Оглавление

 

Исходные данные к проектированию механизма подъёма однолебёдочного крана: 3

Исходные данные к проектированию механизма передвижения портального крана: 3

1.     Выбор варианта технического решения электропривода механизма перегрузочных кранов. 4

2.     Определение мощности и выбор электродвигателя механизма подъема однолебедочного крана. 6

3.     Определение мощности на выбор электродвигателей и механизмов передвижения портального крана. 12

4. Выбор электропривода механического тормоза. 16

Список литературы.. 19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исходные данные к проектированию механизма подъёма однолебёдочного крана:

Gн=5 – номинальная грузоподъемность, тс;

G0=0,35– вес пустого захватного приспособления, тс;

ПВст=0,40– относительная продолжительность включения двигателя;

Rб=0,33– радиус барабана лебедки, м;

v1=0,80 – скорость подъема номинального груза; м/с;

H=12– средняя высота подъема, м;

η1=0,77 – коэффициент полезного действия механизма при подъёме номинального груза.

 

Исходные данные к проектированию механизма передвижения портального крана:

Gк=110 – вес крана без груза, тс;

v=0,23 – скорость передвижения крана; м/с;

S=95 – подветренная площадь крана, м2;

Rк=0,35 – радиус катков, м;

rц=0,025 – радиус цапф катков, м;

η=0,79– коэффициент полезного действия механизма перемещения.

 

Объем и содержание курсовой работы:

- выбор варианта технического решения для электропровода механизма подъёма перегрузочного крана с помощью аддитивного критерия оптимальности;

- расчет и выбор электродвигателей электроприводов перегрузочных механизмов;

- расчет внутренних параметров и проверка выбранных двигателей;

- выбор электропривода механического тормоза;

– вспомогательные графические материалы, поясняющие расчеты и выполненные с учетом масштаба.

 

Дополнительные требования:

Расчет электродвигателя механизма подъёма вести по методу относительной продолжительности включения.

Электродвигатель механизма передвижения работает в кратковременном режиме. Схема должна быть выполнена в обозначениях согласно действующих ГОСТ (ЕСКД).

 

1.    Выбор варианта технического решения электропривода механизма перегрузочных кранов.

 

Выберем пять варианта технического решения, отвечающие современным требованиям к работе электропривода механизма перегрузочных кранов (S₁, S₂, S₃, S₄, S₅).

Для каждого варианта технического решения необходимо определить показатели качества, которые оценивают статические свойства работы привода:

Показатели качества:

• Коэффициент мощности (cosφ) – Y₁;
• Диапазон регулирования (D) – Y₂;
• Перерегулирование (δ) – Y₃;
• Стоимость (₽) – Y₄

 

Составим таблицу

 

Таблица 1 Отношение показателей качества к техническим решениям

Показатель качества	Вариант технического решения
	S1	S2	S3	S4	S5
Y1	0,8	0,9	0,7	0,85	0,9
Y2	5	10	100	1000	3
Y3	2	3,5	4	4	1
Y4	105	105	103	106	102

 

По таблице составляем матрицу

Признаки вариантов технического решения имеют различную размерность. Для их сравнения нужна единая безразмерная шкала, что требует проведения операции нормирования. В зависимости от выбранного показателя качества его экстремальное значение может быть либо минимальным, либо максимальным. Поэтому процедура нормирования проводится при минимизации, либо максимизации показателя качества.

Для этого требуется задать векторы минимальных и максимальных значений показателей качества: Y_min и Y_max.

Проведем операцию нормирования

Выбор варианта технического решения для электропривода механизма перемещения перегрузочного крана осуществляется с помощью аддитивного критерия оптимальности.

Таблица 2 Субъективная оценка показателей качества

Показатели качества	Y1	Y2	Y3	Y4
Y1	-	1	0,5	1	2,5
Y2	0	-	1	0,5	1,5
Y3	0,5	0	-	0	0,5
Y4	0	0,5	1	-	1,5

 

Рассчитываем вектор весового коэффициента  и определим значения обобщенных показателей качества для каждого технического решения.

 

Из полученных оценок показателей качества каждого технического решения можно понять, что наибольшую оценку имеет пятое техническое решение, следовательно, и будет являться наилучшим вариантом.

 

2.    Определение мощности и выбор электродвигателя механизма подъема однолебедочного крана

• • Исходные данные

Gн=5 – номинальная грузоподъемность, тс;

G₀=0,35– вес пустого захватного приспособления, тс;

ПВ_ст=0,40– относительная продолжительность включения двигателя;

R_б=0,33– радиус барабана лебедки, м;

υ₁=0,80 – скорость подъема номинального груза; м/с;

H=12– средняя высота подъема, м;

η₁=0,77 – коэффициент полезного действия механизма при подъёме но-минального груза.

• • Определение продолжительности цикла

 

Цикл механизма подъёма однолебедочного крана состоит из четырех основных операций: подъема груза, спуска груза, подъема и спуска пустого грузозахватного приспособления.

Для введения единообразия в формулах вес величины, относящиеся к подъему номинального груза, снабжаются индексом 1, к спуску номинального груза – индексом 2, к подъему пустого грузозахватного приспособления – индексом 3 и к спуску пустого грузозахватного приспособления – индексом 3.

Так как задана относительная продолжительность включения двигателя подъема, то примерная длительность работы его за час может быть определена по формуле (в секундах)

t_p = 3600*ПВ_ст, где ПВ выражена в долях единицы.

         Затем определяется приближенная длительность работы двигателя механизма подъема в течении одного цикла (в секундах)

t_рц =.

         Число циклов в час в этом случае определяется как

Z = ,

а продолжительность цикла (в секундах)

T = .

Найденная продолжительность цикла справедлива для всех механизмов крана, работающих в повторно-кратковременном режиме.

• • Предварительный выбор электродвигателя

 

Рассчитывается величина мощности, необходимая для подъема номинального груза (в кВт):

P`=

Затем определяется необходимая частота вращения двигателя по формуле (в об/мин):

n_необх =

По величинам P', n и ПВ_ст по каталогу (см. каталог Ярославского электромашиностроительного завода АО «Элдин» для приводов кранов с частотным регулированием) предварительно выбирается двигатель мощностью, равной или ближайшей меньшей ПВ_ст.

 

Выбираем двигатель AMTK200М4 (IE=1)

P₂=44 кВт для ПВ=40%

Параметры электродвигателя:

Частота питающей сети: f_н=50 Гц;

Число пар полюсов: p_п=2;

Момент инерции ротора J_д = 0,194 кгм²

m = 230 кг

Номинальная скорость в S1: n_н =1463 об\мин;

Номинальная мощность в режиме S1: P_нS1 = 37 кВт;

Номинальная мощность в режиме S3 при ПВ=40%: P_нS3 = 44 кВт;

Номинальный ток в режиме S1: I_нS1 = 70 А;

КПД = 92 %

Cosφ = 0,87

Номинальный момент на валу двигателя в режиме S1: М_н = 242 Нм

М_макс = 850 Н*м

 

 

• • Определение моментов на валу двигателя

 

Как известно, в статических режимах момент, развиваемый электродвигателем, равен моменту сопротивления. При подъеме номинального груза двигатель должен развивать момент (в Н∙м)

 

М₁ =

 

        Передаточное число i приближенно определено по формуле:

 

i = 63,2

 

где n_н — номинальная частота вращения предварительно выбранного двигателя, об/мин.

Момент на валу при опускании номинального груза определяется по выражению (Н∙м)

Спуск номинального груза производится, как правило, с электрическим торможением. Потери в механизме при спуске груза уменьшают требующийся от двигателя тормозной момент, в связи с чем  в фор муле (М₂) находится в числителе, а не в знаменателе, как это было в  выражении (М₁). Если величина  не задана, то она может быть прибли- женно определена по выражению

Момент на валу двигателя при подъеме пустого грузозахватного приспособления М₃ определяется по формуле (в Н∙м)

При подъеме пустого грузозахватного приспособления значение коэффициента полезного действия механизма  будет много меньше, чем

Величина  может быть определена рядом способов, в частности, по следующей формуле:

где

 

 

Момент М₄, развиваемый грузозахватным приспособлением при его опускании, может быть, как отрицательным, так и положительным, в зависимости от того, может ли этот момент преодолеть момент потерь в передачах или нет. Величина и знак момента, создаваемого грузозахватным приспособлением на валу двигателя,   определяется по следующей формуле (в Н∙м)

 

где

 

Значение М4 по расчету отрицательное. Это значит, что для спуска пустого грузозахватного приспособления двигатель должен развивать положительный (движущий) момент и, следовательно, имеет место так называемый силовой спуск (III квадрант системы координат «М-п»).

 

• • Определение начального пускового момента

 

Начальный пусковой момент двигателя определяется исходя из допустимых средних ускорений при подъеме номинального груза. Значения этих ускорений для механизма подъема кранов различной грузоподъемности приведены в таблице 3.

 

 

Таблица 3 Допустимые ускорения при грузоподъемности

 

Суммарный момент инерции системы, приведенный к валу двигателя, определяется по формуле (в кгꞏм²)

 

где (1,1-1,2) — коэффициент, учитывающий момент инерции барабана и редуктора; меньшее значение коэффициента принимается для кранов меньшей грузоподъемности (3‒5 т);

J_д, J_м — соответственно, моменты инерции ротора предварительно выбранного электродвигателя и муфты, кгꞏм²; J_м= 0,1 кгꞏм²;

m_н —  масса номинального груза, т; m_н = 5 т.

Для определения максимально допустимого значения начального пускового момента рассчитываем вспомогательный коэффициент С

Кратность начального пускового момента γ = 1,85; Расчетный начальный пусковой момент определяется по выражению (в Н*м):

М_н,п = γ * М₁ = 1,85 * 332,75 = 615,69

Значение начального пускового момента М_н,п не более 0,8 М_max

М_н,п ≤ 0,8 М_max; 615,69 ≤ 680 – утверждение верно

 

М_max = 850 - максимальный момент выбранного электродвигателя, Н*м; 0,8 — коэффициент, учитывающий возможное снижение напряжения питающей сети на 10%.

 

• • Расчет внутренних первичных параметров асинхронного двигателя

 

• • • Базовые величины

Базовые величины делятся на основные и производные от них. Основные базовые величины:

- напряжение U_б=U_н * = 220*  = 311,13 В;

- ток I_б = I_н *  = 70 *  = 98,995 А;

- номинальная угловая частота напряжения статора ω_н = ω_б = 2 * π * f_н = 314 рад/с

Производные базовые величины находятся из основных базовых величин:

- сопротивление R_б = U_б / I_б = 311,13 / 98,995 = 3,14 Ом

- индуктивность L_б = R_б / ω_б = 3,14 / 314 = 0.01 Гн

- мощность P_б = m * I_н * U_н = 3 * 70 * 220 = 46 200 Вт = 46,2 кВт

- электромагнитный момент М_б = р_п * Р_б / ω_б = 2 * 46 200 / 314 =                = 294, 27 Нм

- угловая скорость вращения поля статора Ω_б = ω_б / р_п = 314 / 2 =157 рад/с

- номинальный момент

 

 

где = 1 - р_п * n_н / 3000 = 1 – 2*1463/3000 = 0,02 – номинальное скольжение.

 

Относительный номинальный момент

• • • Оценки внутренних первичных параметров асинхронного электродвигателя

 

Оценки основных параметров асинхронного электродвигателя в относительных единицах

Находятся по номинальным данным из соотношений:

- активные сопротивления

- критический момент = 2,21;

 

- критическое скольжение = 0,119;

 

 

-основная индуктивность

- индуктивность короткого замыкания = 0,202;

 

- индуктивность рассеяния обмоток статора и ротора

 

 

Кроме этих параметров используются относительные полные индуктивности обмоток статора и ротора

2,401 =    

 

Для определения  и  - относительных полных индуктивных сопротивлений фазы статора при номинальной частоте и фазы ротора, приведенной к статору,  - относительное индуктивное сопротивление намагничивающего контура используем формулы

                                            

                                    15,08

                                                     

                                    14,44         

                                            

                                    1,27           

                                                     

      

                                                               

Коэффициент рассеяния машины находится по формуле

                                    = 0,917               

 

При проектировании также используется параметр, называемый активным сопротивлением короткого замыкания

                                    = 0,048               

 

Относительные параметры машины переводятся в абсолютные значения умножением их на соответствующие им базовые значения.

3.    Определение мощности на выбор электродвигателей и механизмов передвижения портального крана

• • Исходные данные

Gк=110 – вес крана без груза, тс;

v=0,23 – скорость передвижения крана; м/с;

S=95 – подветренная площадь крана, м2;

Rк=0,35 – радиус катков, м;

rц=0,025 – радиус цапф катков, м;

η=0,79– коэффициент полезного действия механизма перемещения.

L = 50 — расчетная длина пути, м;

kc = 0,8 — коэффициент сплошности;

F'B = 150 — максимальное давление ветра, Нꞏм2;

μ = 0,05 — коэффициент трения цапф (для подшипников качения);

f = 0,0005 — коэффициент трения качения для катков, м;

К = 2,5 — коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления движению из-за возможного перекоса портала (для подшипников качения);

 

• • Определение сопротивления движению

 

Сила, которая должна быть приложена к крану для его перемещения при отсутствии ветра, определяется по формуле (в Н)

 

13489 кН

 

Сопротивление движению от ветровой нагрузки равно (в Н)

 

10400 кН

 

Полное сопротивлению движению

 

= 24889 кН

 

• • Предварительный выбор электродвигателя

 

Мощность, требуемая для передвижения крана, определяется по формуле (в кВт)

 

 

Двигатель передвижения портала работает в кратковременном режиме. При кратковременной работе длительностью не более 10 мин по данным завода «Динамо» крановые двигатели, предназначенные для работы в повторно-кратковременном режиме при ПВ = 0,25, могут быть перегружены до величины момента равного 0,6M_опр. С этой целью определяют длительность работы двигателя

 

217,4

 

и убеждаются, что t_р ≤ 600 с.

Так как на механизме передвижения портала устанавливают два или четыре электродвигателя, то примерная мощность одного из них при ПВ = 0,25 находится по выражению

 

где - кратность опрокидывающего (максимального) момента двигателя мощностью ближайшей меньшей, чем

z - число электродвигателей, устанавливаемых на механизме передвижения портала (ориентировочно можно принять z = 2, если P_p ≤ 20 кВт и z = 4, если P_p > 20 кВт).

По каталогу выбирают двигатель мощностью равной или ближайшей большей P25.

По полученным параметрам подобрал двигатель AMTK112MA6

Параметры электродвигателя:

Частота питающей сети: f_н = 50 Гц;

Число пар полюсов: р_п = 3;

Момент инерции ротора J_д = 0,0076 кгм²;

m = 45 кг;

Номинальная мощность в режиме S1: P_нS1 = 3 кВт;

Номинальная скорость в S1: n_н = 945 об/мин

Номинальный ток в режиме SI: I_н = 7,5 А;

КПД 81%;

IE = 1;

Cosφ = 0,75;

Номинальный момент M_н = 30 Нм;

Максимальный момент M_max = 87 Нм;

 

Определяем статический момент сопротивления электродвигателя

(в Нꞏм);

 

 

где  – номинальная частота вращения двигателя при ПВ = 0,25 об*мин^-1.

 

• • Определение длительности разгона

 

Начальный пусковой момент для предварительно выбранного электродвигателя определяется по формуле (в Н*м)

 

 

где P_н25 — номинальная мощность предварительно намеченного двигателя при ПВ = 0,25, кВт; k_max   = 2,9  — кратность его опрокидывающего (максимального) момента. Начальное и конечное значения избыточного момента принимаются равными

 

 

 

где  = 50,05– момент переключения.

Длительность разгона определяется по формуле (в секундах)

 

 =2,99

где J_{м =} 0,03 кг*м², J_д — соответственно моменты муфты, кгꞏм2 ;

1,5 — коэффициент, учитывающий приведенные к валу двигателя моменты инерции других вращающихся частей механизма.

При этом длительность разгона должна быть такой, чтобы, с одной стороны, при разгоне не превысить значения допустимого среднего ускорения, а с другой стороны, не уменьшить производительность крана, т. е. должно соблюдаться условие

 

1,53 ˃ t_п ≥ 3,06 – утверждение верно

где a_доп =0,15 – допустимое среднее ускорение механизма передвижения из прил.3, м*с².

 

• • Определение токов при статической и динамической нагрузках

- напряжение U_б=U_н * = 220*  = 311,13 В;

- ток I_б = I_н *  = 7,5 *  = 10,6 А;

- номинальная угловая частота напряжения статора ω_н = ω_б = 2 * π * f_н = 314,16 рад/с

Производные базовые величины находятся из основных базовых величин:

- сопротивление R_б = U_б / I_б = 311,13 / 10,6  = 29,35 Ом

- индуктивность L_б = R_б / ω_б = 29,35 / 314,16 = 0.093 Гн

- мощность P_б = m * I_н * U_н = 3 * 7,5 * 220 = 4950 Вт = 4,95 кВт

- электромагнитный момент М_б = р_п * Р_б / ω_б = 3 * 4950 / 314,16 =              = 47,2 Нм

- угловая скорость вращения поля статора Ω_б = ω_б / р_п = 314,16 / 3 = =104,72 рад/с

Номинальный момент

 

где = 1 - р_п * n_н / 3000 = 1 – 3*945/3000 = 0,055 – номинальное скольжение.

 

Относительный номинальный момент

 

Оценки основных параметров асинхронного электродвигателя в относительных единицах

Находятся по номинальным данным из соотношений:

- активные сопротивления ;

- критический момент = 1,69;

 

- критическое скольжение = 0,42;

 

 

-основная индуктивность

- индуктивность короткого замыкания = 0,21;

 

- индуктивность рассеяния обмоток статора и ротора

 

Кроме этих параметров используются относительные полные индуктивности обмоток статора и ротора

  2,105 =    

 

Для определения  и  - относительных полных индуктивных сопротивлений фазы статора при номинальной частоте и фазы ротора, приведенной к статору,  - относительное индуктивное сопротивление намагничивающего контура используем формулы

                                             

                                    13,22

                                                      

                                    12,57 12,57

                                             

                                    1,32  1,32 

                                                               

                                                               

Коэффициент рассеяния машины находится по формуле

                                    = 0,096               

 

При проектировании также используется параметр, называемый активным сопротивлением короткого замыкания

                                    = 0,176               

 

Относительные параметры машины переводятся в абсолютные значения умножением их на соответствующие им базовые значения

 

4. Выбор электропривода механического тормоза

 

Механические тормоза выпускаются непосредственно с электроприводом. В качестве электроприводов (аппаратов) для управления механическими тормозами используются электрогидравлические толкатели и электромагниты переменного и постоянного тока.

Выбор механического тормоза, а, следовательно, и его электропривода производится по необходимому тормозному моменту, который для различных механизмов крана определяется следующим образом (в Нꞏм):

Для механизма подъема

= 1293

 

где J_д, J_м, — соответственно, моменты инерции ротора двигателя и муфты,  кгꞏм²;

n₂ = 720 — частота вращения двигателя при спуске полного груза до начала механического торможения, об*мин^-1;

v₂ = 1,1 — линейная скорость при тех же условиях, мꞏс^-1;

η₂ = 0,72— КПД механизма при спуске полного груза;

t_т = 0,7 — время торможения механическим тормозом, с;

m_н = 5 — масса номинального груза крана, т

R_б = 1,6— радиус барабана лебедки, м

 

Из приложения 4 курсовой работы выбираем электрогидравличсский толкатель ТКТГ 400 М

Технические данные электрогидравличсского толкателя ТГМ 80:

- Тяговое усилие – F_T = 800 Н

- Ход штока - 50 мм

- Тормозной момент – M_T= 1500 Н * м

- Мощность двигателя - Р = 0,2 кВт

- Ток двигателя – I₁ = 0,7 А

- Напряжение – U₁ = 220 В

Тормозной момент для механизма горизонтального передвижения (тележки моста, портала)

=11,9

 

Приведённый к валу двигателя момент статического сопротивления механизма при движении с грузом без учета ветровой нагрузки;

                                =31,24 

 

 

Приведенный к валу двигателя момент, создаваемый давлением ветра на стрелу

 

                               =26,4    

Из приложения 4 курсовой работы подойдет короткоходовой электромагнит для тормозов серии ТКП. Тормоза пружинные, колодочные, серии ТКП применяются для механизмов с тяжелым режимом работы. К этим тормозам изготавливаются катушки параллельного (U_H =110 В) и последовательного возбуждения (U_H = 220 В) подключенные к постоянному току.

Технические данные тормоза ТКП-100 при ПВ=25%:

- Тяговое усилие - 280 Н

- Максимальный ход электромагнита - 3 мм

- Тормозной момент - М_т = 20 Н * м

 

 

 

 

Список литературы

• Саушев А. В. Проектирование электротехнических устройств / А. В. Саушев. — СПб. : Изд-во ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова, 2015. — 167 с.
• Саушев А. В. Логические системы управления электропривода / А. В. Сау- шев. — СПб. : Изд-во ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова, 2021. — 42 с.
• Тырва В. О. Электрические и электронные аппараты электроприводов и систем автоматики / В. О. Тырва. — СПб. : Изд-во ГУМРФ им. адм. С. О. Мака- рова, 2015. — 336 с.
• Самосейко В. Ф. Теоретические основы управления электроприводом / В. Ф. Самосейко. — СПб. : Элмор, 2007. — 464 c. 5.
• Соколовский Г. Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулиро- ванием / Г. Г. Соколовский. — СПб. : Академия, 2006. — 265 с