Классификация рулевых электроприводов
Основным классификационным признаком рулевых электроприводов является тип передачи крутящего момента от электропривода к баллеру руля. В практике применяются приводы двух основных типов: механические и гидравлические.
Гидравлическая рулевая машина
Наиболее перспективным и широко применяемым типом передаточного механизма является гидравлическая рулевая машина, которой присущи следующие достоинства: возможность создания привода с большими усилиями и крутящими моментами, простота осуществления плавного и точного регулирования привода, обеспечение защиты от перегрузок, сравнительно малые масса и габариты, длительный срок службы и безотказность в условиях повышенной влажности и заливаемости, высокая вибро- и ударостойкость. Но наряду с этим гидравлическим рулевым машинам свойственны некоторые недостатки: небольшой КПД, трудность монтажа трубопроводов большой протяженности, высокие требования к качеству монтажа для исключения возможных утечек рабочей жидкости, а также высокая стоимость основного гидрооборудования. Машины и пускорегулирующая аппаратура легче и занимают меньший объем, чем электрическое оборудование, однако системы передачи гидроэнергии — трубопроводы, арматура и т. д. — тяжелее и больше по объему по сравнению с кабелями электроэнергии.
Выпускаемые отечественной промышленностью плунжерные рулевые электрогидравлические машины типов Р01—Р10 с насосом постоянной подачи или типов P11—Р22 с насосом регулируемой подачи в зависимости от момента на баллере и скорости перекладки руля изготовляются двух- или четырехцилиндровыми. Связь плунжера с баллером в таких машинах осуществляется с номощыо шарнира. Наличие шарнира обеспечивает возможность перемещения плунжера относительно румпеля в вертикальной и горизонтальной плоскостях, что особенно важно для обеспечения надежности рулевого устройства.
Следует отметить, что гидравлические машины могут выполняться с параллельным и перпендикулярным расположением цилиндров относительно оси судна. При параллельном расположении число цилиндров доходит до четырех. Такого типа установки применяются на крупных судах и обычно имеют два самостоятельных (резервный и основной) гидравлических насоса, работающих каждый на свою пару цилиндров.
Общие свойства и системы
Наиболее ответственным из судовых электроприводов является рулевой привод. От его качества зависят маневренность судна и безопасность плавания. Поэтому Правилами Речного Регистра РСФСР к рулевым электроприводам предъявляются особые требования, которые необходимо выполнять при проектировании и постройке.
К числу этих требовании относятся: перекладка руля с борта на борт на угол ± 35° за время не более 30 с; число включении не менее 350 в час; вращающий момент на валу от 0 до 200 % номинального; стоянка под током в нагретом состоянии в течение 1 мин (только для электромеханических рулевых приводов); непрерывная перекладка руля с борта на борт в течение 30 мин при наибольшей скорости и полной осадке судна.
Для электрических приводов рулевых устройств должны быть выполнены также следующие требования: пусковые устройства должны обеспечивать повторный автоматический пуск электродвигателей при восстановлении напряжения; световая сигнализация должна указывать на наличие напряжения в цепи питания рулевого привода, его перегрузки и отключения; конечные выключатели должны ограничивать перекладку руля на левый и правый борт и не препятствовать перекладке в обратном направлении; питание электроэнергии должно быть предусмотрено от двух источников с автоматическим переключением: защита электродвигателей — только от токов короткого замыкания.
Для резервных рулевых приводов требования несколько иные, а именно: время перекладки руля с борта на борт на 20° не более 60 с при полной осадке судна и скорости переднего хода, равной 0,6 наибольшей: продолжительность работы источника питания резервного электропривода должна быть не менее 15 мин.
Рулевые приводы должны обладать большой надежностью, простотой обслуживания, малыми габаритными размерами и массой, возможностью быстрого перехода с основного на резервное управление, не превышающего 10 с.
Электрогидравлические приводы (ЭГ) характеризуются отсутствием жесткой передачи от вала двигателя к баллеру руля. Передаточное число ЭГ систем является переменным и скорость перекладки пера руля изменяется в зависимости от положения управляющего органа насосов переменной производительности или положения золотника в системах с насосом неизменной производительности.
Электрогидравлические рулевые приводы получили широкое распространение на современных судах не только в силу определенных преимуществ этой системы, но и вследствие того, что отечественной судостроительной промышленностью налажен серийный выпуск унифицированных рулевых электрогидравлических машин типов Р01 – Р20 для широкого диапазона требуемых вращающих моментов на баллере руля, для судов как морского, так и речного флота.
Режимы работы
Основной задачей судовождения является точное и безопасное управление движением судна в соответствии с заданным маршрутом при минимальных эксплуатационных затратах.
Такое управление обеспечивают автоматизированные электроприводы рулевого устройства и системы управления курсом судна.
В состав рулевого устройства обычно входит руль, передаточный механизм, исполнительный двигатель и система управления. При перекладке руля от диаметральной плоскости судна на некоторый угол создается вращающий момент, вызывающий поворот судна и, следовательно, обеспечивающий управление движением судна.
Важнейшими свойствами движущегося судна являются: управляемость, устойчивость, поворотливость и надежность. Управляемостью называют способность судна двигаться прямолинейно или описывать траектории любой наперед заданной кривизны. Управляемость объединяет два противоположных по своему характеру свойства судна: устойчивость движения на курсе и поворотливость. Устойчивостью на курсе называют способность судна удерживать заданное прямолинейное направление движения. Поворотливость — способность судна изменять нужным образом направление движения при изменении положения пера руля. Указанные свойства реализуются с помощью электропривода рулевого устройства в соответствии с режимами движения судна: маневрирования и удержания на заданном курсе.
В режиме маневрирования судна для обеспечения поворотливости необходимы перекладки руля на большие углы и удержание его в переложенном положении. При этом на руль действуют нагрузки, для преодоления которых момент на баллере должен достигать значительной величины, особенно при максимальной скорости судна. Угол перекладки руля может достигать 35°, а время перекладки руля с борта на борт задается и должно составлять не более 28 с. Режим маневрирования определяет работу привода с точки зрения времени перекладки и максимальных нагрузочных моментов, в соответствии с чем устанавливаются мощность и частота вращения исполнительного двигателя. При этом необходимо также учитывать возможность возникновения опорного момента при циркуляциях малого диаметра.
В режиме удержания судна на заданном курсе для обеспечения его устойчивости, как показали результаты испытаний, необходимы частые перекладки руля. При углах перекладки 4—6° число включений привода составляет около 400 включений в час при ручном управлении и до 1500 включений в час при автоматическом управлении в зависимости от ряда факторов, например состояния погоды, равномерности частоты вращения винтов и пр. Рассматриваемый режим определяет работу привода главным образом с точки зрения переходных процессов и условий нагрева.
Основные требования
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 35° с одного борта до 30° на другой борт за время не более 30 с 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.
Уровни автоматизации электропривода рулевого устройства
Задачи автоматизации
Эффективное решение задач судовождения возможно лишь при условии комплексной автоматизации процессов судовождения, которая позволяет передать трудоемкие операции по управлению движением и курсом судна от человека управляющему комплексу, что исключает субъективные ошибки оператора, повышает безопасность плавания и обеспечивает оптимальное управление движением судна. Объем автоматизации должен определяться для каждого типа судна в зависимости от его назначения и условий плавания. Для эффективного управления движением судна по заданной программе необходима точная и быстрая (оперативная) оценка местоположения судна, а формирование сигнала, управляющего электроприводом рулевого устройства, должно происходить в соответствии с динамическими свойствами судна как объекта управления.
Частным случаем движения судна по заданной программе (заданному маршруту) является стабилизация судна на курсе. Эта задача решается существующими системами автоматического управления электроприводом («Аист», «Самшит», АБР и др.). Для расхождения с опасными объектами, встреча с которыми не может быть предусмотрена программой, необходимо своевременно обнаружить и точно определить местоположение опасного объекта, оценить вероятность столкновения, выбрать безопасный маневр и обеспечить расхождение. В подобных случаях, а также при маневрировании изменение сигналов, управляющих электроприводом рулевого устройства, имеет сложный характер и может быть обеспечено управляющим комплексом.
Уровни автоматизации
В соответствии с объемом автоматизации в управляющем комплексе можно выделить несколько уровней автоматизации электропривода рулевого устройства. Каждый уровень определяется совокупностью систем и устройств, которые могут функционировать самостоятельно независимо от систем вышестоящих уровней.
Нулевым уровнем автоматизации является ручное управление рулевым устройством РУ, используемое при аварии. Первый уровень автоматизации — дистанционное управление электроприводом руля ЭП, которое может быть обеспечено как системой без обратной связи, так и следящей системой.
Второй уровень автоматизации — автоматическое управление электроприводом, осуществляемое локальной системой управления ЛАСУ — авторулевым, обеспечивающим автоматическое удержание судна на заданном курсе и выполнение заданных маневров. Третий уровень автоматизации — программное управление движением судна по заданной траектории, которое обеспечивается управляющим комплексом УК.
Основным классификационным признаком рулевых электроприводов является тип передачи крутящего момента от электропривода к баллеру руля. В практике применяются приводы двух основных типов: механические и гидравлические.
Гидравлическая рулевая машина
Наиболее перспективным и широко применяемым типом передаточного механизма является гидравлическая рулевая машина, которой присущи следующие достоинства: возможность создания привода с большими усилиями и крутящими моментами, простота осуществления плавного и точного регулирования привода, обеспечение защиты от перегрузок, сравнительно малые масса и габариты, длительный срок службы и безотказность в условиях повышенной влажности и заливаемости, высокая вибро- и ударостойкость. Но наряду с этим гидравлическим рулевым машинам свойственны некоторые недостатки: небольшой КПД, трудность монтажа трубопроводов большой протяженности, высокие требования к качеству монтажа для исключения возможных утечек рабочей жидкости, а также высокая стоимость основного гидрооборудования. Машины и пускорегулирующая аппаратура легче и занимают меньший объем, чем электрическое оборудование, однако системы передачи гидроэнергии — трубопроводы, арматура и т. д. — тяжелее и больше по объему по сравнению с кабелями электроэнергии.
Выпускаемые отечественной промышленностью плунжерные рулевые электрогидравлические машины типов Р01—Р10 с насосом постоянной подачи или типов P11—Р22 с насосом регулируемой подачи в зависимости от момента на баллере и скорости перекладки руля изготовляются двух- или четырехцилиндровыми. Связь плунжера с баллером в таких машинах осуществляется с номощыо шарнира. Наличие шарнира обеспечивает возможность перемещения плунжера относительно румпеля в вертикальной и горизонтальной плоскостях, что особенно важно для обеспечения надежности рулевого устройства.
Следует отметить, что гидравлические машины могут выполняться с параллельным и перпендикулярным расположением цилиндров относительно оси судна. При параллельном расположении число цилиндров доходит до четырех. Такого типа установки применяются на крупных судах и обычно имеют два самостоятельных (резервный и основной) гидравлических насоса, работающих каждый на свою пару цилиндров.
Общие свойства и системы
Наиболее ответственным из судовых электроприводов является рулевой привод. От его качества зависят маневренность судна и безопасность плавания. Поэтому Правилами Речного Регистра РСФСР к рулевым электроприводам предъявляются особые требования, которые необходимо выполнять при проектировании и постройке.
К числу этих требовании относятся: перекладка руля с борта на борт на угол ± 35° за время не более 30 с; число включении не менее 350 в час; вращающий момент на валу от 0 до 200 % номинального; стоянка под током в нагретом состоянии в течение 1 мин (только для электромеханических рулевых приводов); непрерывная перекладка руля с борта на борт в течение 30 мин при наибольшей скорости и полной осадке судна.
Для электрических приводов рулевых устройств должны быть выполнены также следующие требования: пусковые устройства должны обеспечивать повторный автоматический пуск электродвигателей при восстановлении напряжения; световая сигнализация должна указывать на наличие напряжения в цепи питания рулевого привода, его перегрузки и отключения; конечные выключатели должны ограничивать перекладку руля на левый и правый борт и не препятствовать перекладке в обратном направлении; питание электроэнергии должно быть предусмотрено от двух источников с автоматическим переключением: защита электродвигателей — только от токов короткого замыкания.
Для резервных рулевых приводов требования несколько иные, а именно: время перекладки руля с борта на борт на 20° не более 60 с при полной осадке судна и скорости переднего хода, равной 0,6 наибольшей: продолжительность работы источника питания резервного электропривода должна быть не менее 15 мин.
Рулевые приводы должны обладать большой надежностью, простотой обслуживания, малыми габаритными размерами и массой, возможностью быстрого перехода с основного на резервное управление, не превышающего 10 с.
Электрогидравлические приводы (ЭГ) характеризуются отсутствием жесткой передачи от вала двигателя к баллеру руля. Передаточное число ЭГ систем является переменным и скорость перекладки пера руля изменяется в зависимости от положения управляющего органа насосов переменной производительности или положения золотника в системах с насосом неизменной производительности.
Электрогидравлические рулевые приводы получили широкое распространение на современных судах не только в силу определенных преимуществ этой системы, но и вследствие того, что отечественной судостроительной промышленностью налажен серийный выпуск унифицированных рулевых электрогидравлических машин типов Р01 – Р20 для широкого диапазона требуемых вращающих моментов на баллере руля, для судов как морского, так и речного флота.
Режимы работы
Основной задачей судовождения является точное и безопасное управление движением судна в соответствии с заданным маршрутом при минимальных эксплуатационных затратах.
Такое управление обеспечивают автоматизированные электроприводы рулевого устройства и системы управления курсом судна.
В состав рулевого устройства обычно входит руль, передаточный механизм, исполнительный двигатель и система управления. При перекладке руля от диаметральной плоскости судна на некоторый угол создается вращающий момент, вызывающий поворот судна и, следовательно, обеспечивающий управление движением судна.
Важнейшими свойствами движущегося судна являются: управляемость, устойчивость, поворотливость и надежность. Управляемостью называют способность судна двигаться прямолинейно или описывать траектории любой наперед заданной кривизны. Управляемость объединяет два противоположных по своему характеру свойства судна: устойчивость движения на курсе и поворотливость. Устойчивостью на курсе называют способность судна удерживать заданное прямолинейное направление движения. Поворотливость — способность судна изменять нужным образом направление движения при изменении положения пера руля. Указанные свойства реализуются с помощью электропривода рулевого устройства в соответствии с режимами движения судна: маневрирования и удержания на заданном курсе.
В режиме маневрирования судна для обеспечения поворотливости необходимы перекладки руля на большие углы и удержание его в переложенном положении. При этом на руль действуют нагрузки, для преодоления которых момент на баллере должен достигать значительной величины, особенно при максимальной скорости судна. Угол перекладки руля может достигать 35°, а время перекладки руля с борта на борт задается и должно составлять не более 28 с. Режим маневрирования определяет работу привода с точки зрения времени перекладки и максимальных нагрузочных моментов, в соответствии с чем устанавливаются мощность и частота вращения исполнительного двигателя. При этом необходимо также учитывать возможность возникновения опорного момента при циркуляциях малого диаметра.
В режиме удержания судна на заданном курсе для обеспечения его устойчивости, как показали результаты испытаний, необходимы частые перекладки руля. При углах перекладки 4—6° число включений привода составляет около 400 включений в час при ручном управлении и до 1500 включений в час при автоматическом управлении в зависимости от ряда факторов, например состояния погоды, равномерности частоты вращения винтов и пр. Рассматриваемый режим определяет работу привода главным образом с точки зрения переходных процессов и условий нагрева.
Основные требования
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 35° с одного борта до 30° на другой борт за время не более 30 с 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.
Уровни автоматизации электропривода рулевого устройства
Задачи автоматизации
Эффективное решение задач судовождения возможно лишь при условии комплексной автоматизации процессов судовождения, которая позволяет передать трудоемкие операции по управлению движением и курсом судна от человека управляющему комплексу, что исключает субъективные ошибки оператора, повышает безопасность плавания и обеспечивает оптимальное управление движением судна. Объем автоматизации должен определяться для каждого типа судна в зависимости от его назначения и условий плавания. Для эффективного управления движением судна по заданной программе необходима точная и быстрая (оперативная) оценка местоположения судна, а формирование сигнала, управляющего электроприводом рулевого устройства, должно происходить в соответствии с динамическими свойствами судна как объекта управления.
Частным случаем движения судна по заданной программе (заданному маршруту) является стабилизация судна на курсе. Эта задача решается существующими системами автоматического управления электроприводом («Аист», «Самшит», АБР и др.). Для расхождения с опасными объектами, встреча с которыми не может быть предусмотрена программой, необходимо своевременно обнаружить и точно определить местоположение опасного объекта, оценить вероятность столкновения, выбрать безопасный маневр и обеспечить расхождение. В подобных случаях, а также при маневрировании изменение сигналов, управляющих электроприводом рулевого устройства, имеет сложный характер и может быть обеспечено управляющим комплексом.
Уровни автоматизации
В соответствии с объемом автоматизации в управляющем комплексе можно выделить несколько уровней автоматизации электропривода рулевого устройства. Каждый уровень определяется совокупностью систем и устройств, которые могут функционировать самостоятельно независимо от систем вышестоящих уровней.
Нулевым уровнем автоматизации является ручное управление рулевым устройством РУ, используемое при аварии. Первый уровень автоматизации — дистанционное управление электроприводом руля ЭП, которое может быть обеспечено как системой без обратной связи, так и следящей системой.
Второй уровень автоматизации — автоматическое управление электроприводом, осуществляемое локальной системой управления ЛАСУ — авторулевым, обеспечивающим автоматическое удержание судна на заданном курсе и выполнение заданных маневров. Третий уровень автоматизации — программное управление движением судна по заданной траектории, которое обеспечивается управляющим комплексом УК.
