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.

2. Характеристики якорного снабжения

Характеристика якорного снабжения для всех судов определяется по формуле:

где =2357,5 т — весовое водоизмещение судна при осадке по летнюю грузовую марку;

В=7 м — ширина судна наибольшая;

=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 3^ей 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.

3. 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:

R_зв — расчетный радиус якорной звездочки;

=36 — угол звездочки.

где

i = 150 — передаточное число механизма брашпиля;

_пер=0,8 — номинальный КПД механизма передачи;

f_К=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.

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:

По полученным значениям строим механическую характеристику АД.

5. Построение нагрузочной диаграммы

Когда судно стоит на якоре на него действуют: сила ветра F_В, сила течения F_Т. 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 F_ВТ.

Для определения равнодействующей силы рассчитываем каждую из тормозящих сил отдельно.

Сопротивление потока воды подтягиванию судна:

где К_К=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;

V_в=V_теч+V_c=1,8+0,2=2 — скорость набегания воды на судно при съемке с якоря, м/с;

=0,0110^-4 м²/с — кинематический коэффициент вязкости морской воды;

_f=110^-3 — надбавка к коэффициенту трения, учитывающая шероховатость судна.

S_см — 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 К_В.=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 2730 к диаметральной, плоскости судна. В расчетах следует учитывать встречный ветер, что соответствует обычным условиям съемки судна о якоря;

V_вет=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 F_Т:

F_ВИНТ=25% F_Т=0,258,16=2,04 Н Равнодействующая сила сопротивления подтягивания судна к месту залегания якоря:

F= F_Т+ F_В+ F_ВИНТ=8,16+1800+2,04=1810,2 Н Введем следующие обозначения участков цепи, выбираемой при съемке судна с якоря:

L_ц=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;

=7,8 — плотность якорной стали, т/м³.

Длина лежащей на грунте цепи:

L₁=L₀-L_св=168,75−85,32=83,43 м

6. 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, G_ц.

Тяговое усилие у клюза при отрыве якоря от грунта:

где G_я — вес якоря, Н.

Тяговое усилие у клюза на второй стадии принимается линейно возрастающим от F₁ до F₃.

Тяговое усилие на клюзе после отрыва якоря от грунта — 4 стадия:

7. Расчет моментов сопротивления на валу двигателя

Момент сопротивления при подтягивании судна к якорю:

где _кл=0,75 — КПД клюза;

_пер=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:

F_ав.кон = G_я = 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 M₁M₄, находим по кривым величину скорости n₁n₄:

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).

9. 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 М_Н>М_ЭКВ; 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:

10. Проверка двигателя на максимальную скорость при отдаче якоря

При постановке судна на якорь при значительных глубинах и неизученном дне, стоянку производят с помощью электропривода.

В начале, когда двигатель включают, на спуск, он работает в режиме силового спуска. Это продолжается до тех пор, пока момент, создаваемый якорем и вытравленной цепью, не оказывается больше момента сил трения во всех звеньях якорно-швартового устройства. После этого двигатель переходит в генераторный режим и по мере увеличения участка вытравленной цепи разгоняется до более высоких скоростей.

Максимальное тяговое усилие у клюза, вызывающее ускорение у двигателя:

Этому усилию будет соответствовать момент на валу двигателя:

где

_кл' - КПД клюза при спуске якоря;

_пер' - КПД передаточного механизма при спуске якоря.

Значению момента М_сп соответствует скорость, определяемая из тормозной характеристики двигателя.