第九章船舶甲板機械電力拖動及其電氣控制 本章概述現代船舶一般都把錨機 絞纜機 起貨機和甲板起重設備統稱為甲板機械 船舶的甲板機械大多采用電力拖動自動控制系統和電動液壓控制系統 船舶航行于海上 它處于與陸地完全不同的工作環境 機電設備運行的可靠性決定了船舶及海員的安全 因此要求船舶機電設備必須適應海上各種惡劣情況 如高溫 潮濕和海水的侵蝕 風浪引起的撞擊和搖擺 另外 還要求機電設備操作靈活 維修方便 本篇還將介紹甲板機電設備的日常維護要點 引入典型實例來介紹一些常見故障處理方法 第九章船舶甲板機械電力拖動及其電氣控制 本章主要講解內容第一節船舶甲板機械的特點及驅動與控制方法第二節起貨機的電力拖動與控制的基本要求第三節起貨機的電力拖動控制線路分析第四節錨機和系纜設備的電力拖動與控制 第一節船舶甲板機械的特點及驅動與控制方法 當今各類運輸船舶通常將錨機 絞纜機和起貨機稱為船舶甲板機械 當然各類工程船舶上的移船絞車 捕魚船的拖網機 救撈船的尾拖纜機都屬于運輸船舶的絞車類和起貨機類 船舶甲板機械的驅動方式有電動式和液壓式兩大類 其相應的控制回路為電氣控制回路和液壓控制回路 在電氣控制回路中 當代船舶已經引入了可編程控制器和單片機 在液壓控制回路中 大多采用電子技術和液壓技術相結合的電液復合系統 進一步提高了系統的自動化程度 返回 一 電動甲板機械1 船舶甲板機械的工況特點2 調速要求3 工作的可靠性要求高4 對電氣設備的要求 1 船舶甲板機械的工況特點船舶甲板機械與船舶電站緊密聯系 甲板機械中某些電動機單機功率相對發電機的容量而言 占有了較大的權重 拖動電機的起動 制動 運行狀態都會直接影響到船舶電網參數的變化 船舶電站的容量基本上是根據船舶機電設備的總容量來確定的 2 調速要求甲板機械要求調速的主要有起貨機 錨機和絞纜機等 但這幾種設備對于電力拖動的各項調速指標的要求并不高 一般要求調速范圍在1 8 1 10左右 至于特性的硬度 靜差率以及動態性能方面的指標都沒有特殊的要求 目前在船用交流調速系統中 起貨機 錨機大多采用變極調速系統 有的船舶起貨機把可編程控制器和單片機引入到控制系統中來 使其調速系統更為可靠 性能更佳 3 工作的可靠性要求高甲板機械及其機電設備的高可靠性運行 這是由船舶的特殊性所決定的 除了要求它們可靠運行外 還要方便日常管理和維護 一旦發生意外故障 則要求鼓掌部分能迅速恢復和切除 盡最大可能保持供電和繼續運行 4 對電氣設備的要求對船舶的甲板機電設備有以下幾點要求 1 通用性 同一用途的設備應具有同一規格 以保證良好的互換性 2 抗干擾性 目前電力電子器件在船舶中大量運用 必須抑制各種電磁干擾 提高電子設備和微機系統的電磁兼容性以保證這些系統的正常工作 3 環境條件 要求機電設備能承受船舶在航行中發生的振動和沖擊力 以及環境溫度的變化 二 液壓甲板機械甲板起重機大多采用液壓傳動 錨機 系泊絞纜機和起貨機也有不少是采用液壓傳動的 液壓起貨機 錨機和絞纜機操作方便 工作比較平穩 可實現無級調速 而且能吸收沖擊性負荷和自動防止過載 并具有良好的制動能力 它們對環境溫度和濕度不太敏感 但它們存在加工精度要求較高 制造安裝比較復雜 維護管理工作量相對大 表9 1為甲板機械兩種驅動方式的性能及有關情況 表9 1甲板機械兩種驅動方式的比較 第二節起貨機的電力拖動與控制的基本要求 一 船舶起貨機的類型及特點船舶起貨機的類型很多 依據拖動方式來分 有電力拖動起貨機和電動液壓起貨機兩種 從機械結構的形式來分 主要有吊桿式起貨機 回轉式起貨機 克令吊 和行走 門吊 式起重機幾種類型 1 電動起貨機的特點2 電動液壓起貨機的特點 返回 1 電動起貨機的特點電動起貨機系統結構緊湊 振動 噪音較小 便于實現自動化和遙控 其缺點是電氣線路較為復雜 在管理和維護方面有一定的要求 通常采用多電動機拖動或選用各種類型電動機的固有特性或人為特性來滿足起貨機對電力拖動提出的要求 2 電動液壓起貨機的特點電動液壓起貨機能實現無級平滑調速 加速時間短 具有良好的制動能力 不需要電磁制動器 它的調速和換向是在液力機械中進行的 而電動機維持恒速不變 因此可采用普通鼠籠式異步電動機 它的缺點是工作效率低 制造精度要求高 油路系統復雜 一旦管路破損 漏油不易修復 二 電動起貨機的結構和運行特性起貨機與其他機電設備一樣 由原動機 傳動機構和執行機構三部分構成 電動起貨機主要由以下三個部分構成 電動機 減速箱和離合器組成的傳動機構及卷筒 電磁 機械剎車裝置與吊桿等 1 吊桿式起貨機吊桿式起貨機有單桿式和雙桿式兩種 單桿式電動起貨機是一種具有電動回轉和變幅的起貨機 見圖9 1 雙桿式電動起貨機是采用兩臺起貨機在起貨過程中相互配合進行工作的 見圖9 2 雙桿吊貨的工作過程見圖9 3 圖9 1單桿式電動起貨機結構圖 返回 圖9 2雙桿式電動起貨機結構圖 返回 圖9 3雙桿吊貨時電動機負載圖 返回 由圖9 3可見 起貨電動機是重復短期工作 所以起貨電動機一般采用專用的重復短期制 這種工作制用百分數JC值表示 稱為暫載率或通電持續率 它表示在一個周期內 工作時間與一個周期時間T之比 式中 tg為一周期內工作時間 t1為一周內的停止時間 船舶起貨機采用的電動機的暫載率一般為15 20 25 40 一個周期的時間一般不超過10分鐘 2 回轉式電動起貨機回轉式起貨機 克令吊 它包括提升 變幅和回轉三個主要機構 其拖動方式可采用電動機拖動 也可以用電動液壓裝置拖動 如圖9 4 是克令吊結構示意圖 圖中1是提升機構電動機 2是變幅機構電動機 3是旋轉機構電動機 通常可操作兩個機構同時運轉 也可以操作三個機構同時工作 回轉式起貨機的吊貨過程可以用簡化的負載圖來表示 見圖9 5 圖中縱坐標 分別為提升機構 回轉機構和變幅機構的電動機軸上的負載力矩 橫坐標為時間t 1提升機構電動機2變幅機構電動機3旋轉機構電動機 圖9 4克令吊結構示意圖 返回 圖9 5各電動機軸上所受力矩的簡化負載圖 回轉式電動起貨機的工作過程為 1 t1時間為吊起貨物階段 同時伸距由最小到最大 2 t2時間為繼續吊貨至需要高度 同時開始回轉 3 t3時間為回轉至需要位置 伸距同步由最小開始變大 4 t4時間伸距繼續變化至最大 同時開始落貨 5 t5時間繼續落貨 直至 到位 6 t6時間卸貨 此時各電動機停止工作 7 t7時間空鉤吊上 同時伸距由最大至最小 8 t8時間繼續吊至需要高度 同時開始回轉 9 t9時間繼續回轉至需要位置 同時伸距由最小開始變大 10 t10時間伸距繼續變化至最大 同時開始落空鉤 11 t11時間繼續落空鉤 直至 到位 12 t12時間為裝貨 各電動機停止工作 t1 t12是一個工作周期 以后重復上述過程 三 船舶起貨機電力拖動的基本要求1 提高生產率2 對調速范圍的要求3 對電動機型式的要求4 對控制電路的要求 1 提高生產率生產率是起貨機的重要指標 以每小時的起貨量 t h 表示 加快提升貨物的速度可提高起貨機生產率 但從安全生產的角度來看 提升速度越高越不安全 為了提高生產率 必須合理確定額定起貨速度 提高空鉤速度可以縮短起貨周期 提高生產率 因為空鉤高速時造成生產事故的可能性較小 一般起貨機空鉤運行速度比額定起貨的速度高出許多 對電動起貨機選用飛輪慣量 GD2 小的電動機以縮短系統的起動和制動時間也是提高生產率的一項有效措施 2 對調速范圍的要求調速范圍是起貨機的另一重要指標 起貨電動機在運行過程中 既有空鉤高速 又有重載低速 要求較廣的調速范圍 一般直流起貨機調速范圍為10 1 調速性能良好 交流起貨機的調速范圍為7 1 基本上也能滿足起貨的調速要求 而液壓起貨機的調速由液壓控制實現 拖動電動機本身不需要調速 3 對電動機型式的要求電動起貨機必須選用防水式 重復短期工作制的電動機以適應甲板工作條件 直流起貨機 一般采用起動力矩大而機械特性軟的復勵電動機以承受沖擊負載 并且能適應輕載高速 重載低速的工況 對交流起貨機 宜選用起動力矩大 轉差率高而起動電流較小的深槽式 或雙籠式 的變極調速籠式異步電動機 也可選用繞線式異步電動機 對發電機 電動機 G M 系統的起貨機 宜選用具有差復勵繞組的發電機 使電動機獲得適用于起貨機的下墜特性 此外 要選用轉動慣量小的專用電動機 使起動和制動過程中的能耗降低 4 對控制電路的要求 1 電動起貨機采用三檔調速控制 并能實現正反轉運行 2 對電動機設置短路 過載 繞組過熱 失壓欠壓 缺相保護環節等 3 采用主令控制器實現運行操作 以保證起貨機操作靈活 工作可靠 4 電動機要求有通風機進行強制冷卻 并設置風道的風門對風機和起貨電動機之間的聯鎖控制 5 設置從零檔至上升 或下降 高速檔的自動延時起動控制 以防止快速操作引起電動機過大的沖擊電流以及起貨機過大的機械沖擊 6 從高速檔回零檔停車時設置有三級自動制動控制 電氣制動 再生制動 電氣與機械聯合制動以及機械制動 7 對于恒功率調速的電動機 中 高速檔設置有重載不上高速的控制環節 當額定負載 重載 時 既使主令手柄扳至上升高速檔 電動機也只能運行于中速檔 若電動機運行于高速檔時出現重載 則應自動回到中速檔 8 設置 逆轉矩 控制環節 即首先實現從高速擋到零檔的自動制動停車 然后再實現從零檔到反向高速檔三級延時起動的自動過程 9 設置有電磁制動器處于松閘的狀態下防止 貨物自由跌落 的保護 10 設置有電磁制動器線圈處于剎車狀態下防止中 高速檔堵轉的保護 第三節起貨機的電力拖動控制線路分析 一 交流恒功率變極調速起貨機控制系統圖9 6是國產交流變極調速起貨機控制電路原理圖 注意圖中電氣符號的表示方法 1 起貨機控制電路的組成2 控制電路分析 返回 返回 1 起貨機控制電路的組成 1 利用主令控制器發出控制信號 使起貨機按指令的要求工作 2 電機的起動和調速環節 3 制動環節 4 保護環節 2 控制電路分析 1 準備 主令控制器置零位 2 提升第一檔 3 提升第二檔 4 提升第三檔 5 主令控制器手柄從零位直接扳到第三檔 6 主令控制器手柄直接從二檔或三檔扳回零位 7 落貨 8 主令控制器手柄從下降第三檔直接扳到上升第三檔或反之 9 保護環節及其功能 二 恒轉矩交流三速起貨機的線路分析恒轉矩交流三速電動起貨機的特點是 中高速之間為恒轉矩調速 并且高速也可以提升額定負載 防止重載高速運行的保護裝置可以省去 這樣使得控制線路變得更加簡單 同時又提高了可靠性 目前 國外生產廠家及船東采用恒轉矩型式交流三速起貨機也比較多 如圖9 7 為西門子公司生產的恒轉矩交流三速起貨機的控制電路原理圖 返回 1 基本結構及參數額定電壓 440V 60Hz極數 4 8 28極額定轉數 1760 870 200r min 額定功率 38 19 4 4KW 負載持續率 25 25 25 額定電流 69 55 38A 起重速度 改變減速齒輪箱傳動比可提升2 5 5噸重物 提升5噸貨物時其速度為37 5 18 5 3 1r min 提升2 5噸貨物時其速度為73 36 6 1r min 2 控制電路分析 1 手柄置零位 準備 2 提升第一檔 3 提升第二檔 4 提升第三檔 5 自動逐級延時起動過程 6 停車過程 7 逆轉矩控制 3 控制線路中的保護環節 1 短路保護 2 失壓保護 3 起貨電動機的過載保護 4 風機過載保護 5 應急停車 6 吊桿電動機過載保護 7 聯鎖保護 第四節錨機和系纜設備的電力拖動與控制 一 錨機 絞纜機的類型及運行特點錨機系纜機械是船舶必需配備的重要甲板機械 它們主要用來使船舶安全地停泊于錨地或系泊于碼頭 錨機與絞纜機的型式根據船舶類型及布置有多種多樣 如臥式錨機 帶系纜滾筒 立式錨機 立式系纜絞機和臥式絞纜機等 全部起錨過程見圖9 8 起錨過程中電動機的典型負載圖見圖9 9 返回 在圖9 9中 第I階段 收起躺在水底的余鏈階段 錨鏈的拉力是不變的 第 階段 隨著懸鏈形狀的改變 拉力變大 直到錨破土 第 階段 錨破土 第 階段 收錨出水 隨著錨鏈長度減小 拉力成正比減小 第V階段 收錨入孔 是將錨拉入并緊固于錨鏈孔中 返回 圖9 8起錨過程示意圖及作用力分析 返回 圖9 9典型的起錨阻力距曲線 二 錨機 絞纜機械對電力拖動系統的基本要求1 在錨機和絞纜機的控制系統中應設置自動逐級延時起動電路和應急保護電路 2 電動機應具有足夠大的過載能力 應能滿足任何一種起錨狀態所需要的最大轉矩 并且能在最大負載力矩下起動 在30min內允許起動25次 3 電動機在堵轉情況下能承受堵轉電流時間為1min 堵轉力矩為額定力矩的兩倍 在堵轉時 對直流而言 應能使電動機自動轉到人為機械特性上運行 對交流而言 應能自動轉換到低速運行 4 為滿足必須的起錨速度和拉錨入孔時的低速 要求電動機有一定的調速范圍 一般要求在5 1 3 1 5 在電動拋錨時 由于是位能性負載 所以要求控制系統必須具有穩定的制動拋錨功能 勻速拋錨 6 電動機起動次數不宜過于頻繁 應能連續工作30min 且要滿足30min內起動25次的要求 7 采用電氣和機械聯合制動 以便滿足快速停車及系纜時具有輕載高速性能 8 電力拖動裝置應能滿足在給定航區內 單錨破土后 能收起雙錨 9 電動液壓錨機來應具有獨立的電動機驅動 其液壓管路應不受其它甲板機械的管路影響 鏈輪與驅動軸之間應裝有離合器 離合器應有可靠的鎖緊裝置