8 Проектирование электропривода якорно-швартовного устройства

Расчетная часть курсового проекта по электроприводам якорно-швартовного устройства должна состоять из следующих разделов:

8.1 Выбор исходных данных.

8.2 Предварительный расчет мощности и выбор электродвигателя.

8.3 Расчет механических и скоростных характеристик электродвигателя.

8.4 Расчет и построение нагрузочной диаграммы электродвигателя при выбирании одного якоря и при выбирании двух якорей. Расчет и построение нагрузочной диаграммы при аварийном режиме работы.

8.5 Проверка электродвигателя на нагрев и на обеспечение заданных скоростей.

8.6 Выбор типовой системы управления электроприводом якорно-швартовного механизма.

8.7 Инструкции по технической эксплуатации установленного электрооборудования.

Методические указания к выполнению разделов проекта

Основные технические требования к якорно-швартовным механизмам с электрическим приводом предусмотрены правилами регистра. Ниже приводятся требования к первой группе якорно-швартовных механизмов, к которой относятся брашпили, якорно-швартовные шпили, якорные шпили, якорно-швартовные лебедки с нормальной скоростью выбирания цепи.

Якорно-швартовные механизмы должны выполнять следующие основные операции:

- отдачу якоря при постановке судна на якорь;

- снятие с якоря - подтягивание судна к якорю, отрыв и подъем якоря, втягивание якоря в клюз;

- одновременный подъем двух якорей с половины расчетной глубины стоянки при неодновременном отрыве их от грунта;

- обеспечение швартовки судна при отжимном ветре до 5 баллов.

Все якорно-швартовные механизмы должны выпускаться с электрооборудованием морского исполнения переменного тока напряжением 380 В, частотой 50 Гц.

В технически обоснованных случаях допускается выпуск механизмов (с калибром цепи до 46 мм и ниже) с электрооборудованием переменного тока напряжением 220 В, частотой 50 Гц, а также брашпилей (с калибром цепи до 46 мм) с электрооборудованием постоянного тока напряжением 220 В.

Электродвигатели, командоконтроллеры, кулачковые контроллеры и другие элементы электрооборудования, устанавливаемые на палубе, должны быть водозащищенного исполнения; магнитные контроллеры, устанавливаемые в помещениях, должны быть брызгозащищенного исполнения.

Якорно-швартовные механизмы должны допускать возможность оборудования их устройством для дистанционной (с мостика) отдачи якоря.

Якорно-швартовные механизмы должны быть снабжены счетчиками вытравленной якорной цепи, допускающими установку дистанционных репитеров.

Якорно-швартовные и якорные механизмы должны обеспечивать работу якорной части механизма в следующих режимах:

а) выбирание якорной цепи при нормальном тяговом усилии на звездочке с номинальной скоростью в течение 30 мин;

б) выбирание якорной цепи с малой скоростью при тяговом усилии на звездочке, вычисляемом по формуле , кгс (для обыкновенных цепей = 1,0, для цепей повышенной прочности = 1,15), в течение не менее 3 мин.

Якорно-швартовный механизм должен обеспечивать выбирание швартовного каната в следующих режимах:

а) в номинальном режиме - с номинальным тяговым усилием на швартовном барабане и номинальной скоростью в течение 30 мин;

б) в режиме работ с малой скоростью при тяговом усилии на швартовном барабане не менее 0,75 номинального в течение 3-5 мин;

в) в режиме работы с наибольшей скоростью при выбирании каната, не нагруженного в течение 10 мин (расчетное тяговое усилие при этом принимается равным 0,2 номинального).

Электродвигатель якорно-швартовного механизма должен:

а) развивать на основной рабочей характеристике, используемой в номинальном режиме работы механизма (для электродвигателя постоянного тока - на характеристике, предназначенной для пуска), пусковой момент (для электродвигателей переменного тока - каталожное значение пускового момента), создающий тяговое усилие на звездочке не менее двухкратного номинального и не более половины пробной нагрузки данной цепи;

б) допускать стоянку под током в течение 30-60 с после работы в номинальном режиме; стояночный момент электродвигателя постоянного тока должен развивать на звездочке тяговое усилие не менее 1,4 номинального; указанное время стоянки под током должно обеспечиваться электродвигателем переменного тока на основной рабочей характеристике или на характеристике, предназначенной для стоянки;

в) допускать работу (для брашпиля) на выбирание якорной цепи на характеристике, предназначенной для номинального режима, при тяговом усилии на звездочке, равном 1,3 номинального, в течение не менее 2 мин с последующей (без перерыва) работой с номинальным усилием на звездочке в течение не менее 5 мин;

г) допускать работу на травление якорной цепи при тяговом усилии на звездочке, равном 0,6 номинального в течение 10 мин.

Якорно-швартовные механизмы должны иметь автоматический нормально замкнутый тормоз на валу электродвигателя с устройством для ручного растормаживания. Тормоз должен обеспечивать удержание механизма от разворота при действии в цепи на звездочке, соединенной с приводом, статического усилия извне, величина которого не менее 1,3 номинального.

Угол обхвата звездочки якорной цепью должен быть:

- для брашпилей - не менее 117⁰;

- для шпилей - не менее 150⁰.

Тяговые усилия в цепи на звездочке при выбирании должны соответствовать значениям:

а) , кг^.с - для механизмов с калибром цепей до 28 мм;

б) , кг^.с - для механизмов с калибром цепей более 28 мм.

Тяговые усилия при травлении должны быть равны 0,6 номинального.

Срок службы ЯШУ на судне - 20 лет, при сроке службы до капитального ремонта - 10 лет. Общий срок службы электрооборудования - 10 лет. Расчетное время работы электрооборудования за этот срок - 2000 ч при расчетном числе пусков и торможений 100000.

Характеристики судна даны в табл. 4.3 настоящих методических указаний.

Выбор основных параметров якорно-швартового устройства.

Характеристика якорного снабжения

, (8.1)

где, - весовое водоизмещение судна при осадке по летнюю грузовую ватерлинию, тс;

- ширина судна, м;

- условная высота от летней грузовой ватерлинии до верхней кромки настила палубы;

- площадь парусности в пределах длины судна, считая от летней грузовой ватерлинии, м².

. (8.2)

Якорное вооружение выбирается по табл. 7.1-7.2 [3] по характеристике якорного снабжения N_c:

Количество якорей.

Масса якоря m_a , кг.

Длина якорных цепей ,м.

Калибр якорной цепи d, мм.

Категория цепи. Рекомендуем выбирать цепь нормальной прочности. Категории 1.

Разрывное усилие цепи Q_разр, кН.

Пробная нагрузка цепи.

Используя данные табл. 7.3. [3], установите группу якорных механизмов и диаметр цепной звездочки D_зв, м (D_зв = 13,7 d мм).

Установите массу одного метра цепи m_у, кг/м.

Определите расчетную глубину якорной стоянки, Н.

Номинальное тяговое усилие при выбирании якорной цепи со средней скоростью

, Н, (8.3)

где = 36,8 – цепь категории 1;

- калибр цепи, мм.

Характеристики швартовного снабжения.

Число, длина и разрывное усилие должны определяться для всех судов 7.4 [3] по характеристике якорного снабжения .

Число швартовных тросов.

Длина каждого троса , м.

Разрывное усилие троса в целом , кН.

Используя данные табл.7.6 [3], определите диаметр швартовного троса , мм.

Пользуясь данными табл. 8.1 настоящих методических указаний, определите диаметр швартовного барабана , м.

Таблица 8.1

Для каната		Dшб, мм
Стального диаметром , мм	Растительного окружностью
-	60	135
9,3	75	170
11,5	100	210
13,5	100	245
15,0	125	270
17,0	150	305
19,0	175	340
22,5	200	405
24,5	225	440
28,0	275	505
30,0	300	540
33,5	350	605
37,5	350	675

Номинальное тяговое усилие на швартовном барабане должно быть не выше 1/3 разрывного усилия троса .

, кН; (8.4)

Определение скоростных параметров.

Средняя скорость подъема якоря после отрыва с номинальной глубины при усилии : м/с.

Скорость втягивания якоря в клюз: м/с.

Скорость выбирания троса с помощью швартовной головки:

- при номинальном тяговом усилии : м/с,

- при выбирании ненагруженного троса м/с,

- при малой скорости выбирания м/с.

Скорость выбирания швартовного троса швартовной лебедки на первом слое навивки

VШН, м/с	0,25	0,2	0,16	0,13
FШН, кН	До 80	81-160	161-250	Более 250

Расчет мощности электродвигателя.

При выбирании якорной цепи

, Вт, (8.5)

где - КПД передачи (для механизмов с зубчатыми редукторами =0,750,77; для механизмов с червячными передачами =0,50,62).

При выбирании нагруженного швартовного каната

, Вт. (8.6)

Предварительный выбор электродвигателя.

Пусковой момент электродвигателя

; (8.7)

. (8.8)

Расчетное тяговое усилие на звездочке, удерживаемое электромеханическим тормозом на валу электродвигателя:

, Н. (8.9)

В случае судовых сетей переменного тока для всех типов брашпилей и шпилей в пределах калибров цепи 100 мм наиболее целесообразно применение электродвигателей серии МАП.

Применение систем генератор-двигатель (Г-Д) может быть оправдано только в случае, когда мощность электродвигателя выше 25% мощности судовой электростанции.

Выбранные электродвигатели, допускающие нормированную величину времени стоянки под током, должны реализовывать номинальную мощность в течение 30 мин при номинальной частоте вращения.

Данные электродвигателей серии МАП приведены в табл. 2.35-2.42 [4].

Данные электродвигателей серии ДПМ смешанного возбуждения приведены в табл. 2.22, 2.23, 2.24 [4].

Рекомендации по выбору систем управления даны в табл. 7.14, 7.15 [3].

Данные электромеханических тормозов приведены в табл. 2.46, 2.47 [4]. Смотрите рекомендации по выбору тормозов 2.8.24, 2.8.25 [4].

Условие выбора электродвигателя

, и , Вт, (8.10)

Данные выбранного электродвигателя заносим в табл. 8.2.

Для выбранного электродвигателя необходимо определить передаточное число механизма:

, (8.11)

где - номинальная частота вращения электродвигателя, об/мин (для электродвигателя серии МАП частота вращения на основной обмотке.

Таблица 8.2 - Машина переменного тока

Тип электродвигателя	Число полюсов	Режим работы, мин	Мощность, кВт	Частота вращения, об/мин	Время стоянки под током, с	Номинальный ток при 380 ВА	Момент максимальный Нм	Момент пусковой, Нм	Пусковой ток при 380 ВА	Cosн

Расчет механических и скоростных характеристик электродвигателя.

Приведем выражения, позволяющие рассчитать параметры асинхронных короткозамкнутых электродвигателей по каталожным данным и построить характеристики: и .

Номинальный момент для обмотки с числом полюсов 2р:

, Нм. (8.12)

Критическое скольжение

, (8.13)

где ;

;

, об/мин;

, р/с;

f – частота питающей сети;

Р – число пар полюсов.

Частота вращения электродвигателя

, р/с. (8.14)

Задаваясь значениями скольжений , определите соответствующие значения частоты вращения электродвигателя, момента, тока, потребляемого из сети.

Ток, потребляемый электродвигателем из сети, находим по формуле:

, (8.15)

где - пусковой ток электродвигателя, А.

Полученные данные занесите в табл. 8.3.

Таблица 8.3

2р=				2р=				2р
S	Ω р/о	М Нм	I А	S	Ω р/о	М Нм	I А	S	Ω р/о	М Нм	I А
I Sкр	0 Ωкр	Мпуск Ммах	Iпуск I1
Sн	ΩЯ	МН	IН
0	Ω0	0	0

По данным табл. 8.3 постройте характеристики и .

Рассчитайте и постройте характеристики и для всех положений контроллера (командоконтроллера) в именованных единицах. Разберитесь в наличии каждой характеристики.

Построение нагрузочной диаграммы и определение времени работы электродвигателя при выбирании одного из якорей с расчетной глубины якорной стоянки.

Сопротивление воды подтягиванию судна к якорю

, Н, (8.16)

где - поправочный коэффициент на влияние кривизны корпуса;

- поправка на шероховатость корпуса;

- коэффициент трения о воду;

- смоченная поверхность корпуса;

здесь коэффициент полноты водоизмещения;

где - см. табл. 8.3 настоящих методических указаний;

- массовая плотность воды, т/м³ ( =1,025);

, (8.17)

здесь = 13 - скорость течения, м/с;

= 0,10,3 - скорость подтягивания судна к месту залегания якоря, м/с.

Таблица 8.4

	6	8	10	12
	1,04	1,03	1,02	1,01

Сила ветрового сопротивления , Н,

где - коэффициент ветрового давления, кг/м³;

м/с.

- парусная поверхность судна (сумма проекций надводной части на плоскость мидель-шпангоута), м².

ВНИМАНИЕ! Не путать с А-площадью парусности в пределах длины судна: - определяется из чертежа судна

Длина провисающей части цепи

, м, (8.18)

где -

- вес погонного метра якорной цепи, Н/м;

Н - глубина якорной стоянки, м.

Длина цепи, лежащей на грунте:

, м, (8.19)

Усилие на звездочке при выбирании цепи, лежащей на грунте (1-я стадия):

, Н. (8.20)

где =1,23 - коэффициент потерь на трение.

ВНИМАНИЕ! Усилие . При невыполнении этого равенства, т.е. в случае, когда , необходимо уменьшить скорость течения и повторить расчет .

Усилие на звездочке при отрыве якоря от грунта (3-я стадия):

, Н, (8.21)

где ;

- коэффициент потери веса якоря в воде.

Усилие на звездочке на второй стадии принимается линейно возрастающим от до Т₃.

Усилие на звездочке при подъеме якоря после отрыва (4-я стадия):

а) в начале подъема

, Н, (8.22)

б) в конце подъема

, Н. (8.23)

Моменты на валу электродвигателя на различных стадиях съемки с якоря рассчитываются по формуле

, Нм, (8.24)

По расчетным значениям на основной механической характеристике найденные значения частот вращения электродвигателя. По характеристике для полученных значений частот вращения электродвигателя определите токи, потребляемые электродвигателем из сети.

Полученные данные занесите в табл. 8.5.

Таблица 8.5

, Нм
, р/с
I, А

Время работы электродвигателя на отдельных стадиях съемки с якоря, с:

, с, (8.25)

, с, (8.26)

, (8.27)

,с, (8.28)

где - угловые скорости электродвигателя на основной характеристике .

Полное время съемки с якоря , с, где с.

Постройте диаграмму

Построение нагрузочной диаграммы электродвигателя при выбирании двух якорей с половины глубины стоянки.

Момент на валу электродвигателя

- в начале подъема

, Нм; (8.29)

- в конце подъема

, Нм. (8.30)

По расчетным значениям определите и I_i на основных характеристиках, и . Полученные данные занесите в табл. 8.6.

Таблица 8.6

, Нм	, р/с	I, А
М2Qнач
М2Qкон

Время подъема двух якорей

, (8.31)

где - средняя угловая скорость.

Постройте диаграмму

Построение нагрузочной диаграммы электродвигателя при выбирании якоря и цепи, вытравленной на 85% ее полной длины (аварийный режим).

Усилие на звездочке в начале подъема

, Н (8.32)

Усилие на звездочке в конце подъема

, Н, (8.33)

Моменты на валу электродвигателя в начале и конце подъема, Нм,

, (8.34)

По расчетным значениям определите и I_i на основных характеристиках и . Полученные данные занесите в табл. 8.7.

Время подъема якоря .

Постройте диаграмму .

Таблица 8.7

, Нм	, р/с	I, А

Проверка электродвигателя на нагрев.

Для электродвигателей постоянного тока смешанного возбуждения и асинхронных проверка на нагрев производится методом эквивалентного тока.

Нормальный режим (табл. 8.5):

, (8.35)

Выбирание двух якорей (табл. 8.6):

,А. (8.36)

Аварийный режим (табл. 8.7):

, А. (8.37)

Для всех трех режимов съемки с якоря должны выполняться условия:

, (8.38)

Проверка электродвигателя на обеспечение заданных скоростей.

Выбирание якорной цепи после отрыва якоря с номинальной глубины.

Из табл. 8.5 по значению выпишите значение частоты вращения электродвигателя .

Скорость выбирания цепи:

, м/с, (8.39)

где заданное .

Втягивание якоря в клюз.

Асинхронный электродвигатель многоскоростной. По значению момента (табл. 8.6) на механической характеристике с наибольшим числом пар полюсов (табл. 8.4) найдите частоту вращения электродвигателя .

Скорость втягивания якоря в клюз

, м/с, (8.40)

где заданное .

Выбирание швартовного каната с номинальным усилием.

По значению момента на основной механической характеристике найдите частоту вращения электродвигателя .

, Н. (8.41)

Скорость выбирания швартовного каната

, м/с; (8.42)

где заданное .

Выбирание ненагруженного швартовного каната.

Асинхронный электродвигатель многоскоростной. (Для двухскоростного электродвигателя эта проверка не производится).

По значению момента на характеристике с наименьшим числом пар полюсов определяют частоту вращения электродвигателя .

Скорость выбирания швартовного каната

, м/с, (8.43)

где заданное

Выбор типовой системы управления электроприводом якорно-швартовного механизма.

Типы нормализованных электроприводов постоянного тока приведены в табл. 7.17, 7.18, переменного тока - в табл. 7.19-7.24 [3]. При выборе аппаратуры управления необходимо учесть ток перегрузки и термическую стойкость (см. [4] §§7.14, 7.15).

Расчет установок тепловых реле.

Тепловые реле, применяемые для ограничения времени стоянки электродвигателя под током.

Время срабатывания реле с холодного состояния t_ср в режиме стоянки необходимо выбирать равным 1,3t_ст, где t_ст - расчетное время стоянки электродвигателя под пусковым током.

Номинальный ток нагревательного элемента будет всегда значительно выше номинального тока защищаемого электродвигателя.

Порядок расчета:

- задаемся временем срабатывания реле

. (8.44)

- по ампер-секундной характеристике реле определяем

, (8.45)

где - пусковой ток двигателя, А;

-расчетный ток нагревательного элемента реле, А.

- определяем , А, (8.46)

- по табл. 3.21, 3.23, 3.25 [4] принимаем стандартное значение номинального тока теплового элемента ;

- определяем время срабатывания реле в нагретом состоянии

, с, где , , (8.47)

здесь - номинальный ток двигателя, А;

- проверяем условие , (8.48)

- выбираем реле серии ТРТ.

Расчеты произвести для всех обмоток двигателя.

Тепловое реле, применяемые в качестве грузовых (для переключения на скорость с большим временем стоянки), выбираются на одну-две величины (по току) по сравнению с защитными тепловыми реле этой скорости.

Тепловые реле, применяемые для ограничения времени работы электродвигателя.

Расчет производится для той обмотки, время работы электродвигателя на которой меньше времени работы на основной обмотке.

Определите расчетное время срабатывания реле

, (8.49)

где - время работы двигателя на данной обмотке, с.

По ампер-секундной характеристике реле определите кратность тока . Для этого за ток срабатывания реле принять номинальный ток электродвигателя на данной обмотке , А. Определите номинальный ток теплового элемента реле

, А (8.50)

Выберите по табл. 3.21-3.25 [3] тепловой элемент со значением номинального тока, близким к . Значение тока не должно быть меньше . Выпишите тип реле, соответствующий расчету.

Расчет уставок реле времени.

Расчет уставок реле времени следует производить, исходя из их назначения.

Реле времени, обеспечивающее автоматический разгон электродвигателя при резких перекладках поста управления, рассчитывается по известным методикам, данным в курсе общей теории электропривода.

Произведите выбор кабеля, исходя из режима работы каждой обмотки электродвигателя. Проверку на падение напряжения не делать.

Произведите выбор установочных автоматов, защищающих данный электропривод (см. [3], § 3.5).

Разработка электрических схем электропривода.

В курсовом проекте необходимо разработать следующие схемы электропривода и дать их описание:

1) Схема кинематическая;

2) Схема электрическая принципиальная;

3) Схема электрическая подключения

Разработайте инструкцию по технической эксплуатации установленного электрооборудования.