Тип двигателя
|
D04LА4
|
Тип редуктора
|
BS02, червячный
|
Мощность на валу , кВт0,12
|
|
Частота вращения вала , об/мин1350
|
|
Передаточное число
|
33
|
Максимальный момент , 16.7
|
|
Коэффициент эксплуатации fb
|
1.5
|
Момент инерции , 0.0002
|
|
Тип тормоза
|
E003B, постоянного тока
|
Тормозной момент , 3
|
|
4.
Разработка системы управления
.1
Объекты управления и принципы построения систем автоматического управления с
использованием преобразователей частоты
В данной части требуется спроектировать систему управления
краном-штабелером.
Объектами управления в данном механизме являются:
· двигатель механизма подъема D11МA4 - асинхронный
трехфазный с короткозамкнутым ротором;
· двигатель механизма выдвижения D04LА4 - асинхронный трехфазный
с короткозамкнутым ротором;
· двигатель механизма передвижения крана D09LA4 - асинхронный
трехфазный с короткозамкнутым ротором;
· тормоз механизма подъема Е015В
· тормоз механизма выдвижения Е003В
· тормоз механизма передвижения крана Z008B
Целью разработки является анализ возможности применения
асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором в механизмах крана и системы
частотного электропривода в приводах механизмов крана.
Главные функции:
· управление подъемом и опусканием груза;
· управление перемещением крана;
· управление выдвижением грузозахватного
органа;
Вспомогательные функции:
· включение освещения, сигнализации;
Одним из основных направлений в повышении эффективности
эксплуатации кранов является снижение энергопотребления. Другое направление это
повышение надёжности механизмов крана. Оба направления позволяют более
эффективно использовать грузоподъёмное оборудование.
Использование частотно-регулируемого электропривода позволяет
решить обе задачи достаточно невысокими затратами.
Частотный преобразователь используется с асинхронными
двигателями с короткозамкнутым ротором. Для плавного регулирования скорости и
момента двигателя с короткозамкнутым ротором применение частотного
преобразователя является единственным доступным решением.
Достоинства частотно-регулируемого электропривода по
сравнению с другими схемами управления электродвигателем это:
· надёжность, простота и относительная дешевизна;
· большая глубина регулирования скорости,
доходящая до 1:1000;
· высокий коэффициент использования мощности
(близкий к единице);
· отсутствие необходимости применения
фильтро-компенсационной установки;
· меньшая относительная величина
генерируемых в сеть гармоник;
· более высокая электрическая надёжность;
· допуск больших падений напряжения в
питающей сети.
Для сравнения можно привести особенности классической схемы
управления электроприводами с помощью контроллеров и асинхронных двигателей с
фазным ротором. Момент и скорость вращения регулируется путём введения в цепь
ротора балластных сопротивлений. Недостатки такого способа известны:
· большие потери электроэнергии, обусловленные
низким cos ф и КПД.
· выход из строя электродвигателей из-за
перекосов в роторных цепях, вызванных потерей контактов в цепях сопротивлений
или контакторах ускорений.
· ударное изменение момента двигателей, и
как следствие динамические перегрузки узлов крана, обусловленных ступенчатым
выведением сопротивлений из цепи ротора.
Цена комплекта «частотный преобразователь - асинхронный
двигатель с короткозамкнутым ротором» сопоставима с ценой других решений, как к
примеру «пусковой дроссель двигатель с фазным ротором».
Разгон и торможение приводов с использованием частотного
преобразователя осуществляется по S-образному закону, что обеспечивает плавное
нарастание моментов и усилий во всех узлах и механизмах крана. Поскольку
управляемое торможение выполняет сам электропривод, а тормоз служит лишь для
удержания механизма после полной остановки, существенно уменьшается
раскачивание груза после остановки.
Система управления позволяет также решить задачу по перекосу
крана и защите двигателей, значительно облегчает работу машинистов крана.
Использование частотно-регулируемого электропривода позволяет
экономить, по некоторым оценкам, до 60% электроэнергии, для крановых механизмов
позволяет сократить при изготовлении новых кранов затраты на
электрооборудование до 50%, а при реконструкции действующих кранов значительно
увеличить надёжность работы не только электрической, но и механической части
крана (редукторов, муфт, валов, скатов, и т.д.) за счёт отсутствия рывков,
ударов и плавного, но интенсивного торможения.
Производители частотных преобразователей, как к примеру,
Шнайдер Электрик, выпускают серию преобразователей разной мощности, специально
адаптированную к применению в грузоподъёмных кранах.
Особенности данной серии:
· управление тормозом, адаптированное для приводов
перемещения, подъёма и поворота;
· весоизмерение;
· подъём с повышенной точностью;
· контроль состояния тормоза;
· управление воздействием концевых
выключателей окончания хода;
· минимальное время реакции при отработке
команд 2 мс.
Таким образом, применение частотных преобразователей наиболее
современное решение для управления электродвигателями с короткозамкнутым
ротором.
Так же преобразователи частоты большое применение находят в
погрузочно-разгрузочных операциях, фасовочно-упаковочном оборудовании,
текстильных машинах, деревообрабатывающих машинах, технологическом
оборудовании, лифтах, вентиляции, насосных станциях.
Систему управления краном функционально можно разделить на
четыре части: сенсорика, логические устройства, усилители мощности и
исполнительный механизм.
Сенсорика включает в себя датчики, предотвращающие аварийные
режимы крана. Это датчики крайнего положения тележки, крайнего положения крюка
и крайнего положения крана. Они устанавливаются на металлоконструкциях и
обесточивают соответствующий механизм при срабатывании. Также установлены
датчики скорости крана, тележки, подъема и опускания крюка.
Логические устройства представляют собой механизм для
непосредственного управления краном: выбора скорости подъёма-опускания груза,
скорости передвижения крана и тележки.
Усилитель мощности состоит из контакторов и служит для
коммутации электрических цепей большой мощности по средствам маломощного
сигнала управления, поступающего с контроллеров соответствующего механизма.
Исполнительные устройства - это электрические механизмы,
необходимые для преобразования электрической энергии в механическую.
В проектируемой системе частотного управления
краном-штабелером будет использовано следующее оборудование фирмы Schnieder Electric:
1. ПЛК TWIDO COMPACT LCAA 24DRF
Компактный контроллер с 24 вх/вых имеет:
• 14 цифровых входов и 10 релейных выходов
• 2 потенциометра
• 1 интегрированный последовательный порт
• слот для дополнительного последовательного порта
Допускается:
• до 4 модулей расширения вх./вых.
• дополнительный картридж (RTC или память - только 32 Kб)
• дополнительный дисплей
2. «Ведущий» модуль TWD NCO1M шины CANopen.
«Ведущий» модуль TWD NCO1M шины CANopen позволяет программируемым контроллерам Twido версии 3.0, компактному TWD LCpA
24DRF или TWD LCAp
40DRF и всем модульным контроллерам, оперировать в качестве «ведущего» шины CANopen.
Шина состоит из «ведущей» станции, контроллера Twido и
«ведомых» станций. «Ведущая» станция отвечает за конфигурацию, обмен и
диагностику.
Шина CANopen позволяет управлять такими «ведомыми» станциями,
как:
· дискретные «ведомые» станции;
· аналоговые «ведомые» станции;
· преобразователи частоты;
· пускатели двигателей.
«Ведущая» станция Twido CANopen может обслуживать до 16
«ведомых» станций, каждая из которых имеет вход и выход PDO (данные процесса
объекта). Если «ведомая» станция имеет более одного PDO, максимальное количество
«ведомых» станций сокращается на эту величину. «Ведущий» модуль Twido CANopen
может управлять 16 входами и 16 выходами PDO.
«Ведущий» модуль шины CANopen TWDNCO1M включают в себя:
. 3% контактный разъем питания 24 В пост. тока с заземлением
. Индикатор PWR питания модуля «ВКЛ./ОТКЛ.»
. 9% контактный разъем SUB % D для подключения к шине CANopen
. Клемма заземления
. Разъем для подключения к контроллеру Twido или модулю
расширения
. Преобразователь частоты Altivar 31.
В системе используется три ПЧ, по одному на двигатель каждого
механизма.
4.2 Принцип работы системы управления (КШ
забирает груз из стеллажа)
В исходном положении кран-штабелер (КШ) застопорен. КШ
начинает работать после того как получит сигналы с датчиков S1 (датчик наличия груза на
каретке), в рассматриваемом случае груза на грузозахвате быть не должно, S2 (датчик считывания
адреса по горизонтали) и S3 (датчик положения калитки), дверца ограждения
должна находится в закрытом состояние.
При начале работы механизма перемещения с помощью датчика S2 выдается сигнал о начале
движения крана, отключается тормоз механизма передвижения, выдается световой
сигнал (который работает все время работы крана). Датчик S2 выдает сигнал перехода
на доводочную скорость (для точности позиционирования), когда до адреса
остается 2 ячейки и далее датчик S2 выдает сигнал о приходе в адрес, включается
тормоз механизма передвижения.
При начале работы механизма подъема с помощью датчика S4 (датчик считывания
адреса по вертикали) выдается сигнал о начале движения каретки, отключается
тормоз механизма подъема. Датчик S4 выдает сигнал о приходе в адрес.
При начале работы механизма выдвижения каретки с помощью
датчика S5 (датчик среднего положения грузозахвата) выдается сигнал о
приходе грузозахвата в крайнее положение (грузозахват выдвинут), включается
тормоз механизма выдвижения каретки, с помощью датчика S6 (датчик наличия груза на
стеллаже) выдается сигнал о наличие груза на стеллаже. Далее начинает работать
механизм подъема на доводочной скорости. Срабатывание тормоза этого механизма
осуществляется по сигналу датчика S7 (датчик переподъема верхний). Затем грузозахват
перемещается в исходное положение по горизонтали (т.е. «втягивается» в
каретку), в конечном положение срабатывает датчик S5.
Далее КШ возвращается в исходное положение по горизонтали и
по вертикали, при получении сигналов от соответствующих датчиков S2 и S4.
Разгрузка грузозахвата происходит следующим образом: начинает
работать механизм выдвижения каретки, по сигналу датчика S5 срабатывает тормоз в
крайнем положении. Далее механизм подъема на доводочной скорости опускает
грузозахват, до тех пор пока не придет сигнал с датчика S8 (датчик переподъема
нижний). После чего грузозахват возвращается в исходное положение.
4.3
Выбор датчиков
1)
Датчик
считывания адреса по горизонтали S2 и датчик считывания адреса по вертикали S4:
ПТП 2
Габаритные размеры, мм: Æ56h6х106
Пределы измерения рабочей частоты следования импульсов, кГц:
0-100
Диапазон рабочих температур, С: +5; +50
2)
Датчик
среднего положения грузозахвата S5, датчик переподъема верхний S7 и датчик переподъема
нижний S8:
ВПВ
18
Напряжение питания, В: 24
Ток
нагрузки, А: 0,1
Диаметр, мм: 8
Расстояние воздействия, мм: 2+0,2
Дифференциал хода, мм: 0,02 - 0,3
Частота срабатывания, Гц: 800
3)
Датчик
наличия груза на стеллаже S6 и датчик наличия груза на грузозахвате S1:
Датчик
ДОБЦ-16
Используется 2 два таких датчика - один играет роль
излучателя, другой роль приёмника (датчик).
5.
Расчеты узлов механизма передвижения крана
1. Проверочный расчет подшипников
вертикальных колес
Для колес были выбраны подшипники 1310 по ГОСТ 28428-90 с
динамической грузоподъемностью равной С=48000 Н [7, с. 222]. Сравним это
значение с потребной статической грузоподъемностью, найденной по формуле:
- радиальная нагрузка на подшипник;
- осевая нагрузка на радиальный подшипник;
- коэффициент радиальной динамической нагрузки [9, с. 335 т. 16.5];
- коэффициент осевой динамической нагрузки [9, с. 335 т. 16.5];
- коэффициент вращения при вращающемся внутреннем кольце [9, с. 335];
- коэффициент безопасности при умеренных толчках [9, с. 335];
- температурный коэффициент при температуре до 100°С [9, с. 335];
;
- показатель степени для роликовых подшипников;
;
-
коэффициент, учитывающий, что кран не все время движется с номинальной
скоростью.
- коэффициент надежности [9, с. 333];
- обобщенный коэффициент для роликовых двухрядных подшипников при
обычных условиях применения [9, с. 333];
.
Отсюда следует, что динамическая нагрузка на подшипник не
превышает паспортной, при которой подшипник становится не работоспособным.
2. Проверочный расчет подшипников горизонтальных колес
ходовой рамы
Для колес были выбраны подшипники 1000904 ГОСТ 8338-75 с
динамической грузоподъемностью равной С=6550 Н [7, с. 222]. Сравним это
значение с потребной статической грузоподъемностью, найденной по формуле:
- радиальная нагрузка на подшипник;
- осевая нагрузка на радиальный подшипник;
- коэффициент радиальной динамической нагрузки [9, с. 335 т. 16.5];
- коэффициент осевой динамической нагрузки [9, с. 335 т. 16.5];
- коэффициент вращения при вращающемся внутреннем кольце [9, с. 335];
- коэффициент безопасности при умеренных толчках [9, с. 335];
- температурный коэффициент при температуре до 100°С [9, с. 335];
;
- показатель степени для роликовых подшипников;
;
- коэффициент, учитывающий, что тележка не все время движется с
номинальной скоростью.
- коэффициент надежности [9, с. 333];
- обобщенный коэффициент для роликовых двухрядных подшипников при
обычных условиях применения [9, с. 333];
.
Отсюда следует, что динамическая нагрузка на подшипник не
превышает паспортной, при которой подшипник становится не работоспособным.
3. Проверочный расчет вала приводного
колеса
Расчетная схема для проверки вала колеса представлена на рис.
3.2. Расчетное сечение было выбрано под колесом.
Реакции в опоре
Максимальный суммарный изгибающий момент в расчетном сечении
Крутящий момент в расчетном сечении:
Осевой момент сопротивления расчетного сечения вала:
Полярный момент сопротивления расчетного сечения вала:
Напряжения от изгиба:
Касательные напряжения:
Материал вала - сталь 35ХГСА ГОСТ 4543-71* с закалкой при
температуре 845-875и отпуском при температуре 470-530(, ) [3, стр. 27, табл. 1.1.9].
Вычислим пределы выносливости и по рекомендуемым формулам [6, с.
162,164].
Запишем основное условие, выполнение которого обеспечит
гарантированную работоспособность валу
, где S - расчетный коэффициент запаса прочности;
[S] - требуемое значение коэффициента запаса
прочности; принимаем [S]=1.5 [6, стр.
319, ф. 15.3].
Коэффициент запаса прочности S рассчитывается по формуле
,
где , - коэффициенты запаса прочности по нормальным и касательным
напряжениям.
- эффективный коэффициент концентрации нормальных напряжений,
принимаем [6, стр. 321, табл. 15.2].для шпоночного
паза выполненного концевой фрезой и материалом с ; [4, с. 321, табл. 15.2]. - масштабный фактор для нормальных напряжений, по литературе [4]
имеем
, при изгибе
- коэффициент, учитывающий качество обработки поверхностного слоя
вала, принимаем при шероховатости Ra=0.32…2.5 мкм.
- эффективный коэффициент концентрации касательных напряжений,
принимаем [6, стр. 321, табл. 15.2] для шпоночного
паза выполненного концевой фрезой и материалом с ; [6, стр. 321, табл. 15.2].
- масштабный фактор для нормальных напряжений, по литературе [6]
имеем
- коэффициент, корректирующий влияние постоянной составляющей
цикла на сопротивление усталости, зависит от механических свойств материала, по
ГОСТ 25.504 его рекомендуют
В формуле для коэффициента запаса уже учтено, что касательные
напряжения изменяются по отнулевому циклу, среднее и амплитудное значения
напряжений равны половине максимальных.
- условие сопротивления вала усталости выполняется.
Список использованных источников
1.
Справочник по кранам: В 2 т. Т.1. Характеристики материалов и нагрузок. Основы
расчета кранов, их приводов и металлических конструкций/В.И. Брауде, М.М.
Гохберг, И.Е. Звягин и др.; Под общ. ред. М.М. Гохберга. - Л.: Машиностроение.
Ленингр. отд-ние, 1988. 536 с.
.
Справочник по кранам: В 2 т. Т.2. Характеристики и конструктивные схемы кранов.
Крановые механизмы, их детали и узлы. Техническая эксплуатация кранов/ М.П.
Александров, М.М. Гохберг, А.А. Ковин и др.; Под общ. Ред. М.М. Гохберга. - Л.:
Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1988. 559 с.
.
Александров М.П. Подъемно-транспортные машины: Учеб.для машиностроит. Спец.
Вузов. - 6-е изд., перераб. - М.: Высш.шк., 1985. 520 с.
.
Кузьмин А.В., Марон Ф.Л. Справочник по расчетам механизмов
подъемно-транспортных машин. - 2-е изд., перераб. и доп. - Мн.: Выш. шк., 1983.
350 с.
.
Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. - В 3 т. Т.1. - 8-е изд.,
перераб. и доп. Под ред. И.Н. Жестковой. - М.: Машиностроение, 2001. 920 с.
.
Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. - В 3 т. Т.2. - 8-е изд.,
перераб. и доп. Под ред. И.Н. Жестковой. - М.: Машиностроение, 2001. 912 с.
.
Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. - В 3 т. Т.3. - 8-е изд.,
перераб. и доп. Под ред. И.Н. Жестковой. - М.: Машиностроение, 2001. 864 с.
.
Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Конструирование узлов и деталей машин: Учеб. Пособие
для студ. техн. спец. вузов - 8-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательский
центр «Академия», 2003. 496 с.
.
Иванов М.Н. Финогенов В.А. Детали машин - М.: Высш. Шк., 2003.