Расчет якорно-швартового устройства
1. Расчет электропривода
якорно-швартового устройства
Якорно-швартовые механизмы
обеспечивают оперативное выполнение якорно-швартовных операций, в значительной
степени определяющих мореходные качества судна, а также его
техническо-экономические показатели.
Электроприводы якорно-швартовых
устройств должны обеспечивать:
·
возможность использования якорно-швартовых устройств /ЯШУ/ при
тяжелых состояниях погоды и моря и его высокую надежность;
·
возможность запуска электродвигателя при полной нагрузке;
·
поддержание необходимого тягового усилия при пониженных частотах
вращения исполнительного двигателя и при остановке;
·
стоянку двигателя под током в течение З0 сек с нагретого
состояния;
·
удержание якоря на весу при снятом напряжении;
·
безопасность отдачи якоря;
·
наличие у электропривода диапазона скоростей, включая
нормированную скорость подъема одного якоря c расчетной глубины и минимальную
скорость подхода якоря к клюзу;
·
минимальную массу и оптимальную комплектность.
Работа ЯШУ регламентируется требованием
морского Регистра и при ежегодных осмотрах производится освидетельствование
инспектором Регистра ЯШУ с последующим разрешением на его дальнейшую
эксплуатацию. В качестве якорных механизмов на судах применяются брашпили и
якорные шпили.
Основные параметры брашпилей
стандартизируются. Для судов создан нормализированный ряд отечественных
электрических брашпилей. Ряд состоит из 13 моделей Б-1…Б-13 для цепей с
калибром от 15 до 92 мм.
Шпили, применяемые в якорных
устройствах, имеют вертикальное расположение оси. При этом основная частота
передаточного механизма и электрооборудование находится под палубой.
Расположение исполнительных двигателей под палубой имеет большие преимущества и
увеличивает надежность работы якорных шпилей, особенно в период зимних обледенений.
Передаточные механизмы ЯШУ
комплектуются в основном из цилиндрических пар и снабжаются отдельными
червячными парами для связи их с электродвигателями.
Шпили и брашпили имеют высокий КПД,
не ниже 0,75, и не являются самотормозящими.
В обычных условиях, при постановке
судна на якорь, его отдача выполняется свободным травлением якорного каната. В
передаточном механизме обязательно предусматривается для этого муфта сцепления
дискового или кулачкового типа. Расцепление производится с помощью маховиков или
рычажно-винтовых связей.
. Характеристики
якорного снабжения
Характеристика якорного снабжения
для всех судов определяется по формуле:
где D=2357,5т - весовое водоизмещение судна при осадке по летнюю
грузовую марку;
В=7 м - ширина судна наибольшая;
r=1,025 т/м3 -
плотность морской воды;
h=5 м - высота по летней грузовой ватерлинии до верхней кромки
настила палубы самой высокой рубки;
А=460 м2 - площадь
парусности в пределах длины судна L=95 м, определяется по диаметральной плоскости судна в пределах от
летней грузовой ватерлинии.
По результатам расчета выберем из
таблицы цепь 3ей категории.
Характеристики якорного устройства:
·
калибр якорной цепи: 24 мм;
·
суммарная длина цепей: 357,5 м;
·
количество цепей: 2 шт.;
·
количество якорей: 2 шт. (+1 запасной);
·
масса якоря: 900 кг.
. Выбор двигателя
Согласно требованиям
Регистра, мощность двигателя якорного механизма должна обеспечивать непрерывное
выбирание якорной цепи со скоростью 0,15 м/с при тяговом усилии: .
, где
а=46,6 - коэффициент для
цепей 3 категории прочности, электросварные обыкновенные.
Номинальный момент исполнительного
двигателя:
Rзв
- расчетный радиус якорной звездочки;
a=36°
- угол звездочки.
, где
i
= 150 - передаточное число механизма брашпиля;
hпер=0,8
- номинальный КПД механизма передачи;
fК=1,35
- коэффициент учитывающий трение цепи в клюзе.
Пусковой момент:
Номинальная частота
вращения двигателя должна отвечать нормированной скорости выбирания цепи при
расчетной нагрузке: .
Угловая скорость
электропривода:
.
Минимально необходимая
скорость двигателя:
Номинальная мощность
двигателя:
двигатель
якорный снабжение нагрузочный
По полученным данным выбираем
двигатель серии МАП422-4/8.
2 р
|
Реж.раб. (мин)
|
Р2н, кВт
|
n,
об/мин
|
Iн,
А
|
Мmax,
Н×м
|
Мп, Н×м
|
Iп,
А
|
Cos j
|
30
|
12
|
1390
|
25,5
|
220
|
200
|
142
|
0,89
|
8
|
30
|
8
|
645
|
22,5
|
300
|
290
|
75
|
0,77
|
4. Расчет и построение
характеристик АД ЯШУ
Для построения механических
характеристик воспользуемся формулой Клосса - Чекунова.
Где: -
перегрузочная способность по моменту,
- номинальное
скольжение,
- критическое
скольжение,
- поправочный
коэффициент,
- коэффициент,
выражающий соотношение между пусковым и максимальным моментом,
Ток холостого хода:
Для проверки АД на нагрев необходимо
от моментов перейти к соответствующим значениям тока:
, А
Расчет токов I1 сведем в таблицу:
S, о.е.
|
M, Н×м
|
I1, А
|
n, об/мин
|
0
|
0,00
|
6,75
|
1390
|
0,1
|
155,26
|
46,92
|
1251
|
0,12
|
175,03
|
54,43
|
1223,2
|
0,14
|
190,6
|
61,25
|
1195,4
|
0,16
|
202,23
|
67,37
|
1167,6
|
0,18
|
210,49
|
72,85
|
1139,8
|
0,2
|
215,89
|
77,73
|
1112
|
0,3
|
215,49
|
94,99
|
973
|
0,4
|
196,71
|
834
|
0,5
|
175,97
|
110,75
|
695
|
0,6
|
157,72
|
114,84
|
556
|
0,7
|
142,53
|
117,91
|
417
|
0,8
|
130,26
|
120,49
|
278
|
0,9
|
120,27
|
122,79
|
139
|
1
|
112,07
|
124,94
|
0
|
По полученным значениям строим
механическую характеристику АД.
. Построение нагрузочной
диаграммы
Когда судно стоит на якоре на него
действуют: сила ветра FВ, сила течения FТ. Их равнодействующая F относит судно от места залегания якоря и
вызывает натяжение цепи.
При съемке судна с якоря и выбирания
якорной цепи на первой стадии к тормозящим силам добавляется еще и сила
сопротивления винта главного двигателя FВТ.
Для определения равнодействующей
силы рассчитываем каждую из тормозящих сил отдельно.
Сопротивление потока воды подтягиванию
судна:
где КК=1 -
поправочный коэффициент на влияние кривизны судна, которая учитывается
отношением длины судна к его ширине;
- коэффициент трения о
воду. Он зависит от характера обтекания судна потоком воды. Определяется числом
Рейнольдса;
L
- длина судна;
Vв=Vтеч+Vc=1,8+0,2=2 - скорость набегания воды
на судно при съемке с якоря, м/с;
n=0,01×10-4
м2/с - кинематический коэффициент вязкости морской воды;
Dxf=1×10-3
- надбавка к коэффициенту трения, учитывающая шероховатость судна.
Sсм
- смоченная поверхность корпуса судна. Находится по формуле:
Сопротивление
подтягиванию судна, встречного ветра
При подтягивании судна к
месту залегания якоря ветер дует в лобовую надстройку. Сила сопротивления
встречному ветру:
где КВ.=0,4 -
коэффициент удельного давления ветра. Его величина устанавливается в результате
продувки моделей судов, располагаемых под различными углами к направлению
воздушного потока. Наибольшая сила ветрового сопротивления возникает при
направлении ветра под углом 27°¸30° к диаметральной,
плоскости судна. В расчетах следует учитывать встречный ветер, что
соответствует обычным условиям съемки судна о якоря;
Vвет=10
м/с - скорость ветра;
Сопротивление со стороны
винта.
При подтягивании судна
винты, особенно в застопоренном состоянии, оказывают существенное сопротивление
движению судна. На основании экспериментальных и статических данных принято
учитывать это сопротивление как процентную надбавку к сопротивлению воды FТ:
FВИНТ=25%
FТ=0,25×8,16=2,04 Н
Равнодействующая сила
сопротивления подтягивания судна к месту залегания якоря:
F=
FТ+ FВ+
FВИНТ=8,16+1800+2,04=1810,2 Н
Введем следующие
обозначения участков цепи, выбираемой при съемке судна с якоря:
Lц=178,75
м - общая длина цепи одного якоря;
L0=168,75
м - длина цепи от клюза до якоря;
- свободно провисающая
часть цепи;
где h=80 м - расчетная глубина стоянки;
- вес одного погонного
метра якорной цепи;
g=7,8 - плотность якорной
стали, т/м3.
Длина лежащей на грунте
цепи:
L1=L0-Lсв=168,75-85,32=83,43 м
. Определение тяговых
усилий и моментов при подъеме одного якоря с расчетной глубины
На первой стадии съемки
с якоря усилие у клюза остается постоянным. Оно состоит из горизонтальной
составляющей N1, идущей на преодоление сопротивления воды, ветра, винтов и
вертикальной составляющей, образованной весом провисающей части цепи, Gц.
Тяговое усилие у клюза
при отрыве якоря от грунта:
где Gя - вес якоря, Н.
Тяговое усилие у клюза
на второй стадии принимается линейно возрастающим от F1
до F3.
7. Расчет моментов
сопротивления на валу двигателя
Момент сопротивления при
подтягивании судна к якорю:
где hкл=0,75 - КПД клюза;
hпер=0,8 - КПД передачи;
Момент на валу электродвигателя при
отрыве якоря от грунта:
Момент на валу
электродвигателя при подъеме якоря после отрыва от грунта:
Момент на валу двигателя
при подходе якоря к клюзу:
Одновременный подъем
двух якорей с половины номинальной расчетной глубины якорной стоянки.
Усилие у клюза в начале
подъема:
Усилие в конце подъема:
Момент на валу
электродвигателя в начале и конце подъема:
Аварийный подъем якоря с
большой глубины.
Усилие у клюза в начале
подъема создается весом якоря и вытравленной цепи:
В конце подъема:
Fав.кон
= Gя =
9000Н
8. Определение скорости
выбирания цепи и время работы электродвигателя
Воспользовавшись
полученными механическим характеристиками M=f(n) для выбранных электродвигателей и задаваясь полученными
величинами моментов M1¸M4, находим по кривым величину скорости n1¸n4:
М, Н×м
|
51,07
|
88,41
|
55,77
|
16,32
|
n,
об/мин
|
1350
|
1300
|
1330
|
1375
|
Определив по графику частоту
вращения двигателя, определяем скорость выбирания якорной цепи по стадиям:
И при выбирании
одновременно двух якорей с половинной глубины:
Продолжительность каждой
стадии:
t3
- принимается равным 30 сек - время стоянки двигателя под током.
Полное расчетное время
съемки судна с якоря:
Расчетное время выборки
якоря не должно превышать 30 мин.
По полученным расчетным
данным строим нагрузочную диаграмму якорного устройства M=f(t).
. Проверка выбранного
электродвигателя
на нагрев
Соответствие выбранного двигателя
условиям нагрева проверяют, сравнивая среднеквадратичный ток или момент с
соответствующими номинальными значениями.
Для двигателя переменного тока
удобно производить проверку методом среднеквадратичного момента.
При выбирании двух
якорей с половинной глубины:
Двигатель выбран
правильно, если МН>МЭКВ; 87,08>47,67.
При условии расчета и
проверки двигателя методом среднеквадратичного тока можно воспользоваться
формулой:
В случае аварийного
подъема двух якорей с половинной глубины:
. Проверка двигателя на
максимальную скорость при отдаче якоря
При постановке судна на
якорь при значительных глубинах и неизученном дне, стоянку производят с помощью
электропривода.
Максимальное тяговое
усилие у клюза, вызывающее ускорение у двигателя:
Этому усилию будет
соответствовать момент на валу двигателя:
, где
hкл’
- КПД клюза при спуске якоря;
hпер’
- КПД передаточного механизма при спуске якоря.
Значению момента Мсп
соответствует скорость, определяемая из тормозной характеристики двигателя.