2.3. Электроприводы якорно-швартовных механизмов

Якорно-швартовные механизмы делятся на две основные группы:

1) якорно-швартовные и якорные шпили, имеющие вертикальное расположение грузового вала и одну звездочку;

2) брашпили, имеющие горизонтальное расположение грузового вала и две звездочки.

Якорно-швартовные шпили подразделяются:

1) по скорости выбирания якорной цепи – на нормальные и с повышенной скоростью;

2) по конструктивным признакам – на однопалубные (цепная звездочка, механизм и двигатель размещены на одной палубе) и двухпалубные (цепная звездочка и швартовный барабан размещены на одной палубе, механизм и двигатель – на другой); двухпалубные якорно-швартовные шпили могут быть одинарными (с индивидуальным приводом) и соединенными, связанными общим редуктором.

Якорные шпили обычно выполняются соединенными. Калибр их цепей бывает выше 72 мм.

Брашпили по скорости и конструкции подразделяются на нормальные и облегченные. Первые используются на судах морского флота, вторые – на судах речного и озерного флота, где применяются короткие цепи.

2.3.1. Назначение и особенности работы

Якорно-швартовное устройство является одним из наиболее важных судовых устройств, обеспечивающих безопасность эксплуатации судна. Шпилевые и брашпильные устройства предназначены для выбирания и спуска якорей, для выполнения швартовных и других операций. Работа каждого шпилевого и брашпильного электропривода определяется величиной тягового усилия, скоростью выбирания якорной цепи или швартовного троса, длительностью рабочего периода.

С помощью якорно-швартовных механизмов выполняются следующие основные операции:

– отдача якоря (посредством электропривода, свободным травлением и свободным травлением с подтормаживанием тормозом звездочки);

– стоянка на якоре на тормозе цепной звездочки;

– съемка с якоря – подтягивание судна к якорю, отрыв и подъем якоря, втягивание якоря в клюз;

– одновременный подъем двух якорей (только для брашпилей) с половины расчетной глубины стоянки при неодновременном их отрыве от грунта;

– обеспечение швартовки судна при отжимном ветре 5 баллов.

Характерными особенностями электроприводов якорно-швартовных механизмов являются:

– кратковременный режим работы (20–40 мин); стандартная продолжительность одного цикла принята равной 30 мин;

– широкое изменение нагрузки на валу электродвигателя (30–200% номинальной);

– возможность стоянки двигателя под током (0,5–1,0 мин);

– частые пуски электродвигателя (до 120 пусков и торможений в течение часа) и возможные реверсы;

– суммарная продолжительность включения двигателя швартовного механизма за сутки 40–50 мин;

– необходимость саморегулирования частоты вращения электродвигателя при изменении момента сопротивления на его валу.

2.3.2. Требования к электроприводам якорно-швартовных механизмов

К электроприводам якорно-швартовных механизмов предъявляются следующие требования:

– возможность их использования при заданных условиях погоды и моря;

– надежность и безотказность в работе, в частности при колебаниях параметров питающей сети, установленных соответствующими правилами и нормами;

– возможность пуска в ход под полной нагрузкой;

– поддержание необходимого тягового усилия при малых скоростях выбирания цепи или троса вплоть до полной остановки;

– соразмерность максимального усилия тяги, развиваемого исполнительным электродвигателем, с прочностью цепи или троса;

– получение нормированных скоростей подъема якоря после отрыва от грунта, выбирания швартов и втягивания якоря в клюз;

– способность удержания якоря на весу в случае потери питания электроэнергией;

– обеспечение безопасного спуска якоря на заданную глубину;

– небольшие масса, габариты и стоимость установки;

– удобство и простота управления и обслуживания.

Все якорно-швартовные механизмы обычно выпускаются с электрооборудованием морского исполнения переменного тока 380 и 220 В частотой 50 Гц и постоянного тока 220 В.

Электродвигатели, командоконтроллеры, кулачковые контроллеры и другие элементы электрооборудования, устанавливаемые на палубе, должны быть водозащищенного исполнения; магнитные контроллеры, устанавливаемые в помещениях, должны быть брызгозащищенного исполнения.

Якорно-швартовные механизмы должны допускать возможность оборудования их устройствами для дистанционной (с мостика) отдачи якоря. Они также должны быть снабжены счетчиками длины вытравленной якорной цепи, допускающими установку дистанционных репитеров.

Якорно-швартовные механизмы оборудуются автоматическим тормозом на валу электродвигателя с устройством для ручного растормаживания. Тормоз предназначен для удерживания механизма от разворота при действии в цепи на звездочке (соединенной с приводом) статического усилия извне, величина которого составляет не менее 1,3–2,0 номинального. Для швартовных шпилей это усилие составляет 1,5 номинального тягового усилия шпиля.

2.3.3. Типы электроприводов якорно-швартовных механизмов

Для якорно-швартовных механизмов рекомендуются три основные группы электроприводов:

1) с двигателями постоянного тока, питающимися от сети;

2) с двигателями переменного тока, питающимися от сети;

3) с двигателями постоянного тока, питающимися от автономных преобразователей – электромашинных (системы Г – Д) или статических.

Для двух первых групп применяются силовые кулачковые контроллеры или магнитные контроллеры с дистанционным управлением. Группа электроприводов по системе Г – Д имеет обычно дистанционное управление.

Все три группы электроприводов могут иметь один или два приводных электродвигателя. Приводы с двумя электродвигателями применяются только для крупных якорных и якорно-швартовных механизмов с калибром цепи свыше 62 мм.

На постоянном токе используются двигатели смешанного возбуждения серии ДПМ, характеристики которых специально подобраны исходя из требований, предъявляемых к электроприводам палубных механизмов.

Из двигателей переменного тока преимущественно применяются короткозамкнутые асинхронные двигатели. Для нормальных якорно-швартовных шпилей с калибром цепи до 28 мм, всех облегченных механизмов и швартовных шпилей с тяговым усилием до 3000 кгс рекомендуются двухскоростные двигатели; для всех остальных механизмов целесообразно использование трехскоростных двигателей. В отечественной серии МАП предусмотрены двухскоростные двигатели на мощность 2–10 кВт и трехскоростные – на мощность 10–60 кВт.

На рис. 2.3 дана схема управления переменного тока для якорно-швартовных механизмов мощностью от 10 до 25 кВт с помощью кулачкового контроллера. Приводной двигатель трехскоростной, причем основной частотой вращения является средняя, на ней производится выбирание якорной цепи с номинальной нагрузкой и отрыв якоря от грунта. Высшая скорость используется для выбирания свободных швартовных канатов, а низшая – для втягивания якоря в клюз и для безопасного подтягивания судна к причалу.

Переключение группы обмоток малой и средней частоты вращения и обмотки большой частоты вращения осуществляется контактором КМ1.

Рис. 2.3. Схема электропривода переменного тока

при управлении с помощью кулачкового контроллера

Работа на большой скорости ограничивается сравнительно небольшими нагрузками. Чтобы не допустить перегрузки, в схеме предусмотрено тепловое реле КК5, имеющее номинальный ток на одну ступень ниже тока обычной тепловой защиты. При срабатывании реле КК5 катушка контактора КМ1 размыкается и двигатель переключается с большей частоты вращения на среднюю.

Чтобы исключить звонковое включение обмотки большой скорости при перегрузке, катушка контактора КМ1 включается на промежуточном третьем положении, а на четвертом рабочем положении катушка питается через блок-контакты КМ1. Защита контроллера – типовая, с помощью автоматического выключателя QF1 и тепловых реле КК1 – КК4. При необходимости работы привода в условиях тепловой перегрузки двигателя контакты тепловых реле шунтируются кнопкой SB.

2.4. Электроприводы палубных грузовых механизмов

Судовые грузоподъемные механизмы (лебедки и краны) по ряду общих признаков классифицируются следующим образом:

1) по характеру выполняемых операций они подразделяются на: а) грузовые лебедки и краны, предназначенные для переработки генеральных грузов, т.е. грузов, перевозимых в упаковке или таре, а также для переработки леса и сыпучих грузов; б) лебедки и краны, предназначенные для специализированных операций – шлюпочные, буксирные, траловые и т.д.

2) по передаточному механизму различаются лебедки и краны с механическим и гидравлическими передачами;

3) по системе управления лебедки и краны делятся на грузоподъемные механизмы с контроллерным и релейно-контакторным управлением электроприводом, а также с управлением по системе Г – Д или посредством магнитных усилителей и статических преобразователей;

4) по роду тока различаются грузоподъемные механизмы с электроприводом постоянного и переменного тока.

2.4.1. Требования, предъявляемые к электроприводам грузоподъемных устройств

Эксплуатационные показатели судов транспортного флота в значительной степени зависят от производительности грузовых операций, которая, в свою очередь, во многом зависит от характеристик и надежности работы судовых грузоподъемных механизмов.

К современным грузовым лебедкам и кранам предъявляется ряд требований как технического, так и эксплуатационно-экономического характера. Основными из них являются:

а) достаточно высокая производительность грузовых операций (до 50 ц/ч с номинальным грузом и до 70–80 ц/ч с половинным грузом);

б) необходимый диапазон изменения рабочих скоростей, достаточный для оперативной и безопасной работы с различными грузами;

в) высокая надежность электропривода, под которой понимается обеспечение безотказной работы в течение разгрузки (или погрузки) судна;

г) простота схемы и конструкции;

д) простота и удобство обслуживания, минимальный уход при эксплуатации;

е) минимальное отрицательное влияние пусковых токов и двигателя на судовую сеть;

ж) минимальные мощность электропривода и расход электроэнергии;

з) минимальная стоимость оборудования и площадь, необходимая для его размещения на судне.

В большинстве случаев высокая производительность, способствуя сокращению погрузочно-разгрузочных paбoт и продолжительности стоянки судна в портах, значительно улучшает экономические показатели эксплуатации всего судна в целом. Поэтому естественно, что требование высокой производительности во многих случаях является доминирующим. Высокой производительности грузовых операций добиваются тремя путями:

1) обеспечением достаточной скорости подъема. Обычно она колеблется в пределах 0,2–1,0 м/с (12–66 м/мин). Более высокие скорости для судовых устройств нерациональны вследствие малой высоты подъема грузов. Увеличение скорости подъема выше 50–60 м/мин перестает влиять на продолжительность всего цикла и не способствует увеличению производительности даже в том случае, если за счет увеличения мощности двигателей обеспечить достаточные ускорения, которые позволили выходить на максимальную скорость.

При погрузке судна проходимые грузом пути по мере заполнения трюма изменяются и достижение высоких скоростей становится все более затруднительным. За короткий путь перемещения груза по высоте исполнительный двигатель не успевает достигнуть полной скорости.

Для получения более гибкой системы управления наряду с максимальной скоростью судовые лебедки имеют несколько промежуточных скоростей. Особенно важно иметь устойчивые малые, так называемые установочные скорости подъема и спуска, а также ограничение выбегов при торможении. Значения устойчивых посадочных скоростей определяются из условия гарантии сохранности груза как эквивалентные скорости падения груза с некоторой высоты. В отечественной практике посадочные скорости обычно составляют 9–10 м/мин (эквивалентны скорости при высоте падения 1,0–1,1 мм), однако возможны посадочные скорости до 15 м/мин. Обычно судовые лебедки постоянного тока имеют не менее четырех положений скорости;

2) значительным увеличением диапазона регулирования скорости для обеспечения быстрого подъема и спуска холостого гака и малых грузов. При этом скорость подъема холостого гака допускается обычно несколько выше, а скорость спуска оставляется умеренной, так как слишком быстрый спуск холостого гака может привести к спутыванию троса на барабане лебедки;

3) сокращением продолжительности переходных процессов. Это достигается уменьшением моментов инерции движущихся частей механизма, ограничением скорости двигателя (обычно до 1000 об/мин). Увеличение пусковых моментов ограничивается допустимой кратностью пускового тока, имеющего обычно значения I_ПУСК = (2,0–2,5)I_Н.

Для обеспечения безопасности работы лебедочные и крановые двигатели снабжаются электромагнитными и механическими тормозами, допускающими ручное растормаживание, а для остановки в верхнем положении – концевыми выключателями.