2. Проектирование электропривода

2.1. Расчет электропривода якорного устройства

2.1.1. Общие сведения. Якорно-швартовное устройство является одним из наиболее важных судовых устройств, обеспечивающих безопасность эксплуатации судна. Шпилевые и брашпильные устройства предназначены для выбирания и спуска якорей, выполнения швартовных и других операций. Работа каждого шпилевого и брашпильного электропривода определяется величиной тягового усилия, скоростью выбирания якорной цепи или швартовного троса, длительностью швартовного периода.

С помощью якорно-швартовных механизмов выполняются следующие основные операции:

1. Отдача якоря (посредством электропривода, свободным травлением и свободным травлением с подтормаживанием тормозом звёздочки);

2. Стоянка на якоре на тормозе цепной звёздочки;

3. Съёмка с якоря - подтягивание судна к якорю, отрыв и подъём якоря, втягивание якоря в клюз;

4. Одновременный подъём двух якорей с половины расчётной глубины стоянки при неодновременном их отрыве от грунта;

5. Обеспечение швартовки судна при отжимном ветре 5 баллов.

Характерными особенностями электроприводов якорно-швартовных механизмов являются:

1. Кратковременный режим работы (20 - 30 мин.) стандартная продолжительность цикла принята 30 минут;

2. Возможность стоянки двигателя под током (0,5 - 1 мин.);

3. Частые пуски электродвигателя (до 120 пусков и торможений в течение часа и возможные реверсы);

4. Суммарная продолжительность включения двигателя якорно-швартовного механизма за сутки 40 - 50 минут;

5. Необходимость саморегулирования частоты вращения электродвигателя при изменении момента сопротивления на его валу.

Общее число часов работы якорно-швартовных механизмов в год колеблется в пределах 100 - 200, при этом осуществляется 1200 - 1500 включений и остановок электропривода. В числе этих операций возможно до 100 отключений предельного тока или установки грузовой защиты для двигателя постоянного тока.

Электроприводы шпилей и бра­шпилей должны обеспечивать:

• надежность и безотказность в работе, в частности при колебаниях параметров питающей сети, установлен­ных соответствующими правилами и нормами;

• возможность пуска в ход под полной нагрузкой;

• поддержание необходимого тягового уси­лия при малых скоростях выбирания цепи или троса, вплоть до пол­ной остановки;

• соразмерность максимального тягового усилия, раз­виваемого исполнительным электродвигателем, с прочностью цепи или троса;

• удержание якоря на весу в случае прекращения подачи то­ка;

• безопасный спуск якоря на заданную глубину.

Согласно Регистру РФ мощность привода якорного механизма должна обеспечивать подтягивание судна к якорю, отрыв и подъем любого из яко­рей со скоростью не менее 7 м / мин при номинальном тяговом усилии на звездочке, Н,

,

где m = 1,0 для цепей с распорками, m = 0,9 для цепей без распорок; d — калибр якорной цепи, мм.

Якорную цепь при указанных условиях следует выбирать в тече­ние не более 30 мин.

Привод швартовного механизма должен обеспечивать непрерывное выбирание швартовного каната при номинальном тяговом усилии Т_Ш с номинальной скоростью в течение не менее 30 мин.

При применении асинхронных короткозамкнутых электродвигате­лей электропривод якорного механизма после 30-минутной работы при номинальной нагрузке должен обеспечить возможность стоянки под током электродвигателя при номинальном напряжении в течение не менее 30 с (на характеристике, используемой в номинальном ре­жиме). Электродвигатели постоянного тока должны выдерживать указанный режим стоянки под током при моменте 200 % номинально­го (на характеристике, используемой для пуска), причем напряжение может быть меньше номинального. После режима стоянки под током превышение температуры не должно быть более 130 % допустимой.

Электродвигателям швартовных механизмов предъявляются та­кие же требования, только время стоянки устанавливается не менее 15с.

Типы электроприводов. Для якорно-швартовных механизмов при­меняют три основные группы электроприводов:

• с двигателями постоянного тока, питающимися от сети;

• с двигателями пере­менного тока, также питающимися от сети;

• с двигателями по­стоянного тока, питающимися от автономных преобразователей.

Управление электроприводами двух первых групп осуществляют с помощью силовых кулачковых контроллеров или магнитных стан­ций. Группа электроприводов по системе Г — Д обычно имеет дистан­ционное управление.

При постоянном токе используют двигатели смешанного возбужде­ния серии ДПМ, обмоточные данные и механические характеристики которых специально подобраны исходя из требований, предъявляемых к электроприводам палубных механизмов.

У электродвигателей со смешанным возбуждением, работающих при контакторном управлении, удельное значение намагничивающей силы параллельного подмагничивания лежит в пределах 0 — 0,5.

Параллельная обмотка возбуждения ограничивает частоту враще­ния электродвигателя при малых нагрузках и обеспечивает режим ди­намического торможения двигателя. В несамотормозящихся якорно-швартовных приводах параллельная обмотка возбуждения создает условия для спуска якоря в режиме рекуперативного торможения. Момент вращения при стоянке под током ограничивают включением добавочных резисторов в цепь якоря двигателя. Необходимую харак­теристику для втягивания якоря в клюз получают включением рези­сторов последовательно и параллельно якорю двигателя.

Кроме снижения частоты вращения, необходимо иметь возмож­ность значительно повысить ее. Такая потребность возникает при вы­бирании свободных швартовных канатов после отдачи их с прича­ла. Повышенную частоту вращения получают ослаблением магнит­ного поля двигателя.

Система Г—Д по сравнению с контакторной дает увеличение мас­сы примерно на 40 %. Поэтому ее целесообразно применять при боль­шой мощности якорно-швартовных механизмов. Практически приме­нение систем Г—Д может быть оправдано при мощности электропри­вода выше 25 % мощности судовой электростанции.

Как правило, систему Г—Д применяют с размагничивающей об­моткой на генераторе. В режиме спуска размагничивающая обмот­ка отключается, и двигатель приобретает линейную характеристику весьма удобную для спуска якоря.

Получение желательных механических характеристик электро­приводов на переменном токе более затруднительно. Практически это можно осуществить только для многоскоростных короткозамкнутых асинхронных двигателей повышенного скольжения в вариантах с контакторным и контроллерным управлением. Двигатели с контакт­ными кольцами не нашли применения.

В России и за рубежом созданы специальные серии короткозамкну­тых двигателей для якорно-швартовных механизмов. Выходные дан­ные их примерно одинаковы.

Для нормальных якорно-швартовных механизмов с калибром цепи до 28 мм и швартовных шпилей с тяговым усилием до 3·10⁴ Н приме­няют двухскоростные двигатели, для более мощных — трехскоростные.

Электроприводы якорных устройств должны обеспечивать:

• выбирание в течение 30 мин без перерыва якорной цепи со скоростью не менее 10 м / мин при тяговом усилии F₁ на звездоч­ке, определяемом по формуле , где g — вес погонного метра цепи, Н/м; G — вес якоря, Н; h — условная глубина стоянки, которая принимается равной 1/3 полной длины цепи при калибре до 14 мм, 65 м — при калибре 15 — 17 мм, 80 м — при калибре 18 — 28 мм и 100 м при калибре более 28 мм;

• спуск одного якоря на условную глубину стоянки;

• скорость выбирания цепи при подходе якоря к клюзу не более 10 м / мин, рекомендуется не более 7 м/мин;

• одновременное выбирание двух свободно висящих якорей с половины условной глубины;

• достаточный (для создания на звездочке усилия 2F₁) пуско­вой момент;

• возможность стоянки двигателя под током не менее 30с пос­ле 30 мин работы при номинальной нагрузке, причем, двигатели постоянного тока и асинхронные с фазным ротором должны раз­вивать момент стоянки не менее 2М_Н, превышение температуры после стоянки должно быть не более 130% допустимой.

Электроприводы швартовных устройств должны обеспечи­вать:

• непрерывное выбирание швартовного троса при номинальном тяговом усилии с номинальной скоростью в течение не менее 30 мин, причем, скорость выбирания троса, как правило, не дол­жна превышать 18 м / мин;

• способность развивать усилия в тросе не менее удвоенного но­минального в течение не менее 15с;

• стоянку двигателя под током в течение не менее 15с после 30 мин работы с номинальной нагрузкой, причем двигатели по­стоянного тока и асинхронные с фазным ротором должны разви­вать момент стоянки не менее 2 М_Н, превышение температуры после стоянки должно быть не более 130% допустимого.

Электроприводы якорно-швартовных устройств должны быть оборудованы электромагнитными тормозами, обеспечивающими надежное торможение при отключении двигателя. Для якорных приводов тормозной момент должен обеспечивать надежное тор­можение при усилии на звездочке не менее 1,3F₁, а для швар­товных — при усилии на швартовном барабане не менее 1,5 но­минального. Оборудование якорно-швартовных устройств, устанавливаемое на открытой палубе, должно иметь палубное испол­нение, допускающее заливание его водой во время волнения. Для выполнения операций с якорными цепями и при швартовке необ­ходимо иметь возможность реверсирования и регулирования ско­рости выбирания и травления каната. Важно учитывать также простоту и удобство обслуживания, безотказность в работе, не­большие габариты и массу оборудования.