CC BY
10УДК 62-768
А.С. Слюсарев, А.С. Яблоков
ТРЕБОВАНИЯ К ХАРАКТЕРИСТИКАМ И КОНСТРУКЦИИ
ГИДРОТРАНСФОРМАТОРОВ В ПРИВОДАХ МЕХАНИЗМОВ ПОДЪЕМОВ ПЛАВУЧИХ КРАНОВ, РАБОТАЮЩИХ ПОД ВОДОЙ
Волжская государственная академия водного транспорта
Рассмотрены последствия явления «присоса» грейфера для плавучих кранов, занимающихся подводной добычей. Приведено решение проблемы - включение в привод механизма подъема гидротрансформатора, а также сформулированы требования к характеристикам и конструкции для такого гидротрансформатора.
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 так же в качестве грузозахватного органа используется грейфер. Однако при работе грейфера в водонасыщенном материале под водой при его зачерпывании и подъеме 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 краткий промежуток времени, может превышать на 50% допускаемые нагрузки на кран и является «пиковым» [1].
Пиковые нагрузки возникают из-за физических процессов, происходящих при зачерпывании водонасыщенного материала под водой. 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 скорость подъема и замыкания грейфера путем создания обратной связи между нагрузкой на канатах и скоростями зачерпывания и подъема грейфера. Они позволяют гладко менять передаточное отношение от двигателя к редуктору в 3,5 раза в строну увеличения, соответственно увеличивая крутящий момент на валу редуктора, что и позволят преодолевать эффект «пиковых» нагрузок. Кроме того, гидротрансформатор является средством, предохраняющим привод от любых перегрузок, так как передача крутящего момента в нем осуществляется через жидкость, а не через жесткую кинематическую связь.
Как показали исследования [2], несмотря на некоторое снижение к.п.д. 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. - цифра соизмеримая со стоимостью 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 2,0 раза.
Анализ свойств и характеристик существующих гидротрансформаторов [ 2, 3] позволяет сформулировать предъявляемые к ним требования при установке в механизме подъема плавучего крана:
1. Гидротрансформатор, обладая высоким быстродействием, должен иметь соответствующие демпфирующие свойства, позволяющие избежать действие на его работу высоких частотных колебаний в канатах механизма подъема.
© Слюсарев А.С., Яблоков А.С., 2010.
2. Гидротрансформатор должен обеспечивать работу электродвигателя привода в оптимальных режимах, не переходя в режимы, когда вся подводимая мощность расходуется на «мятие» жидкости. Таким требования отвечают полностью «непрозрачные» гидротрансформаторы [2, 4, 5], но создание гидротрансформаторов данного типа проблематично [4, 6], поэтому целесообразно применять гидротрансформаторы с малой степенью «прозрачности», в пределах 1,0.. .1,1 в основной рабочей зоне.
Прозрачность - свойство насосного колеса изменять величину крутящего момента 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 применение одноступенчатого гидротрансформатора, обладающего наибольшей простотой конструкции [2, 4, 5].
4. Гидротрансформатор должен иметь устройство для блокировки, с целью обеспечения работы привода с постоянными низкими скоростями, то есть иметь 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 к.п.д. гидротрансформатора. В этом случае преобразующие свойства гидротрансформатора используются при всех режимах работы привода с реализацией положительных качеств применительно к подводной добыче.
На основании сформулированных требований необходимо подобрать следующие параметры гидротрансформатора механизма подъема плавучего крана.
Оптимальным является одноступенчатый гидротрансформатор, отличающийся сравнительно простой конструкцией и наиболее дешевый в производстве.
Характеристики гидротрансформаторов определяются зависимостями К = ф) ; п=®(0;
^=Г(/), где К - коэффициент трансформации (силовое передаточное число); п - коэффициент полезного действия; ^ - коэффициент момента ведущего вала (характеризует свойства передачи нагружать двигатель); I - передаточное отношение.
Изменение указанных характеристик определяются параметрами круга циркуляции и углами наклона лопаток в колесах (насосное, турбинное, реакторное).
В качестве оценочных параметров, характеризующих нагрузочные свойства, используются величины - А,1тах, А,10, А,1т , П1, П2, а для определения преобразующие свойств гидротрансформаторов используются величины К0, п*, , К * [7], где Х1тах - максимальное значение коэффициента момента ведущего вала;
- коэффициент момента ведущего вала, соответствующий максимальному значению коэффициента трансформации;
А1т - минимальное значение коэффициента момента ведущего вала;
П - величина прозрачности на участке, соответствующем максимальному значению к.п.д.;
П2 - величина прозрачности на участке, соответствующем минимальному значению к.п.д. в рабочей зоне;
К0 - максимальное значение коэффициента трансформации;
П - максимальное значение к.п.д. гидротрансформатора;
I - передаточное отношение, соответствующее максимальному значению к.п.д.;
К* - величина коэффициента трансформации при передаточном отношении, соответствующем максимальному значению к.п.д.;
/ - минимальное значение передаточного отношения в рабочей зоне;
# - значение передаточного отношения, соответствующее минимальному передаточному отношению в рабочей зоне;
Пр - значение к.п.д., соответствующее минимальному передаточному отношению в рабочей зоне;
На рис. 1 отображены зависимости основных характеристик при изменении передаточного отношения.
Рис. 1. Характеристика гидротрансформатора и его основные параметры
Указанные свойства зависят от конструкции одноступенчатых гидротрансформаторов. На рис. 2 показаны основные типы одноступенчатых гидротрансформаторов, отличающихся расположением турбинного колеса.
а) б) в)
Рис. 2. Типы кругов циркуляции одноступенчатых гидротрансформаторов:
Я21 - осредненный радиус на входе в турбинное колесо;
Я22 - осредненный радиус на выходе из турбинного колеса
В зависимости от расположения турбинного колеса различают гидротрансформаторы: с центростремительной турбиной (рис. 2, а), осевой турбиной (рис. 2, б) и центробежной турбиной (рис. 2, в).
Типичные зависимости, характеризующие преобразующие свойства одноступенчатых гидротрансформаторов с различными типами турбинных колес, показаны на рис. 3.
Рис. 3. Преобразующие свойства одноступенчатых гидротрансформаторов:
1 - гидротрансформатор с центробежной турбиной; 2 - с осевой турбиной; 3 - с центростремительной турбиной
Основное требование к гидротрансформатору - высокий к.п.д. в рабочей зоне. Это требование наиболее полно можно реализовать в комплексных гидротрансформаторах (с центростремительной турбиной и симметричным расположением насосного и турбинного колес рис. 2, 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 этого 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, соответствующих условиям и нагрузкам, позволяет сделать вывод, что им наиболее отвечает 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, а также ведутся работы по дальнейшей разработке и внедрению данного привода.
Библиографический список
1. Никитаев, И.В. Судовые энергетические грейферные установки для добычи рудных материалов на континентальном шельфе / И.В. Никитаев. - Нижний Новгород: ВГАВТ, 2000. - 26 с.
2. Анохин, В.И. Применение гидротрансформаторов на скоростных гусеничных тракторах / В.И. Анохин. - М.: Машиностроение, 1972. - 304 с.
3. О выборе основных параметров гидротрансформатора для гидромеханической трансмиссии скоростного гусеничного сельскохозяйственного трактора / В.И. Анохин [и др.] // Тракторы и сельхозмашины. 1985. №10. С. 11-15.
4. Кочкарев, А.Я. Гидродинамические передачи / А.Я. Кочкарев. - Л.: Машиностроение, 1971. - 336 с.
5. Нарбут, А.Н. Гидротрансформаторы / А.Н. Нарбут. - М.: Машиностроение, 1966. - 218 с.
6. Анисимов, В.Б. Гидротрансформаторы для строительных и дорожных машин / В.Б. Аниси-мов. - М.: Стройиздат, 1967. - 42 с.
7. Трусов, С.М. Автомобильные гидротрансформаторы / С.М. Трусов. - М.: Машиностроение, 1977. - 211 с.
Дата поступления редакцию 28.01.2010
A.S. Slusarev, A.S. Yablokov
THE REQUIREMENTS TO FEATURE AND DESIGNS OF THE TORQUE CONVERTERS IN LIFTING MECHANISM ASCENT FLOATING CRANES, RUNNING ON WATER
The article describes the effects of the phenomenon of "sucker" grapple for floating cranes involved in underwater prey. We solve the problem - the inclusion in the drive mechanism for lifting torque converter, as well as the requirements to specifications and designs for such a torque converter.
Key words:Torque converter, pump, turbine, reactor, grapple.
