Експлуатація і дослідження системи автоматичного управління стерновим електрогідравлічним приводом

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВСТУП

Системи керування курсом і положенням судна у взаємодії з автоматизованим електроприводом забезпечують виконання основної задачі судноводіння, що полягає в точному і безпечному керуванні рухом судна відповідно до поставленої задачі і заданих критеріїв якості.

Системи керування курсом і положенням судна забезпечують виконання наступних задач:

? керування рухом судна відповідно до заданого маршруту, курсом при мінімальних експлуатаційних витратах;

? утримання судна в заданій точці;

? утримання судна на заданій траєкторії чи лінії профілю;

? забезпечення розбіжності судна з небезпечними нерухомими чи рухомими об'єктами і т.д.

Рух судна за курсом, зміна цього курсу, повороти, маневрування забезпечуються дією стернового пристрою.

До складу стернового пристрою звичайно входять стерно, передавальний механізм, електродвигун і система керування. До електропривода відносять електродвигун, передавальний механізм і систему керування. По виду передавального механізму стернові електроприводи розділяють на електромеханічні і електрогідравлічні. Через їхню складність передавальні механізми називають стерновими машинами. До електричної частини стернових електроприводів відносять електродвигуни, системи керування ними, а також електричні елементи керування силовим приводом.

Стерновий електропривод забезпечує керованість судна. Системи керування і стерновий привод забезпечують виконання задач: керування рухом судна відповідно до заданого маршруту, курсом при мінімальних експлуатаційних витратах; утримання судна на заданій траєкторій або лінії профілю; забезпечення розходження судна з небезпечними об'єктами.

У режимі маневрування судна для забезпечення повороткості необхідна

перекладка стерна на великі кути й утримання його в новому положенні. При цьому на стерно діють навантаження, для подолання, яких момент на балері стерна повинний бути досить великим, особливо при максимальній швидкості судна. Режим маневрування визначає роботу привода з погляду часу перекладки максимальних навантажувальних моментів, у відповідності з чим установлюється потужність і частота обертання виконавчого двигуна. У режимі утримання здійснюється часта зміна напрямку перекладки, але на малі кути. При цьому моменти на балері значно менше номінальних розрахункових моментів стернової машини.

У даній роботі розглянуті всі етапи експлуатації стернового електропривода, зроблені розрахунок і вибір стернового пристрою, розроблена система керування, що відповідає вимогам Регістра України до стернових електроприводів, принципова електрична схема.



ВИМОГИ РЕГІСТРА УКРАЇНИ ДО СТЕРНОВИХ ЕЛЕКТРОПРИВОДІВ

Згідно з Правилами Регістра України умовне розрахункове навантаження, що діє на перо стерна, повинно бути не менш, ніж значення P = F², H, де = 1 для стерна, розміщеного безпосередньо за гребним гвинтом; = 0,9 для стерна, що розташовано за гребним гвинтом; - щільність морської води, кг / м³; F - площа пера, м^2, - максимальна швидкість переднього хода, м / с [8].

Стерновий пристрій (СП) повинен мати два привода: основний та запасний. Потужність основного СП повинна бути достатня для перекладок стерна від 35 з одного борту до 30 на інший борт за час, що не перевищує 30 с при _max.

Стерновий електропривод (СЕП) повинен тривалий час працювати в найбільш тяжких умовах експлуатації. СП повинен мати пристрій, що припиняє його дію при підході до упора обмежувача повороту стерна. Пускові пристрої повинні забезпечувати автоматичний запуск ЕД при поновленні живлення після перерви, СЕП повинен одержувати живлення від шин ГРЩ окремими трасами, рознесеними на всьому протязі на якомога більшій відстані одна від одної. Живлення СЕП повинно здійснюватись також від двох джерел: основного і аварійного. Системи дистанційного управління стерном з головного і допоміжного постів повинні будуватись так, щоб вихід любої з цих систем не виключав можливості управління з іншого моста.

Біля кожного поста управління (ПУ) повинен розміщуватись вказівник положення пера стерна. Різниця між вказаним та дійсним його положенням не повинна перевищувати: 1 ? для стерна в діаметральній площині, 1,5 ? при кутових перекладках від 0 до 5 та при кутах перекладки від 5 до 35 [8].

Електропривод СП повинен безперервно працювати при цьому повинно:

- на протязі 1 години при _max при перекладці стерна на кут, що забезпечує 350 перекладок за годину;

- забезпечувати автоматичне утримання стерна при негативних моментах в заданому положенні, коли ЕД відключено від мережі;

- обмеження моменту двигуна аж до його зупинки під напругою;

- автоматичний перехід ЕД на природну характеристику після припинення перевантаження;

- зупинка привода без використання механічних гальм;

- велику кількість вмикань.

У насосах гідравлічних стернових машин передбачене захисне пристосування, що виключає, обертання відключеного насосу в зворотному напрямку, або автоматично спрацьовує пристрій, що запирає потік рідини через відключений насос.

В електричних схемах електродвигунів стернових приводів забороняється застосовувати максимальний і нульовий захист. На ГРЩ встановлений захист від короткого замикання, а в стерновій рубці керування або в самому пульті - візуальна й акустична сигналізація, що попереджає про перевантаження електродвигуна, і сигналізація про вихід з ладу будь ? якої фази.

Автоматичні вимикачі миттєвого відключення, що захищають електродвигуни стернового пристрою від струму короткого замикання, в ланцюгах постійного струму постачені уставками не менш 300 і більш 400% номінального струму електродвигуна, а при змінному струмі - на миттєве відключення при струмі більш 125% найбільшого пускового струму двигуна.

Запобіжники підбирають так, щоб їхній номінальний струм був на одну ступінь вище, ніж потрібно умовами пускових струмів електродвигунів. Якщо основний і запасний приводи цілком або частково розташовані нижче найвищої вантажної ватерлінії, то вище палуби перегородок встановлюють аварійний привод, що забезпечує перекладку руля з борта на борт при швидкості переднього ходу не менше 2 м/с (4 вузли).

КОРОТКИЙ ОПИС СУДНА

Суховантажні судна призначені для транспортування генеральних вантажів в укрупнених пакетах, на піддонах і в контейнерах міжнародного стандарту, вони можуть приймати на борт також трейлери і колісно ? гусеничну техніку, в тому числі легкові автомобілі і мікроавтобуси та другу техніку.

Судно, яке розглядається в дипломному проекті (рис.1.1), являє собою одногвинтовий теплохід з бульбообразним носом, подовженим баком, розташованими на кормі машинним відділенням і пятиярусною жилою надбудовою, з відкритою кормою і транцем. Дві безупинні палуби в районі вантажні приміщення не мають погиби і сідловатості. Сучасна конструкція перекриття верхньої і головної палуб дозволила відмовитися від розміщення в трюмі і твіндеку пілерсів, це дозволило повніше використовувати підпалубний простір, забезпечило більш вільний маневр навантажувальної техніки.

Головний двигун судна - малообертовий дизель максимальною тривалою потужністю 6700 л. с. із прямою передачею на один гребний гвинт діаметром 4,5 м. За гребним гвинтом розташовується обтічне балансирне стерно. Для забезпечення швартовних операцій у носовому краї судна мається здвоєний пристрій, що підрулює, потужністю 500 л. с., що забезпечує упор 5 тс. Судно постачене двома становими й одним запасним якорями Холу масою по 4 т і двома кормовими якорями. Підйом і віддачу якорів на баці роблять дві автоматичні якірно-швартовні лебідки й у кормі - два електричних якірних шпилі. Для швартовного пристрою використані електричні лебідки зі стискальним зусиллям 8 тс при канатоємності барабанів 200 м. Дві з них розміщені на верхній палубі в кормі і дві, що входять у якірний пристрій, на палубі бака.

Основними рятувальними засобами є дві закриті моторні шлюпки зі склопластику місткістю по 40 чоловік. Їхній підйом і спуск виробляються електричними шлюпковими лебідками. Мається також два рятувальних надувних плоти, що зберігаються в стелажах-скидачах з гідростатичними роз'єднувальними пристроями, що забезпечують самовспливання плотів. Спуск і підйом робочої моторної шлюпки зі склопластику здійснюється допоміжним вантажним пристроєм у виді механізованої стріли, що також забезпечує навантаження провізії трьома вантажними лебідками, що знаходяться на палубі надбудови.

Обсяг автоматизації і ступінь централізації керування і контролю дозволяють обслуговувати головний двигун і енергетичні установки на ходу судна одній вахтовим у центральній посаді керування і безвахтове обслуговування на стоянці. Передбачено автоматичного реєстратора команд, що задаються головному двигуну з стернового рубання, і їхня обробка. Крім того, можлива аварійна зупинка головного двигуна з рубання. Судно оснащене всіма необхідними сучасними засобами зв'язку і радіонавігації. Екіпажу забезпечені сучасні комфортні умови.



1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТИРИСТИКА СТЕРНОВИХ ЕЛЕКТРОПРИВОДІВ

1.1 Класифікація стернових електроприводів

Використовувані на транспортних суднах стернові електроприводи відрізняються великим розмаїттям. Це пов'язано з конструктивними особливостями робочого органу, режимом роботи основного електроустаткування, родом механічних зв'язків між виконавчим електродвигуном та стерном, степеню автоматизації керування [3].

Нижче приводяться розділення стернових електроприводів за групами по наступним ознакам:

- за гідродинамічними особливостями стерна. Стерно визначає не тільки керованість судна, і навантаження стернового електропривода та можливі режими його роботи. На морських транспортних суднах в якості кормових стеринів в теперішній час частіше використовують стерини, які розділяються за формою пера та степені компенсації на стерні [13]:

- звичайні;

- балансирні та напівбалансирні;

- за профілем на стерні;

- пластинчаті та профільні.

Профіль стерна мало оказує дію на навантажувальні характеристики привода, але є важливим елементом, зменшує загальний опір до його руху. Компенсація стерна використовується для загального зменшення моменту на балері, що поліпшує роботу стернового електропривода. Але при компенсації стерна обмежується кількість точок закріплення пера стерна, що понижує міцність та надійність стернового комплексу.

За типом механічної передачі між робочим органом та стерновим виконуючим двигуном (ВД) визначають характер роботи стернового ВД, ступінь його енергетичного використання і особливості електрифікації системи керування.

Стернові електромеханічні (СЕМ) приводи - секторні, редукторні. Тут стерновий ВД жорстко через кінематичний механізм пов'язаний с балером стерна.

Управління перекладкою проходить безпосередньо включенням і ухиленням двигуна, характер роботи якого переривчастий. Регулювання перекладкою виконується зміною частоти обертання стернового ВД.

Стернові електрогідравлічні (СЕГ) приводи. Тут стерновий ВД безперервно обертає насос, від якого при необхідності перекладки відбувається керована подача робочої рідини на гідравлічну стернову машину. В теперішній час використовують стернові машини плунжерні, лопатні, з коливаючими циліндрами. В залежності від прийнятого принципу регулювання подачі масла на стернову машину, використовують насоси перемінної або постійної подачі. Для більш потужних систем характерний об'ємний принцип регулювання, здійснюваний спеціальним електричним або електромеханічним сервоприводом. У кінематиці сервоприводу для ефективності регулювання подачі масла насосом використовуються: важільні, кулачкові та електричні диференціали.

Таким чином, в СЕГ приводах регулювання перекладки стерна відбувається на гідравлічній стороні механізму передачі при постоялому обертанню вала виконуючого електродвигуна. В якості останніх використовують найменш простіші і дешеві асинхронні машини с короткозамкненим ротором. Управління двигунами полягає тільки в дистанційному пуску при виготовлені стернового привода до дії [3,13].



2. ПРИЗНАЧЕННЯ Й ОСНОВНІ ЕЛЕМЕНТИ СТЕРНОВОГО ПРИСТРОЮ

2.1 Стерновий пристрій

Стерновий пристрій забезпечує керованість судна, тобто воно дозволяє утримувати судно на курсі чи змінювати напрямок руху, незважаючи на вплив вітру, плини і води. Цим пристроєм обладнають усі самохідні судна [13].

У якості стернових (виконавчих) органів використовують рули чи поворотні насадки. На деяких судах ці виконуючи органи діють разом із гребними гвинтами, водометними рушіями, що підрулює пристроєм і ін. Стерновий пристрій складається з стерна чи поворотної насадки, стернового приводу, стернової машини і дистанційної передачі.

Стерно чи поворотна насадка безпосередньо забезпечує керованість судна. Стерновий привід служить для передачі зусилля від стернової машини до балера, чи стерна поворотній насадці. Стернова машина є агрегатом, за допомогою якого перекладаються стерни (поворотні насадки) на необхідний кут від діаметральної площини чи втримання їх у потрібному положенні. Дистанційна передача (механічна, електрична, гідравлічна) дозволяє керувати стерновою машиною з посади керування судном за допомогою штурвала. Положення пера стерна щодо діаметральної площини судна фіксується спеціальним приладом - аксіометром. Часто при перерахуванні основних елементів стернового пристрою вказують не стерно як таке, а його складові частини: перо; балер; підшипники балера; замок, що з'єднує перо з балером тощо.

Загальне представлення про стерновий пристрій дає схема, показана на рис.2.1. Перо стерна 1 за допомогою фланця 2 з'єднано з балером 9, що має опори 3, здатні прийняти на себе як маси балера і пера стерна, так і горизонтальні сили, що виникають при перекладці стерна. На голові 4 балера закріплений стерновий привід 5, зв'язаний з стерновою машиною 6. Нижня частина балера, що з'єднується з пером стерна, виходить з корпуса через гельмопортову трубу 10. За допомогою штурвала ручного керування 7 і передачі 8 здійснюється команда стерновій машині, що впливає на стерновий привід, який повертає стерно.

Крім з'єднання з балером, перо стерна закріплюють на елементах конструкції кормової частини. Основними елементами кріплення є петлі 11 пера стерна, штир 12 і петля 13 рудерпоста 14. Цифрою 15 позначена п'ята ахтерштевня[13].

Стернові машини в залежності від роду використовуваної енергії поділяються на електричні, гідравлічні і ручні.

Електричні стернові машини часто називають електромеханічними, оскільки вони складаються з механічних елементів. Як двигун гідравлічних стернових машин звичайно використовують електродвигун, унаслідок чого такі машини називають електрогідравлічними. Електродвигун пускає в хід насос, що падає робочу рідину у виконавчу частину гідравлічного стернового приводу. Ця частина приводу забезпечує перекладку стерна в ту чи іншу сторону в залежності від напрямку подачі рідини, що змінюється за бажанням судноводія за допомогою особою пускорегулюючою апаратурою. Деякі судна мають гідравлічні стернові машини з насосом, що приводиться в дію від головного двигуна.

Ручні стернові машини виконують механічними і гідравлічними. Область застосування цих машин у даний час обмежується порівняно невеликими суднами, де для перекладки стернового органа досить зусилля, що розвивається однією людиною.

Стерно (поворотна насадка), яке установлено на судні, повинно забезпечувати його керованість у будь ? яких умовах експлуатації.

Під керованістю розуміють дві основних якості судна - повороткість і стійкість на курсі. Повороткістю називають здатність судна підкорятися дії стерна, а стійкістю на курсі ? здатність зберігати обране (задане) напрямок при незмінному положенні стерна (чи мінімальному його впливі). Повороткість судна може бути оцінена також кутовою швидкістю повороту судна на чистій воді, що для річкових суден складає від 130 до 290 град/хв; для суден змішаного плавання - від 90 до 130 град/хв.

Застосовувані на суднах стерни можуть бути розділені на три групи: небалансирні, балансирні і напівбалансирні.

У небалансирних стернів вісь обертання практично збігається з передньою крайкою пера. У балансирних стеринів частина площі пера стерна розташовується перед віссю обертання; ця частина площі стерна називається балансирної.

Напівбалансирне стерно має балансирну частину пера не по усій висоті.

Перевага балансирних і напівбалансирних стеринів полягає в тім, що в них центр тиску розташований ближче до осі обертання, чим у стеринів небалансирних. Це у свою чергу означає, що для перекладки балансирного і напівбалансирного стеринів буде потрібно менша потужність стернової машини. На практиці знаходять застосування стерни всіх трьох груп.

У залежності від форми контуру пера стерни поділяють на прямокутні, трапецієподібні, і криволінійні. Форма контуру пера визначається обрисом кормових обведень судна. Вона залежить також від розташування гребних гвинтів. По способі кріплення до корпуса судна розрізняють начіпні, підвісні і напівпідвісні стерни, які зображені на рис.2.2 [13,3].

За формою профілю стерни поділяють на плоскі (пластичні) і профільовані (обтічні). Найбільше поширення одержали профільовані стерни, тому що вони мають велику гідродинамічну ефективність. Плоскі стерни використовують лише на окремих несамохідних баржах.

Найбільше ефективно стерно працює в тому випадку, коли він розташований за гребним гвинтом, тому що потік води, що відкидається гвинтом, збільшує тиск води на стерно. Звичайне число стеринів на судні приймають рівним числу гребних гвинтів і розташовують їх за гвинтами.

2.2 Передавальні механізми електроприводів стернових пристроїв

Стерновий виконавчий двигун впливає на балер стерна через проміжну передачу. Єднальний передавальний механізм є перетворювачем швидкості і моменту, що дозволяє створити компактну стернову машину, здатну при використанні серійних високообертальних електродвигунів переборювати значні зусилля на балері стерна [13].

На морських суднах знайшли застосування два типи стернових передатних пристроїв ? механічний і гідравлічний; відповідно і приводи одержали назву:

? стернові електромеханічні (СЕМ) і стернові електрогідравлічні (СЕГ).

Стернові механічні передачі. Відомо кілька типів стернових механічних передач: секторні, редукторні, гвинтові, штуртросові. Останні два види на морських транспортних суднах у даний час не використовуються. Область застосування секторних і редукторних стернових машин обмежується навантаженнями від 100 кН м до 150 кН м і безупинно звужується через більш широке впровадження малих гідравлічних стернових приводів.

Секторні передачі з СЕМ ? приводом на суднах мають найбільше поширення. Принциповий пристрій секторної стернової машини показаний на рис. 2.3



Передаточне число(i) для секторних приводів лежить у межах від 1500 до 2500, що дозволяє використовувати в приводі електродвигуни з досить високою частотою обертання.

Стернові електрогідравлічні передачі.

Принципова схема четирьохплунжерної стернової установки представлена на рис.2.4 [13].



Система трубопроводів і клапанів четирьохплунжерної стернової установки дозволяє при необхідності виводити з експлуатації будь-яку пару пресів, зберігаючи, хоча і не цілком, працездатність машини. На невеликих судах при порівняно малому моменті на балері стерна встановлюють двох плунжерні гідравлічні стернові машини. Для них характерна відсутність резервування в силовій частині приводу і наявність додаткового згинаючого моменту на голові балера стерна, що навантажує верхній опорний підшипник балера і підвищує втрати в передачі.

Поршневі машини з хитними циліндрами. Стернові машини розглянутого типу використовуються у вітчизняному й іноземному суднобудуванні. Типова схема приводу з двома робочими циліндрами, найбільш розповсюджена на морських судах, показана на рис.2.5 [13].



Подача олії для роботи стернової машини будь ? якого типу з розглянутих типів здійснюється від спеціального насоса, що обертається безупинно виконавчим електродвигуном.

Застосовуються насоси постійної чи перемінної подачі. Від використовуваного насоса визначаються якісні особливості всієї схеми керування.

Насоси перемінної подачі бувають аксіальні чи радіально поршневі.

Плунжерні насоси перемінної подачі здатні розвивати високі робочі тиски від 50мПа до 70мПа, що не завжди реалізуються в стернових машинах, в основному через значне зниження об'ємного к. п. д., обумовленого якістю ущільнень.

Насоси постійної подачі. У вихідному положенні насос забирає олію зі спеціального бака і через золотниковий клапан зливає її в той же бак. Для перекладки стерна переміщають керуючий золотник, за допомогою якого нагнітається магістраль насоса приєднується до чи трубопроводу стернової гідромашини, у залежності від необхідного напрямку перекладки. Другий - зливальний трубопровід тим же золотником з'єднується зі зливальним баком.

Насоси постійної подачі використовують шестерні, лопатеві і радіально- чи аксіально-поршневі з постійно встановленою подачею. Робочий тиск у стернових машинах з насосами постійної подачі, як правило, невеликий - від 7 мПа до 10 мПа.

Недолік - систем з насосами постійної подачі є постійне прокачування повного обсягу олії через золотниковий пристрій, що викликає значне нагрівання робочої рідини і додаткові втрати електроенергії на не навантаженому ходу.

Виконавчі електродвигуни СЕГ ? приводів призначені для безупинного обертання насоса з постійною кутовою швидкістю. Найбільш доцільні тверді характеристики, що забезпечують достатню сталість подачі насоса і швидкості переміщення стерна, особливо при бортових перекладках у зоні великих навантажень. Керування ВД зводиться тільки до його запуску, здійснюваному, як правило, дистанційно з ходової рубки і з місцевого поста в румпельному відділення. Часто передбачається автоматичне включення резервного двигуна (насоса) при виході з ладу працюючого. Найбільше поширення як двигуни насосів стернових приводів мають короткозамкнені асинхронні електродвигуни.

Для даного судна обраний СЕГ так, як збільшення водотоннажності і швидкостей руху суден переборює істотний ріст моментів на балері стеринів.Значення моментів для великих сучасних суден виміряється тисячами і десятками тисяч килоньютонометров (кНм). Механічна передача в таких умовах стає надзвичайно громіздкою. Низький К.П.Д. механічної передачі вимагає значного завищення потужності електропривода, що збільшує непродуктивні витрати електроенергії. Переривчаста робота виконавчого двигуна, часті пуски і гальмування ускладнюють загальну систему керування стерном і знижують надійність приводу. Усі відзначені фактори сприяли більш широкому поширенню на морських судах електрогідравлічних приводів. Більш того, експлуатаційні масогабаритні і техніко-економічні показники сучасних електрогідравлічних стернових машин настільки високі, що вони починають використовуватися й в області порівняно низьких моментів на балері. Плунжерні стернові машини мають переважне поширення.



3. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТИРИСТИКА СИСТЕМ АВТОМАТИЧНОГО КЕРУВАННЯ СТЕРНОВИХ ЕЛЕКТРОПРИВОДІВ

3.1 Класифікація системи автоматичного керування стернових електроприводів

За ступеню автоматизації керування стернові електроприводи поділяються на приводи: простого, слідкуючого і автоматичного діяння [3].

Просте дійство. Керування за часом. Перекладка стерна залежить від часу впливу на пост керування, котрим визначається також і швидкість переміщення стерна. Перекладка зупиняється при поверненні рукоятки поста в початкове - нульове положення. Про кутовий стан стерна в кожний момент часу судять по стерновому укажчику - аксіометру.

Слідкуюче дійство. Керування за шляхом. Тут кожному положенню штурвала поста після відробки відповідає певне положення стерна. Аксіометр є засобом допоміжного контролю положення стерна.

Автоматичне дійство. Стерновий привод забезпечує виконання заданої програми переміщення судна. В приватному, найбільш простому випадку, рішається задача стабілізації судна на прямому курсі.

3.2 Системи автоматичного керування рухом судна (автостернові)

На суднах морського і річкового флоту, наряду з іншими автоматичними системами, знаходять застосування системи автоматичного керування рухом судна за курсом (автостернові). Ці системи є найбільш важливими і відповідальними системами в судовій автоматиці. Від їх якості і надійності в значної степені залежить безпека мореплавання, а також техніко-економічні показники суден.

Системи автоматичного керування рухом судна за курсом звільняють людину від невтомної вахти на стерні, забезпечує зниження суднових експлуатаційних витрат за рахунок зменшення втрат експлуатаційної швидкості судна і розходу палива не одиницю пройденої відстані. Так, при правильному налагодженню автостернового втрати експлуатаційної швидкості судна можуть бути зниженні від 2% до 3% для постійної потужності силової установки або зменшені розходу палива від 6% до 10% при постійній швидкості судна.

Широке застосування автостернових на вітчизняних морських транспортних суднах почалось після другої світової війни, коли була розроблена схема і засвоєно серійне виробництво автостернового типу АБР.

Автоматичні безконтактні автостернові типу АБР, АР, і АТР в продовж кількох років перевершували по своїм тактико-технічним даними найкращі заграничні зразки і заслужили найвищу оцінку експлуатаційників.

Найбільше розповсюдження отримали автостернові, які реалізують пропорційно-інтегрально-диференційний закон регулювання (ПІД-регулятори).

,

де з - заданий кут перекладки стерна; - кут відхилення судна від заданого курсу; К1, К2, К3 - параметри налагодження системи [3].

Більшість сучасних автостернових має в своєму складі фільтр нижніх частот, знижаючи кількість кладок стерна при хвилюванні моря. В основному судна морського транспортного, промислового, а також річкового флоту обладнанні вітчизняними безконтактними автостерновими типу АТР, АІСТ, Печора, а також малогабаритні автостернові типу АРМ ? 2М. Автостернові типу АБР, АР, і АТР, випущенні раніш серійно, в теперішній час зняті з виробництва, але до сього часу вдало експлуатуються на суднах.

Усі існуючи системи автоматичного керування рухом судна за курсом, незалежно від схеми і конструкцій окремих ланцюгів, працюють по принципу відхилення, тобто в автостерновому безперервно порівнюється фактичне і задане значення курсу і виробляється сигнал керування. Під впливом цього сигналу стерновий привод перекладає стерно і повертає судно до заданого курсу. Сигнал внутрішнього негативного зворотного зв'язку зупиняє перекладку стерна, а потім повертає стерно в діаметральну площину. Сигнал, пропорційної швидкості повороту судна, підвищує чуттєвість автостернового при відхиленні судна від заданого курсу і забезпечує держання при повернені на заданий курс.

3.3 Особливості систем автоматичного керування рухом судна за курсом

Перша особливість системи автоматичного керування рухом судна за курсом обумовлюється великою інерцією судна як об'єкта керування і зміною його параметрів при зміні швидкості ходу і навантаження. Це обмежує можливість вибору структури системи і типу коригувачив [3].

Друга особливість системи автоматичного керування рухом судна за курсом полягає в тому, що вони мають внутрішні жорсткі зворотні зв'язки, тобто включають в себе самостійну слідкуючу систему керування стерном.

Третьою особливістю системи автоматичного керування рухом судна за курсом є багато режимність роботи. Вони можуть працювати при випадковому керуючим і обуреному впливах, доданих до різних ланцюгів системи.

Система автоматичного керування рухом судна за курсом при наявності двох зовнішніх впливів, доданих до її різних точок, повинна вирішувати такі задачі:

1) маневрування - достатньо точно і швидко виконувати отриманні накази;

2) стабілізація автоматично удержувати судно на прямому заданому курсі.

Тому система автоматичного керування рухом судна за курсом може працювати в слідкуючому режимі, режимі стабілізації, комбінованому режимі.

Система повинна бути розрахована так, щоб мала можливість працювати в усіх вказаних режимах с заданою точністю. Наявність же двох зовнішніх впливів, доданих до її різних точок системи, значно ускладнює дослідження і особливо синтез автостернових.

Четверта особливість обумовлена вимогами експлуатації системи автоматичного керування рухом судна за курсом. Забезпечення умов безперервної роботи автостернового на протязі усього часу плавання судна залежить від надійності роботи його елементів, тому при розрахунку необхідно брати такі елементи і корегуючи пристрої, які не призводять к ускладненню системи і зниженню її надійності.

3.4 Характеристика автостернового

На даний час усі судна морського і річкового флоту, незалежно від їхнього призначення, обладнаються автоматизованими стерновими приводами і авто стерновими [13].

У таблиці 3.1 приведені основні техніко-експлуатаційні характеристики автостернових.

Таблиця 3.1 Основні техніко-експлуатаційні характеристики вітчизняних авто стернових

Характеристики	АБР (АР)	АТР	АІСТ	«Печора»	АРМ-2М
Точність утримання судна на заданому курсі при швидкості ходу більш 6 вуз, град. Величина разової зміни курсу в режимі «Автомат», град. Величина нишпорення судна при хвилюванні моря, град Види керування: - автоматичний - що стежить - простій - поворот із заданою кутовою швидкістю Режим роботи системи Ціна обороту штурвала, град Помилка відпрацьовування заданого кута перекладки стерна, град Межі регулювання: сигналу зворотного зв'язку КЗЗ сигналу похідної Регулювання чутливості "грубо - точно" Сигналізація про відхід із заданого курсу Живлення схеми авто стернового	0,3 30 2,0 (АБР) 5,0 (АР) ±1,0 0,2-2 0-1 110/127 В, 50 Гц 300	0,2 35 45 ±1,0 0,2-2 0-1 127 В, 50 Гц 500	0,2 35 45 ±2,0 0,2-2 0-1 127 В, 50 Гц 500 25	- - Мається - ±2,0 0,2-2 0-1 127/220 В, 50 Гц 500 25	1,0 25 Немає Немає Немає Переривчастий, релейний - - 0,22-0,8 0-1 - 120 В, 330/500 Гц 30 (без виконуючого механізму) 10

Автоматичні безконтактні автостернові АБР і АР, що мають аналогічні функціональні схеми, сполучалися з стерновими машинами різних типів. Автостернові АБР призначалися в основному для автоматизації стернового пристрою суден, що знаходяться в експлуатації. Автостернові АР встановлюються на знову споруджуваних суднах, їхній комбінований пульт керування сполучає схеми автоматичного, слідкуючого і ручного управління судном за курсом.

Електромеханічна структурна схема системи автоматичного управління рухом судна за курсом з автостерновим АР і електричною секторною стерновою машиною показана на рис. 3.2 [13].

З метою спрощення на цій схемі, не показані дублюючі елементи і зовнішній зворотний зв'язок системи, який здійснюється через судно.

Розглянемо роботу системи при різних видах керування.

Робота схеми автостернового АР у режимі стабілізації судна на заданому курсі. При роботі системи в автоматичному режимі перемикачі виду керування S1 і S2 знаходяться в положенні а. При цьому сельсин ? приймач курсу BE автостернового підключений до сельсина ? датчика гірокомпаса ВC, а штурвал керування Ш через необоротну передачу ? до механічного диференціала Д. При відхиленні судна від заданого курсу обертання ротора сельсина-приймача BE через необоротну черв'ячну передачу і механічний диференціал Д передається лінійному обертовому трансформатору курсу В4, з обмоток якого знімається напруга, пропорційна куту відхилення . Ця напруга подається на одну з обмоток масштабного обертального трансформатора В5.

Із сельсином-приймачем BE також механічно зв'язаний електродвигун BR, що працює в режимі тахогенератора. Напруга, що знімається з обмоток тахогенератора, пропорційна швидкості зміни курсу k₂(d/dt) та посилена напівпровідниковим підсилювачем А1, надходить на статорну обмотку В5.

Сигнал тахогенератора змінює величину кута перекладки стерна в залежності від швидкості відходу судна з курсу, а також здійснює одержування при поверненні судна на заданий курс.

Крім того, із сельсином-приймачем BE також механічно зв'язані інтегруючий пристрій, що складається із сельсина-трансформатора В2, асинхронного електродвигуни з редуктором M1 і лінійного обертового трансформатора інтегратора ВЗ. При нишпореннях судна щодо заданого курсу повороти сельсина-приймача BE передаються ротору сельсина-трансформатора В2, що вироблює напругу, що надходить в обмотку керування інтегруючого двигуна M1. Якщо судно нишпорить симетрично щодо заданого курсу, то коливання ротора двигуна M1 гасяться редуктором, ротор ВЗ залишається в нульовому положенні, а напруга на його виході відсутня. При асиметричному нишпоренні різниця амплітуд відхилення судна на правий і лівий борти накопичується, ротор ВЗ повертається на кут, пропорційний накопиченої різниці амплітуд і виробляє сигнал, пропорційний інтегралу від зміни курсу судна k3Дdt. Цей сигнал забезпечує зсув нульового положення стерна від діаметральної площини судна на правий чи лівий борт і нишпорення судна стають симетричними. Напруга з виходу ВЗ надходить на роторну обмотку В5. Сума цих трьох сигналів подається на вхід попереднього фазочутливого підсилювача А2 з випрямлячем на виході і потім в обмотку керування електромашинного підсилювача A3, що забезпечує роботу виконавчого електродвигуна М2, що керує стерновою машиною РМ. Одночасно з перекладкою стерна повертається ротор лінійного обертового трансформатора стерна В6. Напруга В6, пропорційна куту перекладки стерна, також надходить на роторну обмотку В5 і служить сигналом внутрішнього негативного зворотного зв'язку автостернового.

У системах з виконавчим двигуном постійного струму і електромашинним підсилювачем для усунення незатухаючих коливань у слідкуючої системі керування стерном уводиться спеціальний контур, що демпфірує, БД, який виробляє сигнал, пропорційний напрузі на якорі виконавчого двигуна k₅U.

Принципова електрична схема формування сигналу управління в автостернових типу АБР і АР показана на рис.3.3. [13].

Коли судно під дією стерна починає повертатися до заданого курсу, міняється напрямок обертання в сельсина-приймача курсу BE, зменшується напруга В4 і міняється фаза сигналу тахогенератора. У результаті напруга на виході підсилювача А2 змінює знак і стерно повертається до середнього положення.

Таким чином, система автоматичної стабілізації судна на заданому курсі з автостерновим АР реалізує закон керування виду



Коефіцієнти k₁ і k₂ регульовані, їхня величина підбирається в процесі експлуатації в залежності від завантаження судна, швидкості, а також стану погоди.

Робота схеми автостернового АР у режимі автоматичної зміни курсу. Зміна заданого курсу судна при автоматичному керуванні виробляється шляхом уведення градусного виправлення за допомогою штурвала Ш на пульті керування автостернового (рис.3.2).

Якщо судно в початковий момент знаходилося на заданому курсі, то при повороті штурвала на вхід попереднього підсилювача А2 надійде тільки напруга сигналу В4, пропорційне заданому куту зміни курсу (де - заданий кут зміни курсу). Стерно перекладеться на заданий кут, при цьому напруга сигналу В6 дорівнює по величині і протилежна по фазі напрузі В4, а сигнал на вході підсилювача стане рівним нулю. Як тільки судно під дією стерна починає поворот на новий курс, сельсин-приймач BE автостернового, що працює від гірокомпаса, буде повертати В4 і асинхронний тахогенератор ВR, зменшуючи задану штурвалом напругу сигналу градусного виправлення курсу і вводячи сигнал, пропорційний швидкості повороту судна. Обоє ці сигналу, що збігаються по фазі із сигналом зворотного зв'язку В6, змусять стерно повернутися в діаметральну площину, а потім повернутися на деякий кут протилежного борта, здійснюючи одержування судна.

Таким чином, при роботі системи в автоматичному слідкувальному режимі, на вхід попереднього підсилювача надходить наступний сумарний сигнал:

U_c=k₁(_впр)-k₂(d_впр/dt)-k_4,

де_впр - кут повороту судна під дією стерна (кут відпрацьовування) [3].

При введенні градусного виправлення інтегруючий пристрій автоматично відключається, тому що його сигнал зменшує швидкодію системи і погіршує стійкість.

З приведеного вище опису роботи керуючих елементів автостернового АР видно, що функції тахогенератора при роботі схеми в режимі стабілізації й автоматичній зміні курсу різні. Так, у першому випадку тахогенератор служить коригувальним пристроєм, що вводить у закон регулювання першу похідну кута відхилення судна від заданого курсу, а в другому виробляє сигнал гнучкого негативного зворотного зв'язку, що вводить у закон регулювання першу похідну від кута відпрацьовування курсу.

При використанні автостернового АР на суднах, обладнаних електрогідравлічною стерновою машиною типу СЕГ, у комплект системи замість електромашинного підсилювача A3 і виконавчого двигуна М2 включається спеціальний комбінований привід (на рис.3.2 не показаний). У цьому випадку сигнал керування з підсилювача А2 надходить в обмотку керування виконавчого двигуна типу АПД, що через механічну передачу управляє роботою гідропідсилювача стернової машини. Порядок роботи інших елементів схеми той же, як описано вище.

У системі передбачено два види ручного керування судном за допомогою штурвала Ш на пульті керування автостернового АР - слідкувальний і простий. Перехід на ручне керування виробляється при необхідності складного маневрування судном за курсом, а також при виході з ладу схеми автоматичного керування.

Для переходу на ручне керування (слідкувальне), перемикачі S1 і S2 установлюють в положення б (рис.3.2). При цьому сельсин-приймач курсу BE автостернового відключається від датчика гірокомпаса, В5 переключається так, що коефіцієнт зворотного зв'язку автостернового стає рівним одиниці (k_о.с = 1), а інтегруючий пристрій відключається.

Тепер при повороті штурвала Ш розвертається тільки ротор В4. Під дією цього сигналу стернова машина буде перекладати стерно доти, поки напруга на виході В6 не стане рівною напрузі сигналу В4, тобто поки стерно не перекладеться на кут, заданий поворотом штурвала.

При простому ручному керуванні перемикачі SІ, S2 встановлюються в положення в. У цьому випадку одночасно з поворотом штурвала Ш повертається ротор сельсина-трансформатора В1, сигнал керування з якого поступає через випрямляч UZ на обмотку керування A3.

Стернова машина при цьому перекладає стерно доти, поки штурвал не повернеться в нульове положення поки стерно не дійде до кінцевих обмежників.

Автостернові АР і АБР добре зарекомендували себе на суднах. Недоліком цих систем є складне настроювання і недостатньо високі показники експлуатаційної надійності.

Також вітчизняна промисловість розробила систему автоматичного керування рухом судна за курсом, до складу якої входить електрогідравлічна стернова машина типу Р и автостерновий типізованого ряду АТР[13,3].

Особливість нової стернової машини типу Р полягає в тому, що вона не має власного механічного негативного зворотного зв'язку і складає разом з автостерновим АТР єдиний автоматизований комплекс.

Стернові машини малої потужності (від Р01 до Р10) комплектуються насосами постійної продуктивності, а більш потужні (від Р11 до Р21) - гідравлічними насосами перемінної продуктивності. У першому випадку в комплект системи керування входить виконавчий механізм ИМ-1, що забезпечує керування золотниковим пристроєм насоса постійної продуктивності, а в другому - ИМ-2.

Авторульовий АТР, так само як АР, побудований на електромеханічних елементах і відноситься до класу ПІД ? регуляторів, тобто реалізує пропорційно-диференційно-інтегральний закон регулювання. Обчислювальна схема автостернового зібрана на безконтактних сельсинах, що працюють у трансформаторному режимі і має два цілком дубльованих каналу керування, що істотно підвищує її надійність. У системі передбачено три види керування з містка: простий, слідкувальний і автоматичний. Керування слідкувальне і введення градусних виправлень до заданому курсу при автоматичному керуванні здійснюється поворотом штурвала, а просте дистанційне керування - шляхом натискання спеціальних клавіш. Переключення схеми з одного виду керування на інший здійснюється за допомогою одного перемикача і не вимагає яких-небудь додаткових операцій. При керуванні слідкувальним засобом повернення штурвала в нульове положення здійснюється автоматично, що полегшує керування судном вручну. Спрощена структурна схема системи автоматичного керування судном за курсом з автостерновим АТР і електрогідравлічною стерновою машиною типу Р показана на рис. 3.4 [3].

Розглянемо роботу системи при різних видах керування.

Просте дистанційне керування є резервним і здійснюється за допомогою клавіш "стерно вліво" - "стерно вправо" на пульті керування ПУ при повороті перемикача S1 у положення 1. При натисканні клавіші подається напруга перемінного струму в обмотку керування виконавчого двигуна МЗ, що керує роботою насоса перемінної (постійної) продуктивності (НПП) електрогідравлічної стернової машини РМ і починається перекладка стерна. У цьому режимі роботи кут перекладки стерна чи пропорційний часу утримання клавіші в натиснутому положенні, а щире положення стерна контролюється по стрілочному покажчику на ПУ.

Щоб зупинити перекладку стерна, треба відпустити клавішу. При цьому мікровимикач розірве ланцюг обмотки керування МЗ, а пружина нульового встановлення виконавчого механізму ВМ поверне керуючий орган насоса НПП у нульове положення. Перекладка стерна припиниться. Щоб повернути стерно в діаметральну площину судна, потрібно натиснути клавішу протилежного борта.

Слідкувальне керування здійснюється за допомогою штурвала Ш, коли перемикач S1 знаходиться в положенні 2. При слідкувальному керуванні поворот штурвала передається через механічний диференціал ротору задавального сельсина У1, що працює в трансформаторному режимі. З обмотки сельсина В1 знімається напруга U₁ пропорційна куту повороту штурвала, яка потім через підсилювач А1 надходить в обмотку керування М3 (рис.3.5). Виконавчий двигун, обертаючи, переміщає керуючий орган насоса НПП і починається перекладка стерна. Одночасно М3 повертає ротор сельсина-трансформатора ВЗ, з якого знімається напруга U₃ у противофазі з напругою U₁. Сельсини-трансформатори В1 і ВЗ відрегульовані так, що кут повороту В3 приблизно на 0,3 градуси менше, ніж В2, і, значить, напруга U₃ менше U₁. Завдяки цій різниці напруг двигун МЗ розвиває момент, достатній для компенсації моменту, створюваного пружинами для нульового встановлення. У результаті керуючий орган насоса залишається в зміщеному положенні і перекладка стерна продовжується. Одночасно з перекладкою стерна повертається механічно зв'язаний з ним ротор сельсина-трансформатора В4, що виробляє сигнал негативного зворотного зв'язку U₄, пропорційний куту перекладки стерна. Під дією сигналу U₄ виконавчий двигун М3 повертає керуючий орган насоса НПП до нульового положення й одночасно повертає ротор В3, зменшуючи U₃. У момент, коли величина напруги U₄ досягне U₁, стерно буде перекладений на заданий кут, а напруга U₃ стане практично рівною нулю.

Для повернення стерна в діаметральну площину ДП досить відпустити штурвал. При цьому слідкуюча система, складається з механічного накопичувача Н, сельсина-трансформатора В5 і виконавчого двигуна M1, відпрацює штурвал у нульове положення. Сигнал U₁ стане рівним нулю, а стерно повернеться в діаметральну площину під дією сигналу U₄.

При простому і слідкуючому керуванні сельсин, що приймає курс BE від гірокомпаса, відключається.

Перехід на автоматичне керування виробляється поворотом перемикача S1 у положення 3, при цьому сельсин-приймач курсу BE підключається до гірокомпаса. Якщо курс судна збігається з заданим, то рухливий індекс на

шкалі курсу сполучений з нерухомим, ротор задавального сельсина В1 знаходиться в нульовому положенні, напруга U_l дорівнює нулю, а стерно - у діаметральній площині судна.

При відхиленні судна від заданого курсу сельсин BE через диференціал повертає ротор сельсина-трансформатора В1, на виході якого з'являється сигнал U₁ пропорційний куту повороту судна. Одночасно починає обертатися асинхронний тахогенератор BR, що виробляє сигнал, пропорційний швидкості повороту судна U₂. Сума цих двох сигналів надходить на вхід напівпровідникового підсилювача А1.

Включається виконавчий двигун М2 і стернова машина перекладає стерно для повернення судна на заданий курс, одночасно розвертаючи ротор сельсина-трансформатора В4, що виробляє сигнал негативного зворотного зв'язку U₄, пропорційний куту перекладки стерна. Подальша робота схеми, включаючи роботу інтегруючого пристрою, відбувається аналогічно тому, як це було описано при розгляді схеми автостернового АР.

Настроювання автостернового АТР на судні здійснюються підбором величини коефіцієнта зворотного зв'язку (k_о.с), величини сигналу тахогенератора, а також початкової чутливості схеми. Настроювання k_о.с виробляється шляхом зміни напруги живильного сельсин-датчика стерна В4, а величина сигналу диференціюючого пристрою, установлюється за допомогою спеціального потенціометра.

Так само, як і в автостернових АБР і АР, регулювання початкової чутливості схеми здійснюється за допомогою перемикача "точно", що змінює величину коефіцієнта підсилення схеми.

Схема автостернового АТР вигідно відрізняється від попередніх схем авто-стернових тим, що в ній у якості основних керуючих елементів використовуються безконтактні сельсини, що працюють у трансформаторному режимі. Безконтактні сельсини типу БС-404, у порівнянні з ЛВТ другого габариту, мають менші розміри, масу і вартість, великі надійність і термін служби.

У схемі автостернового АТР не використовується ЕМУ, що підвищує стійкість системи і її надійність. Значно краще виконане загальне конструктивне оформлення приладів системи. Однак найважливіші елементи схеми - диференціюючи й інтегруючи коригувальні пристрої - залишилися без зміни. Так, у схемі АТР використовується пристрій, що диференціює, що складається з асинхронного двох-фазного двигуна з порожнім ротором, що працює в режимі тахогенератора, і однокаскадного напівпровідникового підсилювача з трансформаторним виходом.

Основними недоліками такої схеми є: наявність квадратурної складової, величина якої при нерухомому роторі двигуна достигає до 300 мВ і змінюється в залежності від положення ротора; порівняно низька чутливість схеми і нелінійність коефіцієнта передачі в робочому діапазоні.

Ряд істотних недоліків має також інтегруючий пристрій, що складається з безконтактного сельсина-трансформатора, що перетворить кут повороту вала в електричну напругу; асинхронного двигуна; редуктора і вихідного сельсина-трансформатора. Електромеханічні інтегруючи пристрої подібного типу не забезпечують симетричність характеристик при обертанні двигуна в різні сторони, не дозволяють здійснити швидке скидання накопиченого сигналу і створюють значні труднощі при необхідності зміни коефіцієнта передачі.Крім того, стабільність характеристик такого пристрою залежить від коливання температури навколишнього середовища, тому що при зміні температури міняється момент опору двигуна і редуктора.

Визначені труднощі виникають також при дублюванні електромеханічних коригувальних пристроїв. В наступні роки була зроблена уніфікація автостернових для суден морського транспортного, рибопромислового і річкового флоту, що дозволило удосконалити їхню конструкцію й електричну схему, зменшити від 25% до 30% масу і габарити, застосувати електронні диференціюючий(ДУ) і інтегрувальний(ИУ) коригувальні пристрої. Заміна електромеханічних коригувальних пристроїв електронними збільшила імовірність безвідмовної роботи автостернового протягом 1500 годин від 0,91 до 0,948 і підвищила загальний термін служби системи.

Спрощена структурна схема системи автоматичного керування судном за курсом з уніфікованим автостерновим типу АІСТ і електрогідравлічною стерновою машиною типізованого ряду, показана на рис.3.6, не вимагає спеціальних пояснень, тому що принцип її дії аналогічний дії схеми з автостерновим АТР [3].

Автостерновий АІСТ для морських суден забезпечує автоматичне, слідкуюче і просте дистанційне керування стерновою машиною з містка й аварійне ручне керування з румпельного відділення за допомогою спеціальної рукоятки на виконавчому механізмі.

У схемі автостернового передбачена можливість подачі електричних сигналів для ведення судна по заданій чи траєкторії зміни заданого курсу по команді від навігаційного автоматизованого комплексу.



Основна відмінність уніфікованого автостернового типу АІСТ від авто-стернового типу АТР полягає в схемі і конструкції коригувальних пристроїв. В уніфікованому автостерновому сигнал, пропорційний швидкості повороту судна U₂ = k₂(d/dt), а також сигнал, пропорційний інтегралу від кутів відхилення судна від заданого курсу U₃ = , виробляється спеціальним електронним блоком корекції (БК). Структурна схема блоку корекції показана на рис.3.5 [3].

Електронний блок корекції складається з фазочутливого випрямляча UZ, на вхід якого з вихідної обмотки сельсина-трансформатора курсу надходить напругу змінного струму, пропорційне куту відхилення судна від заданого курсу . З виходу UZ випрямлений сигнал надходить паралельно на електронні диференціюючий ДУ й інтегруючий ИП пристрої. Ці пристрої побудовані на функціональних транзисторних підсилювачах постійного струму (УПТ), зібраних за схемою модулятор-підсилювач перемінного струму - демодулятор. Диференціювання випрямленого сигналу U₁ здійснюється ємністю С, установленої на вході УПТ і проникної тільки перемінну складову сигналу. Таким чином, сигнал на виході УПТ диференціюючого пристрою буде пропорційний швидкості відхилення судна від заданого курсу. Величина цього сигналу підбирається на судні за допомогою регульованого резистора R у лінії зворотного зв'язку ДУ.