CC BY
16УДК 62-768
А.С. Яблоков, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ»
603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
С.Н. Шутов, начальник отдела экспертизы зданий и сооружений
ООО «Экспертный центр»
603004, г. Нижний Новгород, пр. Ленина, 88
К ВОПРОСУ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ И АВТОМАТИЗАЦИИ ПРИВОДА МЕХАНИЗМА ПОДЪЕМА ГРЕЙФЕРНОГО КРАНА
Ключевые слова: гидротрансформатор, насосное колесо, турбинное колесо, реакторное колесо, грейфер.
Рассмотрены последствия явления «присоса» грейфера для кранов, занимающихся подводной добычей. Приведено решение проблемы - включение в привод механизма подъема гидротрансформатора, а также сформулированы требования к характеристикам и конструкции для такого гидротрансформатора.
При подводной добыче 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 также 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]. (рис. 1)
иПО - скорость навивки каната поддерживающей лебедки, иЗО - скорость навивки каната замыкающей лебедки, ü, ст2, ст3, ü4 - напряжения в элементах металлоконструкции
Рис. 1. Процессы в динамических системах крана при подъеме груженого грейфера
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).
Рис. 2. Характерные дефекты металлоконструкции и механизмов плавучих кранов
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 дизельгенератора вызывают снижение к.п.д. асинхронных двигателей, увеличение потерь мощности и вытекающей отсюда перерасход топлива дизелем, снижение скоростей. Переходные процессы в генераторе и дизеле (рис. 3) имеют колебательный характер.
При испытаниях энергетических установок на базе дизелей без наддува (8Ч 23/30) [2] было установлено (рис. 3), что при подъеме груженого грейфере провалы напря-
жения близки по величинам к изменениям частот вращения вала дизеля и составляют у кранов КПЛ 16-30 с электродвигателями МТВ713-10 20-25%, у кранов КПЛ 16-30 с двигателями МТН613-10 8-10% от номинальных значений.
Включение нагрузки на дизель-генератор не сопровождается мгновенным возрастанием движущего 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 производится до 300-400 включений электродвигателей подъемных лебедок и продолжительность переходных процессов в энергетической установке от общего времени кранового цикла 15-20%.
Рис. 3. Осциллограмма экспериментальных испытаний дизель-генераторной установки ДГ Р 300/750 на плавучем кране: 1 - подъем груженого грейфера;
2 - подъем порожнего грейфера; 3 - начало зачерпывания.
Таким образом, пиковые нагрузки ведут к работе дизель-генераторной установки на низких оборотах, что ведет к снижению крутящего момента, повышенному потреблению топлива, общему износу поршневой группы. В последствии, 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: 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 сторону увеличения и соответственно увеличивая крутящий момент на валу редуктора, что и позволят преодолевать эффект «пиковых» нагрузок. Кроме того, 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 [3], несмотря на некоторое снижение к.п.д. привода вследствие возникновения дополнительных потерь в гидротрансформаторе, обеспечивается рост производительности при приемлемой стоимости гидротрансформатора, соизмеримая со стоимостью среднего ремонта механизма подъема. Средняя стоимость гидротрансформатора составляет тридцать тысяч рублей - цифра соизмеримая со стоимостью среднего ремонта плавучего крана. Установлено также, что благодаря высоким защитным свойствам, надежность электродвигателя повышается в 1,41,5 раза, а долговечность редуктора и элементов механической передачи в 2,0 раза.
Анализ свойств и характеристик существующих гидротрансформаторов [3, 4] позволяет сформулировать требования к ним для установки 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.
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 [3, 5, 6], но создание гидротрансформаторов данного типа проблематично [6, 8], 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 [4, 6, 7].
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.
На рис. 4 отображены зависимости основных характеристик при изменении передаточного отношения:
Рис. 4. Характеристика гидротрансформатора и его основные параметры
Указанные свойства зависят от конструкции одноступенчатых гидротрансформаторов. На рис. 5 показаны основные типы одноступенчатых гидротрансформаторов, отличающихся расположением турбинного колеса.
Рис. 5. Типы кругов циркуляции одноступенчатых гидротрансформаторов:
Я21, Я22 - осредненный радиус на входе и выходе из турбинного колеса соответственно
В зависимости от расположения турбинного колеса различают гидротрансформаторы: с центростремительной турбиной (рис. 5,а), осевой турбиной (рис.5,б) и центробежной турбиной (рис. 5,в).
Типичные зависимости, характеризующие преобразующие свойства одноступенчатых гидротрансформаторов с различными типами турбинных колес, показаны на рис. 6.
К
2
V ; 1 2
44 У /
к
О 02 04 06 08
08 06 04 02 О
Рис. 6. Преобразующие свойства одноступенчатых гидротрансформаторов: 1,2,3 - гидротрансформатор с центробежной, осевой, центростремительной турбиной соответственно.
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. 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 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 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 №91999 (рис. 7), а также ведутся работы по дальнейшей разработке и внедрению данного привода.
Рис. 7. Общий вид механизма подъема с гидротрансформатором: 1 - редуктор; 2 - гидротрансформатор; 3 - электродвигатель; 4 - канатный барабан
Список литературы:
[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] Нестеров Л.Н. Оптимизация нагрузочного режима энергетической установки грейферного плавкрана/ Л.Н.Нестеров - Горький: ГИИВТ, 1985. - 251 с.
[3] Анохин В.И. Применение гидротрансформаторов на скоростных гусеничных тракторах/ В.И. Анохин - М.: Машиностроение, 1972. - 304 с.
[4] Анохин В.И. 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.
[5] Кочкарев А.Я. Гидродинамические передачи/ А.Я. Кочкарев - Л.: Машиностроение, 1971. -336 с.
[6] Нарбут А.Н. Гидротрансформаторы/ А.Н. Нарбут - М.: Машиностроение, 1966. - 218 с.
[7] Анисимов В.Б. Гидротрансформаторы для строительных и дорожных машин/ В.Б. Аниси-мов - М.: Стройиздат, 1967. - 42 с.
[8] Трусов С.М. Автомобильные гидротрансформаторы/ С.М. Трусов - М.: Машиностроение, 1977. - 211 с.
THE REQUIREMENTS TO FEATURE AND DESIGNS OF THE TORQUE CONVERTERS IN LIFTING MECHANISM ASCENT FLOATING CRANES, RUNNING ON WATER
A.S. Yablokov, S.N. Shutov
Keywords: torque converter, pump, turbine, reactor, grapple.
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.
