ЛЕБЕДКА АВТОМАТИЧЕСКАЯ БУКСИРНАЯ

Полезная модель относится к области судового машиностроения, а именно к лебедкам буксирным и швартовным, с автоматическими устройствами для травления и выбирания каната с барабана лебедки.
Известна буксирная лебедка (патент US №3780989, (51) B66d 1/48, (45) 25.12.1973), в которой используется фрикционная дисковая муфта, управляемая пневмосистемой по сигналам от датчика, измеряющего усилие в буксирном канате и расположенного на палубе перед лебедкой. Недостатком этого технического решения является то, что во время процесса буксировки или швартовки, а он может длиться не только часами, а чаще всего по несколько дней и даже недель, двигатель лебедки должен работать под номинальную нагрузку, несмотря на то, что есть в этом необходимость или нет.
Лебедка не способна поддерживать заранее заданное расстояние между буксиром и буксируемым судном и прежде всего из-за отсутствия в ней датчика длины вытравленного каната.
Коррекция длины вытравленного каната обеспечивается за счет поддержания постоянным усилия в канате, но и оно постоянным быть не может, т.к. постоянно меняется в разрешенном поле допусков. Отсюда, далеко не всегда длина вытравленного каната при увеличении нагрузки будет равна длине каната, возвращаемого на барабан при работе лебедки на выбирание при уменьшении в нем нагрузки.
Несовпадение длин каната при выбирании и травлении в этих условиях и постепенное накапливание нерегулируемой длины каната, как показывает практика, значительны. Поэтому включение в состав лебедки датчика длины вытравленного каната и передача его сигналов в систему управления лебедкой являются требованием современного уровня развития автоматических буксирных и швартовных лебедок, что и сделано в предлагаемой лебедке.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому техническому решению по совокупности признаков является лебедка с гидравлической муфтой (заявка EP №2363371 A1, (51) B66D 1/14, 1/24, (43) 07.09.2011), выбранная в качестве прототипа.
В этой лебедке, изменяя условия работы гидравлической муфты, а именно, меняя подачу/слив гидравлической жидкости и/или регулируя направляющие лопасти (заслонки), можно увеличивать или уменьшать крутящий момент, передаваемый от двигателя барабану лебедки.
В этом случае двигатель лебедки вращается с постоянной номинальной скоростью и выдает номинальный крутящий момент. Это условие сохраняется как при буксировке судна, так и при удержании его пришвартованным к пирсу.
Недостатком данного технического решения является то, что во время процесса буксировки или швартовки, а он может длиться не часами, а чаще всего по несколько дней и даже недель, двигатель лебедки должен работать под номинальную нагрузку, несмотря на то, что есть в этом необходимость или нет. В это время гидравлическая муфта, получая соответствующий сигнал от датчика усилия, управляет работой барабана лебедки, подключая работающий двигатель лебедки в необходимый на данный момент режим «травление» или «выбирание» лебедки, а также регулируя при этом и скорость этих операций с помощью изменения объема подачи/слива гидравлической жидкости и/или регулируя направляющими лопастями (заслонками) муфты поток жидкости.
Двигатель лебедки по данному прототипу за весь период буксировки или швартовки потребляет электроэнергию по номинальному значению, хотя, исходя из сути процессов буксировки или швартовки, режим работы двигателя, соответствующий номинальным нагрузкам, составляет обычно меньше половины времени от общего цикла буксировки. Следовательно, остальная потребляемая двигателем лебедки электроэнергия затрачена напрасно. При этом необходимо отметить, что в такой же пропорции происходит уменьшение ресурса и сокращение срока службы двигателя лебедки, который является ее основным элементом.
В прототипе отсутствует датчик, контролирующий длину вытравленного каната в конкретный момент времени. Отсутствие текущей информации о длине вытравленного каната на пульте управления значительно ухудшает условия управления буксировкой в ночное время суток, особенно в ледовых условиях Севера.
Задачей, решаемой полезной моделью, является создание автоматической буксирной (швартовной) лебедки, обеспечивающей поддержание в автоматическом режиме работы постоянными с заданными допусками как тягового усилия в канате, так и расстояния между буксиром и буксируемым судном (между пришвартованным судном и пирсом).
Техническим результатом заявляемого технического решения является создание буксирной лебедки с автоматическим управлением различными режимами работы лебедки, необходимыми в процессе буксировки или швартовки.
Указанный технический результат достигается тем, что лебедка автоматическая буксирная содержит грузовой барабан с канатом, расположенный на раме, силовой привод грузового барабана, содержащий мотор, редуктор и муфту сцепления грузового барабана с силовым приводом, силоизмерительное устройство, а также гидравлическую систему и систему управления. Новым по сравнению с прототипом является то, что система управления представляет собой щит управления, включающий устройство программного управления с электронными модулями обработки поступающей информации, включения и выключения двигателей насосных агрегатов и управления электромагнитными гидрораспределителями, связанный с пультом управления и дистанционным пультом управления, при этом пульт управления содержит органы управления, сигнализации и цифровые индикаторы длины каната, усилия в канате, скорости вращения барабана, а дистанционный пульт управления содержит модули обработки входных сигналов и сигнализации, а также цифровые индикаторы длины каната, усилия в канате, скорости вращения барабана, кроме того, к щиту управления подсоединен силовой щит питания, содержащий электросиловую аппаратуру пуска и защиты двигателей насосных агрегатов и модуль управления с программируемым процессором, при этом гидравлическая система представляет собой насосную станцию, подключенную к щиту управления, включающую в себя гидравлические насосы, в том числе переменной производительности, электрогидравлический модуль, управляющий насосом переменной производительности, а также электрогидравлический модуль, управляющий гидроцилиндрами исполнительных механизмов ленточного и дисковых тормозов, муфты сцепления, причем силовой щит питания соединен с насосной станцией, при этом тензодатчик силоизмерительного устройства встроен в раму лебедки, также введено устройство измерения длины каната, установленное на стенке редуктора и соединенное с валом грузового барабана, причем устройства силоизмерительное и измерения длины каната подсоединены к щиту управления.
У лебедки автоматической буксирной по сравнению с прототипом силоизмерительное устройство включает в себя рычажно-пружинную систему, соединенную с ленточным тормозом зубчатого венца планетарного редуктора и воздействующую на тензодатчик, установленный на раме лебедки.
В заявляемой лебедке в устройство измерения длины каната встроен контроллер-датчик, считывающий обороты барабана.
Лебедка автоматическая буксирная по сравнению с прототипом имеет муфту сцепления грузового барабана с силовым приводом, представляющую собой нормально разомкнутую кулачковую муфту, управляемую гидроцилиндром, а ленточный тормоз представляет собой тормозной шкив, закрепленный на грузовом барабане, охватываемый тормозной лентой с фрикционными накладками, к которой подсоединена шарнирно-рычажная система с гидроцилиндром, в одной из полостей которого установлены пружины, обеспечивающие тормозу нормально замкнутое исполнение.
Схема кинематическая лебедки автоматической буксирной показана на фиг. 1
Лебедка включает в себя цилиндрический редуктор 1, соединенный через планетарный редуктор 2 и дисковый тормоз 3 с гидромотором 4, причем гидромоторов может быть несколько в зависимости от заявляемой величины усилий в буксирно-швартовных канатах, заданных Заказчиком лебедки.
Грузовой барабан 5 лебедки на подшипниках качения вращается на валу 6. Канат 7 укладывается, как правило, в несколько слоев на барабан 5. Грузовой ленточный тормоз 8 сопрягается с тормозным шкивом 9 лебедки, а ленточный тормоз 10 зубчатого венца планетарного редуктора 12 силоизмерительного устройства сопрягается с тормозным шкивом 11. Шток гидроцилиндра 13 шарнирно-рычажной системой 14 соединен с кулачковой муфтой 15. Шарнирно рычажная система 16 силоизмерительного устройства с одной стороны подсоединена к ленточному тормозу 10 зубчатого венца планетарного редуктора 12, а с другой стороны к штоку пружинного амортизатора 18, воздействующего на тензометрический датчик 19.
Тормозной гидравлический цилиндр 17 с помощью шарнирно-рычажной системы подсоединен к грузовому ленточному тормозу 8.
Щит управления 20 лебедкой включает в себя электронные модули обработки поступающей информации 21, включения и выключения двигателей насосных агрегатов 22 и управления электромагнитными гидрораспределителями 23. Пульт управления 24 содержит органы управления 25 и сигнализации 26, а также цифровые индикаторы длины каната 27, усилия в канате 28 и скорости вращения грузового барабана 29.
Пульт управления дистанционный 30 включает в себя модули обработки входных сигналов 31 и сигнализации 32, а также цифровые индикаторы длины каната 33, усилия в канате 34 и скорости вращения грузового барабана 35.
Силовой щит питания 36 содержит электросиловую аппаратуру пуска и защиты двигателей насосных агрегатов 37 и модуль управления с программируемым процессором 38.
В насосную станцию 39 входят насосы постоянной производительности 40 для управления гидросистемой и ее подпитки 41. Насосы 40 и 41 соединены с баком 42. Насос переменной производительности 43 (может быть несколько насосов в зависимости от величины тягового усилия в канате) соединен с электрогидравлическим модулем управления 44 и с гидромотором 4 (гидромоторами). На гидросистеме, соединяющей насос переменной производительности 43 и гидромотор 4 установлены пневмогидроаккумуляторы 45. Насос 40 управления гидросистемой соединен с электрогидравлическим модулем 46 управления исполнительными механизмами, который соединен с дисковым тормозом 3, гидроцилиндром 13 кулачковой муфты 15 и тормозным гидроцилиндром 17.
Для контроля длины вытравленного каната в системе управления имеется датчик длины 47, расположенный на цилиндрическом редукторе 1 лебедки и выдающий в щит управления 20 информацию о числе оборотов грузового барабана 5 лебедки.
Лебедка работает следующим образом:
Крутящий момент от гидромотора 4 (гидромоторов) через выключенный дисковый тормоз 3 и планетарный редуктор 2 передается цилиндрическому редуктору 1 и далее посредством вала 6 переходит на кулачковую муфту 15.
Гидроцилиндр 13 с помощью гидравлики соединяет полумуфты муфты 15 и крутящий момент переходит на планетарный редуктор 12 силоизмерительного устройства, водило которого жестко связано с грузовым барабаном 5. Таким образом, крутящий момент от гидромотора 4 поступает на грузовой барабан 5, который в зависимости от направления вращения гидромотора может выполнять операцию травления или выбирания каната 7.
Одна полумуфта кулачковой муфты 15 соединена с валом 6 грузового барабана 5, который является одновременно и валом цилиндрического редуктора 1, вторая полумуфта через планетарный редуктор 12 силоизмерительного устройства соединена с грузовым барабаном 5. Тем самым по цепочке: гидромотор 4, дисковый тормоз 3 планетарный редуктор 2 цилиндрический редуктор 1, вал 6, кулачковая муфта 15, планетарный редуктор 12 силоизмерительного устройства, грузовой барабан 5 крутящий момент гидромотора (гидромоторов) обеспечивает вращение грузового барабана 5 от гидромотора (гидромоторов) 4 и таким образом обеспечивается выполнение лебедкой режимов выбирания или травления в процессе буксировки или удержания судна у пирса.
Управление лебедкой осуществляется при помощи органов управления: пульта управления 24 и пульта управления дистанционного 30. Пульт управления 24 предназначен для оперативного управления лебедкой во всех режимах работы и расположен на палубе около лебедки. Пульт управления дистанционный 30 предназначен для дистанционного управления сбросом каната (как правило аварийного) с барабана лебедки и получения оперативной информации о работе лебедки во всех режимах при управлении ею с пульта управления 24, расположен в ходовой рубке или на мостике судна.
Система управления обеспечивает работу лебедки в следующих режимах:
а) ручной режим
Применяется при заведении каната на буксируемый объект, при перемотках буксирного каната, при оперативном задании длины каната для буксировки в автоматическом режиме или режиме буксировки при включенном тормозе барабана лебедки.
б) автоматический режим
Предназначен для обеспечения буксировки объекта с автоматическим поддержанием заданной с пульта управления 24 «Уставкой» по натяжению в канате и «Уставкой» по длине каната.
в) режим буксировки при включенном тормозе грузового барабана 5 лебедки.
В этом случае силовой привод лебедки отключен от грузового барабана 5 кулачковой муфтой 15. При этом грузовой барабан с канатом удерживается тормозным гидроцилиндром 17. Этот тормоз является нормально-замкнутым и торможение грузовым ленточным тормозом 8 обеспечивают пружины гидроцилиндра 17. Растормаживание тормоза грузового барабана производится с пульта управления 24 подачей рабочей жидкости в тормозной гидроцилиндр 17.
Включение и выключение кулачковой муфты 15 привода грузового барабана производится дистанционно с пульта управления 24 при заторможенном барабане лебедки гидроцилиндром 13, в котором одна из полостей гидравлическая, а в другой установлены пружины.
Пружинная полость гидроцилиндра 13 постоянно стремится муфту разъединить, а гидравлическая после подачи в нее рабочей жидкости под давлением, преодолевая сопротивление пружины, соединяет полумуфты, в связи с чем муфта по исполнению считается нормально-разомкнутой.
При автоматическом режиме управления силовой привод посредством муфты 15 подключен к грузовому барабану 5 лебедки. Тормоз грузового барабана расторможен, в гидроцилиндр 17 подано давление. На пульте управления 24 заданы «Уставки» по натяжению и длине буксирного каната, включены насос (насосы) 43, а также насосы управления 40 и подпитки 41.
При уменьшении усилия натяжения в канате относительно заданной «Уставки» на установленную величину, к примеру на 20÷25% от номинального значения «Уставки», лебедка автоматически включается на выбирание. Выбирание отключается при восстановлении усилия натяжения по заданной «Уставке».
При увеличении усилия натяжения в канате относительно заданной «Уставки» на те же 20÷25% от номинального значения «Уставки» лебедка автоматически включается на травление. Травление отключается при восстановлении усилия натяжения по заданной «Уставке».
Контроль усилия натяжения каната в системе управления производится при помощи тензометрического датчика 19, выдающего в щит управления 20 сигнал, зависящий от усилия натяжения каната при работе лебедки с расторможенным грузовым барабаном 5 и включенной муфтой 15. При этом на цифровых индикаторах «Натяжение» на пультах управления 24 и 30 указывается величина натяжения.
Таким образом, при работе в автоматическом режиме лебедка поддерживает с установленным допуском величину усилия натяжения в буксирном канате согласно заданной «Уставки», которая устанавливается на пульте управления для варианта буксировки конкретного судна с учетом существующих в данное время погодных условий.
При отклонении текущей длины каната относительно заданной «Уставки» на длину ±20÷25% от номинального значения «Уставки» лебедка автоматически включается на выбирание и травление каната на номинальной скорости до достижения длины каната, заранее заданной «Уставкой».
На цифровых индикаторах «Длина каната» пультов управления 24 и 30 указывается длина вытравленного каната (буксирного или швартовного). Кроме того на этих пультах 24 и 30 имеется сигнализация «Предел длины», которая включается, когда на грузовом барабане 5 остается менее пяти шлагов каната. Информация от датчика длины каната о числе оборотов грузового барабана лебедки используется для контроля скорости травления - выбирания каната с выдачей результатов на цифровой индикатор «Скорость», расположенный в пультатах управления 24 и 30.
Современный как отечественный, так и зарубежный флот требуют, чтобы поставляемые на суда механизмы и оборудование были укомплектованы, прежде всего, системами автоматического управления, обеспечивающими получение заложенных в программах выходных характеристик путем управления с дистанционного пульта или даже нескольких пультов. Также должно быть обеспечено и ручное управление
Исходя из изложенного заявляемая автоматическая буксирная (швартовная) лебедка, отвечает указанным требованиям.
Указанный технический результат заявляемой лебедки достигается применением системы управления, содержащей щит управления с устройством программного управления и электронными модулями, щит силового питания, включающий в себя электросиловую аппаратуру, пульт управления и пульт дистанционного управления, которые содержат органы управления, сигнализации и индикации, а также гидравлической системой, включающей гидравлические насосы, в том числе переменной производительности, управляющую электро-гидрораспределительную аппаратуру.
Энергопотребление при выполнении рабочих операций по буксировке всегда высокозатратное для судна, на котором установлена лебедка.
В прототипах главный двигатель в течение всего периода буксировки работает на номинальной нагрузке. Кроме того, для поддержания управляемой муфты сцепления в рабочем состоянии и способной реагировать на изменение действующей на буксир нагрузки насосный агрегат лебедки также должен быть задействован на номинальные нагрузки. Предлагаемая полезная модель лебедки наряду с указанными выше преимуществами способна сокращать энергопотребление, так как силовой гидромотор (гидромоторы) и питающий его насос (насосы) включаются в работу по программе, в которую заложены объективные показания датчиков усилия в канате и его длины.
Продолжительность восстановления основных выходных характеристик, которыми являются заданные усилие и длина каната, в данном случае, составляет несколько минут.
Предлагаемая полезная модель является базовой моделью типоряда автоматических буксирных лебедок, разработанного технического проекта согласно Федеральной целевой программе «Развитие гражданской морской техники на 2009-2016 годы», утвержденной Постановлением Правительства РФ от 21 февраля 2008 г. №103.
Разработка велась на базе современных технологий, применяемых в автоматических конкурентоспособных буксирных лебедках нового поколения в обеспечение реализации модульной технологии монтажа и импортозамещения.
Из указанного типоряда, включающего в себя лебедки с усилием в канате 100, 800, 2000 кН, разработана конструкторская документация опытного образца заявляемой автоматической буксирной лебедки с усилием в канате 800 кН (на фиг.2 опытный образец в компьютерном исполнении) с изготовлением и проведением межведомственных испытаний в 2013 году.