Спасательная шлюпка с устройством для обеспечения ее хода
LIFEBOAT WITH DEVICE ENSURING ITS COURSE

Заявляемое техническое решение относится к области судостроения, в частности к плавающим спасательным средствам – шлюпкам и плотам, в том числе спасательным, и касается их ходовых механизмов, а именно – привода ходового винта.
Известна спасательная шлюпка с устройством для обеспечения ее хода (см. патент № 2479462, опубликован 20.04.2013 в Бюл. № 11). Она снабжена ходовым винтом, вал которого связан через систему зубчатых колес с люлькой. Люлька имеет сиденья для пассажиров и закреплена на радиальных стержнях, свободно подвешенных, с возможностью циклических колебаний люльки на полуосях, установленных на опорах, жестко связанных с корпусом шлюпки, на угол ±α, при ее килевой качке на волнах.
Кроме того, известна спасательная шлюпка с гидроволновым движителем (см. патент № 2603812, опубликован 10.08.2015 в Бюл. № 22). Она состоит из люльки с сиденьями для пассажиров, которая имеет возможность циклических колебаний на угол ±α при килевой качке шлюпки на волнах. Торцы люльки совмещены с вертикальными дуговыми секторами. Центры дуговых секторов связаны с горизонтальной осью ее колебания, которая размещена поперек корпуса шлюпки. В опорах на боковых сторонах люльки установлены опорные колеса с возможностью свободного вращения на жестко связанных с ними осях, а за счет устойчивой ориентации к центру Земли центра масс люльки, она расположена горизонтально с возможностью свободного качения на опорных колесах по установленным вдоль оси шлюпки вогнутым дуговым направляющим, вертикальная ось которых связана с центром ее массы. Оси опорных колес кинематически связаны с валами роторов электрогенераторов, которые закреплены на люльке.
Недостатком обоих представленных технических решений – аналогов является совсем немалая опасность получить серьезные травмы, которой подвергаются спасающиеся люди, сидящие в «люльках», если подобные шлюпки спускать на воду методом «свободного падения». Главное же достоинство указанного метода заключается в возможности экипажу максимально быстро покинуть гибнущее судно. А если такие шлюпки спускать на воду «традиционным» способом, с помощью шлюп-балок, то данные технические решения – аналоги становятся совершенно ничем не лучше тех, что на флоте применяются уже не один десяток лет.
Известна спасательная шлюпка свободного падения для экстренной эвакуации персонала с морских объектов в ледовых условиях (см. патент № 2555078, опубликован 10.07.2015 в Бюл. № 19). Она имеет корпус из огнестойкого материала. Амортизирующая система снижения ударных нагрузок выполнена в виде амортизирующей подушки, расположенной в корпусе шлюпки в районе ее днища. Шлюпка оснащена установленными по обоим бортам реактивными соплами-движителями. В/на корпусе шлюпки установлены баллоны высокого давления, связанные с соплами-движителями посредством трубопроводов с управляемыми задвижками. В шлюпке предусмотрены посадочные средства для персонала. В качестве материала корпуса может быть использован полиэфирный стеклопластик с заполнением из вспененного полиуретана. Амортизирующая подушка может быть выполнена из армированной резины с воздушными полостями.
Недостатком данного технического решения – аналога является то обстоятельство, что спасательная шлюпка, изготовленная в соответствии с ним, получится неоправданно дорогой, по крайней мере, для тех судов, которые вовсе не предназначены для плавания в ледовых условиях.
В качестве прототипа заявляемого технического решения была выбрана спасательная шлюпка с устройством для обеспечения ее хода, описанная в патенте РФ на изобретение № 2397104 (опубликован 20.08.2010, Бюл. № 23).
Оно содержит аккумуляторную батарею и ходовой винт, который напрямую соединён с выходным валом электродвигателя.
Недостатком данного устройства является применённая в нём достаточно сложная кинематическая схема, которая должна обеспечивать выработку электроэнергии для подзарядки аккумуляторной батареи и питания электродвигателя. Она содержит немалое число узлов и компонентов и, как следствие, не может обладать высокой надёжностью.
Задаче, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является обеспечение возможности хода спасательной шлюпки без использования столь непростого оборудования и получение технического результата заключающегося в повышении надежности оборудования.
Для получения указанного технического результата, спасательная шлюпка с устройством для обеспечения ее хода, состоящим из аккумуляторной батареи и ходового винта, который напрямую соединён с выходным валом электродвигателя, дополнительно введены разъём палубный, зарядник-инвертор и балансиры.
Количество балансиров должно быть равно числу литий-железо-фосфатных аккумуляторов, собранных с помощью перемычек в аккумуляторную батарею. Кроме того, в качестве электродвигателя использован асинхронный двигатель.
Разъём палубный соединен с входом зарядника-инвертора, аккумуляторные выводы которого соединены, соответственно, с положительным и отрицательным полюсами аккумуляторной батареи. Инверторные выходы зарядника-инвертора соединены с клеммами асинхронного двигателя, а каждый балансир соединён с положительным и отрицательным полюсами каждого литий-железо-фосфатного аккумулятора.
Более подробно заявляемое техническое решение раскрыто в приведенном ниже примере реализации. Оно иллюстрируется двумя фигурами. На фиг. 1 представлено размещение перечисленного выше оборудования в корпусе спасательной шлюпки, а на фиг. 2 – электрическая схема балансира.
На фиг. 1 обозначены:
1 – ходовой винт;
2 – асинхронный двигатель, в предлагаемом техническом решении вполне допустимо использовать общеизвестную конструкцию асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором;
3 – аккумуляторная батарея, собирается с помощью перемычек из литий-железо-фосфатных аккумуляторов следующим образом. Число аккумуляторов в одной ветви определяется требуемым напряжением батареи. Например, если от батареи требуется получить 12 В, необходимо будет соединить последовательно четыре (4) литий-железо-фосфатных аккумулятора (номинальное напряжение этих аккумуляторов составляет 3,2 В). При этом число параллельных ветвей в батарее будет определяться её требуемой ёмкостью. Например, если от батареи необходимо получить 300 Ач, а собирается батарея из аккумуляторов ёмкостью по 100 Ач, то придётся собрать 3 таких ветви. Общее же число необходимых для сборки батареи литий-железо-фосфатных аккумуляторов получится путём перемножения числа ветвей на число аккумуляторов в каждой ветви. В рассматриваемом примере это 3 ветви х 4 аккумулятора в ветви = 12 аккумуляторов в батарее;
4 – «местоположение» балансиров, их количество должно быть равно числу литий-железо-фосфатных аккумуляторов в батарее, потому что каждый балансир должен быть соединён с положительным и отрицательным полюсами каждого литий-железо-фосфатного аккумулятора. Электрическая схема балансира представлена на фиг. 2;
5 – зарядник-инвертор. Здесь в одном корпусе помещены два устройства, зарядное, а также преобразующее постоянное напряжение аккумуляторной батареи в переменное трехфазное – инвертор. Наружу выведены рукоятки двух переключателей. Первый переключатель задаёт режим работы («Заряд АБ» (аккумуляторной батареи) или «Инвертирование»). В первом положении он соединяет выход зарядного устройства с аккумуляторными выводами зарядника-инвертора 5. Во втором положении он их разъединяет, подключая аккумуляторные выводы к второму переключателю. Второй переключатель служит для остановки и переключения направления вращения асинхронного двигателя 2 и, соответственно, управления ходом спасательной шлюпки («Вперед» – «Стоп» – «Назад»). В положениях «Вперед» и «Назад» второй переключатель соединяет аккумуляторные выводы зарядника-инвертора 5 с входом инвертора, а его выход – с инверторными выходами зарядника-инвертора 5. В последнем случае разница между положениями «Вперед» и «Назад» заключается в порядке чередования фаз (A – B – C в одном случае, и A – C – B в другом);
6 – разъём палубный.
На фиг. 2 обозначены:
TL431 – интегральная схема трёхвыводного регулируемого параллельного стабилизатора напряжения с улучшенной температурной стабильностью. С внешним делителем (см. ниже, R2 и R3) микросхема способна стабилизировать напряжения от 2,5 до 36 В при токах до 100 мА. Хорошо обеспечивает управление мощными транзисторами (КТ816 в рассматриваемой схеме);
КТ816 – биполярный кремниевый P-N-P транзистор. Он служит силовым ключом, открывая цепь шунтирования (разряда) аккумулятора, зарядившегося до напряжения большего, чем установленное значение;
R1 – балластный резистор, который непосредственно шунтирует (разряжает) аккумулятор, зарядившийся до напряжения большего установленного значения. Для литий-железо-фосфатного аккумулятора его номинал может составлять 0,5...2 Ом. Причём, чем данное сопротивление будет больше, тем шунтирование будет «мягче»;
R2, R3, R4 – резисторы. Для литий-железо-фосфатного аккумулятора их номиналы должны составлять: R2=6.8 кОм, R3=15 кОм, R4=0.3...0.47 кОм.
Между перечисленными элементами установлены следующие соединения.
Разъём палубный 6, см. фиг. 1, соединён двухжильным кабелем с входом зарядника-инвертора 5, аккумуляторные выводы которого соединены также двухжильным кабелем, соответственно, с положительным и отрицательным полюсами аккумуляторной батареи 3. Инверторные выходы зарядника-инвертора 5 соединены трёхжильным кабелем с клеммами асинхронного двигателя 2. Асинхронный двигатель 2 механически соединён с ходовым винтом 1.
Схема соединения компонентов балансира представлена на фиг. 2. При этом каждый балансир соединён с положительным («+») и отрицательным («–»)  полюсами каждого литий-железо-фосфатного аккумулятора.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Если аккумуляторная батарея 3, см. фиг. 1, оказалась частично разряженной, например, после проведенных судовых учений, сопровождавшихся пуском асинхронного двигателя 2, её заряд необходимо вновь довести до полного.
Электрохимические источники в аккумуляторной батарее должны иметь одинаковые рабочие параметры. Даже незначительные отличия в ёмкости у последовательно соединенных элементов приводят к их неравномерному заряду и последующему разряду, из-за чего более заряженные аккумуляторы быстрее выходят из строя. К тому же, при неравномерном заряде снижается общая ёмкость батареи, поскольку процесс зарядки аккумуляторной батареи прекращается, не достигнув полного восполнения заряда во всех аккумуляторах.
Отметим, что использованные в предлагаемом техническом решении литий-железо-фосфатные аккумуляторы отличаются стабильной и безопасной работой. Они способны отдавать значительные токи и работают в широком диапазоне температур. В том числе, они не боятся функционировать при минусовых температурах, что весьма важно, потому что на судах спасательные шлюпки устанавливаются на открытых палубах.
Однако, литий-железо-фосфатные аккумуляторы весьма чувствительны к перезаряду, как и к глубокому разряду. Чтобы уберечь их от преждевременного износа и выхода из строя, в числе прочих мер используют так называемые балансиры – специальные электронные платы, которые устанавливаются непосредственно на полюсах аккумуляторов. В предлагаемом техническом решении использован наиболее бюджетный вариант – пассивные балансиры.
Для обеспечения зарядки аккумуляторной батареи прежде всего следует убедиться, что второй переключатель зарядника-инвертора 5 находится в положении «Стоп». После чего разъём палубный 6 гибким кабелем, имеющим на концах надлежащие разъёмы, необходимо подключить к судовой сети с соответствующим напряжением. Далее перевести первый переключатель зарядника-инвертора 5 в положение «Заряд АБ». Поступающее через разъём палубный 6 напряжение судовой сети в таком случае будет подаваться на вход зарядного устройства зарядника-инвертора 5, выход которого подключён к его аккумуляторным выводам.
Как известно, что литий-железо-фосфатные аккумуляторы заряжаются в 2 этапа: вначале стабилизированным током до требуемого напряжения (3,2 В), а затем, при стабильном напряжении – пока величина тока зарядки не упадет до своего наименьшего значения. Этот алгоритм в литературе получил обозначение «CC/CV» (Constant Current / Constant Voltage). В вопросе, каким напряжением лучше заряжать литий-железо-фосфатный аккумулятор, оптимальным напряжением заряда для каждого аккумулятора в батарее считается 3,6–3,65 В.
Из-за естественной разницы в разряде отдельных элементов уровень заряда отдельных аккумуляторов может восполняться с разной скоростью, когда одни уже достигли требуемых показателей в ампер-часах, а другие всё еще нет. Это может привести к дисбалансу и неэффективному использованию аккумуляторной батареи. Балансиры применяются для того чтобы выровнять разницу заряда во всех аккумуляторах.
При этом пассивные балансиры рекомендуется использовать только в батареях с очень близкими по ёмкости аккумуляторами. Другими словами, применение пассивных балансиров накладывает дополнительные требования на подбор аккумуляторов перед комплектованием и сборкой всей аккумуляторной батареи. В идеале все элементы в сборке должны быть одинакового химического состава, равной ёмкости, одного производителя и, лучше всего, из одной партии.
Основной принцип балансировки – это шунтирование резисторами тех аккумуляторов в батарее, напряжение на полюсах которых оказалось более установленного. Балансиры контролируют напряжение на аккумуляторах, каждый на своём, и при достижении в процессе зарядки заданного значения (для литий-железо-фосфатного аккумулятора, обычно его считают 3,6–3,65 В), инициируют включение силового ключа.
Силовой ключ (транзистор КТ816, см. фиг. 2) параллельно с заряжаемым аккумулятором подключает балластный резистор R1. Когда остаточный ток зарядки становится меньше величины тока, проходящего через балластный резистор R1, рост напряжения на заряжаемом аккумуляторе останавливается. При этом другие аккумуляторы (с меньшим напряжением на полюсах) продолжают заряжаться до тех пор, пока в батарее 3 (см. фиг. 1) не сработают балансиры каждого из них.
Таким образом, напряжение на каждом из аккумуляторов батареи 3 станет равным пороговому значению, на которое настроен его балансир. Стандартные, выпускаемые промышленностью балансиры рассчитаны на литий-железо-фосфатные аккумуляторы с номинальным напряжением 3,2 В. Номиналы микросхемы, транзистора, а также резисторов электрической схемы балансира были представлены выше, в описании к фиг. 2.
После того, как аккумуляторная батарея 3, см. фиг. 1, будет вновь заряжена «до полного», зарядник-инвертор 5 следует перевести в режим «Инвертирование». Теперь аккумуляторные выводы зарядника-инвертора 5 будут подготовлены к тому, чтобы подать питание на инвертор.
На инверторных выходах зарядника-инвертора 5 трёхфазное переменное напряжение появится только тогда, когда его второй переключатель будет переведен из положения «Стоп» в положение «Вперёд» или «Назад».
В обоих случаях аккумуляторные выводы зарядника-инвертора 5 будут соединены с входом расположенного в нем инвертора. Только в первом случае выходы инвертора с клеммами асинхронного двигателя 2 соединяются в одной последовательности: A – B – C, а во втором – в другой: A – C – B.
Соответственно, в одном положении второго переключателя зарядника-инвертора 5 асинхронный двигатель 2 начнет вращаться в одну сторону, а во втором – в противоположную. Асинхронный двигатель 2 будет снова обесточен, если данный переключатель вновь поставить в положение «Стоп».
Представленное описание позволяет однозначно утверждать, что реализация заявляемого технического решения безусловно обеспечивает решение поставленной задачи. По сравнению с прототипом в предлагаемом техническом решении существенно упростилась кинематика механизмов, обеспечивающих ход спасательной шлюпки, а значит повысились её надежность и живучесть.
Кроме того, реализация заявляемого технического решения существенно упрощает работы по техническому обслуживанию и, самое главное, по техническому использованию предлагаемой спасательной шлюпки. Для гарантированного запуска в ход асинхронного двигателя 2, что приведёт во вращение ходовой винт 1, моряку, обслуживающему на судне спасательную шлюпку, будет достаточно следить и своевременно заряжать «до полного» аккумуляторную батарею 3. Как это осуществляется, описано выше.