CC BY
97
ДИНАМИКА, ПРОЧНОСТЬ, НАДЕЖНОСТЬ \
УДК 62-768
А. С. Слюсарев, А. С. Яблоков
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРИВОДА МЕХАНИЗМА ПОДЪЕМА ГРЕЙФЕРНОГО ПЛАВУЧЕГО КРАНА
Рассмотрены последствия явления присоса грейфера для плавучих кранов, используемых при подводной добыче. Приведено решение проблемы — включение в привод механизма подъема гидротрансформатора, а также сформулированы требования к характеристикам и конструкции такого гидротрансформатора.
E-mail: alex-vodnik@mail.ru
Ключевые слова: гидротрансформатор, насосное колесо, турбинное колесо, реакторное колесо, грейфер.
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 в качестве грузозахватного органа также используется грейфер. Однако во время работы грейфера под водой при зачерпывании и подъеме во-донасыщенного материала возникают дополнительные гидростатические силы "присоса", фильтрации, гидростатики и вязкостного течения материала в грейфере, зависящие от скорости зачерпывания материала и отрыва грейфера, что приводит к нагрузкам в канатах механизма подъема и металлоконструкции крана. Этот эффект, возникающий в короткий промежуток времени, может превышать на 50% допускаемые нагрузки на кран и является пиковым [1] (рис. 1).
В настоящее время 90 % плавучих кранов имеют срок эксплуатации от 15 лет и более, что делает проблематичным их использование при подводной добыче, так как их металлоконструкции изношены и не рассчитаны на подобные нагрузки (рис. 2).
Кроме того, пиковые нагрузки в механизме подъема отрицательно сказываются на работе дизель-генераторной 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 дизель-генератора вызывают снижение КПД асинхронных двигателей, увеличение потерь мощности и как следствие перерасход топлива дизелем, снижение скоростей. Переходные процессы в генераторе и дизеле (рис. 3) имеют колебательный характер.
Рис. 1. Процессы в динамических системах крана КПЛ 16-30 при подъеме груженого грейфера:
Рис.2. Характерные дефекты металлоконструкции и механизмов плавучих кранов
Рис. 3. Осциллограмма экспериментальных испытаний дизель-генераторной установки ДГР 300/750 на плавучем кране КПЛ 16-30:
1 — подъем груженого грейфера; 2 — подъем порожнего грейфера; 3 — начало зачерпывания
При испытаниях энергетических установок на базе дизелей без наддува (8Ч23/30) [2] было установлено (см. рис.3), что при подъеме груженого грейфера "провалы" напряжения близки по значениям к изменениям частот вращения вала дизеля и составляют у кранов КПЛ 16-30 с электродвигателями МТВ713-10 20... 25 %, а у тех же с двигателями МТН613-10 8... 10% номинальных значений.
Включение нагрузки на дизель-генератор не сопровождается мгновенным возрастанием крутящего момента дизеля, что обусловлено переходными процессами в системе подачи топлива. Движение рейки топливных насосов в переходных процессах начинается с некоторым запаздыванием (инерционность ее деталей, наличие люфтов и т.д.), и, кроме того, необходимо время на поступление и эффективное сжигание дополнительной порции топлива. Момент вращения дизеля нарастает до предельного значения в течение 0,4... 0,5 с.
В результате обработки осциллограмм [2] установлено, что в течение часа при обычной эксплуатации крана проводится до 300-400 включений электродвигателей подъемных лебедок и продолжительность переходных процессов в энергетической установке от общего времени кранового цикла составляет 15... 20 %.
Таким образом, при пиковых нагрузках дизель-генераторная установка работает на низких оборотах, что ведет к снижению крутящего момента, повышенному потреблению топлива, общему износу поршневой группы. Впоследствии продолжительная эксплуатация дизель-генераторной 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, таких как 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.
Гидротрансформатор позволяет автоматически регулировать скорости подъема и замыкания грейфера путем создания обратной связи между нагрузкой на канатах и скоростями зачерпывания и подъема грейфера. Он позволяет увеличивать в 3,5 раза передаточное отношение от двигателя к редуктору и соответственно увеличивать крутящий момент на валу редуктора, что и обеспечивает преодоление эффекта пиковых нагрузок. Кроме того, он является средством, предохраняющим привод от любых перегрузок, так как крутящий момент в нем передается через жидкость, а не через жесткую кинематическую связь.
Как показали исследования [3], несмотря на некоторое снижение КПД привода вследствие возникновения дополнительных потерь в гидротрансформаторе, обеспечивается рост производительности при приемлемой стоимости гидротрансформатора, соизмеримой со стоимостью среднего ремонта механизма подъема. Средняя стоимость гидротрансформатора составляет 30 тыс. руб., что приближается к стоимости среднего ремонта плавучего крана. Установлено также, что благодаря высоким защитным свойствам, надежность электродвигателя повышается в 1,4-1,5 раза, а долговечность редуктора и элементов механической передачи — в 2 раза.
Анализ свойств и характеристик существующих гидротрансформаторов [3, 4] позволяет сформулировать следующие требования к ним для установки в механизме подъема плавучего крана:
1. Гидротрансформатор, обладая высоким быстродействием, должен иметь соответствующие демпфирующие свойства, позволяющие избежать действия высокочастотных колебаний в канатах механизма подъема на работу привода.
2. Гидротрансформатор должен обеспечивать работу электродвигателя привода в оптимальных режимах, не переходя в режимы, на которых вся подводимая мощность расходуется на "мятие" жидкости. Таким требования отвечают полностью "непрозрачные" гидротрансформаторы [3, 5, 6], но создание гидротрансформаторов данного типа
проблематично [6, 7], поэтому целесообразно применять гидротрансформаторы с малой степенью прозрачности, в пределах 1,0... 1,1 в основной рабочей зоне.
Прозрачность — это свойство насосного колеса изменять крутящий момент при изменении передаточного отношения гидротрансформатора. Если с изменением передаточного отношения крутящий момент на насосном колесе остается постоянным, то гидротрансформатор называется непрозрачным.
3. Гидротрансформатор должен преобразовывать крутящий момент в приводе в полном диапазоне рабочей нагрузки. Для плавучего крана максимальное значение коэффициента трансформации должно лежать в пределах 1,4... 1,6 [1]. В пределах указанных значений максимального коэффициента трансформации и принятой степени прозрачности целесообразно применять одноступенчатый гидротрансформатор простой конструкции [4, 6, 8].
4. Гидротрансформатор должен иметь устройство блокировки, в целях обеспечения работы привода с постоянными низкими скоростями, т.е. муфту свободного хода.
5. При создании привода механизма подъема с гидротрансформатором необходимо совмещать исходные характеристики асинхронного электродвигателя и гидротрансформатора, что осуществляется совмещением номинального момента электродвигателя с зоной максимального КПД гидротрансформатора. В этом случае преобразующие свойства гидротрансформатора используются при всех режимах работы привода с реализацией положительных качеств применительно к подводной добыче.
На основе сформулированных требований необходимо подобрать параметры гидротрансформатора механизма подъема плавучего крана.
Оптимальным является одноступенчатый гидротрансформатор сравнительно простой конструкции и наиболее дешевый в производстве.
Характеристики гидротрансформаторов определяются зависимостями: К = / (г); п = /(г); А1 = /(г), где К — коэффициент трансформации (силовое передаточное число); п — КПД; А1 — коэффициент момента ведущего вала (характеризует свойства передачи нагружать двигатель); г — передаточное отношение.
Указанные характеристики зависят от параметров круга циркуляции и углов наклона лопаток в колесах (насосном, турбинном, реакторном).
В качестве оценочных параметров, характеризующих нагрузочные свойства, используются величины А1 тах, А10, А1т, П1, П2, а для определения преобразующих свойств гидротрансформаторов используются
величины К0, п *, г*, К * [8], где Л1тах — максимальное значение коэффициента момента ведущего вала; Лю — коэффициент момента ведущего вала, соответствующий максимальному значению коэффициента трансформации; Лхш — минимальное значение коэффициента момента ведущего вала; П и П2 — прозрачность на участке, соответствующем максимальному и минимальному значениям КПД; К0 — максимальное значение коэффициента трансформации; п* — максимальное значение КПД гидротрансформатора; г* — передаточное отношение, соответствующее максимальному значению КПД; К* — коэффициент трансформации при передаточном отношении, соответствующем максимальному значению КПД; гР — минимальное значение передаточного отношения в рабочей зоне; Кр — значение передаточного отношения, соответствующее минимальному передаточному отношению в рабочей зоне; пР — значение КПД, соответствующее минимальному передаточному отношению в рабочей зоне.
На рис. 4 приведены зависимости основных характеристик при изменении передаточного отношения.
Указанные свойства зависят от конструкции одноступенчатых гидротрансформаторов. На рис. 5 показаны основные типы одноступенчатых гидротрансформаторов, отличающихся расположением турбинного колеса. В зависимости от расположения турбинного колеса различают гидротрансформаторы с центростремительной (а), осевой (б) и центробежной (в) турбинами (рис. 5).
Типичные зависимости, характеризующие преобразующие свойства одноступенчатых гидротрансформаторов с различными типами турбинных колес, показаны на рис. 6.
О ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 г Рис. 4. Характеристика гидротрансформатора и его основные параметры
а
б
в
Рис. 5. Типы кругов циркуляции одноступенчатых гидротрансформаторов:
Я21 и Я22 — усредненный радиус на входе и выходе из турбинного колеса
Основное требование к гидротрансформатору — высокий КПД в рабочей зоне. Это требование наиболее полно можно реализовать в комплексных гидротрансформаторах (с центростремительной турбиной и симметричным расположением насосного и турбинного колес (см. рис.5,а). Кроме того, в гидротрансформаторах с центростремительной турбиной при установке в колесах реактора муфт свободного хода реализуется эффективная работа в режиме гидромуфты. Отмеченное свойство обусловлено тем, что в гидротрансформаторах указанного типа выход рабочей жидкости из насосного колеса располагается на большем диаметре круга ее циркуляции.
В гидротрансформаторах такого типа можно получить как прозрачную, так и малопрозрачную нагрузочную характеристику. Для механизма подъема желательно иметь малопрозрачную характеристику, что достигается соответствующим выбором формы круга циркуляции и углов наклона лопаток в рабочих колесах.
Приведенный анализ требований к характеристикам и конструкции гидротрансформаторов для привода механизма подъема плавучих кранов, отвечающих условиям и нагрузкам, позволяет сделать вывод, что им наиболее соответствует гидротрансформатор комплексного типа с центростремительной турбиной.
На данный привод механизма подъема, разработанный авторами на кафедре подъемно-транспортных машин Волжской государственной академии водного транспорта, получен патент на полезную модель
1, 2, 3 — гидротрансформатор с центробежной, осевой, центростремительной турбиной соответственно
Рис. 6. Преобразующие свойства одноступенчатых гидротрансформаторов:
0
О 0,2 0,4 0,6 0,8 i
Рис. 7. Общий вид механизма подъема с гидротрансформатором:
1 — редуктор; 2 — гидротрансформатор; 3 — электродвигатель; 4 - канатный барабан
№ 91999 (рис.7); ведутся также работы по дальнейшей разработке и внедрению данного привода.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Никитаев И. В. Судовые энергетические грейферные установки для добычи рудных материалов на континентальном шельфе. - Нижний Новгород: ВГАВТ, 2000. - 26 с.
2. Нестеров Л. Н. Оптимизация нагрузочного режима энергетической установки грейферного плавкрана. - Горький: ГИИВТ, 1985. - 251 с.
3. Анохин В. И. Применение гидротрансформаторов на скоростных гусеничных тракторах. - М.: Машиностроение, 1972. - 304 с.
4. А н о х и н В. И. О выборе основных параметров гидротрансформатора для гидромеханической трансмиссии скоростного гусеничного сельскохозяйственного трактора // Тракторы и сельхозмашины. - 1985. - № 10. - С. 11-15.
5. К о ч к а р е в А. Я. Гидродинамические передачи. - Л.: Машиностроение, 1971.- 336 с.
6. Н а р б у т А. Н. Гидротрансформаторы. - М.: Машиностроение, 1966. - 218 с.
7. Т р у с о в С. М. Автомобильные гидротрансформаторы. - М.: Машиностроение, 1977.-211 с.
8. А н и с и м о в В. Б. Гидротрансформаторы для строительных и дорожных машин. - М.: Стройиздат, 1967. - 42 с.
Статья поступила в редакцию 21.03.2011
Анатолий Сидорович Слюсарев родился в 1940 г., окончил Горьковский политехнический институт в 1963 г. Д-р техн. наук, профессор кафедры "Прикладная механика и подъемно-транспортные машины" Волжская государственной академии водного транспорта. Автор 138 научных работ в области дорожных, строительных и подъемно-транспортных машин.
A.S. Slyusarev (b. 1940) graduated from the Gor'kii Polytechnic Institute in 1963. D. Sc. (Eng.), professor of "Applied Mechanics and Hoisting-Transport Machines" department of the Volga State Academy of Water Transport. Author of 138 publications in the field of the road, construction, and hoisting-transport machines.
Александр Сергеевич Яблоков родился в 1987 г., окончил Волжскую государственную академию водного транспорта в 2009 г. Ведущий инженер, аспирант Волжской государственной академии водного транспорта. Автор шести научных работ в области подъемно-транспортного оборудования.
A.S. Yablokov (b. 1987) graduated from the Volga State Academy of Water Transport in 2009. Leading engineer, post-graduate of the Volga State Academy of Water Transport. Author of 6 publications in the field of hoisting-transport equipment.
