Расчет электропривода якорно-швартового устройства

1. Исходные данные для расчета

Тип судна - нефтерудовоз

Водоизмещение - V=35093

Наибольшая ширина судна - B=26м

Длина судна между перпендикулярами - L=156,5м

Высота борта - H=13,7м

Глубина якорной стоянки - h=100м

Осадка судна - T=10,25м

Скорость подтягивания якоря - Vа=12м/с

КПД механизма - з=0,85

Коэффициент, учитывающий трение цепи о клюз - зкл=0,77

Скорость втягивания якоря в клюз - Vкл=6м/мин

2. Выбор веса и числа якорей, цепи и швартовного каната. Определение конструктивных размеров

Определим характеристику якорного снабжения Na

Парусящая поверхность судна

b и h взяты из конструктивных данных судна.

Определим количество и вес становых якорей и цепей к ним по таблице норм снабжения судов якорями и цепями в зависимости от Nа:

Число становых якорей - 3

Средняя масса якоря - 7000кг

Общая длина 2-х цепей - 600м

Калибр цепи повышенной прочности - 72мм

Вес 1-го метра цепи - 111,4кг

По таблице данных нормализированных ЯШУ для выбранного калибра цепи d=72мм определяем:

Пробную нагрузку цепи - 1918

Диаметр цепной звездочки - 915мм

Диаметр швартовного троса - 41мм

Диаметр швартовного барабана для определения скоростей - 780мм

Диаметр швартовного барабана для определения моментов - 880мм

Номинальное усилие швартования - 140кН

3. Определение внешних усилий, действующих на судно при съемке с якоря

Предполагаем, что направление силы ветра и течения совпадают. В таком случае равнодействующая F определится по формуле:

Сила течения находится по формуле Фруда:

;

VТ =2м/с - скорость течения воды;

VПТ=0,2м/с - абсолютная скорость подтягивания судна к месту заложения якоря.

д - удельный вес морской воды.

д = 1,025

Кв - коэффициент удельного давления ветра

Кв = 0,02 кг/м2

- скорость ветра

= 5ч12 м/с

- парусящая поверхность судна

b, h - ширина и высота надстроек.

4. Определение мощности исполнительного электродвигателя якорно-швартовного устройства

Мощность исполнительного электродвигателя ЯШУ определим по формуле:

b - расчетный коэффициент (0,6-0,9).

Fa - усилие на окружности цепной звездочки якорно-швартового механизма, развиваемое в начале подъема оторванного от грунта якоря.

Qa - вес якоря Н;

P - вес погонного метра цепи;

P = 1093Н/м

г - удельный вес материала цепи;

г = 76,4 ? 103 Н/м

д - удельный вес морской воды;

д = 10025 Н/м

Va = 12м/мин = 0,2м/с

5. Выбор исполнительного электродвигателя якорно-швартовного устройства

Выбираем асинхронный полюсопереключаемый двигатель серии МАП, предназначенный для электроприводов ЯШУ /3/.

Тип двигателя: МАП622-4/8/16

2Р	Рн кВт	Режим работы мин	n об/мин	Мкр да Нм	Мп да Нм
4	30	10	1430	70	60
8	55	30	645	170	160
16	50	5	405	250	240

Электродвигатель выбран в соответствии с рекомендациями в отношении скоростей выбирания и травления якорной цепи и выбирания швартовного каната /2/ табл.3.25, справочник стр.396, для якорно-швартовых механизмов 1 группы 7 модели (калибр цепи = 72 мм) /2/ см. табл 3.2.2, 3.2.5.

6. Определение необходимого передаточного отношения

На судне-нефтерудовозе качестве якорно-швартового механизма устанавливается брашпиль.

Передаточное отношение определим из выражения:

- номинальная частота вращения электродвигателя при выбирании якоря.

7. Выбор электромагнитного тормоза

Тормоз должен удерживать механизм от вращения при действии в цепи на звездочке статического усилия извне, величина которого не менее 1,6 номинального.

Номинальное усилие - усилие после отрыва якоря от грунта.

Требуемый тормозной момент электромагнитного тормоза на валу электродвигателя

Выбираем дисковый электромагнитный тормоз переменного тока из таблицы 3 типа ТМТВ-5, тормозной момент которого

8. Построение нагрузочной диаграммы исполнительного электродвигателя якорно-швартовного устройства

Определим усилия натяжения цепи у клюза на каждой стадии съемки судна с якоря /2/.

ПЕРВАЯ СТАДИЯ. К цепной звездочке приложено усилие, равное

fкл =1,28ч1,35 - коэффициент потерь на трение от клюза до цепной звездочки (бортовой клюз, якорная труба, палубный клюз, стопор).

lц - длина провисающей части цепи на нормальной глубине стоянки

ВТОРАЯ СТАДИЯ. Усилие на звездочке принимается изменяющимся линейно от усилия первой стадии до усилия отрыва якоря от грунта.

ТРЕТЬЯ СТАДИЯ. Отрыв якоря от грунта.

ЧЕТВЕРТАЯ СТАДИЯ. Подъем висящего якоря после отрыва.

В начале стадии усилие на звездочке равно

Усилие в конце стадии, при подходе якоря к поверхности воды



На основании полученных данных определим моменты на валу электродвигателя на каждой стадии:

Определим частоты вращения электродвигателя по механической характеристике (рис.4 приложение)

По известным моментам:

MI = 55,6 да Нм - nI = 723 об/мин

МIII = 110 да Нм - nIII = 695 об/мин

MIVнач = 58,8 да Нм - nIVнач = 719 об/мин

MIVкон = 22,3 да Нм - nIVкон = 733 об/мин

Время работы электродвигателя на отдельных стадиях съемки судна с якоря определим по выражениям:

l1 - длина цепи, свободно лежащей на грунте

L - длина цепи за клюзом.

t3=1мин

На основании полученных данных строим нагрузочную диаграмму рис. 2

9. Проверка исполнительного электродвигателя на продолжительность съемки с якоря

Действительное время съемки судна с якоря определяется как сумма длительностей отдельных стадий, полученных из нагрузочной диаграммы.

Т.к. в соответствии с правилами Регистра съемка судна с якоря должна проводиться за время tзад=20ч30мин, условие tзад ? выполнено.

10. Проверка исполнительного электродвигателя на нагрев

Асинхронный двигатель на нагрев можно проверить по формуле среднеквадратичного момента:

Выбранный электродвигатель не будет перегреваться свыше допустимой температуры, если:

Номинальный момент двигателя на средней скорости:

588 < 700

Т.к. условие соблюдается, электродвигатель перегреваться не будет.

11. Проверка выбранного электродвигателя на обеспечение требуемых скоростей подъема якоря

Средняя скорость подъема якоря за весь цикл съемки

Va = 0,2м/с, следовательно Va = Vср

Определим скорость цепи при подтягивании якоря к клюзу.

Усилие по окружности цепной звездочки

Момент сопротивления на валу двигателя при подтягивании якоря к клюзу

По механической характеристике электродвигателя при работе на обмотке, предназначенной для подтягивания якоря к клюзу, определим частоту вращения двигателя (см Рис 7, Приложения).

nкл = 730 об/мин

Скорость подтягивания якоря к клюзу

Vкл = 0,09 м/с, что соответствует заданию.

12. Проверка выбранного электродвигателя на обеспечение требуемого пускового момента

Требуемый пусковой момент определяется из выражения:

Каталожное значение пускового момента электродвигателя

Мп кат = 160 да Нм > Мп тр

Следовательно, двигатель имеет достаточный Мп.

13. Проверка выбранного электродвигателя на обеспечение требуемых скоростей швартования

Определим номинальный момент швартования

Fшн - номинальное усилие швартования (из табл.2 Приложения)

Dм - диаметр швартового барабана (табл.2)

Расчетный момент на валу электродвигателя при выбирании швартовного каната с малой скоростью:

Момент при выбирании с наибольшей скоростью

По механическим характеристикам (Рис.2,3,4 Приложения) выбранного электродвигателя на обмотках малой, средней и большой скоростей определяются соответственно частоты вращения nш, nшм, nшв двигателя:

nш = 720; nшм = 350; nшв = 1490

Скорости выбирания швартовного каната:

МАЛАЯ:

Dс =0,78м - диаметр швартовного барабана для определения скоростей.

НОМИНАЛЬНАЯ:

НАИБОЛЬШАЯ:

Выбранный электродвигатель обеспечивает требуемые скорости швартования, т.к. найденные скорости находятся в пределах, указанных в ГОСТе5875-69 (См. «Требования к электроприводам ЯШУ»).

14. Определение длины цепи, подъем которой может быть обеспечен электродвигателем

Эл. привод ЯШУ должен в аварийном режиме обеспечивать подъем якоря, висящего на цепи, вытравленной на 85% ее длины (за клюзом).

Длина цепи, которую может поднять электродвигатель

Мп - пусковой момент выбранного электродвигателя на обмотке, имеющий наибольший пусковой момент.

i - передаточное отношение редуктора

Qa - вес якоря, Н

P - вес погонного метра цепи, Н/м.

Dзв - диаметр звездочки.

б - коэффициент, определяемый из выражения:

Для выбранного электродвигателя условие выполняется, т.к.

15. Определение усилий, возникающих при остановке электродвигателя под током

При превышении моментов нагрузки на валу двигателя Мкр происходит «опрокидывание» двигателя и остановка под током. При этом в цепи возникают усилия:

Пробная нагрузка цепи F = 1918, что значительно больше усилия в цепи при действии Мкр двигателя.

16. Выбор схемы управления электроприводом ЯШУ

В качестве схемы управления выбираем типовую схему электропривода для управления с помощью магнитного контролера 3-х скоростным 3-х обмоточным асинхронным короткозамкнутым электродвигателем мощностью 22-75 кВт /3/.(Рис.4 Приложения)

Управление электроприводом производится посредством командо-контролера с тремя рабочими приложениями в двух направлениях вращения. Включение любой из трех обмоток электродвигателя осуществляется переводом командо-контролера из нулевого положения в соответствующее рабочее положение.

Первая скорость служит для втягивания якоря в клюз и швартования с малой скоростью. Вторая скорость является основной для нормальных швартовных и якорно-швартовных механизмов. Третья скорость служит для выбирания швартовного троса при номинальных нагрузках (Рис.4 Приложения).

17. Выбор элементов схемы управления электроприводом ЯШУ

Выбор контакторов. В качестве контакторов направления КВ, КН выбираем контакторы переменного тока КМ2213-45 /3/

по току нагрузки двигателя

по току пусковому

Выбранный контактор 1У величины имеет 2 замыкающих главных контакта, 2 блок-контакта (1-замыкающий, 1-размыкающий). Катушка контактора рассчитана на напряжение 380В.

Таким образом, выбираем контакторы скорости 1С, 2С, 3С, тормозной контактор Т.

ВЫБОР ПРОМЕЖУТОЧНОГО РЕЛЕ. Промежуточные реле в цепи управления выбираются по роду и величине тока и напряжения контакторов. Втягивающая катушка выбирается по напряжению цепи управления, одновременно учитывается необходимое количество контактов, а также выдержка времени срабатывания (отпадания) для реле времени.

В схеме промежуточное реле выбрано типа РПМ32 постоянного тока с втягивающей катушкой 175-320В, имеющее 2 замыкающих и 1 размыкающий блок-контакты.

Коммутационная способность блок-контактов при переменном токе при U=380В и =0,5-IА достаточна для коммутации катушек скорости 2С и 3С.

ВЫБОР РЕЛЕ ВРЕМЕНИ производится по тем же параметрам, что и промежуточное реле. Реле РН в схеме выбрано типа РЭМ221 постоянного тока с втягивающей катушкой 175-320 В и выдержкой времени на размыкание контактов 0,6С /3/.

Коммутационный ток I=IОА больше тока катушек контакторов, включенных в схеме.

ВЫБОР ТЕПЛОВЫХ РЕЛЕ. Выбор производят по среднеквадратичному току, принимая во внимание продолжительность работы двигателя. Реле не должно препятствовать работе двигателя в режиме стоянки в течении минимально необходимого времени и должно отключать обмотки двигателя, если они достигнут температуры, превышающий предельно допустимую

Время срабатывания нагретого реле:

- время срабатывания реле после предварительного нагрева рабочим током;

- время срабатывания при нагреве током с холодного состояния.

- отношение тока к номинальному току реле;

Отношение тока срабатывания к току предварительного нагрева.

В схеме в качестве тепловых реле РТ3, РТ4 обмотки средней скорости выбраны реле типа ТРТ.

Двигатель на обмотке средней скорости должен обеспечивать стоянку в течение 50 с под током I пуск2 =240А после нагрева номинальным током Ін2=58 А.

Принимаем в первом приближении время срабатывания t?хол 55с (т.е. больше =50с) и по кривой /3/ Рис.3.6

Для Ін=58 А находим коэффициент КР=2,3.

При этом ток установки реле

Т.к. =50с, то на этом токе установки реле Iр=100А можно остановиться. По таблице /3/ выбираем реле типии ТРТ-141 с номинальным током 110 А.

В качестве теплового реле РТ5 обмотки быстроходной выбрано реле типа ТРТ.

Двигатель на быстроходной обмотке (для работы в швартовом режиме) должен обеспечить стоянку под током не менее 15с после 30 мин работы при номинальной нагрузке /3/ §7.2.

Принимаем в первом приближении время срабатывания t?хол =16 с (т.е. больше =15 с) и по кривой /3/ Рис.3.6 для Iн1=43А, находим коэффициент КР =3,8

При этом ток установки реле

По таблице 3.21 /3/ выбираем реле ТРТ-141.

ВЫБОР ГРУЗОВОГО РЕЛЕ. Температурно-токовые реле, применяемые в качестве грузовых, выбирают на одну - две величины меньше (по току) по сравнению с защитным реле этой скорости /3/. Поэтому в качестве грузового реле РГ выбираем реле типа ТРТ 139.

Выбор реле для защиты тихоходной обмотки производится исходя из отношения/3/. Где: - пусковой ток двигателя;

- номинальный ток двигателя;

- ток установки реле.

По таблице 3.21 /3/ выбираем тепловое реле ТРТ-137.

Рассчитываем механическую характеристику для средней скорости.

Исходные данные

Число полюсов 2Р=8

Номинальная мощность, кВт 55

Частота вращения, об/мин 645

Критический момент, Нм 170

Пусковой момент, Нм 160

Синхронная скорость равна:

,

Синхронна угловая скорость равна

где f - частота сети,

Р - число пар полюсов

Находим номинальное скольжение:

где nн - номинальная частота вращения.

Определим номинальный момент двигателя:

где Рн - номинальная мощность двигателя, Вт

Находим перегрузочную способность:

где Мкр - критический момент

Находим также критическое скольжение

Пользуясь формулой Клосса, можно построить рабочий участок характеристики. Результат расчета сводим в таблицу 2.1.

Таблица 2.1

S	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5
M, Нм	65,4	117,2	149,8	165,9	170

Имея значение скольжения, находим синхронные скорости для определенных моментов. Данные заносим в таблицу 2.2.

Таблица 2.2

М, Нм	0	65,4	117,2	149,8	165,9	170
щ	78,5	70,7	62,8	55	47,1	39,3

Пусковую часть характеристики рассчитываем по уточненной формуле Клосса:



Далее находим синхронные скорости к известным моментам пускового участка характеристики:

По имеющимся данным строим механическую характеристику (вложение 1)