Реферат: Расчёт электропривода якорно-швартового механизма

Министерство транспорта Российской федерации

Служба речного флота

Новосибирская Государственная академия водного транспорта Омский филиал

Проект защищен

Оценка

Подпись

Дата

Расчетно-пояснительная

Записка

К курсовому проекту

По дисциплине: ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ РУЛЕВЫХ

УСТРОЙСТВ И ЯКОРНО-ШВАРТОВНЫХ МЕХАНИЗМОВ

Тема: РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЯКОРНО-ШВАРТОВНОГО МЕХАНИЗМА

180404.КП.САЭП.08.12 ПЗ

Руководитель: Студент:

ЭМ – 41у

Ученая степень (курс, шифр)

Селиванов П.П. Моисеев К.В.

Ф.И.О. Ф.И.О.

Омск 2008

ЗАДАНИЕ В№12

1. Тип судна: П;

2. Класс по регистру: О;

3. Длина, L (м): 96;

4. Ширина, В (м): 12;

5. Высота борта, Н (м): 4,3;

6. Осадка, Т (м): 2,4;

7. Длина I дека, l1 (м): 85;

8. Ширина I дека, b1 (м): 11;

9. Высота I дека, h1 (м): 2,2;

10. Длина II дека, l2 (м): 82;

11. Ширина II дека, b2 (м): 10;

12. Высота II дека, h2 (м): 2,2;

13. Длина III дека, l3 (м): 78;

14. Ширина III дека, b3 (м): 9,5;

15. Высота III дека, h3 (м): 2,2;

16. Водоизмещение, V (т): 1473;

17. Скорость хода, υ (км/ч): 20;

18. Тип якорно – швартовного механизма: Брашпиль;

19. Швартовный канат: Пеньковый;

20. Напряжение сети, U (В): 380;

21. Род тока: переменный трехфазный;

22. Система управления: контакторная;

23. Дистанционная отдача якоря: нет.

СОДЕРЖАНИЕ

1. ВЫБОР ЯКОРНО-ШВАРТОВНОГО МЕХАНИЗМА. 4

2. Расчёт мощности электродвигателя якорно-Швартовных механизмов. 6

3. Проверка выбранного электродвигателя на обеспечение скоростей выбирания якорной цепи.. 13

4. Проверка выбранного двигателя по скорости выбирания швартовного каната.. 14

5. Определение наибольшего усилия в якорных цепях при действии пускового момента двигателя. 15

6. Определение скорости травления двигателем цепи наибольшего калибра. 16

7. Проверка двигателя на обеспечение подъёма 2якоруй с половины глубины…………………….................................................................................17

8. Проверка двигателя на обеспечение подъёма якоря с полностью вытравленной цепью (аварийный режим) 20

8. Проверка двигателя на нагрев.. 23

9. Разработка схемы управления. 28

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ... 34

1. ВЫБОР ЯКОРНО-ШВАРТОВНОГО МЕХАНИЗМА.

1.1 Определяем якорную характеристику (характеристику снабжения)

L – длина судна, м;

B – ширина судна, м;

T – осадка судна, м;

H – высота борта, м;

l₁ – длина надстройки первого дека (яруса);

h₁ – высота надстройки первого дека (яруса);

l₂ – длина надстройки второго дека;

h₂ – ширина надстройки второго дека и т.д.;

k = 1

.

1.2 Исходя из величины якорной характеристики, типа судна и его класса по Регистру, в соответствии требований Речного Регистра, выбираем число якорей, суммарную массу якорей и суммарную длину якорной цепи.

Число якорей: 2;

Суммарная масса якорей: 2150 кГ;

Суммарная длина цепей: 225 м.

1.3. В зависимости от веса якоря выбираем калибр якорной цепи.

Масса якоря: 1250 кГ;

Калибр: 34 мм.

1.4 Зная калибр цепи производим выбор якорно-швартовного механизма .

Группа: III;

Расчетная глубина стоянки: 60 м;

Тип шпиля: Б3Р;

Диаметр звездочки: 430 мм;

Удельное тяговое усилие:

с номинальной скоростью: a= 2,3 кгс

с малой скоростью: a`=1,6 кгс

Коэффициент прочности якорной цепи: .

2. Расчёт мощности электродвигателя якорно-Швартов­ных механизмов.

2.1 Предварительный выбор мощности электродвигателя.

2.1.1 Расчетное номинальное тяговое усилие на звездочке

где a – удельное тяговое усилие, МПа;

m – коэффициент прочности якорной цепи;

d – калибр цепи, мм;

.

F _{ном.расч} необходимо проверить на соответствие нормам Российского Речного Регистра по формуле:

,

2.1.2 Момент на валу двигателя

где , мм – диаметр цепной звёздочки,

i _я = 200 – передаточное число от вала двигателя к звёздочке брашпиля;

η _я =0,8 – к.п.д. якорного механизма

2.1.3 Частота вращения двигателя

где v – скорость выбирания якорной цепи, м/с;

2.1.4 Мощность двигателя

2.1.5 Расчетное тяговое усилие на звёздочке при работе на малой скорости

– удельное тяговое усилие,кгс ;

2.1.6 Момент на валу двигателя при работе на малой скорости:

2.1.7 Частота вращения двигателя при работе на малой скорости:

2.1.8 Мощность двигателя при работе на малой скорости:

2.1.9 Пусковой момент при работе двигателя на основной скорости:

2.1.10 Расчётный момент при выбирании швартовного каната:

где F _ш – номинальное тяговое усилие на швартовном барабане, Н;

i _ш = 0,5 i _я =125- передаточное число от вала дв-ля к валу швартовного барабана

η _ш – к.п.д. швартовного механизма, принимаем η _ш = η _я ;

u_ш.н. = номинальная скорость выбирания швартовного каната, м/мин. 0,13 м/с.

, м;

2.1.11 Расчётное тяговое усилие на звёздочке, удерживаемое тормозом:

где k = 2

2.1.12 Требуемый тормозной момент тормоза:

где – обратный к.п.д.;

.

2.1.13 На основании полученных данных выбираем электродвигатель 30-минутного режима на основной частоте вращения серии МАП и записываем все параметры:

Тип двигателя: МАП 422 - 4/8 ОМ1;

Мощность, кВт: 12/8;

Напряжение, В: 380;

Режим работы, мин: 30/30;

Частота вращения, об/мин: 1390/645;

Ток статора номинальный, А: 24,5/21,6,

Ток статора пусковой, А: 142/75;

Момент пусковой, кгс∙м:20/29;

Момент максимальный, кгс∙м:22/30;

Маховой момент с тормозом, Н∙м: 4,91

Маховой момент , кгс∙м² : 100. Cosφ=0.9/0.78

2.2. Построение механической и электромеханической характеристик.

2.2.1. Определяем номинальный момент:

Для четырех - полюсной обмотки:

Для восьми - полюсной обмотки:

2.2.2. Определяем номинальное скольжение:

– синхронная скорость вращения двигателя, рад/с;

– скорость вращения ротора, рад/с;

Для четырех - полюсной обмотки:

Для восьми - полюсной обмотки:

2.2.3. Вычисляем перегрузочную способность двигателя:

Для четырех - полюсной обмотки:

Для восьми - полюсной обмотки:

2.2.4. Определяем критическое скольжение:

2.2.5. Задаваясь S = 0; 0,01; 0,03; 0,05 и т.д. до S_кр определяем момент M на валу электродвигателя по формуле Клосса:

2.2.6. Построим электромеханической (скоростной) характеристику I =ƒ (S ) используя выражение:

где I _н – номинальный ток, А;

– ток холостого хода, =6,3А.

Расчетные данные сведем в таблицу 1.

На основании полученных данных построим характеристики в программе MATHCAD .

Рис.1. Механические характеристики электродвигателя.

Рис.2. Электромеханическая характеристика.

2.2.7. Проверка электродвигателя на удовлетворение предъявляемым требованиям:

а). номинальный 30-минутный момент электродвигателя на основной частоте вращения для механизмов первой и третьей групп должен быть не менее 0,7 номинального расчетного

и не менее момента при выбирании швартовного каната с номинальным тяговым усилием

82.44 > 60

б). каталоженный пусковой момент электродвигателя на основной частоте вращения должен быть не менее двойного расчётного момента

200 > 2∙62

200 > 124

г). момент электромагнитного тормоза

2.3. Выбор тормоза.

Тип тормоза: ТМТ 6;

Тормозной момент, Н∙м, в режиме 30 мин: 75;

Энергия торможения при повторно-кратковременном режиме, Вт: 380;

Время, с:

включения: 0,015;

отключения: 0,013;

Число дисков: 4;

Средний радиус кольца, см: 15,0;

Поверхность кольца, см² : 377;

Ход тормоза начальный, мм: 2,5;

Ход тормоза максимальный, мм: 5;

Число тысяч торможений до смены дисков

при номинальной частоте вращения, об/мин: 80.

3. Проверка выбранного электродвигателя на обеспечение скоростей выбирания якорной цепи

3.1. Расчётные моменты на валу электродвигателя при выбирании якорной цепи, отнесённые к каждому калибру цепи данной модели.

,

3.2. Номинальные скорости выбирания якорной цепи;

4. Проверка выбранного двигателя по скорости выбирания швартовного каната

4.1. Расчётный момент на валу электродвигателя при выбирании швартовного каната с малой скоростью

4.2. Тоже наибольшей скоростью (ненагруженного каната)

M_ш.б = 0,2∙60 = 42 Н∙м.

4.3. По характеристикам M = ƒ(S ) определяем

n _{ш.м .} = 1260 об/мин;

n _{ш.б .} = 1340 об/мин;

4.4. Скорости выбирания канатов

Как видно из расчёта при жесткой механической характеристике двигателя разница в скоростях не значительная.

5. Определение наибольшего усилия в якорных цепях при действии пускового момента двигателя.

5.1 Наибольшее усилие в якорных цепях

6. Определение скорости травления двигателем цепи наибольшего калибра.

6.1 Расчетная нагрузка на звёздочке при травлении

,

6.2 Расчётный момент на валу двигателя при травлении

6.3. Частоту вращения определяем по характеристике M = ƒ(S)

ωтр. = 156,3 рад/с

6.4. Скорость травления цепи двигателем

9. Проверка двигателя на обеспечение подъёма 2 якорей с половинной глубины.

9.1 Тяговое усилие в начале подъёма на звездочке.

кг/м – масса одного погонного метра цепи с учетомплотности воды.

=1,28- коэф. трения на клюзе

=0,9- для пресной воды

9.2 Моменты в начале и конце подъёма

9.3 Усилие в конце подъёма

9.5 Определяем частоты вращения ω_нач. и ω_кон и токи I _нач и I _кон по W=f(S) и I=f(S)

ω_{нач = 137.7 рад/с;}

ω_{кон = 151.2 рад/с.}

9.5 Время подъёма якорей.

9.6 Строится нагрузочная диаграмма и тахограмма. (см. приложение 1).

9.7 Среднеквадратичный ток

I_ср.кв ≤ I_ном

_{23,8 < 24,5}

(7.7)

I_ср.кв ≤ I_доп

_{23,8 < 69,7}

8. Проверка двигателя на обеспечение подъёма якоря с полностью вытравленной цепью (аварийный режим)

8.1 Тяговое усилие в начале подъёма якоря висящего на полностью вытравленной цепи

8.2 Усилие в конце подъёма

8.3 Моменты в начале и конце подъёма

8.4 Определяем частоты вращения ω_нач. и ω_кон и токи I _нач и I _кон по хар-кам.

ω_{нач = 140,2 рад/с;}

ω_{кон = 153,8 рад/с.}

8.5 Время подъёма якоря.

8.6 Строится нагрузочная диаграмма и тахограмма. (см. приложение 2).

8.7 Среднеквадратичный ток

.

(8.7)

I_ср.кв ≤ I_ном

_{23,6 < 24,5}

I_ср.кв ≤ I_доп

_{23,6 < 48,6}

8.8 Кроме этого в аварийном режиме шпиля следует проверить двигатель по пусковому моменту:

M_{пуск.кат.} > 1,5∙M_нач.

200 > 195

7. Проверка двигателя на нагрев

7.1 Длина цепной линии.

где – усилие на клюзе, Н;

– сила течения воды, омывающей корпус судна, Н;

– сила, создаваемая ветровой нагрузкой, Н;

– расчетная глубина стоянки судна на якоре, м.

кг/м – масса одного погонного метра цепи с учетом плотности воды.

, Н

– коэффициент трения судна о воду.

– скорость движения воды относительно судна, м/с,

– смоченная поверхность судна, .

и – соответственно длина между перпендикулярами, ширина и осадка судна, м.

– коэффициент полноты водоизмещения. Обычно .

V– водоизмещение, м .

, Н

– коэффициент удельного давления ветра, кг/;

скорость ветра, м/с;

– парусящая поверхность судна, .

B , H и T – главные размеренные корпуса судна, м.

b , h – ширина и высота надстроек.

7.2 Длина цепи лежащей на грунте

полная наибольшая длина якорной цепи, м.

7.3 Длина в метрах цепи, выбираемой при переменном тяговом усилии

, м

7.4 Усилие на звёздочке при подъёме якоря:

– при подтягивании к месту заложения якоря

, Н.

– при отрыве якоря от грунта

, Н.

– в начале подъёма свободно висящего якоря

, Н.

– при подходе якоря к клюзу

, Н.

7.5 Моменты для указанных стадий М ₁ ; М ₃ ; М _4нач и М _4кон определяют по выше указанным формулам.

,Н∙м;

,Н∙м;

,Н∙м.

,Н∙м.

7.6. Частоты вращения и токи определяем по характеристике M =ƒ (S ) и I =ƒ (S ) на основной частоте вращения

ω ₁ = 149 рад/с; ω ₃ = 141,6 рад/с; ω _4нач = 144,3рад/с; ω _4кон = 152,1 рад/с;

I ₁ = 18,76А; I ₃ = 37А; I _4нач = 24,2А; I _4кон = 13,6А;

7.7. Время подъёма якоря на отдельных стадиях:

, мин

, мин

t ₃ = стоянка двигателя под током (0,5…1) мин. при (30…60) с.

Так как отрыв якоря от грунта осуществляется обычно на тихоходной обмотке, то нужно при проектировании учитывать это обстоятельство.

,

– общее время подъёма в с.

7.8 Строится нагрузочная диаграмма и тахограмма. (см. приложение 3).

7.9 Среднеквадратичный ток двигателя

Токи I ₁ ; I ₃ ; I _4нач ; I _4кон, определяются по электромеханической характеристике, построенной для выбранного двигателя.

I_ср.кв ≤ I_ном

_{24,1 < 24,5}

I_доп ≥ I_ср.кв

где I _доп = I _ном ∙ – допустимый ток, А.

10. Разработка схемы управления.

При разработке схемы управления следует руководствоваться следующими соображениями:

– при местном управлении и мощности электродвигателя до (10…15) кВт целесообразно применять контроллерную систему управления (контроллеры серий КВ 1000 и КВ 2000), – см. приложение 11, табл.1 и 2.

– при дистанционном управлении, что имеет место очень редкое применение, и при мощности более (10…15) кВт следует применять контакторную систему управления (магнитные контроллеры постоянного тока типа БП и ВП и переменного тока типа БТ и ВТ).

Выбор аппаратуры управления должен производиться по номинальному току с учётом возможной перегрузки и термической устойчивости.

Коммутационная аппаратура силовых цепей должна отвечать следующим условиям:

1) для якорно-швартовных механизмов ток при нагрузке в якорной цепи равной 35·m d ² , Н не должен быть выше номинального тока аппарата, работающего в длительном режиме. Для определения выполнения этого требования необходимо определить усилие в цепи якоря , Н и момент на валу двигателя , Н.

Затем по построенной электромеханической характеристике при частоте вращения соответствующей M _дв определить ток двигателя;

2) пусковой ток двигателя при работе на характеристике, обеспечивающей отрыв якоря от грунта не должен быть выше 80% расчетного тока включения аппарата. Номинальный ток аппарата в режиме 30-минут при работе на той же характеристике не должен быть ниже 130% номинального тока обмоток электродвигателя в режиме 30-минут;

3) контакты аппарата переменного тока должны допускать протекание тока перегрузки в течение времени

,

где I _{н 60} – номинальный ток аппарата длительного режима, А;

I _ст – ток стоянки двигателя, А;

t _ст – время стоянки двигателя под током, с.

Для якорно-швартовного механизма t _ст = (30…60) с.

Для защиты обмоток короткозамкнутого асинхронного двигателя от перегрузок применяют тепловые реле типа ТРТ и другие подобные им.

При выборе тепловых реле следует учитывать, что эти реле:

– не должны срабатывать при токе I _нср = 1,1∙I _н двигателя, что гарантирует не срабатывание его при повышении напряжения до 110% номинального;

– должны срабатывать при токе I _ср = (1,3…1,4)∙ I _н в течение (10…30) мин;

– должны в нагретом состоянии обеспечить подряд два пуска I _п двигателя без срабатывания;

– должны отключать двигатель при стоянки под током I _ст в течение (8…12) с. с холодного состояния.

Эти требования необходимо проверить по ампер-секундной характеристике, теплового реле. (см. приложение 12).

Для защиты двигателей постоянного тока применяют реле типа РЭМ 651 и РЭМ 65, катушки, которых включают последовательно с обмоткой якоря двигателя.

Шкала номинальных токов реле РЭМ 651: 2,5; 5; 10; 25; 50; 100; 150; 300 и 600 А, а реле РЭМ65: 2,5; 5; 10; 15; 50 и 100 А.

В качестве реле напряжения для контроля величины напряжения можно применять реле РЭМ 232, которое отключается при снижении напряжения на катушке до 40% от напряжения срабатывания. Последнее может регулироваться в пределах (60…85)%.

Для контроля наличия напряжения применяются нулевые реле, которыми могут служить то же реле РЭМ 232 (его модификация) с регулировкой на напряжение отключения в пределах (0,08…0,3)∙U _кат ,

где U _кат – номинальное напряжение катушки, В.

По требованиям правил Российского Речного Регистра один из якорей должен быть оборудован дистанционной отдачей, из рулевой рубки и устройством замера длины вытравленной цепи. Обычно дистанционной отдачей оборудуется правый якорь.

Дистанционная отдача выполняется открытием ленточного тормоза звёздочки, для чего к приводу тормоза пристраивается пневматический или гидравлический цилиндр. При подаче в цилиндр воздуха (масла) плунжер перемещается и открывает тормоз, благодаря чему звёздочка освобождается и под весом якоря вращается в сторону “травить”. Кроме пневматических и гидравлических находят применение электромагнитные и электродвигательные системы управления тормозом, хотя как показала практика, они менее надёжны и применяются в основном на маломощных якорно-швартовных механизмах. Иногда находит применение дистанционная отдача обоих якорей.

Дистанционный замер длины вытравленной части якорной цепи осуществляют на основе сельсинной или потенциометрической связи, а также с применением электронных схем.

После разработки схемы следует составить краткую инструкцию по эксплуатации и техническому обслуживанию электропривода с приведением характерных неисправностей и методов их устранения, а также мер, направленных на безопасность обслуживания.

ОПИСАНИЕ СХЕМЫ.

На переменном токе в электроприводах брашпилей широко используются двух скоростные двигатели с контроллерным и контакторным пуском. На рисунке изображена принципиальная схема контроллерного управления эл. привода брашпиля с двухскоростным асинхронным двигателем.

Основные элементы схемы: двухскоростной эл. двигатель с кз ротором, кулачковый контроллер на два положения в обе стороны, линейный контактор КЛ, тепловые реле РТ1, РТ2, РТ3, и РТ4, электромагнитный тормоз ТМ, сигнальная лампа ЛБ, аварийная кнопка АК, выключатель ВК.

Схема работает следующим образом. При повороте пакетного выключателя получает питание катушка линейного контактора КЛ , контактор замыкает главные контакты КЛ в цепи статора двигателя и блок – контакт КЛ , шунтирующий контакт К1 контроллера. Схема подготовлена к пуску. Загорается сигнальная лампа ЛБ.

При повороте рукоятки контроллера в положение 1, например выбирать, размыкаются контакты К 2, К 5, К 6,К 7. К 8 контроллера. Двигатель подключается к сети и начинает вращаться в режиме выбирать с малой скоростью. В положении 2 рукоятки останутся замкнутыми контакты К 9, К 10, К 11 контроллера. В результате произойдет переключение фаз статорной обмотки со схемы малой скорости на схему большой скорости. Для перемены направления вращения двигателя и перехода на режим травить рукоятка контроллера поворачивается в обратном по отношению к нулевому положению направлении . В этом случае вместо контактов К 2 и К 5 замкнутся контакты К 3 и К4.Произойдет переключение фаз ( фазы А на фазу С , фазы С на фазу А ), и двигатель изменит направление вращения. Переключение скоростей производится в описанном – в положении 1 рукоятки контроллера замкнутся контакты К6, К7, К8 и обмотка статора будет включена по схеме малой скорости , в положении 2 рукоятки контроллера замкнутся контакты К9, К10, К11, и фазы обмотки статора будут включены по схеме большой скорости.

В схеме предусмотрена защита от перегрузок с помощью тепловых реле и нулевая защита ( от повторного включения ) посредством линейного контактора.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Вешеневский С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе. М. Энергия 1977 432с.

2.Витюк К.Т. и др. Судовые электроустановки и их автоматизация. М. Транспорт. 1977 486с.

3.ГОСТ 2.722-68; 723-68; (727-68…730-68); 732-68; 742-68; 750-68; 751-68;

755-68; 756-68 – условные обозначения

ГОСТ 761-61 – якоря

ГОСТ 228-79 – пробная нагрузка на якорные цепи

ГОСТ 3083-88 и 30055-93 – канаты

ГОСТ 6345-65 – пробные усилия

ГОСТ 5875-77 – механизмы якорно-швартовные.

ГОСТ 9891-66 – шпили швартовные.

4.Качаловский М.С. Теория и устройство судов. М. Транспорт 1968 198с.

5.Краковский И.И. Судовые вспомогательные механизмы. М. Транспорт. 1972 380с.

6.Константинов. Системы и устройства судов. Л. Судостроение. 1972 352с.

7.Кузьменков О.П. и др. Методическое пособие по курсовому проектированию Н. 1993 66с.

8.Лесюков В.А. Теория и устройство судов внутреннего плавания. М. Транспорт. 1974 320с.

9.Справочник судового электротехника, том2. Судовое электро -оборудование под редакцией Г.И. Китаенко. Л. Судостроение 1980 528с.

10. Судовые электроприводы. Справочник т.т.1,2 Л. Судостроение 1983

11. ЧекуновК.А. Судовые электроприводы и электродвижение судов. Л. Судостроение 1969 462с.

12. Шмаков М.Г. Рулевые устройства судов. М. Транспорт. 1977 280с.