АНАЛИЗ ПОДРУЛИВАЮЩИХ И ДРУГИХ УПРАВЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Кувенёв А. В.

ORCID: 0000-0002-5009-7950, Аспирант, Московский технологический университет

АНАЛИЗ ПОДРУЛИВАЮЩИХ И ДРУГИХ УПРАВЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Аннотация

Статья посвящена разработке и совершенствованию движительно-рулевого комплексов способных в значительной степени улучшить манёвренные качества судов. Проведён анализ рулевых управляющих устройств, выявлены факторы, которые могут привести к аварийным ситуациям. Показано, что задача выбора оптимальных устройств движительно-рулевого комплекса является важной составляющей судостроения, особенно в условиях жёстких требований к манёвренным и тяговым качествам. Предложено использовать, помимо рулевого устройства, дополнительный набор органов управления, спроектированных с учётом современных требований.

Ключевые слова: автоматизация, моделирование, гидродинамика, визуализация, промышленность, программное обеспечение, подруливающее устройство.

Kuvenev A. V.

ORCID: 0000-0002-5009-7950, Postgraduate, Moscow Technological University

ANALYSIS OF THE STEERING AND OTHER CONTROL DEVICES

Abstract

The article is devoted to the development and improvement of similar propulsion units the steering complexes can greatly improve manoeuvring qualities of ships. The analysis of steering control devices, identified factors that can lead to emergency situations. It is shown that the problem of choosing the optimal device similar propulsion units-a steering complex is an important component of shipbuilding, especially in the conditions of rigid requirements to the maneuvering and traction qualities. It is proposed to use, in addition to the steering device, an additional set of controls, designed to meet the modern requirements.

Keywords: automation, simulation, hydrodynamics, visualization, industry, software, thruster.

В указе президента Российской Федерации от 7 июля 2011 г. №899 в целях модернизации и технологического развития российской экономики и повышения её конкурентоспособности были утверждены приоритетные направления развития науки, технологий и техники, а также перечень критических технологий. В частности среди них указываются транспортные системы, перспективные виды специальной техники, энергоэффективность и энергосбережение. В этом перечне также указаны базовые и критические промышленные технологии для создания перспективных видов специальной техники, технологии управляющих систем, технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии, а также технологии создания транспортной техники нового поколения.

Задача разработки и совершенствования движительно-рулевого комплекса является прежде всего комплексной, соответствующей основным приоритетным направлениям развития российской науки, технологий и техники, и соответственно является очень актуальной.

Движительно-рулевой комплекс (ДРК) является основой для управления морскими и речными судами, яхтами, паромами и другой спецтехникой [1, 2].

ДРК представляет собой совокупность элементов (движителей, органов управления и т.д.), обеспечивающих прямолинейное или криволинейное движение судна, и является основным, приводящим судно в движение, источником сил. В его состав входят движитель, обеспечивающий создание продольной силы, и средства управления, создающие возможность управления траекторией движения судна и улучшающие манёвренные качества судна при помощи создания поперечной силы. Сила, развиваемая ДРК в целом, может быть рассмотрена как сумма продольной и поперечной силы, так как подавляющее большинство манёвров выполняется под действием движителей и средств управления, как единого целого. Если задача создания продольной силы решена в настоящее время достаточно успешно, то задача создания поперечной силы требует новых решений [3, 4].

Рассмотрим элементы движительно-рулевого комплекса в отдельности.

Основное назначение рулевого устройства – это изменение движения судна или поддержание его на заданном курсе. Для осуществления задачи поддержания курса, рулевое устройство будет являться противодейственным элементом для внешних сил (течения, ветра и т.п.), являющиеся основными источниками смещения судна от выбранного курса. В общем случае они представляют собой одну или несколько несущих поверхностей, углом установки которых, касательно курса следования судна, можно управлять. Рулевые устройства в зависимости от принципа их работы разделяют на пассивные и активные рули. Пассивное рулевое устройство может совершать поворот судна исключительно во время хода. Активный руль, в отличие от пассивного, даёт возможность осуществлять поворот судна не только при его движении, но и в стоячем положении, за счёт встроенного электродвигателя, приводящего во вращение гребной винт. Активный руль используется прежде всего на малых скоростях, при швартовках и проведении сверхсложного маневра, в том числе, когда судно стоит на якоре, может использоваться как аварийный двигатель. Решение сложных задач управления движением приводов при переменной нагрузке отражено в работах [5, 6].

На сегодняшний день широкое применение нашли профильные фигурные рули. Пером данного руля является две выпуклые наружные оболочки, имеющие с внутренней стороны грани, а так же вертикальные диафрагмы служащие для увеличение жесткости. Стоит отметить, что в целом строение пера руля цельносварное и полое внутри.

По структуре несущих поверхностей можно отметить следующие типы рулей:

– состоящие из одного крыла, с неизменяемой формой профиля;

– рули с изменяющейся геометрией крыла (с предкрылками и закрылками);

– многоперьевые системы.

Ещё одним критерием классификации рулей служит их позиционирование относительно оси вращения баллера, представляющая собой ось спина руля соединённая непосредственно с пером руля. Среди них выделяют  несколько типов рулей: обыкновенный, полубалансирный, балансирный. У обыкновенного руля  расположение плоскости пера  находится за осью вращения. Особенностью полубалансирного руля будет то, что основная часть пера такого руля будет располагаться позади оси спина, при перекладке руля это обеспечивает достаточно малый момент вращения. И, наконец, балансирный руль будет обладать пером, установленным с двух сторон относительно оси вращения, обеспечивающим отсутствие значительных моментов при перекладке руля. Для того, что бы рулевое устройство оказывало действие на траекторию движения судна, оно должно быть установлено под определённым углом. Вращение баллера производится рулевой машиной, которая находится в корме судна под палубой. При этом необходимо особое внимание обращать на состояние подшипниковых опор, как рулевых машин, так и других тяжело нагруженных узлов, что требует контроля их параметров для безаварийного ходового и маневренного режимов движения судна [7].

Известны электрические, гидравлические и паровые рулевые агрегаты. В настоящее время, широкое применение находят гидравлические рулевые машины. У которых вращение рулевого колеса активирует датчик телемотора, тем самым заставляя протекающее под давлением масло в трубопроводе перемещать приёмник телемотора. Это и приводит в движение рулевой гидромотор в требуемом направлении.

Поворотная насадка, в конструктивном плане является кольцевым крылом, охватывающим гребной винт, и способное поворачиваться на заданный угол по отношению к вертикальной оси, идущей через диск гребного винта. Поворотная насадка представляет собой орган управления и одновременно является средством повышения эффективности гребного винта. Изменяя направление струи от находящего в работе гребного винта, отталкивая в нужную сторону корму судна при выполнении манёвра поворота.

Обычной практикой является оснащение вертикальным стабилизатором выходного сечения поворотной насадки, предназначением которого служит снижение момента на баллере насадки, а так же увеличение её стабилизирующего эффекта. Насадки, в свою очередь, подразделяются по подвесные и двухопорные, опирающиеся на пятки ахтерштевня, в зависимости от способа их установки. Преимуществом поворотной насадки будет не только значительное улучшение манёвренных качеств судна на малых ходах, но и увеличение скорость на 4 – 5% при постоянной мощности. Кроме этого увеличивается также напор, развиваемый винтом. По этой причине их широко применяют, например, на буксирах.

Незаменимым средством, которое позволяет судам проводить эффективные манёвры является судовой крыльчатый движитель. Он представляется собой движительно-рулевой комплекс, оснащенный крыльчатым движителем работающего по принципу циклоидального движения лопастей, создающих напор, угол направления которого может варьироваться от 0° до 360° влево или вправо при смене углов установки лопастей. Компоновкой движительно-рулевого устройства с крыльчатым движителем будет круглая пластина, вращающееся вокруг оси в вертикальном направлении, с множественностью вертикальных лопастей. С помощью внутреннего механизма, изменяющего угол, каждая лопасть будет вращаться по эпициклоиде вокруг оси. Вращение барабана с одновременной корректировкой угла установки лопастей по определённому закону позволяет произвольно задавать направление и величину вектора тяги движителя.

Обычно крыльчатые движители устанавливают попарно в носу и корме, это обеспечивает наиболее широкие манёвренные возможности. Чаще всего используются на паромах, плавучих кранах и буксирах.

Поворотная колонка – это открытый гребной винт или гребной винт, установленный в направляющей насадке, позволяющей выполнить поворот винта на 360° вокруг вертикальной оси. Это позволяет использовать её в качестве движителя, и регулировать посредством коррекции частоты вращения гребного винта величину тяги и её направление (за счёт поворота колонки). Поворотные колонки чаще всего используют попарно.

Управляемость судна резко ухудшается, а иногда происходит и её полная потеря, в случае движения судна малым ходом и в случае движения по инерции (с выключенными двигателями), что может привести к аварийным ситуациям. При этом существует ряд случаев, когда снижение частоты вращения или выключение двигателей оказывается вынужденным. Вследствие этого возникает необходимость в использовании подруливающих устройств, которые дают возможность на малых скоростях эффективно управлять судном.

Подруливающее устройство входит в перечень судовых устройств, предназначенных для управления судном в активном режиме. В качестве рабочего органа служит винт, который находится в сквозном канале, пролегающим от борта до борта на судне, располагаясь ортогонально к его поперечной плоскости. Местом его установки служит носовая часть или в кормовой и носовой части судна одновременно.

Подруливающие устройства относятся к группе активных рулевых устройств без пера и часто применяются для повышения манёвренности судна. Наиболее часто кормовые или носовые подруливающие устройства устанавливают в водоводе поперек судна.

Подруливающие устройства представляют собой конструкцию из сдвоенных или одиночных гребных винтов. Причём, в случае работы одиночного гребного винта – вода течёт при его вращении через туннель. Наиболее перспективно с энергетической точки зрения применять гребные винты регулируемого шага (ВРШ), в частности с переменным шагом (с регулируемыми углами наклона лопастей).

Привод вращения гребных винтов может располагаться снаружи водовода (с механическими передачами, проходящими через опоры), или внутри рабочих колес (в виде соосных погружных электродвигателей).

Существуют также конструкции подруливающих устройств с выносными блоками (выдвижные подруливающие устройства). Движители являются нестационарными и опускаются в воду при необходимости совершения маневра. Очевидно, что такие конструкции не в состоянии обеспечить высокие передаваемые мощности и не могут быть использованы в условиях постоянной необходимости управления судном в поперечном направлении, например, в речных судах.

Задача выбора оптимальных устройств движительно-рулевого комплекса под необходимые цели и конструктивные параметры судов важная составляющая судопроизводства, особенно в условиях жёстких требований к манёвренным и тяговым качествам, в которых является недопустимым пренебрежение факторами оказывающих влияние на гидродинамические характеристики судна. Требования к судам возрастают ежедневно, в связи с увеличением плотности движения в каналах, шлюзах, портах. Вследствие этого возникает необходимость использования, помимо рулевого устройства, дополнительного набора органов управления, таких как поворотные насадки, крыльчатые движители, поворотные колонки, подруливающие устройства. Для повышения их эффективности рекомендуется привязка исполнительного оборудования [8, 9] и измерительных преобразователей [10] к SCADA системе [11].

Литература

1. Жинкин В.Б. Теория и устройство корабля. С.-Петербург: Судостроение, 2000. 336 с.
2. Кушнир А.П., Авельчев А.Е. Анализ устройств управления движением судов // Вестник Московского государственного университета приборостроения и информатики. Серия: Машиностроение. 2012. № 43. С. 49-54.
3. Кушнир А.П., Кувенев А.В. Повышение эффективности маневрирования морских и речных судов // Международная научно-техническая конференция «Информатика и технологии. Инновационные технологии в промышленности и информатике», МНТК ИВТ, 2016. С. 324-327.
4. Кушнир А.П., Авельчев А.С. Подруливающее устройство. Патент РФ №2519610. МПК: B63H25/00. 20.06.2014. / A.P. Kushnir, A.E. Avel’chev. Manoeuvring propulsion device. Russian Federation Patent 2519610 C1 (2014).
5. Курнасов Е.В. Решение сложных задач управления движением приводов на основе программной среды // Автоматизация и современные технологии. 2009. № 11. С. 30–35.
6. Кушнир А.П. Моделирование процесса разгона асинхронного привода при переменной нагрузке // Вестник Московского государственного университета приборостроения и информатики. Серия: Приборостроение и информационные технологии. 2011. № 32. С. 21-27.
7. Курнасов Е.В., Селиванов С.А. Метод расчёта гидродинамических подшипников // Сборка в машиностроении и приборостроении. 2007. № 2. С. 8–9.
8. Курнасов Е.В. Метод ситуативного изменения поведения объектов АСУТП в пользовательских интерфейсах SCADA-систем // Автоматизация и современные технологии. 2014. № 4. С. 20–28.
9. Холопов В.А., Голубцов И.Н. Математическая модель управления цикловым оборудованием // Промышленные АСУ и контроллеры. 2015. № 3. С. 14-18.
10. Бугров Ю.Н., Курнасов Е.В. Преобразование аналоговых сигналов на основе цифровых процессоров и микроконтроллеров в интерфейсе многоканальных датчиков // Автоматизация. Современные технологии. 2015. № 3. С. 13–19.
11. Kurnasov E.V. Object attachment of devices in SCADA systems // Russian Engineering Research. 2013. Т. 33. № 3. С. 152–155.

References

1. Zhinkin V.B. Teorija i ustrojstvo korablja. S.-Peterburg: Sudostroenie, 2000. 336 s.
2. Kushnir A.P., Avel'chev A.E. Analiz ustrojstv upravlenija dvizheniem sudov // Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo universiteta priborostroenija i informatiki. Serija: Mashinostroenie. 2012. № 43. S. 49-54.
3. Kushnir A.P., Kuvenev A.V. Povyshenie jeffektivnosti manevrirovanija morskih i rechnyh sudov // Mezhdunarodnaja nauchno-tehnicheskaja konferencija «Informatika i tehnologii. Innovacionnye tehnologii v promyshlennosti i informatike», MNTK IVT, 2016. S. 324-327.
4. Kushnir A.P., Avel'chev A.S. Podrulivajushhee ustrojstvo. Patent RF №2519610. MPK: B63H25/00. 20.06.2014. / A.P. Kushnir, A.E. Avel’chev. Manoeuvring propulsion device. Russian Federation Patent 2519610 C1 (2014).
5. Kurnasov E.V. Reshenie slozhnyh zadach upravlenija dvizheniem privodov na osnove programmnoj sredy // Avtomatizacija i sovremennye tehnologii. 2009. № 11. S. 30–35.
6. Kushnir A.P. Modelirovanie processa razgona asinhronnogo privoda pri peremennoj nagruzke // Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo universiteta priborostroenija i informatiki. Serija: Priborostroenie i informacionnye tehnologii. 2011. № 32. S. 21-27.
7. Kurnasov E.V., Selivanov S.A. Metod raschjota gidrodinamicheskih podshipnikov // Sborka v mashinostroenii i priborostroenii. 2007. № 2. S. 8–9.
8. Kurnasov E.V. Metod situativnogo izmenenija povedenija ob''ektov ASUTP v pol'zovatel'skih interfejsah SCADA-sistem // Avtomatizacija i sovremennye tehnologii. 2014. № 4. S. 20–28.
9. Holopov V.A., Golubcov I.N. Matematicheskaja model' upravlenija ciklovym oborudovaniem // Promyshlennye ASU i kontrollery. 2015. № 3. S. 14-18.
10. Bugrov Ju.N., Kurnasov E.V. Preobrazovanie analogovyh signalov na osnove cifrovyh processorov i mikrokontrollerov v interfejse mnogokanal'nyh datchikov // Avtomatizacija. Sovremennye tehnologii. 2015. № 3. S. 13–19.
11. Kurnasov E.V. Object attachment of devices in SCADA systems // Russian Engineering Research. 2013. Т. 33. № 3. С. 152–155.