2.2.2. Исходные данные для расчета:

1. Водоизмещение судна; D; т

2. Длина судна; L; м

3. Ширина судна; В; м

4. Осадка ; Т; м

5. Скорость судна; u; км/ч

6. Максимальный угол перекладки руля; _max; град

7. Время перекладки руля; Т_П; с

8. КПД рулевой машины; _М;

9. Передаточное число привода; i;

10. Время работы при переменных курсах; T; мин

11. Число перекладок в час; N;

12. Средний угол перекладки ; _СР; град

13. Напряжение судовой сети; U; В

2.2.3. Порядок расчета электродвигателя рулевого электропривода на постоянном токе.

1. Площадь пера руля , м²,

где T – осадка при максимальной загрузке, м,

L – длина судна, м,

b = 12 – 22 у речных винтовых судов,

b = 30 – 40 для озерных судов, морских буксиров,

b = 40 – 50 для грузовых судов дальнего плавания,

b = 50 – 70 для трансатлантических судов.

При наличии на судне двух гребных винтов принимаем два простых пластинчатых руля:

S₁ = S₂ = S / 2, м²

2. Размеры каждого руля выбираем из условия осадки судна: h = Т – (0,3  0,5 ¸ 1,0), м; b = S₁ / h, м.

3. Сила (Н) давления на перо каждого руля

, где С = 195 – 220 для двухвинтовых судов, С = 370 – 415 для одновинтовых судов,  - угол перекладки руля, u – скорость судна, м/с.

Задаемся коэффициентом С и определяем значение F_ для углов  = 5, 10, 15, 20. 25, 30, 35 и 40 . Расчеты сводим в таблицу:

a °	sin 	0,2 + 0,3 sin 		S1 u2	F

4. По полученным данным строим характеристику F_ = f().

5. Радиус – расстояние точки приложения силы F_a до оси баллера руля . Так как величина радиуса r зависит от угла поворота пера руля, то вычисляем его значение для углов  = 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 . Расчеты сводим в таблицу:

a °	5	10	15	20	25	30	35	40
r, м

6. По полученным данным строим характеристику r = f ().

7. Момент (Нм) на баллере руля .

Определяем момент на баллере руля для каждого значения угла  и заносим в таблицу:

a °	5	10	15	20	25	30	35	40
, Нм

6. Момент, создаваемый от двух рулей на оси сектора рулевой машины, рассчитываем по формуле М_бал = 2 и заносим в таблицу:

a °	5	10	15	20	25	30	35	40
Мбал, Нм

6. По данным таблицы строим зависимость М_бал = f ().

7. Максимальный момент на валу электродвигателя:

.

6. Момент на валу электродвигателя (Нм) при холостом ходе рулевого электропривода М₀ = aМ_дв.max, где a = М₀ / М_дв.max = 0,1  0,2.

7. Момент стоянки электродвигателя под током М_КЗ = 1,6 М_дв.max, где М_КЗ / М_дв.max = 1,5  2.

8. Скорость вращения при холостом ходе электродвигателя

, рад/с.

Время перекладки руля принимают без времени разгона электропривода (2 – 3 с).

6. Номинальный момент на валу электродвигателя М_Н = М_КЗ / 2.

7. Угловая скорость вращения электродвигателя:

при моменте холостого хода электропривода , рад/ с;

при номинальном моменте , рад/с.

6. Номинальная мощность электродвигателя Р_н = М_н _н, Нм. Выбираем из каталога электродвигатель постоянного тока.

7. Номинальный момент электродвигателя М_н = Р_н / _н

8. Момент инерции, приведенный к валу электродвигателя, J =  J_дв.  выбираем из условия:  = 1,1  1,3 для механизмов подъема, поворота, передвижения кранов, лебедки, шпиля, брашпиля с i  25;  = 1,25  1,4 для механизмов непрерывного транспорта, компрессоров, работ через редуктор с i  25.

Проверяем выбранный электродвигатель по режимам работы (время, моменты, нагрев).

ПЕРИОД 1. Включение электродвигателя и его разгон до установившейся скорости w₀ при постоянном моменте сопротивления М₀.:

1). Время разгона (с) ; ₁ = _Н.

2). Угол (рад), на который будет положен руль при разгоне

, т.к. .

3). Среднеквадратичный момент М_Э1 (Нм) за 1 период работы при изменении момента на двигателе от М_КЗ до М₀:

.

ПЕРИОД 2. Установившееся движение электродвигателя.

1). Время (с), за которое руль будет переложен от борта до диаметральной плоскости при постоянном моменте сопротивления М₀:

,

где _{бал у} – угол (рад) перекладки пера руля при установившемся режиме работы электропривода

(_{бал max} = _{бал у} + _{бал р} ).

2). Общее время (с) работы за 1 и 2 периоды: .

3). Угол (рад) перекладки пера руля _{бал 1} = a_{бал р} + a_{бал у}.

4). Момент на валу электродвигателя равен моменту холостого хода, т.к. при перекладке пера руля от борта к диаметральной плоскости, силы, действующие на руль, помогают перекладке: М_Э2 = М₀.

5). Угловая скорость вращения (рад/с) электродвигателя в течение периода 2 будет равна ₀.

ПЕРИОД 3. Работа электропривода руля при изменении момента сопротивления от М₀ до М_max с изменяющейся скоростью вращения электродвигателя от ₀ до _min:

1). Время (с) перекладки руля от диаметральной плоскости на борт

.

2). Среднеквадратичный момент (Нм) на валу электродвигателя за период

.

3). Угловая скорость вращения (рад/с) в конце периода 3:

.

ПЕРИОД 4. Торможение электродвигателя происходит при отключении двигателя от сети. Электродвигатель тормозится моментом сопротивления М_0max от ₃ до 0.

1). Время торможения (с) с учетом дополнительного момента торможения М_Т: М_Т = (0,5  1) М_КЗ (Нм)

.

m = М_Тmax / М_КЗ = (0,5  1); J_Т – момент инерции руля, соединительной муфты и червяка (если самотормозящая система) или всего электропривода, если система не самотормозящая, приведенный к валу электродвигателя (см. п. 18).

2). Среднеквадратичный момент (Нм) периода 4:

.

3). Угол поворота пера руля (рад) за время торможения:

.

4). Эквивалентная скорость (рад/с) за период 4:

.

5). Общее время (с)перекладки руля с борта на борт:

Т_П = t_Р + t_У + t₂ + t₃.

По требованиям Регистра Т_П  30с.

6). Эквивалентный момент (Нм) при перекладке руля с борта на борт

7). Средняя скорость (рад/с), развиваемая электродвигателем за период перекладки руля с борта на борт

,

угол  изменяется от _max до +_max.

8). Эквивалентная мощность (кВт) электродвигателя за период перекладки руля: Р_Э = М_Э _СР  Р_Н (у выбранного двигателя). Если это условие выполняется, то двигатель удовлетворяет по режиму перекладки руля с борта на борт.

Проверяем электродвигатель при ходе по курсу.

1). Время t₁ (с) разгона электродвигателя до угла поворота баллера руля _СР = 5

.

2). Сумма произведений квадратов моментов на время, за которое происходит изменение этих моментов, за период разгона t₁:

, (Нмс).

3). Время торможения (с) электродвигателя

.

4). Угол поворота руля (рад) за время торможения

.

5). Тормозной момент (Нм) в начале торможения

.

Рис. 2.5. Диаграмма изменения момента и скорости вращения рулевого электродвигателя при перекладке руля с борта на борт: Т – полное время перекладки руля; tР – время разгона электропривода, tУ – время установившейся работы электропривода при перекладке руля с борта до диаметральной плоскости, t2 – время перекладки руля от диаметральной плоскости на борт; t3 – время остановки электропривода

Рис. 2.6. Диаграмма изменения момента и скорости вращения рулевого электродвигателя при удержании судна на курсе: t1 – время пуска электропривода, t2 – время остановки электропривода, t0 – время стоянки электропривода, Т1 – полное время перекладки руля от диаметральной плоскости на угол , Т2 – полное время перекладки руля от угла  до диаметральной плоскости, Т – полное время перекладки руля

6). Сумма произведений квадратов моментов на время, за которое происходит изменение этих моментов, за период торможения:

, (Нмс).

7). Время (с) одного цикла при ходе по курсу

Т_П = 3600 / N.

8). Время (с) паузы

t₀ = Т_П  (t₁ + t₂).

9). Среднеквадратичный момент (Нм):

.

10). Средняя скорость вращения (рад/с) электродвигателя при ходе по курсу:

.

11). Эквивалентная мощность электродвигателя при ходе по курсу Р_Э = М_Э _СР  Р_Н (у выбранного двигателя). Если это условие выполняется, то двигатель удовлетворяет по режиму хода по курсу.

12). Относительная продолжительность включения электродвигателя:

.

Примерные диаграммы изменения момента и скорости показаны на рис. 2.5, 2.6.

ПРИМЕР 2.2. Рассчитать рулевой электропривод с электродвигателем постоянного тока для буксирного теплохода-толкача мощностью 450 л.с.

Исходные данные

1	Водоизмещение судна	D	150	т
2	Длина судна	L	28	м
3	Ширина судна	В	8	м
4	Осадка	Т	1,2	м
5	Скорость судна	u	20	км/ч
6	Максимальный угол перекладки руля	max	40º	град
7	Время перекладки руля	ТП	30	с
8	КПД рулевой машины	М	0,33
9	Передаточное число привода	i	2000
10	Время работы при переменных курсах	T	60	мин
11	Число перекладок в час	N	300
12	Средний угол перекладки	СР	5º	град
13	Напряжение судовой сети	U	220	В

1. Площадь пера руля , м²,

где T – осадка при максимальной загрузке, м,

L – длина судна, м,

b = 12 – 22 у речных винтовых судов,

b = 30 – 40 для озерных судов, морских буксиров,

b = 40 – 50 для грузовых судов дальнего плавания,

b = 50 – 70 для трансатлантических судов.

При наличии на судне двух гребных винтов принимаем два простых пластинчатых руля:

S₁ = S₂ = S / 2 = 1,4 м²

2. Размеры каждого руля выбираем из условия осадки судна (рис. 2.7):

3. Сила (Н) давления на перо каждого руля

,

где С = 195 – 220 для двухвинтовых судов, С = 370 – 415 для одновинтовых судов,

 - угол перекладки руля, град, u – скорость судна, м/с (20 км/ч = 5,5 м/с).

Задаемся коэффициентом С = 200 и определяем значение F_ для углов  = 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 и 40 . Расчеты сводим в таблицу:

a °	sin 	0,2 + 0,3 sin 		S1 u2	F
5 10 15 20 25 30 35 40	0,087 0,174 0,259 0,342 0,423 0,5 0,573 0,643	0,226 0,252 0,278 0,303 0,327 0,35 0,372 0,393	885 794 719 660 612 571 538 509	42,4	3265 5858 7895 9570 10976 12105 13071 13877

Рис. 2.7. Форма пластинчатого руля	Рис. 2.8. Зависимость силы F давления воды на перо руля от угла  перекладки
Рис. 2.9. Зависимость радиуса r (точки приложения силы F) давления на перо руля от угла  перекладки	Рис. 2.10. Зависимость момента Мс сопротивления на баллере руля от угла  перекладки

4. По полученным данным строим характеристику F_ = f() (рис. 2.8).

5. Определяем радиус – расстояние точки приложения силы F_a до оси баллера руля

.

Так как величина радиуса r зависит от угла поворота пера руля, то вычисляем его значение для углов  = 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 . Расчеты сводим в таблицу :

a °	5	10	15	20	25	30	35	40
r, м	0,395	0,441	0,487	0,530	0,572	0,613	0,651	0,688

6. По полученным данным строим характеристику r = f () (рис. 2.9).

7. Момент (Нм) на баллере руля .Определяем момент на баллере руля для каждого значения угла  и заносим в таблицу:

a °	5	10	15	20	25	30	35	40
, Нм	1290	2583	3845	5072	6278	7420	8509	9547

8. Момент, создаваемый от двух рулей на оси сектора рулевой машины, рассчитываем по формуле М_бал = 2 и заносим в таблицу:

a °	5	10	15	20	25	30	35	40
Мбал, Нм	2580	5166	7690	10144	12556	14840	17018	19094

9. По данным таблицы строим зависимость М_бал = f () (рис. 2.10).

10. Максимальный момент на валу электродвигателя:

.

11. Момент на валу электродвигателя (Нм) при холостом ходе рулевого электропривода

, где a = М₀ / М_дв.max = 0,1  0,2, принято а = 0,143.

12. Момент стоянки электродвигателя под током

,

где М_КЗ / М_дв.max = 1,5  2, принято М_КЗ / М_дв.max = 1,6

13. Скорость вращения при холостом ходе электродвигателя

Время перекладки руля принимают без времени разгона электропривода (2 – 3 с): Т = 27с

14. Номинальный момент на валу электродвигателя

15. Угловая скорость вращения электродвигателя:

при моменте холостого хода электропривода

при номинальном моменте .

16. Номинальная мощность электродвигателя

.

Выбираем из каталога электродвигатель постоянного тока напряжением 220В, со смешанным возбуждением, типа П-51, мощностью 2,2 кВт при 750 об/мин (78,5 рад/с), маховый момент GD² = 0,35кГм² (J = 0,086 кгм²), наибольшая скорость вращения 1500 об/мин (156 рад/с), КПД  = 73,5%.

17. Номинальный момент электродвигателя

18, Момент инерции, приведенный к валу электродвигателя,

,

где  = 1,3  1,6 – коэффициент, учитывающий моменты инерции всех вращающихся частей рулевого механизма.

Проверяем выбранный электродвигатель по режимам работы (время, моменты, нагрев).

ПЕРИОД 1. Включение электродвигателя и его разгон до установившейся скорости w₀ при постоянном моменте сопротивления М₀:

1). Время разгона (с) ;

2). Угол (рад), на который будет положен руль при разгоне

,

3). Среднеквадратичный момент М_Э1 (Нм) за период 1 работы руля при изменении момента на двигателе от М_КЗ до М₀:

.

ПЕРИОД 2. Установившееся движение электродвигателя.

1). Время (с), за которое руль будет переложен от борта до диаметральной плоскости при постоянном моменте сопротивления М₀:

, где

_{бал у} – угол (рад) перекладки пера руля при установившемся режиме работы электропривода

2). Общее время (с) работы за 1 и 2 периоды: .

3). Угол (рад) перекладки пера руля .

4). Момент на валу электродвигателя равен моменту холостого хода, т.к. при перекладке пера руля от борта к диаметральной плоскости, силы, действующие на руль, помогают перекладке: М_Э2 = М₀ = 3,86 Нм

5). Угловая скорость вращения (рад/с) электродвигателя в течение периода 2 будет равна ₀ = 124 рад/с

ПЕРИОД 3. Работа электропривода руля при изменении момента сопротивления от М₀ до М_max с изменяющейся скоростью вращения электродвигателя от ₀ до _min:

1). Время (с) перекладки руля от диаметральной плоскости на борт

.

2). Среднеквадратичный момент (Нм) на валу электродвигателя за период

.

3). Угловая скорость вращения (рад/с) в конце периода 3:

.

ПЕРИОД 4. Торможение электродвигателя происходит при отключении двигателя от сети. Электродвигатель тормозится моментом сопротивления М_0max от ₃ до 0.

1). Время торможения (с) с учетом дополнительного момента торможения М_Т.max, который примем равным 0,5 М_КЗ (Нм)

где m = М_Тmax / М_КЗ = 0,5

2). Среднеквадратичный момент (Нм) периода 4:

.

3). Угол поворота пера руля (рад) за время торможения:

.

4). Эквивалентная скорость (рад/с) за период 4:

.

5). Общее время (с)перекладки руля с борта на борт:

Удовлетворяет требованиям Регистра (Т_П  30с)

6). Эквивалентный момент (Нм) при перекладке руля с борта на борт

7). Средняя скорость (рад/с), развиваемая электродвигателем за период перекладки руля с борта на борт

,

(угол  изменяется от _max до +_max)

8). Эквивалентная мощность (кВт) электродвигателя за период перекладки руля:

,

т.к. Р_Э  Р_Н = 2,2 кВт, то двигатель удовлетворяет по режиму перекладки руля с борта на борт.

Проверяем электродвигатель при ходе по курсу.

1). Время t₁ (с) разгона электродвигателя до угла поворота баллера руля

(_СР = 5 = 0,087 рад):

.

2). Сумма произведений квадратов моментов на время, за которое происходит изменение этих моментов, за период разгона t₁:

3). Время торможения (с) электродвигателя

.

4). Угол поворота руля (рад) за время торможения

.

5). Тормозной момент (Нм) в начале торможения

.

6). Сумма произведений квадратов моментов на время, за которое происходит изменение этих моментов, за период торможения:

7). Время (с) одного цикла при ходе по курсу

8). Время (с) паузы

9). Среднеквадратичный момент (Нм):

.

10). Средняя скорость вращения (рад/с) электродвигателя при ходе по курсу:

.

11). Эквивалентная мощность электродвигателя при ходе по курсу

Т.к. Р_Э  Р_Н, то двигатель удовлетворяет по режиму хода по курсу.

12). Относительная продолжительность включения электродвигателя:

.