Введение к работе
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 нагруже-ния дизеля.
Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи исследований:
1. Усовершенствовать методику расчета сил сопротивления за
черпыванию, возникающих при зачерпывании водонасыщенного
материала грейфером с учетом фильтрационных процессов и явле
ния «присоса»;
Определить причины возникновения «пиковых» нагрузок при работе плавучего крана и методы их исключения;
Разработать методику подбора гидротрансформаторов для приводов плавучих кранов, работающих при подводной добыче;
Экспериментально определить усилия сопротивления зачерпыванию грейфером под водой груза при наличии в приводе гидротрансформатора и сравнить с теоретическими значениями;
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:
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.
Разработке методики подбора гидротрансформатора в механизме подъема плавучего крана для устранения пиковых нагрузок при подводной добыче.
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 регули
рующий скорость зачерпывания грейфера в зависимости от нагруз
ки в канатах.
Разработаны технологические рекомендации по увеличению эффективности работы энергетических установок плавучих кранов.
Результаты исследований используются в учебном процессе по дисциплинам «Специальное перегрузочное оборудование тер-
миналов» 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 -XXI 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.),
X всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2011 (работа отмечена золотой медалью «За успехи в научно-техническом творчестве»),
Международной научно-технической конференции «ИНТЕР-СТРОЙМЕХ-2011» (Беларусь, г. Могилев, 2011 г.),
Всероссийский форум «Россия единая XVI»,
Всероссийском молодежном форуме «Селигер - 2010», «Селигер - 2011»,
Победитель в Молодежном научно-исследовательском конкурсе «УМНИК »-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.
Похожие диссертации на Повышение эффективности работы энергетических установок плавучих кранов за счет применения гидротрансформаторов в механизме подъема
