Електропривод вантажопідйомних та кранових машин і механізмів

До вантажопідйомних машин відносять підйомні крани, кран-балки, талі, лебідки. За характером технологічного процесу вони є машинами циклічної дії. Спільним для цих установок є режим роботи, при якому технологічний процес, складається з ряду повторюваних однотипних циклів, кожний з яких є закінченою операцією завантаження робочого органу, переміщення його з вихідної точки в пункт призначення і розвантаження.

Стандартами встановлені такі режими роботи механічного і електричного обладнання кранових механізмів: легкий - Л (ТВ_ном = 15..25 %, кількість вмикань за годину h < 60 1/ год), середній - С (ТВ_ном = 25..40 %, h < 120 1/ год), важкий - В (ТВ_ном = 40 %, h < 240 1/ год), і дуже важкий - ДВ (ТВ_ном = 60 %, h < 600 1/ год).

Для електрообладнання кранів приймають, що час циклу не перевищує 10 хв, а для механізмів - 1 год.

Щоб втрати електроенергії в електродвигунах були меншими, потрібно, щоб зведений до вала двигуна момент інерції системи був невеликим. Робочі швидкості механізмів кранів, що використовуються в сільському господарстві, знаходяться в межах 0, 5..2 м/с, тому основну частку в зведеному моменті інерції становить момент інерції ротора двигуна. Цим обумовлюються застосування в приводах кранових механізмів двигунів з малими моментами інерції ротора.

Кранові двигуни повинні мати велику перевантажувальну здатність, щоб забезпечити:

1) достатній механічний момент при розгоні;

2) необхідний пусковий момент для подолання короткочасних механічних перевантажень, що виникають при відриві вантажів.

Вантажопідйомні машини працюють у різних умовах навколишнього середовища - запилених, вологих приміщеннях, на відкритому повітрі, в умовах різких змін температури. Для забезпечення високої експлуатаційної надійності це необхідно враховувати при виборі електрообладнання за ступенем захищеності від дії навколишнього середовища.

Вихідними даними для вибору електропривода кранових механізмів є: вантажопідйомність, робоча швидкість вантажу, допустиме прискорення, число вмикань за годину, тривалість вмикання, кінематична схема і

маса механічного обладнання, використання за вантажопідйомністю і часом, діапазон регулювання швидкості і необхідна жорсткість характеристики (особливо при посадці вантажу), умови навколишнього середовища.

Із теорії електропривода відомо, що електродвигун за потужністю вибирається в кілька етапів. Спочатку за навантажувальною діаграмою робочої машини вибирається двигун, а потім перевіряється методом середніх втрат або еквівалентних величин. При попередньому виборі слід враховувати особливості конкретного механізму. Для кранових механізмів найхарактернішими є три випадки попереднього вибору двигуна:

1. Цикл роботи механізму заданий, причому динамічні навантаження мають незначний вплив на нагрівання двигуна.

2. Цикл роботи механізму заданий і відомо, що динамічні навантаження суттєво впливають на нагрівання двигуна.

3. Цикл роботи механізму завданням не визначений.

Перший випадок характерний для механізмів з малими інерційними масами - однокінцевих підйомних і тягових лебідок. Вплив динамічних навантажень на нагрівання двигуна можна визначити шляхом порівняння тривалості пуску t_п з тривалістю усталеного режиму t_у. Якщо t_п < t_у, потужність двигуна можна вибрати за навантажувальною діаграмою виконавчого механізму.

Наприклад, за діаграмою, наведеною на рисунок 4, знаходять еквівалентний момент навантаження М_се, Н∙ м, з виразу

(91)

де М_сп, М_с.оп - моменти статичних опорів відповідно при підніманні і опусканні вантажу, Н∙ м; t_п, t_оп - тривалість часу відповідно піднімання і опускання, с.

Фактична відносна тривалість вмикання ТВ_ф, %, становить

(92)

де t₀₁, t₀₂ - тривалість пауз, с.

Зведені до вала двигуна моменти статичних опорів М_С, Н∙ м, знаходиться:

а) при підніманні вантажу

(93)

б) при опусканні вантажу

(94)

де т, т₀ – відповідно маса вантажу і вантажозахватних пристроїв, кг; D_Б - діаметр барабана, м; і – передаточне число редуктора і поліспаста; h - ККД підйомного механізму.

При горизонтальному переміщенні зведений момент статичних опорів М_с, Н∙ м, визначається за виразом

(95)

де k - коефіцієнт, що враховує тертя реборд коліс об рейки; т - маса вантажу, кг; т₁ - маса механізму, що переміщується, включаючи т₀, кг; m - коефіцієнт тертя кочення ходових коліс візка об рейки. Залежно від діаметра ходового колеса, його матеріалу та типу рейки m = (0, 3..1, 4)10 м; r - радіус шийки осі колеса, м; f - коефіцієнт тертя в підшипниках (0, 08 для підшипників ковзання, 0, 01..0, 02 - для підшипників кочення); і - передаточне число механізму переміщення; h − ККД механізму переміщення.

Рисунок 4 - Навантажувальна діаграма електропривода кранового механізму

Якщо підйомно-транспортний механізм рухається по похилому шляху і сприймає вітрові навантаження, то момент на валу двигуна М_с, Н∙ м, становить

(96)

де a - кут уклону колії до горизонту, град; F - питоме вітрове навантаження, Н/м²; S_М S_В - площі підвітряних сторін відповідно машини і вантажу, м²; R - радіус ходового колеса, м.

Необхідна потужність двигуна Р_дв., кВт, визначається за виразом

Р_дв. = К_З М_се w_дв, (97)

де К_З = 1, 1..1, 5 - коефіцієнт запасу, що враховує вплив динамічних навантажень. Величина К_З залежить від відношення t_п / t_у (із збільшенням t_п / t_у коефіцієнт К_З збільшують орієнтовно, враховуючи, що при t_п / t_у < 0, 05 слід брати менше значення, а при t_п / t_у > 0, 2..0, 3 - більше); w_дв - кутова швидкість обертання двигуна, с^-1, що визначається за формулою

(98)

де v_Р - робоча швидкість вантажу, м/с.

З каталогу вибирається двигун за умовами:

Р_дв.ном≥ Р_дв.; ТВ_СТ ≥ ТВ_Ф

де ТВ_СТ – стандартна тривалість вмикання вибраного двигуна, %; ТВ_ф - фактична тривалість вмикання вибраного двигуна, %.

При значній різниці між ТВ_СТ і ТВ_Ф, потужність двигуна вибирають за виразом

(99)

Вибраний електродвигун перевіряється на нагрівання під час пуску одним із відомих з курсу теорії електропривода методів, а також на перевантажувальну здатність за умовою

М_тах = М_СТ1 +М_ДИН ≤ М_ДОП (100)

де М_СТ1 - найбільший момент статичного навантаження за навантажувальною діаграмою, зведений до вала електродвигуна, Н∙ м; М_ДИН - динамічний момент при пуску, Н∙ м; М_ДОП - допустимий момент короткочасного перевантаження двигуна Н∙ м.

Динамічний момент М_ДИН, Н∙ м, при пуску створюється двома складовими - моментом інерції мас, що рухаються поступально, і тих, що обертаються

(101)

де ∑ т - сума мас, що рухаються поступально, кг; t_П - час пуску двигуна до усталеної швидкості, с; J_ЗВ - зведений до вала двигуна момент інерції вузлів, що обертаються, кг∙ м².

Вибраний двигун перевіряється також на допустиме прискорення а_доп, м/с², за формулою

, (102)

де а_доп - допустиме прискорення, що при легкому і середньому режимах не перевищує 0, 15 м/с², а при важкому - 0, 35 м/с².

Другий випадок характерний для механізмів з великими інерційними масами - важких і швидкохідних механізмів переміщення і повороту, але може бути і в інших випадках при великій частоті вмикань. При цьому для попереднього вибору необхідно побудувати навантажувальну діаграму двигуна, задавшись його моментом інерції по аналогії з діючими установками. Якщо J_ДВ < J _МЕХ, помилка в значенні J_ДВ суттєво не вплине на правильність вибору і, крім того, необхідні уточнення дасть наступний перевірний розрахунок.

Третій випадок характерний для механізмів універсального призначення, для яких побудувати конкретний цикл роботи важко. Наприклад, для механізмів мостового крана невеликої вантажопідйомності, який може використовуватися в різних виробничих приміщеннях. Основою для

вибору двигуна в таких випадках може бути розрахунковий цикл, при якому на першій робочій ділянці і t_Р1 двигун працює з максимальним навантаженням М_С1, а на другі t_Р2 - з мінімальним М_С2. Якщо допустити, що t_Р1 = t_Р2 і відомо, що вплив динамічних навантажень на нагрівання двигуна невеликий, можна знайти еквівалентний за нагріванням момент М_с, Н∙ м, навантаження за формулою

(103)

Потрібна потужність двигуна Р_дв, кВт, при відомій робочій швидкості w_Р становить

Р_дв = k_З∙ М_С∙ w_Р, (104)

Орієнтовно тривалість роботи t_р, с, можна визначити, якщо відомий режим роботи механізму, з рівняння

(105)

де h - кількість вмикань за годину; ТВ_CT - стандартна кількість вмикань для даного режиму роботи.

Промисловість виготовляє ряд серій електродвигунів для привода кранових механізмів: двигуни постійного струму серії Д потужністю від 2, 5 до 185 кВт при ТВ=40 %. Двигуни мають широкий діапазон регулювання швидкості обертання, допустиму кількість вмикань за годину до 2000 разів, перевантажувальну здатність по струму до 3 І_ном та відносно малий момент інерції якоря; асинхронні кранові одношвидкісні з короткозамкненим ротором серії МТКF потужністю 1, 4..22 кВт при ТВ = 40 %; асинхронні дво- і тришвидкісні серії МТКF з числом полюсів 4/12, 4/24, і 4/8/24 номінальною потужністю від 4 до 45 кВт при ТВ = 25 %; асинхронні з фазним ротором серії МТF шести- і восьмиполюсні номінальною потужністю від 1, 4 до 22 кВт при ТВ = 40 %; асинхронні з короткозамкненим і фазним ротором серії 4МТ, чотири-, шести- і восьмиполюсні з номінальними потужностями 5, 5..35 кВт при ТВ = 40 %.

Характерною особливістю двигунів з короткозамкненим ротором є те, що кратність пускового і максимального моментів рівні між собою і знаходяться в межах від 1, 8 до 2, 8. Для зменшення втрат потужності в обмотках статора у перехідних режимах двигуни мають підвищене номіналь-

не ковзання. З метою зниження моменту інерції ротори подовжені зі зменшеним діаметром.

Для привода кран-балок і талів використовують спеціальні вбудовані трифазні асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором типу АИРВС100А4ЭУ1.1 та АИРВС100В12/4ЭУ1.1. Двигуни мають підвищене ковзання та вбудоване електромагнітне гальмо, яке стопорить ротор після вимикання двигуна з мережі.