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

Насосы переменной производительности бывают аксиально или радиально-поршневые. Устройство и принцип действия ротацион­ ного радиально-плунжерного насоса показаны на рис. 146.

В корпусе насоса 1 посредством ИД вращается звездообразный ротор, состоящий из семи расположенных радиально цилиндров 2. Внутри цилиндров имеют возможность перемещаться плунжеры 3,

связанные шарнирно с ползунами 7. При вращении ротора ползуны скользят по внутренней опорной поверхности барабана 5, который мо­ жет перемещаться вправо и влево вследствие воздействия на него тяги 6. Полость ротора разделена перегородкой на две части 4 и 8, каждая

из которых соединена трубопроводами с одной парой цилиндров гид­ равлической машины. Полость 4, например, связана с магистралью а, а полость 8 — с магистралью б (см. рис. 145).

При совмещении оси вращения ротора с осью барабана (рис. 146, а)

плунжеры относительно своих цилиндров не перемещаются, вращаясь

Рис. 146. Принцип действия радиально-плунжерного насоса переменной про­ изводительности

вместе с ними внутри барабана. При смещении барабана образуется эксцентриситет е между осями ротора и барабана, и плунжеры по мере

вращения ротора то отодвигаются от оси вращения из-за действия центробежной силы, то приближаются к ней, совершая поступательно­ возвратное движение внутри своих цилиндров. Если барабан смещен влево (рис. 146, б), а направление вращения ротора — по часовой стрелке, то плунжеры засасывают жидкость из полости 4 и нагнетают ее в полость 8. Если барабан смещен вправо (рис. 146, в), то всасыва­ ние происходит в верхней части насоса, т. е. из полости 8, а нагнета­ ние—. в полость 4. Таким образом, изменение направления смещения

барабана из нейтрального положения при постоянном направлении вращения насоса приводит к изменению направления нагнетания жидкости и, следовательно, к изменению направления перекладки руля.

Количество засасываемой жидкости за один оборот насоса зависит от хода плунжеров, который,.в свою очередь, зависит от величины сме­ щения барабана. Чем больше эксцентриситет, тем бодьше максималь­ ный ход плунжеров. Таким образом, при постоянной частоте вращения

230.

насоса изменение величины смещения барабана приводит к изменению производительности насоса и, следовательно, скорости перекладки руля. Устройство, при помощи которого можно изменять производи­ тельность насоса, называется манипулятором. Дистанционное управ­ ление им осуществляется при помощи электромеханической или электрогидравлической передачи. Кроме того, обычно предусматривается резервное местное ручное управление манипулятором.

Как правило, электрогидравлические рулевые машины (исключая самые малые) имеют по два насоса. Один из них основной, другой — резервный. Все нормированные свойства рулевой системы обеспечи­ ваются при работе одного насоса. Вместе с тем в сложных условиях плавания с целью повышения надежности в действие могут-быть введе­ ны оба насоса. Так как производительность при этом удваивается, то скорость перекладки руля при двух работающих насосах увеличи­ вается.

Отечественная промышленность выпускает электрогидравлические рулевые машины серии Р, рассчитанные на крутящий момент на баллере от 0,63 до 200 тс-м. Малые машины выполняются в двухплунжер­ ном исполнении. Для машин с моментом до 4 тс-м применяются насосы постоянной производительности, при моментах свыше 4 тс-м исполь­ зуются аксиально-плунжерные насосы регулируемой производитель­ ности. Электропривод насосов может быть как переменного, так и по­ стоянного тока.

§ 57. Управление рулем и требования, предъявляемые к рулевым электроприводам

Дистанционное управление рулем осуществляет­ ся со специального поста, устанавливаемого в рулевой рубке. В непо­ средственной близости от поста располагаются приборы контроля: ак­ сиометр, репитер гирокомпаса, элементы сигнализации о работе при­ вода, переключатели для ввода в действие основных и резервных звеньев привода и схемы управления.

В современных системах все основные контрольные приборы встраиваются в рулевой пост. По характеру воздействия задающего поста на перекладку различают следующие виды управления рулем: простое, следящее и автоматическое.

Простое управление характеризуется состоянием, Когда время пе­ ремещения руля или задающего органа (в электрогидравлических приводах) определяется временем воздействия оператора на штурвал или кнопки поста управления. Иначе, принцип называют управлением по времени. При достижении рулем или задающим органом требуемого

положения, что контролируется по аксиометру, штурвал приводится в исходное состояние и перекладка прекращается. В этой системе От положения штурвала поста управления зависит только направление и скорость перекладки. Рулевому для перекладки руля, напрймер, вправо от диаметралн и возвращения его в прежнее положение нужно

231

сделать четыре операции: переложить штурвал вправо, вернуть его в нулевое положение, переложить штурвал влево и снова вернуть в ну­ левое положение.

Следящее управление характеризуется состоянием, когда поло­ жение пера руля после отработки соответствует положению штурвала управления. Разность положений в зависимости от знака определяет наличие сигнала управления и перекладку руля в сторону согласо­ вания. Иногда рассматриваемый принцип называют управлением по пу­ ти. Штурвал механически связан со стрелкой, указывающей заданное

положение руля. После отработки руль автоматически переклады­ вается на требуемый угол, что может быть проверено по аксиометру. В некоторых случаях указательные стрелки заданного и действитель­ ного положения руля работают на общую шкалу совмещенного аксио­ метра.

Для перекладки руля к борту и обратно рулевому нужно совер­ шить только две манипуляции: переложить штурвал на нужный угол и вернуть его в нулевое положение. Управление рулевым приводом по этой системе значительно проще и удобнее, требует меньшей затраты физических сил и внимания.

Автоматическое управление предполагает задание перекладки руля по определенной программе, разрабатываемой автоматически судовым счетно-вычислительным комплексом в зависимости от решаемых нави­ гационных или иных задач. В настоящее время на транспортных судах применяются наиболее простые рулевые автоматы, обеспечивающие автоматическую стабилизацию судна на заданном курсе. При меньших угловых отклонениях руля авторулевые точнее удерживают судно на курсе, что за счет спрямления линии движения сокращает проходимое расстояние на 2,5—3% сравнительно с ручным управлением. Умень­ шение тормозного действия отклоненного руля способствует некото­ рому увеличению средней скорости судна.

Учитывая большое значение рулевого электропривода и исходя из характерных для него режимов работы, к нему предъявляются следую­ щие технические, установленные и контролируемые Регистром СССР

требования.

1. Рулевой электропривод должен быть надежным, безотказным в работе и иметь достаточный резерв на случай аварии. С этой целью на морских судах должны устанавливаться два привода — основной и запасной. В том случае, если основной привод является сдвоенным — два агрегата, действующих независимо друг от друга, — установка запасного привода не требуется.

2.Исполнительные двигатели рулевых электроприводов должны допускать полуторакратную перегрузку в течение 1 мин.

3.Основной привод должен обеспечивать перекладку руля от—35° до +30° за 28 с. Если максимальный угол перекладки меньше 35°, то время перекладки от —а тах до +(ctmax — 5°) пропорционально уменьшается.

4.При ходе судна по курсу с наибольшей эксплуатационной ско­ ростью в течение 1 ч привод должен выдерживать режим перекладок руля на угол, обеспечивающий 350 перекладок в час.

232

5. В режиме маневрирования привод должен при полной скорости хода обеспечивать для каждого агрегата непрерывную перекладку

сборта на борт в течение получаса.

6.Для рулевых приводов с механической передачей ИД должен быть рассчитан на минутную стоянку под током с нагретого состояния.

7.Должна быть обеспечена удовлетворительная работа привода при заднем ходе судна со средней скоростью.

8.Питание рулевых электроприводов должно обеспечиваться по двум независимым фидерам, один из которых рекомендуется брать от аварийного распределительного щита (АРЩ).

9.Защита электродвигателей рулевого устройства должна быть только от коротких замыканий. При перегрузке включается сигнали­ зация.

10.Пуск и остановка электродвигателей насосов, приводных дви­ гателей в системе Г—Д предусматривается с двух мест — из румпельного отделения и из рулевой рубки. При этом должен обеспечиваться автоматический запуск при восстановлении напряжения после пере­ рыва в питании.

11.На пассажирских судах, диаметр головы баллера руля кото­ рых превышает 230 мм, должен быть предусмотрен вспомогательный пост управления рулевым приводом 6 кормовой части судна. Посты управления'снабжаются дистанционными указателями положения пера руля — аксиометрами.

§ 58. Расчет мощности рулевого электродвигателя с механической передачей

Методы расчета мощности рулевого электродви­ гателя учитывают специфику характеристик двигателей и систем уп­ равления, которые предполагаются к использованию. Наиболее обоб­ щающим методом расчета является метод последовательных прибли­ жений: установление мощности и предварительный выбор двигателя по приближенным, упрощенным нагрузочным критериям. Конкретно выбранный двигатель проверяется на соответствие основным требова­ ниям в условиях его работы на рулевую нагрузку.

При проверках используются действительные механические хара­ ктеристики двигателя и нагрузки. Если по условиям проверки выяв­ ляется избыточность или недостаточность электродвигателя, то в по­ рядке второго приближения выбирают другой, соответственно мень­ шей или большей мощности, и проверку повторяют.

Исходными данными для расчета являются: зависимость гидроди­ намического момента на баллере от угла поворота руля; передаточное число и к. п. д. рулевого механизма; максимальный угол перекладки руля ашах.

Нагрузочная диаграмма электропривода представляет собой зави­ симость момента на валу двигателя от угла поворота руля, т. е. в функ­ ции пути, а не времени, как для большинства электроприводов. Ос­

233

новой расчета нагрузочных характеристик рулевого ИД является гид­ родинамический момент па баллере.

При прямом ходе пера руля момент электродвигателя равен

(170)

”1

где i — передаточное число механической передачи;

г| — прямой к. п. д. передачи.

Передаточное число и к. п. д. определяются как произведения соот­ ветствующих величин каждого элемента передачи. Например, для сек­ торной передачи, изображенной на рис. 144, i — At,, где tx — пере­

даточное число червячной пары, а г2 — цилиндрической шестерни

исектора. Аналогично к. п. д. этого привода определяется как ц =

='Пх'Пг'Пз. где Лз — к. п. д. баллера руля.

Рис. 147. Приближенные нагрузочные диаграммы рулевого электропривода:

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

При обратном ходе пера руля момент электродвигателя равен

где т)' — обратный к. п. д. передачи и равен

Так как передачи рулевых электроприводов всегда содержат самотормозящийся элемент, прямой и обратный к. п. д.-, как известно из механики, не равны: т] ф г\', причем ц' < 0. При обратном ходе пера

руля отрицательный момент на баллере руля и отрицательный к. п. д. обусловливают, согласно формуле (171), положительный момент на валу электродвигателя. Иначе говоря, несмотря на стремление пера руля самому повернуться в направлении перекладки, т. е. кдиаметрали, электродвигателю все же приходится работать в двигательном ре­ жиме, преодолевая сопротивление трения в элементах передачи, рас­ положенных между валом двигателя и самотормозящимся элементом.

Построение точных нагрузочных диаграмм аналитическим путем весьма затруднительно, в частности из-за того, что к. п. д. передачи — величина переменная, зависящая от нагрузки. Кроме того, характе­ ристика М§ — f (а) — исходная зависимость для получения нагрузоч­

ной диаграммы и тоже определяется не вполне точно. Поэтому для

234

практических расчетов мощности рулевого электропривода удовлет­ воряются приближенными нагрузочными диаграммами (рис. 147).

Максимальный момент при прямом ходе руля и переднем ходе судна /14шах определяют по формуле (170), подставляя в нее к. п. д., соответствующий наибольшей нагрузке MG. max. Этот к. п. д. обычно известен. Момент М0 при переходе пера руля через диаметральную плоскость принимают равным: -для простых рулей (0,1 ч- 0,2)Л4тах, для балансирных (0,2 ч- 0,3) Мтах. Этим учитывают момент сил тре1ния в передаче и в сальнике баллера руля при MG= 0. Кроме того,

до а = 0 для простых рулей и до ах для балансирных принимают пря­

молинейным. Аналогично находят х тах — максимальный момент при заднем ходе судна.

Установление номинальных параметров электродвигателя произво­ дится различными способами на основании нагрузочной диаграммы и заданного времени перекладки руля. Например, расчетный номи­ нальный момент может быть получен методом усредненных нагрузок по следующей формуле:

одного борта до 30° другого борта отводится 28 с, средняя частота вра­ щения ИД определится:

где С0 = -g- для углов а в градусном измерении;

Т = 28 — 2 = 26 с; нормированное время уменьшают, предвари­

тельно учитывая время разгона и торможения двигателя. Среднюю скорость двигателя принимают за номинальную:

Номинальная мощность ИД находится:

По найденным параметрам мощности и частоты вращения выбирает­ ся электродвигатель часового режима, строится его механическая ха­ рактеристика с учетом предполагаемой схемы управления. Пусковой момент ИД, не выходя из пределов перегрузочной способности, должен в 1,3— 1,5 раза превышать приведенную максимальную нагрузку.

•225

Проверка рулевого ИД производится в соответствии с установлен­ ными требованиями. Основные проверки следующие.

П р о в е р к а н а п р о д о л ж и т е л ь н о с т ь п е р е к л а д - к и. Время движения руля определяется при совместном использова­ нии нагрузочной диаграммы и механической характеристики двигате­ ля. Одно из возможных решений рассматривается ниже. Нагрузочная диаграмма (рис. 148, а) в исследуемом диапазоне углов разбивается

на ряд, в общем случае, неравных участков. Более узкие промежутки берутся при резко меняющихся моментах нагрузки. Каждому Да/{ соответствует определенное среднее значение момента сопротивления M k. Здесь k = \ , 2, 3, ... , — порядковый индекс участка. По среднему

моменту нагрузки, используя механическую характеристику (рис. 148, б), находим среднее значение частоты вращения nh на участ­

ке. Время перекладки руля для каждого промежутка определится

Рис. 148. Графики для определения времени перекладки по нагрузочном диаграм­ ме (а) и механической характеристике электродвигателя (б)

Общее время перекладки найдется путем суммирования отдельных составляющих:

Для проверки на продолжительность перекладки разбивка нагру­ зочной диаграммы производится в пределах углов от —а гаах до ( + а тах — 5°). При этом требуемое время перекладки будет равно

TTV = 28 2amax~ 5 c.

рулевого ИД производится для двух нормированных режимов. Весьма часто для этой цели применяется метод среднеквадратичного момента.

236

Проверка в режиме сдерживания судна на курсе. Исходя из требо­

ваний обеспечения часового режима 350 непрерывных перекладок

За цикл происходит перекладка руля от диаметральной плоскости и возвращение его в исходное положение. Двигатель дважды бывает в пусковых и тормозных режимах. Время разгона t„ и торможения tT

может быть вычислено по ранее выведенным формулам (15), (16). Время работы двигателя с постоянной скоростью за цикл опреде­

лится:

можно найти по нагрузочной диаграмме М ср и условие, когда удовлет­

ворится равенство (180), что позволит установить действительные па­ раметры tpl, tp2, M cp.

Среднеквадратичный момент и условия проверки будут следующие:

где М п — пусковой момент двигателя; М т— тормозной момент.

Проверка в режиме непрерывных перекладок с борта на борт. Нор­

мированное время работы 30 мин. Здесь время цикла находится из рас­ чета перекладки от —атах до + а тах и может превышать !ГТ. у.

Среднеквадратичный момент и условия проверки запишутся:

237

Момент М т определяет среднюю скорость н время А(т перекладки

в зоне Аат .

Последующие проверки связаны с оценкой перегрузочной способ­ ности двигателя в наиболее критических режимах работы рулевого привода, в частности, при выполнении S-образной эволюции при зад­ нем ходе судна.

Особенности расчета системы генератор—двигатель. Проверки при­ вода на обеспечение необходимых режимов исходят из механической характеристики исполнительного электродвигателя. В схеме Г—Д такая характеристика зависит от совокупности свойств всех электри­ ческих машин, входящих в систему.

Требуемая мощность генератора находится по номинальной мощ­

Обычно в рулевых приводах при использовании системы Г—Д генератор снабжается протпвокомпаундной обмоткой (ПКО). В этом случае для обеспечения номинального или близкого к нему режима рулевого ИД генератор должен быть выбран большего габарита для возможности размещения на нем увеличенного числа витков независи­ мого возбуждения и витков ПКО. Обычно габаритная мощность гене­ ратора, которая служит основанием выбора его по каталогу, нахо-* дится из соотношения Рг. г = (1,3 1,7)РГ п.

Мощность приводного двигателя выбирается вне зависимости от габаритной мощности генератора:

Частоты вращения приводного двигателя и генератора должны соответствовать друг другу. Если электропривод предназначен для судна с сетью переменного тока, то в рулевой агрегат системы вводит­ ся возбудитель для питания независимого возбуждения ИД, обмотки управления генератора и цепей сигнализации. Мощность возбудителя, ориентировочно составляющая 5— 10% мощности рулевого ИД, учи­ тывается при выборе приводного двигателя по каталогу.

Расчет ампер-витков управляющей и протпвокомпаундной обмоток генератора ведут из условия, чтобы механическая характеристика ИД удовлетворена некоторым поставленным требованиям; основные из них: а) механическая характеристика должна обеспечивать расчетный момент стоянки М ст (режим короткого замыкания); б) характеристика

должна проходить через точку, когда входные и выходные параметры рулевого ИД близки к номинальным (номинальный режим).

При использовании каталожных обмоточных данных характери­ стик намагничивания машин с учетом рабочих свойств приводного двигателя, задача установления параметров обмоток возбуждения ге­ нераторов и построения механической характеристики ИД становится технически несложной:

238

§ 59. Расчет мощности рулевого электродвигателя с гидравлической передачей

Вгидравлическом приводе рулевой ИД работает

вдлительном режиме. При расчете его мощности также может быть использован метод последовательных приближений. Здесь исходными данными для расчета являются: гидродинамическая характеристика момента на баллере руля; параметры плунжерной гидравлической ру­ левой машины; максимальный угол перекладки пера руля атах.

Определение давления в цилиндрах прессов рулевой машины (рис. 149). Когда руль отклоняется от диаметральной плоскости, на его перо действует сила давления воды, создающая гидродинамический момент на баллере M q. В шарнирном соединении рулевой машины этот момент перпендикулярно румпелю создает силу Fv:

Сила Кр разлагается на две составляющих Fx и Fy по взаимно'пер-

пендикулярным осям.

Составляющая Fx через ползуны воспринимается направляющими, а сила F,Jt действующая вдоль оси плунжеров, для своего уравнове­

шивания требует создания необходимого противодавления в цилинд­ рах.

При работе рулевой машины во время перекладки руля в шарнир­ ных соединениях, упорных ползунах, сальниках возникают силы тре­ ния AF, направленные всегда против движения. Эти силы вместе с Fy

гДе 11р. м — к- п- Д- рулевой машины, учитывающий потери на трение во всех ее элементах. Он зависит не только от нагрузки, но и от угла а.

239