7 Проектирование электропривода рулевого устройства

Расчетная часть курсового проекта по электроприводам рулевого устройства должна состоять из следующих разделов:

7.1 Выбор исходных данных

7.2 Определение геометрических характеристик руля, гидродинамических сил и моментов, действующих на руль

7.3 Расчет электрогидравлического рулевого привода

7.4 Разработка электрических схем электропривода и их описание

7.5 Выбор основного электрооборудования

7.6 Инструкция по технической эксплуатации установленного электрооборудования

Методические указания к выполнению разделов проекта

Определение геометрических характеристик руля, гидродинамических сил и моментов, действующих на руль.

Характеристики судна взять по табл. 4.2.

Определение геометрических характеристик руля.

При отсутствии данных о геометрических характеристиках руля рекомендуется высоту руля h_f определять из условия расположения руля в кормовом подзоре

, м, (7.1)

где Т_ср – осадка судна в грузу, м.

Установить площадь рулей S_p в зависимости от типа и размерений судна

, м², (7.2)

где, =0,33–0,44 – для судов типа БМРТ, ПСТ, СРТ;

 =0,017-0,022 – для плавбаз, транспортных рефрижераторов;

L_вл – длина судна по грузовой ватерлинии.

Площадь руля

, м², (7.3)

где  - количество рулей.

Относительное удлинение

(для морских судов  = 0,5-2,5), (7.4)

Средняя ширина руля

, м. (7.5)

Степень компенсации простых рулей k = 0.

Степень компенсации балансирных и полубалансирных рулей определяют по формуле

, (7.6)

где S_Х – площадь балансирной части руля, м².

Примечания.

1). Полубалансирный руль в приближенном расчете заменяется балансирным рулем при той же степени компенсации. Желаемые значения k = 0,15-0,35.

2) При значениях k>0,35 происходит значительное уменьшение максимального момента на баллере руля как на переднем, так и на заднем ходу судна. В этих случаях необходимо уменьшить k и повторить гидродинамический расчет руля.

3) Для балансирного руля значение k нужно выбирать таким, чтобы момент на баллере руля равнялся нулю при угле поворота руля от диаметральной плоскости судна 7-10⁰.

Гидродинамический расчет руля.

После установления геометрических характеристик руля следует выполнить гидродинамический расчет руля с целью определения расчетных значений гидродинамических силы и момента на баллере руля, необходимых для выбора рулевой машины, на переднем ходу судна.

Далее приводится расчет профильных рулей.

Исходными данными для расчета являются:

 - относительное удлинение руля (0,5    2,5);

Sp – площадь пера руля, м²;

Vp – скорость обтекания руля при его работе в потоке винта.

, м/с, (7.7)

где V_S – максимальная расчетная скорость движения судна на переднем ходу, уз.;

 - коэффициент попутного потока

, (7.8)

здесь  - коэффициент общей полноты водоизмещения судна.

, (7.9)

 - объемное водоизмещение судна, м³,

, м³, (7.10)

здесь D_max – весовое водоизмещение судна (максимальное), тс;

 = 1,025 – массовая плотность морской воды, т/м³;

h_P – высота руля, м;

z – показатель степени (для среднего руля z=1, для бортовых рулей z=2).

Сила нормального давления

, (7.11)

где C_n – безразмерный коэффициент нормальной силы.

Безразмерный коэффициент C_n для прямоугольных рулей любого профиля определяется по формуле:

, (7.12)

где  - относительное удлинение руля;

 - угол перекладки, рад.

Гидродинамический момент относительно передней кромки руля

, Нм, (7.13)

где C_m – безразмерный коэффициент момента относительно передней кромки руля.

Безразмерный коэффициент C_m для прямоугольных рулей любого профиля определяется по эмпирической формуле

. (7.14)

Момент гидродинамической нагрузки на баллере балансирного руля

, (7.15)

где Х – ширина компенсационной части руля, м.

, (7.16)

Момент гидродинамической нагрузки на баллере простого руля

, (7.17)

Расчет сил и моментов на баллере руля заканчивается построением диаграммы моментов в функции угла перекладки руля с градацией 5⁰. Результаты расчета занесите в табл. 7.1.

Таблица 7.1

 «0»0	Cn	Cm	N, H	Mnk, Нм	М, Нм
0
5
10
15
20
25
30
35

Определение диаметра баллера руля.

Гидродинамический расчет, в результате которого определяются значения крутящего момента на баллере руля, является предварительным и не учитывает некоторых возможных в эксплуатации дополнительных внешних нагрузок. Поэтому при определении диаметра баллера руля рекомендуется принимать

, кНм. (7.18)

Рассчитайте диаметр баллера, работающего на кручение:

, м, (7.19)

где М_кр – расчетный крутящий момент, кНм;

R_ен – предел текучести материала баллера, МПа (для сталей, применяемых для изготовления баллера руля R_ен  390 МПа).

Полученное значение d_ округлите до ближайшего значения из стандартного ряда диаметров баллера руля (табл. 7.2).

Таблица 7.2 - Стандартный ряд диаметров баллера

d, м

0,08; 0,95; 0,105; 0,115; 0,125; 0,135; 0,145; 0,16; 0,17; 0,185; 0,2; 0,22; 0,235; 0,25; 0,27; 0,31; 0,34; 0,37; 0,38; 0,4; 0,42; 0,46; 0,48; 0,51

Расчет электрогидравлического рулевого привода.

Исходные данные.

Число рулей.

Диаграмма вращающихся моментов на баллере на переднем ходу .

Наибольший вращающий момент , кНм, на баллере на переднем ходу при _max = 35⁰.

Время перекладки руля с борта на борт (2_max-5^О) на переднем ходу судна при работе одного насоса Т, С.

Род тока и напряжение судовой сети.

Выбор стандартной рулевой гидравлической машины.

По наибольшему вращающему моменту на баллере руля на переднем ходу при _max=35^О выберите по табл. 5.3 [3] рулевую электрогидравлическую машину:

Тип рулевой машины.

Число цилиндров.

Число насосов.

Тип гидравлического насоса.

Давление в цилиндрах P_N.KAT., Н/м².

Определение основных параметров электрогидравлической рулевой машины.

Радиус румпеля в среднем положении

, м. (7.20)

Максимальный ход плунжеров

, м. (7.21)

Диаметр цилиндров

, м, (7.22)

где m – число пар цилиндров;

f = 0,1 – коэффициент трения.

Определение параметров гидравлического насоса и выбор его по каталогу.

Объем перекачиваемой насосом рабочей жидкости при перекладке руля с борта на борт:

, м³, (7.23)

Наибольшая теоретическая производительность насоса

, м³/с, (7.24)

где _Vср = 0,7 – 0,85 – средний объемный КПД насоса.

Номинальная производительность насоса

, м³/с, (7.25)

где k₀ = 1,11 - 1,25 – коэффициент неравномерности передачи;

k_рез = 1 или 0,5 – коэффициент резервирования (100% или 50%);

k_n = 0,7 – 0,6 – скоростной коэффициент (рекомендуется для повышения ресурса насоса уменьшать частоту вращения насоса на 30-40%).

Максимальное давление в цилиндрах

, Н/м². (7.26)

По P_H.KAT. и Q_H. выберите насос из табл. 6.3, 6.4, 6.5 [3].

Тип гидравлического насоса.

Наибольшая теоретическая производительность Q_Tmax.

Частота вращения приведенного вала n_нас, об/мин.

При выборе насоса необходимо обеспечить выполнение условий:

Предварительное определение номинальных параметров электродвигателя гидравлического насоса.

Для привода гидравлического насоса следует применять электродвигатели: асинхронные короткозамкнутые с нормальным скольжением типа АМ, АМШ, АОМ.

Жесткая характеристика двигателя позволяет поддерживать производительность насоса и скорость перекладки руля на больших углах на заданном уровне в случае уменьшения объемного КПД в связи с ростом нагрузки.

Обороты электродвигателя выберите по номинальным оборотам насоса с учетом принятого запаса для повышения его ресурса

n_H  70-60% n_HАС.. (7.27)

Мощность, необходимую для вращения насоса при номинальном давлении P_N.KAT. и _max = 0,9-0,95, определяют по формуле:

. (7.28)

Двигатель выбирают по каталогу [4, § 2.3, 2.5].

Таблица 7.3 - Двигатель асинхронный

Тип двигателя	Рн, кВт	nH, об/мин	UН, В		In Iн	Mn Mн	Mmax Мн	cos Н	Iн, А

Расчет механических характеристик  = f(M) двигателя по каталожным данным.

Методика расчета характеристик  = f(M) приведена для двигателей асинхронных с КЗ ротором в § 5.6 справочника [3].

Характеристику  = f(M) постройте на отдельном листе.

Проверка электродвигателя на продолжительность перекладки руля.

При максимальной скорости переднего хода судна руль должен перекладываться с 35^О одного борта на 30^О другого не более, чем за 28 с.

Определите рабочее давление насоса Pp = f()

Pp = Pc + Pтр, (7.29)

где Ртр – потери в трубопроводах, Н/м²;

Pтр = (0,1 – 0,2)Рн_КАТ,

Рс – величина основного давления, Н/м²;

(7.30)

Используя данные табл. 7.1 и подставляя их в уравнение (7.29), получите зависимость P_Р = f().

Нужно помнить, что отрицательные моменты нагрузки при перекладке руля от борта к диаметральной плоскости судна и создаваемые ими давления в направлении перекладки обеспечивают естественное перетекание масла из цилиндра одного пресса в цилиндр другого. Насос рабочего давления не создает.

Расчет P_Р = f() ведите в табличной форме, результаты расчетов занесите в табл. 7.4.

Определите момент сопротивления на валу М_С=f():

, Нм, (7.31)

где Q_уст = Q_{Т КАТ}, м³/с;

_Н – номинальная частота вращения электродвигателя, р/с;

Р_Р – рабочее давление, Н/м²;

_МЕХ – механический КПД насоса.

Полученные данные занесите в табл. 7.4.

Определите действительную частоту вращения электродвигателя в зависимости от угла поворота баллера руля по Мс=f() и механической характеристике  = f(М).

Полученные данные занесите в табл. 7.4.

Определите действительную производительность насоса

, м³/с, (7.32)

где _V – объемный КПД насоса.

_НАС – номинальная частота вращения насоса, р/с.

Полученные данные занесите в табл. 7.4.

По данным табл. 7.4 постройте зависимость Q_Д = f().

Таблица 7.4

	-35	-30	-20	-10	-5	0	5	10	15	20	25	30
Рр, Н/м2
Мс, Нм
, р/с
QД, м3/с

График зависимости Q_Д = f() разбейте на зоны и определите время работы электродвигателя в каждой зоне.

Ход плунжеров, м,

H_i=R₀ (tg ₀ - tg _i ), (7.33)

где ₀, _i – углы, ограничивающие зону и отсчитываемые от диаметральной плоскости судна.

Объем рабочей жидкости, перекачиваемой в пределах зоны, м³,

. (7.34)

Время перекладки руля в зоне, с,

, (7.35)

где - среднее значение действительной производительности в зоне, м³/с.

Рисунок 7.1 - Пути, проходимые плунжером при перекладке руля

Полученные данные занесите в табл. 7.5.

Таблица 7.5

Зона	Граничные углы зон	Hi, м2	Vi, м3	QД.СР.i	ti,с
I
II
...
K

Условие проверки двигателя на продолжительность перекладки руля

, с. (7.36)

Проверка электродвигателя на нагрев при удержании судна на курсе и при перекладках руля на малые углы не производится, так как электродвигатель насоса работает на холостом ходу.

Проверка электродвигателя на нагрев для режима маневрирования судна.

Определите число перекладок руля в час

, (7.37)

где - время работы электродвигателя, с.

В случае отсутствия кривой  = f(Р) зависимость КПД от мощности на валу электродвигателя рассчитайте, используя формулу:

, (7.38)

где , - степень загрузки электродвигателя;

- КПД двигателя при нормальной мощности Р_Н на валу.

Используя данные, приведенные в табл. 7.5, рассчитайте мощность электродвигателя при перекладке руля с борта на борт, т.е. :

, кВт, (7.39)

где n- в об/мин.

Используя зависимости , рассчитайте потери мощности электродвигателя

, кВт. (7.40)

Данные расчета занесите в табл. 7.6

Таблица 7.6

	-35	-30	-20	-10	-5	0	5	10	15	20	25	30
Р, кВт
Р, кВт

По данным табл. 7.6 постройте зависимость P = f(t), последнюю разбейте на зоны, для которых в табл. 5.6 определено время перекладки руля.

Постройте зависимость P = f(t).

Определите исполнительные потери энергии при одной перекладке руля, используя зависимость P = f(t):

, Дж. (7.41)

Определите номинальные потери мощности электродвигателя

, кВт. (7.42)

Определите потери мощности электродвигателя в режиме холостого хода

, кВт, (7.43)

где Р_Х = (0,15 - 0,35) Р_Н, кВт;

_ХХ – КПД электродвигателя при мощности на валу, равной Р_Х (находится по зависимости  = f(P)).

Определите время работы электродвигателя на холостом ходу t_x, используя зависимость P = f(t).

При правильно выбранном электродвигателе должно выполняться следующее неравенство:

. (7.44)

Разработка электрических схем электропривода.

В курсовом проекте необходимо разработать следующие схемы рулевого электропривода и дать их описание: 1) Схема кинематическая; 2) Схема электрическая принципиальная; 3) Схема электрическая подключения.

Схемы необходимо выполнять в соответствии с ЕСКД.

Выбор основного электрооборудования.

При выборе электрооборудования необходимо следовать указаниям, изложенным в справочнике [3].

Произведите выбор кабелей по току нагрузки, рассчитайте уставки реле.

Составьте инструкцию по технической эксплуатации установленного электрооборудования, обращая внимание на особенности принятых вами схемных решений.