книги из ГПНТБ / Буксирные суда (проектирование и конструкция)

В задачу комплексной автоматизации энергетической установки морского портового буксира с ВРШ типа Сатурн входит обеспече­ ние работы главных и вспомогательных механизмов, трубопроводов и систем без несения вахты в машинном отделении при управлении судном из ходовой рубки.

Для указанной цели на буксире предусмотрены: система дистан­ ционного управления ВРШ, система дистанционного автоматизиро­ ванного управления главными двигателями (ДАУ), система дистан­ ционного управления (вспомогательным дизель-генератором) судо­ вой электростанцией, система ди­

главными двигателями, ВРШ, ди­ зель-генератором, серийно выпускаемые отечественной промышлен­

ностью. Более чем двухлетний опыт эксплуатации буксира типа Сатурн с системой «Вахта-М» свидетельствует о рациональном уровне объема автоматизации энергетической установки и удов­ летворительной надежности ее работы.

Стремление наиболее полно использовать на буксирах преиму­ щество установок с ВРШ — возможность отбора полной мощности от дизеля при изменяющихся условиях плавания и минимальном часовом расходе топлива, привело к созданию схем управления двумя параметрами посредством одной рукоятки.

Установить такой оптимальный режим можно только с помощью заранее рассчитанной программы или путем поиска. Это означает, что для поддержания минимального расхода топлива, т. е. макси­ мальной экономичности гребной установки, необходимо принять программный или экстремальный автоматический регулятор.

261

Основными параметрами, характеризующими работу дизельной установки с ВРШ, являются скорость судна ѵ, мощность дви­ гателя N, частота вращения гребного винта п и его шаговое отно­ шение H/D\ дополнительным параметром служит часовой расход топлива. Все эти параметры нелинейны и в ряде случаев неодно­ значны.

Программа регулирования гребной установки с ВРШ может быть выбрана по любым из указанных параметров; выбор дик­

Рис. 100. Общий вид пульта дистанционного управления.

туется только теми требованиями, которые предъявляются к греб­ ной установке. Фирмой КаМеВа была предложена система дистан­ ционного управления с жесткой программой зависимости H = f(n). Система управления с такой зависимостью осуществлена, например, на буксирах-спасателях типа Алдан и Памир.

Следует иметь в виду, что соотношение между частотой враще­ ния и шагом движителя, заложенное в виде жесткой программы в систему управления энергетической установкой, оптимально только для одного из режимов движения судна при заданных внеш­ них условиях.

Корректировка программы H — f(n) может осуществляться с по­ мощью ручной либо автоматической коррекции.

Если при управлении энергетической установкой реализовать программную зависимость эффективной мощности двигателя от ча­ стоты вращения А!= f(n), то при всех ходовых режимах буксира

262

работа установки будет протекать в режиме минимального расхода топлива на милю пути.

Б связи с необходимостью защиты главного двигателя от пере­ грузки программная зависимость N — f(n) практически соответст­ вует зависимости перемещения топливной рейки двигателя от за­ даваемой частоты вращения P — f(n).

Выбор указанной программы определяется следующим: рейка двигателя быстро реагирует на изменение нагрузки, что особенно

= /(«)•

Для системы дистанционного управления с указанной программ­ ной зависимостью в качестве сигнала о частоте вращения целесо­ образно принять команду по частоте вращения, что позволит суще­ ственно упростить систему управления и повысит ее динамические качества.

Коррекция шага ВРШ может вводиться автоматически (я-регу- лирование) или вручную. Использование я-регулятора системы «Старт» позволяет произвести необходимую настройку динамиче­ ских качеств системы на переходных режимах.

Система совместного дистанционного автоматического управле­ ния главным двигателем и ВРШ, спроектированная для портового

263

буксира типа Рейд, выполнена в соответствии с оптимальной про­ граммой N = f(n), единой для всех режимов. Коррекция шага ВРШ осуществляется автоматически.

График указанной программы (рис. 101) представляет прямую линию, соединяющую точку номинальной мощности УѴ= 600 л. с. при 300 об/мин и точку УѴ=150 л. с. при 150 об/мин. Целесообразность подобной программы для портового буксира была показана выше.

По принятой оптимальной зависимости N — f(n) и графикам за­ грузки дизеля на различных режимах хода построена зависимость шагового отношения H/D ВРШ от частоты вращения ВРШ и от

нт

Рис. 102. График совместного управления двигателем и ВРШ порто­ вого буксира-кантовщика типа Рейд.

положения маневровой рукоятки на пульте управления. Программ­ ный график показан на рис. 102.

Верхняя ветвь на переднем ходу является базовой для по­ строения профиля кулачка ВРШ и соответствует режиму свобод­ ного хода. Нижняя ветвь отвечает наибольшей коррекции шага при швартовном режиме. На заднем ходу— наоборот. Для всех воз­ можных режимов хода требуются промежуточные значения коррек­ ции шага.

При неисправности системы дистанционного управления кор­ рекция шага ВРШ вводится вручную с помощью головки манев­ ровой рукоятки до тех пор, пока стрелка указателя нагрузки не со­ впадает с делением шкалы, соответствующей оптимальной нагрузке и отсутствию перегрузки.

Структурная схема системы дистанционного управления пока­ зана на рис. 103.

Наиболее совершенные и перспективные — самонастраиваю­ щиеся системы дистанционного управления. Структурная схема та­ кой системы управления показана на рис. 104. Самонастраиваю-

264

щиеся системы управления для любого режима работы судна ме­ тодом поиска автоматически, без вмешательства оператора, уста­ навливают и поддерживают оптимальное значение частоты враще­ ния и шага при максимальном к. п. д. установки или, что примерно то же самое, минимальный расход топлива на милю пройденного пути. При заданной скорости буксировки этот критерий равнозна-

Рпс. 103. Структурная схема совместного управления двигателем и ВРШ портового буксира-кантовщика типа Рейд.

чен критерию минимума расхода топлива в единицу времени. Та­ кая постановка задачи характерна для линейных буксиров. Воз­ можна и оптимизация маневренных режимов буксира (разгон, тор­ можение, реверс и т. д.). При наличии ВРШ можно из всех спосо­ бов выполнения этих маневров выбрать такие, например, которые обеспечивают наибольшее быстродействие. Для этого система

должна автоматически переключаться на поиск экстремума по но­ вой величине каждый раз, когда будет достигнуто экстремальное состояние по другой величине.

На основании изложенного ориентировочно могут быть опреде­ лены области целесообразного применения следующих типов си­ стем дистанционного управления дизельными установками букси­ ров с регулируемыми движителями;

1. Системы раздельного управления:

а) для линейных буксиров, выполняющих буксировки на боль­ ших «плечах», где регулируемые движители используются только

для реверсирования, после чего устанавливается постоянное шаго­ вое отношение;

б) для буксирных судов, имеющих в составе энергетической установки валогенератор переменного тока с передачей от гребного вала; для этих установок характерна работа при постоянной ча­ стоте вращения гребного вала.

2. Системы программного управления по жесткой программе

сручной коррекцией для линейных буксиров.

3.Системы программного управления с автоматической коррек­ тировкой программы для портовых и рейдовых буксиров-кантов-

щиков.

Опыт эксплуатации дизель-генераторных энергетических уста­ новок (ДГЭУ) буксиров показал, что надежность их работы в зна­ чительной степени определяется схемами управления, возбужде­ ния, сигнализации и защиты.

? 6 6

В связи с тем, что на буксирах применяются, главным образом ДГЭУ постоянного тока, рассмотрим управление установками этого типа.

Гребные электрические установки, применяемые на буксирах, выполняются с дистанционным управлением из ходовой рубки, из центрального поста управления (ЦПУ) или с верхнего мостика.

По характеру воздействия системы управления ДГЭУ можно разделить на две группы:

1.Системы раздельного управления, в которых управление ДГЭУ осуществляется воздействием на электрические параметры гребного электродвигателя при помощи одной рукоятки (частота вращения главных дизель-генераторов сохраняется постоянной) либо могут изменяться ступенчато при помощи другой рукоятки;

2.Системы объединенного управления, в которых при управле­ нии ДГЭУ единой рукояткой оказывается воздействие одновре­ менно на электрические параметры гребного электродвигателя и частоту вращения главных дизелей, благодаря чему реализуется принцип управления установкой по закону экономической оптими­ зации.

Уровень автоматизации в системах дистанционного управления ДГЭУ должен обеспечивать без вмешательства человека:

устойчивую и надежную работу ДГЭУ во всех эксплуатацион­ ных режимах при всех вариантах набора схемы;

оптимальное протекание переходных процессов, высокую манев­ ренность гребных винтов и выполнение защитных мероприятий от перегрузки первичных двигателей (дизелей);

автоматическую форсировку момента на валу гребного электро­ двигателя при взаимодействии винтов со льдом;

Подобные схемы управления осуществлены на отечественных буксирах типа Иван Плюснин, Атлант, Голиаф, Шлюзовый и др.

По роду вспомогательной энергии системы дистанционного уп­ равления ДГЭУ относятся к электрическим, либо электропневматическим системам управления.

На отечественных буксирах системы управления ДГЭУ, как правило, электропневматические. В качестве примера рассмотрим схему управления дизель-электрической установкой морских букси­ ров типа Иван Плюснин.

Дизель-электрическая гребная установка морского буксира типа Иван Плюснин управляется по схеме генератор — двигатель в ре­ зультате изменения величины и полярности (знака) напряжения, подводимого к якорю гребного электродвигателя.

По характеру воздействия на агрегаты ДГЭУ система дистан­ ционного управления морского буксира типа Иван Плюснин отно­ сится к системам раздельного управления: воздействие на электри­ ческие параметры схемы ДГЭУ и частоту вращения первичных двигателей (дизелей) осуществляется автономными органами уп­ равления.

Управление ДГЭУ, т. е. изменение частоты и направления вра­ щения ГЭД. может производиться дистанционно с одного из трех

постов управления, установленных на центральном посту управле­ ния, в ходовой рубке и на верхнем мостике (рис. 105).

При нормальной эксплуатации управление ДГЭУ осуществ­ ляется из ходовой рубки (либо с верхнего мостика). В аварийном случае, при выходе из строя дистанционных постов управления или кабелей, соединяющих их со щитом ДГЭУ, управление произво­ дится из ЦПУ, а команда в ЦПУ из ходовой рубки передается

Рис. 105. Структурная схема управления гребной электрической установкой буксира типа Иван Плюснин.

с помощью машинного телеграфа. Пуск и остановка главных ди­ зель-генераторов осуществляются из дизель-генераторного отделе­ ния (ДГО), а изменение частоты вращения — как из ДГО, со щита включения, так и со щита ДГЭУ, установленного в ПУ.

Надежность систем автоматики. В результате широкого внедре­ ния на буксирах средств дистанционного управления и автоматиза­ ции появился ряд пневматических, гидравлических, электрических и других посредников между человеком и обслуживаемыми им ме­ ханизмами и устройствами. Поэтому безопасность плавания, со­ хранность буксира и буксируемого судна стала зависеть еще от одного класса технических устройств — средств автоматики. Пере-

268

дача части функций, выполнявшихся ранее человеком, автоматиче­ ским устройством может быть одобрена только при условии высо­ кой надежности механизмов, входящих в комплекс автоматизиро­ ванной энергетической установки. Реализация этого условия предъ­ являет высокие требования к уровню надежности как технических средств автоматики, так и первичных агрегатов и устройств.

Для повышения надежности основного оборудования необхо­ димо использовать высококачественные материалы, ужесточать до­ пуски на обработку, упрощать конструкции и способы управления агрегатами.

Учитывая исключительно важное значение качественной и осо­ бенно количественной оценки надежности, в рекомендациях ряда зарубежных классификационных обществ указывается на необхо­ димость внесения характеристик надежности в техническую доку­ ментацию установленного на суда оборудования. Например, Бюро Веритас на основании опыта эксплуатации намечает опубликовать перечень предпочтительного по показателям надежности оборудо­ вания, поставляемого различными фирмами.

Появление отказов в работе систем судовой автоматики зависит от многих и часто случайных причин, поэтому теория надежности использует вероятностные методы исследования.

Мероприятия по повышению надежности средств судовой авто­ матики могут быть проведены на трех этапах: 1) при проектирова­ нии; 2) производстве и 3) в процессе эксплуатации. Значительно выгоднее направлять основные усилия на создание надежных эле­ ментов судовой автоматики, чем пытаться поддерживать работо­ способность уже изготовленной и недостаточно надежной аппара­ туры. Тем не менее и в процессе эксплуатации могут быть прове­ дены мероприятия по повышению надежности судовой автома­ тики.

Следует иметь в виду, что ряд мероприятий по повышению на­ дежности элементов автоматики при их проектировании осуществ­ ляется лишь на основе эксплуатационных данных.

Надежность систем автоматики при их проектировании можно повысить как схемными, так и конструктивными методами. Схем­ ные методы объединяют мероприятия по повышению надежности

•систем путем совершенствования их принципиальных схем. Выде­ ляют четыре направления совершенствования схем:

1)создание возможно более простых схем;

2)создание схем с ограниченными последствиями отказов;

3)резервирование элементов схемы;

4)создание схем с широкими допусками на параметры элемен­ тов и внешние воздействия.

Создание возможно более простых схем (речь идет о рациональ­ ном уменьшении числа элементов в системе без ущерба для ее ха­ рактеристик) относится к наиболее трудным вопросам проектиро­ вания. Уменьшение сложности систем автоматики— единственная область, где увеличению надежности сопутствует уменьшение веса системы. Для контактных релейных схем существует теория, позво-

269

ляющая проектировать системы автоматики с минимальным числом релейных элементов. Создание схем с ограниченными последст­ виями отказов имеет большое значение для систем управления главными энергетическими установками судов. Отказы в этих си­ стемах делятся на две группы: 1) отказы с опасными последст­ виями; 2) отказы без опасных последствий.

Схемы систем автоматики, выполняющих соответственные функ­ ции, желательно проектировать таким образом, чтобы исключить возможность появления отказов с опасными последствиями. Так, для буксиров с ВРШ опасным последствием отказа в системе управления является самопроизвольная перекладка лопастей. В ре­ зультате такого перемещения, например, на портовом буксирекантовщике, работающем, как правило, в узкостях, может прои­ зойти серьезная авария. Аналогично в системах управления глав­ ными судовыми дизель-генераторами, в схемах ДГЭУ при отказе в работе реле защиты двигателя от реверсирования возможны пере­ ход генератора в двигательный режим и, как следствие, авария дизеля.

Имеются определенные возможности для повышения надежно­ сти судовой автоматики в результате резервирования ее элементов. С этой целью, например, для световых сигналов рекомендуется либо использование двух параллельно включенных ламп, либо при­ менение одной лампы с двумя уровнями яркости. В последнем слу­ чае погасание лампы свидетельствует о неисправности в системе сигнализации. В пневматических и гидравлических системах управ­ ления обязательно резервирование фильтров, источников питания системы, постов управления.

Благодаря применению резервирования можно создать надежно работающие системы. В связи со все более широким распростра­ нением малогабаритных полупроводниковых приборов и миниатюр­ ных пневмоэлементов появляется реальная возможность широко применять резервирование в системах судовой автоматики.

Схемы судовой автоматики с широкими допусками на пара­ метры элементов и внешние нагрузки обеспечивают исправность системы в разнообразных условиях эксплуатации. Например, слу­ чайные колебания напряжения и частоты при использовании валогенераторов не должны сказываться на показателях работы систем автоматики. Для создания схем автоматики с широкими до­ пусками на параметры элементов и внешние нагрузки иногда целе­ сообразно увеличивать число элементов в системе. На разных стадиях проектирования нужно иметь возможность хотя бы прибли­ женно оценивать надежность работы выбранной системы автома­ тики. Для расчета надежности электрических систем судовой авто­ матики, подобных системе «Вахта-М», может быть применен экспо­ ненциальный закон распределения вероятности безотказной работы

где t — время непрерывной работы системы.

2 7 0