Расчет электромеханического рулевого привода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство транспорта Российской Федерации

НОВОСИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

Кафедра: Электрооборудования судов и береговых сооружений

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Дисциплина: «Судовой автоматизированный электропривод»

Тема: «Расчет электромеханического рулевого привода»

Выполнил: студент

Гр. ЭТУ-41 Лутошкин А.В

Проверил: Романов М.Н

Новосибирск 2006 г.

Задание на проектирование

Характеристика судна

Тип судна: Буксирный теплоход

Мощность: 800 л.с

Скорость хода: 3.6м/с

Тип руля: Балансирный с насадкой

Количество рулей: 2

Род тока и величина напряжения: ~ 380

Вид электропривода: Электромеханический

Система электропривода и тип ИД: АД с КЗР, двухскоростной

Схема управления: Контакторный

Кинематическая схема: Секторный двухдвигательный

Главные размерения: L=38.5м, B=8.2м, T=2.0

Введение

Главной задачей курсового проекта является расчет электромеханического привода рулевого устройства.

Правилами Речного Регистра Российской Федерации установлены следующие требования, предъявляемые к электроприводам рулевых устройств:

1. Живучесть гарантированное резервирование. Рулевое устройство должно иметь основной и запасной привод.

2. Достаточная перегрузочная способность по моменту вращения, обеспечивающая преодоление наибольших возможных моментов на баллере руля.

3. Обеспечение нормированной скорости перекладки пера руля. Полностью погруженный в воду руль должен перекладываться основным электроприводом с 35 градусов одного борта на 30 градусов другого при максимальной скорости переднего хода судна не более чем за 28 секунд.

5. Удобство и простота управления.

6. Возможность управления нескольких мест: ходовая рубка; с сигнальных мостиков; с румпельного отделения; и т.д.

7. Чёткий контроль работы электропривода. Обеспечение указателями положения пера руля с точностью до 2,5 градусов при углах перекладки более 5 градусов, а при нахождении пера руля в диаметральной плоскости точность увеличивается до 1 градуса.

8. Возможность быстрого и простого перехода с одного поста на другой, а также перевода работы рулевого устройства с основного привода на аварийный не более чем за 2 минуты.

9. Простота обслуживания и ухода.

10. Высокие экономические показатели.

баллер руль электропривод

1. Расчет моментов сопротивления на баллере руля

Для правильного выбора электродвигателя рулевого устройства необходимо знать характер изменения нагрузки на его валу. Момент на баллере руля, а, следовательно, и на валу электродвигателя, зависит от типа руля, площади пера руля и его положения относительно диаметральной плоскости судна, а также от скорости потока, набегающего на перо руля, и определяется по законам гидродинамики.

Расчётные формулы момента сопротивления на баллере балансирных рулей

Нм -при переднем ходе судна (1.1)

Нм -при заднем ходе судна (1.2)

где ,,- безразмерные гидродинамические коэффициенты для переднего и заднего хода судна.

Значения безразмерных гидродинамических коэффициентов в зависимости от угла поворота пера руля даются в учебной и справочной литературе в виде графиков или таблиц /2/.

с=1000 кг/м- массовая плотность воды,

F- площадь пера руля (м);

V- скорость потока, набегающего на перо руля (м/сек);

b- длина пера руля (м);

a- расстояние от оси баллера до передней кромки балансирных рулей (м).

Для определения площади пера одного руля можно воспользоваться следующей формулой:

 (1.3)

где n-количество рулей;

L и T- соответственно длина и осадка судна по ватерлинии (м);

м=0.06- коэффициент, определенный по данным однотипных судов, управляемость которых признана хорошей.

Для расчета моментов на баллере необходимо определить и ряд других параметров руля. Высота руля не должна превышать величину осадки судна:

(1.4)

Длина прямоугольного пера руля:

(1.5)

Относительное удлинение пера руля должно находиться в пределах 0.25?2.0 и находится по формуле:

(1.6)

Для снижения моментов на баллере необходимо выбирать перо руля с большими значениями л. Балансирные рули характеризуются значением коэффициента компенсации .

(1.7)

где -площадь балансирной части пера руля, м

Рекомендуемые значения =0.15?0.3. Расстояние от передней кромки руля до оси баллера

(1.8)

При правильном выборе коэффициента компенсации максимальный момент на баллере руля при переднем ходе должен быть примерно равен максимальному моменту на баллере при заднем ходе

(1.9)

расхождение не должно превышать 10% от большого момента.

Скорость потока при переднем ходе судна можно рассчитать по формуле:

(1.10)

где ш=0.18- коэффициент попутного потока;

в=1.12- коэффициент расширения насадки;

=3?4- коэффициент нагрузки по упору движителей в насадках;

V- скорость при переднем ходе судна , м/с.

Скорость потока при заднем ходе принимается равной 0.5?0.6 скорости судна при переднем ходе:

(1.11)

Расчет моментов на баллере руля производится для значений углов б от 0до 35через 5 градусов. При этом угол считается положительным при отклонении пера руля от диаметральной плоскости судна к борту, а от борта к ДП- отрицательным. Момент считается положительным, если он действует против движения пера руля.

Результаты вычислений, а также значения безразмерных гидродинамических коэффициентов (С, С,,) для соответствующих углов б заносятся в таблицу 1.

Таблица 1 Зависимость момента на баллере от угла перекладки пера руля

Передний ход судна	Угол перекладки руля б, градус	Задний ход судна
Гидродинамические коэффициенты	Скорость судна V, м/с	Момент на баллере Мб, Нм		Гидродинамические коэффициенты	Скорость судна V, м/с	Момент на баллере Мб, Нм
Сn	Cd				Сn	Cd
0	0	3,6	0	0	0	0	3,6	0
0,28	0,15	3,6	-352,55	5	0,4	0,32	3,6	3212
0,51	0,19	3,6	-214,05	10	0,85	0,31	3,6	4370
0,74	0,21	3,6	310,58	15	0,9	0,3	3,6	4722
0,98	0,235	3,6	1440	20	0,83	0,29	3,6	4442
1,18	0,26	3,6	2970	25	0,7	0,28	3,6	3819
1,32	0,29	3,6	4980	30	0,61	0,29	3,6	3264
1,33	0,287	3,6	4850	35	0,6	0,3	3,6	3148

Пример расчета при максимальном значении момента Мб для переднего хода судна.

При максимальном угле перекладки 35 градусов, значения гидродинамических коэффициентов равно Сn=1.33 Cd=0.287, а скорость судна равна 3.6 м/с. Значения площади пера руля, длина пера руля, расстояние от оси баллера до передней кромки балансирных рулей, скорость потока при переднем ходе судна рассчитаны выше.

Момент сопротивления на баллере балансирных рулей находится по формуле:

По результатам расчетов строим графики для переднего и заднего хода судна Мб=f(б).



Рис.1 График зависимости момента сопротивления на баллере от угла перекладки пера руля при переднем ходе судна

Рис.1.1 График зависимости момента сопротивления на баллере от угла перекладки пера руля при заднем ходе судна

2. Расчет и построение нагрузочной характеристики электродвигателя рулевого устройства

Для построения характеристики электродвигателя рулевого устройства необходимо конкретную конструкцию секторного рулевого привода для данного проекта это секторный двухдвигательный привод. В этом разделе для расчета и построения нагрузочных характеристик необходимо определить основные параметры механической передачи: общее передаточное число, КПД передачи, с учетом i и з всех звеньев передачи.

Значение общего передаточного числа рулевых машин речных судов находятся в пределах .

Общее передаточное число секторной рулевой машины будет равно /4/:

(2.1)

где - передаточное число зубчатой передачи сектора, равное 10?12;

- передаточное число червячной передачи редуктора, равное 50?60;

- передаточное число цилиндрическое передачи редуктора, равное 2.5?3

К. п. д. рулевой машины/4/:

(2.2)

где - к. п. д. роликов поддерживающих сектор, равный 0.98;

- к. п. д. зубчатой передачи сектора, равный 0.96;

- к. п. д. червячного редуктора, составляющий 0.45?0.48;

- к. п. д. цилиндрического редуктора, равный 0.95?0.96.

После установления основных параметров механической передачи строится нагрузочная характеристика электродвигателя, т. е. зависимость момента на валу электродвигателя от угла перекладки пера руля:

(2.3)

где - число рулей, приводимых в движение данным электроприводом;

- значение момента на баллере, из графика ;

- полное передаточное число и общий КПД механической передачи.

В соответствии с (2.3) максимальный момент нагрузки на двигателе равен:

(2.4)

где - максимальный момент на баллере.

Для построения нагрузочной характеристики достаточно 2-3 значений моментов и углов.

- для балансирных рулей (2.5)

- момент для покрытия потерь в механических самотормозящихся передачах (в области отрицательных моментов сопротивления).

Все другие значения момента на валу электродвигателя определяются по формуле (2.3).

Таблица 2 Зависимость момента на валу электродвигателя от угла перекладки пера руля

Угол перекладки руля б, градус	-35	12	30	35
Момент на валу электродвигателя Мд, Нм	2,68	2,68	10,75	10,45

Нагрузочная характеристика электродвигателя строится для переднего хода судна.

Рис.2.1 График зависимости момента сопротивления на валу электродвигателя от угла поворота пера руля при переднем ходе судна.

3. Расчет мощности электродвигателя

Номинальный момент может быть определен по перегрузочной способности электродвигателя

 (3.1)

где - максимальный момент нагрузки электродвигателя от баллера руля;

- перегрузочная способность асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором 2.0?2.5.

С учетом необходимости наличия избыточного момента при пуске электродвигателя в положениях пера руля, близких к и возможного снижения напряжения сети на 10%.

(3.2)

где 1,5- кратность избыточного момента

0,95- коэффициент, учитывающий допуск по моменту.

Средняя скорость электродвигателя с жесткой характеристикой, обеспечивающего перекладку руля с борта на борт в заданное время:

(3.3)

где - максимальный угол перекладки пера руля, град;

- полное передаточное число рулевого устройства;

- время перекладки пера руля с борта на борт, с.

По требованиям Речного Регистра РСФСР это время не должно превышать 30с. В расчетах это время принимается на 1.5-2с меньше, чтобы учесть разгон двигателя в начальной стадии.

Номинальная угловая скорость двигателя

(3.4)

где - средняя угловая скорость электродвигателя.

Номинальная мощность электродвигателя определяется по выражению:

(3.5)

где - номинальный момент электродвигателя, Нм

- номинальная угловая скорость электродвигателя, рад/с

Электродвигатель выбирается по каталогу по номинальной угловой скорости и номинальной мощности в тридцатиминутном режиме работы (или для ПВ=25%).

Рекомендуется выбирать асинхронные электродвигатели динамических режимов работ (серии МАП, АС).

Выбранный двигатель: МАП 121-4/8 ОМ1

Таблица 3 Технические характеристики выбранного двигателя

Число полюсов	Мощность, кВт	Режим работы, % ПВ	Частота вращения, об/мин	Линейный ток, А	cosц	Максимальный момент, Нм	Пусковой момент, Нм	Пусковой ток	Маховый момент, кгм
				220, В	380, В				220, В	380, В	без тормозов	с тормозом
4,00	1,30	40,00	1385,00	6,80	3,90	0,73	28,40	28,40	29,50	17,00	0,07	0,11
8,00	0,80	15,00	635,00	6,60	3,80	0,68	23,50	23,50	14,00	8,10

Для выбранного двигателя строим механические характеристики n=f(М) или щ=f(М) по формуле Клосса:

(3.6)

где - критический момент двигателя;

S- текущее значение скольжения электродвигателя;

Sк- скольжение, соответствующее критическому моменту;

При помощи этой формулы строим механическую характеристику электродвигателя.

Рис 3.1 Механическая характеристика выбранного электродвигателя

4. Расчет характеристики динамического торможения

Для точной остановки двигателя должно быть предусмотрено его динамическое торможение. При напряжении постоянного тока подводится к любой из статорных обмоток. Переход на характеристику динамического торможения осуществляется с низшей скорости.

Рис 4.1 Схема подключения обмотки статора к источнику постоянного тока в режиме динамического торможения

Величина постоянного тока определяется по формуле

Величина эквивалентного тока обычно задаются

Номинальное значение тока холостого хода двигателя определяется по формуле

(4.1)

где - номинальный коэффициент мощности двигателя;

- критическое скольжение.

Максимальное значение тормозного момента определяется по формуле

(4.2)

где - номинальное фазное напряжение питающей сети переменного тока;

- синхронная частота вращения электродвигателя;

- номинальное значение тока холостого хода двигателя;

- эквивалентный ток.

Величина тока ротора приведенного к статору определяется по формуле

(4.3)

где - ток ротора приведенного к статору.

Величина сопротивление ротора, приведенное к обмотке статора определяется по формуле:

(4.4)

где - синхронная частота вращения электродвигателя;

Относительная скорость рассчитывается по формуле:

(4.5)

где - сопротивление ротора, приведенное к обмотке статора, Ом

Характеристика динамического торможения строится по формуле Клосса:

(4.6)

где - текущее значение относительной скорости;

- максимальное значение тормозного момента.

- относительная скорость, при котором значение тормозного момента максимальное.

Далее идет построение характеристики динамического торможения



Рис 4.2 Динамическое торможение асинхронного двигателя с коротко замкнутым ротором

5. Проверка двигателя на допустимое число включений в час

Выбранный двигатель проверяется на допустимое число включений в час при удержании судна на курсе. Для многоскоростных двигателей эта проверка производится при включении их на низшую скорость.

Мощность полных потерь в номинальном режиме:

(5.1)

где - номинальная мощность электродвигателя, кВт

- номинальный КПД электродвигателя.

Потери за один пуск:

(5.2)

где - момент инерции двигателя

- синхронная угловая скорость двигателя, рад/с

- электрические потери в обмотке статора в номинальном режиме, Вт

- кратность пускового тока и пускового момента двигателя.

Сопротивление статора рассчитывается по формуле:

(5.4)

где - полное сопротивление статора;

Полное сопротивление статора можно найти из выражения:

(5.5)

где - фазное напряжение

Электрические потери в цепи статора:

(5.6)

где 1.24- коэффициент, учитывающий нагрев обмоток статора;

- номинальный ток фазы статора, А;

- сопротивление фазы статора при температуре 20С, Ом.

Допустимое для двигателя число включений в час:

(5.7)

где - суммарные потери в номинальном режиме, Вт;

- потери за один пуск двигателя в холостую, Дж.

6. Расчет переходных процессов

Графики переходных процессов электропривода рулевого устройства строятся для случая хода судна по курсу, т.е для изменения угла перекладки пера руля от 0до 6?7.

(6.1)

- для разгона; (6.2)

- для торможения; (6.3)

где - механическая характеристика двигателя в двигательном и тормозном режимах;

- характеристика момента сопротивления при разгоне от б=0 до б=(6?7).

Зависимость, связывающая время разгона и приращение угловой скорости:

 (6.4)

где - среднее значение динамического момента на участке от до ;

- приращение угловой скорости на каждом участке.

График изменения момента во времени строится исходя из полученной кривой . Кривые переходных процессов видно на рис 1

Рис 6.1 Переходные процессы при разгоне электродвигателя рулевого устройства



Рис 6.1 Переходные процессы при торможении электродвигателя рулевого устройства

7. Выбор элементов схемы

Автоматический выключатель служит для отключения электрических цепей при коротких замыканиях: Тип: АП15, IН = 15А; Uн =380В, число полюсов равно трём время отключения равно 0,02с.

Реле электротепловое серии ТРT, двухполюсное с номинальным током тепловых расцепителей 45А. Максимальный ток 50А.

Контакторы используются в системах управления электроприводами для включения и отключения приемников электрических элементов.

Контактор КМ1. Тип КНТ026-М, IН = 10А; UН =220В, четыре замыкающих контакта и два размыкающих.

Контактор КМ2. Тип КНТ026-М: исполнение по количеству контактов главной цепи: 4-е замыкающих и 2-а замыкающих; коммутируемый ток 10А.

Контактор КМ3. Тип КНТ026-М: исполнение по количеству контактов главной цепи: три замыкающих и один размыкающий; коммутируемый ток 10А.

Контактор КМ4 тоже что и контактор КМ1

Предохранители FU предназначены для зашиты цепей от КЗ и недопустимых перегрузок. Тип ПДСЙЙ - предназначены для зашиты цепей управления переменного тока с напряжением до 380В. Номинальный ток патрона 15А; ток плавкой вставки 15А.

Лампочки HL на мощность 15Вт.

Кнопка: Тип КУ - 120, IН = 4А; UН =220В.

Трансформатор TV, выбираем понижающий 220/110 мощностью 1.2кВА, тип: ТС - 260 У.

Выберем диоды для диодного моста: выбираем диоды в зависимости от прямого тока и обратного напряжения.

ВК25 Iн=25А, UОБР. = 50 В, f = 50 Гц.

Реле времени тип РЭМ222 номинальное напряжение 220В, время срабатывания 0.4с.

Диод для цепи управления ВК15 Iн=15 Uн=220.

Реле промежуточное РЭМ232 Uн=220В.

Конечный выключатель КУ 740Т Iн=10А.

Командоконтролер КВ 1121 Iдоп=25А ПВ=25% Uн=220В контактов четыре; Число положений пять.

Таблица 7 Паспортные данные сельсинной пары

Сельсин датчик

Сельсин приёмник

Тип

UПИТ, В

IПОТ, А

f, Гц

РПОТР, Вт

UВТОР, В

Тип

UПИТ, В

IПОТ, А

f, Гц

РПОТР, Вт

UВТОР, В

БД-404А

110

0,4

50

16

49

БС-404А

110

0,4

50

16

49

Описание работы схемы

Силовая часть схемы включает: асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором М; автоматический воздушный выключатель QF; тепловые реле КК1-КК4; силовые контакты линейных контакторов направления вращения двигателя КМ1.1 - КМ1.3, КМ2.1 - КМ2.3; силовые контакты линейных контакторов скорости вращения двигателя КМ3.1 - КМ3.3, КМ4.1 - КМ4.3. Цепь управления включает в себя: командоконтроллер S, имеющий одно нейтральное положение, два вправо и два влево; линейные контакторы направления вращения двигателя КМ1 - КМ2, контакторы скорости вращения двигателя КМ3 - КМ4;

В схеме предусмотрено динамическое торможение, которое осуществляется подачей постоянного тока на две фазы электродвигателя М. Для выпрямления переменного тока в схеме установлен диодный мост VD1 - VD4.

Также в схеме предусмотрена конечная защита (конечные выключатели SQ1, SQ2) и защита цепей управления от тока короткого замыкания ( предохранители FU1-FU4).

При нейтральном положении рукоятки командоконтроллера S двигатель не работает.

В первом положении «Вправо» замкнется контакт S1.1 и S1.3 следовательно получит питание катушка контактора КМ1, которая замкнет свои контакты в силовой цепи КМ1.1 - КМ1.3, установив тем самым направление вращения двигателя, и разомкнет свой контакт КМ1.4 в цепи контактора КМ2 и контакт КМ1.5 в цепи контактора КМ5 для преждевременного динамического торможения.

Одновременно через контакт S1.3 получит питание катушка контактора КМ3, которая замкнет свои контакты КМ3.1 - КМ3.3 в силовой цепи и разомкнёт контакт КМ3.4 в цепи контактора КМ4. Двигатель начинает работать на первой скорости.

При повороте рукоятки командоконтроллера S во второе положение «вправо» через контакт S1.4 получит питание катушка контактора КМ4, которая разомкнёт свой контакт КМ4.5 в цепи контактора КМ3 и замкнёт контакты КМ4.1 - 4.3 в силовой цепи. Двигатель работает на второй скорости. При переводе рукоятки командоконтроллера в положение «0» обесточиваются катушки контакторов КМ1 и КМ4, которые разомкнут свои контакты в силовой цепи; двигатель вращается по инерции, также получает питание катушка реле времени КТ, которая с выдержкой времени замкнёт свой контакт КТ в цепи контактора К5, а тот в свою очередь замкнёт свои контакты КМ5.1 - КМ5.2. Таким образом осуществляется динамическое торможение. Положение «Влево» рассматривается аналогично.

На принципиальной электрической схеме показан только один электродвигатель так как второй по условию работает как аварийный, следовательно, система управления для него будет такой же как и для первого.

Кабельный журнал

В кабельном журнале отслеживается, откуда и куда поступает сигнал, а также протекает ток. КНР - кабель с резиновой изоляцией в оболочке из маслостойкой резины, не распространяющей горение соответствующие нагреву токопроводящей жилы до 65С и температуре окружающего воздуха 40С.

№ п/п	Наименование трассы	Ток нагрузки, А	Сечение жил кабеля, мм2	Марка кабеля	Длинна кабеля, м	Допустимый ток кабеля, А
1	ПУ - МС	<22	4 ? 1	КНР	90	28
2	ПУ - МС	<12	2 ? 1	КНР	90	14
3	ПУ - БКВ	<14	2 ? 1	КНР	10	17
4	ПУ - БКВ	<14	2 ? 1	КНР	10	17
5	ПУ - БКВ	<14	2 ? 1	КНР	10	17
6	ГРЩ - МС	<21	3 ? 1	КНР	10	24
7	БКВ - МС	<12	2 ? 1	КНР	10	14
8	БКВ - МС	<12	2 ? 1	КНР	10	14
9	БКВ - МС	<12	2 ? 1	КНР	10	14
10	БКВ - МС	<12	2 ? 1	КНР	10	14
11	БКВ - МС	<12	2 ? 1	КНР	10	14
12	ВС - ВЕ	<17	3 ? 1	КНР	90	20
13	ВС - ПУ	<12	2 ? 1	КНР	20	14
14	М5 - МС	<17	3 ? 1	КНР	30	20
15	М5 - МС	<17	3 ? 1	КНР	30	20
16	М5 - МС	<12	2 ? 1	КНР	30	14
17	М4 - МС	<17	3 ? 1	КНР	30	20
18	М4 - МС	<17	3 ? 1	КНР	30	20
19	М4 - МС	<12	2 ? 1	КНР	30	14
20	BE - MC	<12	2 ? 1	КНР	20	14

Заключение

В данном курсовом проекте был рассчитан секторный двухдвигательный привод с асинхронным двухскоростным двигателем с К.З. ротором.

На основании расчета нагрузочных характеристик электродвигателя рулевого устройства электромеханического типа и расчета мощности исполнительного двигателя был выбран двигатель серии МАП, также была проведена проверка двигателя на допустимое число включений, и.т.д.

Достоинства электроприводов по сравнению с электрогидравлическими - простота устройства и обслуживания, дешевизна, отсутствие сложных масляных схем, и низкая пожароопасность. Недостатками их являются большой вес и габариты, износ зубчатых частей, низкая ударостойкость и износостойкость, что приводит к снижению надёжности передаточного механизма и всего рулевого электропривода.

Список литературы

1. Кузьменков О.П. , Гросс В.Ю., Палагушкин Б.В. «Расчёт электромеханических и электрогидравлических рулевых приводов. Методическое пособие по курсовому проектированию для студентов специальности 2105 «Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов» очного и заочного форм обучения»: Новосибирск - 1993г.- с. 66.

2. Кагановский М.С. Теория и устройство судов. (Расчеты и задачи). Изд. «Транспорт», 1968 г., 1- 192.

3. Кузьменков О.П. и Конопелько О.К. «Альбом схем и характеристик по электрооборудованию судов и береговых сооружений»: Новосибирск - 1979г.- с. 66.

4. Шмаков М. Г. Судовые устройства. Изд-во " Транспорт", 1971 г.,стр1-304.

5. Чиликин М.Г. и др. Общий курс электропривода. М.: Энергоиздат, 1981.

Размещено на Allbest.ru