nghiên cứu khái quát về truyền động điện cho cơ cấu nâng hạ. xây dựng chương trình tính toán động lực học của cơ cấu nâng

Yêu cầu của thiết bị nâng hạ hàng: - Chế độ làm việc của thiết bị đợc các đinh từ yêu cầu của quá trình công nghệ.Hơn nữa cấu tạo và kết cấu của thiết bị nâng hạ hàng rất đa dạng.. và ch

Chơng ITổng quan về cơ cấu nâng hạ

1.1 Sơ lợc về cơ cấu nâng hạ :

(Hình a biểu diễn cơ cấu nâng hạ hàng truyền động bằng động cơ điện)

Trong đó:

1- Móc cẩu; 2- Puli nâng; 3- Blốc đầu cần; 4- Cáp nâng;

5- Trống tời; 6- Bộ truyền; 7- Động cơ điện; 8- Cơ cấu hãm;

1.2 Yêu cầu của thiết bị nâng hạ hàng:

- Chế độ làm việc của thiết bị đợc các đinh từ yêu cầu của quá trình công nghệ.Hơn nữa cấu tạo và kết cấu của thiết bị nâng hạ hàng rất đa dạng Do đó khi thiết kế

và chế tạo hệ điều khiển, hệ truyền động điện phải phù hợp với từng loại thiết bị, từng chế độ làm việc cụ thể.

- Thiết bị nâng hạ hàng phải làm việc trong chế độ rất nặng nề, tần số đóng cắt lớn, chế độ quá độ xảy ra liên tục khi mở máy, hãm và đảo chiều

- Thiết bị nâng hạ hàng còn chịu tác động lớn của môi trờng, nhất là khi thời tiết xấu, hay không khí có độ ẩm cao nh ở nớc ta

Do đó thiết bi nâng hạ hàng cần có những yêu cầu cơ bản sau:

G: Trọng lợng hàng hoá của mã hàng(tấn)

TCK: Thời gian trong một chu kỳ làm hàng(giờ)

Từ công thức trên để tăng Q ta có thể tăng G mà vẫn đảm bảo đợc cho hệ thống hoạt động tốt Hoặc ta có thể giảm TCK

Có: TCK= t1 + t2 + t3 + t4 + t5 + t6 + t7 + t8

Trong đó:

t1: Thời gian nâng hàng lên độ cao cần thiết

t2: Thời gian đa hàng sang ngang

t4, t8: Không phụ thuộc vào hệ truyền động điện

t1, t2, t3,t5, t6, t7, t8: Không phụ thuộc vào hệ truyền động điện

Do vậy để giảm TCK ta có thể t4, t8

Ngoài ra với bộ truyền động có thể thực hiện các bớc sau:

hệ thống nâng hạ hàng với tốc độ tối u Vđm(30- 50) Ngoài ra còn phải có một số cấp tốc độ khác nhau để phù hợp với mức trạng thái của tải và chế độ làm việc của

hệ thống

+ Nâng hạ móc không: V0=(3- 3,5)Vđm

+ Có mạch bảo vệ góc nâng hạ cần quá lớn hay quá nhỏ.

+ Có mạch hãm điện để dừng hoặc hãm để chuyển tốc độ

+ Mạch bảo vệ không, bảo vệ quá tải, bảo vệ mất pha

- Bảo vệ tầm với tối thiểu:

+ Đối với cần cẩu KONE: Để tránh hàng hoá va chạm vào thân cần trục công tắchành trình Pb3=0 khi tay cần ở vị trí giới hạn nâng cần với góc lớn nhất ngắt điện

động cơ không cho động cơ hoạt động theo chiều nâng cần

- Bảo vệ tầm với tối đa 36m:

+ Đối với cần cẩu KONE: Khi tầm với lớn hơn 36m thì hạn vị Pb1 =0 dẫn đến Pc1=0 ngắt điện động cơ không cho phép động cơ hoạt động theo chiều hạ cần

- Bảo vệ quá tải của động cơ:

+Đối với cần cẩu KONE: Khi dòng điện lớn hơn 1,2 dòng định mức thì rơ le nhiệt Pc2=0 ngắt điện mạch stato của động cơ

- Bảo vệ ngắn mạch:

+ Với cần cẩu KONE: Bảo vệ ngắn mạch cho động cơ bằng cầu chì Pe1(125A)

1.3 Phân loại thiết bị nâng hạ:

1.3.1 Phân loại theo trọng tải nâng chuyển hàng hoá:

* Cần trục-cầu trục có có tải trọng nhỏ: trọng tải nậng chuyển từ 1- 5 (tấn)

* Cần trục-cầu trục có tải trọng trung bình: Trọng tải nâng chuyển từ 10 - 30(tấn)

* Cần trục-cầu trục có tải trọng lớn: Trọng tải nâng chuyển từ 30 -60(tấn)

* Cần trục-cầu trục có tải trọng rất lớn: Trọng tải nâng chuyển từ 80 -

c Cần cẩu - tời hàng trên tàu biển:

Cần cẩu tời hàng trên các tàu biển khi cập cảng cũng tham gia vào bốc xếp hàng hoá Cần cẩu trên tàu thuỷ có cấu tạo bao gồm 3 cơ cấu điều khiển chuyển

động chính: Cơ cấu nâng hạ hàng; Cơ cấu nâng hạ cần; cơ cấu quay Sự hoạt động của cần cẩu trên tàu thuỷ phụ thuộc nhiều vào góc nghiêng của tàu trong quá trình

bốc xếp hàng hoá, góc nghiêng trong quá trình hoạt động lớn hơn so với cần cẩu chân đế lắp đặt ở cảng.

Tời hàng trên tàu thuỷ thờng có 2 loại: Tời đơn và tời kép

Tời đơn là loại tời chỉ có một cầu Đặc điểm làm việc của tời đơn trên tàu thuỷ là

đảm bảo đợc tính linh hoạt cao

Tời kép là loại tời có hai cầu, thờng có hai chuyển động khi bốc xếp hàng hoá là nâng hạ và kéo bằng tời để dịch chuyển hàng hoá trong khoảng cách giữa hai đỉnh cần Đặc điểm của loại tời kép là thời gian đa vào làm việc chậm hơn so với tời

đơn, đòi hỏi công suất đặt nhỏ hơn so với tời kép

d Xe nâng - cần cẩu trên ôtô

Nhóm thiết bị bốc xếp hàng hoá này có số lợng lớn ở cảng biển, sự làm việc của chúng có tính linh hoạt cao, hiệu quả kinh tế trong sử dụng Đối với các xe nâng chuyên dụng thờng có các cơ cấu điều khiển chuyển động tơng tự cần cẩu: Chuyển động nâng hạ hàng, chuyển động nâng hạ cần và chuyển động quay

Đặc điểm của cần cẩu đặt trên ôtô và xe nâng nguồn năng lợng chủ yếu là dầu điêzen, hệ thống truyền động có thể bằng động cơ điện hoặc điện thuỷ lực

e.Cần cẩu ziczắc

Cần cẩu ziczắc là loại cần cẩu trang bị cho cảng biển để thực hiện công tác dịch vụ nh lắp mới, sửa chữa kho bãi nhà xởng và công tác bảo dỡng hệ thống cung cấp điện, các cần cẩu chân đế.v.v

Đặc điểm công tác của loại cần cẩu này là tính linh hoạt cao, gọn nhẹ Các hệthống điều khiển thờng là điện thuỷ lực

f Cần cẩu trang bị cho kho bãi nhà xởng

Cần trục loại này có các cơ cấu điều khiển chuyển động chính: Cơ cấu nâng hạ hàng; Cơ cấu di chuyển xe con; Cơ cấu di chuyển giàn Các cầu trục này thờng

đợc thiết kế điều khiển tại chỗ và từ xa

g Tời nâng cho phân xởng cơ khí cảng

Cơ cấu điều khiển chuyển động của nhóm thiết bị này thờng đợc thiết kế có thể chỉ có một cơ cấu nâng hạ hoặc có thêm cơ cấu di chuyển ngang Đặc điểm công tác của loại này nhằm nâng cao năng suất lao động, giảm nhân công cho các phân xởng cơ khí

h Cần trục khung dầm hộp chạy trên đờng ray

Cần trục loại này đợc trang bị cho cảng biển, các nhà máy đóng tàu biển Loại này thờng đợc thiết kế có tải trọng nâng lớn, làm việc trong phạm vi quy định

Gồm 3 cơ cấu điều khiển chuyển động: Cơ cấu nâng hạ hàng; Cơ cấu di chuyển xe con; Cơ cấu di chuyển giàn.

k Cầu trục bốc xếp container

Cần trục loại này chia làm 2 loại:

Cần trục giàn bánh lốp và cần trục chạy trên đờng bốc xếp container

Các cơ cấu điều khiển chuyển động chính của cần trục giàn bánh lốp bao gồm: Cơ cấu nâng hạ hàng; Cơ cấu di chuyển xe con; Cơ cấu di chuyển giàn; Việc cấp nguồn điện cho cầu trục hoạt động bằng diezel lai máy phát điện đồng bộ Đặc

điểm của cần trục giàn bánh lốp có tính cơ động, năng suất cao

Các cơ cấu điều khiển chuyển động chính của cầu trục giàn bánh lốp bao gồm: Cơ cấu nâng hạ hàng; Cơ cấu di chuyển xe con; Cơ cấu di chuyển giàn và cơ cấu nâng hạ hàng(nâng hạ công son) Đặc điểm công tác nổi bật của loại này là có tầm với và tải trọng nâng lớn, năng suất bốc xếp rất cao Đợc trang bị cho các cầu cảng chuyên dụng bốc xếp container

1.3.3 Phân loại cần trục-cầu trục cảng theo cấu trúc điều khiển

Phân loại cần trục-cầu trục theo cấu trúc điều khiển chuyển động cho cơ cấu chính bằng hệ truyền động điện nh sau:

1 Điều khiển các cơ cấu chính của cần trục-cầu trục bằng công tắc tơ rơ le,

động cơ điện một chiều

2 Điều khiển các cơ cấu chính của cần trục-cầu trục bằng công tắc tơ rơ le,

động cơ điện không đồng bộ rô to lồng sóc

3 Điều khiển các cơ cấu chính của cần trục-cầu trục bằng công tắc tơ rơ le,

động cơ điện không đồng bộ rôto dây quấn

4 Điều khiển các cơ cấu chính của cần trục-cầu trục bằng PLC - BBĐT -

1.3.4 Phân loại cần trục-cầu trục theo nớc chế tạo

Các cần trục-cầu trục trang bị cho các cảng biển rất đa dạng về chủng loại vớimức độ tự động hoá khác nhau phụ thuộc vào các hãng chế tạo của các nớc khác nhau trên thế giới Trong công tác quản lí vật t kĩ thuật, đào tạo nhân lực khai thác vận hành để đảm bảo tính kinh tế thì phân loại cần trục-cầu trục theo nớc chế tạo sẽ

đem lại nhiều u điểm

1.4 Truyền động điện cho cơ cấu nâng hạ:

1.4.1 Đặc điểm cơ bản :

Chế độ làm việc của các cơ cấu cần trục đợc xác định từ các yêu cầu của quá trình công nghệ, chức năng của cần trục trong dây truyền sản xuất Cấu tạo và kết cấu của cần trục rất đa dạng Khi thiết kế và chế tạo hệ thống điều khển và hệ thống truyền động điện phải phù hợp với từng loại cụ thể

Cần trục trong phân xởng luyện thép lò máctanh, trong các phân xởng nhiệt luyện phải đảm bảo các chỉ tiêu kĩ thuật trong chế độ quá độ Cần trục trong các phân xởng lắp ráp phải đảm bảo quá trình mở máy êm, dải điều chỉnh tốc độ rộng, dừng chính xác đúng nơi lấy hàng và hạ hàng

Các cơ cấu của cần trục làm việc trong chế độ cực kì nặng nề: Tần số đóng cắt lớn, chế độ quá độ xảy ra nhanh khi mở máy, hãm và đảo chiều

1.4.2 Tính chọn những phần tử trong hệ truyền động điện và trang bị điện cơ cấu nâng hạ:

a động cơ truyền động cơ cấu nâng hạ:

Động cơ truyền động cơ cấu nâng hạ giữ vai trò quan trọng trong các máy nâng- vận chuyển nói chung và trong cần trục nói riêng Động cơ truyền động cơ cấu nâng hạ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại, nên khi chọn công suất động cơ phải tính cả phụ tải động

a1 Tính toán phụ tải tĩnh:

Phụ tải tĩnh của cơ cấu nâng hạ chủ yếu là do tải trọng quyết định Để xác

định phụ tải tĩnh, phải dựa vào sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ cụ thể

Giả sử có sơ đồ động học nh hình 1

)R G

(G

M

C

t 0

Tỉ số truyền đợc tính:

v

n 2ππ

Trong các công thức trên thìη c lấy bằng định mức khi tải trọng bằng định mức

* Phụ tải tĩnh khi nâng không tải là:

c

t 0 n

u.i.η

R G M

Hạ hãm thực hiện khi hạ tải trọng lớn Khi đó mômen do tải tọng gây ra rất lớn Máy điện phải làm việc ở chế độ hãm để giữ cho tải trọng đợc hạ với tốc độ ổn

Mt : Mômen trên trục động co khi hạ tải [Nm]

M: Tổn thất mômen trong cơ cấu truyền động [Nm]

1 ( M M η

M ΔMM

c t t c

Do đó:

) η

1 (2 M 1) η

1 ( M M

M

c

t c

t t

η

1 (2 u.i

G)R (G

M

c

t 0

Từ biểu thức (2-5) và (2-7) ta có:

c h

η

1 2

Đối với những tải trọng tơng đối lớn(η c > 0.5) ta có ηh>0, Mh > 0 Điều đó có nghĩa là mômen động ngợc bongều với mômen phụ tải Động cơ làm việc ở chế độ hạ động lực

*, Tính toán hệ số tiếp điện tơng đối TĐ%:

Chu kì làm việc của cơ cấu nâng hạ bao gồm các giai đoạn sau:

+ Hạ không tải

+ Nâng tải

+Hạ tải và nângkhông tải(giữa các giai đoạn thờng có thời gian nghỉ)

Khi tính toán hệ số tiếp điện tơng đối, chúng ta bỏ qua thời gian hãm máy và mở máy

Thời gian toàn bộ một chu kì của cơ cấu nâng hạ có thể tính đợc theo năng suất Q

và tải trọng định mứcGđm:

(S) Q

t M

T

t M



 ;

Chơng II MÔ HìNH TíNH TOáN CHO cơ cấu nâng hạ

2.1 Tính toán cơ cấu nâng hạ:

Đặc điểm quan trọng của cơ cấu nâng hạ hàng là trọng tải hàng hoáQ(KG), tốc độ chuyển động của hàng hoá làVG (m/s) theo đó khi biết đợc tỷ số truyền in củapalăng có thể xác định đợc

Sức căng của cáp trên trống tời S (KG) , tốc độ dài trên trống tời là VK = VGin

(m/s), đờng kính của cáp là dK là đờng kính của tang quấn cáp của tời nâng là D

(m), thì công suất cần thiết của động cơ phải có là:

M

K σ n M

G

DC

102η

V S η 102η

QV

Trong đó:

η M :Là hiệu suất truyền của bộ truyền cơ khí

η n :Là hiệu suất truyền của palăng(ròng rọc)

Từ đó có thể tra cứu trong sổ tay cơ khí, động cơ cụ thể với tốc độ định mức

nđc(vòng/phút)

Nếu trên tang quấn cáp đợc quấn nhiều lớp, thì đờng kính của tang quấn đợc tính nh sau:

D0: Là đờng kính theo tâm của lớp cáp.

Mô men quay trên tang cáp đợc tính:

(KGm)

2

D S M

T σ σ



 (vòng /phút)

Khi trên tang đợc quấn nhiều lớp thì tốc độ nâng đợc tính theo tốc độ lớp trungbình Các thông số khởi động của động cơ và thông số của bộ hãm phải đợc kiểm tra theo mô men tơng ứng với lớp cáp lớn nhất

Tỷ số truyền của bộ truyền cơ khí đợc xác định nh sau:

σ

dc G M

n

n

i  .

Để xác định mômen cần thiết tạo ra từ cơ cấu hãm, khi tính toán nhất thiết phải

kể đến tổn hao ma sát và đa thêm hệ số dự trữ hãm KH Hệ số dự trữ thờng đợc chọnkhoảng 1,5; 1,75; 2,0 tuỳ thuộc vào chế độ làm việc của cần trục

Mômen hãm cần thiết đợc tính nh sau:

' H

M

' M

2 n σ

i

η η M

Trong đó:

i’M và '

M

 là tỷ số truyền và hiệu suất truyền giữa tang quấn cáp của tời nâng

và trục của cơ cấu hãm

Sự tính toán động học ở trên giúp ta xác định đợc tất cả các thông số cơ bản của cơcấu và tiến hành dự tính độ bền vững các bộ phận của nó, các tính toán này là cần thiết để xác định kích thớc của chúng.

Để xác định các thông số động cơ của cơ cấu nâng hạ, cần phải xác định lực cản tĩnh trong cơ cấu, mômen quán tính quy đổi các phần chuyển động của nó kể cả tải trọng và ảnh hởng của nó tới sự làm việc của truyền động khi khởi động và khi hãm Khi biết đợc tốc độ trên trục truyền động, hoặc tốc độ khi hãm n0 (vòng/phút),

tỷ số truyền của bộ truyền cơ khí iM, đờng kính tang quấn cáp, tốc độ nâng hạ hàng thì việc xác định quãng đờng chuyển động của hàng hoá nh sau:

Quãng đờng khi khởi động:

(m)

i 120i

t D Πnn S

M n TT

T σ 0

120i

t D 2ππ.

S

M n H

T σ 0

D 2ππ.

TT M n

T σ 0

D 2ππ.

H M n

T σ 0

Xét trờng hợp phụ tải động của cơ cấu nâng khi cần cứng tuyệt đối

Quá trình động chủ yếu phụ thuộc vào cáp nâng Hệ thống khảo sát đợc biểu diễn trên hình 2:

Hình 2: Sơ đồ biểu diễn động học của cơ cấu nâng.

m ) dt

dx ( 2

m

2 G

(x K

Phơng trình chuyển động có thể viết nh sau:

dt

x d

m 2 G TT G

2

Từ các phơng trình này sẽ xác định đợc dao động tự do của hệ thống

để tìm đợc các dao động của hệ thống cần phải viết các phơng trình động lực học

Lực phát động chuyển động đặt vào rôto là Tđ

Tđ = Q + Td;Trong đó:

Q là lực căng của tải trọng đặt vào mG (ở đây Q nhận dấu - )

Nh vậy lực phát động lúc này đặt cùng chiều với lực quán tính

Trờng hợp phổ biến nhất ta xem lực d trong thời gian khởi động và thời gian hãm là hằng số(Td= const) Nên ta có Mkđ d = Mh d

Ta viết đợc:

2 TT 2

dt

x d

dt

x d

x d dt

x d

2

2 2 G 2

2 TT 2



 xTT - xG = x ;

m;

.m m

m m

G TT

G TT





Ta đợc:

;

m

T mQ mKx dt

x d

TT

du 2

2





 (3)Phơng trình (3 )là phơng trình vi phân mô tả khâu biến dạng đàn hồi Giải phơng trình ta sẽ tìm đợc trên khâu đó ứng lực có dạng:

q sinpt C cospt C

q C K

m

T mQ q

; mk

cospt pC sinpt pC

dt

dx

; kmm

T p

q K

Q C

2 1

TT

du 2

) m k(m cos (1 m m

m T

Q cospt) (1

m.m

T Q

x.K

P

cospt);

(1 km.m

T k

Q km.m

T K

Q cospt km.m

T

x

G TT

G TT TT

G

G du

TT

du d

TT du TT

du TT

G du

d

Max

m m

m 2T

Khi mà Td =0 .Q thì:

TT G

G 0

d

Max

m m

m 2

G 0 d

m m

m 2

1

K





  xác định tính động học lớn nhất khi nạp tải của khâu

đàn hồi trong điều kiện này tải bắt đầu tại thời điểm khi dây cáp đã căng hoàn toàn.Khi cospt ≠ -1 lực động học đợc xác định theo bất kì thời gian nào

Để xây dựng mô hình toán cho cơ cấu nâng hạ một cách cụ thể ta có thể xây dựng bằng cách tính toán cơ cấu cần khi thay đổi tầm với

2.3.Tính toán động lực học của cơ cấu nâng hạ khi thay đổi tầm với:

Để thay đổi tầm với ngời ta thực hiện bằng hai cách:

1, Thay đổi bằng cách dùng cáp kéo trên palăng đầu cần để di chuyển cơ cấu mang palăng nâng hạ hàng chuyển động tịnh tiến trên cần

2, Thay đổi tầm với bằng cánh nâng hạ cần dùng cáp trên palăng đặt cố định

ở đầu cần

Từ cách thứ hai ta có thể xây dựng đợc mô hình toán cho cơ cấu nâng hạ

2.3.1.Xây dựng mô hình toán của cơ cấu nâng:

Hình 3

(scan) hình vẽ 6.1 vào để tính

Các thông số đặc trng:

Sn : Sức căng trên cáp nâng hạ cần (KG)

T t : Thời gian để thay đổi tầm với từ Rmin (m) đến Rmax (s)

Khi tốc độ quấn của tang cáp không thay đổi thì tốc độ thay đổi tầm với sẽ thay đổi.Nên trong tính toán thờng chuyển sang xác định thời gian tơng ứng với sự thay đổi tầm với xét từ Rmin tới RMax

Vận tốc trung bình khi thay đổi tầm với :

t

L t

R R

Emax, Emin : Chiều dài cáp từ trục đến palăng nâng cần ứng với khoảng cách xanhất và gần nhất.

; a) x sinθ (L h) cosθ

(L E

; a) x sinθ (L h) cosθ

(L E

; sinθ L R

.sinθ L R

2 0 min C 2 min C

min

2 0 max C

2 max C

max

min C

min

max;

C max

S S

c

C C

a D S M

C σ

C σ C

Trong đó:

C

σ

D : Là đờng kính của trống tời(m)

a: Số lợng các sợi cáp đợc quấn đồng thời trên trống tời của cơ cấu nâng.Tốc độ cần thiết để quay trống tời là:

(v/ph) ΠnD

60V

n C

σ

C C

Công suất của động cơ đợc xác định:

(KW) 102η

V S N

M C

C σ

Trong đó:

M

η : Là hiệu suất của cơ cấu truyền

Tỷ số truyền của bộ truyền cơ khí :

C σ

DC C