Расчет электропривода якорно-швартового устройства

Министерство образования и науки Украины

Государственное высшее учебное заведении

Одесское мореходное училище рыбной промышленности

Имени Алексея Соляника 
 
 
 
 
 
 
 
 

Курсовой проект

по дисциплине: “Судовые автоматизированые электроприводы”

Расчет электропривода якорно-швартового устройства 

                                            Выполнил курсант 222 группы

                                            Переходюк А.П.

                                            Принял Пастухов Г.П. 
 
 
 
 
 
 
 

Одесса 2009

      Содержание 

Краткие сведения о судне

Назначение и основные элементы ЯШУ

Классификация ЯШУ и их электроприводов

Кинематическая схема и описание механических частей ЯШУ

Нормативные требования к ЯШУ и их электроприводам

Выбор якорного снабжения

Определение статических моментов

Выбор системы управления (обоснование)

Выбор ИД и построение механической характеристики

Проверка ИД на удовлетворение требований и построение нагрузочной диаграммы

Разработка принципиальной схемы управления ЭП ЯШУ и описание её работы

Выбор аппаратуры управления

Расчёт и выбор питающего кабеля и автомата

Обслуживание и уход за электроприводами ЯШУ

Охрана окружающей среды на судах ФРП

Охрана труда на ФРП

     1. Назначение и основные элементы ЯШУ 

     Якорно-швартовные устройства (ЯШУ) служат для постановки судов на якорь и для съемки их с якоря, а также для выполнения швартовных операций. При стоянке на рейде сбрасывают один или два якоря, которые, зарываясь в грунт, противодействуют течению, ветру и другим силам, стремящимся привести судно в движение. Нередко судам гражданского флота приходится стоять на якоре то ли в ожидании освобождения причальной линии в порту, то ли при необходимости производить грузовые операции на рейде.

     В якорно-швартовное устройство входят якоря, якорные цепи, якорно-швартовная лебедка, исполнительный двигатель и система управления.

     Якоря. В настоящее время чаще всего применяют якоря с поворотными лапами (якоря Холла), которые обладают большой держащей силой, легко укладываются по-походному и состоят из небольшого числа грубо обработанных деталей, что устраняет опасность заедания или заклинивания от ржавления. Каждое судно бывает снабжено двумя или тремя так называемыми становыми якорями, расположенными в носовой части судна. Третий якорь считается запасным и носит название штормового.

     Якорные цепи. Роль гибкой связи, соединяющей якорь с корпусом судна, выполняют якорные цепи (цепные канаты). Якорная цель состоит из отдельных частей -- смычек длиной от 20 до 25 м. Звенья якорной цепи имеют распорки (контрфорсы), что увеличивает их прочность примерно на 20%.

     Якорные цепи проходят от якоря через бортовой клюз, стопор и кулачковый барабан якорной лебедки в палубный клюз и цепной ящик, где и укладывается излишек цепи. К стенке цепного ящика конец цепи надежно крепится с помощью жвака-1 галса -- концевой смычки. Жвака-галсовая смычка заканчивается откидным гаком (глаголь-гак), который служитдлябыстрой отдачи якорной цепи.

     Применение цепей в качестве якорного каната обусловливается следующими обстоятельствами. Погонный метр цепи весит в 5--6 раз больше погонного метра равнопрочного ей стального троса той же длины. Благодаря этому якорные цепи обеспечивают получение значительно большей держащей силы, которая, как известно, пропорциональна весу якорного каната. Ярко выраженные буферные свойства якорной цепи уменьшают к тому же размах килевой качки и смягчают рывки и толчки судна от действия волн в свежую погоду. Наконец, якорные цепи меньше стальных тросов подвержены коррозии в морской воде.

     Якорно-швартовные лебедки. Якорно-швартовные лебедки: шпили и брашпили служат для отдачи и подъема якоря, а также для швартовных операций. Их отличие друг от друга состоит в том, что у первых ось кулачкового барабана расположена вертикально, у вторых -- горизонтально.

     И те, и другие располагаются в носовой части судна, но брашпили вместе с основной частью электрооборудования устанавливаются на палубе и почти не занимают внутренних помещений. Эта особенность обеспечила им широкое распространение на судах торгового флота.

     У шпилей на палубе размещаются лишь якорно-швартовный барабан (головка шпиля) и тумба управления. Все остальное оборудование шпилей находится в подпалубных помещениях судна. Ввиду этого шпили целесообразно применять: а) на танкерах, где электродвигатель и аппаратура управления должны быть изолированы от взрывоопасной среды; б) на ледоколах и судах ледового плавания, где такое размещение основных механизмов обеспечивает их защиту от обледенения и облегчает обслуживание; в) на военных судах, где ответственное якорно-швартовное устройство подлежит защите от возможных повреждений. 
 
 
 

     2. Классификация ЯШУ и их электроприводов

     Якорно- швартовные устройства делятся на основные группы:

     Якорно- швартовные и якорные шпили, имеющие вертикальное расположение грузового вала и одну звёздочку.

     Брашпили, имеющие горизонтальное расположение грузового вала и две звёздочки.

     Якорно- швартовные и якорные шпили в свою очередь различаются по:

     Скорости выбирания якорной цепи: с нормальной и повышенной скоростью;

     Конструктивным признакам: на однопалубные (цепная звёздочка, механизм и двигатель размещены на одной палубе); двухпалубные (цепная звёздочка и швартовый барабан размещены на одной палубе, а механизм и двигатель на другой); в свою очередь двухпалубные бывают одинарными (с индивидуальным приводом) и соединённые (соединены общим редуктором).

     Брашпили различаются по:

     Скорости: нормальные и облегчённые (нормальные используются на судах морского флота, а облегчённые на судах речного флота).

     Конструкции.

     Швартовые механизмы подразделяются на:

     1. Швартовые шпили (трос передаётся через швартовый барабан, число витков троса, намотанного на барабан остаётся постоянным в течении всего времени выбирания)

     2. Швартовые лебёдки (на барабане хранится весь запас троса, сдаваемый с барабана или наматываемый на него, в процессе швартовых операций).

     Швартовые шпили делятся на две группы:

     Шпили с грузовым валом, редукторами двигателя (в свою очередь бывают однопалубные и двухпалубные);

     шпили, у которых грузовой вал отсутствует, а двигатель размещается внутри швартового барабана и связывается с ним посредством механической передачи 

     3. Кинематическая схема и описание механических частей ЯШУ 

     На рис. приведена кинематическая схема брашпиля. Брашпиль устроен и работает следующим образом. Движение от двух исполнительных двигателей 6 через цилиндрический редуктор 5 и промежуточную передачу 11 передается на промежуточный вал 12, на концах которого расположены барабаны (турачки) 4, служащие для выполнения швартовных операций. Далее через передачу 3 движение сообщается грузовому валу 14, на который свободно посажены две цепные звездочки 1. Одна из них служит для подъема якоря правого, а другая-- левого борта. Каждая из звездочек соединена через кулачковую муфту 2 с валом привода 7. Ленточные тормоза 13, имеющие маховичковые приводы 8 подтормаживают звездочки, если нужно ограничить скорость вытравливания якорной цепи.

     Брашпиль может приводиться в действие и одним двигателем --переменного тока типа МАП.

     Выключенные двигатели затормаживаются колодочными тормозами 9, которые предназначены для быстрой остановки двигателя и удержания грузового вала от обратного разворота. В последнее время стали широко применять также дисковые тормоза, конструктивно выполняемые за одно целое с двигателем. 
 
 
 
 
 

     4 Расчет якорно-швартового электропривода

     Расчет характеристики снабжения снабжение якорями, якорными цепями и канатами речных судов определяют по Правилам Речного Регистра в зависимости от класса судна по ьхарактеру снабжения

     Nc=L*(D+H)+k*∑*l*h,

     где L,B,H- длина, ширина,высота борта судна до первой расчетной палубы, м

     l,h- длина и средняя высота отдельных надстроек и рубок,м

     k=1 суммарная длина надстроек 1> L0,5 длины судна 

     Nc=104,8*( 16,2+5,0)+ 0,5*12,8*2,6=2238,4 М²

     по характеру снабжение из таблиц, приведенных в правилах речного регистра находят число носовых якорей, их суммарную и общую длину цепей.

     для рассчитанной характеристики снабжения

     суммарная маса длины цепей- 300м

     калибр цепи: 40 мм с распорками  при  категории прочности 1.

     1. мощность привода якорно-швартового механизма должна обеспечивать подтягивание судна к якорю, отрыв и подъм любого из якорей со скоростью не менее 0,12 м/с  при номинальном тяговом усилии на звездочке f1,h

     F1=22,6*ḿ*D²,  где   ḿ - коэффициент прочности ,  принимаемый равным 1,0 для цепей с распорками

     F1=22,6*1*40²=36160 
 
 
 
 
 
 

     ВНЕШНИЕ СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА НА СУДНО 

     F'=Fв+F'в+Fг      

     где  ^Fв 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     11. Разработка принципиальной схемы управления электроприводом ЯШУ и описание её работы 

     В состав электропривода брашпиля входят:

     а) два исполнительных электродвигателя постоянного тока с пристроенным дисковым тормозом;

     б) преобразовательный агрегат, состоящий из приводного двигателя (асинхронного с короткозамкнутым ротором),'генератора постоянного тока с независимой, параллельной и проти-вокомпаундной обмотками возбуждения и возбудителя (генератора постоянного тока со смешанным возбуждением);

     в) станция управления переменного тока;

     г) пост управления, представляющий собой кулачковый реверсивный командо-контроллер с одним нулевым и шестью рабочими положениями в каждую сторону;

     д) регулятор возбуждения, включенный в цепь параллельной обмотки возбуждения;

     е) два ящика с сопротивлениями (установочными, регулировочными и разрядными к обмоткам возбуждения генератора, к обмоткам возбуждения исполнительных двигателей и к дисковым тормозам);

     ж) щит питания брашпиля.

     Исполнительные двигатели и тумба управления водозащищенного исполнения расположены на верхней палубе. Все остальное оборудование -- брызгонепроницаемого исполнения; оно находится в помещении брашпиля.

     Схема предусматривает одновременное использование двух последовательно включенных двигателей во всех режимах работы брашпиля, причем в случае выхода из строя одного из них работа привода обеспечивается вторым. Характер нагрузки и скорость двигателей определяются положениями переключателей П I и П II; в шестом положении «Травить» работа одним двигателем не допускается.

     Перед запуском преобразовательного агрегата включают выключатель цепей управления ВУ, а пост управления устанавливают в нулевое положение. Нажатием кнопки КП на станции управления пускают в ход приводной двигатель ПД, вместе с которым начинают вращаться генератор и возбудитель. О самовозбуждении последнего сигнализирует лампа ЛС в тумбе управления брашпиля. С зажимов возбудителя напряжение через дополнительные сопротивления ЗСД и 4СД подается на обмотки возбуждения исполнительных двигателей и катушки реле обрыва поля РП.

     Контакт К1, замыкаясь, подготавливает работу тормозных электромагнитов. Через контакты КЗ и К5 подводится полное напряжение к обмоткам независимого возбуждения исполнительных двигателей НОД1 и НОД2 и к катушкам реле обрыва поля РП1 и РП2. Получив питание, эти реле срабатывают и замыкают своими контактами цепь контактора обрыва поля К, который, в свою очередь, замыкает контакт К в цепи тормозных электромагнитов ТМ1 и ТМ2 и независимой обмотки возбуждения генератора НОГ.

     Получив питание, тормозные электромагниты растормаживают исполнительные электродвигатели. Одновременно возбуждается генератор, подающий напряжение на зажимы исполнительных двигателей, которые начинают вращаться со скоростью, соответствующей первому положению поста управления.

     Скорость двигателя регулируют, переводя маховичок тумбы управления из одного рабочего положения в другое -- в сторону «Травить» или «Выбирать». При этом замыкаются контакты, шунтирующие сопротивления в цепи независимой и параллельной обмоток генератора, благодаря чему увеличивается ток возбуждения, а следовательно, и напряжение на зажимах генератора и двигателей; в результате увеличивается и скорость вращения двигателей.

     Реверс исполнительного двигателя осуществляют, изменяя направление тока в независимой обмотке возбуждения генератора, для чего маховичок тумбы управления переводят из положения «Выбирать» в положение «Травить» или наоборот.

     Чтобы остановить исполнительные двигатели, надо возвратить маховичок тумбы управления в нулевое положение, что вызовет размыкание цепей независимых обмоток возбуждения генератора и двигателей, а также цепей тормозных электромагнитов. В результате этого напряжение на зажимах двигателей и магнитный поток полюсов спадут до незначительных величин, двигатели потеряют скорость и затормозятся механическими тормозами.

     Преобразовательный агрегат останавливают нажатием кнопки КС в тумбе или в станции управления.

     Схема обеспечивает все необходимые виды защиты.

     Нулевую и минимальную защиту обеспечивает линейный контактор Л, отключающий приводной двигатель от сети в случае резкого снижения или исчезновения напряжения. Повторный пуск агрегата возможен только из нулевого положения поста управления, что обеспечивается нулевой блокировкой, принцип которой заключается в питании линейного реле ЛР через контакт К22, закрытый только в нулевом положении поста управления.

     Тепловая защита выполняется тепловыми реле 1РТ и 2РТ, работающими на отключение приводного двигателя. Повторный пуск его также возможен лишь из нулевого положения поста управления.

     Защита от перегрузок осуществляется противокомпаундной обмоткой генератора, которая, размагничивая генератор и переводя исполнительные двигатели в режим стоянки под током, ограничивает момент короткого замыкания до заранее установленного значения.

     Для защиты исполнительных двигателей от обрыва поля предусмотрены реле РП1 и РП2, которые, срабатывая, разрывают цепь контактора К, снимая в конечном счете возбуждение с генератора и затормаживая двигатели.

     Защита от токов короткого замыкания в цепях управления выполняется предохранителями 1Пр -- 4Пр. 

     12. Выбор аппаратуры управления 

     В пределах срока службы электрооборудования якорно-швартовных механизмов суммарное число включений контактной аппаратуры главной цепи не превышает номинальных значений при полном использовании ее по коммутационной способности. Поэтому выбор аппаратуры данной группы механизмов должен производиться по номинальному току с учетом возможных токов перегрузки и термической стойкости.

     Коммутационная аппаратура главных цепей должна отвечать следующим условиям: а) для якорных механизмов ток, протекающий по контактам при нагрузке в цепи, равной 36 d2 H, не должен быть выше номинального тока аппарата при режиме 60 мин; б) для швартовных механизмов ток, протекающий по контактам при выбирании троса с номинальным тяговым усилием, не должен быть выше номинального тока аппарата в режиме 30 мин; в) пусковой ток двигателя при работе на характеристике, обеспечивающей отрыв якоря от грунта (режим стоянки), не должен быть выше 80 % допустимого тока включения аппарата. Номинальный ток аппарата в режиме 30 мин при работе на той же характеристике не должен быть ниже 130 % номинального тока обмоток электродвигателя в режиме 30 мин; г) контакты аппарата переменного тока должны допускать протекание тока перегрузки в течение времени t, удовлетворяющего условию

      , 

     где I_Н60 -- номинальный ток аппарата в режиме 60 мин (или длительном); /ст -- ток при заторможенном двигателе в режиме стоянки; 1СТ-- расчетное время стоянки под током, равно 15 с для швартовных механизмов.

     Ток перегрузки I_СT (режим стоянки), проходящий по тиристорам и диодам в режиме 50--60 с, не должен превышать 80 % номинального тока тиристора в длительном режиме.

     Выбираем аппаратуру управления для 3^Х фазной цепи переменного тока.

     В качестве 1РТ и 2РТ выбираем тепловое реле типа ТРТ-200: I_НОМ=200А, предел регулирования токовой усатавки 0,75÷1,25.

     Контактор линейный Л типа КМ-2334-2: 3 блок-контакта, главных и 2 вспомогательных, I_НОМ=200А;

     Промежуточное реле РП типа РМЕ24ВРОМ3: 2 контакта замыкающих, 1- размыкающий, Р=17 Вт;

     Предохранитель 1Пр типа ПДС-2: I_НОМ. =20А, I_{НОМ.ВСТАВКИ}=20А, тип плавкой вставки ПВД-2(I_КЗ=200А);

     Кнопки управления КС и КП типа КЕ-011: I_НОМ=6,3А.

     Аппаратура управления для цепей постоянного тока.

     Реле обрыва поля РП типа РЭМ-25: количество контактных узлов 1, количество замыкающих контактов 1, I_НОМ=5А.

     Вольтметр в цепи возбуждения V типа М145: пределы измерения 0÷250В, класс точности 2,5.

     Предохранитель 2Пр, 3Пр типа ПДС-2: I_НОМ=20А, I_{НОМ.ВСТАВКИ}=20А, ток предельной разрывной способности при постоянном токе 3000А;

     Сигнальная лампа ЛС типа Ц - 220-15;

     Контактор К типа КН2141-12: 1 блок-контакт замыкающий, 1 блок-контакт размыкающий, климовый замыкающий 1;

     Амперметр А типа М1500: предел измерения 0 - 30 А, класс точности 1,5, угол шкалы 230⁰;

     Электромагнитный тормоз ТМ1 и ТМ2 типа ПДП3 со встроенным электромагнитным приводом входящим в комплект двигателя ДПМ;

     Командоконтроллер серии КМ-1000, изготовленный в исполнении для установки на палубе судна, допустимый длительный ток 10А, допустимый выключающий ток 50А, допустимый отключающий ток (при 220В при индуктивной нагрузке)- 1А. 

     13. Расчёт и выбор питающего кабеля и автомата 

     Для питания электропривода брашпиля, согласно правил Регистра Украины, выбираем питающий кабель, который прокладывается от ГРЩ по двум фидерам.

     1. По таблице электрических нагрузок генераторов судовых ЭС устанавливают режим, в котором приемники электроэнергии, подключенные к РЩ, имеют наибольшую нагрузку. Расчетная мощность с учетом коэффициентов одновременности k₀ и запаса k_ЗАП (учитывает увеличение нагрузки кабеля за счет подключения к запасному фидеру приемника) составляет: 
 

     2. По наибольшей потребляемой мощности определяют полный расчетный ток фидеров РЩ: 

     3. По суммарному расчетному току выбирают сечение питающего кабеля РЩ (сечение равно 3×20 мм², длина кабеля l_\ = L / 2 = 153,2/ 2 ≈ 76м). Для подключения фидера к шинам ГРЩ выбран автомат А3511 на ток 200 А с максимальным расцепителем на номинальный ток 30000 А с установкой на 600 А.

     4. По расчетному току по таблице допускаемых нагрузок на кабели с однорядной прокладкой выбирают сечение и жильность кабеля исходя из значения расчётного тока.

     Выбираем трёхжильный кабель серии КНР сечением S = 20 мм².

     5. Определяем потери напряжения на участке: 
 

     где γ - удельная проводимость меди при температуре 65⁰С.

     Так как согласно установленным нормам потери (падение) напряжения ∆U_РАСЧ в сетях не должны превышать ∆U_ДОП =7%, то расчёт был произведен верно. 

     14. Обслуживание и уход за электроприводами ЯШУ 

     Соблюдение правил технического обслуживания и использования обеспечивает надёжную и безопасную работу судового электропривода якорно- швартового устройства.

     К управлению брашпилем допускается боцман, а к управлению шпилем -- матрос I класса, сдавший экзамен по соответствующему техминимуму.

     Старший электромеханик или старший механик обязаны проинструктировать лиц, допущенных к управлению брашпилем или шпилем, об особенностях управления указанными механизмами,

     При подготовке к действию электроприводов грузоподъемных, якорно-швартовных устройств, шлюпочных лебедок и других палубных механизмов необходимо:

     1) убедиться внешним осмотром в его исправности, измерить сопротивление изоляции и спустить конденсат;

     2) установить рукоятки командоаппаратов в нулевые положения; при наличии муфт переключения редуктора установить их рукоятки на требуемую грузоподъемность;

     3) открыть вентиляционные отверстия на электродвигателях и пусковых резисторах; включить вентиляцию в помещениях аппаратуры управления;

     4) включить питание на ГРЩ» РЩ, а также средства дистанционного управления брашпилем и регистрации длины вытравленной якорной цепи;

     5) обеспечить необходимую освещенность мест грузовых или промысловых операций, а также постов управления механизмами при производстве работ в ночное время;

     6)опробовать электроприводы в действии в том числе электромагнитные и механические тормоза, конечные выключатели и блокировки, а также органы аварийного отключения;

     7) доложить вахтенному помощнику капитана о готовности электроприводов к действию.

     При возникновении неисправности тормозов, электродвигателей и аппаратуры управления срабатывании блокировок или защиты работа электроприводов грузоподъемных устройств должна быть немедленно прекращена. Возобновление работы разрешается только после устранения неисправности.

     После использования электроприводов грузоподъемных, якорно-швартовных и буксирных устройств, шлюпочных лебёдок и других палубных механизмов необходимо:

     1) установить рукоятки командоаппаратов в нулевые положения;

     2) выключить питание электроприводов на РЩ и ГРЩ (по согласованию с вахтенным помощником);

     3) закрыть все вентиляционные отверстия и выключить вентиляцию помещений аппаратуры управления.

     Состав работ технического обслуживания каждого вида электрооборудования, входящего в состав электропривода, определяется указаниями соответствующих разделов настоящих правил и инструкциями по эксплуатации Виды работ технического обслуживания и их периодичность определяется ПГТО (План-график технического обслуживания или другая действующая документация, определяющая номенклатуру, состав, периодичность и трудоёмкость работ), а в случае его отсутствия -- инструкцией по эксплуатации.