книги из ГПНТБ / Головин Ю.К. Судовые электрические приводы. Устройство и эксплуатация учебник

б= 0,6 -4- 0,75 — коэффициент полноты водоизмещения;

В— ширина, судна, м;

Lnn — длина судна между перпендикулярами, м.

При съемке с якоря возникает дополнительная сила сопротивления воды

ния водой корпуса, в которую входит скорость судна vc = 0,1 — 0,3 м/с. Однако учет силы FT весьма незначительно влияет на величину силы F.

Длина провисающей части цепи зависит также от массы ее погонного метра. Чем легче цепь, тем она длиннее. Поэтому цепи стараются сделать потяжелее. Самые прочные стальные тросы из-за их малой массы здесь неприменимы. Кроме того, цепь которая весит в 5—6 раз больше троса, лучше противостоит внезапно приложенным внешним силам, она служит как бы амортизатором, смягчающим рывки. Калибр и длина цепи устанавливаются нормами ГОСТа в зависимости от размеров судна и района плавания. Наименьший калибр — 12, наибольший — 87 мм. Соответственно общая длина двух цепей равна 100 и 600 м, а общая масса становых якорей 150 и 23 000 кг. Нормируемая глубина стоянки Л равна 80 и 100 м. Практически она не превышает 50 м и лежит в большинстве'случаев в пределах 15—30 м. Длина вытравливаемой за борт цепи L зависит от глубины стоянки. Морская практика рекомендует принимать соотношения L = (2-4-4) Л,

где верхний предел относится к малым глубинам порядка 10 м.

Процесс снятия судна с якоря разбивают на четыре стадии (рис. 172). Стадия 1. Брашпиль выбирает цепь, втягивая ее звенья в клюз. Длина про­

висающей части цепи не изменяется, так как с грунта поднимается столько же звеньев, сколько входит в клюз. Судно равномерно движется к месту, где лежит якорь, а провисающая цепь перемещается вместе с судном, не изменяя своей фор­ мы. Натяжение цепи остается неизменным. Таким образом, в стадии 1 происходит

выбирание цепи, лежащей на грунте, при постоянном тяговом усилии брашпиля. Стадия II. Она начинается с момента, когда с грунта поднято последнее

звено. Брашпиль продолжает втягивать цепь в клюз, а судно продолжает двигать­ ся практически равномерно вследствие приобретенной инерции. Натяжение цепи увеличивается и форма линии провеса изменяется — цепь провисает все более круто. В конце стадии натяжение якорной цепи достигает величины максималь­ ного тягового усилия брашпиля, вследствие чего он больше не в состоянии под­ тягивать судно. Таким образом, в стадии II происходит выбирание провисающей

цепи при возрастающем тяговом усилии брашпиля.

Стадия III. Брашпиль выбирает слабину цепи, образующуюся вследствие

движения судна по инерции. Это продолжается очень недолго— пока клюз не окажется над местом, где лежит якорь. Длина свешивающейся части цепи ока­ зывается наименьшей. Дальше якорь отрывается от грунта. В зависимости от свойств грунта и расположения в нем якоря отрыв может произойти сразу или через некоторое время, на протяжении которого брашпиль не выбирает цепь, находясь в заторможенном состоянии. Считают, что в наихудщем случае это время равно 1 мин. Нельзя установить точно, отчего происходит отрыв якоря— от действия брашпиля или в результате движения судна над якорем по инерции. В общем случае надо полагать, что влияние оказывают оба фактора. Таким об­ разом, стадия I I I характерна тем, что в конце ее якорь отрывается от грунта.

Стадия IV. Она начинается с момента, когда оторванный от грунта якорь

повисает на цепи. Брашпиль выбирает свободно висящую цепь и якорь. С дви­ жением судна эта работа уже не связана. Тяговое усилие брашпиля определяется только массой цепи и якоря. Оно уменьшается по мере подъема якоря. В конце этого периода якорь плотно втягивается в клюз.

280

Продолжительность всего процесса при съемке с номинальной глубины сто­

янки составляет 20—30 мин.

Правилами Регистра СССР установлено, что средняя скорость подъема од­ ного якоря должна быть не менее 10 м/мин. После отрыва якоря от грунта ско­ рость доходит до 18 м/мин и более. Скорость выбирания лежащей на грунте цепи колеблется в пределах от 6 до 18 м/мин. Скорость втягивания якоря в клюз на основании натурных испытаний не должна превышать 5— 10 м/мии.

Для уменьшения района стоянки при переменном ветре отдают два носовых якоря. Сначала ставят судно на один якорь и вытравливают его цепь на удвоен­ ную длину, затем отдают второй якорь, травят его цепь на нужную длину и вы­ бирают первую цепь, пока длина цепей не сравняется. Съемка с якоря в этом слу­ чае осуществляется в обратном порядке: сначала одну цепь травят, а другую вы­ бирают до момента отрыва якоря от грунта, затем отрывают первый якорь и вы­ бирают обе цепи со свободно висящими якорями. При номинальной глубине сто­ янки тяговое усилие брашпиля иногда недостаточно для обеспечения последнего действия. В этом случае якоря сначала поднимают порознь, а с половины глу­ бины стоянки — одновременно.

В принципе возможен еще и третий случай, когда вся якорная цепь оказы­ вается вытравленной, а якорь не достигает дна из-за слишком большой глубины под килем. В этом аварийном режиме брашпилю приходится развивать наиболь­ шее возможное тяговое усилие. Однако этот случай при нынешнем развитии море­ плавания и наличии на каждом судне современных навигационных приборов следует считать практически нереальным. Вместе с тем, если установить браш­ пиль, способный развить тяговое усилие, которое обеспечивает подъем якоря, висящего на полностью вытравленной цепи, то при нормальной съемке с якоря может оборвать цепь, если якорь застрянет.

Тяговое усилие брашпиля—это сила, приложенная к его якорному бара­ бану при выбирании якорной цепи. По величине тяговое усилие Q равно сумме силы натяжения цепи у клюза Т и сил трения цепи о бортовой клюз, стенки клгаз-

ной трубы, палубный клюз и стопор. Силы трения считают равными 28—35% силы натяжения:

281

Пользуясь формулами (204) — (210) и учитывая потери на трение согласно выражению (202), можно определить тяговые усилия на звездочке брашпиля во время любой стадии снятия судна с якоря: Qj, Q3, Q4Hач, Q4KOnШвартовные

шпили работают обычно не более 30 мин подряд. Тяговое усилие на барабане при нормальной швартовке неизменно или меняется в малых пределах. Оно зависит от размеров судна. Номинальное тяговое усилие шпилей устанавливают в пре­ делах от 1,2 до 12 тс. Наибольшая скорость выбирания швартовного троса при этом усилии должна быть от 18 до 9 м/мин соответственно. Для брашпилей и якорно-швартовных шпилей она должна быть не более 15 м/мин.

В случае швартовки судна при сильном и порывистом отжимном ветре на швартовном барабане шпиля возникают резкие колебания тягового усилия, выз­ ванные изменением силы и направления ветра. Нагрузка на электропривод шпи­ ля может возрасти настолько, что он окажется в режиме стоянки под током. С другой стороны, значительное уменьшение силы отжимного ветра приводит изза движения судна по инерции к образованию слабины швартовного троса. При резком порыве ветра ослабленный трос может лопнуть, поэтому шпили должны иметь возможность быстро выбрать слабину швартовов.

Сравнительно большая скорость шпиля нужна также и для выбирания сво­ бодных швартовов, сброшенных с причала при отчаливании судна. В связи с этим шпили должны обеспечивать скорость выбирания порядка 30 м/мин. Для шпилей с электроприводами переменного тока допускается уменьшение этой скорости до 25 м/мин. Когда швартующееся судно приближается к причалу, скорость выбирания должна быть значительно уменьшена во избежание удара о приваль­ ный брус.

282

§66. Электроприводы брашпилей

ишпилей

А. Нагрузочная диаграмма электропривода брашпиля

полагают, что он нарастает по прямолинейному закону до величины

283

Продолжительность подъема якоря и цепи находят по формуле

строят таким же образом. Моменты и время на участках диаграммы определяют по формулам, аналогичным приведенным.

Якорный электропривод — одно из наиболее ответственных судо­ вых устройств, определяющих безопасность мореплавания. С учетом характера нагрузочной диаграммы и требований безопасности морепла­ вания электропривод брашпилей и шпилей должен обеспечивать:

съемку судна с якоря при любом состоянии погоды и моря; стоянку двигателя под током в течение 0,5 мин и более; возможность пуска при полной нагрузке; широкий диапазон н достаточную плавность регулирования часто­

ты вращения исполнительного двигателя, обеспечивающие нормальную скорость подъема одного якоря и минимальную скорость подхода якоря к клюзу;

возможность работы как при выбирании, так и при травлении; удержание якоря «на весу» при снятом напряжении; выбирание якорной цепи или швартовов при нагрузке, изменя­

ющейся в широких пределах; возможность работы как при выбирании, так и при травлении;

тормозное травление якоря с ограниченной скоростью.

Кроме того, электропривод брашпилей и шпилей должен быть по­ стоянно готов к действию, быть надежным и безопасным в работе, иметь простую и удобную систему управления.

Б. Системы электропривода

Для электропривода якорно-швартовных уст­ ройств судов, электрифицированных на постоянном токе, лучше всего подходят компаундные электродвигатели. Они обеспечивают весьма желательные для электропривода мягкие механические характеристи­ ки при выбирании якоря и жесткие — при тормозном травлении. Ре­ гулирование скорости в требуемых пределах обеспечивается введением сопротивлений как в цепь якоря, так и в цепь шунтовой обмотки. Ползу­ чие скорости получаются при искусственных схемах включения элект­ родвигателя. Для выбирания швартовов при переменном ветре исполь­ зуют крутую искусственную характеристику, получающуюся при вве­ дении большого сопротивления в цепь якоря. Она обеспечивает авто­ матическое изменение скорости выбирания в широких пределах, не

284

Допуская образования слабины троса. Для возможности стоянки элект­ ропривода под током применяют грузовые реле.

На основных серийных судах ММФ с электростанциями перемен­ ного тока эксплуатируются в основном приводы трех типов: а) постоян­ ного тока системы Г—Д; б) переменного тока с фазными асинхронными двигателями; в) переменного тока с многоскоростными асинхронными двигателями.

Система Г—Д находит применение при больших мощностях электро­ привода якорно-швартовных механизмов. Пуск приводного электро­ двигателя-преобразователя происходит здесь без нагрузки, поэтому можно пускать его через сопротивления в цепи статора и снижать этим толчки пускового тока до допустимых. Все прочие требования системы Г—Д удовлетворяют наилучшим образом. Для обеспечения жестких характеристик при тормозном травлении противокомпаундную обмотку генератора в этом режиме замыкают накоротко, и гене­ ратор получается с независимым возбуждением.

Систему Г—Д применяют часто и при постоянном токе, так как стои­ мость ее при мощностях свыше 70 кВт становится соизмеримой со стои­ мостью контакторной системы, а технические характеристики у нее лучше. Находит применение в этом случае и система согласно-встреч­ ного включения.

Такие приводы по экономическим соображениям не являются пер­ спективными и на судах морского флота нашли ограниченное примене­ ние. Электроприводы с асинхронными фазными двигателями безболез­ ненно выдерживают стоянку под током, ограниченным автоматически введенными в цепь ротора сопротивлениями, но они не обеспечивают возможности большого возрастания скорости при выбирании слабины швартовов. На некоторых судах нашли применение двухскоростные двухобмоточные электродвигатели с ротором, имеющим две обмотки: фазную и короткозамкнутую. При выбирании якоря работа ведется на тихоходной обмотке статора и скорость регулируется введением сопро­ тивлений в цепь фазной обмотки ротора. При швартовных операциях фазная обмотка ротора замыкается накоротко и работа выполняется на быстроходной обмотке. Указанные типы электродвигателей также нашли ограниченное применение.

К самой многочисленной группе относятся якорно-швартовные электроприводы переменного тока с трехскоростными асинхронными электродвигателями. Наибольшее применение в якорно-швартовных механизмах нашли трехскоростные асинхронные двигатели с числом полюсов 2р = 4/8/16, что обеспечивает изменение рабочих скоростей

в отношении 4:2:1. При этом малая скорость предназначается для втя­ гивания якоря в клюз и плавного подтягивания судна к причалу, вторая — для выбирания якорной цепи и подъема якоря или выбира­ ния нагруженного троса, а третья — для выбирания ненагруженного швартовного троса. Некоторые трехскоростные асинхронные двигатели выполнены с двумя статорными обмотками с числом полюсов 2р = 4/8.

При этом восьмиполюсная обмотка секционирована и обеспечивает ра­ боту двигателя на двух механических характеристиках, первая из ко­ торых — с небольшой кратностью пускового тока и большой кратно-

285

стыо моментов — для выбирания якорной цепи и якоря. Обмотка с 2р = 8 предназначается для выбирания ненагружеиного швартовного троса.

Все трехскоростные асинхронные двигатели якорно-швартовных электроприводов однотормозные с пристроенными электромагнитны­ ми тормозами. Тормоза зарубежные ■— многодисковые переменного тока. Номинальную мощность электродвигателей примято относить к 30-минутному кратковременному режиму работы. Это требование распространено и на трехскоростные асинхронные двигатели, хотя последние принципиально отличаются от двигателей других типов, в частности от асинхронных фазных двигателей или двигателей постоян­ ного тока, для которых и было сформулировано это требование. Однако к заданному режиму работы отнесена мощность трехскоростного асин­ хронного двигателя только на одной, основной частоте вращения. Мощности же трехскоростных асинхронных двигателей при работе на двух других частотах вращения отнесены к различным кратковремен­ ным режимам.

В. Определение мощности электропривода

Электропривод брашпиля работает в кратковремен­ ном режиме с переменной нагрузкой. Для определения мощности в этом случае нужно было бы построить нагрузочную диаграмму М — f (t),

найти по ее данным эквивалентный момент и по этому моменту и сред­ ней скорости выбирания цепи, приведенной к валу электродвигателя, определить его кратковременную мощность при продолжительности работы 30 мин, а затем проверить выбранный по этой мощности электро­ двигатель на перегрузку. Этот обычный путь расчета здесь затруднен тем, что вначале неизвестна мягкая механическая характеристика электродвигателя и, следовательно, частоты вращения электродвига­ теля при различных моментах. Поэтому путь расчета здесь другой: сначала предварительно выбирают электродвигатель по перегрузочной способности, а затем, зная его механическую характеристику, строят нагрузочную диаграмму, определяют эквивалентный момент, и, сра­ внивая его с номинальным моментом выбранного электродвигателя, проверяют последний на нагрев.

Определение мощности компаундного электродвигателя брашпиля выполняют в следующем порядке.

1.Определяют параметры, относящиеся к работе якорного устрой­ ства: равнодействующую внешних сил F, длину провисающей части цепи I и тяговые усилия на звездочке брашпиля в разных стадиях ра­ боты Q по формулам, приведенным в предыдущем параграфе.

2.Находят максимальный момент М 3 на валу электродвигателя

при снятии судна с одного якоря по формуле (213).

3.Учитывая перегрузочную способность судовых крановых ком-

паундных электродвигателей по моменту Хм = 3 3,5 и желая создать некоторый запас по перегрузке (50%), задаются расчетным моментом:

Л4расч = = (0,43 -т-0,5)М 3 кгс-м. (219)

286

4. Определяют расчетную частоту вращения, исходя из заданной правилами Регистра средней скорости выбирания одного якоря после

HL / q -q

5.Определяют расчетную кратковременную мощность:

6. По этой мощности и расчетной частоте вращения подбирают по каталогу электродвигатель 30-минутного кратковременного режима.

как указывалось в начале этого параграфа. Необходимые значения частот вращения находят с естественной механической характеристики п — f (М ). Таким образом, становится известным время tx — /4 работы

иМ4кон.

9.Определяют величину эквивалентного тока по известной форму­ ле, которая для нагрузочной диаграммы, приведенной на рис. 173, имеет вид

10.Сравнивают / Э1!В с /„ выбранного электродвигателя. При это

должно быть выполнено условие / 311в ^ / ы, в противном случае надо выбирать другой, ближайший по мощности электродвигатель и повто­ рять проверку по нагреву.

13. Проверяют выбранный электродвигатель по перегрузочно способности в режиме подъема двух якорей с половинной глубины стоянки. При этом должно быть соблюдено следующее условие:

14.Проверяют выбранный электродвигатель по нагреву в режиме снятия судна с двух якорей, для чего строят нагрузочную диаграмму, для этого случая и делают расчет, аналогичный приведенному.

Проверки по пп. 11— 14, как правило, дают положительные резуль­ таты.

15.Последняя проверка — на выполнение швартовных операций. Для этого сначала определяют момент на валу электродвигателя при

выбирании швартовов:

2; ши Чм Чин

где Qmu — заданное тяговое усилие при швартовке, кгс; Д шв — диаметр швартовного барабана, м;

('шв — передаточное число к валу швартовного барабана;

11нн ~ 11кл — к - п. Д- кнехтов, учитывающий потери на трение швартовного троса о кнехты.

Найденный момент сравнивают с номинальным. Должно быть вы­ полнено условие 44шв ^ 44 н.

16. По характеристике п = / (44), обеспечивающей наибольшую

частоту вращения (чаще всего по искусственной), находят соответ­ ствующую моменту 44шв частоту/?шв. Если характеристика неизвестна, то задаются ею, принимая во внимание возможности выбранного элект­ родвигателя к увеличению скорости. По этой частоте вращения находят

Кратковременную 30-минутную мощность электропривода швартов­ ных шпилей определяют по значениям 44шв и дшв, которые находят по формулам (226) и (227), исходя из заданных величин ишв. зад и Тшв,

Для определения мощности электропривода, работающего по систе­ ме генератор—двигатель с ненасыщенным противокомпаундным гене­ ратором, сначала задаются механической характеристикой электродви­ гателя. Одна из ее характерных точек — точка стоянки подтоком. Мо­ ментом стоянки задаются из предположения, что должен быть обеспе­ чен разгон электродвигателя в начале выбирания двух якорей, сво­ бодно висящих на цепи. Исходя из этого, принимают 44ст = (1,4 -ь -т- 1,5) 442як. пач. Вторую характерную точку выбирают по средней частоте вращения /г4ср и среднему моменту М4ср в стадии IV. Эти зна­

чения определяются по выражениям:

288

По двум точкам строят характеристику и, пользуясь ею, опреде­ ляют предварительную мощность электродвигателя.

Так, для рулевых электроприводов подбирают электродвигатель и генератор, строят нагрузочную диаграмму М = / (t) и проверяют

электродвигатель на нагрев по эквивалентному моменту. Полученные при расчетах параметры электромашин привода относят к 30-минут­ ному режиму.

Еще проще определяют мощность фазных электродвигателей. Ввиду относительной жесткости их естественной механической характери­ стики можно при построении нагрузочной диаграммы пользоваться од­ ной — средней скоростью и проверку на нагрев выполнять по экви­ валентному моменту, а не по току. Так как средняя скорость выбирания

Передаточное число i брашпиля должно быть в этом случае подоб­

рано так, чтобы /гср соответствовала возможным частотам вращения асинхронного электродвигателя. Считая, что /гср неизменна в стадиях /, II и I V и что стоянка под током в стадии I I I происходит по искус­ ственным характеристикам, строят нагрузочную диаграмму М = / (t), находят M 3l.s и по нему и /гср определяют 30-минутную мощность

электродвигателя. Выбрав электродвигатель по каталогу, проверяют его на перегрузочную способность обычным порядком.

§ 67. Управление электроприводами брашпилей и шпилей

Управление электроприводами шпилей и бра­ шпилей небольшой мощности на судах, построенных в СССР, осуществ­ ляется при помощи кулачковых контроллеров серии КВ. Эти контрол­ леры создают как симметричные механические характеристики электро­ привода для швартовных шпилей, обслуживающих оба борта судна, так и несимметричные. Контроллеры устанавливают на палубе вблизи ме­ ханизма, а ящики с пуско-регулировочными сопротивлениями — под палубой. При средних мощностях большее распространение имеют полуавтоматические контакторные схемы управления. На постоянном токе в СССР применяют брызгозащищенные магнитные контроллеры серии БП, а на переменном — ВТ. Командоконтроллеры располагают вблизи механизма, а магнитные контроллеры — в помещениях под палубой.

Электроприводы системы Г—Д управляются при помощи командоконтроллеров, контакты которых включены в цепи возбуждения.

Аналогично управляются электроприводы системы согласно­ встречного включения. Преобразователи этих систем и аппаратура