цилиндров с поршнями, связанными между собой медными трубками. Вся система полностью заливается специальной жидкостью. Движение поршня отправительного цилиндра связано с вращением штурвала, а исполнительного -- с золотником рулевого двигателя.

Электрическая передача применяется при электрических и некоторых гидравлических рулевых двигателях. В этом случае рулевая тумба оборудуется специальным контроллером, электрически связанным с регулирующим устройством рулевого двигателя.

На маломерных судах часто можно встретить передачу с помощью штуртроса, который соединяет барабан штурвала непосредственно с рулевым приводом.

Для улучшения ходкости корабля на рулях современных конструкций применяются особые пропульсив-ные наделки, имеющие каплевидную форму и устанавливаемые на одной оси с гребным винтом. Наделка препятствует завихрению воды от работающего винта и этим способствует созданию большего упора его лопастей и увеличению скорости хода корабля.

Для обеспечения лучшей маневренности судов в настоящее время применяются специальные средства управляемости, к которым относятся активные рули, дополнительные носовые рули и подруливающие устройства.

Как на главном, так и на запасном посту управления рулем устанавливаются аксиометры, связанные электрической системой с баллером. Аксиометр -- прибор, позволяющий контролировать положение пера руля.

Рулевое устройство является наиболее важным и сложным из всех корабельных (судовых) устройств. Надежная его работа обеспечивает безопасность, а зачастую и безаварийность плавания. Уверенная работа рулевого устройства обеспечивается обязательным выполнением требований правил технической эксплуатации, к которым относятся:

а) ежедневный осмотр всех частей рулевого привода (при плавании корабля это должно делаться при каждой смене вахты);

б) ежедневный тщательный (особенно при приготовлении корабля к выходу в море) осмотр, а при необходимости и смазка всех вращающихся и трущихся деталей рулевого устройства;

в) постоянное поддержание линии штуртроса в чистоте, слабина штуртроса должна быть выбрана, роульсы расхожены;

г) осмотр при каждом доковании или периодический осмотр с использованием водолазов баллера, пера руля, штырей, петель и других деталей;

д) при разности между углами перекладки руля и поворота сектора более 7° пересадка сектора на новую шпонку;

е) содержание в чистоте и исправности румпельного отделения с его устройствами, наличие в нем аварийного освещения.

После каждого осмотра рулевое устройство проверяется в работе. Переложив несколько раз руль с борта на борт, проверяют правильность показания аксиометра, обращают внимание на легкость вращения руля до наибольших углов отклонения. При отклонении руля от среднего положения в положение право (лево) на борт разница между фактическим положением руля и показанием аксиометра не должна превышать 2° в рулевых устройствах с паровым и гидравлическим рулевым двигателем и 1° -- с электрическим.

По окончании швартовки или других действий с фактическим использованием руля, руль ставится в прямое положение, с рулевого двигателя отключается энергия, осматриваются привод и рулевая передача, причем особое внимание обращается на желоб, по которому ходит пружинная тележка. Желоб, ролики тележки, пружины и талрепы очищаются от грязи, воды и густо смазываются тавотом.

1.4 Моменты на баллере руля и нагрузочные диаграммы рулевых электродвигателей

Чтобы изменить направление движения судна в сторону того или другого борта, необходимо в эту же сторону переложить руль. Рассмотрим действие сил и моментов в начальный период циркуляции, т. е. во время перекладки руля, когда скорость судна и направление его курса еще не успели измениться.

Моменты на баллере руля. Отклонение пера руля от диаметральной плоскости приводит к тому, что струи воды, встречаясь с плоскостью руля, создают давление, определенным образом распределяющееся по его поверхности. Равнодействующую сил давления воды на руль Рв, приложенную в точке А, разложим на две составляющие: силу Н, действующую в плоскости пера руля и вызывающую оттекание встречных струй воды, и силу Р, направленную перпендикулярно плоскости пера. Составляющая Н имеет незначительную величину и в дальнейшем приниматься во внимание не будет.

Две противоположно направленные силы Р1 и Р₂, параллельные и равные по величине силе Р, будучи приложены к центру тяжести судна С, образуют пару сил Р-- Р1, которая создает поворачивающий судно момент

М_пов = Р·ВG? Р (L/2) Cos а

где

ВG = (L/2+ д) Cos а

Разложив теперь силу Р₂, найдем, что ее составляющая F_т тормозит ход судна, а составляющая Fдр вызывает дрейф и крен судна в сторону противоположного борта.

Продифференцировав выражение и приравняв нулю производную dМ_пов /dа, можно определить угол перекладки руля аmax при котором на судно воздействует наибольший поворачивающий момент. Путем такого расчета найдено, что аmax ?36°. Поэтому рулевые устройства на морских судах обычно допускают перекладку руля на угол аmax ?35°.

Рис. 126. Силы, действующие на судно при перекладке руля.

b -- длина судна между перпендикулярами, м.

Для расчета рулевого электропривода необходимо знать момент Мб, который сила Р создает на баллере руля:

М_б = Рb,

где б -- расстояние от оси вращения руля до центра давления.

Вместо угла перекладки а в расчеты следует вводить угол атаки <ю, лежащий между направлением скорости движения и плоскостью пера руля и определяемый выражением:

а ₀ == а ± в,

где в -- угол дрейфа, образуемый между ДП и направлением движения судна.

Знак минуса берут при перекладке руля во время прямолинейного движения судна (в этом случае угол В незначителен и можно принять, что а₀~а), знак плюса -- при перекладке руля во время так называемой 5-образной циркуляции судна (см. приведенное ниже изложение понятия об опорном моменте) .

В настоящее время при проектировании рулевых устройств используют гидродинамические коэффициенты, получаемые при аэродинамических продувках соответствующих профилей.*

Представим себе, например, руль обтекаемого профиля, отклоненный от ДП в сторону правого борта на угол а. Силу нормального давления воды на руль Р, приложенную к точке А, разложим на две силы, направление одной из которых Р_х противоположно направлению движения руля и судна, а направление другой Р_у перпендикулярно к нему. Составляющая Р_х называется лобовым сопротивлением,

Р = Р_у соs а + Р_х sin а,

а нормальная к ней Р_у -- подъемной (поперечной) силой.

Размещено на http://www.allbest.ru/



1.5 Работа системы автоматического управления курсом судна

рулевой гидравлический морской электродвигатель

Все суда морского транспортного флота в настоящее время оборудуются системами автоматического управления (САУ) курсом судна. Основным элементом САУ является прибор управления (авторулевой).

При правильной настройке авторулевой обеспечивает снижение потерь ходового времени до 3 % за счёт более точного удержания судна на заданном курсе и уменьшения тормозящего действия корпуса и руля. Углы перекладки руля при автоматическом управлении на 20 - 30 % меньше, чем при ручном.

В 80-х годах появился новый тип авторулевого - адаптивный, имеющий автоматическую настройку параметров схемы при изменении внешних условий плавания или скорости судна. Это обеспечивает оптимальный режим работы системы без участия человека-оператора.

Адаптивные авторулевые используются главным образом на крупнотоннажных судах для улучшения их управляемости, особенно при движении с малой скоростью, на мелководье и в стеснённых условиях плавания.

В настоящее время большинство транспортных судов оборудовано обычными бесконтактными авторулевыми отечественного производства типа АБР, АР, АТР и “Аист“, а также иностранного АЕГ (ФРГ), РФТ (ГДР), “Аркас” (Дания), “Декка” (Великобритания) и др.

В соответствии с международными требованиями системы автоматического управления курсом должна обеспечивать:

переход с ручного управления на автоматическое и наоборот, с помощью не более чем двух органов управления за время не более 3с при любом положении пера руля.

переход с автоматического на ручное управление при любых неисправностях в системе автоматического управления;

фильтрацию сигналов управления для уменьшения числа кладок руля от рысканья при волнении;

При переходе с ручного управления на автоматическое авторулевой должен автоматически вывести судно на заданный курс.

В соответствии с требованиями Конвенции “Солас - 74” необходимо не более чем за 12 ч до отхода судна в рейс производить проверку работы как основных, так и аварийных каналов управления рулём. При этом должны быть проверены основной и вспомогательный рулевые приводы, система дистанционного управления рулевым приводом, посты управления рулём на ходовом мостике, аварийное энергопитание, указатели положения руля, аварийная сигнализация, работа автоматических ограничителей угла перекладки руля, а также работа средств связи мостика с румпельным отделением.

Необходимо по меньшей мере раза 3 в мес. проводить учения по аварийному управлению рулём, включая непосредственное управление из румпельного отделения по командам с ходового мостика.

В особо опасных в навигационном отношении районах каналы управления рулём левого и правого бортов должны работать одновременно.

Устройство авторулевых

САУ курсом судна состоит из прибора управления (ПУ), который обычно называется авторулевым, рулевого привода (РП) с управляющим органом -- рулем, судна как объекта регулирования (ОР), а также внутренней (OC1) и внешней (ОС3) обратных связей (рис. 5.18).



Прибор управления системы представляет собой вычислительное устройство, построенное на электромеханических и электронных элементах и вырабатывающее сигналы управления, пропорциональные по величине углу и угловой скорости отклонения судна от заданного курса. В отечественных авторулевых, кроме того, имеется интегрирующее устройство, вырабатывающее сигнал, устраняющий снос судна при несимметричном рыскании.

На пульте управления авторулевого размещаются все необходимые органы настройки, контроля и управления системы.

На большинстве современных судов в качестве рулевого привода используются электрогидравлические рулевые машины, обеспечивающие перекладку руля со скоростью примерно 2,5--3 град/сек.

При одновременном включении насосов левого и правого бортов скорость перекладки руля увеличивается до 5 град/сек, что- положительно влияет на управляемость судна, особенно на малом ходу.

Внутренняя обратная связь в системе осуществляется с помощью устройства, механически связанного с баллером руля и вырабатывающего электрический сигнал, пропорциональный углу поворота руля.

Внешняя обратная связь обеспечивается гирокомпасом, который преобразует изменение курса судна в угол поворота сельсина-датчика курса, связанного с сельсином-приемником в авторулевом.

Все существующие системы автоматического управления курсом судна, независимо от конструкции отдельных звеньев, работают по принципу отклонения, т. е. в авторулевом непрерывно сравниваются фактическое и заданное значения курса и вырабатывается сигнал управления. Под действием этого сигнала рулевой привод перекладывает руль и возвращает судно к заданному курсу. Сигнал внутренней отрицательной обратной связи останавливает перекладку руля, а затем возвращает руль в среднее положение. Сигнал, пропорциональный скорости поворота судна, повышает чувствительность авторулевого при отклонении судна от заданного курса и обеспечивает сдерживание при возвращении на заданный курс.

Системы автоматического управления курсом удерживают судно на прямом заданном курсе в любую погоду при скорости хода более 5 узлов, а также позволяют изменять заданный курс при введении градусной поправки.

При правильной настройке авторулевой позволяет экономить до 3% ходового времени за счет более точного удержания судна на заданном курсе и уменьшения тормозящего действия корпуса и руля; углы перекладки руля при автоматическом управлении на 20--30% меньше, чем при ручном.

Современные авторулевые обеспечивают:

Автоматическое ведение судна по заданному курсу в течение морских переходов любой продолжительности при любой погоде (авторулевой не рассчитан на работу при движении судна на заднем ходу); управление рулевым приводом в зависимости от угла и скорости ухода судна с курса; автоматическое устранение сноса судна, вызванного несимметричным рысканием под действием ветра, волнения и других причин (кроме АРМ-2); изменение курса судна при автоматическом управлении на любую величину; управление рулевым приводом вручную, пользуясь штурвалом следящего управления (кроме АРМ-2); изменение курса судна при помощи выносных постов управления в случае внезапного появления опасности (в некоторых комплектациях АБР и АР).

Автоматические бесконтактные авторулевые АБР и АР наиболее широко используются в настоящее время на транспортных судах. Принципиальные схемы этих приборов аналогичны. Авторулевые АБР предназначаются для установки на судах, находящихся в эксплуатации либо построенных за рубежом, тогда как авторулевой АР устанавливается на вновь строящихся отечественных судах. АР имеет комбинированный пульт управления, совмещающий в себе схемы автоматического, следящего и штатного ручного управления. Описания этих авторулевых даны в эксплуатационной документации, имеющейся на судах.

Авторулевой типизированного ряда АТР устанавливается только на судах новой постройки, оборудованных электрогидравлическими рулевыми машинами типизированного ряда.

В систему АТР входит пульт управления -- основной прибор, с помощью которого производится управление судном в автоматическом, следящем и простом режимах, а также настройка системы в процессе эксплуатации.

Пульт следящего управления--прибор, с помощью которого производится управление судном при следящем и простом режимах работы. Он устанавливается в кормовом запасном посту управления судном.

Исполнительный механизм (ИМ-1), предназначенный для управления насосом переменной производительности, или ИМ-2 -- управляющий золотниковым устройством насосного агрегата постоянной производительности. ИМ устанавливается в румпельном отделении. Рулевой датчик, механически связанный с баллером руля, вырабатывает сигналы внутренней отрицательной обратной связи.

Особенность системы АТР состоит в том, что она составляет единый комплекс с рулевой машиной типизированного ряда.

Вычислительная схема авторулевого АТР собрана на бесконтактных сельсинах типа БС-404А и имеет два полностью дублированных канала управления, что значительно повышает ее надежность.

В системе предусмотрены три режима управления: простой, следящий и автоматический. Следящее управление и ввод градусных поправок к заданному курсу осуществляются поворотом штурвала, а простое дистанционное управление -- путем нажатия специальных клавиш.

В авторулевом предусмотрен автоматический возврат штурвала в нулевое положение при следящем режиме, что облегчает управление судном вручную.

При эксплуатации системы АТР в режимах «следящий» и «простой» рекомендуется запускать оба насоса рулевого привода, что увеличивает скорость перекладки руля и повышает надежность рулевого управления.

При работе в режиме «Автомат» следует периодически переключать систему с одного насоса на другой для равномерной эксплуатации оборудования.

Подробно устройство системы АТР дано в эксплуатационной документации, имеющейся на судне.

Автоматический малогабаритный рулевой АРМ-2 предназначен для установки на судах морского флота среднего и малого тоннажа, а также имеющих нестандартное рулевое устройство. Он может работать от курсоуказателей с дистанционной передачей показаний на частоте 50 и 500 гц.

Комплект авторулевого состоит из четырех основных приборов. Прибор № 1 включает в себя всю механическую схему авторулевого. Он выполняется в двух вариантах: с сельсинами БС-404А (АРМ-2--50) и с сельсинами СС-150 (АРМ-2--600). Устанавливается вместо путевого репитера гирокомпаса в рулевой рубке судна рядом со штатным постом управления рулем.

В приборе № 2 размещена схема формирования сигналов управления, необходимые устройства для настройки авторулевого, а также звуковая и световая сигнализация. Прибор устанавливается на переборке в рулевой рубке.

Прибор № 3 является датчиком сигнала обратной связи, пропорционального углу поворота руля.

Прибор № 4 представляет собой соединительную коробку, служащую для подключения прибора № 1 к схеме.

Если на судне установлен указатель положения руля типа ПК7/ПС или 845/ПС28, то для упрощения монтажа авторулевого взамен прибора № 3 может быть установлен прибор № 5, который выполняет те же функции, но устанавливается в рулевой рубке.

Авторулевой АРМ-2 может также использоваться на малотоннажных судах со штуртросовым рулевым устройством или с гидравлической системой управления рулевой машиной. В этом случае в комплект авторулевого добавляется специальный исполнительный механизм, состоящий из электродвигателя с редуктором и электромагнитной муфты. Выходной вал исполнительного механизма соединяется со штурвалом цепной передачей и включается автоматически при включении авторулевого.

Питание авторулевого осуществляется от преобразователя гирокомпаса. Электродвигатель исполнительного механизма работает на постоянном токе 110/220 в, потребляемая мощность, порядка 300 вт.

1.6 Система управления и контроля рулевых электроприводов

Перекладка руля производится исполнительным двигателем, приводящим в движение насос переменной производительности, сектор или винт рулевой машины. Для обеспечения заданных значений угла перекладки, направления и скорости движения руля служит система управления, куда входят различные электрические машины, командоконтроллеры, кнопочные посты управления, переключатели постов, магнитные станции, конечные выключатели, устройства обратной связи между рулем и постом управления и другие аппараты управления и сигнализации.

Управление рулевым электроприводом обычно осуществляется с нескольких постов, расположенных в рулевой рубке, на ходовом мостике, в румпельном отделении и других помещениях судна.

По характеру действия системы управления курсом судна делятся на дистанционные, следящие и автоматические.

Система дистанционного управления. При переводе рукоятки поста управления из нейтрального положения в сторону одного или другого борта начинает работать рулевой электропривод. Он перекладывает руль в указанном направлении до тех пор, пока рукоятка не будет возвращена в исходное положение или пока не сработает конечный выключатель (при достижении рулем максимального угла перекладки). Чтобы возвратить перо руля в ДП, необходимо рукоятку поста управления отклонить в сторону противоположного борта. Система является разомкнутой и не учитывает влияния внешних воздействий, нарушающих соотношение между управляющим воздействием и объектом управления (судном). Поэтому, чтобы судить о положении руля, надо все время наблюдать за рулевым указателем.

Следящая система управления. Положение штурвала поста управления связано с положением пера руля (система является замкнутой). В этом случае электропривод приходит в действие и работает до тех пор, пока перо руля не переместится в положение, указанное штурвалом поста управления. Эта система управления вдвое сокращает число манипуляций рулевого.

Система автоматического управления также работает по замкнутому циклу. Рулевое устройство автоматически приводится в действие при отклонении судна от заданного курса. При этом электропривод работает до тех пор, пока судно не возвратится на заданный курс. Роль рулевого в этом случае сводится лишь к предварительной настройке схемы управления Системы автоматического управления делятся на непрерывные (АБР, АТР) и дискретные («Аншютц», «Сперри»).

Система контроля рулевого устройства позволяет с поста управления определить как угол перекладки руля, так и действие этой перекладки на судно. Для целей контроля используют указатели положения руля (аксиометры) и репитеры гирокомпаса (иногда магнитные компасы).



2.1 Расчет пера руля

Исходные данные:

Длина судна = 120 (м)

Осадка судна = 7,5 (м)

Скорость судна = 18 (узлов) =18 морским милям = 7,81 м/с.

2.2 Определяем потребную площадь руля для обеспечения управляемости судна

1 где

- коэффициент типа судна (для грузового судна дальнего плавания

= 0,0166 -0, 025 принимаю = 0,0177);

- длина судна (м);

- осадка судна (м);

2.3 Выбираем тип руля

В современных судах применяют в основном обтекаемые рули, так как они уменьшают сопротивление воды к движению судна. Поэтому мы выбираем прямоугольный балансирный руль обтекаемого профиля со степенью компенсации с = 0,16 и относительной толщиной руля а = 18% (см. приложение 1 в учебнике К.А. Чекунова).

2.4 Определяем высоту руля

Определяем высоту и ширину руля.



Зная S и h определим b

2.5 Определим относительный размах руля

2.6 Определим площадь и ширину балерной части руля

( из таблицы гидродинамической продувки берем относительно = 18%)

2.7 Расчет моментов на балере руля

Момент на балере балансирного руля для переднего хода
рассчитывается по формуле:

Мб = Р*(z-b1) = рb SvІ/2 (Cm-Ck)

где V - скорость хода, м/сек.

р - плотность морской воды = 104, 8 кг*секІ/м4.

b1- ширина руля = 2,5 м

S - площадь пера руля = 12,5 мІ

с - степень компенсации = 0,16 к = Су * + Сх *

Сх, Су - коэффициенты лобового сопротивления и подъемной силы

Сm - коэффициент, учитывающий изменения момента на балере с изменением угла перекладки.

Для определения коэффициентов гидродинамики, необходимых при расчете момента на балере руля, их табличные значения приведены в Приложении 1 учебника К.А.Чекунова, необходимо пересчитать с относительного размаха 1= 6 на 2= = 2,13

2.8 Определяем величину коэффициентов

=

= 57,3- (11)

где 1- относительный размах крыла = 6

2 - относительный размах руля = 2,13

= = 0,069

= 57,3 -0,098 = 5,61

2.9 Перерасчет коэффициентов гидродинамики

Для перерасчета коэффициентов гидродинамики С_х, С_у, С_m (Приложение 1 учебника К.А.Чекунова) применительно к параметрам выбранного нами руля используем формулы:

С_x2 = С_x1 + СуІ

где С_Х1 и Cх2 - коэффициенты лобового сопротивления соответственно =6 (табличный) и 2,13

С_х2 = 0,032+0,035 = 0,067

а₂ = а1 + С_у*

где а ₂ и а ₁ - углы перекладки соответственно при = 6 и 2,13

С_у - коэффициент подъемной силы при 6

С_т - гидродинамический коэффициент, учитывающий изменение момента при изменении угла атаки и не зависит от размаха руля и

выбирается по значению а1

а₂ =-8° + (-3,37) = -11,37

Все расчеты сводим в таблицу № 1.

б	Cy	Cx1	CyІ	CyІ ??	Cx2	Cy ??	б2	Cm
-8	-0,6	0,032	0,36	0,035	0,067	-3,37	-11,37	-0,137
-4	-0,30	0,018	0,09	0,088	0,027	-1,68	-5,68	-0,070
-2	-0,14	0,012	0,0196	0,0019	0,014	-0,78	-2,78	-0,033
0	0	0,0088	0	0	0,0088	0 "	0	0
2	0,14	0,012	0,0196	0,0019	0,014	0,78	2,78	0,033
4	0,30	0,018	0,09	0,088	0,027	1,68	5,68	0,070
6	0,43	0,022	0,185	0,018	0,04	2,41	8,41	0,1
8	0,60	0,032	0,36	0,035	0,067	3,37	11,37	0,137
10	0,72	0,044	0,518	0,051	0,095	4,04	14,04	0,168
12	0,88	0,059	0,775	0,076	0,135	4,94	16,94	0,205
14	1,01	0,078	1,02	од	0,178	5,67	19,67	0,235
16	1,15	0,097	1,3225	0,13	0,227	6,45	22,45	0,268
18	1,28	0,118	1,6384	0,161	0,279	7,18	25,18	0,298
20	1,39	0,140	1,9321	0,189	0,329	7,8	27,8	0,324
22	1,42	0,160	2,0164	0,198	0,358	7,97	29,97	0,331
24	1,31	0,188	1,7161	0,168	0,356	7,35	31,35	0,341
26	1,24	0,360	1,5376	0,151	0,511	6,96	32,96	0,339
28	1,08	0,357	1,1664	0,114	0,471	6,06	34,06	0,342
30	0,96	0,396	0,9216	0,09	0,486	5,38	35,38	0,344

2.10 Момент на балере балансирного руля для переднего хода

Мб = 104,8*2,34**(-0,137*(-0,095)) = -3657,9 кг*м.

R = -0,6*0,98 + 0,032*(-0,197) = -0,595

Все расчеты сводим в таблицу № 2.

б?		2	Cy	Сx22	R	CR	Cm - CR	Mб кгЧм
-11,37	0,98	-0,197	-0,588	-0,0063	-0,595	-0,095	-0,042	-3657,9
-5,68	0,995	-0,099	-0,299	-0,0018	-0,3	-0,048	-0,022	-1917,5
-2,78	0,999	0,049	" -0,14	-0,0006	-0,14	-0,022	-0,011	-920,1
0	1	0	0	0	0	0	0	0
2,78	0,999	0,049	0,14	0,0006	0,14	0,022	0,011	920,1
5,68	0,995	0,099	0,299	0,0018	0,3	0,048	0,022	1917,5
8,41	0,989	0,146	0,425	0,0032	0,429	0,069	0,031	2745,2
11,37	0,98	0,197	0,588	0,0063	0,595	0,095	0,042	3657,9
14,04	0,97	0,243	0,698	0,0107	0,709	0,113	0,055	4763,8
16,94	0,957	0,291	0,842	0,0172	0,859	0,137	0,068	5901,5
19,67	0,942	0,337	0,951	0,0263	0,977	0,156	0,079	6868,5
22,45	0,924	0,382	1,063	0,0370	1,1	0,176	0,092	8038,4
25,18	0,905	0,425	1,158	0,0502	1,209	0,193	0,105	9139,9
27,8	0,885	0,466	1,23	0,0653	1,295	0,207	0,П7	10204,8
29,97	0,866	0,499	1,23	0,0799	1,31	0,21	0,121	10603,7
31,35	0,854	0,52	1,119	0,0978	1,217	0,195	0,146	12784,5
32,96	0,839	0,544	1,04	0,1958	1,236	0,198	0,141	12333,9
34,06	0,828	0,56	0,895	1,1999	1,095	0,175	0,167	14575,5
35,38	0,815	0,579	0,783	0,2293	1,012	0,162	0,182	15906,1

2.11 По полученным значениям строим график М_б=f(а)

2.12 Расчет гидравлического насоса, выбор мощности приводного электродвигателя

Существует несколько методов расчета рулевых электроприводов с гидравлической передачей, один из которых заключается в следующем:

определяют силы давления в цилиндрах прессов гидравлической машины;

находят основные параметры установки, по которым выбирают насос переменной производительности;

рассчитывают мощность и выбирают исполнительный двигатель;

выбранный двигатель проверяют на заданное время перекладки руля и нагрев.

2.13 Выбор электрогидравлической машины

По наибольшему значению Мбтах = 15,9 т-м из таблицы № 2 выбираем по каталогу электрогидравлическую рулевую машину с ближайшим большим максимальным моментом.

Это будет рулевая машина типа Р16 с Мбтах = 24 * 104 Н-м Данные машины:

Мбmах - максимальный момент на баллере руля = 24*10 Н-м

Число насосов = 2

б max_ максимальный угол перекладки руля от диаметральной плоскости на борт = 35°

Т - время перекладки руля с борта на борт при работе одного насоса = 28 сек.

Судовая сеть работает на переменном токе напряжением 380 В.

2.14 Определение силы давления в цилиндрах прессов гидравлической машины

Fцил =

где Мб - максимальный момент на баллере руля = 15500 кгм

- число пар цилиндров = 2

= (2-3)-0 = 2-0,22 = 0,44 м - расстояние от оси баллера до оси скалок (плунжеров)

D - диаметр скалки = 220 мм. = 0,22 м

- к.п.д., учитывающий потери на трение в опорах баллера = 0,85

fm - коэффициент трения в шарнирах и упорных ползунах по

направляющему брусу = 0,1

N - реакция опор относительно сил веса скалок гидравлической машины = 375 кг

F_ск - коэффициент трения в сальниковом уплотнении скалок = 0,1

- сила трения скалок в сальниках цилиндров гидравлической машины

F_тр - сила трения в сальниках нагруженных цилиндров гидравлической машины

h- высота сальниковой набивки = 0,018 м

р - давление в системе цилиндров = 135 кГ/смІ = 13,5 Па

F_тр= 1,47_ск= 1,473,140,220,01813,510⁶0,1 =0,2510⁶Н

F_цил = +375= 0,2710⁶ Н

2.15 Определение основных параметров и выбор насосов переменной производительности

Объем перекачиваемого масла V в цилиндрах определим из выражения

V = m_цил

Где - полный ход скалки в пределах угла 2_тах = 235°

m цил - число пар цилиндров

D - диаметр скалки, м

Rо - расстояние от оси баллера до оси скалок, м

V= 2

Принимая время изготовки системы к действию t₀ = 2 сек.,
получаем время работы насоса:

= Т - t₀

где Т - время перекладки руля с борта на борт при работе одного насоса, сек.

t₀ - время изготовки системы к действию, сек.

= 28-2 =26 сек.

Подсчитываем среднюю секундную производительность
насоса:

Q c p = V/

где V - объем перекачиваемого масла, м³ Т - время работы насоса, сек.

Qс р = = 0,0018м³/сек. = 1,8 л/сек.

С учетом коэффициента неравномерности подачи R_а = 0,8
рассчитываем номинальную производительность насоса:

Qн.расч =

где Q_Ср - средняя секундная производительность насоса, м³/сек.

R_а - коэффициент неравномерности подачи

Qн.расч= = 0,00225м³/сек = 2,25 л/сек. = 135 л/мин.

Выбираем насосы переменной производительности типа МНП-0,14 со следующими параметрами:

n - расчетное число оборотов = 980 об/мин.

z - количество плунжеров = 9

d - диаметр плунжера = 24 мм.

e- рабочий эксцентриситет = 17 мм.

Исходя из этих данных находим, что установленная производительность насоса:

Qуст = 2

Qуст = 2

Qуст = 137 л/мин.> Рн.расч. ⁼ 135 л/мин.

2.16 Расчет мощности и выбор электродвигателя насоса

Строим кривую зависимости давления Р, создаваемого насосом от угла перекладки руля, для чего пользуемся формулой:

P =

где Мб - момент на баллере руля, кг-см (берем из графика № 1).

m цил - число пар цилиндров = 2

Ro = (23) D = 222 = 44 см - расстояние от оси баллера до оси скалок (плунжеров)

D - диаметр скалки = 220 мм. = 22 см.

_б - к.п.д., учитывающий потери на трение в опорах баллера = 0,85

fm- коэффициент трения в шарнирах и упорных ползунах по направляющему брусу = 0,1

N - реакция опор относительно сил веса скалок гидравлической машины = 375 кг

f_ск - коэффициент трения в сальниковом уплотнении скалок = 0,1

h - высота сальниковой набивки = 0,018 м = 1,8 см.

P = = 0.221 кг/

При прохождении рулем ДП ( = 0) момент на банере М_б = 0 и электроприводу остается преодолеть лишь силы трения в передаче, для чего в цилиндрах должно быть создано давление:

Po =

Po = = 0.104 кг/

Данные записываем в таблицу № 3

	Мб, кг-см.	Р, кГ/ см2
0	0	0,104
5	1,6	6,1
10	3,3105	12,3
15	5,1105	18,6
20	7,0105	24,5
25	9,0105	30,0
30	11,5105	35,7
35	15,5105	42,6

По полученным значениям строим кривую Р= f() и определяем площадь S_Р, ограниченную кривой



График 2

S_Р = (р₀ + р₁ +р₂ +р₃ + р₄ + р₅ + р₆ + ) * _Р

S_Р = ( 0,104 + 6,1 + 12,3 + 18,6 +24,5 + 30,0 + 35,7 + =743,0 кГ град./см²

Находим среднее давление за время положительной перекладки руля:

Рср =

где S_Р - площадь, кГтрад./смІ.

Рср =

Определяем номинальную мощность двигателя

Pн =

где Р_ср - среднее давление за время положительной перекладки руля, кГ/см²

Р_тр - потери давления на трение масла в трубопроводах системы ^: 40-10⁴ Па

- к.п.д. насоса = 0,5

Pн = = 8,9 кВТ

По скорости и потребляемой насосом мощности выбираем электродвигатель типа АО-62-6М со следующими данными:

Рн= 13 кВт; n = 950 об/мин; при = 380В ток I = 25А; =87,5%; л м=М_тах/Мн=1,8; к_м=Мmax/Мн=1,7; =0,89

2.17 Построение механической характеристики электродвигателя

1. Номинальный момент на валу двигателя из уравнения

Мн = 975

2. Максимальный момент

М_maх=л_мМ_н =1.813,34 = 24 кГ м

3. Синхронная скорость двигателя

nc = =

4. Номинальное скольжение

S н = =

п_с-п_ьг= 1000- 950 ₌

п_с 1000

5. Критическое скольжение

Sкр = 0,05 (1,8+ )= 0,16

6. Коэффициент , согласно определению, будет:

7. Расчетный коэффициент k: по формуле

K =

Задаваясь значениями скольжения S от 0 до 1, определяем соответствующие им значения моментов:

M = M max = 24

8. Выражая механическую характеристику как

n = n_с(1-S) = 1500(1 -S)

9. Результаты расчетов сводим в табл. № 4, по данным которых строим механическую характеристику.

Таблица 4

S	М, кГ-м	п, об/мин
0	0	1000
0,01	2,91	990
0,03	8,44	970
0,05	13,3	950
0,1	21,18	900
0,16	24	840
0,2	23,8	800
0,3	21,4	700
0,5	17,53	500
0,7	16	300
0,9	15,8	100
1	15,8	0

2.18 Проверка электродвигателя на нагрев и скорость перекладки руля

Проверка электродвигателя на скорость перекладки руля. Определяем моменты М, развиваемые на валу электродвигателя при различных углах перекладки руля:

M

где

Q уст - установленная производительность насоса = 2,28· м³ /сек.

Р_а - рабочее давление, соответствующее углу перекладки руля , Па

Р_тр - потери давления на трение масла в трубопроводах системы = 40·10⁴ Па

...