Повышение эффективности работы энергетических установок плавучих кранов за счет применения гидротрансформаторов в механизме подъема

В настоящее время из-за истощения запасов строительных минералов на суше увеличивается их добыча со дна водоемов (озера, карьеры, реки). Так, при общемировом запасе под водой песка, оцениваемого триллионами тонн, каждый год его добывается около 1 миллиарда тонн, и большая часть находится в состоянии, пригодном для использования в строительстве. Одни из самых богатейших залежей жизненных ресурсов в мире, ещё до недавнего времени мало используемых человеком, скрыты в недрах Мирового океана и прежде всего в его шельфовых зонах.

Подводная добыча является более экономичной по сравнению с наземной, за счет исключения из процесса добычи буровзрывных и дробильных работ, нет необходимости в строительстве отвалов и хвостохранилищь, не нужны подъездные пути, сами месторождения могут быть более мощными, обеспечивающими высокую производительность и быструю окупаемость затрат. Опыт подводной добычи песков показал, что себестоимость песка в 4−6 раз ниже, чем освоение месторождений ископаемых на суше [31, 32].

Главное отличие подводной добычи состоит том, что работы ведутся при сложном гидродинамическом воздействии течений, волнений, влиянии ветровых явлений, более сложного влияния климатических условий.

Для подводной добычи используются различные установки. Такие как грейферные драги, работающие в условиях открытого моря при волнении до 2.5 м и на глубине до 76 м. Многочерпаковые снаряды при строительстве и добыче полезных ископаемых в шельфовых зонах с глубиной до 50 м. Наиболее мощные и высокопроизводительные многочерпаковые снаряды оборудуются обогатительными установками, поэтому их часто называют драгами. Землесос — установка, оборудованная грунтовым насосом для транспортировки гидросмеси по напорным трубопроводам. Подводные земснаряды, осуществляющие выемку породы за счет использования гидростатического давления среды в районе забоя.

Широко применяются многочерпаковые снаряды при строительстве и добыче полезных ископаемых в шельфовых зонах с глубиной до 50 м.

Наиболее распространенными установками для подводной добычи нерудных строительных материалов на внутренних водных путях Российской Федерации являются земснаряды и плавучие краны.

Плавучий кран может работать по прямому варианту работ: «плавучий кран — судно», и по созданию открытого штабеля — «плавучий кран — берег». Кроме этого, может использоваться для разгрузки барж как на причал так и на различные перегрузочные средства, то есть является универсальной перегрузочной машиной циклического действия [85, 90].

При подводной добыче плавучими кранами, в качестве грузозахватного органа используется грейфер. Механизм подъема и зачерпывания грейфера плавучего крана не отличается от механизма подъема портального крана, на котором при перегрузке сыпучих материалов так же в качестве грузозахватного органа используется грейфер. Однако, при работе грейфера в водонасыщенном материале под водой, при его зачерпывании и подъеме возникают дополнительные гидростатические силы: «присоса», фильтрации, гидростатики и вязкостного течения материала, зависящие от скорости зачерпывания материала и отрыва грейфера, что приводит к нагрузкам в канатах механизма подъема и металлоконструкции крана. Этот эффект возникает в краткий промежуток времени и может превышать на 30% допускаемые нагрузки на кран и является «пиковым» [55].

В настоящее время 90% плавучих кранов имеют срок эксплуатации от 20 лет и более, что делает проблематичным их использование при подводной добыче, так как металлоконструкции изношены и не рассчитаны на подобные нагрузки.

Кроме того, пиковые нагрузки в механизме подъема отрицательно сказываются на работе энергетической установки, являющейся источником энергии на грейферных плавучих кранах. На плавучих кранах используются высокооборотные и среднеоборотные дизели с газотурбинным наддувом и без него. Известно, что отклонение частоты вращения вала дизельгенератора вызывают снижение к.п.д. асинхронных двигателей, увеличение потерь мощности и вытекающий отсюда перерасход топлива дизелем, снижение скоростей. Переходные процессы в генераторе и дизеле имеют колебательный характер.

Таким образом, пиковые нагрузки ведут к работе дизеля на низких оборотах, что ведет к снижению крутящего момента, повышенному потреблению топлива, неполному сгоранию топлива и общему износу шатунно-поршневой группы. В последствии, продолжительная эксплуатация энергетической установки в нестабильном режиме: с периодическим падением частоты, мощности и крутящего момента приводит к незапланированному дорогостоящему капитальному ремонту.

Пиковые нагрузки возникают из-за физических процессов, происходящих при зачерпывании водонасыщенного материала под водой. Фильтрация воды через поры материала, при его сжатии, в момент схождения челюстей грейфера, поступление воды под днище грейфера для компенсации «присоса» грейфера из-за гидростатического давления столба жидкости [1].

Уменьшение пиковых нагрузок за счет снижения скоростей зачерпывания и подъема осуществляет крановщик, путем кратковременного включения и выключения лебедок. Эффективность такой работы зависит от квалификации крановщика, зачастую приводит к снижению производительности, поперечному кренению крана, возникновению пиковых нагрузок, особенно осложняет работу в ночное время.

Предпринимались попытки устанавливать в приводе механизма подъема дифференциальные редукторы с двумя скоростями вращения выходного вала, то есть своеобразную коробку передач. Такое решение не является оптимальным с точки зрения автоматического управления и гладкого регулирования скоростей лебедок. Решение проблемы заключается в установке между двигателем и редуктором лебедок механизма подъема гидротрансформаторов, соответствующих мощностям лебедок. Надежность их подтверждается длительной эксплуатацией в приводах тракторов, бульдозеров и локомотивов.

Гидротрансформаторы позволяют автоматически регулировать скорость подъема и замыкания грейфера, путем создания обратной связи между нагрузкой на канатах и скоростями зачерпывания и подъема грейфера. Позволяют плавно изменять передаточное отношение от двигателя к редуктору в 3,5 раза в строну увеличения и соответственно увеличивая крутящий момент на валу редуктора и кроме того, является средством, предохраняющим привод от любых перегрузок, так как передача крутящего момента в нем осуществляется через жидкость, а не через жесткую кинематическую связь. Так же отпадает необходимость в ограничителе грузоподъемности в механизме подъема крана, требующего обслуживания и регулирования.

Как показали исследования [7], несмотря на некоторое снижение к.п.д. привода, вследствие возникновения дополнительных потерь в самом гидротрансформаторе, он обеспечивает рост производительности при приемлемой его экономичности. Установлено так же, что благодаря высоким защитным свойствам надежность электродвигателя повышается в 1,4−1,5 раза, а долговечность редуктора и элементов механической передачи в 2,0 раза [86, 88].

Таким образом, установка гидротрансформатора в механизм подъема плавучего крана позволяет автоматически регулировать скорость зачерпывания в зависимости от сил сопротивления зачерпыванию. Это позволяет энергетической установке плавучего крана (дизеля) работать без пиковых нагрузок.

Цель работы.

Повысить эффективность работы энергетической установки плавучего крана за счет установки гидротрансформатора в приводе механизма подъема для автоматического регулирования нагружения дизеля.

Для достижения поставленных целей необходимо решить задачи исследований:

1. Усовершенствовать методику расчета сил сопротивления зачерпыванию, возникающих при зачерпывании водонасыщенного материала грейфером с учетом фильтрационных процессов и явления «присоса»;

2. Определить причины возникновения пиковых нагрузок при работе плавучего крана и методы их исключения;

3. Разработать методику подбора гидротрансформаторов для приводов плавучих кранов, работающих при подводной добыче;

4. Экспериментально определить усилия сопротивлению зачерпывания грейфером под водой груза при наличии в приводе гидротрансформатора и сравнить с теоретическими значениями;

5. Определить эффективность воздействия механизма подъема с гидротрансформатором на работу энергетической установки плавучего крана за счет автоматического регулирования скорости зачерпывания материала под водой.

Объектом исследования являются элементы судовых энергетических установок, кранового оборудования плавучих кранов и систем взаимодействия, подвергающиеся пиковым нагрузкам при подводной добыче водонасыщенного материала.

Предметом исследования являются процессы, происходящие при подводном зачерпывании водонасыщенного материала грейфером, их влияние на работу энергетической установки плавучего крана.

Научная новизна работы заключается в:

1. Усовершенствовании методики расчета моментов сопротивления от сил, возникающих при зачерпывании водонасыщенного материала грейфером под водой с учетом фильтрационных процессов при деформировании материала и влияния гидростатического давления.

2. Разработке методики подбора гидротрансформатора в механизме подъема плавучего крана для устранения пиковых нагрузок при подводной добыче.

3. Определении эффективности работы энергетической установки плавучего крана с гидротрансформатором в приводе механизма подъема.

Новизна технических решений защищена патентом Российской Федерации.

Практическая ценность диссертации.

1. Создан привод механизма подъема, автоматически регулирующий скорость зачерпывания грейфера в зависимости от нагрузки в канатах.

2. Разработаны технологические рекомендации по увеличению эффективности работы энергетических установок плавучих кранов.

3. Результаты исследований используются в учебном процессе по дисциплинам «Специальное перегрузочное оборудование терминалов» и «Грузоподъемные машины и машины безрельсового транспорта».

4. Разработанные рекомендации и результаты исследований внедрены отделом по обслуживанию перегрузочного оборудования ОАО «Нижегородский порт» при эксплуатации плавучего крана КПЛ 5−30, № 2041 (приложение 4).

Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных результатов подтверждена натурными экспериментальными исследованиями автора. Обработка результатов экспериментальных исследований выполнена с применением пакетов прикладных программ на базе ЭВМ.

Личный вклад автора. Автором сформулированы цели и задачи исследованийусовершенствована методика расчета сил сопротивления зачерпыванию водонасыщенного материала грейферомразработана методика подбора и расчета гидротрансформаторов для механизма подъема плавучих крановобобщены и обработаны результаты натурных экспериментальных исследованийвыполнен анализ влияния гидротрансформатора в механизме подъема на эффективность работы энергетической установки.

Апробация работы.

Основные положения и результат работы докладывались на научно-методической конференции ВГАВТ «Транспорт — XXI век» (Н.Новгород, 2007 г.), втором всероссийском конкурсе инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых Российской Федерации «Обеспечение промышленной и экологической безопасности на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах» (Уфа, 2008 г.), конкурсе молодежных инновационных команд РОСТ (Н.Новгород, 2009 г.), международном научно-промышленном форуме «Великие реки 2010» (Н.Новгород, 2010 г.), V международной научно-технической конференции молодых специалистов, аспирантов и студентов (Пенза, 2011 г.), X всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2011 (работа отмечена золотой медалью «За успехи в научно-техническом творчестве»), Международной научно-технической конференции «ИНТЕРСТРОЙМЕХ-2011» (Беларусь, г. Могилев, 2011 г.), Всероссийском молодежном форуме «Селигер — 2010», «Селигер — 2011», Победитель в Молодежном научно-исследовательском конкурсе «У.М.Н.И.К."-2009, «У.М.Н.И.К.-Н.Н.-2011».

Публикации.

Научные результаты опубликованы в 13 печатных работах, в числе которых один патент РФ и 3 работы в изданиях рецензируемых ВАК РФ.

Структура и объем работы.

Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение и выводы, 4 приложения, 49 рисунков, 18 таблиц, изложена на 150 страницах, список.

4.3 Выводы по результатам экспериментальных исследований.

1. Гидротрансформатор в приводе механизма подъема автоматически при увеличении сопротивления зачерпыванию уменьшает скорость навивки каната в пределах диапазона, определенного теоретическими расчетами.

2. Нагрузка энергетической установки за цикл значительно ниже ее номинальной мощности и составляет 20−30%.

3. Постоянное автоматическое регулирование скорости зачерпывания и отрыва грейфера позволяет применять на плавучем кране энергетическую установку меньшей мощности, что позволяет осуществить комплексную модернизацию плавучего крана.

На основании проведенных исследований разработаны технологические рекомендации увеличению эффективности работы энергетических установок плавучих кранов:

— для грейферных плавучих кранов использовать привод, включающий в себя гидротрансформатор, защищенный патентом РФ № 91 999, позволяющий автоматически регулировать скорость подъема и зачерпывания грейферапри подводном зачерпывании водонасыщенного материала грейфером скорость навивки каната должна соответствовать полученным диапазонам скоростей, применительно для каждого проекта крана;

— при осуществлении подводной добычи, с учетом внедрения разработанного привода, использовать энергетическую установку меньшей мощности.

Заключение

.

Основными результатами выполненных в диссертации исследований являются следующие положения:

1. Усовершенствована методика расчета моментов сопротивления от сил, возникающих при зачерпывании водонасыщенного материала грейфером с учетом фильтрационных процессов и явления «присоса».

2. Определена зависимость возникновения пиковых нагрузок в механизме подъема плавучего крана от скорости деформации материала и фильтрации жидкости в водонасыщенном материале при его зачерпывании.

3. Получены теоретические значения скоростей деформирования водонасыщенного материала, позволяющие осуществлять подводное зачерпывание без возникновения пиковых нагрузок в приводе механизма подъема и энергетической установки.

4. Конструктивно рассчитаны технические характеристики гидротрансформатора, позволяющие автоматически регулировать скорости подъема и зачерпывания грейфером, а также работать гидропередаче в режиме предохранительной муфты.

5. Разработана методика расчета и подбора гидротрансформаторов для приводов плавучих кранов, работающих при подводной добыче и экспериментально доказана эффективность их применения.

6. Проведены экспериментальные исследования, в ходе которых определены усилия при зачерпывании грейфером под водой водонасыщенного материала при наличии в приводе гидротрансформатора, полученные результаты сопоставлены с теоретическими значениями, погрешность составляет 15%.

7. Эффективность применения гидротрансформатора в механизме подъема плавучего крана КПЛ 5−30 заключается в уменьшении усилия зачерпывания грунта на 30%, что позволяет применить энергетическую установку меньшей мощности.

Конструкция привода защищена патентом на полезную модель РФ № 91 999.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1 Яблоков, A.C. Передвижной комплекс для очистки водоемов / A.C. Слюсарев, A.C. Яблоков. — Материалы научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов «ТРАНСПОРТ-XXI ВЕК». — Н. Новгород, 2007, С. 235 -236.

2 Яблоков, A.C. Передвижной комплекс для очистки малых водоемов и рек / A.C. Слюсарев, A.C. Яблоков / Вестник Волжской гос. академии водн. трансп. «Надежность и ресурс в машиностроении». — 2008. — вып. 25.-С. 104−107.

3 Яблоков, A.C. Увеличение надежности электроприводов лебедок зачерпывания и подъема грейферных кранов / A.C. Яблоков. — Сборник научных трудов второго всероссийского конкурса инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых российской федерации «Обеспечение промышленной и экологической безопасности на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах». — Уфа, 2009, — С. 89.

4 Яблоков, A.C. Модернизация механизма подъема плавучего крана / A.C. Яблоков. — Материалы конкурса молодежных инновационных команд РОСТ. — Н. Новгород, 2009, — С. 51 — 53.

5 Яблоков, A.C. Требования к характеристикам и конструкции гидротрансформаторов в приводах механизмов подъемов плавучих кранов, работающих под водой / A.C. Слюсарев, A.C. Яблоков. — Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева / НГТУ им. P.E. Алексеева. — 2010. — вып. 1(80). — С. 139 -143.

6 Яблоков, A.C. Механизм подъема и зачерпывания для плавучего крана / A.C. Яблоков. — Тезисы докладов X Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи НТТМ. — Москва, 2010, — С. 76.

7 Яблоков, A.C. Требования к характеристикам и конструкции гидротрансформаторов в приводах механизмов подъемов кранов, работающих под водой / A.C. Слюсарев, A.C. Яблоков. — Вестник Волжской гос. Академии водн. Трансп. Том 2. — 2010. — вып. 27. — С. 244−248.

8 Яблоков, A.C. Метод повышения ресурса и надежности плавучих кранов, работающих при подводной добыче, отработавших нормативный срок эксплуатации / A.C. Слюсарев, A.C. Яблоков. -Материалы II межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России» 12−13 мая 2011 года. — СПб., 2011, С. 61−65.

9 Яблоков, A.C. Создание математической модели процесса зачерпывания водонасыщенного материала грейфером / A.C. Слюсарев, A.C. Яблоков. — Сборник статей V Международной научно-технической конференции молодых специалистов, аспирантов и студентов «Математическое и компьютерное моделирование естественнонаучных и социальных проблем». — Пенза, 2011, С. 239 -242.

10 Патент на полезную модель № 91 999 Россия. Механизм подъема плавучего крана / A.C. Яблоков, A.C. Слюсаревзаявлено 26.10.2009; опубл. 10.03.2010 Бюл № 7.

Публикации по теме диссертации в изданиях рецензируемых ВАК:

1 Яблоков, A.C. Гидротрансформаторы в приводах механизмов подъема грейферных кранов / A.C. Слюсарев, Н. С. Отделкин, A.C. Яблоков // Подъемно-транспортное дело. — 2010. — № 5−6. — С. 18−20.

2 Яблоков, A.C. Применение гидротрансформаторов в приводе механизма подъема грейферных плавучих кранов / A.C. Слюсарев, A.C. Яблоков // Эксплуатация морского транспорта. — 2011. — № 2. — С. 63−67.

3 Яблоков, A.C. Определение величины момента сопротивления и необходимой мощности привода при подводном зачерпывании водонасыщенного материала грейфером / A.C. Слюсарев, A.C. Яблоков // Эксплуатация морского транспорта. — 2011. — № 4(66). — С. 18−22.