На правах рукописи
Яблоков Александр Сергеевич
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ПЛАВУЧИХ КРАНОВ ЗА СЧЕТ
ПРИМЕНЕНИЯ ГИДРОТРАНСФОРМАТОРОВ В МЕХАНИЗМЕ ПОДЪЕМА
Специальность 05.08.05 – «Судовые энергетические установки и их элементы (главные и
вспомогательные)»
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Нижний Новгород – 2011
Работа выполнена в Федеральном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волжская государственная академия водного транспорта» (г. Нижний Новгород)
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Слюсарев Анатолий Сидорович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Куляшов Анатолий Павлович кандидат технических наук, доцент Арефьев Николай Николаевич
Ведущая организация: Федеральное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия водного транспорта»
Защита диссертации состоится «28» декабря 2011 г. в 1500 часов в аудитории 281 на заседании диссертационного совета Д 223.001.02 при ФБОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта» по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, д. 5а.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФБОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта».
Автореферат разослан «24» ноября 2011 г.
Учёный секретарь диссертационного совета, А.А. Кеслер к.т.н., доцент
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследований.
В речном флоте работы по добыче минерально - строительных грузов, дноуглубительные и перегрузке песчано-гравийной смеси в основном совершают плавучие краны. Энергетической установкой, обеспечивающей работоспособность плавучего крана, является дизель, но его работа имеет ряд особенностей. При подводной добыче плавучими кранами в качестве грузозахватного органа используется грейфер. 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 дополнительным нагрузкам в канатах механизма подъема и металлоконструкции крана. Этот эффект, возникающий в краткий промежуток времени, может превышать на 30% допускаемые нагрузки на кран и является «пиковым». В настоящее время более 90% плавучих кранов имеют срок эксплуатации от 20 лет и более, что делает проблематичным их использование при подводной добыче, так как металлоконструкции изношены и не рассчитаны на подобные нагрузки. На плавучих кранах используются высокооборотные и среднеоборотные дизели с газотурбинным наддувом и без него.
Известно, что отклонение частоты вращения вала дизеля вызывают снижение к.п.д. асинхронных двигателей, увеличение потерь мощности и вытекающей отсюда перерасход топлива дизелем, снижение скоростей. Таким образом, пиковые нагрузки ведут к работе энергетической установки на низких оборотах, что ведет к снижению крутящего момента, повышенному потреблению топлива, общему износу шатунно-поршневой группы. В последствии, продолжительная эксплуатация энергетической 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.
Избежать такое нагружение возможно автоматическим регулированием скорости замыкания грейфера в сторону уменьшения, так как фильтрационное и вязкостное сопротивление материала под водой являются функциями скорости деформации материала. Такое регулирование возможно осуществить установкой гидротрансформатора в приводе механизма подъема крана.
Гидротрансформатор позволяет автоматически регулировать скорость подъема и замыкания грейфера путем создания обратной связи между нагрузкой на канатах и скоростями зачерпывания и подъема грейфера. Гидротрансформатор позволяет плавно 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.
Таким образом, установка гидротрансформатора в механизм подъема плавучего крана позволяет автоматически регулировать скорость зачерпывания в зависимости от сил сопротивления зачерпыванию. Это позволяет энергетической установке плавучего крана (дизеля) работать без пиковых нагрузок.
Цель работы.
Повысить эффективность работы энергетической установки плавучего крана за счет установки гидротрансформатора в приводе механизма подъема для автоматического регулирования нагружения дизеля.
Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи исследований:
1. Усовершенствовать методику расчета сил сопротивления зачерпыванию, возникающих при зачерпывании водонасыщенного материала грейфером с учетом фильтрационных процессов и явления «присоса»;
2. Определить причины возникновения «пиковых» нагрузок при работе плавучего крана и методы их исключения;
3. Разработать методику подбора гидротрансформаторов для приводов плавучих кранов, работающих при подводной добыче;
4. Экспериментально определить усилия сопротивления зачерпыванию грейфером под водой груза при наличии в приводе гидротрансформатора и сравнить с теоретическими значениями;
5. Определить эффективность воздействия механизма подъема с гидротрансформатором на работу энергетической установки плавучего крана за счет автоматического регулирования скорости зачерпывания материала под водой.
Объектом исследования являются элементы судовых энергетических установок, кранового оборудования плавучих кранов и систем взаимодействия, подвергающиеся пиковым нагрузкам при подводной добыче водонасыщенного материала.
Предметом исследования являются процессы, происходящие при подводном зачерпывании водонасыщенного материала грейфером, их влияние на работу энергетической установки плавучего крана.
Научная новизна работы заключается в:
1. Усовершенствовании методики расчета моментов сопротивления от сил, возникающих при зачерпывании водонасыщенного материала грейфером под водой с учетом фильтрационных процессов при деформировании материала и влияния гидростатического давления.
2. Разработке методики подбора гидротрансформатора в механизме подъема плавучего крана для устранения пиковых нагрузок при подводной добыче.
3. Определении эффективности работы энергетической установки плавучего крана с гидротрансформатором в приводе механизма подъема.
Новизна технических решений защищена патентом Российской Федерации.
Практическая ценность диссертации.
1. Создан привод механизма подъема, автоматически регулирующий скорость зачерпывания грейфера в зависимости от нагрузки в канатах.
2. Разработаны технологические рекомендации по увеличению эффективности работы энергетических установок плавучих кранов.
3. Результаты исследований используются в учебном процессе по дисциплинам «Специальное перегрузочное оборудование терминалов» и «Грузоподъемные машины и машины безрельсового транспорта».
4. Разработанные рекомендации и результаты исследований внедрены отделом по обслуживанию перегрузочного оборудования ОАО «Нижегородский порт» при эксплуатации плавучего крана КПЛ 5-30, №2041.
Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных результатов подтверждена натурными экспериментальными исследованиями автора. Обработка результатов экспериментальных исследований выполнена с применением пакетов прикладных программ на базе ЭВМ.
Личный вклад автора. Автором сформулированы цели и задачи исследований; усовершенствована методика расчета сил сопротивления зачерпыванию водонасыщенного материала грейфером; разработана методика подбора и расчета гидротрансформаторов для механизма подъема плавучих кранов; обобщены и обработаны результаты натурных экспериментальных исследований; выполнен анализ влияния гидротрансформатора в механизме подъема на эффективность работы энергетической установки.
Апробация работы.
Основные положения и результат работы докладывались и обсуждались на:
- Научно-методической конференции ВГАВТ «Транспорт – ХХI век» (Н.Новгород, 2007 г.), - Втором всероссийском конкурсе инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых Российской Федерации «Обеспечение промышленной и экологической безопасности на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах» (Уфа, 2008 г.), - Конкурсе молодежных инновационных команд РОСТ (Н.Новгород, 2009 г.), - Всероссийском молодежном Форуме победителей (Москва, 2009 г., Диплом победителя);
- Международном научно-промышленном форуме «Великие реки 2010» (Н.Новгород, 2010 г.), - II межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России» (Санкт – Петербург, 2011 г.), - V международной научно-технической конференции молодых специалистов, аспирантов и студентов (Пенза, 2011 г.), - Х всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2011 (работа отмечена золотой медалью «За успехи в научно-техническом творчестве»), - Международной научно-технической конференции «ИНТЕРСТРОЙМЕХ-2011» (Беларусь, г. Могилев, 2011 г.), - Всероссийский форум «Россия единая XVI», - Всероссийском молодежном форуме «Селигер - 2010», «Селигер - 2011», - Победитель в Молодежном научно-исследовательском конкурсе «У.М.Н.И.К.»-2009, «У.М.Н.И.К.-Н.Н.-2011».
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, из них один патент РФ и 3 работы в изданиях рецензируемых ВАК.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырех приложений изложена на 150 страницах, включая 49 рисунков и 18 таблиц. Список библиографических источников на 13 страницах включает 116 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность исследований, изложены цель, задачи и научная новизна.
В первой главе выполнен анализ существующей техники, применяемой для подводной добычи, а также исследований, выполненных по энергетическим установкам грейферных плавучих кранов.
Для подводной добычи применяются плавучие краны, землесосные снаряды, черпаковые снаряды, передвигающиеся по дну земснаряды, скреперные установки, драги, подводные бульдозеры, самоходные дноуглубительные земснаряды, глубоководные эжекторные земснаряды, подводные экскаваторы.
Вышеперечисленные установки для подводной добычи ископаемых имеют ряд недостатков: большая металлоемкость и площадь парусности (при большом волнении и сильном ветре вероятность опрокидывания повышается), приведение оборудования установки в походное состояние из за сложности конструкции и большого веса занимает много времени, значительные начальные капитальные вложения.
Наиболее перспективной является грейферная плавучая установка для добычи рудных полезных ископаемых, предложенная в авторском свидетельстве №825777 Слюсаревым А. С. и Каракулиным Г. Г., где в качестве захватного устройства применяется грейфер. По данному авторскому свидетельству был выполнен рабочий проект гидротранспортной установки с двумя грейферами. Данная установка позволяет добывать рудные материалы на глубинах до 200 м. с последующей гидроразгрузкой под водой.
Применимо к российским условиям подводной добычи нерудных строительных материалов и полезных ископаемых следует отметить, что наиболее распространены плавучие краны, оснащенные стандартными механизмами подъема. Однако механизмы подъема плавучих кранов обладают перечисленными недостатками при работе под водой, так как были спроектированы и изготовлены при отсутствии должной теории подводного зачерпывания материала.
В работе Мальцева В.Н. (ГИИВТ 1974 г.) приводится анализ особенностей режима нагружения энергетической установки крановыми электроприводами, результаты испытания, технические требования и рекомендации по экономичной эксплуатации.
По результатам испытаний установки ДРГ 320/500, проведенными Нестеровым Л.Н. в Казанском речном порту установлено, что турбокомпрессор ТК 23Н-26 двигателя 6ЧН 25/34 в крановом режиме эксплуатации ввиду большой инерции ротора практически оказывается неработоспособным. Нарушение нормального воздухоснабжения дизеля при набросах нагрузки неизбежно приводит к дымности выхлопных газов, саже- и нагарообразованию в проточной части газовой турбины, что требует ежегодного ремонта турбокомпрессора или его замены.
На основании разработанных требований автор утверждает, что двигатели с турбонаддувом 16ЧН18/22, 6ЧН25/34, 6ЧН26/35, нельзя рекомендовать для плавучих грейферных кранов.
Большие работы по исследованию переходных процессов в энергетических установках проводились под руководством В.И.
Толшина. В его исследованиях проведен анализ и рассмотрены вопросы улучшения параметров переходных процессов в дизелях.
В результате чего установлено, что изучение вопросов обеспечения надежной работы дизелей в грейферных режимах должно носить конкретный характер, применительно к конкретному крану с конкретным двигателем.
Подводное зачерпывание сыпучего материала было рассмотрено в работах Никитаева И.В., Слюсарева А.С.. Основной вклад в теорию подводной разработки грунтов внесли отечественные учёные Ю. А. Ветров, С. П. Огородников, В. И. Баловнев, И. А. Недорезов, В. Г. Моисеенко, А. Д. Николаев. Ими разработаны теоретические основы и принципы конструирования подводных грунторазрабатывающих машин.
Особенности взаимодействия рабочих органов под водой исследовали: Д. Д. Тургумбаев, М. Т. Тындыбеков, А. А. Карошкин, А. А. Шаталов, Н. А. Лобанов, М. К. Сукач, А. А. Курузь и др.… Особенности и характеристики добывающей техники, изложены авторами: Radetzki M., Лобановым В. А., Айбулатовым Н. А., Ikeda K., Мызенковой Л. Ф., Мурдмаа И. О. и др...
На основании проведенного анализа поставлены цели и задачи исследований.
Во второй главе приведен анализ работ по теории зачерпывания сухого и водонасыщенного материала, а также математическая модель процесса зачерпывания водонасыщенного материала грейфером.
Исследование деформации сыпучего материала в грейфере проводилось Слюсаревым А.С., в лабораторных условиях на установке, представленной на рис. 1 а.
а) общий вид установки для исследований;
б) деформация слоев груза в грейфере у стенки челюсти Рисунок 1. Установка для пенатрационных исследований Анализ фотографий деформации слоев песка в грейфере у передней стенки (рис. 1 б) и при разрезах песка по вертикальной плоскости подтверждает идентичность деформаций материала у стенок грейфера и в глубине.
Следовательно, объемные деформации, охватывающие весь массив груза в грейфере, являются следствием сжатия материала в грейфере и представляют пластическое деформирование сыпучего материала.
Таким образом, было установлено, что для грейферов, геометрия челюсти которых в процессе производственной эволюции определена как оптимальная, движение слоев материала представляется в виде концентрических кругов, исходящих из точки максимального давления вверх, при этом частицы двигаются по кратчайшему пути, а реактивные силы трения направлены радиально к концентрическим окружностям с центром в точке смыкания челюстей.
Данные исследования позволили определить направления реактивных сил, действующих внутри грейфера при сжатии материала и определить изменение плотности груза внутри грейфера: максимальная в точке схождения челюстей и минимальная на поверхности.
Аналогичные пенатрационные исследования были проведены автором с водонасыщенным материалом, когда грунтовый лоток с подготовленным песком заливался водой. Деформация слоев водонасыщенного материала в грейфере была аналогичной сухому материалу, так как является для процесса зачерпывания энергетически оптимальной. Однако к действующим усилиям добавится фильтрационная составляющая, а при движении материала по челюстям будет действовать не сухое трение, а вязкостное течение материала.
Исследование уплотнения водонасыщенных сыпучих материалов в жесткой матрице проводилось Слюсаревым А.С. на экспериментальной установке ЭПС-01.
Метод разделения давления фильтрации и давления уплотнения твердой фазы материала был определен Слюсаревым А.С., предполагалось, что процесс фильтрации при сжатии водонасыщенного материала более сложный, чем описываемый уравнениями Дарси.
Следовательно, давление фильтрации жидкостей при уплотнении водонасыщенного материала (песка, ПГС) в зависимости от пористости (коэффициента уплотнения) определится:
где 0 - начальная пористость материала, - коэффициент динамической вязкости, k - текущее значение коэффициента уплотнения, - скорость фильтрации, [м/с], a, Ф - опытные коэффициенты, d Э – средний эффективный диаметра зерен среды, [м].
Полное давление уплотнения водонасыщенных сыпучих материалов:
где P0 exp - давление, связанное с увеличением плотности скелета пористого материала, k p - максимальный коэффициент уплотнения сыпучего материала в грейфере согласно ГОСТ 25100-95, - модуль уплотняемости, P0 - начальное давление фильтрации, различное для различных материалов.
Определение сил сопротивления зачерпыванию определяется, когда грейфер рассматривается закрытый, в этом случае плотность грунта и фильтрационные процессы максимальные и начинает действие явление «присоса». Статически неопределимая задача движения грейфера в материале раскрывается за счет фиксации челюстей и определения направления движения материала внутри грейфера. С точки зрения определения мощностных затрат эта фаза зачерпывания является определяющей, поскольку нагрузки на челюсти максимальны.
В качестве аргументов приняты R, и (рис. 2 а), то есть сферические координаты, в которых переменные меняются в пределах 0 R R0 ; 0 ; 0 для одной половины грейфера.
Расчетная схема представлена на рис. 2 а. Для упрощения расчета представим, что профиль днища описывается радиус вектором R R0, то есть днище полусферическое. Другие формы днища грейферов одинаковой вместимости, изменяющиеся между полукруглой и плоской, отличаются площадью трения в пределах 3%.
Рассечем челюсть плоскостью I-I. При повороте плоскости на угол d и d выделим элементарную площадку d.
а) схема для определения сил трения по днищу грейфера;
б) схема для определения сил сопротивления зачерпыванию от приращения давления при уплотнении сыпучего материала Рисунок 2. Схемы для определения моментов от сил сопротивления Момент от сил трения, обусловленного давлением столба водонасыщенного материала в грейфере, высотой h по днищу челюстей грейфера относительно точки a / (шарнир на нижней траверсе грейфера) определится:
Полный момент от сил трения по днищу обусловленный приращением давления водонасыщенного материала при увеличении его плотности определится:
Суммарный момент от сил трения по днищу сыпучего материала, обусловленный весом материала в грейфере и его сжатием при зачерпывании определится:
При повороте секущей плоскости I-I на угол d (см.рис.2 б) в материале, заключенном в грейфере, выделится призма. В призме сыпучий материал имеет переменную плотность и находится в объемно-напряженном состоянии.
Выделим в обобщенных координатах ( R,, ) элемент и рассмотрим его равновесие. Со стороны стенок грейфера на элемент действует давление P. На нижнюю полость элемента действует давление большее, чем на верхнюю из-за приращения плотности материала d.
Суммарный момент от сил, обусловленных приращением давления в сыпучем материале, при его уплотнении в грейфере определится:
Суммарный момент от сил сопротивления зачерпыванию, обусловленный давлением материала на днище грейфера с учетом фильтрации материала, при его уплотнении в грейфере после интегрирования определится:
Момент от сил сопротивления резанию режущими поясами челюстей грейфера относительно точки a / определится где M T - момент от сил сопротивления резанию режущей шиной челюсти;
n - количество челюстей.
где PP - удельное сопротивление резанию, [Па] вH - расчетная толщина режущей длины, [м].
В настоящей работе предлагается методика определения величины усилия «присоса», а также методы уменьшения его отрицательного воздействия.
Суммарный момент от сил сопротивления зачерпыванию относительно точки Из условия равновесия челюсти грейфера определяем усилие, возникающее в замыкающем канате, а также мощность необходимую для процесса зачерпывания.
Представленная методика расчета усилий сопротивления зачерпыванию груза под водой позволяет определить распределение давления на стенки грейфера и «вес» всех составляющих сопротивлений, а также их зависимость от скорости деформации водонасыщенного груза.
«