5.Сведения о судне, как объекте управления
5.1 Основные части управляемой системы.
Морское судно как транспортное средство совершает движение на границе двух сред – воды и воздуха, испытывая при этом гидродинамические аэродинамические воздействия.
Для обеспечения заданных параметров движения (К, V, ω, ΔV) судном необходимо управлять. В указанном смысле судно является управляемой системой.
В соответствии с теорией управления каждая управляемая система состоит из трех частей:
Объекта управления (т.е. то, чем управляют)
Средства управления (с помощью чего управляют)
Управляющего устройства (что управляет – автомат или человек)
В состав морского судна входит много различных систем, которыми необходимо управлять (главный двигатель, якорное устройство, рулевое устройство и др.), каждая из которых в общем случаи содержит три, указанных выше, составные части.
В курсе «Управление судном» рассматривается управление движением судна в горизонтальной плоскости, которое обычно сводится к задаче перехода судна из одной точки в другую по заданной траектории. Ту же задачу управления решает и курс «Навигации», но курс «Управление судном» рассматривает судно не как точку на карте, а объект имеющий определенную длину, ширину, осадку, глубину под килем и т.д.
В курсе «Навигация» движение судна называется плаванием, а в курсе «Управление …» движение судна называется маневрирование. При управлении судном приходится учитывать такие его характеристики как длину, ширину, форму и размеры подводной и надводной частей корпуса, а так же характеристики судовых средств управления.
Сравнительно сложный характер поведения судна, обусловленный как свойством самого объекта управления, так и влиянием многих внешних факторов, делает процесс маневрирования весьма напряженным, требующим от судоводителя не только глубоких познаний но и высоких психомоторных качеств – наблюдательность, умения анализировать и оценивать обстановку, быстроты реакции, способность обоснованно принимать ответственные решения, а так же умения организовать работу людей, участвующих в процессе управления.
Все средства управления (СУ) подразделяются на две основные группы: главные средства управления (ГСУ) и вспомогательные средства управления (ВСУ).
Средства управления в каждой группе делятся по цели управления на два вида устройств:
Устройства, управляющие движением судна, а так же разгоном и торможением в продольной плоскости (вперед, назад);
Устройства, управляющие угловым движением судна, т.е. курсом и угловой скоростью.
Основные характеристики средств управления.
Средства управления
Главные (ГСУ)
Вспомогательные (ВСУ)
Средства
активного управления
Движитель-ные устройства
Рулевые
устройства
ВРШ
ВФШ
Движетельно рулевые устройства
Движетельно рулевые устройства
Подруливающие устройства
Тормозные устройства
Рули
Раздельные
поворотные насадки
Движители в
поперечном канале
Активные рули
Выдвижные тормозные
щиты
Поворотные насадки
Откидные винтовые
колонки
Крыльчатые
движители
Тормозные парашюты
Крыльчатые
движители
Поворотные винтовые
колонки
Пассивная
трубопроводная система
Поворотные винтовые
колонки
Рис.5.1 Классификация средств управления.
Те устройства, которые способны создавать боковую силу, при неработающим главным двигателе (ГД), и при отсутствии хода судна относительно воды называются средствами активного управления (САУ).
С точки зрения управления судном для нас главным образом представляют интерес главные средства управления (ГСУ), а конкретно движительные устройства и рули
Движительные устройства.
На морских судах чаще всего используют виты фиксированного шага (ВФШ) или виты регулируемого шага (ВРШ).
Гребной винт (ВФШ) представляет собой систему лопастей (от 2 до 8), каждая из которых является участком винтовой поверхности. Поверхность лопастей, обращенная в нос, называется засасывающей,. Поверхность, обращенная в корму – нагнетающей. Передняя кромка лопастей называется входящей, задняя – выходящей. ВФШ бывают цельнолитые и со съемными лопастями. Они делятся на винты левого и правого вращения. Винт правого вращения на переднем ходу, если смотреть с кормы, вращается по часовой стрелке, винт левого вращения – наоборот.
Сила упора, создаваемая винтом при его вращении с заданной частотой, зависит от его основных геометрических характеристик,
DВ диаметр винта - диаметр окружности, описываемой наиболее удаленными точками лопастей (до 5 метров);
H геометрический шаг винта – линейное расстояние по оси винта, которое проходила бы ступица за один полный оборот при вращении в плотной среде. (величина шагового отношения H/D колеблется 0.8 – 1.8)
Θ дисковое отношение Θ= А/Аd - для тихоходных судов ≈0.35
для быстроходных ≈ 1.2
А – суммарная площадь спрямленной поверхности всех лопастей винта;
Аd – площадь круга, ометаемого гребным винтом при его вращении.
Z число лопастей.
а так же от скорости самого судна.
Существенное влияние на силу упора винта оказывает взаимодействие винта с корпусом судна. Силу упора без учета такого взаимодействия называют упором изолированного винта. С учетом такого взаимодействия – полезным упором или тягой. Для ВФШ изменение направления упора достигается реверсированием двигателя. ВФШ имеет максимальный коэффициент полезного действия только при одном режиме движения (как правило, полный передний ход).
В отличии от гребных винтов фиксированного шага, винты регулиру-емого шага (ВРШ) имеют в ступице приводной механизм, с помощью которого осуществляется разворот лопастей от положения «ППХ» до положения «ПЗХ». Таким образом, без изменения направления вращения ГД, осуществляется изменение не только величины, но и направление упора винта. ВРШ могут быть трехлопастными и четырехлопастными. В последнем случае лопасти располагаются по парно и смещены вдоль оси винта (ВРШ типа «тендем»). Угол разворота лопастей при переходе с ППХ на ПЗХ составляет 40 – 500. Время разворота лопастей ВРШ составляет 10 – 15 сек.. Использование ВРШ позволяет получить полную мощность ГД на режимах, отличных от расчетных, обеспечивает увеличение скорости судна и экономичность работы его двигательной установки.. ВРШ развивает значительно большую тягу на малых ходах и на 40 – 50% сокращает время и длину тормозного пути. Установка ВРШ позволяет осуществлять дистанционное управление судном и использовать на реверсивные двигатели, что значительно повышает их моторесурс. К недостаткам ВРШ следует отнести сложность конструкции как самого винта, так и валопровода, их большую, по сравнению с ВФШ, чувствительность к ударным нагрузкам.
Рули и подруливающие устройства.
Судовой руль представляет собой крыло симметричного профиля. Как уже говорилось ранее, рули подразделяются: по способу соединения пера руля с корпусом судна на простые, полуподвесные и подвесные; по положению оси вращения относительно пера руля – не балансирные и балансирные. На управление судном оказывают значительное влияние геометрические характеристики пера руля:
SР – площадь пера руля. В общем случаи составляет 2% от подводной площади судна ( L*dСР)
λР – относительное удлинение руля. (
;
где hР
высота пера руля.δР – относительная толщина профиля поперечного сечения руля.
δР= lР/bР где lР – наибольшая толщина профиля,
bР – средняя ширина руля.
На одновинтовых судах устанавливается один руль, который располагается за винтом в диаметральной плоскости судна. Двухвинтовые и трех винтовые суда могут иметь один или два руля. В первом случае руль устанавливается в ДП, а во втором случае – симметрично за бортовыми винтами.
Положение руля относительно набегающего потока характеризуется углом перекладки руля aР и углом атаки a.
aР - - угол перекладки руля – называется угол поворота руля, измеренной в плоскости, перпендикулярной к оси баллера (до 350)
a – угол атаки руля – называется угол, образованный плоскостью симметрии руля и плоскостью, проходящей через ось баллера руля и совпадающей с направлением набегающего потока.
К подруливающим устройствам относятся:
поворотные насадки;
активный руль;
подруливающее устройство;
выдвижная движительно-рулевая колонка;
поворотная колонка.
Действия этих устройств разбирались в первой части курса.