СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

• АД – асинхронный двигатель
• ЭП – электрический привод
• АР – авторулевой
• СУ – система управления
• РЭГ– рулевой электрогидравлический (привод)
• РЭМ – рулевой электромеханический (привод)
• ИД – исполнительный двигатель
• ПД – приводной двигатель
• ДПТ – двигатель постоянного тока

Рулевые ЭП предназначены для управления положением судна. Совместно с системами управления курсом судна они обеспечивают точное и безопасное управление движением судна в соответствии с заданным маршрутом при минимальных эксплуатационных затратах.

Классификация рулевых электроприводов

Общая классификация рулевых ЭП

По степени значимости на судах:

• главные.

По уровню автоматизации:

• автоматизированные (простого – управление по времени; следящего – управление по пути);
• автоматические (управление в режимах выполнения программ перемещения судна или удержания судна на заданном курсе).

По степени управляемости:

• программно-управляемые (например, рулевые ЭП, включающие САУКС);
• следящие (рулевые ЭП с АР);
• адаптивные (рулевые ЭП, включающие адаптивные СУ).

По числу рабочих скоростей:

• односкоростные (в некоторых случаях РЭГ приводы);
• многоскоростные (рулевые электромеханические (РЭМ) приводы).

По типу преобразователя:

• дискретные (РЭГ приводы, включающие МПс);
• аналоговые (РЭМ приводы).

По технической реализации преобразователей:

• статические (РЭГ приводы с МПс);
• электромеханические (РЭМ приводы, включающие систему Г–Д).

По принципам преобразования электрической энергии в механическую энергию:

• электромашинные.

По роду тока:

• постоянного тока (как правило, РЭМ приводы);
• переменного тока (как правило, РЭГ приводы).

По способу распределения (передачи) механической энергии:

• индивидуальные;
• взаимосвязанные.

Наряду с широко используемыми индивидуальными приводами в судовых рулевых устройствах нашли применение взаимосвязанные РЭГ приводы (с двумя насосными агрегатами).

По типу передаточного устройства:

• механические (редукторные РЭМ приводы);
• гидравлические (РЭГ приводы).

По регулированию координат движения:

• нерегулируемые;
• регулируемые.

К нерегулируемым ЭП чаще всего относятся РЭГ приводы, а к регулируемым – РЭМ приводы (системы Г–Д; системы, включающие многоскоростные АД и др.). Регулирование рабочей скорости облегчает управление и динамические режимы работы рулевых ЭП.

По виду движения:

• вращательного (непрерывного).

По направлению движения:

• реверсивного.

По наличию тормозных устройств (управляемых муфт):

• без тормозных устройств (муфт).

По виду механических характеристик механизма (устройства):

• иные

Специальная классификация рулевых ЭП

По расположению:

• бортовые

По функциональному назначению.

• для управления положением судна

По степени ответственности:

• ответственные (первой категории).

По режимам работы:

• иного

Режимы работы рулевых ЭП специфичны и зависят от режимов работы судна. Например, для удержания судна на курсе необходима работа рулевого ЭП при ПВ до 60%. Число включений ЭП при этом достигает 400 в час при ручном и 1500 – при автоматическом управлении. За номинальный режим работы рулевых ЭП обычно принимается длительный (S1) или кратковременный (S2) режим продолжительностью до 60 мин.

По расположению рабочей оси:

• вертикальные (лопастные РЭГ приводы);
• горизонтальные (большинство рулевых ЭП).

По особенностям руля:

• активные;
• пассивные (обыкновенные, рули-насадки (поворотные насадки)).

В настоящее время на флоте в подавляющем большинстве случаев используются пассивные обыкновенные рули. Нашли применение активные рули и пассивные рули-насадки (поворотные насадки).

Основным недостатком пассивных рулей является зависимость момента поворота (вращающего момента) судна от его скорости. При стоянке судна при помощи пассивных рулей нельзя изменить его положение.

Пассивные обыкновенные рули рулевых ЭП классифицируются по следующим специальным признакам.

По форме пера руля и степени компенсации:

• простые;
• полубалансирные;
• балансирные.

У простого пера руля (рис. 4.1) нет части его плоскости, расположенной впереди оси его вращения (баллера).

У полубалансирного руля (рис. 4.2) часть плоскости пера руля (около 15%) расположена впереди баллера.

У балансирного руля (рис. 4.3) около (20…30)% плоскости пера руля расположено впереди оси вращения.

Балансирная (компенсационная) часть полубалансирных и балансирных рулей облегчает условия работы рулевых ЭП, уменьшая нагрузку на валу ЭД.

По профилю:

• пластинчатые;
• профильные (удобообтекаемые).

Пластинчатые рули включают перо руля в форме пластины (при виде сверху) и используются преимущественно на судах малого водоизмещения (катерах, яхтах и пр.).

Профильные (удобообтекаемые) рули имеют обтекаемый профиль (при виде сверху).

На многих современных морских и речных судах используются, как правило, пассивные профильные рули, которые конструктивно прочнее пластинчатых рулей.

Кроме того, профильность (обтекаемость) уменьшает сопротивление воды движению судна и облегчает поворот руля при прочих равных условиях.

В настоящее время наиболее широко используются профили НЕЖ, ЦАГИ и NACA.

Рули профилей НЕЖ (Н. Е. Жуковского) (рис. 4.4) применяются преимущественно на быстроходных судах.

Профили ЦАГИ (Центрального аэрогидродинамического института) (рис.4.5) используются для рулей, расположенных в диаметральной плоскости (ДП) у судов с двухвальными установками. Профили NACA (американского Национального консультативного комитета по аэронавтике) (рис. 4.6) применяются преимущественно на судах с умеренными скоростями движения.

На рис. 4.4…4.6 t – относительная толщина пера руля (4.2).

Рули-насадки (рис. 4.7), как правило, представляют собой закрепленное на баллере массивное кольцо (трубу), изменяющее направление движения воды после гребного винта. Насадки улучшают управляемость судов на малых скоростях и увеличивают упор, создаваемый винтами.

Активный руль представляет собой судовой руль, перо которого включает вспомогательный гребной винт с ЭД (рис. 4.8). Активные рули улучшают управляемость судов на малых ходах и обеспечивают их маневренность без хода. Максимальный угол перекладки активных рулей к любому борту составляет 90°. В отличие от пассивных рулей, активные рули при работе ЭП встроенного гребного винта могут обеспечить поворот судна без его движения (на месте) и перемещение судна лагом. Активные рули конструктивно сложнее пассивных рулей в первую очередь из-за наличия ЭП встроенного гребного винта. Это является одной из причин их ограниченного использования.

Активными рулями, как правило, оснащены суда, к которым предъявляются требования обеспечения повышенной маневренности.

Основные требования и рекомендации, предъявляемые к рулевым электроприводам

Основные требования к рулевым ЭП определены Регистром.

Высокая надежность и резервирование

На судах должны устанавливаться главный и вспомогательный приводы или два независимо действующих агрегата.

Нормированная продолжительность и число перекладок руля

Мощность главных рулевых приводов должна обеспечивать:

• перекладку руля (поворотной насадки) с 35° одного борта на 30° другого борта за время не более 28 с при действии расчетного момента рулевого привода на руль;
• непрерывную перекладку руля с борта на борт в течение 30 мин для каждого агрегата при полностью погруженном руле и максимальной скорости переднего хода, соответствующей этой осадке;
• непрерывную работу в течение одного часа при наибольшей эксплуатационной скорости переднего хода и при перекладке руля на угол, обеспечивающий 350 перекладок в час.

Мощность вспомогательных рулевых приводов должна обеспечивать перекладку руля (поворотной насадки) с 15° одного на 15° другого борта за время не более 60 с.

Достаточная перегрузочная способность.

Рулевой ЭП должен обеспечивать:

• возможность стоянки ЭД под током в течение 1 мин с нагретого состояния (только для рулей с непосредственным электрическим приводом);
• надлежащую прочность ЭП при усилиях, возникающих при максимальной скорости заднего хода судна.

Двигатели рулевых приводов должны допускать перегрузку по моменту не менее 1,5 момента, соответствующего расчетному моменту, в течение 1 мин.

Питание ЭП

Главный рулевой ЭП, состоящий из одного или более силовых агрегатов, должен получать питание по двум отдельным фидерам, проложенным непосредственно от ГРЩ разными трассами. Один из фидеров может получать питание через аварийный распределительный щит (АРЩ).

Фидеры должны прокладываться разными трассами, по возможности на максимальном расстоянии друг от друга в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Если рулевое устройство имеет вспомогательный ЭП, допускается его питание осуществлять от фидеров главного ЭП.

Защита

У рулевых ЭП должна быть только защита ЭД от коротких замыканий. При перегрузках должна срабатывать сигнализация.

Передаточные устройства рулевых электроприводов

В настоящее время на судах используются механические и гидравлические передаточные устройства (в РЭМ и РЭГ приводах соответственно).

ТИПЫ МЕХАНИЧЕСКИХ РУЛЕВЫХ ПЕРЕДАТОЧНЫХ УСТРОЙСТВ

Механические рулевые передаточные устройства (передачи) подразделяются на:

• секторные;
• винтовые;
• редукторные.

Вариант РЭМ привода с секторной передачей приведен на рис. 4.17. Исполнительный ЭД 1 через механическую червячную передачу вращает цилиндрическую шестерню 2, входящую в зацепление с зубчатым сектором 3. Сектор 3 свободно поворачивается на баллере руля 4. Ниже сектора 3 на баллере 4 жестко закреплен румпель 5, который соединен с сектором демпферными пружинами 6. При необходимости ручного управления вводится в зацепление с шестерней 7 малый сектор ручного управления 8, жестко соединенный с баллером 4.

Кроме того, на рис. 4.17: 9 – перо руля.

На рис. 4.18 представлен РЭМ привод с винтовым передаточным устройством.

За основу винтовых передач принят механизм системы «Дэвиса». Винтовые передаточные устройства применяются преимущественно на военных кораблях, имеющих узкие кормовые образования.

Исполнительный ЭД 1 (рис. 4.18) через зубчатую передачу 2 приводит во вращение винт 3. Одна половина винта 3 имеет правую резьбу, а другая – левую. При вращении винта 3 в одну сторону гайки 4 с ползунами 5 расходятся, а при вращении в другую – сходятся. Ползуны 5 перемещаются по направляющим 6 и при помощи шарнирно соединенных с ними тяг 7 поворачивают румпель 10, жестко соединенный с баллером руля 11. Рулевая машина снабжена стопором 9 с ручным приводом 8.

Кроме того, на рис. 4.18: 12 – перо руля.

Редукторные передаточные устройства включают в себя разнообразные редукторы.

Наиболее широкое распространение нашли РЭМ приводы с секторными передаточными устройствами (суда типа «Пионер», «Повенец» и др.).

Типы гидравлических рулевых передаточных устройств

В общем случае рулевые электрогидравлические машины включают в себя силовой (приводной) ЭД с насосом переменной или постоянной производительности, который посредством воздействия рабочей среды на плунжеры (поршни и т.д.) обеспечивает в конечном итоге управление рулем судна. Рабочей жидкостью РЭГ приводов являются минеральные масла.

Гидравлические рулевые передаточные устройства (передачи) различаются по типу прессов и типу насосов.

Типы прессов:

• плунжерные;
• лопастные;
• поршневые.

На рис. 4.19 представлена плунжерная рулевая машина отечественного производства серии Р.

Приводной ЭД 2 (рис. 4.19) постоянно вращает насос 4. Управление пером руля осуществляется управляющими воздействиями на насос 4. В этом случае изменяется подача (производительность) насоса 4 и происходит перекачивание масла в рабочие полости накрест лежащих цилиндров 1. Под воздействием масла плунжеры 6 этих цилиндров и ползуны 10 перемещаются. При движении плунжеров 6 увлекаемые ими шарниры 7 свободно вращаются вокруг своих осей. Происходит вращательное движение румпеля 9 баллера руля 8. Румпель 9 свободно поступательно перемещается в ползунах 10, которые предназначены для разгрузки плунжеров 6 от поперечной составляющей осевого усилия, возникающей при движении. Через приводы плунжеров поперечное усилие передается на направляющие балки 5. Промежуточные траверсы 3 служат для придания механической жесткости. Посредством клапанной коробки 11 с гидравлическим приводом связана емкость с маслом.

Лопастная рулевая машина представлена на рис. 4.20.

Трехлопастной ротор 1 (рис. 4.20), являющийся румпелем и имеющий жесткую механическую связь с баллером 2, находится в цилиндре 3, который разделен перемычками 4 на рабочие полости. Каждая рабочая полость делится лопастью ротора на части А и Б. Общие магистрали (трубопроводы) а и б гидравлически связывают лопастную машину с насосом. При подаче масла насосом в полости А и сливе из полостей Б ротор 1, баллер 2 и перо руля будут поворачиваться против часовой стрелки, а при подаче масла насосом в полости Б и сливе из полостей А – по часовой стрелке. Для ограничения угла поворота ротора (перекладки пера руля) в одной из лопастей имеется пружинный двухсторонний клапан, который сообщает между собой полости А и Б при достижении пером руля предельных (максимальных) значений.

Кроме того, на рис. 4.20: 5 – пружинный клапан; а, б – общие магистрали (трубопроводы).

По сравнению с плунжерными машинами лопастные машины имеют лучшие массоразмерные показатели.

Лопастные РЭГ приводы установлены на судах типа «Арагви», «Инженер Мачульский» и др.

На рис. 4.21 представлена поршневая рулевая машина (с качающимися цилиндрами).

Поршневая рулевая машина (рис. 4.21) закреплена на фундаменте 1 посредством шкворней 2, которые являются осями поворота цилиндров 3, и проушин с втулками цилиндров. Поршни 4 в цилиндрах со штоками 5 связаны с двухплечным румпелем 7, который механически жестко связан с пером руля. Цилиндры 3 двойного действия имеют рабочие полости А и Б и специальные уплотнения 6. Каждый цилиндр используется как для прямой, так и для обратной перекладки пера руля 8. При подаче насосом масла в полость А и сливе из полости Б происходит движение пера руля 8 по часовой стрелке, а при подаче масла в полость Б и сливе из полости А – против часовой стрелки. Минеральное масло в рабочие полости цилиндров поступает от насоса через герметичные шарнирные соединения или посредством гибких шлангов. Углы поворота цилиндров при максимальных углах перекладки пера руля составляют около 5°.

Типы насосов:

• постоянной производительности (лопастные, шестеренные и пр.);
• переменной производительности (радиально-поршневые, аксиально-поршневые и др.).

Насосы постоянной производительности конструктивно проще насосов переменной производительности.

Во многих случаях на морских судах используются насосы переменной производительности (радиально-поршневые и аксиально-поршневые).

На рис. 4.22 представлен радиально-поршневой насос переменной производительности.

Приводной ЭД вращает звездообразный ротор (рис. 4.22), состоящий из семи радиально расположенных цилиндров 4 в корпусе насоса 7. Внутри цилиндров размещены плунжеры (поршни) 3, которые шарнирно связаны с ползунами 6. При вращении ротора ползуны скользят по внутренней опорной поверхности 1 барабана, который может перемещаться вправо или влево при воздействии на рычаг (манипулятор). Внутренняя центральная полость ротора разделена перегородкой на две части 2 и 5, связанные трубопроводами с прессами. При совмещении оси барабана с осью вращения ротора (рис. 4.22.1) плунжеры в своих цилиндрах при вращении ротора радиально не смещаются и производительность насоса равна нулю. При смещении барабана посредством рычага-манипулятора 8 образуется эксцентриситет «е» между осями ротора и барабана (рис. 4.22.2), и плунжеры по мере вращения ротора радиально перемещаются, совершая возвратно-поступательные движения внутри цилиндров. В этом случае производительность насоса отлична от нуля и происходит перекачивание рабочей среды (масла) и движение руля. С увеличением эксцентриситета увеличивается ход плунжеров и соответственно производительность.

На рис. 4.23 представлен аксиально-поршневой насос переменной производительности.

У аксиально-поршневого насоса (рис. 4.23) рабочие цилиндры расположены продольно относительно оси вращения во внутреннем поворотном корпусе 1. Головки поршней 2 посредством шатунов 3 связаны с кривошипом 4. Приводной ЭД вращает вал 6 и через кардан 5 цилиндровый блок (люльку насоса). Цилиндровый блок может поворачиваться по вертикальной оси кардана 5 на некоторый угол γ. При γ = 0° поршни, вращающиеся вместе с люлькой, не изменяют своего положения относительно внутреннего поворотного корпуса и производительность насоса равна нулю.

При возникновении угла γ ( γ > 0° ) и вращении вала в крайнем нижнем положении поршень находится в крайнем левом положении, а при повороте на 180 перемещается в крайнее правое положение, увеличивая объем цилиндра и перекачивая масло через отверстия 7. С увеличением угла γ увеличивается производительность насоса.

По сравнению с РЭМ приводами, допускающими моменты на баллере сотни кН•м (секторные РЭМ приводы – до 150 кН•м), РЭГ приводы допускают момент на баллере 4000 кН•м и более.

РЭГ машины при изменении углов перекладки α способны развивать различные крутящие моменты Мк , определяемые типом прессов. На рис. 4.24 показаны зависимости крутящих моментов Мк на баллере от углов α перекладки пера руля плунжерной, лопастной и поршневой РЭГ машин при одинаковых давлениях.

Наиболее широкое распространение получили плунжерные РЭГ приводы (суда типа «Беломорсклес», «Пятидесятилетие комсомола» и многие другие).

На рис. 4.25 показан отечественный плунжерный РЭГ привод типа «Р» с насосом постоянной производительности.

Приводной (силовой) ЭД 1 (рис. 4.25) механически соединен с насосом постоянной производительности 3 посредством муфты 2. Насос 3 трубопроводами 4 через клапанную коробку 5 гидравлически соединен с плунжерной машиной, включающей два пресса (плунжера) 6. Посредством румпеля 7 плунжерное передаточное устройство 6 механически соединено с баллером руля 8. В рабочем состоянии ЭД 1 постоянно вращает насос 3. Управление рулем осуществляется воздействием с колонки управления (основной части авторулевого) 12 через исполнительный механизм 9 на клапанную коробку 5. При повороте руля по часовой стрелке клапана в коробке 5 занимают такое положение, при котором насос 3 нагнетает рабочую среду (масло) в правый пресс (плунжер) 6, а при повороте руля против часовой стрелки – в левый пресс (плунжер) 6. При неподвижном положении руля клапана в коробке 5 перекрывают нагнетание среды в прессы 6 и работающий насос 3 перекачивает рабочую среду в цистерну 13.

Кроме того, на рис. 4.25: 10 – механическая часть ОС; 11 – электрическая часть ОС.

Таким образом, при наличии в РЭГ приводе насоса постоянной производительности управление рулем осуществляется воздействием на клапанную коробку.

На рис. 4.26 показан плунжерный РЭГ привод с насосом переменной производительности (аксиально-поршневым).

Приводной (силовой) ЭД 1 (рис. 4.26) механически соединен с насосом переменной производительности 2. Насос 2 посредством трубопроводов 3 гидравлически соединен с прессами плунжерной машиной 4, включающей четыре пресса (плунжера). Плунжерное передаточное устройство 4 механически соединено с баллером 5 пера руля 6. В рабочем состоянии ЭД 1 постоянно вращает насос 2. Управление рулем осуществляется воздействием по каналу задающего (управляющего) устройства 7 на насос переменной производительности 2, который в зависимости от управляющего воздействия изменяет направление и величину (производительность) перекачиваемой рабочей среды (масла). При неподвижном положении пера руля 6 производительность насоса 2 равна нулю.

Кроме того, на рис. 4.26: 8 – механическая часть ОС.

Таким образом, при наличии в РЭГ приводе насоса переменной производительности управление рулем осуществляется воздействием на этот насос.

Типы двигателей, применяемых в рулевых электромеханических приводах

Для РЭМ приводов целесообразны механические характеристики ИД, жесткие при малых нагрузках и мягкие при повышенных нагрузках. В противных случаях мягкие характеристики при малых нагрузках затрудняют управление рулевыми ЭП, а жесткие характеристики при повышенных нагрузках увеличивают механическую напряженность работающих приводов.

В РЭМ приводах возможно применение ЭД постоянного тока параллельного (независимого) или смешанного возбуждения и АД с короткозамкнутым или фазным роторами. В настоящее время в судовых РЭМ приводах широко используются ДПТ и АД с короткозамкнутыми роторами. ДПТ работают в большинстве случаев на искусственных характеристиках – при введении добавочных сопротивлений или при использовании системы Г–Д. АД с короткозамкнутыми роторами применяются, как правило, двухскоростные с повышенным скольжением.

Типы двигателей, применяемых в рулевых электрогидравлических приводах

Для РЭГ приводов целесообразны жесткие механические характеристики ПД (мягкие характеристики уменьшают производительность насосов с увеличением нагрузки, но не влияют на изменение нагрузки на валу ПД.

В РЭГ приводах возможно применение ДПТ параллельного (независимого) возбуждения, АД с короткозамкнутыми роторами и синхронных двигателей. На современных судах в качестве ПД РЭГ приводов используются, как правило, ДПТ и АД.

Литература

Основы теории и эксплуатации судовых электроприводов. А. Ф. Бурков (2021)

• Системы управления судовых электроприводов
• Электроприводы судовых промысловых устройств
• Электроприводы судовых грузоподъемных устройств
• Электроприводы якорно-швартовных устройств
• Первый судовой электропривод и развитие судовых электроприводов до конца XIX века