Описание технологической схемы кран-балки

Высшего профессионального образования

ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

 

Кафедра «Автоматизированного электропривода»

 

 

КУРСОВОЙ проект

тема: «Электропривод кран-балки»

 

Выполнил: студент 451 группы

Ворожцов Ю.А.

 

 

Принял: Владыкин И.Р.

 

Ижевск 2005

 

Содержание

 

Введение …………………………….…………………………………………3

Задание……………..…………………………………...………………………4

1.Описание технологической схемы кран-балки…...………..………………5

2. Выбор частоты вращения двигателя и

технических данных редуктора…………………………...6

3.Расчет и построение нагрузочной диаграммы

и механической характеристики рабочей машины………………………7

4. Предварительный выбор двигателя по мощности

и режиму нагрузки…………………………...11

5. Определение приведенного момента инерции

системы двигатель-рабочая машина…..…………………..12

6. Расчет и построение нагрузочной диаграммы

двигателя за один цикл работы машины………………………13

7. Проверка выбранного двигателя по перегрузочной

способности, пусковому моменту и частоте вращения………………..14

8. Обоснование и описание принципиальной схемы

управления приводом кран-балки…………………….15

9. Выбор аппаратуры управления и защиты………………………………..16

10.Краткое описание устройства и места

расположения электрооборудования кран-балки…………………….18

11. Подсчет стоимости выбранного комплекта

электрооборудования…………………………..19

12. Спецификация……………………………………………………………20

13. Определение устойчивости выбранной автоматической СУ

13.1.Построение функциональной схемы……………………………...21

13.2.Построение структурной схемы для расчета статики….........…...21

13.3.Расчет динамики……………………………………………………24

14. Приложение………………………………………………………………29

15. Заключение……………………………………………………………….33

16. Литература………………………………………………………………..34

Введение

 

Механизация, электрификация и автоматизация – ключи к интенсификации сельского хозяйства. Важная роль в реализации планов электрификации и механизации сельскохозяйственного производства отводится электроприводу – основному виду привода самых разнообразных машин и механизмов. Более 60% вырабатываемой в стране электроэнергии потребляется электроприводом. Основные достоинства электропривода: малый уровень шума при работе и отсутствие загрязнения окружающей среды, широкий диапазон мощностей (от сотых долей ватта до десятков тысяч киловатт) и угловых скоростей вращения (от долей оборота вала в минуту до нескольких сотен тысяч оборотов в минуту), доступность регулирования угловой скорости вращения, высокий КПД, легкость автоматизации и простота эксплуатации.

 

Первостепенное значение для автоматизации производства имеют многодвигательный привод и средства электрического управления. Развитие электропривода идет по пути упрощения механических передач и приближение электродвигателей к рабочим органам машин и механизмов, а также возрастающего применения электрического регулирования скорости приводов. Широко внедряются комплектные тиристорные преобразовательные устройства. Применение тиристорных преобразователей не только позволило создать высокоэкономичные регулируемые электроприводы постоянного тока, но и открыть большие возможности для использования частотного регулирования двигателей переменного тока, в первую очередь наиболее простых и надежных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

 

Автоматизация различных технологических электроустановок, используемых в сельском хозяйстве, позволяет повысить надежность и увеличить срок службы технологического оборудования, облегчить и улучшить условия труда работающих, увеличить производительность и повысить качество работы оборудования.

 

В современных условиях эксплуатация электрооборудования требует глубоких и разносторонних знаний, а задачи создания нового или модернизации существующего электрифицированного технологического агрегата, механизма или устройства решаются совместными усилиями технологов, механиков и электриков.

 

 

Задание на курсовой проект

2 1

Рис.1. Схема устройства кран-балки

 

Кран-балка предназначена для работы в ремонтно-механической мастерской. Она состоит из балки 1, передвигаемой вдоль цеха, и тельфера 2, служащего для подъема, опускания и попеременного перемещения груза (рис.1). Максимальная масса поднимаемого груза m=1000 кг; масса тельфера 900 кг; масса балки 2900 кг; скорость подъема груза 10 м/мин; скорость передвижения тельфера 20 м/мин, балки 50 м/мин; максимальная высота подъема груза 8 м; длина пролета балки 10 м; длина цеха L=100 м; диаметр ходовых колес балки 450 мм, тельфера 400 мм; диаметр цапф колес тельфера и балки 60 мм; диаметр барабана тельфера 400 мм; коэффициент трения качения колес балки f_б =0,0005, тельфера f_т =0,0003; коэффициент трения в цапфах m = 0,015; коэффициент, учитывающий сопротивления в ребрах колес, торцах ступиц и т. д. а =2,5.

Привод механизма передвижения балки, подъема груза и передвижения тельфера осуществляется от отдельных электродвигателей через редукторы. Среднее число циклов в час равно 20 при средней длине перемещения тельфера и балки. Спуск груза производится в режиме сверхсинхронного торможения. Питание энергией двигателей производится от троллейных проводов. Пусковая и защитная аппаратура установлена на кран-балке.

Требования к схеме автоматического управления

1. Управление привода кран-балки осуществляется вручную – дистанционно с места подъема груза. Двигатель тельфера 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 технологической схемы кран-балки

В приложении показана технологическая и кинематическая схемы кран-балки. Пролетное строение моста кран-балки представляет собой ездовой двутавр (прокатные двутавровые балки), опирающийся концами на концевые балки, на которых установлены ходовые колеса. Колеса перемещаются по рельсам подкранового пути, закрепленным на балках опорных конструкций в верхней части цеха. Привод ходовых колес осуществляется от электродвигателя через редуктор и трансмиссионный вал. Механизм передвижения крана оборудован электромагнитным тормозом, установленным на быстроходном валу редуктора. Ездовые двутавры усилены верхним трапецеидальным шпренгелем, состоящим из двух сваренных по длине коробку прокатных швеллеров.

 

Механизм передвижения электротали представляет собой четырехколесную тележку с электродвигателем и редуктором, приспособленную для передвижения по нижним полкам прокатных двутавровых балок. Тормоза механизм передвижения электротали не имеет.

 

В механизме подъема груза вращение от электродвигателя и редуктор передается на грузовой барабан. На барабан лебедки наматывается подъемный канат 13 с подвешенным к нему на блоке крюком для захвата груза. Груз удерживается на весу тормозом, затормаживаемым при выключении электродвигателя и растормаживаемым при включении.

 

2.Выбор частоты вращения двигателя и технических данных редуктора

 

Для привода механизма кран-балки используем асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором серии 4А и редукторы РМ.

Привод кран-балки.

Для привода кран-балки используем электродвигатель с синхронной частотой n = 1000 об/мин.

По заданию скорость движения кран-балки v= 50 м/мин и диаметр ходовых колес d_{х. к} = 0,45 м.

Перейдем от v_б к частоте вращения ходовых колес n_{х. к:}

n_х.к = v_б / (π х d_х.к) = 50/(3,14 х 0,45) = 35,4 об/мин

Тогда передаточное число редуктора равно:

i = n / n_х.к = 1000/35,4 = 28,2

Выбираем редуктор РМ250 с i_ф = 31,5 и мощностью на быстроходном валу Р = 0,9 кВт.

Фактическая скорость передвижения кран-балки:

v_ф = (v х i) / i_ф = (50 х 28,2)/ 31,5 = 44,8 м/мин

Отклонение от заданной

Е = (v - v_ф) / v = (50 - 44,8)/ 50 = 10,4 %

Такое отклонение является допустимым для крановых механизмов.

Привод механизма передвижения электротали.

Для этого привода применим электродвигатель с синхронной частотой вращения n = 1000 об/мин.

По заданию: v= 20 м/мин и d_{х. к} = 0,2 м.

n_х.к = 20/(3,14 х 0,2) = 31,8 об/мин

i = n / n_х.к = 1000/31,8 = 31,4

Выбираем редуктор РМ250 с i_ф = 31,5 и Р = 0,9 кВт.

v_ф = (20 х 31,4)/ 31,5 = 19,4 м/мин

Е = (20 – 19,4)/ 20 = 3 %

Такое отклонение является допустимым.

Привод механизма подъема.

Выбираем электродвигатель с частотой n = 1500 об/мин.

По заданию: v= 10 м/мин и d_бар = 0,4 м.

n_бар = (m x v) / (π х d_бар) = (2 x 10)/ (3,14 x 0,4) = 15,9 об/мин,

где m – кратность полиспаста, m = 2.

i = 1500/15,9 = 94,3

Выбираем редуктор РМ400 с i_ф = 98,57 и Р = 2,7 кВт.

v_ф = (10 х 94,3)/ 98,57 = 9,57 м/мин

Е = (20 – 19,4)/ 20 = 3 %

Такое отклонение является допустимым.

 

 

3. Расчет и построение нагрузочной диаграммы и механической характеристики рабочей машины

Механизм передвижения кран-балки

Статическая мощность Р_с на валу двигателя передвижения кран-балки в установившемся режиме:

Р_с = 9,81 х К х v_м x (m+m_o+m_м)x(m x r+f)/(R_{х. к} х h_м), (3.1)

где К - коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления движению из-за реборд ходовых колес о рельсы, К = 2,5; m, m_o, m_м - соответственно масса перемещаемого груза, захватывающего устройства и моста с тележкой (или только тележки), m=1000 кг, m_o=10 кг, m_м=3800 кг; v_м – скорость передвижения моста, v_м = 5/6 м/с; R_х.к – радиус ходового колеса, R_х.к = 0,225 м; m - коэффициент трения в опорах ходовых колес, m = 0,015; r – радиус шейки оси ходового колеса, r = 0,3 м; f - коэффициент трения качения ходовых колес по рельсам, f =0,0005; h_м - КПД механизма передвижения моста (тележки); определяем по кривым на рис.4.11 [4].

Статический момент М_с на валу двигателя

М_с = (Р_с х R_{х. к}) / (v_м х i_р ), (3.2)

где i_р – передаточное число редуктора механизма передвижения моста (тележки); i_р= 31,5.

Передвижение с грузом

Р_с=9,81х2,5х(5/6)х(1000+10+3800)х(0,015х0,03+0,0005)/(0,225х0,9)=461 Вт;

М_с = (461х0,225)/((5/6)х31,5)=3,95 Н∙м.

Передвижение без груза

Р_с=9,81х2,5х(5/6)х(10+3800)х(0,015х0,03+0,0005)/(0,225х0,88)=373,6 Вт;

М_с = (373,6х0,225)/((5/6)х31,5)=3,2 Н∙м.

Построим нагрузочную диаграмму механизма передвижения (рис.3.1).

М_с, Н∙м

4

Вперед с грузом

Вперед с грузом

Назад без груза

 

 

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 t, c

t_p1 t_o1 t_p2 t_o2

 

t_ц = 180 с

 

рис.3.1

 

 

По диаграмме определим продолжительность включения:

ПВ=(∑t_p/t_ц) х100%=(120/180) х100%=66,6%

Механизм передвижения тельфера

Используя формулы (3.1) и (3.2), определим Р_с и М_с.

Передвижение с грузом

Р_с=9,81х2,5х(1/3)х(1000+10+900)х(0,015х0,03+0,0003)/(0,1х0,9)=130 Вт;

М_с = (130х0,1)/((1/3)х31,5)=1,24 Н∙м.

Передвижение без груза

Р_с=9,81х2,5х(1/3)х(10+900)х(0,015х0,03+0,0003)/(0,1х0,85)=65,6 Вт;

М_с = (65,6х0,1)/((1/3)х31,5)=0,62 Н∙м.

Строим нагрузочную диаграмму механизма передвижения тельфера (рис.3.2)

М_с, Н м

1,5

1

 

0,5

 

 

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 t, c

t_p1 t_o1 t_p2 t_o2

 

t_ц = 180 с

 

рис3.2

По диаграмме определим продолжительность включения:

ПВ=(30/180) х100%=16,6%.

 

Механизм подъема

Статическая мощность Р_с.п на валу двигателя в установившемся режиме при подъеме груза:

Р_с = 9,81 х v_п x (m+m_o)/ h, (3.3)

где m, m_o - соответственно масса поднимаемого груза, грузозахватывающего устройства, m=1000 кг, m_o=10 кг;

v_п – скорость подъема груза, v_п = 1/6 м/с;

h - общий КПД механизма подъема, определяемый по кривым на рис.4.11 [4].

Р_с=9,81х(1/6)х(1000+10)/0,85=1943 Вт.

Статический момент М_с на валу двигателя подъема

 

 

М_с = (Р_с х R_б) / (v х i_р х i_п ), (3.4)

где v – скорость движения крюка, v = 1/6 м/с;

R_б – радиус барабана, R_б=0,2 м;

i_р – передаточное число редуктора механизма подъема; i_р= 98,57;

i_п – передаточное число полиспаста; i_п= 2.

М_с = (1943х0,2)/((1/6)х98,57х2)=11,83 Нм.

При подъеме пустого крюка

Р_с.по = 9,81 х v_п x m_o/ h_о, (3.5)

где h_о - КПД механизма при m=0.

Р_{с. по}=9,81х(1/6)х10/0,1=163,5 Вт.

М _с.по = (163,5х0,2)/((1/6)х98,57х2)=1 Н∙м.

Строим нагрузочную диаграмму механизма передвижения тельфера (рис.3.3)

П о д ъ е м   г р у з а

Н м

11

10

 

с п у с к   г ру з а

8

 

7

5

 

4

 

2

Подъем m_o

1 Спуск m_o

 

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 t, c

 

t_p1 t_o1 t_p2 t_o2 t_p3 t_o3 t_p4 t_o1

 

t_ц

рис.3.3

 

Спуск пустого крюка (силовой спуск):

Р_с.с = 9,81 x m_o х v_с х ((1/h) – 2), (3.6)

где h=h_о , v_с – скорость спуска.

Р_с.с = 9,81х10х(1/6)х((1/0,1) – 2) =130 Вт.

М _с.с = (130х0,2)/((1/6)х98,57х2) = 0,79 Н∙м.

Спуск груза (тормозной спуск):

Р_с.с = 9,81 x(m+m_o)х v_с х (2 - (1/h)), (3.7)

где h > 0,5

Р_с.с = 9,81х(1000+10)х(1/6)х(2 - (1/0,85)) = 1360 Вт.

М _с.с = (1360х0,2)/((1/6)х98,57х2) = 8,3 Н∙м.

 

По диаграмме определим продолжительность включения:

ПВ = (96/180) х100% = 53,3%

4. Предварительный выбор двигателя по мощности и режиму нагрузки

Механизм передвижения кран-балки

При помощи нагрузочной диаграммы рис.3.1 находим эквивалентную за суммарное время рабочих операций статическую мощность Р_с.э.р, приведенную к ближайшей стандартной продолжительности включения ПВ_ном , по формуле

Р_с.э.р = √ [(∑ (Р_с.i x t_p) х ПВ_расч)/((∑ t_pi) x ПВ_ном)] (4.1)

Р_с.э.р = √ [((461² х 60+373,6² х 60) x 66) / (120 x 60)] = 440 Вт

По справочнику [2] выбираем двигатель по условию:

Р_дв K_з x Р_с.э.р , (4.2)

где K_з – коэффициент запаса, учитывающий дополнительную загрузку двигателя в периоды пуска и электрического торможения, K_з= 1,4.

Р_дв 1,4 x 440 = 616 Вт.

Выбираем двигатель 4А80А6У3

Таблица 4.1

Р,Вт	I,A	n,1/мин	cosφ	η,%	Iпуск	Мпуск	Ммакс	Iдв
	2,24		0,74				2,2	0,0031

Механизм передвижения тельфера

При помощи нагрузочной диаграммы на рис.3.2 находим

Р_с.э.р = √ [((130² х 15+65,6² х 15) x 16,6) / (30 x 25)] = 84 Вт

Р_дв 1,4 x 84 = 118 Вт.

Выбираем по справочнику [2] двигатель 4А63А6У3

Таблица 4.2

Р,Вт	I,A	n,1/мин	cosφ	η,%	Iпуск	Мпуск	Ммакс	Iдв
	0,78		0,62			2,2	2,2	0,0018

 

Механизм подъема

При помощи нагрузочной диаграммы на рис.3.3 находим

Р_с.э.р=√[((1943² х24+163,5² х24+130 х24+1360 х24)х53,3)/(30x25)]=1122 Вт

Р_дв 1,4 x 1122 = 1571 Вт.

 

Выбираем по справочнику [2] двигатель 4А90L4У3

Таблица 4.3

Р,Вт	I,A	n,1/мин	cosφ	η,%	Iпуск	Мпуск	Ммакс	Iдв
	5,02		0,83			2,1	2,4	0,0056

 

5. Определение приведенного момента инерции системы двигатель - рабочая машина

 

Покажем на примере механизма передвижения кран-балки определение времени пуска. Время торможения примем равным 0, т.к. для остановки применяется механический тормоз.

Суммарный момент инерции определяется по формуле:

J_∑ = K x J_дв + m_∑ x (v/w_дв)²_,

где К – коэффициент, учитывающий моменты инерции частей машины, К=1,15-1,2 [4];

J_дв – момент инерции двигателя, J_дв = 0,0031 кг м²;

m_∑ - суммарная масса поступательно движущихся элементов механизма, m_∑=4810 кг;

v – скорость поступательного движения кран-балки, v=5/6 м/с;

w_дв – угловая скорость двигателя, w_дв = 96,1 рад/с.

J_∑= 1,2 х 0,0031+ 4810х((5/6)/96,1)² = 0,405 кг м²

 

Данные для построения механической характеристики электродвигателя показанной на рис 5.1

 

Таблица 5.1

ωдв рад/с		96,1	68,3	15,75
М,Н∙м		7,8	17,2	12,5	15,6

 

 

Момент трогания рабочей машины определяется по формуле:

М_тр = 1,2 х М_{с ном} , (5.2)

где М_{с ном} – номинальный статический момент на валу машины, М_сном=3,95 Н м

М_тр = 1,2 х 3,95 = 4,74 Н м.

У данного вида механизма момент сопротивления М_с не зависит от частоты вращения w. Следовательно, механическая характеристика рабочей машины представляет собой прямую w = f (М_с) на рис.5.1. Проделав соответствующие построения, определим t’_пуск в мм.: t’_пуск=66 мм.

Определим масштаб по времени:

m_t = m_t x m_w / m _м, где

m_t = 0,02 кг м²/мм; m_w = 1 рад/с мм; m _м = 0,2 Н м/мм.

m_t = 0,02 х 1 / 0,2 = 0,1 с/мм.

t_пуск = m_t х t’_пуск = 0,1 х 66 = 6,6 с.

По рассчитанному t’_пуск видно, что пуск получается тяжелый.

6. Расчет и построение нагрузочной диаграммы двигателя за один цикл работы машины

М_с, Н м

 

М_п М_п

15

6 М_с1

М_с2

3

0

20 40 60 80 100 120 140 160 1 80 200 220 240 t, c

t _п1 t_у1 t_о1 t _п2 t_у2 t_о2

 

t_ц = 180 с

 

рис.6.1 Нагрузочная диаграмма двигателя за один цикл работы машины

Из пункта 3 имеем:

t_ц = 180 c; t_p1= t_p2 = 60 c; t_o1 = t_o2 = 15 c.

 

Из пункта 5:

t_пуск=6,6 с; М_п=15,6 Н м; М_с1=3,95 Н м; М_с2=3,2 Н м.

 

Время установившейся работы двигателя t_у1:

t_у1 = t_p1 - t_п1 = 60 – 6,6 = 53,4 с = t_у2

 

7. Проверка выбранного двигателя по перегрузочной способности, пусковому моменту и частоте включений

Условие пуска:

М_{пуск. дв} М_тр.р.м./ a₁ , (7.1)

где М_{пуск.дв} – пусковой момент двигателя, М_тр.р.м – момент трогания Р.М. из нагрузочной диаграммы при w_о = 0; М_тр.р.м = 4,74 Н м; a₁ – коэффициент, учитывающий возможное при пуске снижение напряжения на зажимах электродвигателя от 10% до 30%; a₁ = 0,5.

15,6 Н м 4.74 Н м / 0,5 = 9,8 Н м – условие выполнено.

 

Условие перегрузочной способности:

М_кр.дв М_{макс.р.м.}/ a₂ , где

М_кр.дв – максимальный момент двигателя; М_кр.дв = 17,2 Нм; М_{макс.р.м} = 4,74 Н м; a₂ – коэффициент, учитывающий возможное снижение напряжения на зажимах работающего двигателя на 10%; a₂= 0,81.

17,2 Н м 4,74 Н м / 0,81 = 5,93 Н м – условие выполнено.

 

Предельно допустимая частота включений:

h_пд = 3600 х Р_н х b_о х(1- e) / A_п (7.3)

Р_н – мощность потерь в номинальном режиме

Р_н = Р_н х (1- h) / h (7.4)

где Рн – номинальная мощность электродвигателя; Рн = 750 кВт;

h - КПД; h = 0,69

 

Р_н = 750 х (1 – 0,69) / 0,69 = 337 Вт

b_о – коэффициент, учитывающий ухудшение теплоотдачи; b_о = 0,5;

e - относительная продолжительность включения, e = 0,6

 

A_п =0,81 х Р_эл.н х I²_п* х t_п ,

где Р_эл.н = Р_н х (1- h) / h х (1 + a),

где коэффициент a = 0,7;

Р_эл.н = 750 х (1 – 0,69) / 0,69 х (1 + 0,7) = 188,2 Вт

I_п* - кратность пускового тока, I_п* = 2

A_п = 0,81 х 188,2 х 2² х 6,6 = 3924 Дж.

Фактическое число включений h_ф = 60 вкл/час.

Условие h_пд h_ф выполнено.

8.Обоснование и описание принципиальной схемы управления приводом кран-балки

Управление приводом кран-балки осуществляется вручную, дистанционно с места подъема груза. Двигатель включен только при нажатой кнопки управления. Путь перемещения всех механизмов ограничивается конечными выключателями. При отключении двигателя барабана, включается электромагнитный тормоз. Все приводы имеют защиту от токов короткого замыкания и самопроизвольного пуска.

Работа схемы подготавливается включением автомата QF1.

При нажатии кнопки SB2 получает питание КМ1, замыкая свои контакты КМ1.1, двигатель балки М1 включается, при отпускании SB2 двигатель останавливается, подводится питание к электромагнитному тормозу. При нажатой кнопке SB3 получает питание пускатель КМ2, двигатель М1 вращается в обратную сторону.

Конечный выключатель SQ1 служит для ограничения перемещения.

Аналогичный принцип работы и для других двигателей.

Управлением двигателем М3 механизма подъема осуществляется микроконтроллерным блоком. На двигателе М3 установлен токогенератор, который выводными концами подключен к входу напряжения микроконтроллера, через транзистор VT1.

Тахогенератор осуществляет обратную связь по скорости. При увеличении частоты вращения двигателя U_ТР становится больше, напряжение подается на микроконтроллер через VT1. Сопротивление которого, при увеличении напряжения увеличивается, а при снижении – уменьшается. Таким образом, при увеличении оборотов двигателя М3 напряжение, подающееся на микроконтроллер (U_max=5В) уменьшается.

Ключи S1 и S2 осуществляют запуск и реверсирование двигателя. В микроконтроллере осуществляется импульсная модуляция напряжения. Модулирование шкалы подаются на драйвер IR2233J, который осуществляет переключение силовых ключей Q1 … Q6, выполненных на ICBT транзисторах. Трех фазное напряжение, подаваемое на силовые ключи, выпрямляется диодным мостом VD1 … VD6 и стабилизируется. Переключение силовых

ключей Q1 … Q6 в режиме заданном микроконтроллером вызывает появление на их выходах напряжение с требуемой частотой.

Защита двигателя осуществляется блоком защиты микроконтроллера, при помощи терморезистора RT задается температура отключения.

Контролер дает возможность программного управления двигателем.Схема управления кран-балкой представлена в конце пояснительной записки.