3. Электроприводы якорных и швартовых механизмов

Якорно – швартовое устройство (шпили, брашпили, лебедки) призвано обеспечить: во-первых, надежную стоянку судна на якоре в любых условиях эксплуатации и во-вторых, операции по швартованию судов у причалов или на рейде.

Шпилевые и брашпильные электроприводы должны обеспечивать: их пуск при полной нагрузке, поддержание необходимого вращающего момента при замедлении скорости выбирания якорной цепи вплоть до полной остановки, удерживать якорь на весу в случае прекращения подачи электроэнергии, регулирования частоты вращения при подъеме и спуске якоря, простоту управления и плавность работы.

Правила Регистра устанавливают, что мощность привода якорного механизма должна обеспечивать выбирание любой из якорных цепей со скоростью не менее 10м/мин при тяговом усилии на звездочке

F₁ = 1,13(gh+G), (3.1)

где g – вес погонного метра якорной цепи, Н/м;

h – глубина якорной стоянки, м;

G – вес якоря, Н.

Привод должен обеспечивать выбирание цепи с указанной скоростью и тяговым усилием в течение не менее 30 мин без перерыва, а также спуск одного якоря на глубину якорной стоянки. Рекомендуемая скорость втягивания якоря в клюз не более 7м/мин. Кроме того, привод должен обеспечить одновременное выбирание двух свободно висящих якорей с половины условной глубины, определяемой диаметром якорной цепи:

Д = 14 мм – 1/3 длины цепи; Д = 15 –17мм – 60м; Д = 18 – 28мм – 80м.

Д ≥ 28мм – 100м.

Привод швартовного механизма должен обеспечить:

- непрерывное выбирание швартовного троса при номинальном тяговом усилии с номинальной скоростью не менее 30м/мин;

- скорость выбирания ≤ 18м/мин при номинальном тяговом усилии;

- привод должен развивать усилие в тросе не менее двухкратного в течение 15 сек и электродвигатели постоянного и переменного тока с фазовым ротором должны выдерживать указанный режим стоянки под током.

Автоматические швартовные лебедки (АШЛ) автоматически поддерживают заданное усилие в швартовном тросе, предотвращая его провисание при уменьшении и натяжения и разрыв при увеличении натяжения.

3.1. Расчет и выбор исполнительного двигателя

Для расчета строят нагрузочную диаграмму с учетом процесса снятия судна с якоря.

Р ассмотрим процесс снятия с якоря по стадиям (рис.3.1.1):

1 стадия – выбирается слабина цепи и лежащая на грунте. На грунте лежит отрезок ОВ1, часть цепи А₁В₁ = L₁ провисает в воде.

- Натяжение цепи у клюза "F_к" направлено касательно к провисающей цепи в точке А₁.

- Натяжение цепи у грунта "F_я" направлено горизонтально.

F_к = q(l₁² + H²)/2Н, (3.1.1)

F_я = q(l₁² - H²)/2Н, (3.1.2)

Рисунок 3.1.1 – Стадии выборки якоря.

F_r = F_c + , (3.1.3)

где Д – водоизмещение судна,

g – ускорение, 9,81м/с²,

Vc – скорость судна,

q – удельный вес цепи.

Принимая, что выборка цепи в первой стадии идет с постоянной скоростью, горизонтальная составляющая якорной цепи у клюза

F_r = F_c= F_я,

где F_c= F_ветра + F_трения;

F_ветра = к_вS_вV_в²,

где к_в = 0,22Нс²/м⁴ – коэффициент удельного давления ветра. Парусная поверхность судна в м²:

S_в = 0,27В₁(Н₂ – Т₁) + вh, (3.1.4)

где V_в – скорость ветра (5-12 м/с);

В₁; Н₂; Т₁ – ширина, высота борта, осадка судна,

в, h – ширина и высота надстроек.

F_трения = fΩ(V_c + V_ω)^1,83, (3.1.5)

где f = 0,14 – коэффициент трения,

V_ω – скорость течения, м/с; Ω – площадь подводной части судна, м².

Обычно V_cудна = 0,1 – 0,3 м/с; V_{ωтечения} = 1 – 2 м/с.

Ω = [2Т₁ + 1,37(δ + 0,274)В₁]L.

L – длина судна между перпендикулярами, м.

δ = V/(LB₁T₁) – коэффициент полноты.

V – водоизмещение судна, м³.

l₁ = ,

F_к = F_c+ qH.

Зная F_к определяем момент на валу двигателя на I стадии:

М_с1 = FкRзв/i∙η_k∙η_м– М₀ ; (3.1.6)

где η_к = 0,65 ÷ 0,75 – учитывает трение в клюзе,

η_{м =} 0,65 – 0,8 КПД механической передачи; М₀ – момент за счет свисания цепи в цепном ящике; R_зв – радиус звездочки; i- передаточное число редуктора.

М₀ = ql_ця η_к′ R_зв/i_кη_м,

где l_ця – длина свисающей части цепи в ящике.

η_к′ = 0,75 – учитывает трение в палубном клюзе.

Длина l_ОВ1 цепи, лежащей на грунте, в начале I стадии

l_ОВ1 = l – l₁ = Δl₁,

где l - длина вытравленной за борт цепи, Δl₁ – отрезок цепи, выбираемый в I стадии.

Проекция линии А₁В₁ на грунт определяется формулой цепной линии:

Х_А1В1 = аℓn[(l₁ + Н)/( l₁ – Н)] = Х_А2,

где - а = F_c / q – параметр цепной линии.

Х_А2 – проекция цепной линии в любой момент времени первой стадии.

II стадия. Характеризуется изменяющимся моментом сопротивления на валу двигателя. Судно подтягивается к якорю. Если принять, что на протяжении второй стадии момент сопротивления М_С2 изменяется по закону прямой линии (показано пунктиром) от М_С1 до значения М_С3, соответствующего усилию F_к3 при отрыве якоря от грунта, то М_С3 можно определить для положения, когда цепная линия будет выглядеть как прямая.

В этом случае можно считать для начала 2 стадии:

Конец t₁; F_к = F_к1; М_С = М_С1 и окончание 2^й стадии: начало t₃; т.е. от t₁ до t₃ или от М_С1 до М_С3;

F_К = F_К3; М_С = М_max на звездочке, соответствующий F_К3

F_К3 = [(γ-δ)/γ′](к_яG + qH), (3.1.7)

где G – вес якоря;

к_я = 3 ÷ 4 коэффициент удерживающей силы якоря;

γ = 7,75 – удельный вес материала якоря и цепи;

γ′ = 1,025 – удельный вес морской воды.

Тогда

М_С3 = М_{max зв} = F_К3R _зв/iη_кη_м. (3.1.8)

Третья стадия. Для этой стадии t₃ принимается равным 1мин, а момент сопротивления = М_С3.

Четвертая стадия. Момент сопротивления четвертой стадии определяют для двух точек, принимая, что характер изменения момента прямолинейный.

М_4нач =[R_зв/ (iη_кη_м)](G + qH)(γ-δ)/γ′, (3.1.9)

М_4кон = R_зв G / (iη_кη_м). (3.1.10)

Для расчета мощности электродвигателя используют начальный момент 4^й стадии.

М_ном =bМ_4нач,

где b ≈ 0,6 ÷ 0,9 – зависит от скорости течения, глубины стоянки и т.д.

Для двигателей постоянного тока

М_ном = М_{max зв} /λ,

где λ = 1,5 ÷ 2,2.

Для АД: М_п = 1,25 М_{max зв.}

Обороты электродвигателя выбирают по средней частоте вращения за время "Т" съемки с якоря

n_ср = Li/(2πR_звT), (3.1.11)

где L – длина вытравленной якорной цепи.

Обычно время Т = 20 ÷ 30 мин.

n_ном = сn_ср,

где с = 1,0 ÷ 1,25.

Нормы Регистра устанавливают v_ср = 10м/мин = 0,167м/с.

v_ср = 2πR_зв n_ном /i60 = R_зв n_ном / 9,55i, (3.1.12)

тогда

n_ном = 1,6i/ R_зв;

Р_н = М_нn_н /9550, (3.1.13)

где М – в Нм, n – в об/мин.

Электродвигатель выбирают по Р_н; М_н; n_н для получасового и часового режима. Затем определяют продолжительность работы на каждой стадии.

Продолжительность в минутах на первой стадии

t₁ = Δl₁i/2πR_звn₁,

n₁≥10м/мин. (3.1.14)

На второй стадии

t₂ = (l₁ – Н)i/2πR_звn_2ср,

n_2ср ≈ n₁ /2, (3.1.15)

где l₁ – длина цепи наклонная.

На третьей стадии: t₃ =1 мин.

На четвертой стадии:

t₄ = Hi/2πR_звn_4cp,

где

n_4cp = (n_4нач + n_4кон)/2,

n_4нач = n_2cp,

n_4кон = n₁.

Полное время T = t₁ + t₂ + t₃ + t₄.

Зная моменты и время каждой, стадии строят нагрузочную диаграмму (рис.3.1.2).

Выбранный электродвигатель проверяют на нагрев. Для электродвигателей постоянного тока независимого возбуждения, работающих в системе Г- Д применяют метод среднеквадратичного момента.

М_экв ≤ М_н = .(3.1.16)

Для ДПТ смешанного возбуждения и АД применяют метод среднеквадратичного тока.

I_экв = . (3.1.17)

При подъеме 2 якорей с 1/2 глубины (по Регистру) проверку на нагрев производят с учетом того, что

М′_нач = [R_зв / (iη_кη_м)]2(G + qH/2)(γ-δ)/γ′ , (3.1.18)

М′_кон = [R_зв / (iη_кη_м)]2(G + qL′)(γ-δ)/γ′. (3.1.19)

γ , γ′ - удельный вес из материала цепи и воды;

δ = V/LBT.

L′ - длина цепи от клюза до звездочки.

Время подъема 2^х якорей

t₂^′ = (Н/2)/v_ср^′ = (Нi₂)/(2πR_звn′_cp),

n′ср = (n′нач + n′кон)/2.

По этим формулам строится нагрузочная характеристика и производится проверка на нагрев.

Рисунок 3.1.2 – Нагрузочная диаграмма.

М′_экв = (3.1.20)

или

I′_экв = . (3.1.21)

Которые должны быть

М′_экв ≤ М_н ,

I′_экв≤ I_н.

При этом

М′_нач ≤ М′_ном λ,

где λ – перегрузочная способность.

t₁ + t₂ + t₃ + t₄ ≤ Т,

n_ср ≥ n_зад = 9,55iv_ср / R_зв,

где v′_ср = 0,15м/с = 9м/мин.

Для швартового барабана:

F_шб = F/η_шcosφ,

η_ш ≈ 0,7 – 0,8. (3.1.22)

φ – угол между направлениями троса и движения судна.

F – усилие, требуемое для подтягивания судна.

F ≈ F_в.

Давление ветра

F_в = к_вS_вv_в², (3.1.23)

где к_в = 0,22Нс²/м⁴;

S_в – парусность судна;

v_в = 5÷12 м/с – ветер.