Расчет электропривода якорно-швартовного устройства зерновоза

Расчет электропривода якорно-швартовного устройства зерновоза

Оглавление

Введение

1. Расчет электропривода якорно-швартовного устройства зерновоза

.1 Типы электроприводов якорно-швартовных механизмов

.2 Выбор якорей и якорных цепей

.3 Расчет тяговых усилий и моментов на валу электродвигателя при подъеме одного якоря с нормальной глубины якорной стоянки

.4 Расчет тяговых усилий и моментов на валу электродвигателя при подъеме двух якорей с половины номинальной глубины якорной стоянки

.5 Расчет режима аварийного подъема якоря с большой глубины стоянки

.6 Предварительный выбор электродвигателя

.7 Построение механической и электромеханической характеристик выбранного электродвигателя

.8 Построение нагрузочных диаграмм электропривода

.9 Проверка выбранного электродвигателя на продолжительность съёмки судна с якоря

.10 Проверка выбранного электродвигателя на нагрев

.11 Проверка выбранного электродвигателя на максимальную скорость при отдаче якоря

.12 Выбор схемы управления электроприводом якорно-швартовного устройства зерновоза

.13 Дистанционная отдача якоря

. Техника безопасности при эксплуатации электродвигателей переменного тока

Заключение

Введение

Электропривод представляет собой электромеханическую систему, состоящую из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств, предназначенную для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением. Современное машинное устройство или, как его называют иначе, производственный агрегат состоит из большого числа разнообразных деталей, отдельных машин и аппаратов, выполняющих различные функции. Все они в совокупности совершают работу, направленную на обеспечение определенного производственного процесса. Необходимо хорошо знать назначение отдельных элементов, составляющих машинное устройство, так как без этого невозможно проектировать и создавать машину, а также невозможно правильно обслуживать ее в эксплуатации.

Цель курсового проекта - рассчитать электропривод якорно-швартовного устройства зерновоза. Для этого необходимо: выбрать якоря и якорные цепи, рассчитать тяговыеусилия и моменты на валу,по полученным расчетным данным выбрать подходящий двигатель, построить механическую и электромеханическую характеристику, а также построить нагрузочные диаграммы и выбрать схему управления электроприводом ЯШУ зерновоза.

1. Расчет электропривода якорно-швартовного устройства зерновоза

1.1 Типы электроприводов якорно-швартовных механизмов

электропривод тяговый якорь электродвигатель

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

С помощью якорно-швартовных механизмов выполняются следующие основные операции:

отдача якоря (посредством электропривода, свободным травлением и свободным травлением с подтормаживаем тормозом звездочки);

стоянка на якоре на тормозе цепной звездочки;

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

одновременный подъем двух якорей (только для брашпилей) с половины расчетной глубины стоянки при неодновременном их отрыве от грунта;

обеспечение швартовки судна при отжимном ветре 5 баллов

Характерными особенностями электроприводов якорно-швартовных механизмов являются:

кратковременный режим работы (20-40 мин);

стандартная продолжительность одного цикла принята равной 30 мин;

широкое изменение нагрузки на валу электродвигателя (30-200% номинальной);

возможность стоянки двигателя под током (0,5-1,0 мин);

частые пуски электродвигателя (до 120 пусков и торможений в течение часа) и возможные реверсы;

суммарная продолжительность включения двигателя швартовного механизма за сутки 40-50 мин;

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

Для якорно-швартовных механизмов рекомендуются три основные группы электроприводов:

с двигателями постоянного тока, питающимися от сети;

с двигателями переменного тока, питающимися от сети;

с двигателями постоянного тока, питающимися от автономных преобразователей - электромашинных (системы Г - Д) или статических.

Для двух первых групп применяются силовые кулачковые контроллеры или магнитные контроллеры с дистанционным управлением. Группа электроприводов по системе Г - Д имеет обычно дистанционное управление.

Все три группы электроприводов могут иметь один или два приводных электродвигателя. Приводы с двумя электродвигателями применяются только для крупных якорных и якорно-швартовных механизмов с калибром цепи свыше 62 мм. На постоянном токе используются двигатели смешанного возбуждения серии ДПМ, характеристики которых специально подобраны исходя из требований, предъявляемых к электроприводам палубных механизмов. Из двигателей переменного тока преимущественно применяются короткозамкнутые асинхронные двигатели. Для нормальных якорно-швартовных шпилей с калибром цепи до 28 мм, всех облегченных механизмов и швартовных шпилей с тяговым усилием до 3000 кгс рекомендуются двухскоростные двигатели; для всех остальных механизмов целесообразно использование трехскоростных двигателей. В отечественной серии МАП предусмотрены двухскоростные двигатели на мощность 2-10 кВт и трехскоростные - на мощность 10-60 кВт.

1.2 Выбор якорей и якорных цепей

Характеристика якорного снабжения судна N_я

_я=L*(B+H)+0,75*l*h, (1)

N_я=98*(14+5,6)+0,75*13*7=2000.

Из учебника [Чекунов К.А. Судовые электроприводы и электродвижение судов. - Л: Судостроение, 1986] выбираем становые якоря:

Количество -3

Общий вес, кг - 5750

Цепи для становых якорей:

Общая длина двух цепей, м - 450

Калибр d, якорной цепи, мм - 46

Вес одного якоряG_я, Н

_я=9,81*m_я,(2)

где m_я - масса якоря, кг;

_я=9,81*1917=18803кг.

Вес одного метра якорной цепиP, Н/м

=0,225d²,(3)

p=0,225*46²=476,1Н/м.

Вес одного погонного метра якорной цепи, погруженного в водуp1, H/м

p₁=p*((γ-ρ)/ γ),(4)

где γ=7,8 т/м;

ρ=1,025 - плотность морской воды т/м³;

₁=476*((7,8-1025)/7,8)=413,4 Н/м.

Длину не смачиваемого участка цепи L_нс, м, принимаем

_нс=6,68м.

Длина вытравленной цепи L₀, м

где L_ц - длина одной цепи, м;

_ц=225 м,

L₀=225-6,68=218,32 м.

Расчетная глубина стоянки h₀, м - выбирается исходя из веса одного якоря

₀=90м.

Коэффициент полноты водоизмещения судна δ

δ_n=V/(ρ*L*B*T),(6)

δ_n=4000/1,025*98*14*3,5=0,81.

Смоченная поверхность корпуса судна S_см, м²

_см=[2Т+1,37(δ_n-0,274)В]*L,(7)

S_см=[2*3,5+1,37*(0,81-0,274)*14]*98=1693,49 м².

Площадь парусящей поверхности судна S_пар., м²

_пар=0,27В*(Н-Т)+b*h,(8)

S_пар=0,27*14*(5,6-3,5)+12,2*7=93,34 м².

Сила сопротивления течения воды при подтягивании судна к месту заложения якоря F_т, Н

F_т=9,81*f_тр.*S_см*,(9)

где f_тр - коэффициент трения судна о воду;

_тр=0,14,

 - скорость воды относительно судна, м/с;

=0,2 м/с,

F_т=9,81*0,14*1693,49*=122,32 Н.

Сила сопротивления ветра F_в, Н

_в=9,81*k_в*S_пар* ,

где k_в - коэффициент ветряного давления;

_в =0,2 (Н*с²)/м²,

- скорость ветра, м/с;

=6 м/с,

F_в=9,81*0,2*93,34*6²=6592,79 Н.

Равнодействующая внешних сил при совпадении их направленияF, Н

=F_т+F_в,(10)

F=122,32+6592,79=6715,11 Н.

Длина свободно провисающей части цепи L_св

,(11)

.

Длина лежащей на грунте цепи L₁, м

₁=L₀-L_св,

L₁=218,32-104,99=113,33 м.

Длина части цепи, выбираемой во второй стадии съемки судна с якоря L₂, м

L₂=L_св-h_0,(12)

L₂=104,99-90=14,99 м.

.3 Расчет тяговых усилий и моментов на валу электродвигателя при подъеме одного якоря с нормальной глубины якорной стоянки

Тяговое усилие у клюза на первой стадии съема судна с якоря F₁, Н

,(13)

H.

Тяговое усилие у клюза при отрыве якоря от грунтаF₃, Н

,(14)

.

Усилие у клюза при подъеме якоря после отрыва его от грунта F_4нач, Н

,(15)

.

Усилие у клюза перед втягиванием якоря в клюз (в конце четвертой стадии) F_{4кон, Н}

.(16)

Момент сопротивления на валу электродвигателя при подтягивании судна к якорю М₁, Нм

(17)

где D_зв- диаметрцепной звездочки, м, определяется по формуле

_зв = 13,6d,

D_зв = 13,6*0,046=0,626,

 - передаточное число, 135 для брашпилей;

- КПД клюза, обычно =0,77;

- КПД передаточного механизма лебедки, = 0,8;

.

Момент на валу электродвигателя при отрыве якоря от грунта M₃, Нм

,(18)

.

Момент на валу электродвигателя при подъеме якоря после отрыва его от грунта М_4нач, Нм

,(19)

.

Момент на валу электродвигателя при подходе якоря к клюзу М_4кон, Нм

,(20)

.4 Расчет тяговых усилий и моментов на валу электродвигателя при подъеме двух якорей с половины номинальной глубины якорной стоянки

Усилие у клюза в начале подъема F_нач2, Н

,(21)

.

Усилие у клюза в конце подъема F_кон2, Н

,(22)

.

Момент на валу в начале подъема M_нач2, Нм

,(23)

.

Момент на валу в конце подъема М_кон2, Нм

,(24)

.

.5 Расчет режима аварийного подъема якоря с большой глубины стоянки

В аварийном режиме передаточное число i_ав>i

_ав=260.

Усилие в клюзе при подъеме одного якоря, висящего на полностью вытравленной цепи F_{ав_нач}, Н

,(25)

.

Момент на валу при подъеме якоря, висящего на полностью вытравленной цепи М_{ав_нач}, Нм

,(26)

.

Усилие при подходе якоря к клюзу F_{ав_кон}, Н

,

.

Момент на валу электродвигателя при подходе одного якоря к клюзу М_{ав_кон}, Нм

,(27)

.

1.6 Предварительный выбор электродвигателя

Двигатели переменного тока выбирают по пусковому моменту с учетом 10% падения напряжения питающей сети:

М_{n_расч}=1,25*(М_max/k),(28)

где M_maх-максимальный момент, соответствующий наиболее тяжелому режиму работы;

k - коэффициент, учитывающий количество исполнительных двигателей в системе привода;

М_{n_расч}=1,25*343=428 Нм.

Электродвигатель обеспечит среднюю скорость снятия с якоря v_ср=0,15 м/с (или v_ср=10 м/мин), если скорость исполнительного двигателя не менее:

n_ср=3,2i/D_зв,(29)

n_ср=3,2*135/0,626=690 об/мин.

Выбираем изcправочника[А.П. Богословский, Е.М. Певзнер, И.Р. Фрейдзон, А.Г. Яуре.Судовые электроприводы: Справочник - т. 1. - Л: Судостроение, 1983] электродвигатель МАП 621-4/8/24 с параметрами, приведенными в таблице 1.

Таблица 1 - параметры электродвигателя

Используем для расчетов электродвигатель, работающий на средней скорости.

.7 Построение механической и электромеханической характеристик выбранного электродвигателя

Расчет данных для построения механической ω=f(M) и электромеханической ω=f(I) характеристик:

Угловая скорость холостого хода ω_с, рад/с

ω_с=2πf/4,(30)

где f-частота питающей сети, f=50Гц;

ω_с =(2*3,14*50)/4=78,5.

Номинальная угловая скорость ω_н, рад/c

ω _н =(π*n)/30,(31)

где n - частота вращения выбранного двигателя;

ω_н =(3,14*695)/30=72,7 рад/с.

Номинальное скольжение S_н

_н=(ω_с -ω_н)/ω_с,(32)

S_н=(78,5-72,7)/78,5=0,07.

Критическое скольжение S_кр

,(33)

где k_м=М_кр/М_н;

_м=550/206,33=2,67,

.(34)

Номинальный момент M_н

М_н=Р_н/ω_н,

М_н=15000/72,7=206,33 Нм.

Критическая угловая скоростьω_кр, рад/с

ω_кр =ω_с *(1-S_кр),(35)

ω_кр=78,5*(1-0,3)=54,95рад/с.

Произведемрасчет моментов для построения механической и электромеханической характеристики по формуле Клосса:

.(36)

При значении момента больше критического воспользуемся формулой:

.(37)

Данные расчетов сведем в таблицу 2.

Расчет токаI, А для построения электромеханической характеристики произведем по формуле:

,(38)

где I_{0 -} ток холостого хода двигателя;

,(39)

,

,(40)

.

Результаты расчетов сведем в таблицу 2, по данным которой строим механическую и электромеханическую характеристики

Таблица 2 - Данные для построения механической и электромеханической характеристики

1.8 Построение нагрузочных диаграмм электропривода

По расчетным данным строим нагрузочные диаграммы M=f(t), ω=f(t), P=f(t)

1.9 Проверка выбранного электродвигателя на продолжительность съёмки судна с якоря

По полученным расчетным значениям момента на валу, пользуясь механической характеристикой определяем скорость электродвигателя, а по ней - скорость и время выбирания якорной цепи на каждой стадии съемки судна с якоря: Исходя из графиков:

ω₁=74 рад/с, ω_2нач=70рад/с, ω_2кон=75рад/с, ω₃=69рад/с, ω_4нач=73 рад/с,

ω_4кон=78 рад/с

I₁=29 А, I₃=65 А, I_4нач=39 А, I_4кон=19 А

М_{ав_нач}=208,36 Н*м, М_{ав_кон}=36,75 Н*м

ω_{ав_нач}=71рад/с, ω_{ав_кон}=78 рад/с

I_{ав_нач}=37 А, I_{ав_кон}=19 А

Скорость выбирания якорной цепи по стадиям:

,(40)

,

,(41)

,

,

,(42)

,

,(43)

,

,(44)

.

Продолжительность каждой стадииt, мин:

₁=L₁/,(45)

t₁=113,33/10,3=11 мин,

,(46)

t₂=14,99/10=1,5 мин,

t₃=0,5мин,

t₄=h₀/,(47)

,(48)

,

t₄=90/10,45=8,6 мин.

Расчетное значение полного времени съемки судна с якоря T_расч, мин

_расч=t₁+t₂+t₃+t_4,(49)

T_расч=11+1,5+0,5+8,6=21,6мин.

Средняя скорость съемки судна с якоря ,м/мин

=218,32/21,6=10,1 м/мин.

Время подъема якоря , висящего на полностью вытравленной цепи t_ав, мин

,(51)

,(52)

,(53)

,

,

,

t_ав=90/10,3=8,7 мин.

Выбранный электродвигатель удовлетворяет условиям Морского Регистра в отношений скорости и времени съемки судна с одного якоря в нормальных условиях, так как привод обеспечивает непрерывное выбирания якорной цепи в течение 30 минут, со скоростью выбирания якорной цепи не менее 0,15 м/с. При подходе якоря к клюзу привод обеспечивает скорость выбирания цепи не более0,17 м/с.

.10 Проверка выбранного электродвигателя на нагрев

Используя механическую и электромеханическую характеристики, проверим соответствие выбранного электродвигателя условиям нагрева. Для двигателя переменного от значений момента перейдем к значениям тока и определим его эквивалентное значение I_экв, A.

Для случая подъема якоря с нормальной глубины стоянки:

(54)

Расчет эквивалентного значения тока для аварийного режима:

,(55)

.

Выбранный двигатель не будет перегреваться, так как выполняется условие:

_экв<I_н

.11 Проверка выбранного электродвигателя на максимальную скорость при отдаче якоря

Двигатель, включенный в направлении "Травить", вначале работает в режиме силового спуска, продолжающегося до тех пор, пока момент, создаваемый якорем и вытравленной цепью, не окажется больше момента сил трения во всех звеньях якорно-швартовного устройства. После этого двигатель переходит в тормозной режим с рекуперацией и по мере увеличения длины вытравленного участка цепи разгоняется до все более высоких скоростей.

Момент на валу двигателя М_сп, Нм

,(56)

где F_сп- усилие на звездочке при спуске;

ή_кл- кпд клюза при спуске якоря;

ή_пер-кпд передаточного механизма лебедки при спуске якоря;

ή_кл=2-(1/ 0,77), (57)

ή_кл=2-(1/ 0,77)=0,7,

ή_пер=2-(1/ η_пер), (58)

ή_пер=2-(1/ 0,8)=0,75,

Значению момента М_спсоответствует скорость, определяемая по тормозной характеристике двигателя.

.12 Выбор схемы управления электроприводом якорно-швартовного устройства зерновоза

На листе 1 графической части дана схема управления переменного тока для якорно-швартовных механизмов мощностью от 10 до 25 кВт с помощью кулачкового контроллера. Приводной двигатель трехскоростной, причем основной частотой вращения является средняя, на ней производится выбирание якорной цепи с номинальной нагрузкой и отрыв якоря от грунта. Высшая скорость используется для выбирания свободных швартовных канатов, а низшая - для втягивания якоря в клюз и для безопасного подтягивания судна к причалу.

Переключение группы обмоток малой и средней частоты вращения и обмотки большой частоты вращения осуществляется контактором КМ1.

Работа на большой скорости ограничивается сравнительно небольшими нагрузками. Чтобы не допустить перегрузки, в схеме предусмотрено тепловое реле КК5, имеющее номинальный ток на одну ступень ниже тока обычной тепловой защиты. При срабатывании реле КК5 катушка контактора КМ1 размыкается и двигатель переключается с большей частоты вращения на среднюю.

Чтобы исключить звонковое включение обмотки большой скорости при перегрузке, катушка контактора КМ1 включается на промежуточном третьем положении, а на четвертом рабочем положении катушка питается через блок-контакты КМ1. Защита контроллера - типовая, с помощью автоматического выключателя QF1 и тепловых реле КК1 - КК4. При необходимости работы привода в условиях тепловой перегрузки двигателя контакты тепловых реле шунтируются кнопкой SB.

1.13 Дистанционная отдача якоря

На транспортных судах в электроприводе
якорных устройств наряду с местным ручным управлением все
большее распространение получает дистанционная отдача якоря. Используемые для этих целей брашпили имеют гидравлические
устройства дистанционного управления ленточным стопором, что
позволяет отдавать якорь непосредственно из рулевой рубки. Якорь
в этом случае отдают обычно для постановки судна на якорь или
для экстренного торможения судна провисающей якорной цепью
в аварийной ситуации. При указанной операции важно сохранять
контроль за длиной вытравленной цепи и скоростью, так как эти
параметры определяют динамику процесса и нагрузку якорного устройства. На листе 2 графической части дана схема устройства дистанционной отдачи якоря.

В качестве тормозного устройства применен ленточный стопор 5. который накладывается на тормозной барабан,
имеющий механическую связь с якорной звездочкой. Управление
стопором выполняет поворотный рычаг 4, соединенный со штоком
силового гидропривода 3. Силовой цилиндр гидропривода связан
с пневмогидравлическим бустером 1, который имеет отдельную
систему 2, заполняющую его маслом. Верхняя воздушная полость
бустера сообщается через электромагнитный золотник YA с судовой воздушной магистралью постоянного рабочего давления. При
подаче питания на электромагнит воздух поступает в верхнюю
полость бустера, и при движении штока масло из его нижней части
перегоняется в рабочий цилиндр гидропривода. Перемещающийся
при этом шток рабочего цилиндра освобождает ленточный стопор,
и происходит отдача якоря.При вращении якорной звездочки получает вращение шестеренный насос 7, связанный с ней через
роликовую муфту 6, которая обеспечивает вращения насоса только
в сторону спуска якоря. Шестеренный насос нагнетает масло в противоположную полость рабочего цилиндра и выполняет функции
отрицательной обратной связи. Если скорость отдачи якоря возрастает, то давление масла в противоположной полости рабочего
цилиндра увеличивается, что способствует притормаживанию привода и сохранению постоянства скорости.

2. Техника безопасности при эксплуатации электродвигателей переменного тока

При эксплуатации электродвигателя переменного тока следует соблюдать следующие правила техники безопасности:

- при работе, связанной с прикосновением к токоведущим частям электродвигателя или к вращающимся частям электродвигателя и приводимого им в движение механизма, необходимо остановить электродвигатель и на его пусковом устройстве или ключе управления повесить плакат "Не включать. Работают люди".

при работе на электродвигателе напряжением выше 1000 В или приводимом им в движение механизме, связанной с прикосновением к токоведущим или вращающимся частям, с электродвигателя должно быть снято напряжение согласно пп. Б2.3.4 и Б3.3.4.

при работе на электродвигателе заземление накладывается на кабеле (с отсоединением или без отсоединения его от электродвигателя) или на его присоединении в РУ.

при работе на механизме, если она не связана с прикосновением к вращающимся частям или если рассоединена соединительная муфта, заземлять питающий кабель электропривода не требуется.

при работе на электродвигателе напряжением до 1000 В или приводимом им в движение механизме снятие напряжения и заземление токоведущих жил кабеля должны выполняться согласно пп. Б2.3.7, Б2.3.8, Б2.3.36.

перед допуском к работе на электродвигателях насосов, дымососов и вентиляторов, если возможно вращение электродвигателей от соединенных с ними механизмов, должны быть закрыты и заперты на замок задвижки и шиберы последних, а также приняты меры по затормаживанию роторов электродвигателей.

ограждение вращающихся частей электродвигателей во время их работы снимать запрещается.

операции по отключению и включению электродвигателей напряжением выше 1000 В пусковой аппаратурой с приводами ручного управления производятся с изолирующего основания с применением диэлектрических перчаток.

обслуживать щеточный аппарат на работающем электродвигателе допускается единолично лицу из оперативного персонала или выделенному для этой цели обученному лицу с группой по электробезопасности не ниже III. При этом необходимо соблюдать следующие меры предосторожности:

работать в головном уборе и застегнутой спецодежде, остерегаясь захвата ее вращающимися частями машины;

пользоваться диэлектрическими галошами или резиновыми коврами;

не касаться руками одновременно токоведущих частей двух полюсов или токоведущих и заземленных частей.

кольца ротора допускается шлифовать на вращающемся электродвигателе лишь с помощью колодок из изоляционного материала с применением защитных очков.

у работающего многоскоростного электродвигателя неиспользуемая обмотка и питающий ее кабель должны рассматриваться как находящиеся под напряжением.

Заключение

В курсовом проекте был произведен расчет электропривода якорно-швартовного устройства зерновоза. Были выбраны якоря, рассчитаны тяговые усилия и моменты на валу электродвигателя при подъеме одного и двух якорей с нормальной глубины стоянки, а так же при подъеме якоря с большой глубины стоянки. Был выбран электродвигатель МАП 621-4/8/24 и, произведена его проверка на продолжительность съемки судна с якоря, нагрев и максимальную скорость при отдаче якоря. Так же выбрана схема управления электроприводом якорно-швартовного устройства зерновоза.

Цель курсового проекта достигнута.