Требования к электроприводу грузоподъемных устройств: обеспечение высокой производительности, надежности в работе и безопасности обслуживания; широкий диапазон регулирования скорости; плавность регулирования скорости; удобство формы механических характеристик для обеспечения как минимальной длительности, так и плавности разгона и торможения; удобство формы механических характеристик для обеспечения статических режимов; экономичность в работе в различных режимах, наличие конечных выключателей, ограничивающих подъем груза, поворот крана, подъем и спуск стрелы в допустимых пределах; надежность в условиях большой частоты включения (до 500 в час); надежность действия электромагнитных тормозов в условиях частых включений и больших динамических нагрузок, удобство и простота управления; минимальные габариты, масса и стоимость оборудования.
Широкий диапазон регулирования скорости создает большие удобства при обработке различных грузов, особенно требующих осторожного обращения, сокращает продолжительность каждого цикла и увеличивает производительность работ.
Диапазон скоростей определяется необходимостью иметь очень низкую скорость для безопасной посадки груза (4—6 м/мин) и максимальную при операциях с холостым гаком (120—180 м/мин). В приводах постоянного тока и гидравлических диапазон регулирования скорости достигает 1 : 40.
Плавность изменения скорости позволяет крановщику каждый раз выбрать оптимальную скорость, обеспечивающую максимальную производительность н безопасность для груза, а также совершать плавное, без рывков, изменение скорости.
Удобство формы механических характеристик заключается в возможности обеспечить быстрый и плавный разгон, торможение, автоматическое повышение скорости при неполных грузах и холостом гаке, устойчивый тормозной спуск груза. Экономичность работы привода на всех режимах, т, е. при неполных и полных скоростях и грузах, обеспечивает стяжение себестоимости переработки груза, так как снижаются расходы на горюче-смазочные материалы и амортизацию оборудования судовой электростанции. Это требование удовлетворяется выбором экономичной схемы управления электроприводом. Установка ограничителей подъема груза, поворота и изменения вылета стрелы крана позволяет предотвратить возможный обрыв грузового шкентеля и падение груза, аварии в случае сбоев в работе аппаратуры управления или неправильных действий крановщика.
Практикой установлено, что продолжительность одного цикла в условиях небольшой высоты подъема, спуска и перемещения груза составляет в отдельных случаях 40—50 с. Учитывая, что в каждом цикле несколько включений привода, общая частота включений доходит до 500 в час. Все оборудование, в особенности контактная аппаратура, подвергаются интенсивному износу.
Надежная работа в таких условиях может быть обеспечена подбором износостойкого оборудования и постоянным уходом за ним.
Режимы работы электроприводов грузовых лебедок и кранов могут быть следующие: одиночная работа лебедки или крана; спаренная работа двух лебедок на общий гак; последовательная работа двух лебедок или кранов.
При одиночной работе лебедка работает на свой гак, обеспечивая подъем груза, его перемещение путем поворота стрелы вручную или вспомогательной лебедкой, спуск груза, подъем гака, поворот стрелы и спуск гака. Этот режим для лебедок находит сейчас применение благодаря механизации поворота стрелы специальными лебедками и оттяжками. Электроприводу подъема груза в кране свойственен такой же режим работы и нагрузочная диаграмма (рис. 1, а). После окончания пуска при пусковом моменте Мп происходит подъем груза с установившейся скоростью и моментом:
где G, G0 — сила тяжести, создаваемая грузом и захватным приспособлением соответственно, Н; Dб — диаметр барабана, м; i, ηм — передаточное отношение и к. п. д. передачи.
Рис. 1. Нагрузочные диаграммы электроприводов грузовых лебедок
В конце подъема груза инерция вращающихся частей привода гасится самим грузом и тормозным моментом двигателя Мт, затем накладывается тормоз. Время операции подъема груза t1. Время t01 идет на поворот стрелы, в котором механизм подъема груза не участвует. За время t2 происходит тормозной спуск груза с моментом установившегося движения:
где ηоб — обратный к. п. д. передачи.
В конце спуска происходит сначала притормаживание двигателем, затем накладывается тормоз. Далее следует отстропка груза, время которой t02, в течение времени t3 происходит подъем гака со статическим моментом М3 и теми же динамическими моментами:
где η0 — к. п. д. передачи при малой загрузке привода. Время t03 соответствует повороту стрелы (обратное движение), a t4 — спуску гака, при котором, учитывая малую массу гака, двигатель работает с положительным моментом. После застропки нового груза за время t04 начинается новый цикл. При спаренной работе двух лебедок нагрузочная диаграмма (рис. 2, б) другая.
Обозначения на рис. 2, б: Б — бортовая лебедка, стрела которой над причалом; Т — трюмная лебедка, ее стрела над люком трюма; t4 — время подъема груза бортовой лебедкой и выбирание слабины шкентеля трюмной; t2 — время передачи груза от бортовой лебедки к трюмной, при этом момент на второй лебедке возрастает до момента при подъеме груза; t3 — время спуска груза трюмной лебедкой, потравливание своего шкентеля бортовой; t03 — время отстроповки груза, обе лебедки стоят; t4, t5, t6 — время операций: подъем гака трюмной и выбирание слабины бортовой, передача гака от трюмной к бортовой, спуск гака бортовой лебедкой и потравливание шкентеля трюмной соответственно.
Моменты статической нагрузки определяются здесь по тем же выражениям, что и выше.
Динамические моменты определяются свойствами двигателя и схемой управления: для двигателей серии МАП — задаются заводом, для двигателей постоянного тока — по перегрузочной способности, равной 2,2 — 3,5.
При последовательной работе лебедок или кранов один механизм выгружает груз из трюма, второй перегружает его на причал или баржу. Циклы механизмов оказываются связанными благодаря одному и тому же количеству обработанного груза. В остальном режим аналогичен одиночной работе и применяется редко.
Управление электроприводами грузовых лебедок и кранов может производиться по контроллерной, контакторной и электромашинной схемам. В последние годы наметилась перспектива применения тиристорных систем управления по двум направлениям: использование тиристоров как преобразователей рода тока или частоты; использование тиристоров взамен коммутирующих аппаратов, схемы с тиристорными коммутаторами или электроконтроллерами взамен магнитных.
Наибольшее распространение в последние годы подучили схемы управления с полюсопереключаемыми электродвигателями, обладающими высокой экономичностью, надежностью и сравнительно простой коммутацией. На рис. 2 приведена схема электроприводов грузового крана с такими двигателями.
После подачи питания, включения рубильника ЯРВ и выключателя ВУ сработают реле РУ1 и РУ2, через их замыкающие контакты напряжение моста ВС поступит на реле PH, которое включит цепи управления. В коробке установочной арматуры загорятся сигнальные лампы СЛ. Схема подготовлена к работе.
Рис. 2. Схема электроприводов грузового крана: I — подъем груза; II — поворот крана; III — вылет стрелы
В первом положении «Подъем» рукоятки командоконтроллера, через его контакты К6 включится контактор В, а через его блок-контакты и К4 включится контактор тормоза F, через К7 получит питание контактор 1C. Электродвигатель оттормаживается и работает на I скорости. При этом замыкающие контакты C1, сохраняют питание реле РУ1, а размыкающие разрывают цепь питания катушек контакторов второй 2С и третьей 3С скоростей. Перерыв в питании РУ1, когда контактор В сработал, а контакты 1C еще не замкнулись, не вызывает отпускания якоря благодаря гильзе на его сердечнике.
Во втором положении «Подъем» разомкнутся К7 и замкнутся КЗ, контактор 1C обесточится и размыкающими блок-контактами подаст питание контактору 2С, который: включает обмотку II скорости двигателя. Блок-контакты 1C разорвут цепь питания реле 1РУ, которое начнет отсчет времени, а двигатель разгоняется на II скорости. Быстрый перевод рукоятки поста в III положение не вызовет включения контактора 3С до истечения выдержки времени реле РУ1.
В третьем положении «Подъем» замкнутся К11 и разомкнутся К8. По истечении выдержки 0,5 с с момента отключения контактора 1C размыкающие контакты РУ1 включат контактор 3С.
Электродвигатель разгоняется на III скорости. Контактор 3С не включится до тех пор, пока не закончится разгон двигателя на II скорости: размыкание контактов К8 не вызывает обесточивания контактора 2С, так как он продолжает питаться через замыкающие контакты реле РУ1. При быстром переводе рукоятки из нулевого в третье положение разгон может начаться со II скорости, так как выдержка времени между I и II скоростями обеспечивается только собственным временем срабатывания контакторов 1C, 2С и блокированием контактора 2С контактами 1C. Блок-контакты контактора 3С включают реле РП1, контакты которого включают шунтирующую контакты К6 цепочку через блок-контакт контактора В. Размыкающие контакты реле 1РП прервут цепи 1C и PH, что изменений в схему не внесет: 1C уже отключен, а PH получает питание через блок-контакты 3С.
При переводе рукоятки из III во II положение «Подъем» снова замкнутся контакты К8 и разомкнутся К11; 3С отключится и своими блок-контактами включит 2С. Причем, для включения 2С не обязательно замыкание контактов К8, так как питание катушки этого контактора происходит через контакты реле РП1, которые разомкнутся лишь по истечении выдержки времени.
Это сделано для того, чтобы при быстром переводе из III в I или нулевое положение, а также при быстром реверсе выполнялось вначале электрическое торможение, сначала на II скорости, которое оказывается наиболее эффективным. По истечении выдержки 0,3—0,5 с реле РП1 размыкает свои контакты, поэтому перевод рукоятки командоконтроллера в I положение вызывает отключение 2С, блок-контакты которого уже включают 1C, двигатель тормозится до I скорости.
При быстром переводе рукоятки из III в нулевое положение контактами реле РП1 удержится некоторое время реверсивный контактор В, что позволяет тормозить двигатель на II скорости с рекуперацией энергии в сеть до момента наложения механического тормоза. Наложение тормоза происходит еще до полного затормаживания двигателя на II скорости, пока он не перешел в двигательный режим, затем выдержка времени реле РП1 истекает и схема «разбирается» до состояния, показанного на рис. 2. При быстром реверсировании схема работает аналогично описанной, т. е. сначала происходит торможение электрическое (контакторы 2С и В остаются включенными через реле РП1). Затем сразу происходит пуск в обратном направлении, в описанном порядке. Вместо РУ1 и В будут работать РУ2 и Н.
В крайнем верхнем положении гака разомкнутся контакты К8 конечного выключателя, дальнейший подъем гака невозможен. Отключится привод и в случае предельного нижнего положения гака — контактами КН. Эти контакты предотвращают полное сматывание троса с барабана и кинематически связаны с барабаном. При подъеме груза с массой, превышающей допустимую для крана, срабатывает ограничитель груза КОГ, предотвращая подъем груза и возможную поломку крана.
Защита и сигнализация в схеме следующие: тепловая защита— тепловыми реле РТ1—РТ4, минимально-нулевая — с помощью реле напряжения PH, от КЗ в цепях управления — предохранителями П1, П2 (в некоторых кранах — установочным автоматом), сигнализация при «обрыве фазы»—с помощью сигнальных ламп. На случай отказа или сбоя в работе схемы предусмотрен рубильник ЯРВ экстренного отключения питания. Резисторы СД предназначены для обогрева и подсушки изоляции в магнитном контроллере (контакторной станции) механизма подъема груза.
Механизмы изменения вылета стрелы и поворота крана имеют одинаковые приводы по смешанной контроллерно-контакторной схеме: часть коммутаций силовой цепи осуществляется контроллерами (реверсивные контакты IV, VI, VII, VIII), остальные— контакторами. Контроллеры механизмов стрелы и поворота имеют кинематически связанные валы, что позволяет одной рукояткой управлять двумя двигателями. После подачи питания сработают контакторы П1, подготовив тихоходные обмотки ТО двигателей к работе (ТО включена звездой, ВО закорочена). Блок-контакты П1 включат линейные контакторы Л1 и Л2, подводя напряжение к реверсивным контактам контроллеров.
В первом положении контроллера «Выбирать» (механизм стрелы) и «Право» (механизм поворота) замкнутся контакты IV и VII.
Тихоходные обмотки обоих двигателей, обмотка тормозного электромагнита в механизме вылета и двигателя гидротолкателя в механизме поворота получат питание. Двигатели оттормаживаются и пускаются на I скорости. Во II положении П1 отключается, а П2 включается размыканием V и замыканием IX контактов контроллера. Быстроходные обмотки БО двигателей включаются в сеть, а тихоходные оказываются пофазно закороченными контактами П2.
В крайнем верхнем положении стрелы разомкнутся контакты конечного выключателя КВ, привод остановится. В нижнем положении стрелы отключение привода произойдет контактами КН. Для установки стрелы по-походному эти контакты шунтируют специальной кнопкой КШ.
Контакты КБ предназначены для отключения двигателя стрелы, если груз доходит до верхнего положения. Это необходимо для того, чтобы предупредить возможный обрыв шкентеля или поломку крана. Для разгрузки механизма стрелы редуктор его связан с редуктором механизма подъема груза таким образом, что при подъеме н спуске стрелы груз висит на одном уровне, не поднимаясь и не спускаясь. Поэтому при опускании стрелы ее нок как бы «натыкается» на гак и для дальнейшего ее спуска нужно предварительно приспустить гак.
Минимально-нулевая защита электроприводов стрелы и поворота осуществляется линейными контакторами, защита от перегрузки— тепловыми реле РТ2, РТЗ, РТ4.
Для работы в темное время суток предусмотрена осветительная люстра на стреле. Ножной замыкатель служит для подачи звукового сигнала звонком-ревуном. Кран не предусмотрен для кругового вращения, подвод питания к электрооборудованию выполнен гибкими кабелями марки НРШМ. Редуктор механизма подъема груза позволяет устанавливать два значения передаточного отношения, отличающиеся в два раза и соответствующие двум грузоподъемностям крана: 2,5 и 5 т.
Основные положения по эксплуатации электроприводов грузоподъемных устройств сводятся к обеспечению: работоспособности схем управления в условиях напряженного графика работы при большой частоте включений; надежному действию защит, конечных выключателей, ограничителей н тормозных устройств; герметичности всех уплотнений устанавливаемого на открытой палубе оборудования; достаточного уровня изоляции токоведущих частей; защиты от коррозии элементов конструкции, монтажа и токоведущих частей; постоянного ухода за подшипниковыми узлами машин и аппаратов; соблюдения сроков профилактических осмотров и ремонта; выполнения заводских инструкций по эксплуатации.
Практика эксплуатации электроприводов грузоподъемных устройств показывает необходимость больших затрат труда и времени на обеспечение их постоянной работоспособности, причем эти работы проводятся как перед грузовыми операциями (профилактика), во время этих операций (устранение повреждений), так и после них (устранение причин отказов и сбоев, регулировка и настройка аппаратуры, тормозов, замена износившихся деталей, чистка контактных поверхностей, замена смазки, проверка и ремонт уплотнительных соединений и т. д.). Следует также учитывать, что поломки электроприводов вызывают увеличение простоя судна под грузовыми операциями, что ведет к снижению экономических показателей работы судна. Поэтому проводимые меры по осмотру, профилактике и ремонту должны всегда быть подчинены основной цели — обеспечению продолжительной и надежной работы приводов в самых тяжелых эксплуатационных условиях.
Характерные неисправности релейно-контакторных схем управления электроприводами судовых грузоподъемников: износ контактов контакторов; износ и разрегулирование кинематики контакторов, реле и связанные с этим отказы и сбои в работе, перегрев катушек и выход их из строя; повреждения монтажа, обрывы наконечников, проводников и перемычек; снижение уровня изоляции токоведущих частей в результате проникновения морской влаги, отпотевания, загрязнения; коррозионное разрушение при длительной эксплуатации.
