книги из ГПНТБ / Головин Ю.К. Судовые электрические приводы. Устройство и эксплуатация учебник

Управляемость является одним из важнейших мореход­ ных качеств современного судна. Она может быть обеспечена различными спо­

различной формы и конструкции. Наиболее распространенный руль изображен на рис. 137. Он состоит из пера руля 1 и баллера 2, переходящего в нижней части в рудерпис 4. Баллер—стальной вертикальный вал—проходит в румпельное по­

мещение судна через отверстие в ахтерштевне, называемое гельмпортом. Место прохода уплотнено сальником 3. На рудерписе есть петли 5, при помощи которых руль навешен на штыри рудерпоста 6. Перо профильньго руля состоит из кар­

каса, обшитого с боков стальными листами. Для поворота руля на верхнюю часть баллера надевают румпель, связанный с передаточным механизмом рулевого устройства.

По расположению частей пера руля относительно оси вращения различают простые, балансирные и полубалансирные рули, изображенные на рис. 138. Форма пера руля чаще всего произвольная, как на этом рисунке, но применяют и рули прямоугольной формы.

Отношение площади балансирной части руля (площадь от передней кромки до оси вращения) ко всей площади пера руля называют коэффициентом компен­ сации. Величина его (0,15—0,2) существенно влияет на характеристику момента на баллере и нагрузку электропривода.

Принцип действия руля. Погруженный в воду руль, находясь в диаметраль­ ной плоскости движущегося вперед судна, испытывает с обеих сторон одинаковое давление набегающих струй воды и не влияет на направление движения судна. Если отклонить руль от диаметрали на угол а (рис. 139), то равновесие нару­

шается. Со стороны, в которую повернулся руль, на него начинают действовать силы давления потока воды, встретившего на своем пути препятствие. Их можно представить в виде равнодействующей Ра, приложенной в центре давления С и

направленной нормально к плоскости пера руля. Разложим эту силу на две

220

взаимно перпендикулярные составляющие Рх и Ру, вторая из которых нормальна к линии курса судна. Поместим в центр тяжести судна — в точку G — две взаим­ но уравновешивающиеся силы РУ1 и Р хуг. равные и параллельные силе Р у.

Силы Ру и Руг составляют пару сил, плечо которой Я можно считать прибли­ зительно равным половине длины судна L. Они образуют момент, поворачиваю­

щий судно в сторону перекладки руля:

а — простой: б -*• балансирный; в — полубалансирный

Этот момент оказывает основное влияние на движущееся судно. Кроме того, сила Рх создает дополнительное сопротивление движению судна, а сила Руи

называемая силой дрейфа, сносит судно боком во внешнюю сторону описывае­

привода входит исполнительный электродвигатель ИД, передаточный механизм (рулевая машина) РМ, система управления рулем, система контроля.

На рис. 140 изображена общая структурная схема управления судном, где выходными звеньями являются руль Р и судно С.

Система управления состоит из следующих элементов: ПУ — пост управ­

ления (командное устройство). Основной пост располагается в рулевой рубке. Имеет переключатели для перехода на предусмотренные виды ручного или ав­ томатического управления рулем и элементы контроля исправного состояния наиболее важных звеньев привода; У — усилитель, может быть линейный, ре­ лейный, электрический, гидравлический или комбинированный; ИМ — испол­

нительный механизм, представляющий собой управляющий серводвигатель с ки­ нематическим устройством. Исполнительный механизм применяется во всех случаях, когда И Д не имеет жесткой связи с рулем, вращается с постоянной частотой. Задача ИМ заключается в регулировании энергетической связи ИД и

рулевой машины в процессе перекладки руля.

Характерным примером использования ИМ является рулевой электро-

гидравлический привод, где с его помощью регулируется подача масла в силовую гидросистему. Управление ИД сводится только к его дистанционному пуску. Поэтому в структурной схеме усилитель У и ИД не имеют прямой связи.

221

Если управление рулем ведется через реверсивным исполнительным электро­ двигатель, что характерно для механических (в том числе секторных) передач, То элемент ИМ не применяется.

СРУ — счетно-решающее устройство, в соответствии с заданием, с учетом действительного курсового положения, угла перекладки руля, состояния ИМ,

Рис. 140. Структурная схема управления судном

вырабатывает и контролирует программу работы рулевого устройства по выпол­ нению навигационных маневров. СРУ обеспечивает так называемое автомати­

ческое управление рулем.

Автоматические системы, как правило, имеют одну программу, связанную со стабилизацией судна на заданном прямом курсе. Схема СРУ для такого слу­

чая получается наименее сложной.

Система контроля служит для проверки исполнения задания (действия) по перекладке руля и результатов его действия на судно. В систему контроля входит рулевой указатель РУ — аксиометр, позволяющий определить положение пера руля относительно диаметральной плоскости, и репитер гирокомпаса К,

показывающий курс судна и его изменение. В современных рулевых приводах информационные приборы контроля встраиваются в пост управления.

§ 55. Гидродинамические характеристики рулей

Моменты на баллере руля. Характеристика момента

зан не только с углом поворота руля, но и со скоростью хода судна. Расчетными являются характеристики, соответствующие наибольшей ско­

рости. Гидродинамический момент представляет собой произведение нормальной силы Ра на плечо I — расстояние от центра приложения силы до оси вращения:

построении следующие правила:

углы перекладки, соответствующие прямому ходу руля от диаметральной плоскости к любому борту, принимают положительными, а углы, соответствую­ щие обратному ходу руля от любого борта к диаметрали, — отрицательными; моменты на баллере, созданные силами давления воды, принимают поло­ жительными, если они препятствуют перекладке руля, и отрицательными, если

они ей помогают.

График для рассматриваемого частного случая представлен на рис. 141. Как видно, при прямом ходе руля момент на баллере круто возрастает и дости­ гает максимального значения Мб шах при угле перекладки а тах. При пере-

икладке в обратном направлении момент на баллере отрицательный, силы давле­ ния воды помогают рулевому электроприводу повернуть руль.

222

Балансирные и полубалансирные рули применяют для уменьшения момента на баллере руля и, следовательно, мощности рулевого электропривода. Давление воды на балансирную часть руля, расположенную впереди оси вращения, спо­ собствует перекладке руля от диаметрали к борту. Момент на баллере в этом случае меньше, чем был бы у того же руля, но без балансирной части.

Рис. 141. Графики изменения момента на баллере руля:

а — простого; б — балансирного и полубаланснрного; в — при заднем ходе судна

При сохранении центра приложения силы Р а уменьшение момента М д про­

исходит за счет уменьшения плеча давления. Может быть, что точка приложения силы при определенных углах поворота а будет лежать правее оси поворота,

т. е. в балансирной части руля. Момент на баллере в этом случае становится от­ рицательным, подкручивающим. Примерная характеристика момента для балан­ сирного руля представлена на рис. 141, б.

Балансирные рули способствуют снижению моментов и мощности привода, однако в некоторых ситуациях создают трудности управления судном. Если при аварии рулевого электропривода отсоединить простой руль от передаточного механизма, то он под действием набегающих струй воды установится в диамет­ ральной плоскости. Такие рули называются устойчивыми. Балансирные же ру­ ли с большим коэффициентом компенсации неустойчивы — они при отсоеди­ нении от привода могут установиться как в диаметральной плоскости, так и под углом к диаметрали. В последнем случае судно будет совершать циркуляцию, что весьма опасно.

При заднем ходе судна задняя кромка пера руля становится передней. К ней смещается центр приложения нормальной силы, что увеличивает момент нагруз­ ки. Примерная характеристика показана на рис. 141, в. При перекладке руля к

борту момент на баллере отрицательный, а при повороте к диаметрали — поло­ жительный. Наибольшее значение он принимает при максимальном угле пере­ кладки а т ах. в начале поворота руля к диаметрали.

Если бы скорость заднего хода судна была равна скорости переднего, то максимальный момент на баллере был бы значительно больше (в полтора-два раза), чем максимальный момент на баллере того же руля при переднем ходе.

при переднем.

Угол дрейфа. Гидродинамическая сила Ра зависит от угла набегания потока

воды на руль. Этот угол иначе называют углом атаки а а. В частном случае, когда

сываемой кривой (рис. 142, положение 2), а корма заносится наружу. Угол между касательной к траектории движения и диаметральной плоскостью называют уг­

место уменьшение силы Р п и момента поворота судна.

Переход от траектории одного направления к траектории другого называют S-образной эволюцией. Начало перехода связано с перекладкой руля на другой

223

зывая увеличение Р а и момента на баллере. Наибольший момент на баллере,

рациональный угол перекладки руля. При маневрировании, когда появляется дрейф, наилучшая управляемость судна будет при сохранении постоянного оп­ тимального значения угла атаки руля а а . Для этого угол поворота должен из­ меняться в пределах

делах указанной зоны, устанавливают конкретный параметр а тах с тем, чтобы во всех случаях маневрирования, когда появляется угол дрейфа, момент поворота судна сохранял достаточную величину. Обычно на морских судах для профиль­ ных рулей а тах =25 - т - 35°.

Определение сил и моментов на баллере профильных рулей. В последнее время рули делают в основном обтекаемыми. По сравнению с пластинчатыми они уменьшают сопротивление движению судна, что особенно ощутимо при совре­ менных сравнительно высоких скоростях.

Для определения силы давления и момента на баллере прямоугольных об­ текаемых рулей используют положения аэродинамической теории крыла, разра­ ботанной Н. Е. Жуковским. Обтекаемым рулям придают форму профилей авиа­ ционных крыльев, всесторонне изученных теоретически и апробированных в аэродинамических трубах. В отечественном судостроении чаще всего применяют профили, разработанные Н. Е. Жуковским, например, профиль МЕЖ, в котором относительная толщина бот = 20%. Величина бот представляет собой отно­

шение наибольшей толщины руля б11)ах к его ширине Ь: 60т = .^1° ах. Другой

о

величиной, характеризующей обтекаемый руль, служит относительное удлине-

224

Безразмерные коэффициенты заднего хода позволяют найти характеристики руля и для этого случая. Если на судне используется профильный руль сложной формы, то наиболее точные характеристики могут быть получены путем обработки результатов аэродинамических испытаний эквивалентной модели руля.

§ 56. Передаточные механизмы электроприводов рулевых устройств

Рулевой исполнительный двигатель воздействует на баллер руля через промежуточную передачу. Связующий передаточ­ ный механизм является преобразователем скорости и момента, позво­ ляющим создать компактную рулевую машину, способную при ис­ пользовании серийных высокоскоростных электродвигателей преодо­ левать значительные усилия на баллере руля.

На морских судах нашли применение два типа рулевых переда­ точных устройств — механический и гидравлический, соответствен­ но и приводы получили общее название: рулевые электромеханические и электрогидравлическне. При моменте на баллере руля свыше 10тс-м применение электромеханических приводов считается нерациональным.

А. Устройство механической передачи

Механические передачи бывают секторные, вин­ товые и редукторные. На морских судах наибольшее распространение получили секторные передачи. Устройство рулевого электропривода с такой передачей показано на рис. 144.

Электродвигатель 1 через червяк 2 и червячное колесо 3 вращает цилиндрическую шестерню 5, входящую в зацепление с зубчатым сектором 6. Сектор надет на верхнюю часть баллера руля 8 и свободно

на нем поворачивается влево и вправо от диаметральной плоскости на 35—40е. Ниже сектора на баллер надет и закреплен шпонкой румпель 7, который соединен с сектором двумя буферными пружинами 4, иг­

рающими роль амортизаторов. Они защищают механизм от динами­ ческих усилий, возникающих при ударах волн о перо руля. Ручной привод руля выполнен при помощи штурвальных колес 13, вращаю­ щих вертикальный вал, на котором находится шестерня 14. Махович­ ком 15 ее вводят в зацепление с малым сектором 12, соединенным с бал-

лером шпонкой. Румпель можно закрепить неподвижно в любом поло­ жении стопорными колодками 10, прижимаемыми к его секторной части винтом 9 с рукояткой-трещоткой 11. Это бывает нужно в случае выхода

из строя рулевого механизма.

Червячная пара самотормозящаяся, так как к. п. д. ее равен 0,5. Эта непременная особенность рулевых приводов вызвана необходи­ мостью удерживать руль, переложенный на борт во время движения

.судна в том положении, в каком он оказался после остановки электро­ двигателя.

Передаточное число для секторных приводов лежит в пределах

.1500—2500; Общий к. п. д. передачи составляет 0,35—0,4, что яв­ ляется одним из существенных недостатков привода.

Отечественная промышленность может поставлять на суда комплект­ ные секторные рулевые приводы для моментов на баллере до 15 тс-м.

226

/J

L Г Щ ^ J

Рис. 144. Рулевой электропривод с секторной передачей

8*

Б. Устройство и принцип действия гидравлической передачи

Увеличение водоизмещения и скоростей движе­ ния судов предопределяет существенный рост моментов на баллере ру­ лей. Величина моментов для больших современных судов измеряется десятками и сотнями тонно-метров. Секторная передача в рассматри­ ваемых условиях становится чрезвычайно громоздкой. Низкий к. п.д. механической передачи требует значительного завышения мощности электропривода, что увеличивает непроизводительные траты электро­ энергии. Прерывистая работа резервного исполнительного двигателя, характерная для механических систем при увеличении мощности, усложняет общую систему управления рулем и снижает надежность привода.

Все указанные факторы способствовали более широкому распро­ странению на морских судах электрогидравлических рулевых приво-

Рнс. 145. Принципиальная схема гидравлической рулевой машины

дов. Более того, эксплуатационные и технико-экономические показа­ тели современных электрогидравлических рулевых машин настолько высоки, что они используются при сравнительно малых моментах на баллере.

На рис. 145 представлена принципиальная схема распространен­ ной гидравлической четырехплунжерной рулевой машины. Цилиндры 1,2,8, 10 установлены на фундаменте в направляющих 7 , 15. В цилинд­ рах передвигаются плунжеры 3, 6, 9, 16. Выходы цилиндров имеют уплотнения, кожаные или из маслостойкой резины. Плунжеры 3, 6 и 9, 16 соединены соответственно в опорах, где расположены муфты 4 и М, свободно вращающиеся вокруг вертикальных осей. В муфты

228

входят цилиндрические хвостовики румпеля 13. Румпель закреплен на

баллере руля тремя шпонками.

При перемещении плунжеров в разные стороны происходит поворот баллера руля, сопровождающийся скольжением хвостовиков румпе­ ля в муфтах, а также поворотом муфт. Боковые усилия, возникающие на румпеле при его выходе из диаметральной плоскости через ползуны 5, 12 воспринимаются направляющими 7, 15, предотвращающими воз­

можный изгиб плунжеров.

Для поворота баллера руля, например, против часовой стрелки нужно по магистрали а подать масло под давлением в цилиндры 1, 8, а из цилиндров 2, 10 в связи с изменением объема сливается масло по трубопроводу б. Плунжеры 9, 16 перемещаются при этом вправо, а плунжеры 3 ,6 — влево. При изменении направления поворота бал­ лера трубопровод б становится нагнетающим, а трубопровод а — слив­

ным. Давление в цилиндрах определяется преодолеваемыми усилиями в плунжерах, которые зависят от момента на баллере руля. При воз­ никновении чрезмерных давлений (например, при ударах штормовых волн, давлении льда) через дроссель И происходит перепуск масла

из одной полости в другую. Это поглощает энергию внешней нагрузки и ослабляет динамические воздействия на детали привода.

Перемещение плунжеров на одно и то же расстояние определяет неодинаковый угол поворота баллера. Наибольший поворот на единицу длины хода плунжеров будет при расположении румпеля в диаметраль­ ной плоскости. При бортовых положениях, как следует из кинематики привода, угловой поворот руля на единицу длины перемещения плун­ жеров будет минимальным. Поэтому передаточное число гидравличе­ ской передачи представляется переменным. Его изменение связано не только с кинематикой механизма, но и с возможными утечками масла через сальниковые уплотнения цилиндров.

На небольших судах при сравнительно малом моменте на баллере ру­ ля устанавливают двухплунжерные гидравлические рулевые машины.

Подача масла в трубопровод рулевого гидравлического привода осуществляется специальным насосом. Применяются насосы постоян­ ной или переменной производительности. Вид используемого насоса определяет качественные особенности гидравлической системы управ­ ления рулем.

Насосы постоянной производительности бывают шестеренчатые или плунжерные. В исходном положении насос забирает масло из специаль­ ного бака и через золотниковый клапан сливает его в тот же бак. Для перекладки руля перемещают управляющий золотник, посредством которого нагнетающая магистраль насоса -подсоединяется к трубопро­ воду а или б (см. рис. 145) гидромашины, в зависимости от направле­ ния перекладки. Второй— сливной трубопровод (б или а) тем же зо­

лотником соединяется со сливным баком.

Для дистанционного воздействия управляющий золотник имеет два тяговых электромагнита, избирательной подачей питания на кото­ рые с рулевого поста задается необходимая перекладка руля. При выключенных электромагнитах пружинами золотник возвращается в исходное положение.

229