Электропривод механизма передвижения тележки козлового крана

27

Задание

Разработать схему электропривода механизма передвижения тележки козлового крана грузоподъемностью 5000 кг.

Исходные данные: масса тележки m_т = 1200 кг; масса поднимаемого груза m_г = 5000 кг; масса грузозахватывающего устройства m_зу = 100 кг; диаметр ходового колеса D_хт = 0.25 м; диаметр цапфы d_цт = 0.06 м; общая длина пути передвижения тележки L_т = 40 м; максимальная скорость передвижения тележки V_т = 0.5 м/с; число циклов в час Z_т = 10 ¹/_час; КПД механизма передвижения тележки з_мех.т = 0.85; наветренная площадь тележки F_т = 3/6 м²; наветренная площадь груза F_г = 8 м²; наветренная площадь шрузозахватывающего устройства F_зу = 0.2 м²

Введение

Простейшие подъемно-транспортные устройства - рычаги, вороты, а также рычажные и ковшовые подъемники - были известны разным народам еще в глубокой древности.

Появление ярко выраженных конструкций кранов относится к периоду XIV-XV вв., когда в Европе стали создаваться поворотные, стреловые и цепные краны с остовом из дерева и конным приводом через топчаки. В связи с промышленным развитием Европы и России краностроение стало развиваться в конце XVIII и начале XIX в. после изобретения И.И. Ползуновым и Уаттом (1763 г.) парового привода.

В жилищном, гражданском и промышленном строительстве нашей страны козловые краны начали применяться еще в годы первых пятилеток. Начало производства отечественных козловых кранов относятся к 1936 г. когда были выпущены первые краны для жилищного и промышленного строительства.

Современные козловые краны - это мощные мобильные и производительные строительные машины. Он необходим для выполнения большего числа как основных, так и для вспомогательных работ на погрузке и разгрузке грузов.

Самим козловым краном называют грузоподъемные машины, с помощью которых поднимаемый груз можно перемещать в горизонтальной плоскости в двух перпендикулярных направлениях: в одном - при движение моста на высоких опора ("козлах") по рельсам, уложенным на земле, и в другом - при движение грузовой тележки по рельсовому пути, уложенному вдоль моста сверху, или не посредственно по нижнему поясу основной балки. Управление всеми механизмами осуществляется машинистом из кабины.

Груз поднимается с помощью грузовой лебедки, грузового каната и крановой подвески, являющейся грузозахватывающим органом крана.

К передвижным кранам относятся краны, передвигающиеся по рабочей площадке.

Наибольшее распространение получили рельсовые козловые краны (т.е. на рельсовом ходовом устройстве) так как установка крана на рельсовых путях упрощает их эксплуатацию, и повышают безопасность работы.

Назначение и характеристика механизмов

Грузоподъемные машины и механизмы предназначены для перемещения грузов в вертикальной и горизонтальной плоскостях на относительно небольшие расстояния. Они относятся к устройствам циклического действия, работающем в повторно - кратковременном режиме.

Основными параметрами грузоподъемных машин являются грузоподъемность, скорость движения отдельных механизмов, режимы работы, производительность, высота подъема, пролет, вылет и т.п.

При проектировании, изготовлении и эксплуатации грузоподъемных машин особое внимание обращают на повышение их надежности и долговечности.

Козловой кран (см рисунок) состоит из пролетного строения, поддерживающих стоек, приводных ходовых тележек, грузовой тележки 4, кабины управления 8, привода грузовой тележки, соединительной балки, грузовой траверсы 5, механизма подъема 3, моста 2, жесткой опоры 1, механизма передвижения тележки 6, конечного выключателя 7.

Все рабочие движения крана выполняются с помощью механизмов: грузовых и стреловых лебедок, механизмов передвижения, поворота и изменения вылета.

Эти механизмы имеют индивидуальный технических привод и состоят, как правило, из следующих основных элементов-узлов: электродвигателей, редукторов, муфт, тормозов, открытых зубчатых передач, исполнительных органов (барабанов - для грузовых лебедок и механизмов изменения вылета, ходовых колес - для механизмов передвижения, ведущих шестерен - для механизмов поворота).



Общий вид козлового крана

Механизмы имеют техническую характеристику, по которой их подбирают для того или иного крана. В характеристику механизма включают параметры двигателя (мощность и частоту вращения), габаритные и привязочные размеры.

Ходовые колеса служат исполнительным органом механизма передвижения и предназначаются для опирания крана на пути и перемещение его по путям. В башенных кранах применяют колеса с двумя ребордами по обеим сторонам обода. Реборды охватывают сбоку головку рельса и предохраняют колесо от схода даже при шарнирном закреплении ходовых тележек.

Грузовая тележка применяется на кранах с пролетным строением, она служит для перемещения подвешенного по мосту груза. Грузовая тележка перемещается с помощью канатов, производимых в движение барабаном тележечной обмотки.

Тележки бывают простые и балансионные. Простые тележки имеют четыре катка, балансионные - восемь или больше катков, попарно связанных балансирами, что позволяет при том же удельном давлении на ездовой пояс стрелы увеличить грузоподъемность тележки. Опорные катки используются с ребордами или без них. Реборды предотвращают перекос колес тележки

Крюковые подвески - это грузозахватывающие органы крана, они служат для подвешивания груза для подвешивания груза к грузовому канату, подвески бывают одно-, двух-, и трехосные, по количеству осей, на которых находится канатные блоки. Крюковые подвески состоят из двух щек литых или из листового металла, между которыми на осях вращаются один или несколько блоков. В нижней части щек траверсой закреплен грузовой крюк. Одно- и двухосные подвески применяются на кранах с двухниточной запасовкой грузового каната. Для большей грузоподъемности при четырехниточной запасовке каната устанавливают трехосные подвески. Последние позволяют менять кратность запасовки каната в зависимости от массы поднимаемого груза.

При работе с легкими грузами серьгу отсоединяют от щек, и обойма выключается из работы. Она поднимается вверх и удерживается на головке стрелы грузовым канатом за счет массы крюковой подвески, которая работает в этом случае аналогично двухосной. Для тяжелых грузов подвеску опускают на землю и обойму спускают вниз. После соединения обоймы со щетками подвески в работе участвуют четыре нитки каната.

Ходовые рамы козловых кранов воспринимают действующие на кран нагрузки и передают их непосредственно на крановые пути. Конструкция ходовых рам зависит от вида ходового устройства.

Барабаны служат для намотки каната, являясь исполнительным органом грузовой, тележечной и монтажной лебедок. Поверхность барабанов, предназначенных для однослойной навивки каната, выполняют с ручьем в виде винтовой линии. Для многослойной навивки используют барабаны либо гладкие, либо с нарезкой в виде параллельных колец, имеющих в одном месте крутой переход с одного кольца на другое. Такая нарезка способствует плотной навивке каната. Барабаны выполняют либо литыми из чугуна или стали, либо сварными.

Для предохранения каната от схода с многослойных барабанов их выполняют с ребордами. Реборда должна возвышаться не менее чем на 2 диаметра каната над последним слоем его навивки. Барабаны для однослойной навивки могут выполняться без реборд. На барабанах, предназначенных для намотки двух канатов, для разделения навиваемых канатов предусматривают реборду в средней части барабана.

Ходовой механизм в основном состоит из стальных двухребордных колес и электропривода с трансмиссией. В зависимости от грузоподъемности кран опирают на четыре колеса или больше. В последнем случае из колес комплектуют ходовые тележки.

Выбор системы электропривода

Для привода крановых механизмов возможно применение различных двигателей и систем электропривода. В настоящее время на кранах применяют простые системы электропривода, в которых двигатели получают питание от сети переменного или постоянного тока неизменного напряжения через пускорегулирующие резисторы.

Электропривод с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором применяют для механизмов кранов небольшой мощности, работающих в легком режиме. Если необходимо регулировать скорость или обеспечить точную остановку, то можно использовать двух- или трехскоростные двигатели.

Наибольшее распространение получили асинхронные двигатели с фазным ротором и ступенчатым регулированием угловой скорости путем изменения сопротивлении в цепи ротора. Он прост, надежен, допускает большое число включений в час и применяется на средних и больших мощностях. С помощью резисторов в цепи ротора можно в широких пределах изменять момент при пуске, получать желаемое ускорение и плавность пуска, уменьшать токи и потери энергии в двигателе при переходных процессах, а также получить уменьшение угловой скорости. Он не экономичен из-за значительных потерь энергии в пускорегулирующих сопротивлениях; повышенный износ двигателя, электромагнитных тормозов и контактной аппаратуры управления.

Если к электроприводу крановых механизмов предъявляются повышенные требования в отношении регулирования угловой скорости, в различных режимах, применяются двигатели постоянного тока.

Если требуется обеспечить повышенный диапазон регулирования угловой скорости привода, ограничение стопорного момента и плавное протекание переходных процессов двигателя при напряженном режиме работы кранового механизма, применяют регулируемый электропривод по системе Г-Д. Это позволяет при больших мощностях облегчить аппаратуру управления и повысить надежность работ электропривода.

При питании от общей сети переменного или постоянного тока применяются контроллерное или контакторное управление. При контроллерном управлении все переключения в главных цепях производится контактами силового контроллера, управление которым, особенно при интенсивном режиме работы, требует от крановщика значительных усилий и напряжений. Контакторное управление осуществляется от магнитного контроллера, состоящего из командо-контроллера и контакторно-релейной панели. Переключение в главных цепях двигателя производится контакторами, а крановщик управляет командо-контроллером. При контакторном управлении процесс пуска, торможения и реверса автоматизируются. В ряде случаев применяют как контроллерное управление для механизмов с менее напряженными режимами работы, так и контакторное, обычно для подъема груза.

Для качественного выполнения подъема, спуска и перемещения грузов электропривод крановых механизмов должен удовлетворять следующим требованиям:

- регулирование угловой скорости электродвигателя в сравнительно широких пределах. Для обычных кранов 4:1; для специализированных 10:1;

- обеспечение необходимой жесткости механических характеристик электропривода, особенно регулировочным с тем, чтобы низкие скорости почти не зависели от груза;

- ограничение ускорении до допустимых пределов при минимальной длительности переходных процессов;

- реверсирование электропривода и обеспечение его работы как в двигательном, так и в тормозном режимах.

Наибольшее распространение на кранах получил привод с асинхронными двигателями с фазным ротором и ступенчатым регулированием угловой скорости путем изменения сопротивления в цепи ротора. Такой привод достаточно прост, надежен, допускает большое число включений в час и применяется при средних и больших мощностях. С помощью резисторов в цепи ротора можно в широких пределах изменять момент при пуске, получать желаемые ускорения и плавность пуска, уменьшать токи и потери энергии в двигателе при переходных процессах, а также получать пониженные угловые скорости.

На основании проведенного выше анализа выбираем электропривод с асинхронным двигателем с фазным ротором.

Предварительный выбор электродвигателя механизма передвижения тележки козлового крана

Для механизмов передвижения кранов, работающих вне механических цехов, когда присутствует ветровая нагрузка, статический момент механизма обусловлен не только силами трения, но и ветровыми силами.

Время передвижения тележки

Продолжительность включения электродвигателя

где T_ц - время цикла, равное

с

Отсюда получаем

Для удобства выберем стандартное значение (округляем в меньшую сторону) 40%

Величина первого сопротивления передвижению тележки с номинальным грузом равна:

Коэффициент k₁, учитывающий сопротивление движению из-за трении реборд ходовых колес о рельсы примем 2.0 (обычно он равен от 1.8 до 2.5)

Коэффициент трения качения ходовых колес по рельсам f положим равным 0.001

А коэффициент трения в опорах ходовых колес м положим равным 0.018 (обычно он находится в пределах 0.015…0.02)

Радиус кодового колеса тележки и радиус цапфы тележки легко посчитать, зная их диаметры. Отсюда численно поучаем величину сопротивления:

Н

Потери в направляющих блоках грузовых канатов равны

Где з_бл = 0.9 - коэффициент полезного действия каждого блока, а n - число блоков. Обычно в приводе используется три блока поэтому в нашем случае пусть n = 3. Тогда

Н

Суммарное усилие, необходимое для передвижения тележки с грузом равно сумме усилий потерь с ветровой нагрузкой:

где F_г, F_т, F_зу - наветренные площади груза, тележки и захватывающего устройства, а p = 15 кг/м² - ветровая нагрузка на единицу площади

Н

Статическая мощность на валу электродвигателя механизма передвижения тележки в установившемся режиме при передвижении с номинальным грузом равна

Вт

Аналогично рассчитаем величину мощности при движении без груза:

Величина первого сопротивления передвижению тележки:

Н

Потери в направляющих блоках грузовых канатов:

Н

Суммарное усилие, необходимое для передвижения тележки без груза

Н

Статическая мощность на валу электродвигателя механизма передвижения тележки в установившемся режиме при передвижении с номинальным грузом равна

где з₀ - КПД механизма передвижения тележки при передвижении без груза, определяется по кривым зависимости КПД крановых механизмов от нагрузки и номинального КПД механизма передвижения тележки. В нашем случае положим КПД равным 70% (как в задании)

Вт

Расчетная мощность электродвигателя

где K_з = 1.3 - коэффициент запаса, учитывающий дополнительную нагрузку электродвигателя в моменты пуска и торможения

Вт

Выбор электродвигателя производится по условию P_ном ? P_расч

На основании расчетных данных выбираем электродвигатель типа MTKF 311-8 мощностью 7.5 кВт

Справочные данные электродвигателя

Номинальная мощность P_ном = 7.5 кВт

Номинальная частота вращения n_н = 690 об/мин

Номинальное напряжение U_н = 380 В

Максимальный момент M_max = 265 Н•м

Момент инерции ротора J_p = 0.275 кг·м²

Продолжительность включения ПВ_ном = 40%

Проверка электродвигателя механизма передвижения тележки крана по нагреву и на перегрузочную способность

Приведенный момент инерции поступательно движущихся масс к валу ротора при передвижении тележки с номинальным грузом равен

где щ_ном - номинальная радиальная скорость электродвигателя в [рад/с]

рад/c

кг·м²

Суммарный момент инерции привода при передвижении тележки с номинальным грузом равен

кг·м²

Здесь J_р = - момент инерции ротора (из каталожных данных), а k = 1.2 - момент инерции редуктора

Статический момент инерции на валу электродвигателя механизма передвижения тележки при движении с грузом:

где i_мех.т - передаточное число редуктора механизма передвижения тележки

Н·м

Приведенный момент инерции поступательно движущихся масс к валу ротора при передвижении тележки без груза:

кг·м²

Суммарный момент инерции привода при передвижении тележки без груза:

кг · м²

Статический момент на валу электродвигателя механизма передвижения тележки при передвижении без груза:

Н·м

Номинальный момент электродвигателя

Н•м

Перегрузочная способность электродвигателя

Минимальный момент электродвигателя при пуске

Н•м

(пологаем л_min = 1.1)

Максимальный момент электродвигателя при пуске примем равным его наибольшему значению, которое с учетом возможной потери напряжения в сети до 15% будет равно

Н•м

Средний момент электродвигателя при пуске

Н•м

Тормозной момент тележки равен:

где f - коэффициент трения в цапфах для подшипников качения, примем его равным 0.01, K = 5.5•10-⁴ м - коэффициент сопротивления качения колеса по рельсу, K_реб = 1.2 - коэффициент, учитывающий трение в ребордах и ступицах колес для тележки, t_Т - время торможения механизма передвижения тележки до щ, примем его равным 5 секунд

Время разгона электродвигателя механизма передвижения тележки до щ_ном при движении с номинальным грузом

с

Время торможения электродвигателя механизма передвижения тележки от щ_ном до 0 при передвижении с номинальным грузом

с

Время работы электродвигателя механизма передвижения тележки на щ_ном при передвижении с номинальным грузом

Путь, проходимый тележкой с номинальным грузом за время t₁:

м

Путь, проходимый тележкой с номинальным грузом за время t₃:

м

Отсюда

с

Суммарное время работы электродвигателя механизма передвижения тележки при передвижении с номинальным грузом

с

Время разгона электродвигателя механизма передвижения тележки до щ_ном при движении без груза:

с

Время торможения электродвигателя механизма передвижения тележки от щ_ном до 0 при передвижении без груза

с

Время работы электродвигателя механизма передвижения тележки на щ_ном при движении без груза

с

Путь, проходимый тележкой без груза за время t₅:

м

Путь, проходимый тележкой без груза за время t₇:

м

т.е.

с

Суммарное время работы электродвигателя механизма передвижения тележки при передвижении без груза:

с

Суммарное время работы механизма за цикл:

с

Суммарное время пауз

с

Пусть времена каждой паузы равны, тогда

с

Фактическая продолжительность включения

Исходя из полученных данных строим тахограмму и нагрузочную диаграмму электродвигателя механизма передвижения тележки

Проверку выбранного электродвигателя по нагреву производят методом эквивалентного момента, приведенному к стандартному значению ПВ_ном, использую нагрузочную диаграмму

где 0.75 - коэффициент, учитывающий ухудшение условий охлаждения электродвигателя с самовентиляцией

Выбранный электродвигатель проходит по нагреву, если выполняется условие

M_ном ? M_э

В нашем случае М_ном = 103 > M_э, поэтому выбранный двигатель подходит по условию нагрева.

Кроме того, необходимо выполнение условия

где 0.7225 - коэффициент, учитывающий для асинхронных двигателей снижение напряжения сети на 15%, а л - перегрузочная способность электродвигателя (по предыдущим расчетам она равна 2.57

т.е. для выбранного электродвигателя это условие выполняется, следовательно, он удовлетворяет требованиям в отношении допустимой перегрузки.

Выбор принципиальной электрической схемы электропривода

На основании сделанного анализа различных схем электропривода целесообразно взять схему электропривода механизма подъема электропривода с фазным ротором с панелью управления ТСД

Электроприводы с динамическим торможением с самовозбуждением выполняются только для механизмов подъема, и их применение целесообразно во всех случаях, когда предъявляются повышенные требования к регулированию крановых механизмов с приводом переменного тока. Комплектные электроприводы охватывают все крановые асинхронные двигатели с фазным ротором при управлении от кулачковых контроллеров ККТ65 в комплексе с панелью ТРД160 и панелями управления ТСД. Эти электроприводы выпускаются только для механизмов общего назначения. Для крановых механизмов металлургического производства выпускается специальная серия электроприводов с режимом динамического торможения самовозбуждения и теристорными узлами бездуговой коммутации.

Электроприводы с силовыми контроллерами имеют мощность привода от 5 до 30 кВт, а с панелями управления - от 5 до 150 кВт в режиме работы 4М при ПВ = 40%. Электроприводы с кулачковыми контроллерами имеют отдельную панель защиты, электроприводы с панелями управления имеют только индивидуальную защиту. Панели управления по построению схемы выпускаются двух типов соответственно для возбуждаемых и не возбуждаемых электродвигателей. Первые из этих панелей применяются для двигателей, напряжение на кольцах ротора которых не превосходят 300 В, вторые - при напряжении ротора свыше 300 В. Применение режима динамического торможения самовозбуждением позволяет получить устойчивые посадочные скорости при диапазоне регулирования при 4:1 в системе с кулачковыми контроллерами и до 8:1 - с панелями управления. Эквивалентный КПД привода в режиме 4М до 75%. Следует также отметить, что, обладая повышенными регулировочными и энергетическими свойствами, рассматриваемые электроприводы позволяют значительно улучшить использование двигателей и повысить надежность работы контакторной аппаратуры благодаря снижению числа включению привода при осуществлении доводочных операций.

Схема электропривода приведена на рисунке. В схеме реверс осуществляется контакторами КМ1В и КМ2В, динамическое торможение - контактором КМ2, механически сблокированным с силовым контактором КМ1. Подпитка двигателя в режиме динамического торможения осуществляется от от сети через контакт КМ2 цепи подключения выпрямителя UZ1, реле контроля КА2, диод, резистор. Регулирование скорости осуществляется контакторами КМ1V - КМ4V

При подъеме и спуске предусматривается автоматический спуск под контролем реле времени КТ1 - КТЗ. Режим динамического торможения реализуется на всех положениях спуска, кроме последнего, на котором двигатель работает от сети с минимальным не выключаемым сопротивлением в роторе. При остановке привода со спуска в течение времени выдержки реле КТ4 остается включенным контактор КМ2 и осуществляется динамическое торможение, что необходимо для облегчения работы тормоза YA. В схемах для самовозбуждаемых двигателей контур динамического торможения, как уже было сказано, в нулевом положении не отключается. При торможении с подъема тормоз накладывается сразу. Вся защита вынесена непосредственно на панель управления. Защита является типовой и включает в себя: нулевую защиту - контактор КМ4, максимальную - реле КА1, конечную - выключатели SQ1 и SQ2, от пробоя диодов - реле КН1.

Принципиальная схема передвижения тележки козлового крана

Техника безопасности

В каждом цехе, на строительной площадке или другом участке работ грузоподъемных кранов должно быть назначено приказом по предприятию или строительству лицо, ответственное за производство работ по перемещению грузов кранами, из числа инженерно-технических работников, знающих ПУЭ и ПТЭ в части обслуживания кранов и производства ими работ. Это лицо обязано организовывать работу по безопасному перемещению грузов кранами, не допускать к обслуживанию кранов необученный и не аттестованный персонал, следить за выполнением крановщиками и стропальщиками их должностных инструкций и в случае необходимости инструктировать стропальщиков по способам правильной обвязки грузов.

Таким образом, теперь два лица ведут надзор: одно за механизмами крана, другое - за перемещением груза.

Для правильной организации перемещения грузов в цехе необходимо определить место разгрузки.

При наличии площадей, удобных для разгрузки, на полу обозначается красной линией граница разгрузочной площадки. Нельзя ставить грузы на местах, где проходят трубные или кабельные линии, а так же по трассам кабелей.

Крупные детали и ящики необходимо ставить на прокладки с тем, чтобы возможно легче завезти и удалить чалочные канаты.

Высота штабелей грузов не разрешается выше 1,8 м, между каждым рядом деталей или ящиком должны быть прокладки. Ширина проходов между штабелями должна быть не менее 1 м.

При подъеме на кран обе руки крановщика должны быть свободными, чтобы держаться за поручни, инструмент или запасные части должны находиться в сумке, надетой через плечо. Если на кран необходимо поднять материал, смазочные масла, ветошь и т.п., то из кабины спускается веревка, а к ней подвязывают груз и поднимают его в кабину руками.

При значительных весах грузов - при подъеме тормоза, электродвигателя или другого оборудования после ремонта или для замены применяют ручную таль, обеспечив безопасность места подъема его ограждением. Естественно, что оборудование кранов большой грузоподъемности невозможно или трудно поднять ручной талью - тогда устанавливают на время ремонта электротельфер или применяют другое грузоподъемное приспособление.

Нельзя подниматься по лестнице на кран вдвоем, когда один поднимается, то другой ожидает внизу и начинает подъем только тогда, когда первый ушел с лестницы на площадку. Категорически запрещается переход с одного крана на другой при сближении кранов во время работы, а так же на подкрановые пути.

Перед началом движения всегда надо дать звуковой сигнал, и только после сигнала включить котроллер на первое положение.

Заключение

В данной работе был произведен расчет электрооборудования для механизма передвижения тележки козлового крана. Был выбран подходящий двигатель, рассчитаны режимы его работы

Список литературы

1. Подъемно-транспортные машины: Атлас конструкций: Учебное пособие для студентов втузов /В.П. Александров, Д.Н. Решетов, Б.А. Байков и др.; Под. ред. М.П. Александрова, Д.Н. Решетова.-2-е изд., перераб. и доп. - М: Машиностроение, 1987.

2. Справочник конструктора машиностроителя: В 3-х т.-5-е изд., перераб. и доп. - М: Машиностроение, 1987.

3. Краново-металлургические двигатели. Справочник