2.2. Расчет электропривода рулевого устройства
2.2.1. Общие сведения. Рулевое устройство предназначено для управления движущимся судном: удержания его на заданном курсе, поворотах при изменении курса и маневрах. Рулевое устройство состоит из пера руля с баллером, передаточного механизма и двигателя с системой управления.
Рабочим органом рулевого устройства является перо руля, представляющее собой плоскую или обтекаемую пластину, помещенную в воду за кормой судна.
Правилами
Регистра РФ определяются требования
к электроприводу рулевого устройства.
Согласно Правилам Регистра условная
расчетная нагрузка, действующая на перо
руля, должна быть не менее значения
(в
ньютонах), где x = 1 для рулей, работающих
непосредственно за гребным винтом, и x
= 0,9 для рулей, не работающих непосредственно
за гребным винтом; r — плотность среды,
кг/м3;
А
—
площадь пера руля, м2;
u
—
наибольшая скорость переднего хода
судна, м/с.
Рулевое устройство должно иметь два привода: основной и запасной. При действии основного рулевого привода рулевое устройство должно обеспечивать маневрирование судна с перекладкой полностью погруженного руля с борта на борт при максимальной скорости переднего хода. Каждый из приводов должен действовать на баллер руля независимо от другого, однако некоторые элементы приводов могут быть общими.
Мощность основного рулевого привода должна быть достаточной для перекладок руля от 35º с одного борта до 30° на другой борт за время не более 30с при максимальной скорости переднего хода судна и осадке его по летнюю грузовую ватерлинию. Рулевые приводы должны длительно работать в наиболее тяжелых условиях эксплуатации. Каждый рулевой привод должен иметь устройство, прекращающее его действие прежде, чем руль дойдет до упора в ограничителе поворота руля.
Электроприводы рулевого устройства должны получать питание от шин главного распределительного щита (ГРЩ) по двум фидерам, проложенным непосредственно от ГРЩ отдельными трассами, разнесенными на всем протяжении как можно дальше друг от друга. Рекомендуется, чтобы один из фидеров получал питание через аварийный РЩ. Каждый фидер должен быть рассчитан на питание всех электродвигателей, которые присоединены к нему параллельно и работают одновременно. Пусковые устройства должны обеспечивать повторный автоматический запуск электродвигателей при восстановлении напряжения после перерыва в подаче питания. Питание систем автоматизации рулевого привода должно осуществляться также от двух источников: основного и аварийного.
Системы дистанционного управления рулем с главного и вспомогательного постов должны быть устроены так, чтобы выход из строя любой из этих систем не исключал возможности управления судном с другого поста. Около каждого поста управления должен размещаться указатель положения пера руля. При переходе на ручное управление рулевым устройством автоматическое управление должно отключаться. Электропривод рулевых устройств должен непрерывно работать в течение одного часа при наибольшей эксплуатационной скорости переднего хода и при перекладке руля на угол, обеспечивающий 350 перекладок в час.
Одним из наиболее ответственных параметров является срок службы. Так, если для наливных, пассажирских, сухогрузных, промысловых судов, буксиров общий срок службы составляет 30 лет, а число ходовых часов в год 3000 — 6000, то число рабочих часов за год для рулевых машин дифференцируется в зависимости от типа судна и составляет:
для наливных судов 5000 — 6000,
сухогрузных и пассажирских 3000 — 4000,
промысловых 3000 — 5000;
буксиров 3000 — 5000.
Для судов на подводных крыльях, общий срок службы которых 10 — 12 лет, число ходовых часов совпадает с числом рабочих часов для рулевых машин и составляет 1500 — 2000.
Таковы общие требования, предъявляемые к рулевому устройству и его электроприводу. Наряду с этим электропривод рулевого устройства должен обеспечивать:
автоматическое удержание руля при отрицательных моментах со стороны пера руля, когда двигатель отключен от сети;
ограничение момента двигателя вплоть до его остановки под напряжением;
автоматический переход двигателя на естественную характеристику после прекращения перегрузки;
изменение направления вращения пера руля на тот или иной борт;
пусковой момент, достаточный для разгона привода;
остановку привода без применения механических тормозов;
большое число включений.
Международная конвенция по охране человеческой жизни на море требует наличия вспомогательного (запасного) рулевого-электропривода, который должен быстро включаться, быть достаточно прочным и надежным. При выполнении основного привода с двойным комплектом электрических машин и схем управления согласно этой же Конвенции дублирующий привод может рассматриваться как вспомогательный. Ниже изложены требования к рулевым приводам электромеханического и электрогидравлического типов в соответствии с Правилами Регистра РФ.
Мощность основного рулевого привода должна быть достаточной для перекладки руля на угол dтах = 35° одного борта до dтах = 35° другого борта за время Т не более 30с при максимальной скорости переднего хода судна и осадке его по грузовую ватерлинию.
Мощность запасного рулевого привода должна быть достаточной для перекладки руля на угол от 20° одного борта до угла 20° другого борта за время не более 60с при скорости переднего хода, равной 0,6 наибольшей, и осадке его по грузовую ватерлинию.
Двигатели электромеханического рулевого привода должны допускать перегрузку по моменту не менее 1,5 расчетного значения в течение 1 мин, а начальный пусковой момент электродвигателя должен быть не менее 200 % номинального.
Рулевые электроприводы должны обеспечивать:
непрерывную перекладку руля с борта на борт в течение 30 мин для каждого агрегата при наибольшей эксплуатационной скорости переднего хода и осадке судна по грузовую ватерлинию;
непрерывную работу в течение 1 ч при наибольшей эксплуатационной скорости переднего хода и при перекладках руля на угол, допускающий 350 перекладок в час;
длительную работу стабилизации судна на курсе при всех скоростях движения, при которых возможно управлять рулями (режим «ход по курсу»);
ограничение момента двигателя электромеханического привода при перегрузке или при заклинивании руля вплоть до его полной остановки и выход его на автоматическую характеристику при прекращении перегрузки;
режим стоянки двигателя электромеханического привода под током в течение 0,5 — 1 мин с нагретого состояния;
перекладку руля с борта на борт в режиме «восьмерка» при циркуляциях малого диаметра после длительной работы на прямом курсе;
автоматическое удержание руля на заданном угле при отрицательных моментах на баллере и остановке привода без применения механических тормозов.
Таким образом, характерными особенностями работы рулевых электромеханических приводов являются:
повторно-кратковременный режим с большим количеством включений (нормируется не менее 350, возможно 500 — 600 включений в час);
широкие пределы изменения момента на валу электродвигателя (0 — 200 % Мном);
наличие режима стоянки двигателя под током;
необходимость регулирования частоты вращения электродвигателя, его реверса и точной остановки.