Управление электроприводами якорно-швартовных устройств

Назначение и классификация. Якорно-швартовные устройства, предназначенные для выполнения операций по постановке судна на якорь, съемки с якоря, швартовки, различаются: по расположению основного вала — шпили и брашпили, по выполняемым операциям — якорные, швартовные и якорно-швартовные. Брашпили предназначены для якорных и швартовных операций, шпили могут быть якорными, швартовными и якорно-швартовными. Для швартовных операций часто устанавливают специальные швартовные лебедки. Электроприводы этих механизмов различают по системе электропривода (контроллерные, контакторные, Г-Д), по роду тока, по степени автоматизации (обычные и автоматизированные).

На рис. 1, а представлена кинематическая: схема шпиля. Вращение электродвигателя 1 через червячный редуктор 2 передается вертикальному валу, на верхнем конце которого укреплен швартовный барабан 3, имеющий ленточный тормоз и стопор. В электроприводе брашпиля (рис. 1, б) вращение двух исполнительных двигателей 1 через цилиндрический редуктор 3 передается валу с двумя швартовными барабанами 4, далее — через цилиндрическую пару — валу цепных звездочек 6. 

Каждая звездочка может разобщаться с валом с помощью кулачковых муфт 5 и стопориться ленточным тормозом 7. Валы электродвигателей снабжены колодочными электромагнитными тормозами 2. Передаточное отношение редуктора рычагом 8 можно изменять примерно в два раза, вводя в зацепление левую или правую цилиндрические пары.

Рис. 1. Кинематические схемы: а - шпиля; б - брашпиля

Требования к якорным и швартовным электроприводам

Якорные и швартовные электроприводы обеспечивают надежность и безопасность постановки и стоянки судна на якоре и швартовах, поэтому к ним предъявляют жесткие требования надежной работы в условиях возможных значительных перегрузок.

Электроприводы якорных устройств должны обеспечивать:

• выбирание в течение 30 мин без перерыва якорной цепи со скоростью не менее 10 м/мин при тяговом усилии F₁ на звездочке, определяемом по формуле: F₁ = 1,13(gh + G), где g—вес погонного метра цепи, Н/м; G — вес якоря, Н; h — условная глубина стоянки, которая принимается равной 1/3 полной длины цепи при калибре до 14 мм, 65 м — при калибре 15—17 мм, 80 м — при калибре 18—28 мм и 100 м при калибре более 28 мм;
• спуск одного якоря на условную глубину стоянки;
• скорость выбирания цепи при подходе якоря к клюзу не более 10 м/мин, рекомендуется не более 7 м/мин;
• одновременное выбирание двух свободно висящих якорей с половины условной глубины;
• достаточный (для создания на звездочке усилия 2 F₁) пусковой момент;
• возможность стоянки двигателя под током не менее 30 с после 30 мин работы при номинальной нагрузке, причем, двигатели постоянного тока и асинхронные с фазным ротором должны развивать момент стоянки не менее 2 М_н, превышение температуры после стоянки должно быть не более 130% допустимой.

Электроприводы швартовных устройств должны обеспечивать:

• непрерывное выбирание швартовного троса при номинальном тяговом усилии с номинальной скоростью в течение не менее 30 мин, причем, скорость выбирания троса, как правило, не должна превышать 18 м/мин;
• способность развивать усилия в тросе не менее удвоенного номинального в течение не менее 15 с;
• стоянку двигателя под током в течение не менее 15 с после 30 мин работы с номинальной нагрузкой, причем двигатели постоянного тока и асинхронные с фазным ротором должны развивать момент стоянки не менее 2 М_н, превышение температуры после стоянки должно быть не более 130% допустимого.

Электроприводы якорно-швартовных устройств должны быть оборудованы электромагнитными тормозами, обеспечивающими надежное торможение при отключении двигателя. Для якорных приводов тормозной момент должен обеспечивать надежное торможение при усилии на звездочке не менее 1,3 F₁,  а для швартовных— при усилии на швартовном барабане не менее 1,5 номинального. Оборудование якорно-швартовных устройств, устанавливаемое на открытой палубе, должно иметь палубное исполнение, допускающее заливание его водой во время волнения. Для выполнения операций с якорными цепями и при швартовке необходимо иметь возможность реверсирования и регулирования скорости выбирания и травления каната. Важно учитывать также простоту и удобство обслуживания, безотказность в работе, небольшие габариты и массу оборудования.

Режимы работы электроприводов якорно-швартовных устройств, которые нормируются для каждого транспортною судна, могут быть следующие: съемка судна с одного якоря при условной глубине стоянки (для судов среднего и большого тоннажа 100 м); съемка судна с двух якорей при половинной глубине (50 м); швартовный режим.

Для судов специального назначения могут предусматриваться и иные, в том числе более напряженные режимы, оговариваемые техническими условиями и учитываемые в процессе проектирования привода. Основным расчетным режимом для транспортных судов является режим съемки с одного якоря.

Рис. 2. Нагрузочная диаграмма электропривода брашпиля

Процесс съемки судна с якоря (рис. 2) включает 4 стадии: 

• I стадия — подтягивание судна к якорю при постоянном тяговом усилии. Форма провисающей части цепи считается неизменной, судно продвигается вперед со скоростью выбирания якорной цепи;
• II стадия — подтягивание судна к якорю при переменном тяговом усилии. Стадия начинается с подъемом последнего звена цепи с грунта и заканчивается положением судна «на канат» или «панер». Форма провисающей части цепи во II стадии изменяется, тяговое усилие возрастает до величины, необходимой для отрыва якоря;
• III стадия — отрыв якоря от грунта;
• IV стадия — свободный подъем якоря после его отрыва.

Сила натяжения якорной цепи у клюза в I стадии: T₁ = F + 0,87gh, где 0,87 — коэффициент, учитывающий уменьшение силы тяжести в воде; F = F_в + F_т — сумма сил сопротивления ветра и воды, действующих на корпус судна.

Сила ветрового сопротивления: F_в = k_вS_пv_в², где k_в=0,2Н*с²/м⁴ — удельная сила ветрового давления; S_п — площадь парусящей поверхности судна, м²; v_в — скорость ветра, м/с.

Сила сопротивления воды может быть определена по формуле: F_т = k_тS_смv_т1,83, где k_т = 1,4 (Hc^1,83) / м^3,83 — удельная сила трения воды о корпус; S_см — площадь смоченной поверхности, м²; v_т — скорость течения с учетом скорости движения судна, м/с.

Момент нагрузки на валу двигателя в I стадии:

где D_зв — диаметр начальной окружности звездочки, м; i, η_м — соответственно передаточное отношение и к. п. д. механизма; η_кл — коэффициент, учитывающий потери на трение цепи в клюзе (0,7 - 0,75).

Длина цепи, выбираемой в течение I стадии, L₁ = L_ц - L_св - l₀, где L_ц — длина всей цепи в предположении, что вытравлена вся цепь; L_св — длина свободно провисающего участка цепи;

l₀ — длина цепи от жвакогалса до клюза. 

Продолжительность I стадии определится на основании частоты вращения двигателя n₁, взятой из механической характеристики двигателя по известной величине момента нагрузки М₁:

Во II стадии момент нагрузки и другие величины изменяются по нелинейному закону. В упрощенных расчетах, полагают зависимость M = f(t) линейной, изменяющейся от М₁ до момента в III стадии, т. е. при отрыве якоря от грунта:

где Т_з = 0,87(gh + G) + 2G — усилие при отрыве якоря от грунта. Длина цепи, выбираемой во II стадии, L₂ = L_св - h.

Продолжительность II стадии определяется средней частотой вращения двигателя:

где n₃ — частота вращения при моменте М₃.

В третьей стадии предполагается стоянка двигателя: под током в течение 30 с. Это необходимо для учета требований Регистра. В действительности при отрыве якоря от грунта усилие и момент будут зависеть от характера грунта и точному расчету не поддаются. Предполагается, что сила сцепления якоря с грунтом равна двум весам якоря.

Нагрузка в IV стадии определяется наиболее точно, усилие в начале стадии равно весу якоря и цепи в воде, а в конце — весу якоря: T_4н = 0,87 (gh + G); T_4к = G.

Момент на валу двигателя в начале и конце IV стадии:

Продолжительность IV стадии определится на основании средней частоты вращения двигателя n_4cр и длины выбираемой цепи, равной глубине h,

Рассчитанные по выражениям величины дают возможность построить нагрузочную диаграмму двигателя (рис. 2, б), на основании которой производят проверку его на обеспечение поставленных требований: по нагреву, по средней скорости выбирания цепи, по продолжительности и на перегрузку.

Проверка привода в режиме съемки с двух якорей производится лишь по IV стадии, когда поднимают с половинной глубины оба якоря,

В конце стадии момент определяется двумя весами якоря:

Продолжительность подъема якорей определяется средней частотой вращения двигателя и длиной выбираемых цепей, равной половине h,

В швартовном режиме нормируется способность двигателя обеспечить заданное тяговое усилие в тросе Т_ш и скорость выбирания концов при этой нагрузке:

где D_ш, i_ш — диаметр швартовного барабана и передаточное отношение к нему; n_ш — частота вращения двигателя при моменте М_ш; М_н30 — номинальный момент двигателя в 30-минутном режиме; v_ш — нормируемая скорость выбирания нагруженных швартовных концов.

Управление электроприводами якорно-швартовных устройств осуществляется по контроллерной, контакторной схемам и в системе Г—Д. В первых двух случаях находят наибольшее применение асинхронные электродвигатели с КЗ, ротором и переключением числа полюсов. В системе Г—Д используют двигатели параллельного возбуждения.

На рис. 3 приведена контроллерная схема управления электроприводом якорно-швартовного шпиля с двухскоростным асинхронным электродвигателем небольшой мощности. Порядок замыкания контактов приведен в таблице. После подачи напряжения на схему и включения съемной рукояткой выключателя управления ВУ1 получит питание катушка линейного контактора Л, который подготавливает цепь главного тока и шунтирует контакты К1 контроллера. 

Через контакты К2 получит питание лампа ЛС подсветки амперметра А. В первом положении «Выбирать» замыкаются реверсирующие контакты контроллера К7, К9, а также контакты в цепи обмотки малой скорости К4, К12. Получит питание электромагнит тормоза ТМ и тихоходная обмотка двигателя, который оттормаживается и работает на 1-й скорости. Во втором положении контроллера вместо К4, К12 замыкаются К5, К10 и КП в цепи быстроходной обмотки статора двигателя, который разгоняется на 2-й скорости. Остановка двигателя производится установкой маховичка контроллера в нулевое положение. При этом отключаются контакты в цепях обмоток и реверсирующие, двигатель и тормоз лишаются питания. В положениях «Травить» работа схемы аналогична описанной, но вместо контактов К7, К9 замкнутся К6, K8, которые изменят порядок чередования фаз, двигатель будет вращаться в другую сторону.

Нулевая защита осуществляется линейным контактором Л, который отключается при снижении или исчезновении напряжения. При восстановлении напряжения пуск возможен только с нулевого положения контроллера. Тепловая защита выполнена тепловыми реле 1РТ—4РТ, защиту от коротких замыканий в цепи управления осуществляет предохранитель.

Рис. 3. Схема электропривода якорно-швартовного шпиля

На рис. 4 представлена принципиальная схема электропривода с двумя исполнительными двигателями M₁ и М₂ на 110 В, трехобмоточным генератором Г на 220 В, возбудителем В и приводным двигателем М с короткозамкнутым ротором. В комплект электрооборудования также входят: контакторная станция пуска приводного двигателя; щит управления электроприводом, пост управления (командоконтроллер), электромагнитные тормозы, ящик резисторов, регулятор возбуждения. В нормальном режиме работают два двигателя, при этом положение контактов переключателей ПI и ПII соответствует приведенной схеме.

После подачи питания, при нулевом положений командоконтроллера, нажатием кнопки «Пуск» включается: реле-защелка ЛР, которое своими контактами шунтирует кнопку н включает контактор Л, осуществляется пуск приводного двигателя. Регулятором РВ устанавливают номинальное напряжение возбудителя, на ПУ загорается лампа ЛС, подсвечивая шкалу амперметра А. Обмотки возбуждения двигателей Н01 н Н02 получат питание через резисторы СД3 и СД4. 

При этом реле обрыва поля РП1 и РП2 сработают и включат катушку контактора К, который подготовит цепь независимой обмотки генератора НОГ. В первом положении «Выбирать» контактами К9 и К13 НОГ подключается к возбудителю через резисторы R1—R5; К1 включат тормозы, а К3 и К5 — Н01 и Н02. Возбуждение и напряжение генератора — неполные, двигатели вращаются с малой частотой вращения. По мере перевода маховика в последующие положения поочередно шунтируются резисторы R1—R5, двигатели набирают полную частоту вращения. В положениях "Травить" работа схемы аналогична, но замыканием К7, К11 в обмотке НОГ изменяется полярность, двигатели реверсируются.

В аварийном режиме переключателем П вместо поврежденного двигателя включают перемычку. Вспомогательные контакты этого переключателя вводят резистор R6 в цепь НОГ, а СУ1 — в цепь параллельной обмотки генератора ШОГ. Напряжение генератора уменьшается примерно вдвое. 

Кроме того, контактами ПI — 4 и ПII — 5 (или ПII — 4 и ПII — 5) отключается обмотка возбуждения поврежденного двигателя, а ПI — 7 (или ПII — 7) шунтируются контакты реле поля РП1 (или РП2). Тормозной магнит неработающего двигателя остается включенным, так как двигатель будет вращаться через редуктор работающим электродвигателем. 

В аварийном режиме следует также переключить редуктор на большее передаточное отношение, в противном случае двигатель будет перегружен по моменту и току примерно вдвое. Наладку схемы после монтажа выполняют подстроечными резисторами.

Рис. 4. Схема электропривода брашпиля

Резисторами СУ1 и R6 при определенном их соотношении добиваются половинного напряжения генератора. Резистор СУ2 позволяет корректировать частоту вращения электродвигателей М₁ и М₂. Схема предусматривает следующие виды защиты: минимально-нулевую с помощью реле ЛР и контактора Л — при исчезновении или сильном понижении напряжения приводной двигатель отключается, схема может быть восстановлена лишь в описанном порядке; токовую, с помощью противокомпаундной обмотки генератора; тепловую, посредством реле РТ1, РТ2 в цепи приводного двигателя; от коротких замыканий в цепи управления — плавкими предохранителями.

Основные положения по эксплуатации электроприводов якорно-швартовных устройств сводятся к обеспечению: 

• необходимого уровня изоляции токоведущих частей; 
• плотности всех контактных соединений; 
• надежности уплотнений палубного оборудования; 
• ухода за контактными поверхностями коммутирующих аппаратов и коллекторами электромашин, ухода за подшипниковыми узлами электромашин; 
• защиты от коррозии всех деталей и узлов оборудования, особенно устанавливаемого на палубе; 
• своевременного обнаружения, ремонта или замены всех неисправных деталей и элементов схемы (сигнальных ламп, предохранителей, резисторов, электроизмерительных приборов и т. д.); 
• строгого выполнения заводских инструкций по эксплуатации отдельных изделий и устройства в целом.

Во всех случаях, перед выполнением якорно-швартовных операций, особенно после длительных перерывов в использовании электроприводов, например после длительных переходов, все электрооборудование должно быть подвергнуто внимательному осмотру, замерам изоляции токоведущих частей и опробованию в действии. Обнаруженные неисправности подлежат немедленному устранению. 

Перед выходом в море палубное оборудование необходимо проверить на герметичность уплотнений всех сальников и закрытий, резиновые уплотнения должны быть смазаны специальной пастой (смесь графита и касторового масла), трущиеся детали — слоем консистентной смазки. Содержанию электроприводов якорно-швартовных устройств в исправности к постоянной готовности к действию способствует выполнение графиков профилактических осмотров и ремонта.