Приводов электромеханических рулевых устройств

Сила действия воды на руль зависит от многих факторов, трудно поддающихся учету, поэтому ее определяют эмпирически, на основании опыта эксплуатации большого количества судов.

Момент, создаваемый на баллере руля силой Р,

М_б=Рl

где l — расстояние от оси баллера до точки приложения силы (центра давления воды на руль).

Моменты на баллере руля зависят от угла его перекладки;

М_б =ƒ(а),

причем максимальное значение момента наступает при угле перекладки 35°, поэтому Правилами Российского Речного Регистра установлено требование перекладки руля на этот угол.

Рассмотрим зависимости момента на баллере руля от угла перекладки для простого (рис. 6.1, а) и балансирного (рис. 6.1, б) рулей. Начальные углы приняты отрицательными, конечные — положительными независимо от направления перекладки руля.

Балансирные и полубалансирные рули на участке от 0⁰ до имеют

Рис.21.1. Зависимости момента на баллере руля от угла перекладки

отрицательные моменты. Это обстоятельств означает, что для перекладки

балансирного руля не требуется преодолевать сопротивление воды и электропривод может развивать небольшую мощность, необходимую для преодоления сил трения в передачах. Получается значительный выигрыш в

мощности рулевого привода, тем больший, чем больше угол .

Момент на валу электродвигателя для рулей с механической передачей определяют по известному значению момента на баллере руля.

Для положительных значений момента на баллере, т. е. когда поток воды препятствует повороту пера руля.

,

где — передаточное число механизма;

— к. п. д. механической передачи.

При отрицательном моменте, когда поток воды помогает повороту пера руля, момент на валу электродвигателя

М=

где — к. п. д. механической передачи при обратном ходе пера руля;

= 2 - 1/

В рулевых электроприводах применяют самотормозящиеся механические передачи, препятствующие самопроизвольной перекладке руля под действием давления воды на руль. Такие передачи имеют к. п. д. меньше 0,5, поэтому < 0 и электродвигатель не работает в генераторном режиме, на его валу будет небольшой тормозной момент.

Учитывая недостаточную точность определения зависимости момента на баллере от угла перекладки и коэффициента полезного действия передачи при проектировании нагрузочную характеристику электродвигателя заменяют двумя прямыми отрезками (рис. 6.2).

Для построения нагрузочной характеристики должны быть известны: максимальное значение момента на валу электродвигателя, которое соответствует максимальному значению момента на баллере,

;

максимальное значение угла перекладки руля , для балансирных рулей значение угла , при котором меняется направление момента на баллере от потока воды.

Для простых рулей при перекладке от до 0 к валу электродвигателя приложен небольшой момент (рис. 6.2, а). Этот момент вызван трением в механических передачах, его значение по данным эксплуатации составляет (0,1 ÷ 0,2)М_max.

При перекладке руля от 0 до момент на валу электродвигателя возрастает по закону

М=М₀+ , (6.1)

где — коэффициент, характеризующий наклон характеристики на этом участке; — угол перекладки руля, рад.

Коэффициент b можно определить следующим образом:

при =0 М= М_о; при , откуда -

Решая это уравнение относительно , получаем:

Подставляя значение в формулу (6.2), находим:

Для балансирных рулей первый участок характеристики продолжается до угла , (рис. 6.2, б) причем момент балансирных рулей составляет (0,2 ÷ 0,3) М_max. Второй участок с возрастающим моментом находится между углами перекладки и . Воспользовавшись тем же методом, нетрудно получить уравнение характеристики для балансирных рулей:

Нагрузочные характеристики необходимы для определения мощности электродвигателя рулевого привода.

Рис. 6.2. Нагрузочная характеристика электродвигателя рулевого привода

Рис.21.2. Нагрузочные характеристики электродвигателя рулевого привода

При проектировании рулевого электропривода предварительно на основании имеющихся данных о роде тока и напряжении судовой элект- рической сети выбирается тип электродвигателя.

В электромеханическом приводе руля при питании от судовой сети постоянного тока для смягчения механической характеристики двигателя с параллельным возбуждением последовательно с его якорем постоянно включается добавочный резистор. В связи с большой потерей энергии в резисторе двигатели с параллельным возбуждением применяются в рулевых электроприводах небольшой мощности (до 3 кВт) и резервных рулевых электроприводах.

При питании от сети переменного тока используют двигатели постоянного тока с преобразователями. '

При гидравлической передаче применяют электродвигатели с жесткой механической характеристикой. Мощность реверсируемых электродвигателей обычно не превышает 3 кВт. Для более мощных рулевых приводов с гидравлической передачей используют непрерывно вращающиеся нереверсируемые электродвигатели, асинхронные с короткозамкнутым ротором или машины постоянного тока с параллельным возбуждением.

При питании электродвигателей от преобразователя (система Г —Д) применяют электродвигатели постоянного тока с независимым возбуждением или с независимой и последовательной обмотками возбуждения. Смягчение их характеристик достигается автоматическим регулированием режима работы преобразователя.

Рулевые электроприводы могут работать в двух режимах: при ходе судна по курсу, когда электропривод работает с небольшими отклонениями пера руля (3—5⁰) и частыми перекладками (250—350 в час); при маневрах с возможными перекладками руля с борта на борт, следующими одна за другой в течение всего времени маневров (до 30 мин).

При ходе судна по курсу нагрузки на электродвигатель невелики, момент на валу не превышает 20—30 % максимального момента; при манёврах двигатель работает с полной нагрузкой, поэтому мощность двигателя определяют по условию перекладки руля с борта на борт в заданное время, выбранный электродвигатель проверяют на нагревание при указанных режимах.

Приведем расчет мощности электродвигателя постоянного тока с параллельным возбуждением и добавочным резистором в цепи якоря.

Механическую характеристику двигателя можно представить в виде

или

где - частота вращения двигателя при идеальном холостом ходе;

— момент при заторможенном якоре (стояночный).

Асинхронный электродвигатель с фазным ротором и постоянно включенными резисторами, исполнительный электродвигатель системы Г — Д с ненасыщенным генератором и размагничивающей последовательной обмоткой, имеют такую же механическую характеристику, поэтому приводимый расчет может быть использован и для этих двигателей.

Нагрузочная характеристика определяется по формулам (6.3) и рис. 6.2.

Момент стоянки М_к устанавливают по значению M_мах из нагрузочной характеристики с некоторым запасом. Обычно принимают М_к = - (1,3 ÷ 1,5) М_max.

Частоту вращения электродвигателя при холостом ходе можно определить следующим образом. Пренебрегая временем разгона и торможения ввиду их краткости, можно считать, что полное время перекладки балансирного руля состоит из двух периодов:

где , — время перекладки руля от до , при постоянном моменте ;

— время перекладки руля от до , для которого момент сил сопротивления имеет линейную зависимость от угла перекладки.

Если — частота вращения при моменте, равном М₀, то из формулы (6.4)

время перекладки на угол составит:

- передаточное число

В этой формуле углы и измеряют в радианах; появление числа 30 объясняется тем, что измеряется в оборотах в минуту, а время t₁ — в секундах.

Подставляя значение в выражение для t₁ получим:

Для определения t₂ будем считать, что на втором участке нагрузочной характеристики электродвигатель также работает c постоянным моментом, равным среднему значению между М_о и М _mах (см. рис. 6.2):

а угол перекладки составляет , тогда

.

Подставляя вместо t₁ и t₂ их значения в выражение полного времени Т, получаем:

откуда определяем п_х для балансирного руля:

Значение n_х для простого руля легко получить, полагая = 0

В приведенных формулах нормированное время перекладки руля Т уменьшают на 2—3 с для учета разгона и торможения электродвигателя.

Зная момент стоянки под током М_к и получив частоту вращения двигателя на холостом ходу, легко построить механическую характеристику двигателя, удовлетворяющую требованию перекладки руля с борта на борт за нормированный промежуток времени.

Принимая во внимание допустимую перегрузочную способность двигателя по моменту , равную 2,5 для двигателей постоянного тока и 2,3—3,0 для асинхронных двигателей, и учитывая, что номинальная частота вращения двигателей меньше частоты вращения холостого хода на значение

,

где — статизм естественной характеристики электродвигателя,

получим мощность двигателя:

Значение для двигателей с параллельным возбуждением и асинхронных двигателей может быть принята равной 0,02—0,06.

По номинальным мощности и частоте вращения выбирают двигатель и проверяют на нагревание в наиболее тяжелом режиме работы — при перекладке руля с борта на борт в течение 30 мин.

Проверку производят следующим образом:

определяют эквивалентный момент на валу электродвигателя за время перекладки руля с борта на борт:

;

по каталогу находят номинальный момент двигателя при 30-минутном режиме работы М_{ном 30}. Если условие М_эк М_{ном 30} удовлетворяется, двигатель перегреваться не будет.