2. Системы управления электрогидравлическими палубными кранами

Электрогидравлические палубные краны

Основные сведения

До начала 80-х годов 20 столетия на судах применялись электрические краны, у ко-

торых каждый из 3-х механизмов – подъема груза, изменения вылета стрелы и поворота

управлялся при помощи отдельного электродвигателя.

Для управления этими механизмами использовались релейно-контакторные систе-

мы управления, а при мощности более 70…80 кВт - системы генератор – двигатель (Г –Д).

Релейно-контакторные системы имели два принципиальных недостатка:

1. ступенчатое регулирование скорости привода, как правило, изменением числа

пар полюсов. При этом механизм подъема имел 3 скорости, а механизмы изменения выле-

та стрелы и поворота – по 2;

2. жесткую программу управления, задаваемую командоконтроллером.

Системы генератор-двигатель обеспечивали более плавное регулирование скорости

( число скоростей механизма подъема доходило до 6 ), но были громоздкими ( число элек-

трических машин доходило до 4-х ) и имели низкий коэффициент полезного действия – не более 30-40%.

Успехи в развитии гидропривода в 80-х годах 20 столетия привели к переходу от электрических кранов к электрогидравлическим.

В электрогидравлических кранах потенциальная или кинетическая энергия жидко

сти ( масла ) преобразуется в механическую энергию, которая далее передается непосред

ственно на исполнительные механизмы подъема, стрелы и поворота.

К основным достоинствам электрогидравлических приводов относятся:

1. возможность создания больших моментов и усилий;

2. сравнительно небольшие вес и габаритные размеры;

3. широкий диапазон регулирования скорости;

4. простота осуществления реверса;

5. высокое быстродействие;

К основным достоинствам электрогидравлических приводов относятся:

1. низкий общий коэффициент полезного действия электрогидропривода;

2. большая сложность изготовления;

3. высокая строительная и эксплуатационная стоимость.

У электрогидравлических кранов для обеспечения работы всех трех механизмов крана используются индивидуальные масляные насосы, которые называются гідронасоса-

ми. Их столько, сколько механизмов крана, т.е. три, за исключением кранов типа 2КЭГ 12018. У последних для механизма подъема груза используются два одинаковых гидрона-

соса.

Для привода в действие всех гидронасосов насосов служит один мощный электро

двигатель.

При работе крана этот электродвигатель вращается непрерывно с постоянной ско

ростью и вращает гидронасосы, которые, через распределительную коробку, независимо друг от друга, подают энергию на гидромоторы механизмов подъёма груза, стрелы крана и поворота.

Гидронасосы управляются электрогидравлически при помощи блоков управления с соленоидными ( электромагнитными ) клапанами.

Если тока в катушке электромагнитного клапана нет, подача насоса равна нулю, со-

ответствующий механизм крана неподвижен.

Изменение силы тока в катушке соленоида приводит к изменению подачи насоса, а

значит, к изменению скорости движения механизма крана – чем больше ток, тем больше подача насоса и, значит, скорость перемещения рабочего органа механизма.

. Ток в катушке регулируется переменным резистором ( потенциометром ), связан-

ным с рукояткой управления данным механизмом ( «джостиком» ) в кабине крана.

Т.о., крановщик, отклоняя рукоятку управления механизмом на больший или мень-

ший угол ( от нулевого положения ), увеличивает или уменьшает скорость движения меха

низма.

Этой же рукояткой задается необходимое направление движения привода, напри-

мер, подъем или спуск груза.

Таким образом, джостик выполняет ту же функцию, что и рукоятка обычного ко-

мандоконтроллера, т.е. задаёт направление и скорость перемещения механизма.

Иначе говоря, и джостик, и командоконтроллер являются программными электро-

механическими аппаратами ручного действия, задающими режим работы механизма.

Отличие джостика от командоконтроллера состоит в том, что при помощи джости-

ка скорость движения какого-либо механизма крана изменяется плавно ( при помощи по-

тенциометров, связанных с рукояткой джостика ), в то время как при помощи командокон

троллера скорость изменяется ступенчато.

Кроме того, система управляет соленоидными клапанами, предназначенными для

торможения механизмов движения крана.

Регулирование скорости гидроприводов

По принципу регулирования скорости гидроприводы делятся на два вида:

1. объемные, в которых регулирование скорости осуществляется изменением пода-

чи гидронасоса;

2. дрос­сельные, в которых используются специальные краны-дроссели, изменяю-

щие количество жидкости, поступающей к гидромотору.

В судовой практике в основном используются гидроприводы с объем­ным регули-

рованием.

Воспользуемся понятием удельная подача q, под которой будем по­нимать подачу за один оборот.

Для нерегулируемых гидромашин удель­ная подача не изменяется, т. е. q = consi.

Для регулируемых гидромашин

q= ψq_m, ( 1 )

где ψ – коэффициент подачи, который может меняться от 0 до 1;

q_m,- максимальная удельная подача.

Используя индекс 1 для гидронасоса, а 2 для гидромотора, можно получить форму

лу теоретической ( без учета утечек ) подачи масла в виде

Q_т1 = qn₁ = ψ₁ q_m1 n₁, ( 2 )

где n- частота вращения насоса.

В случае принудительной подачи жидкости гидронасос превращается в гидромотор. Частоту вращения гидромотора можно определить так:

n₂ = / ( 3 )

Если пренебречь потерями энергии, то момент гидромотора можно найти из уравнения

М₂ dφ = р₂ dW, ( 4 )

где М₂ – момент гидромотора;

φ – угол поворота;

р₂ – давление рабочей жидкости;

dW – объем жидкости.

Учитывая, что

dφ = ω dt = и = Q_т2 = ψ₂q_m2n₂,

получим

М₂= 60 = К_m2 р₂ ψ ₂ , ( 5 )

где К_m2 = - конфигурационный коэффициент мощности гидромотора.

Если гидронасос питает один гидромотор, т.е. Q_т1 = Q_т2, то, пренебрегая потерями, его основные параметры можно представить так:

n₂ = n₁ ( 6 )

М₂ = К_m2 р₂ψ₂ ( 7 )

Р₂ = р₂ Q_т2 = р₂ ψ₁ q_m1 n₁ ( 8 )_.

Из ( 6 ) следует, что регулировать скорость гидромотора можно двумя способами:

1. изменением подачи гидронасоса ψ₁ ;

2. изменением параметра регулирования гидромотора ψ _2.

Если в качестве гидромотора используются гидроцилиндры, то скорость перемеще

ния поршня

ν₂ = , ( 9 ),

а усилие

F₂ = K_f р₂ ( 10 ),

где К_v и K_f - коэффициенты, равные по значению активной площади цилиндра.

Механические характеристики гидроприводов аналогичны меха­ническим характе

ристикам системы генератор - двигатель. Характе­ристики жесткие и наклон их зависит главным образом от герметично­сти гидромашин, т. е. от объемного к. п. д.

Энергетические характеристики гидроприводов

В электроприводе потери энергии имеются как в электродвигателе, так и в гидрав-

лическом приводе.

Для оценки экономичности работы электро­привода рассмотрим потери мощности и к. п. д. гидравлических машин.

Известно, что в гидравлических машинах имеются следующие по­тери:

1. объемные (потери расхода жидкости);

2. гидравлические (потери давления);

3. механические (потери на трение).

В установившемся режиме при постоянном расходе жидкости и давлении баланс мощности гидравлической машины можно предста­вить уравнением

Р_вх = Р_вых + ΔР₀ + Р_г + Р_мех ( 11 ),

где Р_вх – входная мощность ( для гидронасоса – на валу, для гидромотора – мощ

ность потока полезной жидкости на входе );

Р_вых - выходная или полезная мощность ( для гидронасоса – полезная мощность по-

тока рабочей жидкости на выходном патрубке, для гидромотора – мощность на валу );

ΔР₀ - мощность объемных потерь;

Р_г – мощность гидравлических потерь;

Р_мех – мощность механических потерь.

Полный к.п.д. гидромашины равен произведению объемного, гидравлического и механического к.п.д.

η = η₀ η_г η_мех = = 0,45…0,84 ( 12 ),

где η₀ = 0,95…0,98 - объемный к. п. д., учитывает частотное замыкание потока внутри гидравлической машины;

η_г = 0,6…0,95 - гидравлический к. и. д., учитывает потери энергии внутри гидравли

η_мех = 0,8…0,9 - механический к. и. д. характеризует механические потери в опорах, подшипниках, распределительных системах, цилиндрах и поршнях. С увеличением давле

ния механический к. п. д. возрастает.

Элсктрогидроприводы, используемые в грузоподъемных меха­низмах, обладают не-

большой инерционностью и обычно применяются в тех механизмах, к которым предъяв-

ляются высокие динамические требования.

Защита от перегрузок в электрогидроприводах осуществляется по­средством приме-

нения перепускных клапанов, которые срабатывают при повышении давления жидкости сверх допустимого.

Силовая часть гидропривода гидравлических кранов

Силовая часть гидропривода состоит из следующих элементов:

1. приводной электродвигатель;

2. гидронасосы;

3. гидромоторы;

4. исполнительные механизмы.

Рассмотрим назначение этих элементов ( рис 179 )..

Рис. 179. Структурная схема силовой части гидропривода крана

Приводной электродвигатель ЭД через муфту М вращает гидронасосы ГН1, ГН2 и

ГН3.

Гидронасосы преобразуют механическую энергию двигателя в потенциальную или кинетическую энергию рабочей жидкости ( масла ).

Рабочая жидкость через гидравлические магистрали МГ1, МГ2 и МГ3 поступает в гидромоторы ( гидродвигатели ) ГМ1, ГМ2 и ГМ3. При реверсе того или иного из трех ме-

ханизмов крана направление движения жидкости в гидравлических магистралях изменяет

ся на обратное ( направлении движения жидкости при реверсе на рис. *** показано пунк-

тирными стрелками ).

В гидромоторах потенциальная или кинетическая энергия жидкости преобразуется

в механическую энергию, которая далее передается непосредственно на исполнительные механизмы:

1. в приводе подъема – на грузовую лебедку с грузовым барабаном БГ, на котором при помощи скобы закреплен один конец грузового каната КГ. Ко второму концу каната прикреплен вертлюг с гаком;

2. в приводе изменения вылета стрелы – на лебедку стрелы с барабаном, на кото-

ром при помощи скобы закреплен один конец каната, а второй пропущен через шкив на ноке стрелы;

3. в приводе поворота башни крана – на ведущую шестерню Ш1 небольшого диа-

метра, которая находится в зацеплении с ведомой шестерней большого диаметра Ш2, не-

подвижно закрепленной на основании ( тумбе ) крана. При вращении шестерни Ш1 враща

ется шестерня Ш2, в результате чего башня крана поворачивается.

В качестве приводных электродвигателей ЭМ используются нереверсивные асин-

хронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором мощностью от нескольких десят

ков до нескольких сотен кВт. Например, приводной электродвигатель палубного крана типа КL 200/185/60 т с вылетом стрелы соответственно 16/20/24 м имеет мощность 90 кВт.

Гидронасосы ГН1, ГН2 и ГН3 предназначены для преобразования механической энергии, поступащей к ним от электродвигателя, в потенциальную или кинетическую энергию рабочей жидкости ( масла ).В качестве гидронасосов обычно используются порш

невые насосы постоянной или переменной подачи, или центробежные.

Гидромоторы ГМ1, ГМ2 и ГМ3 предназначены для .преобразования кинетической или потенциальной энергии жидкости в механическую энергию исполнительных механиз

мов крана. К таким механизмам относятся грузовая лебедка и лебедка стрелы, а также ме-

ханизм поворота башни крана..

Гидромоторы бывают двух видов:

1. возратно-поступательные;

2. вращающегося типа.

Рассмотрим устройство отдельных частей силовой части болееподробно.

Устройство палубного гидравлического крана

В зависимости от количества кранов, установленных на поворотной платформе, эле

ктрогидравлические краны бывают двух видов:

1. одиночные;

2. сдвоенные.

Во втором случае на общей платформе устанавливают два однотипных крана.

В качестве примера рассмотрим характеристики и устройство сдвоенного крана типа 2 КЭГ12018

Сдвоенный электрогидравлический кран 2 КЭГ 12018 со­стоит из двух одиночных кранов, установленных на поворотной платформе.

Кран может работать в режиме сдвоенного и оди­ночного кранов. В первом режиме краны синхронно работают на общую траверсу, во втором - они действуют независимо.

При работе сдвоенного крана один является ведущим, другой - ведомым.

Управление сдвоенным краном ведется из ка­бины ведущего. В кабине ведущего крана размещен пульт вы­бора режимов работы.

Устройство сдвоенного электрогидравлического крана типа 2КЭГ 12018 показано на рис. 180.

Поворотная часть крана состоит из стального сварного корпуса и стрелы, навешен-

ной на его шаровые цапфы.

Непод­вижная часть состоит из зубчатого колеса и обоймы опорного под­шипника, которые соединяются болтами с фланцем фундамен­та.

В корпусе крана сверху размещена кабина, ниже - машин­ное отделение. Кабина оборудована двумя пультами управле­ния. Пульт, размещенный справа, предназначен для управления механизмом подъема; пульт слева - для управления механиз­мами изменения вылета стрелы и поворота.

Рис. 180. Сдвоенный электрогидравлический кран типа 2КЭГ 12018:

1 - кор­пус одиночного крана; 2 - стрела; 3 - механизм подъема груза; 4 - механизм изменения вылета стрелы; 5 - пульт управления механизмами поворота крана и изменения вылета стрелы; 6 -пульт управления механизмом подъема груза; 7 - траверса; 8 –электро-

двигатель; 9 - насосная станция; 10 - механизм поворо­та крана.

Через проем задней двери корпуса крана в машинном от­делении вверху виден меха

низм изменения вылета стрелы; под ним находится электродвигатель, установленный на крышке масляного бака; внизу слева размещен механизм подъема, на­ходящийся в горизон

тальном положении и справа - вертикаль­но размещенный механизм поворота.

Маслоохладитель гидросистемы крана, если открыть пе­реднюю дверь, виден под механизмом изменения вылета стрелы.

От специальных клапанов, размещенных на крышке мас­лобака, к гидромоторам всех механизмов крана в машинном отделении проходят трубопроводы и связующие элементы от пультов управления к сервоприводам насосов.

В центральной части основания веду­щего крана установлен маслопереход к гидро-

моторам меха­низма поворота платформы.

При работе спаренного крана возможен перекос стрел кранов и, как следствие, пере

кос траверсы. При этом нагрузка на механизмы подъема и изменения вылета стрелы кра-

нов, работающих в «спарке», становятся неодинаковыми, что недопустимо.

Поэтому механизмы подъема и изменения вылета стрелы ведущего крана имеют датчики электрической системы синхронизации, которые автоматически одинаковое поло

жение стрел кранов в любой момент времени.

Приводы гидронасосов электрогидравлических кранов

Рассмотрим привод насосов крана на примере крана 2КЭГ 12018 ( рис. 181 ).

Рис. 181. Привод гидронасосов крана типа 2КЭГ 12018

Этот привод размещен в крышке масляного бака насосной станции. Для привода в действие гидронасосов 9, 10, 11 и 12 исполь­зуется один и тот же электродвигатель 1, рас-

положенный сверху крышки бака. .

На валу 2 электродвигателя на шпонке закреплена ведущая шестерня 3, одинако-

вая с промежуточными ( ведомыми ) шестернями 4, 5 и 6. Часть 7 каждой шестерни, при-

легающая к валу, является верхней половиной втулочно-пальцевой муфты, которая соеди-

нена с нижней 8 при помощи металлических пальцев.

При работе двигателя его вращающий момент передается через ведущую 3, ведо-

мые 4, 5, 6 шестерни и втулочно-пальцевые муфты к валам гидронасосов 9, 10, 11 и 12.

Поскольку ведущая и ведомая шестерни устроены одинаково, т.е. имеют одинако-

вое число зубьев, скорость вращения валов гидронасосов 9, 10, 11 и 12 такая же, как и ва-

ла электродвигателя.

Наличие на рис. 181 четырех гидронасосов вместо трех ( по числу механизмов ) объясняется тем, что в кранах типа 2 КЭГ 12018 гидропривод механизма подъема груза оборудован двумя индивидуальными гидронасосами.

Гидронасосы палубных кранов

В качестве гидронасосов обычно используются поршневые насосы постоянной или переменной подачи, или центробежные.

В качестве примера рассмотрим два типа поршневых насосов переменной подачи:

1. радиально-поршневой насос переменной подачи ( рис. 182 );

2. аксиально-поршневой насос ( рис. 183 ).