Đồ án thiết kế hệ truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trục

Đồ án: Thiết kế hệ truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trục Lời nói đầu Trong ngành công nghiệp nói chung để giải quyết một số công việc khó khăn với con người như việc vận chuyển các

Đồ án: Thiết kế hệ truyền động cho cơ

cấu nâng hạ cầu trục

Lời nói đầu

Trong ngành công nghiệp nói chung để giải quyết một số công việc khó khăn với con người như việc vận chuyển các nguyên vật liệu, hàng hóa nặng nhọc,trong môi trường khắc nghiệt thì rất cần đến sự trợ giúp của các loại máy móc công nghiệp như: băng tải, cần cẩu, cầu trục

Ở học kỳ này em đã được giao cho đồ án II với đề tài: “Thiết kế hệ truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trục” với các thông số yêu cầu như sau:

 Chiều cao nâng: 10 m

 Tốc độ nâng hạ: 0,35 m/s

 Trọng lượng tải: 4000 kg

 Trọng lượng móc câu: 50 kg

 Đường kính puli: 0,5 m

 Tỉ số truyền: 50

 Hiệu suất bộ truyền: 0,85

 Momen quán tính cơ cấu: 0,1kg/

 Chu kỳ làm việc: 360s

Với sự cố gắng của bản thân cùng sự chỉ bảo tận tình của cô Nguyễn Thị Liên Anh, em đã hoàn thành xong đồ án này Dù đã rất cố gắng nhưng do kiến thức của bản thân còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những sai xót nên em mong các thầy cô chỉ bảo thêm Em xin chân thành cảm ơn!

Chương 1 Giới thiệu đặc điểm về cầu trục

1.Giới thiệu chung

Cầu trục là một kết cấu dầm hộp hoặc dàn, trên đó đặt xe con có cơ cấu nâng Dầm cầu có thể chạy trên các đường ray đặt trên cao dọc theo nhà xưởng, còn xe con có thể chạy dọc theo dầm cầu trục, nhờ vậy mà có thể di chuyển vật đến mọi vị trí trong xưởng

Cầu trục được sử dụng phổ biến trong nhiều ngành, lĩnh vực khác nhau như trong các nhà máy, xí nghiệp, công trường xây dựng, hải cảng

Phân loại cầu trục:

 Theo tải trọng:

- Loại nhẹ: từ 5 đến 10 tấn

- Loại trung bình: từ 10 tới 15 tấn

- Loại nặng: trên 15 tấn

 Theo chế độ làm việc:

- Loại nhẹ : hệ số tiếp điện TĐ% = 10 - 15%, số lần đóng máy trong một giờ là 60

- Loại trung bình : TĐ=15 - 25 %, số lần đóng máy trong một giờ là 120

- Loại nặng : TĐ% = 40 - 60 %, số lần đóng máy trong một giờ >240

 Theo chức năng:

- Cầu trục vận chuyển : dùng rộng rãi, yêu cầu chính xác không cao

- Cầu trục lắp ráp : phần lớn nằm trong các nhà máy, xí nghiệp , dùng để lắp ráp các chi tiết máy móc có yêu cầu độ chính xác cao

2.Cấu tạo của cầu trục

Cầu trục được cấu tạo bởi 3 bộ phận chính: xe cầu, xe con và cơ cấu nâng hạ

 Xe cầu: có hai dầm chính hoặc khung dầm chính làm bằng thép, đặt cách nhau một khoảng tương ứng với khoảng cách bánh xe của xe con Hai đầu cầu được liên kết cơ khí với hai dầm quay ngang tạo thành khung hình chữ nhật trong mặt phẳng ngang

Các bánh xe của cầu trục được thiết kế trên các dầm ngang của khung hình chữ nhật , tạo điều kiện cho cầu trục chạy dọc suốt phân xưởng

 Xe con: là thiết bị được đặt trên xe cầu và dịch chuyển trên chiều dài của xe cầu

 Cơ cấu nâng hạ: được đặt trên xe con và đóng vai trò nâng hạ hang hóa Nhờ cấu tạo như trên mà cầu trục có thể di chuyển phụ tải theo 3 phương phủ kín mặt bằng nhà xưởng:

- Chuyển động dọc theo phân xưởng , nhờ chuyển động của xe cầu

- Chuyển động ngang theo phân xưởng , nhờ chuyển động của xe con

- Chuyển động theo phương thẳng đứng, nhờ chuyển động của cơ cấu nâng hạ

3.Đặc điểm công nghệ và yêu cầu truyền động của cầu trục

Cầu trục làm việc trong môi trường rất nặng nề, đặc biệt là ở hải cảng, trong các nhà máy hoá chất, xí nghiệp luyện kim Các khí cụ điện, thiết bị điện trong

hệ truyền động và trang bị điện cầu trục phải đảm bảo làm việc tin cậy trong điều kiện nghiệt ngã của môi trường

Các cơ cấu truyền động cầu trục thường thay đổi mô men theo tải trọng Nhất

là cơ cấu nâng hạ , mô men thay đổi rõ rệt Khi không có tải trọng mô men động cơ không vượt quá (15 - 20 )% đ Đối với cơ cấu nâng hạ của cầu trục ngoạm đạt tới 50% đ Đối với đông cơ di chuyển xe con bằng (30-50)% đ Đối với động

cơ di chuyển xe con bằng (30-35 )% đ , đối với động cơ di chuyển xe cầu bằng (50 - 55 )% đ

Trong các hệ truyền động các cơ cấu của cầu trục yêu cầu quá trình tăng và giảm tốc xảy ra rất êm Bởi vậy mô men động trong quá trình quá độ phải được hạn chế theo kĩ thuật an toàn

Năng suất cầu trục được quyết định bởi hai yếu tố : tải trọng của các thiết bị và

số chu kì bốc xúc trong một giờ Số lượng hành hoá bốc xúc trong mỗi một chu kì

không như nhau và nhỏ hơn tải trọng định mức nên phụ tải với động cơ chỉ đạt (60 - 70 )% công suất của động cơ

Các động cơ truyền động điện đều làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại có tần số đóng điện lớn Đa số các cầu trục đều làm việc trong điều kiện môi trường nặng nề, chế độ quá độ xảy ra nhanh khi mở máy , hãm và đảo chiều

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

Từ những đặc điểm trên ta có những yêu cầu cơ bản với hệ thống truyền động cho các cơ cấu của cầu trục như sau:

- Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển tự động đơn giản

- Các phần tử cấu thành có độ tin cậy cao, đơn giản về cấu tạo, thay thế dễ dàng

- Trong sơ đồ điều khiển phải có mạch bảo vệ điện áp không, quá tải và ngắn mạch

- Quá trình mở máy diễn ra theo một quy luật được định sẵn

- Sơ đồ điều khiển cho từng động cơ riêng biệt,độc lập

- Có công tắc hành trình hạn chế quá trình tiến,lùi cho xe cẩu , xe con và hạn chế hành trình lên xuống của cơ cấu nâng hạ

- Đảm bảo hạ hàng ở tốc độ thấp

- Tự động cắt nguồn cấp khi có người làm việc trên xe cầu

4.Đặc điểm của cơ cấu nâng hạ cầu trục

Momen cản của cơ cấu luôn không đổi cả về độ lớn và chiều bất kể chiều quay của động cơ thay đổi thế nào Nói cách khác, momen cản của cơ cấu nâng hạ thuộc loại momen cản thế năng, có đặc tính Mc = constant và không phụ thuộc vào chiều quay Điều này có thể giải thích dễ dàng là momen của cơ cấu do trọng lực của tải gây ra Khi nâng tải, momen có tác dụng cản trở chuyển động, tức là hướng ngược chiều quay Khi hạ tải, momen thế năng lại là momen gây ra chuyển động, tức là

nó hướng theo chiều quay của động cơ

Dạng đặc tính cơ của cơ cấu nâng hạ như sau:

Khi nâng tải động cơ làm việc ở chế độ động cơ

Khi hạ tải có thể có hai chế độ: hạ động lực và hạ hãm

- Hạ động lực thực hiện khi tải trọng nhỏ, khi đó mômen do tải trọng gây ra không đủ để thắng mômen ma sát trong cơ cấu Máy điện làm việc ở chế độ động cơ

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

độ ổn định

Đặc điểm hệ truyền động của cơ cấu nâng hạ: làm việc ở chế độ ngăn hạn lặp lại, thường xuyên phải dừng máy và không đòi hỏi đảo chiều ngay lập tức mà thường có trễ sau một thời gian nhất định

Chương 2 Lựa chọn phương án truyền động

1.Lựa chọn loại động cơ

1.1.Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ

- Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, đặc biệt là động cơ rôto lồng sóc; so với động cơ một chiều thì động cơ không đồng bộ có giá thành hạ, vận hành tin cậy, chắc chắn Ngoài ra động cơ không đồng bộ có thể dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần trang bị thêm các thiết bị biến đổi kèm theo

- Nhược điểm: điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn; riêng với động cơ rôto lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu hơn so với động cơ điện một chiều

1.2.Động cơ điện một chiều

- Ưu điểm: khả năng chịu quá tải lớn, có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng, cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng

- Nhược điểm: so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn, do cấu tạo có hệ thống chổi than cổ góp nên việc bảo dưỡng phải thường xuyên hơn

*Kết luận: qua những phân tích so sánh ở trên em chọn phương án sử dụng động

cơ điện một chiều vì những ưu điểm nổi bật trong việc điều chỉnh tốc độ, khả năng chịu quá tải

2.Tính chọn công suất động cơ

2.1.Xác định phụ tải tĩnh

- khi nâng có tải:

M = G + G

u i μ R =

(4000 + 50) 0,25.9,81

1.50.0,85 = 233,7 (N m)

- khi nâng không tải:

M = G

u i μ R =

50.0,25.9,81 1.50.0,85 = 2,89 (N m)

- khi hạ có tải:

M =(G + G )R

u i 2 −

1

μ =

(4000 + 50) 0,25.9,81

1.50 2 −

1 0.85

= 163,6(N m)

- khi hạ không tải:

M = G R

u i 2 −

1

μ =

50.0,25.9,81 1.50 2 −

1 0.85 = 2,02 (N m)

Ta có tốc độ nâng hạ là 0.35m/s nên tổng thời gian làm việc là:

t = 4.h

v =

4.10 0.35 = 114.3 (s) -momen đẳng trị:

Mđ = ∑ M t

∑ t =

(233,7 + 2,89 + 163,6 + 2,02 )28.6

114,3 = 142,65 (N m)

2.2.Xác định hệ số tiếp điện %

Hệ số tiếp điện tương đối:

ε% = ∑ T

T =

114,3

500 = 23%

2.3 Lựa chọn động cơ

Tốc độ góc của động cơ:

= 2 = 2.0,35

0.5 50 = 70 ( / )

Tốc độ quay của động cơ:

n = ω 2π 60 =

70 2π 60 = 668,45 (vg/ph) Công suất động cơ:

P = Mđ ω = 142,65.70 = 9986 (W)

Ta chọn động cơ có công suất:

Pđ ≥ 1,3 P = 1,3.9986 = 12981,8 (W)

Từ các số liệu tính toán,tra bảng phụ lục 4 sách “Các đặc tính của động cơ trong truyền động điện-Bùi Đình Tiếu” chọn động cơ kích từ song song kiểu Mπ − 42 với các số liệu như sau:

Uđm=220 (V)

Pđm= 16 (kW)

Iđm = 84 (A)

n= 700 (vg/ph)

ε% = 25%

rư+ r = 0,168 (Ω)

r = 81 (Ω)

Dòng điện định mức của cuộn kích từ song song: 1,97 (A)

3.Chọn phương án truyền động

Trong phạm vi đồ án này em sử dụng hệ truyền động chỉnh lưu tiristor-động cơ một chiều T-Đ vì những ưu điểm nổi bật của nó: mạch lực đơn giản, kích thước gọn nhẹ, tác động nhanh, không gây ồn và dễ tự động hóa do các van bán dẫn có

hệ số khuyếch đại công suất cao, điều đó rất thuận tiện cho việc thiết lập các hệ tự động điều chỉnh để nâng cao chất lượng tĩnh và động của hệ thống

3.1.Chỉnh lưu cầu một pha

Đồ thị áp-dòng trên tương ứng với trường hợp tải RL hoặc RLE ở chế độ dòng tải liên tục Để đưa dòng điện ra tải luôn cần có hai van cùng dẫn vì vậy xung điều khiển phải đưa tới hai van cùng thời điểm để T1 cùng dẫn với T2; T3 cùng dẫn với T4 Khi van T1,T2 dẫn sẽ có dòng i chảy qua tải và chưa kịp tắt thì van T3,T4 đã được phát xung mở trở lại như vậy dòng tải sẽ liên tục Coi điện cảm L đủ lớn để dòng điện i có độ gợn sóng không đáng kể, nên i =I là giá trị không đổi

+Ưu điểm: có thể không cần sử dụng máy biến áp, khi điện áp ra tải phù hợp với cấp điện áp nguồn xoay chiều thì có thể mắc trực tiếp mạch chỉnh lưu vào lưới điện

+Nhược điểm: có hai van tham gia dẫn dòng, như vậy sẽ có sụt áp do hai van gây

ra, chính vì vậy khiến cho mạch cầu không thích hợp với chỉnh lưu điện áp thấp dưới 10V khi dòng tải lớn

3.2.Chỉnh lưu ba pha hình tia

Đồ thị áp-dòng trên tương ứng với trường hợp tải RL hoặc RLE ở chế độ dòng

tải liên tục Điểm tính góc điều khiển không phải điểm qua 0 mà chậm pha hơn

một góc 30° điện, tương ứng với điểm giao nhau của điện áp nguồn Xung điều

khiển các van lệch nhau một phần ba chu kỳ, tức 120° điện

Với điện cảm L đủ lớn có thể coi i = I là giá trị không đổi Dạng điện áp u

bằng điện áp phía nguồn có van đang dẫn Giá trị điện áp U α tuân theo qui luật:

U α = U cosα với U = 1,17U

+Ưu điểm: sụt áp trong mạch van nhỏ do dòng chỉ chạy qua một van, sử dụng

nguồn ba pha nên cho phép nâng công suất tải lên nhiều mặt khác độ đập mạch

của điện áp ra sau mạch chỉnh lưu giảm đáng kể nên kích thước bộ lọc cũng nhỏ đi

+Nhược điểm: cần có biến áp nguồn để có điểm trung tính đưa ra tải, mà công suất

biến áp này lớn hơn công suất một chiều 1,35 lần

3.3.Chỉnh lưu cầu ba pha

Đồ thị áp-dòng trên tương ứng với trường hợp tải RL hoặc RLE ở chế độ dòng tải liên tục Mạch van được đấu thành hai nhóm: nhóm van đánh số lẻ đấu chung katôt, nhóm van đánh số chẵn đấu chung anôt Để điều khiển van cần tuân thủ một

số quy luật sau:

 Với tiristor của nhóm đấu katôt chung, điểm mốc để tính góc điều khiển là điểm giao nhau của các điện áp pha nguồn khi chúng ở nửa chu kỳ điện áp dương

 Với tiristor của nhóm đấu anôt chung, điểm mốc để tính góc điều khiển là điểm giao nhau của các điện áp pha nguồn khi chúng ở nửa chu kỳ điện áp

âm

 Xung điều khiển được phát theo đúng thứ tự đánh số từ T1 đến T6 cách nhau 60° điện, còn trong mỗi nhóm thì xung phát cách nhau 120°

 Để thông mạch điện tải cần hai van cùng dẫn, trong đó mỗi nhóm phải có một van tham gia, do đó hai van có thứ tự cạnh nhau phải được phát xung cùng lúc Vì vậy dạng xung là xung kép: xung thứ nhất được xác định theo góc điều khiển cần có, xung thứ hai là đảm bảo điều kiện thông mạch, thực

tế là xung của van khác gửi đến

Quy luật điều chỉnh (chế độ dòng liên tục): U α = U cosα

với U = 2,34U

+Ưu điểm: cho phép đấu thẳng vào lưới điện ba pha; độ đập mạch rất nhỏ; sử dụng nguồn ba pha nên công suất lớn, công suất máy biến áp cũng chỉ xấp xỉ công suất tải

+Nhược điểm: sụt áp trên van gấp đôi sơ đồ hình tia vì luôn có hai van dẫn để đưa dòng điện ra tải, nên sẽ không phù hợp với cấp điện áp ra tải dưới 10V

*Kết luận: từ các phân tích về ưu nhược điểm của các sơ đồ chỉnh lưu nói trên,

với tải là động cơ một chiều có công suất 16kW thì việc sử dụng chỉnh lưu cầu ba pha là hợp lý nhất Đồng thời do đặc điểm hệ truyền động của cơ cấu nâng hạ là thường xuyên phải dừng máy và không đòi hỏi đảo chiều ngay lập tức mà thường

có trễ sau một thời gian nhất định nên em sẽ sử dụng một bộ biến đổi chuyển mạch phần ứng

Chương 3 Tính toán mạch lực

1.Sơ đồ nguyên lý mạch

Phương trình đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập:

ω = UĐ

kΦđ −

R (kΦđ )

Từ phương trình trên ta thấy có thể thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng của động cơ UĐ

Điện áp phần ứng của động cơ lại phụ thuộc vào điện áp một chiều sau chỉnh lưu

U Mặt khác, điện áp chỉnh lưu với chỉnh lưu cầu 3 pha được xác định bởi công thức: U = 2,34 U cosα (U là điện áp phía thứ cấp máy biến áp phụ thuộc vào điện áp của lưới và hệ số máy biến áp)

Chính vì vậy ta có thể điều chỉnh tốc độ của động cơ thông qua việc thay đổi góc điều chỉnh Việc thay đổi góc điều chỉnh này sẽ được đề cập đến ở chương sau

Vấn đề thay đổi chiều quay của động cơ sẽ được thực hiện bằng việc đóng mở các tiếp điểm T và N Khi nâng tải,cấp điện cho động cơ đồng thời đóng tiếp điểm

T, mở tiếp điểm N, động cơ sẽ quay để nâng tải lên (quy ước đây là chiều quay thuận) Động cơ sẽ quay ngược khi hạ tải với tải trọng nhỏ hơn momen ma sát của

cơ cấu, thực hiện điều này bằng cách đóng tiếp điểm N, mở tiếp điểm T

2.Tính toán máy biến áp lực

2.1 Tính các thông số của máy biến áp

Điện áp một chiều tổng quát tương ứng tải định mức:

U đ = UĐđ + ΣΔU + ΔU + ΔU =UĐđ + ΣΔU

Trong đó:

- ΣΔU là tổng các sụt áp khi tải định mức

- UĐđ là điện áp một chiều ra tải định mức UĐđ = 220 V

- ΣΔU tổng sụt áp trên van, trong sơ đồ cầu 3 pha mỗi thời điểm có 2 van dẫn nên Σ∆U =2 ∆U (sụt áp trên van các van thông thường nằm trong khoảng (1÷2,6) V, chọn ∆U =1,75 V) Do đó:

Σ∆U =2 ∆U =2.1,75=3,5 (V)