Контроль вектора тяги колесного движительного комплекса теплохода Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.5.06(07)

Л. С. Грошева, В. И. Мерзляков, С. В. Перевезенцев, В. И. Плющаев

КОНТРОЛЬ ВЕКТОРА ТЯГИ КОЛЕСНОГО ДВИЖИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ТЕПЛОХОДА

L. S. Grosheva, V. I. Merzlyakov, S. V. Perevezentsev, V. I. Plyushchayev

CONTROL OF THRUST VECTOR OF WHEEL PROPULSION SYSTEM OF THE VESSEL

Отличительной особенностью нового пассажирского судна «Сура» является его движитель-ный комплекс - два гребных колеса, расположенные на корме судна, и отсутствие традиционного руля. Управление судном осуществляется с помощью независимых электроприводов гребных колес. Меняя соотношение частот вращения гребных колес, судоводитель может осуществлять различные маневры. Для эффективного управления судном судоводителю требуется прибор, показывающий направление и величину суммарного вектора тяги. Получены выражения для величины вектора тяги и его направления, что позволило спроектировать такой прибор. Предложена структура системы контроля и отображения параметров движительного комплекса и ее реализация, смонтированная на теплоходе «Сура» и введенная в опытную эксплуатацию в навигацию 2011 г.

Ключевые слова: судно «Сура», вектор тяги, прибор контроля вектора тяги, система контроля и отображения, аппаратно-программный комплекс, частота вращения гребных колес.

A distinctive feature of a new passenger ship " Sura" is its propulsion system - two paddle wheels located at the stern of the ship, and the absence of a traditional steering wheel. Shiphandling is realized by means of independent electric drivers of paddle wheels. The navigator may implement a variety of maneuvers, changing the ratio of the rotating speed of paddle wheels. The navigator needs a device, showing the direction and value of the sum thrust vector, in order to effectively control the vessel. Expressions for the value of the thrust vector and its direction were obtained, and it allowed designing such a device. A structure of the control system and display of the propulsion system parameters and its implementation, mounted on the ship "Sura", and put into trial operation in navigation in 2011 are given in the paper.

Key words: vessel "Sura", thrust vector, thrust vector control device, control system and display, hardware and software package, rotating speed of paddle wheels.

В настоящее время строится мелкосидящий пассажирский теплоход «Сура». Его отличительной особенностью является движительный комплекс - два гребных колеса, расположенные на корме судна, и отсутствие традиционного руля. Управление судном осуществляется с помощью независимых электроприводов гребных колес. Меняя соотношение частот вращения гребных колес, судоводитель может осуществлять различные маневры.

Для эффективного управления судном судоводителю требуется прибор, показывающий направление и величину суммарного вектора тяги или упора гребных колес.

Рассмотрим различные варианты формирования общего вектора тяги для различных частот и направления вращения гребных колес.

На рис. 1 приведена схема формирования вектора тяги для случая, когда частота вращения правого колеса больше, чем частота вращения левого (n2 > n1) и оба колеса вращаются вперед.

На теплоходе «Сура» плицы имеют шевронную конструкцию, т. е. векторы тяги Pk1 и Pk2 направлены под углом а ~ 15° к диаметральной плоскости (ДП). Суммарный вектор тяги P направлен под углом у к ДП и его величина равна

(1)

где j = p- 2 -a.

Подставив ф в (1), получим

+

а

0°

а

Рис. 1. Суммарный вектор тяги судна (n2 > щ)

Из верхнего треугольника на рис. 1

\Р2 I

|P|

sin (a + g) sin (2 • a) Преобразовав (3), можно получить

1 P 2 1 sin (2 •a)

(3)

g = -a + arcsin С учетом положения оси 0° вдоль ДП судна получим

g = a - arcsin

\P\

1 P 2 1 sin (2 •a)

\P\

(4)

Аналогичным образом угол у можно выразить относительно величины | Pkl | из соотношения

IPkil = |P| .

sin (a - g) sin (2 • a)

Тогда

g = a - arcsin или, с учетом направления оси 0°, получим

g = -a + arcsin

!ÍTs,n(2 a)

^sin^ •a)

.\P\ .

(5)

Аналогично можно получить угол у для случая n2 < щ (оба колеса вращаются вперед):

g = -a + arcsin

\Pk1 \-sin (2 •a)

\Р\

Таким образом, при вращении колес вперед направление вектора тяги будет меняться в пределах -а < у < а, а его величина в пределах

0<\Р\<\Рк \>/2(1 + С08(2-а)),

где \ Рк \ - максимальное значение тяги одного колеса.

Для теплохода «Сура» а ~ 15° величина суммарного вектора тяги будет изменяться в пределах 0 < \ Р \ < 1,93 \ Рк \.

Для вычисления у в пределах ( -а, +а) можно использовать любую из формул (4), (5).

На рис. 2 представлена схема формирования вектора тяги при вращении гребных колес назад.

0°

Рис. 2. Суммарный вектор тяги судна (гребные колеса вращаются назад): а - при п2 > и1; б - при n2 < n1

Величина вектора тяги определяется по (2), а угол у можно найти из соотношения

P2 | = |P| .

sin (л + a - g) sin (л - 2 • a)

Отсюда

g = л + a - arcsin

Аналогичным образом угол у можно выразить относительно величины | Pki |:

g = л - a + arcsin

(6)

^sin^ •a)

.\P\ .

(7)

Таким образом, при вращении колес назад направление вектора тяги будет меняться в пределах л — а<у<л + а и угол у может быть вычислен по любой из формул (6), (7).

Поскольку эффективность колес при вращении назад уменьшается примерно на 10 %, величина вектора тяги будет меняться в пределах

0<\Р\< 0,9\Рк\V2fl + 008(2 а)).

На рис. 3 представлена схема формирования вектора тяги при вращении левого колеса вперед, правого назад.

Рис. 3. Суммарный вектор тяги судна при вращении левого колеса вперед, правого назад:

а - при п1 > п2; б - при п1 < п2

Величина суммарного вектора тяги будет определяться по формуле

Р = V + р2 + 21 рк 1 И рк 2 10С8(Р - 2 - а) = >/ Р* + Рк\ - 2\Рк1\-\Рк 2|ос8(2-а). (8)

Угол вектора

у = л — а — аігаїп

\Рк1 \-sin (2 - а)

\Р\

При вращении левого колеса назад, а правого вперед получим

у = 2л — а — аігаіп

ї?Г5т(2-а)

(9)

(10)

Таким образом, направление вектора тяги при противоположном вращении колес меняется в пределах а < у < л — а и л + а<у< 2л — а, а его величина - в пределах 0 <\ Р \<\ Рк \.

Выражения, полученные для величины вектора тяги и его направления, позволяют спроектировать прибор контроля вектора тяги или упора.

Для теплохода «Сура» была создана система контроля и отображения параметров движи-тельного комплекса (СКО ДК), представляющая собой аппаратно-программный комплекс для контроля и отображения необходимых судоводителю параметров. Наряду с направлением и величиной вектора упора движительного комплекса СКО ДК отображает следующие параметры:

— частоты вращения гребных колес;

— токи, потребляемые электродвигателями гребных колес;

— напряжения на электродвигателях гребных колес;

— мощности, потребляемые приводами гребных колес;

— положения гребных колес.

Перечисленные параметры движительного комплекса выводятся на монитор в виде мнемосхемы и числовых данных.

Структура СКО ДК представлена на рис. 4. Система построена на базе панельного компьютера с сенсорным экраном фирмы А^апІеоЬ ТРС-870. Компьютер по полевой шине получает информацию с частотных приводов и датчика положения гребных колес и на ее основе высчитывает величину и направление вектора упора гребных колес.

Кроме указанных параметров, СКО ДК фиксирует и отображает на мониторе аварийные сигналы, поступающие с преобразователей частоты движительного комплекса:

— короткое замыкание на выходе преобразователя частоты;

— короткое замыкание двигателя;

— короткое замыкание на землю;

— короткое замыкание модуля ЮБТ;

— короткое замыкание нагрузки;

— обрыв фазы двигателя;

— обрыв трех фаз двигателя;

— пониженное напряжение на входе преобразователя;

— перегрев преобразователя;

— срабатывание тепловой защиты из-за длительной перегрузки;

— перегрузка преобразователя частоты;

— отсутствие связи с отдельными сегментами системы.

Сообщения об авариях выводятся на монитор в мигающем красном окне.

Вид информационного окна СКО ДК представлен на рис. 5.

Рис. 4. Структура СКО ДК

Рис. 5. Информационное окно СКО ДК

СКО ДК была смонтирована на теплоходе «Сура» и введена в опытную эксплуатацию в навигацию 2011 г. (рис. 6).

Ш* 'Ж~\—™

I ^j % 1 \ \ \ вшш Шяш£ у I

Рис. 6. СКО ДК на теплоходе «Сура»

Выводы

1. Получены выражения для величины вектора тяги и его направления, что позволило спроектировать прибор контроля вектора тяги или упора.

2. Предложена структура СКО ДК и ее реализация, смонтированная на теплоходе «Сура» и введенная в опытную эксплуатацию в навигацию 2011 г.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Грошева Людмила Серафимовна - Волжская государственная академия водного транспорта; канд. техн. наук; доцент кафедры «Радиоэлектроника»; [email protected].

Grosheva Lyudmila Serafimovna - Volga State Academy of Water Transportation; Candidate of Technical Science; Assistant Professor of the Department "Radioelectronics"; [email protected].

Мерзляков Владимир Иванович - Волжская государственная академия водного транспорта; аспирант кафедры «Радиоэлектроника»; [email protected].

Merzlyakov Vladimir Ivanovich - Volga State Academy of Water Transportation; Postgraduate Student of the Department "Radioelectronics"; [email protected].

Перевезенцев Сергей Владимирович - Волжская государственная академия водного транспорта; канд. техн. наук; доцент кафедры «Радиоэлектроника»; [email protected].

Perevezentsev Sergey Vladimirovich - Volga State Academy of Water Transportation; Candidate of Technical Science; Assistant Professor of the Department "Radioelectronics"; [email protected].

Плющаев Валерий Иванович - Волжская государственная академия водного транспорта; д-р техн. наук, профессор; зав. кафедрой «Радиоэлектроника»; [email protected].

Plyushchayev Valeriy Ivanovich - Volga State Academy of Water Transportation; Doctor of Technical Science; Professor of the Department "Radioelectronics"; [email protected].