Расчёт электропривода рабочих машин.

 

На участке по ремонту ДВС используется кран подвесной однобалочный (кран-балка). Общая мощность кран-балки составляет 11 кВт. Т.к. раньше трактора К-700 выпускали с двигателями марки ЯМЗ-238, масса которых не превышала 1000 кг (890 кг), то в ходе модернизации трактора увеличивалась мощность двигатель, а следовательно и его масса. На сегодняшний день двигатель марки ЯМЗ-240 имеет массу 1650 кг. Нужно модернизировать кран-балку, так как её двигатели не рассчитаны на подобные нагрузки.

 

1 – тельфер; 2 – барабан тельфера; 3 – ходовое колесо тельфера; 4 – ходовое колесо балки; 5 – балка; 6 – электропривод механизма передвижения балки; 7 – конечный выключатель; 8 – токосъемники и троллейные провода; 9 – электропривод механизма передвижения тельфера; 10 – пост управления; 11 – электродвигатель механизма подъема; 12 – автоматический выключатель; 13 – ящик управления; 14 – электромагнитный тормоз.

Рисунок 5.1 – Схема устройства кран-балки.

 

Электропривод кран – балки устанавливается в мастерских или ремонтных заводах, и предназначен для работы в ремонтно-механической мастерской. Кран-балка состоит из балки 5 передвигаемой вдоль цеха и тельфера 1, служащего для подъема, опускания и поперечного перемещения груза. Таким образом, кран-балка служит для опускания и поднимания груза, а так же для его перемещения вдоль цеха.

Анализ технологической схемы позволяет сделать следующие выводы:

· Кран – балка работает в сухом отапливаемом помещении

· Нужен нерегулируемый электропривод

· Кран – балка работает в трех режимах: а) разгона (пуска); б) установившегося движения; в) торможения. Т.е. переменная нагрузка, работа в повторно – кратковременном режиме с большой частотой включений. Пусковой период сравнительно короток (от 1 до 5 с), и длительность работы двигателя с максимальной нагрузкой составляет только часть общего цикла, поэтому выбор двигателя ведут по номинальной мощности установившегося движения или, если известен график нагрузки двигателя за цикл, по среднеквадратичной эквивалентной мощности.

· Применим асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, применяемый для подвесных кранов, кран – балок.

Для расчёта эл. привода в таблице 3.1 приведены исходные данные кран-балки.

Таблица 5.1 – Исходные данные кран-балки

Параметры	Величина
Масса балки, кг
Масса тельфера, кг
Скорость подъема груза, м/с	0,17
Скорость передвижения тельфера, м/с	0,3
Скорость передвижения балки, м/с	0,8
Максимальная высота подъема груза, м
Длина пролета балки, м
Диаметр ходовых колес балки, мм
Диаметр ходовых колес тельфера, мм
Диаметр цапф колец балки и тельфера, мм
Диаметр барабана тельфера, мм
Коэффициент трения качения колес балки	0,05
Коэффициент трения качения колес тельфера	0,03
Коэффициент трения в цапфах	0,015
Коэффициент а, учитывающий дополнительные сопротивления в ребордах колес, торцах ступиц и т.д.	2,5

Механизм передвижения кран – балки.

Величина суммарного усилия под нагрузкой при пуске для механизма передвижения:

, Н (5.1)

где F₁ – усилие необходимое преодоления сопротивления движению кран-балки на прямолинейном горизонтальном участке пути, Н;

F₂ – усилие необходимое для перемещения кран – балки по вертикали, Н;

F₃ – усилие связанное с преодолением действия ветровой нагрузки, Н;

F₄ – динамическое усилие связанное с разгоном и торможением кран-балки, Н.

, (5.2)

где r – радиус шейки оси колеса балки, м;

R – радиус колеса балки, R=0,255 м;

a – угол наклона путей к горизонту, a=0;

m_г – масса груза, m_г=1000 кг;

m_б – масса балки, m_б=2900 кг;

m – коэффициент трения в цапфах, m=0,015;

f_б – коэффициент трения качения колес балки, f_б=0,05.

Н

(5.3)

Так как a=0 то sin a=0 и следовательно F₂=0

, (5.4)

где F₀ – удельная ветровая нагрузка, Н;

S – площадь подверженная действию ветра под углом 90° по вертикали, м².

, (5.5)

где q₀ – скоростной напор ветра на высоте 10 м над поверхностью, ;

n_в – коэффициент учитывающий возрастание скоростного напора в зависимости от высоты (до 10 м n_в=1, до 20 м n_в=1,32);

с – аэродинамический коэффициент (для конструкций из труб с=0,8…1,2, для коробчатых конструкций с=1,2…1,3);

b – коэффициент, учитывающий пульсирующий характер ветровой нагрузки, b=2.

В связи с тем, что в условиях цеха скоростью ветра можно пренебречь, удельная ветровая нагрузка при этом равна нулю.

, (5.6)

где – ускорение при разгоне кран – балки, м/с².

Н

Полученные значения подставляем в выражение (1) и получаем:

Н

В установившемся режиме под нагрузкой суммарное усилие:

(5.7)

Н

Потребная мощность механизма кран балки при разгоне под нагрузкой:

, Вт, (5.8)

где V – скорость передвижения балки, V=0,8 м/с;

h_б – КПД передачи механизма передвижения, h_б=0,9.

Вт

В установившемся режиме значение потребной мощности механизма передвижения кран – балки:

, Вт (5.9)

Вт

На холостом ходу значения усилий и мощностей при пуске и в установившемся режиме:

(5.10)

, Н (5.11)

Н

(5.12)

Н

Найденные значения подставим в выражение (5.10):

Н

Вт (5.13) Вт (5.14)

Для определения режима работы механизма передвижения кран – балки необходимо установить продолжительность включения, предварительно определив время пуска, время движения кран – балки, как с грузом, так и на холостом ходу, и построить нагрузочную диаграмму.

Время разгона кран – балки до установившейся скорости движения, с:

(5.15)

Время передвижения кран – балки при постоянной нагрузке, с:

, (5.16)

где L_ц – длина цеха, L_ц=14 м.

Время опускания груза и подъема захватывающего устройства, с:

, (5.17)

где Н – высота подъема груза, Н=3 м;

V_г – скорость подъема груза, V_г=0,17 м/с.

с

Время разгона кран – балки до установившейся скорости движения при возвращении ее в исходное положение:

c

Продолжительность перемещения кран – балки в исходное положение с постоянной скоростью движения:

с

Продолжительность опускания захватывающего устройства и поднятия груза:

с

(5.18)

Как видно из нагрузочной диаграммы, механизм передвижения кран – балки работает в перемещающемся режиме с продолжительностью включения около 60%.

 

Рисунок 5.2 – Нагрузочная диаграмма механизма перемещения кран-балки

 

В связи с этим выбор электрического двигателя для механизма передвижения кран – балки производят с учетом методов, применяемых для длительной переменной нагрузки.

При этом эквивалентное значение мощности:

, Вт (5.19)

Вт

Выбор электродвигателя

Выбирают электрический двигатель для механизма передвижения, исходя из условий:

1) Климатическое исполнение и категория размещения У2, У3

2) По способу защиты от окружающей среды IP44

3) По конструктивному исполнению и способу монтажа IM 1081

4) По модификации (берут крановый двигатель)

5) По частоте вращения

, (5.20)

где i – суммарное передаточное число.

(5.21)

Для определения w_дв допустим, что синхронная скорость вращения будущего двигателя будет 1000 об/мин, учитывая небольшую скорость вращения приводных звездочек.

Тогда рад/с.

рад/с (5.22)

где n_к – частота вращения колеса кран – балки.

(5.23)

рад/с (5.24)

мин^-1

Полученное выражение подставляем в уравнение (5.20):

6) По роду тока и напряжения

~ В

7) По мощности

Выбираем двигатель типа АИРС160S6.

В таблице 5.2 приведены характеристики двигателя типа АИРС160S6.

Таблица 5.2 – Характеристики двигателя типа АИРС160S6

Р, кВт	Частота вращения, об/мин	КПД, %	Cos j	Iп/Iн	Мп/Мн	Мmax/Мн	Мmin/Мн	Масса, кг
		82,5	0,82	5,5	2,8	2,8	2,4	88,9

Проверка двигателя.

Выбранный двигатель необходимо проверить по условию трогания:

, (5.25)

где K_u – относительное значение напряжения, K_u=0,9;

М_п – пусковой момент двигателя при номинальных параметрах сети;

K_з – коэффициент запаса, K_з=1,3;

М_cmax – максимальное значение момента сопротивления.

Н×м (5.26)

Н×м (5.27)

Н×м (5.28)

Подставим найденные значения в выражение (5.25):

Таким образом, условие выполняется. Окончательно выбираем двигатель АИРС160S6.

 

Механизм подъема.

Величина суммарного усилия под нагрузкой при пуске:

, (5.29)

где F₁ – усилие подъема в установившемся режиме;

F₂ – величина динамического усилия, возникающего при пуске механизма подъема.

Н, (5.30)

где m_г и m_з – соответственно масса груза и масса захватывающего устройства.

Н, (5.31)

где – величина ускорения при подъеме груза.

Н

Значения потребных мощностей механизма подъема при пуске и установившемся режиме соответственно:

Вт, (5.32)

где V_г – скорость подъема груза.

Вт (5.33)

Суммарное усилие при пуске механизма подъема на холостом ходу:

, (5.34)

где F₃ – усилие подъема на холостом ходу в установившемся режиме;

F₄ – значение динамического усилия на холостом ходу.

Н (5.35)

Н (5.36)

Н

Значения потребных мощностей на холостом ходу механизма подъема при пуске и установившемся режиме с соответственно:

Вт (5.37)

Вт (5.38)

Для определения режима работы механизма подъема необходимо установить продолжительность действия соответствующих усилий и мощностей.

В данном случае полный цикл перемещения груза состоит из следующих операций: подъем груза, после чего происходит его перемещение в заданную точку; опускание груза, подъем захватывающего устройства, возвращение кран – балки в исходное положение и опускание захватывающего устройства.

Рассматривая пуск и торможение механизма подъема кран – балки как равноускоренное или равнозамедленное движение, можно определить его продолжительность:

с (5.39)

Время подъема и опускания груза с постоянной нагрузкой:

с, (5.40)

где Н – высота подъема груза.

Продолжительность паузы механизма подъема равна продолжительности передвижения кран – балки:

с, (5.41)

где L – длина цеха.

Время в течение которого происходит захват груза и его освобождение от захватывающего устройства, равно t₃=17,5 c.

Продолжительность включения механизма подъема определяют по данным нагрузочной диаграммы:

(5.42)

Из нагрузочной диаграммы следует, что привод механизма подъема работает в повторно – кратковременном режиме с переменной нагрузкой в цикле. При этом эквивалентное значение мощности:

(5.43)

Вт

 

Рисунок 5.3 – Нагрузочная диаграмма механизма подъема.

 

Выбор электродвигателя.

Электродвигатель выбираем исходя из условий:

1) Климатическое исполнение категория размещения У2, У3

2) По способу защиты от окружающей среды IP44

3) По конструктивному исполнению и способу монтажа IM3081

4) По модификации

5) По частоте вращения

, (5.44)

где i – суммарное передаточное число,

n_б – частота вращения барабана лебедки,.

(5.45)

рад/с (5.46)

(5.47)

рад/с (5.48)

6) По роду тока и напряжения: ~ I, U_н=380/220 В

7) По мощности

 

Выбираем двигатель марки АИРС100S4.

В таблице 5.3 приведены характеристики двигателя типа АИРС100S4.

Таблица 5.3 – Характеристики двигателя типа АИРС100S4

Р, кВт	Частота вращения, об/мин	КПД, %	Cos j	Iп/Iн	Мп/Мн	Мmax/Мн	Мmin/Мн	Масса, кг
3,2			0,76			2,2	1,6	30,5

 

Выбранный двигатель необходимо проверить по условию трогания:

, (5.49)

где К_u – относительное значение напряжения;

М_п – пусковой момент двигателя при номинальных параметрах сети;

К_з – коэффициент запаса;

M_max – максимальное значение момента сопротивления.

Н×м (5.50)

Н×м (5.51)

Н×м (5.52)

Условие выполняется. Окончательно выбираем двигатель АИРС100L6.

 

 

Механизм передвижения тельфера.

Величина суммарного усилия под нагрузкой при пуске для механизма передвижения, Н:

, (5.53)

где F₁ – усилие необходимое преодоления сопротивления движению кран-балки на прямолинейном горизонтальном участке пути, Н;

F₂ – усилие необходимое для перемещения кран – балки по вертикали, Н;

F₃ – усилие связанное с преодолением действия ветровой нагрузки, Н;

F₄ – динамическое усилие связанное с разгоном и торможением кран – балки, Н.

, (5.54)

где r – радиус шейки оси колеса балки, м;

R – радиус колеса тельфера, R=0,2 м;

a – угол наклона путей к горизонту, a=0;

m_г – масса груза, m_г=1700 кг;

m_т – масса тельфера, m_т=900 кг;

m – коэффициент трения в цапфах, m=0,015;

f_т – коэффициент трения качения колес тельфера, f_т=0,03.

Н

Так как a=0 то sin a=0 и следовательно F₂=0.

, (5.55)

где F₀ – удельная ветровая нагрузка;

S – площадь подверженная действию ветра под углом 90° по вертикали.

, (5.56)

где q₀ – скоростной напор ветра на высоте 10 м над поверхностью,

n_в – коэффициент учитывающий возрастание скоростного напора в зависимости от высоты (до 10 м n_в=1, до 20 м n_в=1,32);

с – аэродинамический коэффициент (для конструкций из труб с=0,8…1,2, для коробчатых конструкций с=1,2…1,3);

b – коэффициент, учитывающий пульсирующий характер ветровой нагрузки, b=2.

В связи с тем, что в условиях цеха скоростью ветра можно пренебречь, удельная ветровая нагрузка при этом равна нулю.

, (5.57)

где – ускорение при разгоне кран – балки, м/с².

Н

Полученные значения подставляем в выражение (3.54) и получаем

Н

В установившемся режиме под нагрузкой суммарное усилие

(5.58)

Н

Потребная мощность механизма кран балки при разгоне под нагрузкой, Вт:

, (5.59)

где V – скорость передвижения тельфера, V=0,3 м/с;

h_б – КПД передачи механизма передвижения, h_б=0,9.

Вт

В установившемся режиме значение потребной мощности механизма передвижения тельфера:

, Вт (5.60)

Вт

На холостом ходу значения усилий и мощностей при пуске и в установившемся режиме:

(5.61)

, Н (5.62)

Н

(5.63)

Н

Найденные значения подставим в выражение (3.62):

Н

Вт (5.64)

Вт (5.65)

 

Для определения режима работы механизма передвижения тельфера необходимо установить продолжительность включения, предварительно определив время пуска, время движения тельфера, как с грузом, так и на холостом ходу, и построить нагрузочную диаграмму.

Время разгона тельфера до установившейся скорости движения:

с (5.66)

Время передвижения тельфера при постоянной нагрузке, с:

, (5.67)

где L_ц – длина цеха, L_ц=14 м.

с

Время опускания груза и подъема захватывающего устройства, с:

, (5.68)

где Н – высота подъема груза, Н=3 м;

V_г – скорость подъема груза, V_г=0,17 м/с.

с

Время разгона тельфера до установившейся скорости движения при возвращении ее в исходное положение:

c

Продолжительность перемещения тельфера в исходное положение с постоянной скоростью движения:

с

Продолжительность опускания захватывающего устройства и поднятия груза:

с

(5.69)

Как видно из нагрузочной диаграммы, механизм передвижения тельфера работает в перемещающемся режиме с продолжительностью включения около 80%.

 

Рисунок 5.4 – Нагрузочная диаграмма механизма перемещения тельфера

В связи с этим выбор электрического двигателя для механизма передвижения тельфера производят с учетом методов, применяемых для длительной переменной нагрузки.

При этом эквивалентное значение мощности:

, Вт (5.70)

Вт

Выбор электродвигателя.

Выбирают электрический двигатель для механизма передвижения, исходя из условий:

1) Климатическое исполнение и категория размещения У2, У3

2) По способу защиты от окружающей среды IP44

3) По конструктивному исполнению и способу монтажа IM 1081

4) По модификации (берут крановый двигатель)

5) По частоте вращения

где i – суммарное передаточное число.

Для определения w_дв допустим, что синхронная скорость вращения будущего двигателя будет 1000 об/мин, учитывая небольшую скорость вращения приводных звездочек.

Тогда рад/с

рад/с

Частота вращения колеса тельфера:

мин^-1

Полученное выражение подставляем в уравнение (5.20):

 

6) По роду тока и напряжения

~ В

7) По мощности

Выберем другой двигатель, серии АИРС100L6.

В таблице 3.4 приведены характеристики двигателя типа АИРС100L6.

Таблица 3.4 – Характеристики двигателя типа АИРС100L6

Р, кВт	Частота вращения, об/мин	КПД, %	Cos j	Iп/Iн	Мп/Мн	Мmax/Мн	Мmin/Мн	Масса, кг
2,6			0,76			2,2	1,6	30,5

 

 

Проверка двигателя.

Выбранный двигатель необходимо проверить по условию трогания

, (5.71)

где K_u – относительное значение напряжения, K_u=0,9;

М_п – пусковой момент двигателя при номинальных параметрах сети;

K_з – коэффициент запаса, K_з=1,3;

М_cmax – максимальное значение момента сопротивления.

Н×м

Н×м

Н×м

Подставим найденные значения в выражение (5.71):

Условие выполняется.

Все выбранные двигатели с повышенным скольжением, что обеспечивает плавный пуск.

Обоснование и описание принципиальной схемы управления кран- балкой.

Требования, предъявляемые к схеме управления кран-балкой:

1. Управление привода кран-балки осуществляется вручную (дистанционно) с места подъема груза. Двигатель включен только при нажатой кнопке управления.

2. Путь перемещения всех механизмов ограничивается конечными выключателями.

3. При отключении двигателей включаются с помощью электромагнитов механические тормоза.

4. Все приводы должны иметь защиту от токов короткого замыкания и самопроизвольного пуска.

Описание схемы управления.

В схеме управления кран-балкой рисунок 5.5 предусмотрена защита электрооборудования от токов короткого замыкания с помощью автоматического выключателя QF. Для удержания груза используется электромагнитный тормоз YA, для изменения направления вращения – реверсивные магнитные пускатели. Высота подъема и горизонтальное перемещение ограничиваются конечными выключателями SQ1…SQ5. Управление механизмами подъема и перемещения осуществляется с пола с помощью кнопок “пуск” и “стоп” SB1...SB6. Для исключения самопроизвольного движения кранового механизма при случайном выпуске из рук оператора кнопочной станции, подвешенной на гибком кабеле, и удобства управления кнопки “пуск” не шунтируются замыкающими контактами магнитных пускателей. Для механизма подъема и опускания груза используется двигатель М1, для перемещения тельфера – М2, кран-балки – M3. При подачи напряжения на схему управления с помощью автомата QF загорается сигнальная лампа HL1.

Рисунок 5.5 – Схема управления кран-балкой

 

Разработанная схема электропривода обеспечивает надежную работу, кран-балки позволяет снизить долю ручного труда в ремонтно-механической мастерской. Также позволяет осуществлять перемещение грузов по цеху до 1700 кг. Схема автоматического управления позволяет управлять кран-балкой вручную. Предусматривает защиту от коротких замыканий, самопроизвольного запуска, что обеспечивает удобство и безопасность работы.