Електропривод якірно-швартового пристрою

1. Загальна частина

1.1 Стислий опис судна

швартовий електропривод канат якір Нафторувоз «Berge Istra» побудований в 1972 р. В Югославії на верфі «Uljanik» в Пулі.

Судно побудоване по правилам Норвеського Верітас. Основні характеристики судна наступні:

Довжина найбільша, м 131,88

між перпендикулярами, м 126,00

Ширина, м 21,00

Висота борта, м 10,92

Осадка, м 8,57

Коефіцієнт загальної повноти 0,840

Водотоннажність при осадці 8,57 м, м³ 19 571

Дедвейт при осадці 8,57 м, м³ 16 859

Потужність головної енергетичної установки, л.с. 14 700

Швидкість, вуз 15,75

Нафторудовоз «Berge Istra» двухгвинтове судно, з коротким баком і з кормовим знаходженням п’ятиступінчатою надбудовою і машинного відділення. Має наклонений форштевень, бульбобразний ніс і транцеву корму.

Особливістю судна є наявність двох димових труб, які знаходяться позаду надбудови, що зменшує задимлення судна і покращує видимість з містка. Корпус побудований з двох частин, зварених на плаву.

Особливістю судна також є W — подібна форма кормових шпангоутів, вибрана у зв’язку з приміненням двухвалової установки і перевірена при модельних випробуваннях.

Вантажний простір судна поділено на п’ять центральних нафторудних трюмів і двадцять бортових танків для нафти і водяного балласту.

Палубні пристрої електрогідравлічні, в які входять два комбінованих шпіля-лебідки, шість швартових лебідок, і дві шлангопідйомні лебідки.

Головні насосні відділення розміщено спереду машинного відділення. В ньому встановлені чотири центр обіжних вантажних насоси передачею 3800 м³/год при напорі 125 м вод. ст., а також очисний та висушуючий насоси такого же типу подачею по 550 м³/год.

Баластна система включає електричний насос з виробленістю 3000 м³/год при напорі 35 м вод. ст.

Вантажна система розрахована на одночасне транспортування двох сортів рідинного вантажу и має чотири трюмних магістральних трубопроводи діаметром 600 мм, розміщені в подвійному дні, з виходами на всі середні та бортові танки і дві палубні магістралі діаметром 800 мм, йдучі через підпалубні тунелі в головне насосне відділення.

Судно обладнане системою інертних газів з двохкамерною газогенераторною установкою, газоочистювачем і двома паровими турбовентиляторами 20 000 м³/год, розміщених на шлюпочній палубі. Для заповнення верхнього середовища танків в машинному відділені передбачена инертизаційна установка виробничістю 500 м³/год.

Головні двигуни — два семицеліндрові дизелі максимальною довготривалою потужністю 2 Ч 14 700 л.с.

Баллери рулів наклонені до ДП на 7° і мають нульові положення хорд профілів, відхилених від ДП на 4°. Рулі перекладаються електрогідравлічною машиною з електричною синхронізацією.

Суднова електростанція складається з двох дизель-генераторів потужністю по 510 кВА і аварійного генератора потужністю 110 кВА.

Рівень автоматизації забезпечує цілодобове безвахтене обслуговування машинного відділення.

1.2 Вибір типу якірно-швартового пристрою

Для даного типу судна, його конструктивних розмірів, району плавання і призначення, для віддачі і підйому якоря, а також для виконання швартових робіт вибираємо якірно-швартовий шпиль.

1.3 Стислий опис вибраного якірно-швартового пристрою

Якірно-швартовий шпиль складаються з швартового барабана, зірочки, баллера, з'єднаного зубчатою муфтою з вантажним колесом редуктора, отримуючого обертання через еластично-фракційну муфту, від електродвигуна з гальмом. Вантажне колесо, редуктор і двигун розміщені на загальній фундаментальній рамі.

Ланцюгова зірочка насаджена на баллер вільно, що дозволяє виконувати швартові операції і витравлювати якірний ланцюг, використовуючи тільки лише силу ваги якоря. Коли вже виникає необхідність в русі від баллера, зірочко з'єднують кулачковою муфтою зі швартовим барабаном. З допомогою маховичка, розміщеного на кришці, цей барабан можна підіймати і опускати по направляючій шлюпці баллера. Для обмеження швидкості втравлювання якірного ланцюга служить стрічкове гальмо з приводом. У випадку поломки електропривода передбачено повертання голівки шпиля вручну. Нормальна робота шпиля, у випадку деформації палуби, забезпечується тим, що на місці прохода баллера в палубу вмонтований сферичний підшипник. В наш час шпилі та брашпилі виконують з не самозагальмовуючими черв’ячними редукторами, що пояснюється бажанням збільшити ККД установки.

1.4 Вимоги до електропривода якірно-швартового пристрою

В відповідності з вимогами ГОСТ 5876–69 якірно-швартові пристрої повинні виконувати наступні основні операції:

— віддачу якоря при зупинці судна на якір;

— стоянку на якорі при загальмованих ланцюгової зірочки і стопорі;

— зйомку з якоря — підтягування судна до якоря, відрив і підйом, втягування якоря до клюзу. Зйомка судна з якоря повинна тривати не більше 30 хвилин.

— забезпечувати швартування судна при віджимному вітрі до п’яти балів.

Електродвигун якірно-швартового пристрою повинен:

— Розвивати на основній робочій характеристиці, використаній в номінальному режимі роботи пристрою пусковий момент, створюючий на ланцюговій зірочці тягове зусилля, не менше двократного номінального і не більше половини пробного навантаження донного якірного ланцюга. Якщо пусковий момент електродвигуна створює зірочці зусилля більше за половину пробного навантаження якірного ланцюга, повинний бути передбачений захисний пристрій, розрахований на половину пробного навантаження;

— Допускати стоянку під струмом 30−60 с, після роботи в нормальному режимі.

2. Спеціальна частина

2.1 Початкові дані для розрахунку

Тип судна — нафторудовоз Водотоннажність — V = 19 571 м³

Найбільша ширина судна — B = 21 м Довжина судна між перпендикулярами — L = 126 м Висота борту — H = 10,92 м Глибина якірної стоянки — h = 100 м Осідання судна — T = 8,6 м Швидкість підтягування якоря — V_а = 0,2 м/с Швидкість швартування:

номінальна V = 0,17 м/с найбільша V = 0,36 м/с найменша V = 0,12 м/с ККД пристрою — з = 0,8

Коефіцієнт, що враховує тертя ланцюга об клюз — з_кл = 0,77

Швидкість втягування якоря в клюз — V_кл= 0,21 м/с

2.2 Вибір ваги і кількості якорів, ланцюга і швартового канату. Визначення конструктивних розмірів механізму

Визначимо характеристику якірного постачання N_с:

N_c = + 2BH₁ + 0,1S_h (2.1)

N_c = 19 571^2/3 + 2 • 21 • 26,16 + 0,1 • 526,4 = 1878

Умовна висота визначається:

H₁ = a + h (2.2)

H₁ = 5,23 + 20,93 = 26,16 м, де, а і h узяті з конструктивних даних судна.

Вітрильна поверхня судна визначається:

S_пар = 0,27 (H — T) + bh (2.3)

S_пар=0,27 (10,92 — 8,6) + 25,12 • 20,93 = 526 м²,

де b i h узяті з конструктивних даних судна.

Визначимо кількість і вагу станових якорів і ланцюгів до них по таблиці норм постачання суден якорями і ланцюгами залежно від N_c:

Число станових якорів — 3

Середня маса якоря — 6000 кг Загальна довжина 2-х ланцюгів — 580 м Калібр ланцюга підвищеної міцності - 67 мм Вес одного метра ланцюга — 135,5 кг По таблиці даних, нормализированiй якiрно-швартовим пристроям для вибраного калібру ланцюга 67 мм, визначаємо:

Пробне навантаження ланцюга — 1736 м Діаметр ланцюгової зірочки — 855 мм Діаметр швартового троса — 37 мм Діаметр швартового барабана для визначення швидкостей — 712 мм Діаметр швартового барабана для визначення моментів — 790 мм Номінальне зусилля швартування — 140 кН

2.3 Визначення зовнішніх зусиль, діючих на судно при зйомці з якоря

F = F_в + F_т (2.4)

F = 10 328 + 24 503,5 = 35 кН Припускаємо, що напрям сили вітру і течії співпадають, У такому разі рівнодійна F_в визначиться за формулою:

F_в = 9,81• К_в • S_пар • V_в² (2.5)

F_в = 9,81 • 0,02 • 526,4 • 10² = 10 328 Н, де V_в=5 — 12 м/с — швидкiсть вiтру

S_пар — вітрильна поверхня судна Сила течії знаходиться за формулою:

F_т = 9,81• f_тр + S_см • V_o^1,83 (2.6)

F_т = 9,81 • 0,14 • 4215 • 2,2^1,83,

де V_o = V_т + V_nт

V_о = 2 + 0,2 = 2,2 м/с, де V_т = 2 м/с — швидкість течії води;

V_nт = 0,2 м/с — абсолютна швидкість підтягування судна до місця заставляння якоря.

S_см = (2T + 1,37 (д_n — 0,247) • B) • L (2.7)

S_см = (2 • 8,6 + 1,37 (0,839 — 0,247) • 21) • 126 = 4215 м²

Коефiцiент повноти водотонажностi визначається:

д_n = (2.8)

д_n = = 0,839,

де д — питома вага морської води, д = 1,025 Н/м³

К_в — коефіцієнт питомого тиску вітру, К_в = 0,02 кг/м²

V_в — швидкість вітру, V_в = 5 — 12 м/с

S_пар — вітрильна поверхня судна

2.4 Визначення потужності виконавчого електродвигуна якірно-швартового пристрою

Потужність виконавчого електродвигуна якірно-швартового пристрою визначимо за формулою:

P = (2.9)

P = • = 40,6 кВт, де b — розрахунковий коефіцієнт (0,6 — 0,9).

F_a — зусилля на колі ланцюгової зірочки якірно-швартового пристрою, що діє на початку підйому відірваного від грунту якоря:

F_a = • (2.10)

F_a = • = 216 494,4 Н, де Q_a — вага якоря; Q_a = 58 800 H

P₁ — вага погонного метра ланцюга; P₁ = 1093 Н/м г — питома вага матеріалу ланцюга; г = 76 400 Н/м д — питома вага морської води; д = 10 025 Н/м

V_a = 0,2 м/с

2.5 Вибір виконавчого електродвигуна якірно-швартового пристрою

Вибираємо асинхронний полюсоперемикаючий двигун серії МАП, призначений для електроприводів якiрно-швартовного пристрою.

Тип двигуна: МАП 721−4/8/12

Електродвигун, вибраний відповідно до рекомендацій відносно швидкостей вибору і витравлювання якірного ланцюга і вибору швартового канату.

2.6 Визначення необхідного передатного відношення

На судні - нафторудовозі в якості якірно-швартового пристрою встановлюється шпиль.

Передатне відношення визначимо з вираження:

i = (2.11)

i = ,

де n_н — номінальна частота обертання електродвигуна при виборі якоря

n_н = 685 об/хв

2.7 Вибір електромагнітного гальма

В відповідності з вимогами ГОСТа 5875−69 якірно-швартові пристрої повинні мати автоматичне нормально замкнене гальмо на валу електродвигуна з приладом для ручного розгальмовування.

Гальмо повинне утримувати пристрій від обертання при дії в ланцюзі на зірочці статичного зусилля ззовні, величина якого не менше 1,6 номінального, Номінальним потрібно рахувати зусилля на початку четвертої стадії - після відриву якоря від грунту.

Виходячи з цього, необхідний гальмівний момент електромагнітного гальма на валу електродвигуна:

M_т? (2.12)

M_т? = 966 Hм, де F_a — зусилля на колі ланцюгової зірочки;

R_зв — радiус ланцюгової зірочки;

з — К.К.Д механiзму Вибираємо дискове електромагнітне гальмо змінного струму типу ТМТ-72, гальмівний момент якого:

= 1000 Нм? М_т = 966 Нм

2.8 Розрахунок та побудова механічних характеристик

Початковi данi для обмотки великої швидкостi:

р = 4, Р_н = 70 кВт, n_н = 1440 об/хв, М_кр = 2000 Нм, М_п = 1700 Нм Номiнальний момент знаходиться за формулою:

М_н = (2.13)

М = = 331,7 Нм Кутову швидкiсть знаходимо за формулою:

??_н = (2.14)

??_н = = 150,72 рад/с Перевантажувальна стiйкiсть двигуна дорiвнює:

К_м = (2.15)

К_м = = 6

Номiнальне ковзання знаходимо за формулою:

S_н = (2.16)

S_н = = 0,04

Синхронну частоту обертання знаходимо за формулою:

n_c = (2.17)

n_c = = 1500 об/хв Критичне ковзання знаходимо за формулою:

S_кр = S_н • (Km +) (2.18)

S_кр = 0,4 • (6 +) = 0,477

Робочу частину механiчної характеристикизнаходимо за формулою Клосса:

M = (2.19)

M₁ = = 83,3 Hм Визначаємо частоти обертання двигуна:

n = n_c • (1 — S) (2.20)

n₁ = 1500 • (1 — 0,01) = 1480 об/хв Результати розрахунку зводимо в таблицю 2.1

Таблиця 2.1

Початковi данi для обмотки середньої швидкостi:

р = 8, Р_н = 55 кВт, n_н = 685 об/хв, М_кр = 2200 Нм, М_п = 2000 Нм Номiнальний момент знаходиться за формулою:

М_н = (2.21)

М_н = = 767 Нм Кутову швидкiсть знаходимо за формулою:

??_н = (2.22)

??_н = = 71,7 об/хв Перевантажувальна стiйкiсть двигуна дорiвнює:

К_м = (2.23)

К_м = = 2,9

Номiнальне ковзання знаходимо за формулою:

S_н = (2.24)

S_н = = 0,086

Синхронну частоту обертання знаходимо за формулою:

n_с = (2.25)

n_с = = 750 об/хв Критичнее ковзання знаходимо за формулою:

S_кр = S_н • (Km +) (2.26)

S_кр = 2,9 • (2,9 +) = 0,483

Робочу частину механічної характеристики знаходимо за формулою Клосса:

M = (2.27)

M₁ = = 91 Hм Визначаємо частоти обертання двигуна:

n = n_с • (1 — S) (2.28)

n₁ = 750 • (1 — 0,01) = 742,5 об/хв Результати розрахунку зводимо в таблицю 2.2

Таблиця 2.2

Початковi данi для обмотки малої швидкостi:

р = 12, Р_н = 25 кВт, n_н = 460 об/хв, М_кр = 2100 Нм, М_п = 2000 Нм Номiнальний момент знаходиться за формулою:

М_н = (2.29)

М_н = = 520,8 Нм Кутову швидкiсть знаходимо за формулою:

??_н = (2.30)

??_н = = 48 рад/с Перевантажувальна стiйкiсть двигуна дорiвнює:

К_м = (2.31)

К_м = = 4

Номiнальне ковзання знаходимо за формулою:

S_н = (2.32)

S_н = = 0,08

Синхронну частоту обертання знаходимо за формулою:

n_c = (2.33)

n_c = = 500 об/хв Критичне ковзання знаходимо за формулою:

S_кр = S_н • (Km +) (2.34)

S_кр = 0,08 • (4 +) =0,63

Робочу частину механiчної характеристики знаходимо за формулою Клосса:

M = (2.35)

M₁ = = 331 Нм Визначаємо частоти обертання двигуна:

n = n_с • (1 — S) (2.36)

n₁ = 500 • (1 — 0,05) =475 об/хв Результати розрахунку зводимо в таблицю 2.3.

Таблиця 2.3

2.9 Побудова діаграми навантаження виконавчого електродвигуна якірно-швартового пристрою

Визначимо зусилля натягнення ланцюга у клюзу на кожній стадії зйомки судна з якоря:

ПЕРША СТАДІЯ. Рівномірний вибір якірного ланцюга і рівномірне підтягування судна до якоря.

До ланцюгової зірочки докладено зусилля, рівне:

Т₁ = f_кл • Р₁ • (2.37)

Т₁ = 1,3 • 1328,1 • = 223 кН, де f_кл =1,28−1, 35 — коефіцієнт втрат на тертя від клюзу до ланцюгової зірочки (бортовий клюз, якірна труба, палубний клюз, стопор).

Довжина провисаючої частини ланцюга на номінальній глибині стоянки визначається:

l_ц = (2.38)

l_ц = = 126 м ДРУГА СТАДІЯ, Зусилля на зірочці приймається таким, що змінюється лінійно від зусилля першої стадії до зусилля відриву якоря від грунту.

Зусилля на зірочці приймається таким, щозмінюється лінійно від зусилля першої стадії до зусилля відриву якоря від грунту.

ТРЕТЯ СТАДІЯ. Відрив якоря від грунту.

Зусилля, що йде тільки на відрив якоря, на підставі даних на практиці, виходячи з нормальних габаритів електродвигунів, приймається 2Q_a.

Повне зусилля на зірочці при відриві якоря буде:

T₃ = f_кл • (2Q_a + (Q_a + P₁ • h) • 0,87) (2.39)

T₃ = 1,3 • (2•58 800 + (58 800 + 1328,1 • 100) • 0,87) =370 кН ЧЕТВЕРТА СТАДІЯ. Підйом якоря, що висить після відриву.

Привод працює зі змінним зусиллям.

На початку стадії зусилля на зірочці рівне:

T_{4 нач} = f_кл • (Q_a+P₁ • h) • 0,87 (2.40)

T_{4 нач} = 1,3 • (58 800+1328,1 • 100) • 0,87 = 217 кН Зусилля у кінці стадії, при підході якоря до поверхні води:

T_{4 кон} = f_кл • Q_a • 0,87 (2.41)

T_{4 кон} = 1,3 • 58 800 • 0,87 = 67 кН На підставі отриманих даних визначимо моменти на валу електродвигуна на кожній стадії:

Моменти на валу двигуна розраховується за формулою:

M = (2.42)

M₁ = = 778,9 Нм

M₃ = = 1292 Нм

M_{4 нач} = = 758 Нм

M_{4 кон} = = 234 Нм Визначимо частоти обертання електродвигуна за механічною характеристикою по відомих моментах:

M₁ = 778,9 Нм — n₁ = 685 об/хв М₃ = 1292 Нм — n₃ = 610 об/хв

M_{4 нач} = 1292 Нм — n_{4 нач} = 660 об/хв

M_{4 кон} = 234 Нм — n_{4 кон} = 707 об/хв Час роботи електродвигуна на окремих стадіях зйомки судна з якоря визначається:

ПЕРША СТАДІЯ:

t_{1 =} (2.43)

t_{1 =} = 13,2 хв Довжина ланцюга, що вільно лежить на грунті визначається:

l₁ = L — l_ц (2.44)

l₁ = 285 — 126 = 159 м

L — довжина ланцюга за клюзом.

ДРУГА СТАДІЯ:

t₂ = (2.45)

t₂ = = 2,3 хв ТРЕТЯ СТАДІЯ:

На третій стадії, коли двигун стоїть під струмом, час t = 30 c, або t = 0,5 хв.

ЧЕВЕРТА СТАДІЯ:

t₄ = (2.46)

t₄ = = 8,7 хв На підставі отриманих даних будуємо діаграму навантаження (рис 2.4)

3. Перевірка вибраного двигуна на відповідність заданому режиму роботи

3.1 Перевірка виконавчого електродвигуна на тривалість зйомки з якоря

Дійсний час зйомки судна з якоря визначається як сума тривалості окремих стадій, отриманих з діаграми навантаження:

t_д = t₁ + t₂ + t₃ + t₄ (2.47)

t_д = 13,2 + 2,3 + 0,5 + 8,7 = 24,7 хв Оскільки, відповідно до правил Регістра зйомка судна з якоря повинна проводитися за час t_зад = 20 — 30 хв, умова t_зад? t_д виконана.

3.2 Перевірка виконавчого електродвигуна на нагрів

Асинхронний двигун на нагрів можна перевірити за формулою середньоквадратичного моменту:

М_екв (2.48)

М_екв = 744,7 Нм

Вибраний електродвигун не перегріватиметься зверхдопустимої температури, якщо:

М_екв < М_н (2.49)

744,7 Нм < 767 Нм, умова дотримується, електродвигун перегріватися не буде.

3.3 Перевірка вибраного електродвигуна на забезпечення необхідних швидкостей підйому якоря

Середня швидкість підйому якоря за увесь цикл зйомки:

V_ср = (2.50)

V_ср = 0,2 м/с, де V_a = 0,2 м/с, отже V_a = V_ср

Визначимо швидкість ланцюга, при підтягуванні якоря до клюзу:

Зусилля на колі ланцюгової зірочки рівне:

F_кл = (2.51)

F_кл = = 76 363,6 Нм Момент опору на валу двигуна при підтягуванні якоря до клюзу:

М_кл = (2.52)

М_кл = = 266,7 Нм За механічною характеристикою електродвигуна при роботі на обмотці, призначеній для підтягування якоря до клюзу, визначимо частоту обертання двигуна:

n_кл = 727,5 об/хв.

Швидкість підтягування якоря до клюзу:

V_кл = (2.53)

V_кл = = 0,21 м/с, де V_кл = 727,5 • 0,105 = 76,4 рад/с

V_кл = 0,21 м/с, що відповідає завданню.

3.4 Перевірка вибраного електродвигуна на забезпечення необхідного пускового моменту

Необхідний пусковий момент визначається з вираження:

М_п тр = (2.54)

М_п тр = = 1964 Нм Каталожне значення пускового моменту електродвигуна:

М_п кат > Мп _тр (2.55)

2000 Нм > 1964 Нм Отже, двигун має достатній М_п.

3.5 Перевірка вибраного електродвигуна на забезпечення необхідних швидкостей швартування

Визначимо номінальний момент швартування:

М_ш = (2.56)

М_ш = = 451,8 Нм, де F_шн — номінальне зусилля швартування

D_м — діаметр швартового барабана Розрахунковий момент на валу електродвигуна при виборі швартового канату з малою швидкістю:

М_шм = 0,75 М_ш (2.57)

М_шм = 0,75 • 451,8 = 338,85 Нм Момент при виборі з найбільшою швидкістю:

М_шб = 0,2 М_ш (2.58)

М_шб = 0,2 • 451,8 = 90,4 Нм За механічними характеристиками вибраного електродвигуна на обмотках малої, середньої і великої швидкостей визначаються відповідно частоти обертання n_ш, n_шм, n_шв двигуна:

n_ш = 710 об/хв;

n_шм = 473 об/хв;

n_шв = 1480 об/хв Швидкості вибору швартового каната:

НАЙМЕНША:

V_шм = (2.59)

V_шм = = 0,12 м/с, де D_с = 0,712 м — діаметр швартового барабана для визначення швидкостей.

НОМІНАЛЬНА:

V_ш = (2.60)

V_ш = = 0,17 м/с НАЙБІЛЬША:

V_шб = (2.61)

V_шб = = 0,36 м/с Вибраний електродвигун забезпечує необхідні швидкості швартування, оскільки знайдені швидкості знаходяться в межах, вказаних в ГОСТ 5875–69.

3.6 Визначення довжини ланцюга, підйом якого може бути забезпечений електродвигуном

Електропривод якірно-швартового пристрою повинен в аварійному режимі забезпечувати підйом якоря, що висить на ланцюзі, витравленому на 85% її довжини (за клюзом).

Довжина ланцюга, який може підняти електродвигун:

= () (2.62)

= (- 58 800) = 274 м, де М_п — пусковий момент вибраного електродвигуна на обмотці, що має найбільший пусковий момент.

Q_a — вага якоря, Н

P₁ — вага погонного метра ланцюга, Н/м,

D_зв — діаметр зірочки, б — коефіцієнт, визначений з вираження:

б = (2.63)

б = = 0,706

Для вибраного електродвигуна умова? 0,85 виконується, оскільки: = 0,94 (0,94? 0,85)

3.7 Визначення зусиль, що виникають при зупинці електродвигуна під струмом

При перевищенні моментів навантаження на валу двигуна М_кр відбувається «перекидання» двигуна і зупинка під струмом. При цьому в ланцюзі виникають зусилля:

F_max = (2.64)

F_max = = 573 кН Пробне навантаження ланцюга F = 1736 кН, що значно більше зусилля в ланцюзі при дії М_кр двигуна.

Література

1. Лейкин В. С. «Судовые электростанции и сети».

2. Головин Ю. К. «Судовые электрические приводы».

3. Чекунов К. Л. «Судовые электроприводы».

4. Китаенко Г. И. «Справочник судового электротехника», том 2.

5. Богословський А. П. «Справочник судовых электроприводов», том 2.

6. Шипов І.С. «Методическое пособие по курсовому проектированию электроприводов якорно-швартовных механизмов».