СУДОВОЙ БЛОК УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТОЙ ВРАЩЕНИЯ И МОЩНОСТЬЮ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ Российский патент 2023 года по МПК B63H23/24 B63H21/17 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области судостроения, в частности к судовому блоку управления частотой вращения и мощностью электродвигателя со встроенным машинным телеграфом, предназначенному для дистанционной передачи команд от оператора в машинное отделение и обратно.

Уровень техники

Первые машинные телеграфы, предназначенные для передачи команд с капитанского (ходового) мостика в машинное отделение и обратно появились в эпоху парового флота. Команды, передаваемые оператором машинного телеграфа, служат для сигнализации о запросе на изменение режима работы судовой силовой установки и передачи ответов об их исполнении. Современный блок управления со встроенным машинным телеграфом представляет собой электромеханическое устройство, которое может входить в систему связанных с помощью потенциометров блоков управления (постов), причем в состав каждого блока управления входят задатчик частоты вращения и мощности электродвигателя (в том числе рукоять оператора) и две стрелки - указатель заданного положения машинного телеграфа и указатель фактического положения машинного телеграфа. Рукоять оператора (и соответственно имеющий с ней жесткую связь указатель заданного положения машинного телеграфа) имеет одиннадцать фиксированных положений, которые нанесены на шкалу и отражают необходимый режим работы двигателя судна (Вперед самый полный, Вперед полный, Вперед средний, Вперед малый, Вперед самый малый, Стоп, Назад самый малый, Назад малый, Назад средний, Назад полный, Назад самый полный), при этом шкала имеет цветовую индикацию направления хода судна. Для передачи команды на двигатель (в машинное отделение) оператор устанавливает рукоять в требуемое положение, при этом указатель заданного положения машинного телеграфа перемещается вместе с рукоятью. На набор (сброс) заданной частоты вращения и мощности электродвигателя необходимо некоторое время. Поэтому указатель фактического положения машинного телеграфа будет постепенно перемещаться до положения указателя заданного положения машинного телеграфа, пока не сравняется с ним. В настоящее время такие приборы используются в основном на ледоколах.

Судовой блок управления частотой вращения и мощностью электродвигателя конструктивно состоит из следующих основных частей:

• механическая часть, включающая в себя несущий корпус, рукоять оператора, а также набор из зубчатых и ременных передач и тормозной механизм;

• электрическая часть, включающая в себя задатчик частоты вращения и мощности электродвигателя, указатель заданного положения машинного телеграфа, шаговый электродвигатель синхронизации положения рукояти, подключенной совместно со смежными блоками управления, резистор обратной связи, шаговый электродвигатель синхронизации указателя фактического положения машинного телеграфа с резистором обратной связи;

• лицевая панель, включающая в себя светонепроницаемый корпус, прозрачный защитный корпус и шкалу, оснащенную подсветкой.

В уровне техники известны блоки управления частотой вращения и мощностью электродвигателя со встроенным машинным телеграфом, например, блок управления «BUK-В» компании «Kwant Controls», применяемый в частности на серии российских универсальных двухосадочных атомных ледоколов проекта 22220 типа «Арктика» (ЛК-60Я).

Недостатком существующего блока управления «BUK-В» компании «Kwant Controls» является невозможность оценки износа механизма крепления рукояти на валу исполнительного механизма, что в свою очередь может повлечь за собой некорректную передачу команд от оператора к исполнителю. В первую очередь повышение износа обусловлено высокими контактными напряжениями в месте фиксации ведущего зубчатого колеса на исполнительном валу. В указанном техническом решении зубчатое колесо крепят при слесарной сборке с помощью фрикционного соединения, а именно посредством зажатия винтом, что осложняет процедуру контроля усилия затяжки. При этом тормозной механизм, входящий в зацепление с ведущим зубчатым колесом, от перемещений, связанных с вибрациями, возникающими на командном посту оператора, подвержен ослаблению усилия прижатия к плоскости ведущего зубчатого колеса за счет погрешности при проведении сборочных операций. Кроме того, указанный блок управления отличается низкой ремонтопригодностью конструкции вследствие использования резьбовых соединений в деталях из ударопрочного полистирола, что влечет за собой невозможность гарантировать прочность резьбового соединения после повторной сборки; при этом световая панель и прозрачный корпус закреплены на несущем корпусе с помощью клеящих материалов, что делает невозможным повторную сборку с сохранением заявленных требований устойчивости к внешним воздействующим факторам, в частности к повышенной влажности и уровню освещенности шкалы, на месте эксплуатации.

Раскрытие сущности изобретения

Ввиду вышеуказанного, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить блок управления частотой вращения судового электродвигателя, лишенный вышеперечисленных недостатков существующих решений уровня техники.

Согласно изобретению предложен судовой блок управления частотой вращения и мощностью электродвигателя, включающий в себя встроенный машинный телеграф для передачи из ходовой рубки судна в машинное отделение и обратно команд на изменение режима работы электродвигателя.

Указанный блок управления содержит корпус, включающий в себя несущую часть корпуса, расположенную ниже уровня панели оператора судна, в которую встроен блок управления, и светонепроницаемую и прозрачную части корпуса, выполненные из пластика и образующие лицевую панель, закрепленную на панели оператора, причем несущая часть корпуса, по существу, висит на лицевой панели за счет прикрепления посредством винтовых соединений к светонепроницаемой части корпуса.

Также блок управления содержит задатчик частоты вращения и мощности электродвигателя, включающий в себя рукоять оператора, жестко соединенную с валом машинного телеграфа, который, в свою очередь, связан с исполнительным механизмом посредством по меньшей мере одного зубчатого колеса и набора ременных передач.

В блоке управления предусмотрен тормозной механизм, предотвращающий возможность самопроизвольного поворота задатчика и выполненный с возможностью прижатия к зубчатому колесу, жестко закрепленном на валу.

Блок управления также содержит указатель заданного положения машинного телеграфа, жестко соединенный с рукоятью оператора посредством вала машинного телеграфа, для визуального отображения оператору на шкале машинного телеграфа заданного положения машинного телеграфа, соответствующего заданной частоте вращения и мощности электродвигателя, и указатель фактического положения машинного телеграфа для визуального отображения оператору на шкале машинного телеграфа фактического положения машинного телеграфа, соответствующего фактической текущей частоте вращения и мощности электродвигателя.

При этом исполнительный механизм включает в себя шаговый электродвигатель синхронизации задатчика, шаговый электродвигатель синхронизации указателя фактического положения машинного телеграфа, потенциометр прямой связи и потенциометр обратной связи.

Шаговый электродвигатель синхронизации задатчика предназначен для синхронизации положения рукояти указанного блока управления с другим связанным с ним блоком управления, если положение рукояти на последнем было изменено.

Шаговый электродвигатель синхронизации указателя фактического положения машинного телеграфа предназначен для синхронизации положения указателя фактического положения с фактической текущей частотой и мощностью электродвигателя.

Потенциометр прямой связи выполнен с возможностью преобразования приходящего на него механического перемещения задатчика в значение электрического сигнала текущего положения задатчика и с возможностью передачи указанного значения на шаговые электродвигатели синхронизации задатчиков других блоков управления, связанных с указанным блоком управления, через их потенциометры прямой связи, причем потенциометр прямой связи также выполнен с возможностью приема электрического сигнала текущего положения задатчика от другого блока управления, связанного с указанным блоком управления, и передачи его на шаговый электродвигатель синхронизации задатчика указанного блока управления.

Потенциометр обратной связи выполнен с возможностью приема электрического сигнала фактической текущей частоты и мощности электродвигателя и передачи его на шаговый двигатель синхронизации указателя фактического положения.

Судовой блок управления частотой вращения и мощностью электродвигателя в соответствии с настоящим изобретением отличается тем, что для уменьшения погрешности повторяемости частоты вращения и мощности, возвращаемой электродвигателем в ответ на частоту вращения и мощность, задаваемую посредством задатчика, указанное зубчатое колесо, соединяющее вал машинного телеграфа с исполнительным механизмом, прикреплено к валу посредством шпоночного соединения. При этом тормозной механизм выполнен в виде двух тормозных блоков, расположенных на расстоянии друг от друга, каждый из которых содержит прижимной диск, выполненный из упругого материала, имеющего высокий коэффициент трения при вхождении в зацепление с зубчатым колесом, и предназначенный для прижатия к зубчатому колесу одной своей плоской стороной, бобышку, прикрепленную к корпусу, в которой зафиксирована вторая плоская сторона прижимного диска и выполнена резьба для ввинчивания в нее прижимного болта, обеспечивающего прижим прижимного диска к поверхности зубчатого колеса, при этом толщина прижимного диска и длина прижимного болта выбраны таким образом, чтобы иметь возможность компенсации износа упругого материала прижимного диска и настройки усилия прижатия прижимного диска в широком диапазоне и в течение длительного времени эксплуатации блока управления посредством завинчивания прижимного болта.

В одном варианте осуществления изобретения в качестве упругого материала, имеющего высокий коэффициент трения при вхождении в зацепление с зубчатым колесом, выбран полимерный материал, в частности полиуретан.

В другом варианте осуществления изобретения для надежного прикрепления несущей части корпуса к лицевой панели, в светонепроницаемый корпус вмонтированы резьбовые бобышки из алюминиевого сплава, которые закреплены в лицевой панели в процессе ее отливки с помощью установочного кондуктора, что обеспечивает повторяемость межосевых размеров для уменьшения трудоемкости при последующей сборке.

Краткое описание чертежей

Ниже изобретение раскрыто более подробно со ссылкой на чертежи, на которых показаны:

Фиг. 1 - общий вид сбоку судового блока управления частотой вращения и мощностью электродвигателя;

Фиг. 2 - общий вид спереди судового блока управления частотой вращения и мощностью электродвигателя;

Фиг. 3 - фрагмент разреза судового блока управления частотой вращения и мощностью электродвигателя по линии А-А с фиг. 1, на котором показано шпоночное соединение вала машинного телеграфа с ведущим зубчатым колесом в цепи;

Фиг. 4 - фрагмент разреза судового блока управления частотой вращения и мощностью электродвигателя по линии Б-Б с фиг.1, на котором показан тормозной механизм.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 и 2 показан общий вид судового блока управления частотой вращения и мощностью электродвигателя. Лицевая панель 1 служит для крепления блока управления в пульте управления, визуального отображения положения указателей и является основным элементом для взаимодействия с оператором. Механическая часть 2 включает в себя несущий корпус с установленными в нем зубчатыми и ременными передачами, которые служат для обеспечения работоспособности и синхронной работы шаговых двигателей 7 и потенциометров. Кроме того, механическая часть 2 включает в себя рукоять 6 оператора для передачи команды от оператора на исполнительный механизм, вал 5 машинного телеграфа, жестко соединенный с рукоятью 6 оператора, и тормозной механизм 4, предотвращающий возможность самопроизвольного поворота рукояти оператора вместе с валом.

Электрическая часть 3 включает в себя два исполнительных механизма 9, включающих в себя шаговые двигатели 7 синхронизации и потенциометры. Первый исполнительный механизм передает управляющий сигнал на двигатель (в машинное отделение), а второй исполнительный механизм служит для синхронизации и приема ответа о выполненных командах.

На фиг. 3 показан фрагмент разреза судового блока управления частотой вращения и мощностью электродвигателя, на котором показано шпоночное соединение 10 вала 5 машинного телеграфа с ведущим зубчатым колесом 8. Шпоночное соединение 10 обеспечивает точность позиционирования и полную согласованность перемещений рукояти 6 оператора и указателя заданного положения машинного телеграфа, а также зубчатого колеса 8, связанного с исполнительным механизмом 9, включающим в себя шаговые двигатели 7 синхронизации и потенциометры. Данное решение устраняет возможность проскальзывания зубчатого колеса 8 на валу 5 машинного телеграфа и не подвержено износу от высоких контактных напряжений, возникающих в случае фрикционного соединения как в прототипе. Показанное шпоночное соединение 10 также служит для уменьшения погрешности повторяемости частоты вращения, возвращаемой судовым электродвигателем в ответ на частоту вращения и мощность, задаваемые посредством задатчика.

На фиг. 4 показан тормозной механизм, служащий для торможения зубчатого колеса 8, жестко соединенного с валом 5 машинного телеграфа и рукоятью 6 оператора, соответственно. Тормозной механизм выполнен в виде двух тормозных блоков, расположенных на расстоянии друг от друга, каждый из которых включает в себя прижимной диск 11, обеспечивающий надежное фрикционное торможение (но не жесткую блокировку) ведущего зубчатого колеса 8, бобышку 12 с резьбовым соединением, служащим для ввинчивания в нее прижимного болта 13, обеспечивающего прижатие прижимного диска 11 к зубчатому колесу 8, причем прижимной болт 13 также защищает тормозной механизм от ослабления усилия прижатия. При начальной настройке судового блока управления частотой вращения и мощностью электродвигателя со встроенным машинным телеграфом, тормозные блоки устанавливают в положение, в котором достигается фиксация рукояти 6 оператора от действия вибраций и прочих нештатных воздействий на блок управления. Установку производят путем поджатия прижимного диска 11 к зубчатому колесу 8 посредством прижимного болта 13, проходящего через резьбовую бобышку 12. При этом широкий диапазон регулировки прижатия позволяет добиться плотного контакта по всей ширине поверхности прижимного диска. Усилие прижатия, возникающее после настройки тормозного механизма, позволяет добиться статичного положения рукояти 6 оператора при внешних воздействиях и устранить ошибочные команды для машинного отделения.

Для проверки реализации изобретения был изготовлен опытный образец судового блока управления частотой вращения и мощностью электродвигателя со встроенным машинным телеграфом. В результате изготовления было подтверждено, что предлагаемые идеи позволили существенно повысить ремонтопригодность, удобство сборки и монтажа изделия.

Проведенные испытания позволяют констатировать, что судовой блок управления частотой вращения и мощностью электродвигателя со встроенным машинным телеграфом согласно изобретению удовлетворяет требованиям «Правил классификации и постройки морских судов 2022 г.» и «Правилам технического наблюдения за постройкой судов и изготовлением материалов для судов». Также достигнуты целевые показатели по точности позиционирования блока управления, требованиям устойчивости к вибрационным нагрузкам (в том числе на резонансных частотах) и устойчивости к климатическим факторам (при температуре окружающей среды (55±2)°С и относительной влажности (95±5)%)

После проведения всего комплекса испытаний работоспособность блока управления подтверждена в условиях эксплуатации, таких как:

• Температура (25±10)°С

• Относительная влажность воздуха (60±30)%

• Атмосферное давление (96±10) кПа

Изобретение относится к области судостроения, а именно к судовому блоку управления частотой вращения и мощностью электродвигателя со встроенным машинным телеграфом, предназначенному для дистанционной передачи команд от оператора в машинное отделение и обратно. Для уменьшения погрешности повторяемости частоты вращения и мощности, возвращаемой электродвигателем в ответ на частоту вращения и мощность, задаваемую посредством задатчика, зубчатое колесо, соединяющее вал машинного телеграфа с исполнительным механизмом, прикреплено к валу посредством шпоночного соединения. Тормозной механизм, предотвращающий возможность самопроизвольного поворота задатчика, выполнен в виде двух тормозных блоков, расположенных на расстоянии друг от друга, каждый из которых содержит прижимной диск, выполненный из упругого материала, имеющего высокий коэффициент трения при вхождении в зацепление с зубчатым колесом, и предназначенный для прижатия к зубчатому колесу одной своей плоской стороной, бобышку, прикрепленную к корпусу, в которой зафиксирована вторая плоская сторона прижимного диска и выполнена резьба для ввинчивания в нее прижимного болта, обеспечивающего прижим прижимного диска к поверхности зубчатого колеса. Достигается повышение ремонтопригодности, удобство сборки и монтажа изделия. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Судовой блок управления частотой вращения и мощностью электродвигателя, включающий в себя встроенный машинный телеграф для передачи из ходовой рубки судна в машинное отделение и обратно команд на изменение режима работы электродвигателя, содержащий:

- корпус, включающий в себя несущую часть корпуса, расположенную ниже уровня панели оператора судна, в которую встроен блок управления, и светонепроницаемую и прозрачную части корпуса, выполненные из пластика и образующие лицевую панель, закрепленную на панели оператора, причем несущая часть корпуса, по существу, висит на лицевой панели за счет прикрепления посредством винтовых соединений к светонепроницаемой части корпуса;

- задатчик частоты вращения и мощности электродвигателя, включающий в себя рукоять оператора, жестко соединенную с валом машинного телеграфа, который, в свою очередь, связан с исполнительным механизмом посредством по меньшей мере одного зубчатого колеса и набора ременных передач;

- тормозной механизм, предотвращающий возможность самопроизвольного поворота задатчика и выполненный с возможностью прижатия к зубчатому колесу, жестко закрепленном на валу;

- указатель заданного положения машинного телеграфа, жестко соединенный с рукоятью оператора посредством вала машинного телеграфа, для визуального отображения оператору на шкале машинного телеграфа заданного положения машинного телеграфа, соответствующего заданной частоте вращения и мощности электродвигателя;

- указатель фактического положения машинного телеграфа для визуального отображения оператору на шкале машинного телеграфа фактического положения машинного телеграфа, соответствующего фактической текущей частоте вращения и мощности электродвигателя;

при этом исполнительный механизм включает в себя:

- шаговый электродвигатель синхронизации задатчика для синхронизации положения рукояти указанного блока управления с другим связанным с ним блоком управления, если положение рукояти на последнем было изменено;

- шаговый электродвигатель синхронизации указателя фактического положения машинного телеграфа для синхронизации положения указателя фактического положения с фактической текущей частотой и мощностью электродвигателя;

- потенциометр прямой связи, выполненный с возможностью преобразования приходящего на него механического перемещения задатчика в значение электрического сигнала текущего положения задатчика и с возможностью передачи указанного значения на шаговые электродвигатели синхронизации задатчиков других блоков управления, связанных с указанным блоком управления, через их потенциометры прямой связи, причем потенциометр прямой связи также выполнен с возможностью приема электрического сигнала текущего положения задатчика от другого блока управления, связанного с указанным блоком управления, и передачи его на шаговый электродвигатель синхронизации задатчика указанного блока управления;

- потенциометр обратной связи, выполненный с возможностью приема электрического сигнала фактической текущей частоты и мощности электродвигателя и передачи его на шаговый двигатель синхронизации указателя фактического положения;

отличающийся тем, что

для уменьшения погрешности повторяемости частоты вращения и мощности, возвращаемой электродвигателем в ответ на частоту вращения и мощность, задаваемую посредством задатчика, указанное зубчатое колесо, соединяющее вал машинного телеграфа с исполнительным механизмом, прикреплено к валу посредством шпоночного соединения;

при этом тормозной механизм выполнен в виде двух тормозных блоков, расположенных на расстоянии друг от друга, каждый из которых содержит прижимной диск, выполненный из упругого материала, имеющего высокий коэффициент трения при вхождении в зацепление с зубчатым колесом, и предназначенный для прижатия к зубчатому колесу одной своей плоской стороной, бобышку, прикрепленную к корпусу, в которой зафиксирована вторая плоская сторона прижимного диска и выполнена резьба для ввинчивания в нее прижимного болта, обеспечивающего прижим прижимного диска к поверхности зубчатого колеса, при этом толщина прижимного диска и длина прижимного болта выбраны таким образом, чтобы иметь возможность компенсации износа упругого материала прижимного диска и настройки усилия прижатия прижимного диска в широком диапазоне и в течение длительного времени эксплуатации блока управления посредством завинчивания прижимного болта.

2. Блок управления по п.1, отличающийся тем, что в качестве упругого материала, имеющего высокий коэффициент трения при вхождении в зацепление с зубчатым колесом, выбран полимерный материал, в частности полиуретан.

3. Блок управления по любому пп.1 или 2, отличающийся тем, что для надежного прикрепления несущей части корпуса к лицевой панели, в светонепроницаемый корпус вмонтированы резьбовые бобышки из алюминиевого сплава, которые закреплены в лицевой панели в процессе ее отливки с помощью установочного кондуктора, что обеспечивает повторяемость межосевых размеров для уменьшения трудоемкости при последующей сборке.