Анализ возможности применения импульсных вариаторов в приводах траловых лебедок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ возможности применения импульсных вариаторов в приводах траловых лебедок

О.В. Шарков,

А.В. Калинин

Аннотация

Анализируется возможность обеспечения широкого диапазона регулирования передаточного отношения ваероукладчиков траловых лебедок за счет применения импульсных вариаторов.

траловые лебедки, импульсный вариатор, ваероукладчик

Введение

Траловый лов наиболее эффективный и универсальный вид промысла рыбы, применяемый на всех глубинах - от поверхности воды до морского дна. В мировом рыболовстве на его долю приходится более 55% добычи рыбы от всех видов лова, а в отечественном - более 70%.

Траловый лов может осуществляться как в прибрежной зоне и внутренних водоёмах, так и в открытом океане. Для этого в состав тралового флота входят суда различных классов: от малых рыболовных судов (малый траловый бот типа "ПИРИТА", малый креветколовный траулер морозильный типа "ЛАУКУВА", малый рыболовный сейнер-траулер типа "КЕРЧЬ" и др.) до океанских траулеров (РКТ-С "Море Лазарева", РТМК-С "Моонзунд", РТМ-С- "ГОРИЗОНТ", БМРТ "ПУЛКОВСКИЙ МЕРИДИАН" и др.) [1].

Для ведения тралового лова рыбодобывающие суда оборудованы специальными промысловыми устройствами, образующими траловый комплекс, состоящий из промысловых механизмов и оборудования, которое можно разделить на следующие основные группы: промысловые лебедки; ваеры; трал с оснасткой.

Промысловые лебедки (ваерные, кабельно-вытяжные, промыслово-грузовые) являются одними из основных элементов тралового комплекса.

Например, при работе по промысловой схеме "Дубль" на больших автономных траулерах типа "Иван Сивко" применяются ваерные лебедки WTJ-12,5; кабельно вытяжные лебедки типа ЛЭТРЭМ и промыслово-грузовые лебедки ЛЭ-65 [2].

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Несмотря на разнообразие конструктивных схем промысловых лебедок для тралового лова рыбы, все они имеют один или два ваерных (кабельных) барабана, снабженных ваероукладчиками (канатоукладчиками).

Применение ваероукладчиков обеспечивает организованную рядовую укладку ваера, что приводит к улучшению условий его эксплуатации. Кроме этого увеличивается плотность укладки каната и как следствие - коэффициент использования полезной вместимости барабана. Также повышается безопасность работы промыслового оборудования.

По конструкции ваероукладчики делятся на реечные, реечно-цевочные, цепные и винтовые. По принципу работы ваероукладчики подразделяются на автоматические, следящего действия и ручные. По связи с ваерным барабаном - зависимые и независимые, по наличию привода - приводные и неприводные [2-4].

В современных промысловых лебедках наибольшее распространение получили винтовые ваероукладчики с приводом от ваерного барабана.

Кинематические схемы таких ваероукладчиков приведены на рис. 1 и 2. Рядовая укладка ваера 1 происходит за счет перемещения каретки ваероукладчика 2 по ходовому винту 3, который приводится во вращение посредством цепной передачи 4 (или зубчатой передачи 5) от ваерного барабана 6. траловый лебедка ваероукладчик

Рис. 1 Рис. 2

Для того чтобы обеспечить правильную рядовую укладку каната на барабане, необходимо, чтобы скорость перемещения каретки ваероукладчика вдоль барабана была равна скорости раскладки каната по барабану , т.е.

. (1)

Невыполнение условия (1) приводит к тому, что ваер укладывается на ваерный барабан беспорядочно, его витки перехлестываются, и происходит ускоренный износ каната. Кроме того, неправильная укладка ваера приводит к избыточному давлению на одну из реборд барабана и её поломке. Из практики также известны случаи, когда неправильная укладка приводила к аварийным ситуациям - обрыву каната.

Для винтового ваероукладчика с однозаходным винтом условие (1) можно записать как

, (2)

где - частота вращения ходового винта укладчика, с-1; - шаг нарезки винта, м; - частота вращения навивного барабана, с-1; - шаг укладки каната на барабане, м.

Передача движения от барабана к ваероукладчику происходит посредством цепных (лебедки: ЛЭТр 2-6М; ЛЭТР-7) или зубчатых передач (лебедки: ЛЭТрС-2; ЛЭВ 2; 1HKW14; WVS2010).

Тогда передаточное отношение привода ваероукладчика можно определить как

. (3)

Как видно из формулы (3), для нормальной работы ваероукладчика в случае необходимости изменения шага укладки ваера на величину (в процентах) нужно изменить передаточное отношение привода ваероукладчика на величину = (в процентах).

Величина шага укладки ваера (каната) на барабане определяется по формуле

, (4)

где - диаметр ваера (каната), мм.

Как видно из формулы (4), на величину шага укладки наибольшее влияние оказывает диаметр ваера. Кроме того, в формуле (4) учитывается максимальный допуск на изменение диаметра ваера равный 6 % и допуск 0,2…0,4 мм на неплотность укладки.

Следует заметить, что выбор величины допуска, находящегося в пределах 0,2…0,4 мм, теоретически приводит к тому, что возможное изменение шага для ваеров в диапазоне диаметров = 18…35 мм также находится в пределах 0,30…0,55 %. На практике это приводит к тому, что при использовании величины шага укладки ваера , рассчитанной по формуле (4), не обеспечивается его правильная укладка на барабане.

Необходимость изменения шага укладки ваера может быть вызвана как механизмом формирования его многослойной навивки на барабан, так и изменением диаметра ваера.

Многослойная навивка ваера на барабан, применяемая в современных траловых лебедках, дает возможность обеспечить максимальную канатоемкость барабана, но приводит к деформации ваера по диаметру, что отрицательно сказывается на его долговечности, а также к изменению момента на барабане.

Необходимость корректировки шага укладки ваера в процессе многослойной навивки определяется следующими факторами.

Процесс многослойной навивки ваера характерен взаимной деформацией диаметров ваера двух смежных слоев. С учетом этого первый слой навивки, который ложится на гладкую поверхность барабана, определяем по формуле [2]:

,

где - диаметр ваерного барабана, мм; - изменение диаметра ваера за счет вытяжки, мм.

Последующий слой навивки ложится на нижележащий во впадины между ваерами на его поверхности. В результате диаметры навивки второго и последующего слоев будут иметь приращение, отличное от двух диаметров каната.

Для ваера диаметром 25 мм приращение диаметра намотки составило = 40 мм, для ваера диаметром 27,5 мм - = 43 мм.

Диаметр навивки ваера на барабан находим по формуле

,

где - приращение диаметра навивки, мм; - слой навивки.

Таким образом, для компенсации неравномерного приращения намотки ваера на барабан может возникнуть необходимость изменения шага его укладки.

Кроме этого, диаметр ваера может меняться вследствие трех основных факторов: применения ваера другого диаметра; вытягивания ваера в процессе выборки орудий лова; износа ваера за период эксплуатации в течение одного рейса.

Применения ваера другого диаметра. Анализ современных лебедок для тралового лова показал, что в них обычно применяются разнообразные канаты, размерный ряд диаметров которых изменяется в пределах: 17,5; 18; 19,5; 22,5; 24; 25,5; 26; 27,5; 28; 29; 30; 31; 32 мм и др.

В практике промышленного рыболовства широко применяют стальные канаты двойной свивки. Например, стальные канаты двойной свивки типа ЛК-3 (по ГОСТ 7665-80) имеют следующий ряд диаметров: 24; 24,5; 27,5; 29;32 мм.

Как правило, современные траловые лебедки рассчитаны на работу с ваерами двух диаметров.

Например, ваерная лебедка 1JGW 5/10 работает с ваерами =18 и 24 мм, что составляет изменение диаметра 25%, лебедка - с ваерами =24 и 26 мм (изменение диаметра 8,3%), лебедка 1HKW14 - с ваерами =28 и 31 мм (изменение диаметра 10,8%), лебедка TKW20 - с ваерами =32,5 и 37 мм (изменение диаметра 13,5 %).

Кроме того, в современных условиях широко применяются импортные ваера с дюймовым размерным рядом.

Как показал опыт эксплуатации импортных ваеров на рыбопромысловых судах компании "Морская звезда", применение ваеров диаметром 26,5 мм вместо 26 мм приводило к неправильной укладки ваера около одной из реборд навивного барабана и её последующей поломке. Таким образом, даже незначительное изменение диаметра ваера на 1,92 % без изменения его шага укладки на барабан приводит к аварийной ситуации.

Вытягивание ваера в процессе выборки орудий лова. В процессе выборки трала на ваера действуют значительные тяговые усилия, достигающие 150…200 кН [4].

Причем величина тягового усилия меняется в процессе выборки трала: в начальный период оно имеет максимальное значение, а затем постепенно уменьшается. Так, по экспериментальным данным, полученным на БМРТ "Верховина", при работе лебедки ЛЭТр 2-6М тяговое усилие уменьшается с 179 до 60 кН. По экспериментальным данным, полученным на БАТ "Иван Сивко", при работе лебедки WTJ-12,5 тяговое усилие уменьшается с 287 до 142 кН [2].

Уменьшение силы тяги к концу выборки ваеров объясняется снижением веса выбираемой части ваеров и гидродинамической составляющей сопротивления трала.

В процессе работы под действием значительных тяговых усилий ваер вытягивается и его фактический диаметр отличается от исходного.

Согласно расчетам [5] для нераскручивающихся стальных ваеров длиной 800…5000 м в диапазоне диаметров 19,5…24 мм даже при незначительном относительном удлинении в 0,4…1,6 % вытяжка будет составлять от 3,2…12,8 до 20…80 м.

По данным НПО по технике промышленного рыболовства, за период одного рейса супер-траулера, составляющего восемь месяцев, ваера длиной 2000 м вытягивались и удлинялись на 20…30 м, что приводило к уменьшению их диаметра на 1,0…2,0 мм. Для ваеров диаметром 28 мм изменение диаметра составило 3,5…7,1 %. Для устранения явления "щелканья" ваера (диаметром 28 мм) по барабану приходилось настраивать ваероукладчик путем установки сменных шестеренок - как для работы с ваером диаметром 26 мм. При этом полного устранения "щелканья" не обеспечивалось.

По данным источника [2], в результате экспериментальных исследований лебедок ЛЭТр-6М и WTJ-12,5 при использовании ваеров диаметром 25,5 и 28 мм происходило изменение их диаметров за счет вытягивания на 0,5 мм (изменение диаметра составляет 1,96 и 1,78% соответственно).

Износ ваера за период эксплуатации в течение одного рейса. Износ ваера в процессе его эксплуатации происходит вследствие трения внутренних и наружных проволок между собой, а также трения наружных проволок о рабочую поверхность ваерных блоков и барабана. Кроме того, износ ваера может происходить и в результате коррозии.

По данным источника [6], износ может приводить к уменьшению агрегатного сечения ваера на 18…40 %, что соответствует уменьшению диаметра ваера приблизительно на 4,7…7,1 %.

Согласно источнику [7] уменьшение агрегатного сечения ваера не должно превышать 25…40 %, что соответствует уменьшению диаметра ваера на 5,6…7,1 %.

Эти цифры согласуются с "Правилами устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных машин", которые допускают уменьшение агрегатного сечения канатов от износа и коррозии не более чем на 40 %.

Исследования влияния коррозии на изменение диаметра ваера [8, 9] показало, что за 693 сут эксперимента для ваерных канатов диаметром 26; 29,5; 31 мм уменьшение диаметра наружных проволок составляет 8,3…12 %, а внутренних - 1,3…1,8 %.

Таким образом, для правильной укладки ваера на барабан может возникнуть необходимость изменить передаточное отношение привода ваероукладчика без остановки процесса выборки ваера на шаг не более 0,1 % в интервале 0,30…25 %.

АНАЛИЗ ПУТЕЙ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ

При изменении диаметра ваера и, как следствие, изменения шага укладки каната на барабане необходимо согласовывать работу ваерного барабана и ваероукладчика для выполнения условия (2). Для этого нужно изменять один из параметров: частоту вращения ваерного барабана, частоту вращения ходового винта ваероукладчика или шаг нарезки ходового винта.

Частота вращения ваерного барабана определяется тягово-скоростными параметрами технологического процесса выборки орудий лова и не может быть связана с изменением диаметра ваера.

Изменение шага нарезки ходового винта может быть выполнено за счет использования в комплекте ваерной лебедки нескольких сменных винтов с разным шагом нарезки. Однако этот способ имеет целый ряд ограничений.

Он применим только при использовании ваера другого диаметра и не может использоваться при изменении диаметра ваера за счет его износа и удлинения. Следует также отметить, что шаг резьбы ходового винта выбирают из стандартного ряда, что также накладывает ограничение на возможность изменения кинематических характеристик ваероукладчика, так как не позволяет компенсировать изменение диаметра ваера в зоне малых значений порядка 0,5…5,0 %. Кроме того, замена ходового винта представляет собой весьма трудоемкую операцию.

Таким образом, наилучшая кинематическая характеристика ваероукладчика обеспечивается при изменении частоты вращения ходового винта. В то же время, если использовать ваероукладчик с приводом от ваерного барабана, между ними необходимо устанавливать механическую передачу, причем нужно иметь возможность менять её передаточное отношение на величину . Для этого применяется набор сменных шестеренок (при использовании зубчатых передач) или сменных звездочек (при использовании цепных передач).

При таком способе регулирования кинематических характеристик ваероукладчика есть существенные ограничения, так как передаточное отношение зубчатых и цепных передач может меняться изменением числа зубьев ведомой звездочки минимум на один зуб.

Как показали расчеты, при изменении числа зубьев ведомой звездочки на один зуб (при числе зубьев ведущей звездочки =50) можно обеспечить изменение передаточного отношения привода ваероукладчика с шагом не менее в 2 % в диапазоне 0…25 % при использовании 24 сменных ведущих звездочек, что невыполнимо в условиях промысла.

При =200 можно обеспечить изменение передаточного отношения привода ваероукладчика с меньшим шагом, равным 0,5 %, но для обеспечения интервала 0…25 % нужно использовать более 100 сменных звездочек.

Наиболее простым и надежным способом изменения в широком диапазоне передаточного отношения с практически любым шагом для приводов ваероукладчиков является применение в них механических бесступенчатых передач (вариаторов).

К настоящему времени известны различные типы бесступенчатых механических передач непрерывного (фрикционные и цепные вариаторы) и периодического (импульсные и инерционные вариаторы) действия.

Эффективное применение фрикционных вариаторов ограничено рядом их недостатков: большое давление на валы и опоры; нежесткая характеристика передачи; низкий КПД; малая долговечность при больших нагрузках; передаваемая мощность ограничена 25…30 кВт.

Цепные вариаторы обладают большей нагрузочной способностью, их передаваемая мощность может доходить до 60 кВт, но их конструкция сложнее и они дороже в производстве и эксплуатации

Недостаточная работоспособность фрикционных и цепных вариаторов в промысловом оборудовании объясняется и специфическими условиями их работы (повышенная влажность, переменные нагрузки и др.) [10].

Анализ конструкций приводов ваероуклачкиков траловых лебедок и промысловых условий тралового лова позволил определить основные требования, предъявляемые к устройствам, обеспечивающим бесступенчатое регулирование скорости ваероукладчиков: диапазон изменения передаточного отношения = 0,3…25 %; стабильность кинематической характеристики; высокая нагрузочная способность и долговечность.

Этим требованиям в значительной мере отвечают импульсные вариаторы, которые широко применяются в приводах современного технологического оборудования [11]. Например, имеется положительный опыт применения импульсных вариаторов в приводах грузоподъемных и швартовых лебедок, условия эксплуатации которых близки к условиям работы траловых лебедок.

На рис. 3 приведена кинематическая схема ваероукладчика с импульсным вариатором. Укладка ваера 1 происходит за счет перемещения каретки ваероукладчика 2 по ходовому винту 3, который приводится во вращение посредством импульсного вариатора 4.

Основные достоинства импульсных вариаторов: широкий диапазон изменения частоты вращения; компактность конструкции; большая нагрузочная способность; относительно невысокие требования к точности изготовления.

Импульсный вариатор может совмещать в себе функции редуктора, что позволяет упростить конструкцию привода ваероукладчика за счет отсутствия необходимости установки дополнительных понижающих передач.

В предлагаемых импульсных вариаторах передача нагрузки осуществляется нормальными силами, и они лишены основных недостатков фрикционных и цепных вариаторов. Поэтому их передаваемая мощность практически не ограничена.

Применение импульсных вариаторов в приводах ваероукладчиков позволяет без изменения частоты вращения ваерного барабана и под нагрузкой регулировать частоту вращения ходового винта до весьма малых значений (до 0,01 мин-1) или обеспечить его остановку. Это полностью соответствует условиям выборки ваера на промысле [12].

Предлагаемые импульсные вариаторы могут иметь как ручное (дистанционное) управление, так и автоматическое. Причем они могут быть автоматическими за счет своей конструкции, без применения дополнительных управляющих элементов.

Применение автоматического вариатора, который изменяет свое передаточное отношение в зависимости от натяжения (изменения диаметра за счет вытяжки) ваера непосредственно в процессе его выборки, позволит, сохранив преимущества электропривода, добиться широкого диапазона плавного регулирования скорости движения каретки.

Автоматический импульсный вариатор даст возможность плавного регулирования скорости передвижения каретки от нуля до некоторого выбранного максимума, причем при условии постоянства мощности привода =const. В этом случае при повышении усилия тяги на ваере (уменьшении его диаметра) скорость передвижения каретки будет автоматически уменьшаться, а при падении усилия скорость будет возрастать.

Постоянство мощности привода ваероукладчика при всех изменениях нагрузки на ваерах не только обеспечивает приводу выгодный режим работы, но и позволяет довести его среднюю мощность до номинальной. Следовательно, такой привод будет обладать наивысшей возможной производительностью при заданной мощности двигателя и использоваться в оптимальном режиме

Выводы

Применение импульсных вариаторов в приводах ваероукладчиков траловых лебедок позволяет обеспечить широкий диапазон регулирования передаточного отношения =0,01…100 % и получить достаточно стабильную кинематическую характеристику по сравнению с другими типами бесступенчатых передач.

Список литературы

1. Флот рыбной промышленности: Справочник типовых судов. - М.: Транспорт, 1990. - 384 с.

2. Трунин С.Ф. Траловые лебедки / С.Ф. Трунин. - Л.: Судостроение, 1982. - 96с.

3. Семенцов Б.А. Исследование укладки каната на барабан траловых лебедок и кинематики их канатоукладчиков: дисс…канд. техн. наук: 05.18.17.- Промышленное рыболовство / МИРПиХ им А.И. Микояна; Б.А. Семенцов. - М., 1955. - 167 с.

4. Карпенко В.П. Механизация и автоматизация процессов промышленного рыболовства / В.П. Карпенко, С.С. Торбан. - М.: Агропромиздат,1990. - 464 с.

5. Мельников В.Н. Качество, надежность и работоспособность орудий промышленного рыболовства / В.Н. Мельников. - М.: Легкая промышленность, 1982. - 264 с.

6. Исследование износа стальных ваерных канатов: отчет о НИР / КТИРПХ; Руководитель М.П. Горин. - 83-1.1.5. - Калининград, 1983. - 17 с.

7. Титков Ф.А. Расчет и выбор ваеров: автореферат дисс…докт. техн. наук: 05.18.17.- Промышленное рыболовство / ВНИИРХ; Ф.А. Титков. - М., 1996. - 33 с.

8. Разработка дифференциального метода определения коэффициента запаса прочности ваерного каната: Отчет о НИР / КТИРПиХ; Руководитель А.Л. Фридман. - 84-1.2.4, № ГР 01830048778; Инв. № 02850029273. - Калининград, 1984. - 58 с.

9. Разработка методов определения коэффициента запаса прочности ваерных канатовсследование износа стальных ваерных канатов: Отчет о НИР / КТИРПХ; Руководитель Ф.А. Титков. - 83-1.4, № ГР 01850061171; Инв. № 02860023391. - Калининград, 1985. - 134 с.

10. Шарков О.В. Разработка эксцентриковых механизмов свободного хода для промыслового оборудования: дисс…канд. техн. наук: 05.18.17.- Промышленное рыболовство / КГТУ; О.В. Шарков - Калининград, 1995. - 256 с.

11. Горин М.П. Импульсные вариаторы с эксцентриковыми механизмами свободного хода / М.П. Горин, О.В. Шарков, Н.А. Кузнецова // Машиностроитель, 2001. - № 7 - С. 14 - 16.

12. Горин М.П. Бесступенчатый привод ваероукладчика траловой лебедки / М.П. Горин. // Совершенствование подъемно-тралового оборудования рыбопромысловых судов: всесоюзная научно-техническая конференция: тезисы докладов. - Севастополь, 1987. - С. 17-18.

Размещено на Allbest.ru