CC BY
45
ГЛОБАЛЬНАЯ ЯДЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, 2013 №2(7), С. 35-39
ИЗЫСКАНИЕ, ПРОЕКТИРОВАНИЕ, ^ СТРОИТЕЛЬСТВО И МОНТАЖ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ АЭС
УДК.621.87
ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ПЕРЕДВИЖЕНИЯ КРАНА МОСТОВОГО ДЛЯ ОБСЛУЖИВАНИЯ
МАШИННОГО ЗАЛА АЭС
© 2013 г. Н.М. Чернова, Р.А. Кобзев, Н.А. Путро
Балаковский институт техники, технологии и управления - филиал Саратовского государственного технического университета имени Ю.А. Гагарина, Балаково, Саратовская обл.
Поступила в редакцию 31.05.2013 г.
В статье рассматривается вопрос оптимального проектирования механизмов передвижения кранов атомных станций на примере мостового крана для облуживания машинного зала АЭС.
Ключевые слова: мостовой кран, оптимальное проектирование, механизм передвижения крана, безопасность эксплуатации, энергоемкость.
В настоящее время одним из приоритетных направлений науки в Российской Федерации является разработка новых энергосберегающих машин, технологий, оборудования. Применительно к кранам атомных энергостанций особенно большое внимание также должно быть уделено вопросам безопасности эксплуатации. При проектировании грузоподъемных машин создание энергоэффективных конструкций может быть связано с сокращением массы, что в свою очередь, повлечет уменьшение потребной мощности приводов механизма передвижения, а также применением новых, менее энергоемких типов приводов.
Мостовой кран для обслуживания машинного зала Балаковской АЭС грузоподъемностью 15тс предназначен для механизации ремонтных работ, выполнения погрузочно-разгрузочных и транспортных операций. В данный момент для управления приводами механизмов кранов используется система контакторного управления, включающая в себя магнитные контакторы и кулачковые командоконтроллеры для каждого механизма крана. При этом регулирование скоростей асинхронного двигателя переменного тока, используемого в качестве привода, осуществляется за счет введения в цепь ротора двигателя набора дополнительных сопротивлений. В таком режиме двигатель использует непосредственно на передвижение груза всю мощность, потребляемую из сети, только при работе на максимальной скорости. При работе на пониженных скоростях часть энергии неизбежно уходит на нагрев пускорегулировочных сопротивлений. Очевидно, что подобный вариант привода является крайне неэффективным с точки зрения потребления энергии, особенно для кранов атомных станций, которые имеют повышенные требования к безопасности и соответственно довольно редко работают на максимальных скоростях.
Механизм передвижения крана состоит из ходовой части в виде четырех колес диаметром 630 мм, два из которых являются приводными, и двух приводов включающих в себя электродвигатель с фазовым ротором, горизонтальный 2-х ступенчатый цилиндрический редуктор, трансмиссионный тихоходный вал, а также соединительные муфты и колодочный тормоз.
©Издательство Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», 2013
При оптимальном проектировании механизмов передвижения важную роль играет выбор схемы механизма, а именно, количества ходовых колес, а также количества приводных колес и приводов. Исходя из максимального значения нагрузки на опору крана, определенной для наиболее неблагоприятного положения тележки с грузом, было установлено, что для рассматриваемого крана возможно применение четырех вариантов ходовой части:
- 4 колеса диаметром 630 мм,
- 8 колес диаметром 400 мм,
- 12 колес диаметром 320 мм,
- 16 колес диаметром 250 мм.
Для большинства мостовых кранов число приводных ходовых колес принимают равным половине от общего числа ходовых колес, при этом возможно применение и большего числа приводных колес и приводов, при этом имеющих меньшую мощность, а также меньшего числа, если оно обеспечивает необходимый запас сцепления между колесом и крановым рельсом.
В результате проведенного анализа было установлено, что для передвижения крана возможно применение одиннадцати вариантов ходовой части:
1) 4 колеса диаметром 630 мм, из которых 2 приводных;
2) 4 колеса диаметром 630 мм, из которых 4 приводных;
3) 8 колес диаметром 400 мм, из которых 4 приводных;
4) 8 колес диаметром 400 мм, из которых 8 приводных;
5) 12 колес диметром 320 мм, из которых 4 приводных;
6) 12 колес диаметром 320 мм, из которых 8 приводных;
7) 12 колес диаметром 320 мм, из которых 12 приводных;
8) 16 колес диаметром 250 мм, из которых 4 приводные;
9) 16 колес диаметром 630 мм, из которых 8 приводных;
10) 16 колес диаметром 250 мм, из которых 12 приводных;
11) 16 колес диаметром 250 мм, из которых 16 колес приводных.
Для привода применим более компактную схему с вертикальным цилиндрическим мотор-редуктором фирмы Sew-Eurodrive, имеющим встроенный тормоз, мотор-редуктор соединяется с колесной установкой с помощью плотной посадки вала колесной установки внутри полого тихоходного вала мотор-редуктора. Подбор комплектующих для каждого варианта механизма производился с учетом необходимого уровня безопасности, эксплуатации регламентированного для оборудования атомных станций [1]. Для обеспечения возможности плавного и бесступенчатого регулирования скорости движения крана применим систему управления приводами с помощью частотного регулирования.
В качестве функции цели при оптимальном проектировании механизма передвижения крана может быть использованы следующие критерии: металлоемкость привода, капитальные затраты на изготовление, общие приведенные затраты на изготовление и эксплуатацию машины. Считается [2], что эксплуатационные затраты пропорциональны массе конструкции, поскольку масса оказывает непосредственное влияние и на энергопотребление механизма, и коррелируется с амортизационными отчислениями в процессе эксплуатации.
Целевая функция в виде общей металлоемкости механизма имеет следующий вид
где Оде, пдв - соответственно масса и количество двигателей со встроенным тормозом;
Ор, и - масса и количество редукторов;
, и - масса и количество приводных колесных установок; ^, п„ - масса и количество неприводных колесных установок; Об, иб - масса и количество балансиров. Однако данный вид целевой функции не позволяет полноценно оценить капитальные затраты на изготовление механизма, поскольку соотношение массы отдельных элементов привода не соответствует соотношению их стоимости. В связи с этим, вводим в выражение (1) весовые коэффициенты, учитывающие стоимость каждого элемента механизма, приведенную к его массе, то есть условную стоимость одного килограмма электродвигателя, редуктора, колесной установки и балансиров ходовой части.
Таким образом, целевая функция примет следующий вид
ЦР = -п> ■К> = -X* -пР 'КР +(}пр-"«р-Кпр +Он-пн ■Кн+Об-пб-Кб
где Кдв, К , ^ , Кнепр, Кб - соответственно условная стоимость одного килограмма
двигателя, редуктора, приводной и неприводной колесной установки, балансира.
На основе проведенного анализа рыночных цен были определены следующие
К К К
значения весовых коэффициентов: дв = 400 руб/кг, р = 500 руб/кг, б = 50 р/кг,
условная стоимость приводных и неприводных колесных установок одинакова, но при
этом существенно зависит от диаметра колес, а именно для колеса диаметром 250 мм
К„р = К = 398 руб/кг, для колеса диаметром 320 мм К = К = 434 руб/кг, для колеса
К К
диаметром 400 мм пр = н = 189 руб/кг, для колеса диаметром 630 мм К = К = 234 руб/кг,
Для каждого из одиннадцати вариантов привода определим значение целевых функций, результаты сведем в таблицу 1.
Таблица 1. Результаты исследования на оптимальность для всех 11-ти вариантов
Варианты исполнения механизма
№ схемы 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Диаметр колес, D мм 630 400 320 250
Расчетная мощность 1 привода, кВт 3,5 1,75 2,05 1,025 1,97 0,99 0,65 2,04 1,02 0,68 0,51
Фактическая мощность 1 привода, кВт 4 2.2 2.2 1.1 2.2 1.1 0.75 2.2 1.1 0.75 0,55
Масса двигателя со встроенным тормозом, кг 31 21,5 21,5 14,3 21,5 14,3 11,5 21,5 11,5 11,5 9,1
Масса редуктора, кг 54 26,5 26,5 26,7 25,5 14,7 12,5 22,5 18,5 10,5 11,9
Общая масса приводных колес кг 471,61 165,72 80,72 56,79
Общая масса неприводных колес, кг 452,1 - 156,6 - 77,16 - 52,44 -
Общая масса балансиров, кг - - 435 435 850 850 850 872 872 872 872
Ц, т 2,017 2,078 1,917 2,089 1,978 2,036 2,107 1,904 1,986 2,027 2,116
Цр, тыс. руб. 511,1 528,8 352,9 424,9 535,9 561,3 593,1 463,9 502,2 516,5 558,7
Рис. 1. График металлоемкости различных результатов конструкции
Рис. 2. График себестоимости различных вариантов конструкции
В результате проведенного исследования были получены следующие результаты (рис. 1, рис. 2):
1. По критерию металлоемкости оптимальной является 8-я схема с 16-ю приводными колесами диаметром 250 мм, из которых 4-е являются приводными, и 4-я приводами мощностью 2,2 кВт каждый, значение целевой функции для данного варианта составляет 1,904 т, для варианта №3 с 8-ю приводными колесами диаметром 400 мм, из которых 4-е являются приводными, и 4-я приводами мощностью 2,2 кВт каждый, значение целевой функции составило 1,917 т (рис. 1)
2. По критерию себестоимости оптимальным является вариант №3, с 8-ю приводными колесами диаметром 400 мм, из которых 4-е являются приводными, и 4-я приводами мощностью 2,2 кВт каждый (рис. 2).
3. Таким образом, в итоге оптимальным вариантом механизма передвижения крана мостового для обслуживания машинного зала Балаковской АЭС является схема №3, по отношению к базовому варианту конструкции снижение металлоемкости
механизма составило 32,6%, кроме того, использование частотных преобразователей позволит более полно использовать энергию двигателя при работе на пониженных скоростях, по сравнению с установленной на кране системой контакторного управления эффективность энергопотребления может повыситься до 70% при работе на самой медленной скорости.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ПН АЭ Г I-011-97. Общие положения обеспечения безопасности атомных станций (ОПБ-88/97) / Госатомэнергонадзор СССР [Текст]. - М. : Энергоатомиздат, 1997. - 48с.
2. Чернова, Н.М. Развитие теории оптимального проектирования механизмов грузоподъемных кранов пролетного типа : автореф. дис. докт. техн. наук [Текст] / Н.М. Чернова. -Новочеркасск, 2009. - 39 с.
Optimal design of movement mechanism of overhead crane for maintenance of NPP machinery hall
N.M. Chernova*, R.A. Kobzev**, N.A. Putro***
Balakovo Institute of technique, technology and management -branch of SSTU named after Gagarin Y.A., 140 Chapaev St., Balakovo, Saratov region, Russia 413800 * e-mail: natalichermin@mail.ru ** e-mail: cobzev.roman@yandex.ru *** e-mail: putron@mail.ru
Abstract - The article touches upon the question of optimal design of overhead cranes' movement mechanisms at nuclear power plants by the example of overhead crane for maintenance of NPP machinery hall.
Keywords: overhead crane, optimum design, mechanism of crane movement, operating safety, power- intensity.
