Расчет 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 – η=0,85
Коэффициент, учитывающий трение цепи о клюз – ηкл=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
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.
δ – удельный вес морской воды.
δ = 1,025
Кв – коэффициент удельного давления ветра
Кв = 0,02 кг/м2
– скорость ветра
= 5÷12 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
γ – удельный вес материала цепи;
γ = 76,4 ∙ 103 Н/м
δ – удельный вес морской воды;
δ = 10025 Н/м
Va = 12м/мин = 0,2м/с
5. Выбор исполнительного электродвигателя якорно-швартовного устройства
Выбираем асинхронный
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
– 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 =1,28÷1,35 – 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
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
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=20÷30мин, 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
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.
α – 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
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 |
ω |
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)
