7 Модернизация электропривода рулевой машины

7.1 Обзор рулевой машины

Требования ИМО (Регистра) к рулевым машинам.

Ко вся кому рулевому устройству предъявляются следующие требования: надежность и безопасность работы при любых навигационных условиях; живучесть; обеспечение заданного угла и заданной скорости перекладки руля при максимальной скорости судна; возможность быстрого перехода от основного вида управления к вспомогательному; возможность управления с нескольких мест; удобство управления, наименьшие габаритные размеры и масса; простота устройства, ухода и обслуживания; экономичность. Основные требования СОЛАС и Регистра к конструктивному исполнению рулевых машин следующие.

1. Суда должны быть снабжены главным и вспомогательным рулевыми приводами, причем: главный рулевой привод должен обеспечивать перекладку полностью погруженного руля (или поворотной насадки) с 35° одного борта на 30° другого при максимальной скорости переднего хода, относящегося к этой осадке, за время не более 28 с; вспомогательный рулевой привод должен обеспечивать перекладку руля (или насадки) при тех же условиях с 15° одного борта на 15° другого не более чем за 60 с при скорости переднего хода, равной половине максимальной, но не менее 7 уз.

2. Главный рулевой привод может состоять из двух и более идентичных насосов. В этом случае вспомогательный рулевой привод не требуется. Время перекладки (28с) должно обеспечиваться на грузовых судах при совместном действии насосов.

3. Переход с главного рулевого привода на вспомогательный при аварии должен выполняться за время не более 2 мин.

4. Управление главным рулевым приводом должно обеспечиваться с ходового мостика и из румпельного отделения. Предусматриваются две отдельные линии управления, получающие питание непосредственно от ГРЩ, но одна из них может запитываться через АРЩ.

5. В рулевой рубке и ЦПУ должна быть световая и звуковая сигнализация: об исчезновении напряжения, обрыве фазы и перегрузке в цепи питания, исчезновении напряжения в системе управления и минимальном уровне масла в расходном баке.

6. Около каждого поста управления, а также в румпельном помещении должны быть указатели положения руля. Ошибка в показаниях не должна быть более: 1° в ДП; 1,5° в интервале от 0 до ±5°; 2,5° в интервале от ±5 до ±35°.

7. Каждое нефтеналивное судно, химо- или газовоз валовой вместимостью 10 тыс. рег. т и более должен удовлетворять следующим требованиям: главный рулевой привод должен быть таким, чтобы в случае потери управляемости судна из-за единичного повреждения в любой части одной из силовых систем она восстанавливалась в течение не более 45 с; рулевой привод должен состоять из двух независимых и отдельных силовых систем, каждая из которых обеспечивает время, перекладки руля не более 28 с; по крайней мере, он должен состоять из двух одинаковых силовых систем, которые, действуя одновременно, обеспечивают время перекладки не более 28 с; должна быть предусмотрена возможность обнаружения утечки рабочей жидкости из любой системы и автоматическая изоляция поврежденной системы с тем, чтобы другая оставалась в рабочем состоянии.

8. Главный и вспомогательный рулевые приводы должны иметь защиту от перегрузки деталей и узлов при возникновении на баллере момента, превышающего в 1,5 раза расчетный крутящий момент. Предохранительные клапаны должны быть отрегулированы на давление не более 1,5 и не менее 1,25 номиналвного.

9. Насосы ГРМ должны иметь защитные устройства против вращения отключенного насоса в обратном направлении или автоматически срабатывающее устройство, запирающее поток жидкости через отключенный насос.

10. Нельзя допускать соединения системы трубопроводов ГРМ с другими гидравлическими системами. Каждый пополнительный бак должен быть оборудован сигнализацией о минимальном уровне жидкости. Кроме того, должны быть предусмотрены стационарные (резервные) цистерны, заполненные рабочей жидкостью и соединенные с рулевым приводом.

11. В гидравлических системах должны быть предусмотрены фильтры необходимой пропускной способности и чистоты фильтрации рабочей жидкости.

12. Пуск и остановка электродвигателей насосов должны осуществляться из рулевой рубки и румпельного помещения. Должен обеспечиваться повторный автоматический пуск электродвигателей при восстановлении напряжения после перерыва. Электропривод должен получать также питание от АРЩ. Электродвигатели должны допускать перегрузку не менее 1,5 расчетного момента в течение 1 мин.

7.2 Последовательность расчёта рулевой машины

Длина габаритная 54,80 м

Длина между перпендикулярами 49,40 м

Ширина расчетная 9,80 м

Осадка средняя в грузу 4,46 м

Водоизмещение наибольшее 1136 т

Скорость 12,5 уз

Тип руля Полубалансирный

7.2.1 Определение геометрических характеристик руля, гидродинамических сил и моментов, действующих на них

Высоту руля h_р определяем из условия расположения руля в кормовом подзоре

= м;

где Тср – осадка судна в грузу.

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

=0,033∙54,8∙4,46=8,06 м²;

где =0,033–0,044 – для судов типа БМРТ, ПСТ, СРТ;

L_вл – длина судна по грузовой ватерлинии.

Площадь руля = м²;

где  =1- количество рулей.

Относительное удлинение =, (для морских судов

 = 0,5-2,5).

Средняя ширина руля = м;

Степень компенсации полубалансирных рулей определяют по формуле ;

где S_Х – площадь балансирной части руля, м².

k = 0,15–0,35. Принимаем k=0,27

Тогда S_x=k∙S_p=0,27∙8,66=2,77 м².

7.2.2 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 :

Проводится расчет профильных рулей

Исходными данными для расчета являются:

 =1,5- относительное удлинение руля;

Sp=10,3 м² – площадь пера руля;

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

=0,515∙12∙(1-0,13)=5,3 м/с;

где V_S=15 уз. – максимальная расчетная скорость движения судна на переднем ходу;

 - коэффициент попутного потока,

;

здесь  - коэффициент общей полноты водоизмещения судна,

;

 - объемное водоизмещение судна, м³,

= м³;

здесь D_max=8743 т – весовое водоизмещение судна (максимальное);

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

h_P – высота руля;

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

Сила нормального давления

кН;

где C_n – безразмерный коэффициент нормальной силы.

=;

где =1,5 - относительное удлинение руля;

=0,61 рад - угол перекладки.

Гидродинамический момент относительно передней кромки руля

= кНм;

где C_m – безразмерный коэффициент момента относительно передней кромки руля.

=;

Момент гидродинамической нагрузки на баллере балансирного руля

М_δ=М_nk–NX=171,16-210,055∙0,64=35,35 кНм

где Х – ширина компенсационной части руля, м.

=м;

Результаты расчета занесены в табл.1.

7.2.3Определение диаметра баллера руля.

Гидродинамический расчет, в результате которого определяется значения крутящего момента на баллере руля, является предварительным и не учитывает некоторых возможных в эксплуатации дополнительных внешних нагрузок.

Определяем значения крутящего момента на баллере руля

=1,15∙35,35=40,66 кНм;

Рассчитайте диаметр баллера, работающего на кручение:

= м;

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_ округляем до ближайшего значения из стандартного ряда диаметров баллера руля d_=0,125 м.

7.2.5Расчет электрогидравлического рулевого привода

Исходные данные :

- Число рулей 1

- Диаграмма вращающихся моментов на баллере на переднем ходу

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

=35,37 кНм

–Время перекладки руля с борта на борт (2_max-5^О) на переднем ходу судна при работе одного насоса Т=28 с.

–Род тока и напряжение судовой сети – 380В 50Гц

7.2.6Выбор стандартной рулевой гидравлической машины

По наибольшему вращающему моменту на баллере руля на переднем ходу при _max=35^О выбираем рулевую электрогидравлическую машину:

Тип рулевой машины – Р01

Нм

Число цилиндров – 2

Число насосов –1

Тип гидравлического насоса ПД №20

Давление в цилиндрах P_N.KAT =686∙10⁴Н/м²

–Моменты

М_max=M_H∙K_m=117,731∙2=235,466 Hм;

М_пус=М_Н∙К_п=117,731∙1,2=141,27 Hм

- Токи :

I_п=I_Н∙К_1п=55,4∙5=154,2 А,

7.2.7Определение основных параметров электрогидравлической рулевой машины

– Радиус румпеля в среднем положении

м;

– Максимальный ход плунжеров

=0,162 ∙tg35=0,114 м;

– Диаметр цилиндров

,

D м;

где m=1 – число пар цилиндров;

f = 0,1 – коэффициент трения.

7.2.8Определение параметров гидравлического насоса и его выбор

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

=м³;

–Наибольшая теоретическая производительность насоса

=м³/с;

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

–Номинальная производительность насоса

=м³/с;

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;

–По P_NKAT. и Q_H. выбираем насос

Тип гидравлического насоса ЭМН-9/1-4 Н/м²

Наибольшая теоретическая производительность Q_Tmax=0,0048 м³/с.

Частота вращения приведенного вала n_нас=1000 об/мин.

7.2.9 Определение номинальных параметров электродвигателя

гидравлического насоса

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

n_H  (70-60%) n_HАС=0,7∙1000≈700 об/мин;

–Мощность, необходимая для вращения насоса при номинальном давлении P_N.KAT. и

_max = 0,9-0,95, определяют по формуле:

;

– Выбираем двигатель

Двигатель асинхронный

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

Номинальный момент электродвигателя:

Нм;

Номинальное скольжение

,

Частота вращения электродвигателя

Ω_Н=Ω_О(1-S_H)=78,5∙(1-0,027)=76,4 рад/с,

где

–Критическое скольжение

где

–Критическая частота вращения

Ω_КР=Ω_О∙(1-S_КР)=78,5∙(1-0,104)=70,361 рад/с