Thiết kế hệ thống cần trục

Tài liệu tham khảo Thiết kế hệ thống cần trục

Đồ án tốt nghiệp Mục Lục IV.Thiết kế phần mềm điều khiển 114. 1 Chơng I: Tìm hiểu về công nghệ cầu trục .4 I.Động cơ một chiều .13 Chơng V. Thiết kế hệ điều khiển cầu trục 78 I.Hệ thống cầu trục cũ của nhà máy thuỷ điện Ialy78 II.Thiết kế hệ thống mới 79 3. Tính toán và chọn điện trở hãm cho biến tần 90 IV.Thiết kế phần mềm điều khiển 114 IV.Khai báo chế độ điều khiển cho biến tần .115 Tài liệu tham khảo .125 Phụ lục 126 Đoàn Trung Kiên-Phạm Văn Hoàng ĐLTH1-K45 1 Đồ án tốt nghiệp Lời Mở đầu Trong quá phát triển công nghiệp của đất nớc ta hiện nay, nhu cầu về tự động hóa đang là một trong những yếu tố đợc đặt nên hàng đầu. Điều này đảm bảo cho nhiều nghành công nghiệp có đợc thế đứng của mình trong điều kiện cạnh tranh khác nhiệt của nền kinh tế thị trờng ngày nay. Trong quá trình sản xuất, máy nâng vận chuyển đóng một vai trò rất quan trọng đặc biệt trong những nghành công nghiệp nặng. Máy nâng-vận chuyển là cầu nối giữa các hạng mục công trình sản xuất riêng biệt, giữa các phân xởng trong một nhà máy, giữa các máy công tác trong một dây chuyền sản xuất. Hiện nay có rất nhiều giải pháp trong việc lựa chọn hệ điều khiển truyền động cầu trục. Mỗi hệ thống điều khiển truyền động đều có những u và nhợc điểm riêng, việc chọn lựa hệ truyền động điều khiển cầu trục nào phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: Tính chất, số lợng hàng hóa cần vận chuyển và đặc thù của quá trình sản xuất. ứng dụng biến tần và PLC trong hệ điều khiển cầu trục công suất lớn là một trong những phơng pháp ứng dụng hệ điều khiển truyền động hiện đại nhất vào điều khiển cần trục. Hệ điều khiển truyền động này còn có thể ứng dụng trong nhiều quá trình sản xuất khác trong công nghiệp đòi hỏi chỉ tiêu chất lợng truyền động cao, điều khiển chính xác hệ thống băng tải, công nghệ dệt . Trong thời gian gần 4 tháng tiến hành nghiên cứu và làm đồ án, đợc sự h- ớng dẫn nhiệt tình, sát sao của thầy giáo Đào Đức Thịnh, chúng em đã hoàn thành nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp của mình. Tuy nhiên, do còn sự hạn chế của thời gian cũng nh kinh nghiệm. Đồng thời giữa lý thuyết và thực tế là một khoảng cách khá xa cho nên bản thiết kế tốt nghiệp của chúng em không tránh khỏi những sai sót. Chúng em rất mong đợc sự chỉ bảo, giúp đỡ của các thầy cô để em có thể hiểu rõ hơn về vấn đề nghiên cứu của mình. Đoàn Trung Kiên-Phạm Văn Hoàng ĐLTH1-K45 2 Đồ án tốt nghiệp Trớc khi trở thành ngời kỹ s, cho chúng em gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy, các cô trong trờng Đại học bách khoa Hà Nội nói chung, các thày cô giáo trong bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp nói riêng, KS Bùi Thắng Mỹ PGĐ kỹ thuật công ty VATCO, đặc biệt là thầy giáo Đào Đức Thịnh đã chỉ bảo, giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình hoàn thành đề tài này. Đoàn Trung Kiên-Phạm Văn Hoàng ĐLTH1-K45 3 Hà Nội, ngày 19 tháng 5 năm 2005 Sinh viên PHạm Văn Hoàng Đoàn trung kiên Đồ án tốt nghiệp Chơng I: Tìm hiểu về công nghệ cầu trục I.Tổng quan về cầu trục 1.Khái quát chung về các máy nâng vận chuyển Sự phát triển kinh tế của mỗi nớc phụ thuộc rất nhiều vào mức độ cơ giới hóa và tự động hóa các quá trình sản xuất. Trong quá trình sản xuất, máy nâng- vận chuyển đóng vai trò khá quan trọng. Máy nâng-vận chuyển là cầu nối giữa các hạng mục công trình sản xuất riêng biệt, giữa các phân xởng trong một nhà máy, giữa các máy công tác trong một dây chuyền sản xuất v.v Tính chất và số lợng hàng hóa cần vận chuyển tuỳ thuộc vào đặc thù của quá trình sản xuất. Trong ngành khai thác mỏ, trên các công trình thuỷ lợi, trên các công tr- ờng xây dựng nhà máy thuỷ điện, xây dựng công nghiệp, xây dựng dân dụng v.v , phần lớn các công việc nặng nề nh bốc, xúc, đào, khai thác đất đá đều do các máy nâng-vận chuyển thực hiện. Trong các nhà máy chế tạo cơ khí, máy nâng vận chuyển dùng để vận chuyển phôi, bán thành phẩm và thành phẩm từ nhà máy này sang nhà máy khác, từ phân xởng này sang phân xởng khác. Việc sử dụng các máy nâng-vận chuyển trong các hạng mục công trình lớn sẽ làm giảm đáng kể thời gian xây dựng, giảm bớt số lợng công nhân (khoảng 10 lần). Đặc biệt một số nơi chỉ có thể vận chuyển bằng máy. a.Phân loại máy nâng-vận chuyển Phụ thuộc vào đặc điểm của hàng hóa cần vận chuyển, kích thớc, số lợng và phơng vận chuyển mà các máy nâng-vận chuyển rất đa dạng. Việc phân loại một cách hoàn hảo các máy nâng-vận chuyển rất khó khăn. Có thể phân loại các máy nâng-vận chuyển theo các đặc điểm chính sau. - Theo phơng vận chuyển hàng hóa: +Theo phơng thẳng đứng: Thang máy, máy nâng +Theo phơng nằm ngang: Băng chuyền, băng tải +Theo phơng nằm nghiêng: Xe kíp, thang chuyền, băng tải +Theo các phơng kết hợp: Cầu trục, cần trục, cầu trục cảng, máy xúc v.v - Theo cấu tạo của cơ cấu di chuyển: +Máy nâng-vận chuyển đặt cố định: thang máy, máy nâng, thang chuyền, băng tải, băng chuyền v.v +Di chuyển tịnh tiến: cầu trục cảng, cần trục con dê, các loại cầu trục, cần trục v.v +Di chuyển quay với một góc quay tới hạn: cần cẩu tháp, máy xúc v.v - Theo cơ cấu bốc hàng: +Cơ cấu bốc hàng là thùng cabin, gầu treo +Dùng móc, xích treo, băng. +Cơ cấu bốc hàng nam châm điện. - Theo chế độ làm việc: Đoàn Trung Kiên-Phạm Văn Hoàng ĐLTH1-K45 4 Đồ án tốt nghiệp +Chế độ dài hạn: băng tải, băng chuyền, thang chuyền +Chế độ ngắn hạn lặp lại: máy xúc, thang máy, cần trục v.v b.Đặc điểm đặc trng cho chế độ làm việc của hệ thống truyền động điện máy nâng-vận chuyển Máy nâng-vận chuyển thờng đợc lắp đặt trong nhà xởng hoặc để ở ngoài trời. Môi trờng làm việc của các máy nâng-vận chuyển rất nặng nề, đặc biệt là ngoài hải cảng, các nhà máy hóa chất, các xí nghiệp luyện kim Các khí cụ, thiết bị điện trong hệ thống truyền động và trang bị điện của các máy nâng-vận chuyển phải làm việc tin cậy trong mọi điều kiện nghiệt nghã của môi trờng, nhằm nâng cao năng suất, an toàn trong vận hành và khai thác. Đối với hệ truyền động điện cho băng chuyền và băng tải, phải đảm bảo khởi động động cơ truyền động khi đầy tải, đặc biệt là vào mùa đông, khi nhiệt độ môi trờng giảm làm tăng mômen ma sát trong các ổ đỡ dẫn đến làm tăng đáng kể mômen cản tĩnh M c (hình 1-1). Trên đồ thị ta thấy: Khi = 0 , M c lớn hơn 2 ữ 2,5 lần ứng với tốc độ định mức. Đặc điểm trên cũng đúng với một số máy nâng-vận chuyển khác nh thang chuyền, băng chuyền Động cơ truyền động cầu trục, nhất là đối với cơ cấu nâng hạ, mômen thay đổi theo tải trọng rất rõ rệt. Khi không có tải trọng mômen của động cơ không vợt quá(15 ữ 20)% M đm , đối với cớ cấu nâng của cần trục gầu ngoạm đạt tới 50% M đm ,đối với động cơ di chuyển xe con bằng (35 ữ 50)% M đm , đối với động cơ di chuyển xe cầu bằng (50 ữ 55)% M đm . Năng suất của máy nâng- vận chuyển quyết định bởi hai yếu tố: tải trọng của thiết bị và số chu kì bốc, xúc trong một giờ. Số lợng hàng hóa bốc xúc mỗi một chu kì không nh nhau và nhỏ hơn trọng tải định mức, cho nên phụ tải đối với động cơ chỉ đạt (60 ữ 70)% công suất định mức của động cơ. Do điều kiện làm việc của máy nâng-vận chuyển nặng nề, thờng xuyên làm việc trong chế độ quá tải nên các máy nâng-vận chuyển đợc chế tạo có độ bền cơ khí cao, khả năng chịu quá tải lớn. c.Yêu cầu đối với hệ truyền động và trang bị điện cầu trục Cầu trục là một thiết bị nâng vận chuyển dùng trong các xí nghiệp công nghiệp để vận chuyển nguyên vật liệu. Cầu trục có ba cơ cấu chính: -Cơ cấu nâng hạ. -Cơ cấu di chuyển xe cầu. -Cơ cấu di chuyển xe cam (xe trục). Chế độ làm việc của các cơ cấu cầu trục đợc xác định từ các yêu cầu của quá trình công nghệ, chức năng của cầu trục trong dây truyền 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. Cầu trục trong phân xởng luyện thép lò Machtanh, trong các phân xởng nhiệt luyện phải đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật trong chế độ quá độ. Cầu 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 v.v Đoàn Trung Kiên-Phạm Văn Hoàng ĐLTH1-K45 5 Đồ án tốt nghiệp Từ những đặc điểm trên, có thể đa ra những yêu cầu cơ bản đối với hệ truyền động và trang bị điện cho các cơ cấu của cầu trục: - Sơ đồ cầu 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 quá tải và ngắn mạch. - Quá trình mở máy diễn ra theo một luật định sẵn. - Sơ đồ điều khiển cho từng chuyển động riêng biệt, độc lập. - Có công tắc hành trình hạn chế hành trình tiến, lùi cho xe cầu, xe con; hạn chế hành trình lên của cơ cấu nâng hạ. - Đảm bảo nâng hạ hàng ở tốc độ thấp. Từ những yêu cầu trên ta thấy : -Với hệ truyền động: có thể dùng hệ truyền động xoay chiều hay một chiều tùy thuộc vào chế độ làm việc của cầu trục: So với động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ không có hệ thống cổ góp và chổi than nên kết cấu của nó gọn nhẹ hơn, dễ vận hành và sửa chữa hơn. Ngày nay do sự phát triển của công nghệ bán dẫn nên giá thành của biến tần ngày càng hạ với khả năng điều khiển tốc độ rộng, trơn do vậy những u thế về điều khiển tốc độ động cơ một chiều không còn nữa. Vì thế xu hớng chủ yếu khi thiết kế và chế tạo hệ truyền động điện cho cầu trục là thờng chọn hệ truyền động biến tần- động cơ xoay chiều. -Với hệ thống điều khiển: Có thể dùng hệ điều khiển với các công tác tơ, rơle, khởi động từ là các tiếp điểm hay dùng các khí cụ phi tiếp điểm. Ngày nay với sự phát triển của điện tử tin học hệ điều khiển các tiếp điểm trên có thể đợc thay thế bởi các máy tính, các hệ PLC có độ tin cậy cao, khả năng điều khiển linh hoạt, dễ dàng thay đổi chơng trình điều khiển. II. Tính chọn các phần tử trong hệ truyền động điện và trang bị điện cầu trục. 1. Tính chọn công suất động cơ 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 cầu 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 đến cả tải động. *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 động học nh hình 1- 1 Phụ tải tĩnh khi nâng có tải: Đoàn Trung Kiên-Phạm Văn Hoàng ĐLTH1-K45 6 Đồ án tốt nghiệp M n = c t ui RGG )( 0 + , [Nm] Trong đó: G Trọng lợng của tải trọng [Nm]. G 0 Trọng lợng của bộ lấy tải [Nm]. R t Bán kính của tang nâng [Nm]. U Bội số của hệ thống ròng rọc. c _ Hiệu suất của cơ cấu. I Tỉ số truyền I = vu nR t . .2 Trong đó: V Tốc độ nâng tải [m/s]. N Tốc độ quay của động cơ [vg/s]. Hình 1-1: Sơ đồ động học của cơ cấu nâng- hạ dùng móc Trong các công thức tính trên, hiệu suất c lấy bằng định mức khi tải trọng bằng định mức, cần xác định c theo tải trọng nh hình 1- 2 Xác định c dựa theo hệ số mang tải: K = cdm c P P - Phụ tải tĩnh khi nâng tải: M no = c t iu RG 0 , [Nm] - Phụ tải tĩnh khi hạ tải Có thể có hai chế độ hạ tải : Hạ động lực và hạ hãm. Hạ động lực thực hiện khi tải trọng nhỏ. Khi 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. Đoàn Trung Kiên-Phạm Văn Hoàng ĐLTH1-K45 7 Hình 1-2: Quan hệ phụ thuộc theo tải trọng 85.0 = dm c Đồ án tốt nghiệp Hạ hãm thực hiện khi hạ tải trọng lớn. Khi đó mômen do tải trọng gây ra rất lớn. Máy điện phải làm việc ở chế độ hãm để giữa cho tải trọng đợc hạ với tốc độ ổn định( chuyển động không có gia tốc). Để xác định mômen trên trục của động cơ khi hạ tải, cần thực hiện vài phép biến đổi sau: Gọi mômen trên trục động cơ do tải trọng gây ra không có tổn thất là M t thì: M t = iu RGG t . )( 0 + , [Nm] Khi hạ tải, năng lợng đợc truyền từ phía tải trọng sang cơ cấu truyền động, nên: M h = M t - M = M t . c , [Nm] (1-1) Trong đó: M h Mômen trên trục động cơ khi hạ tải ,[Nm] M Tổn thất mômen trong cơ cấu khi hạ tải. c - Hiệu suất của cơ cấu khi hạ tải. Nếu M t > M hạ hãm, M t < M hạ động lực. Coi tổn thất trong cơ cấu nâng-hạ khi nâng tải và khi hạ tải nh nhau, thì: M = c t M - M t = M t ( c 1 - 1 ) Do đó: M h = M t M t ( c 1 - 1 ) = M t (2 - c 1 ) = iu RGG t . )( 0 + (2 - c 1 ) (1-2) So sánh hai biểu thức 1- 1 và 1- 2 ta có: c = 2 - c 1 Đối với những tải trọng tơng đối lớn ( c > 0,5) ta có h > 0 , M h > 0. Điều đó có nghĩa là mômen động cơ ngợc chiều với mômen phụ tải. Động cơ làm việc ở chế độ hạ hãm. Khi tải trọng tơng đối nhỏ ( c < 0,5) thì h > 0, M h < 0 , Mômen động cơ cùng chiều 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 nâng không 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 1 chu kì làm việc của cơ cấu nâng-hạ có thể tính đợc theo năng suất Q và tải trọng định mức G đm . T ck = Q G dm 3600 , [s] Đoàn Trung Kiên-Phạm Văn Hoàng ĐLTH1-K45 8 Đồ án tốt nghiệp TĐ% = %100. ck lv T T Trong đó: T lv thời gian làm việc của một chu kì, xác định theo điều kiện làm việc cụ thể của cơ cấu. *Chọn sơ bộ công suất động cơ. Chọn sơ bộ công suất động cơ có thể theo phụ tải trung bình M tb , hoặc theo phụ tải đẳng trị M đt kết hợp với hệ số tiếp điện tơng đối TĐ% Phụ tải trung bình, phụ tải đẳng trị tính theo các biểu thức sau: M tb = ck n i ii T tM k 1 . . = M đt = ck ii n i T tM 2 1 = Trong đó: M i trị số mômen ứng với khoảng thời gian t i . K=(1,2 ữ 1,3) hệ số , phụ thuộc vào độ nhấp nhô của đồ thị phụ tải, tần số mở máy, hãm máy. Điều kiện để chọn công suất động cơ: M đmĐC M tb M đmĐC M đt *Kiểm nghiệm Để kiểm nghiệm công suất động cơ đã chọn, cần phải xây dựng biểu đồ phụ tải chính xác. Sau khi đã xét đến thời gian mở máy, hãm máy và thời gian nghỉ của động cơ, tính lại thời gian tiếp điện tơng đối thực. TĐ% th = ck immihi T ttt ++ Trong đó: t i : Tổng thời gian làm việc t ih : Tổng thời gian hãm t imm : Tổng thời gian mở máy và tính phụ tải chính xác theo đại lợng đẳng trị M đtcx Động cơ đã chọn là đúng nếu thoả mãn yêu cầu: M tc < M đmĐC M tc = M đtcx % %D th tc TD T Trong đó: M tc : Mômen quy đổi về hệ số tiếp điện tiêu chuẩn TĐ tc % : Hệ số tiếp điện tiêu chuẩn b)Tính chọn công suất động cơ cho các cơ cấu di chuyển theo phơng nằm ngang Đoàn Trung Kiên-Phạm Văn Hoàng ĐLTH1-K45 9 Đồ án tốt nghiệp Ví dụ điển hình cho cơ cấu di chuyển ngang theo phơng nằm ngang là cơ cấu xe cầu và xe con của cầu trục. Sơ đồ lực đợc giới thiệu trên hình1-3 Phụ tải tĩnh của cơ cấu là do lực cản chuyển động gây ra. Lực đó bao gồm hai thành phần chính: lực ma sát lăn trên đờng đi F l và lực ma sát trong cổ trục bánh xe F ct . Thành phần F l đợc xác định theo biểu thức: F l = b R fGG ).( 0 + , [N] Trong đó: G 0 : Trọng lợng bản thân cơ cấu, [N] G : Trọng lợng tải trọng, [N] R b : Bán kính bánh xe, [cm] f : Hệ số ma sát lăn ,[cm] Nếu bánh xe bằng thép lăn trên đờng ray f = (0,05 ữ 0,1) cm Thành phần lực F ct đợc xác định theo biểu thức: F ct = (G o + G) à ,[N] Nếu dời điểm đặt của lực này về vành bánh xe thì tính theo biểu thức: F ct = (G o + G) à b ct R R ,[N] Trong đó: à là hệ số ma sát trợt : Khi dùng ổ trợt à = 0,08 ữ 0,05 ; khi dùng ổ bi à = 0,01 ữ 0,05 R ct : Bán kính cổ trục, [cm] Toàn bộ lực đặt lên bánh xe là: F c = F l + F ct = )( 0 fR R GG ct b + + à , [N] Đối với các cơ cấu có bánh xe sắt lăn trên đờng ray, phải tính đến lực cản ma sát giữa mép bánh xe và đờng ray. Lực đó đợc tính thêm bằng hệ số dự trù k, và toàn bộ lực cản trong trờng hợp này sẽ là: F c = k.F c = k. )( 0 fR R GG ct b + + à , [N] Hệ số k đợc lấy từ thực tế và kinh nghiệm vận hành. Ví dụ : Đối với cầu khi dùng ổ bi: k = 1,25 ữ 2; khi dùng ổ trợt k = 2,5 ữ 4. Đối với xe con tơng ứng là k = 1,25 ữ 1,6 và k = 2,5 ữ 3,2 Nếu cơ cấu di chuyển trên đờng dốc có góc nghiêng là , toàn bộ lực cản đợc tính theo biểu thức: Đoàn Trung Kiên-Phạm Văn Hoàng ĐLTH1-K45 10 Hình 1-3: Sơ đồ lực của cơ cấu di chuyển theo phương ngang [...]... cơ hệ kín: K = ( K) 2 + KKb.Kdc R - Độ cứng đặc tính cơ hệ hở: h ( K ) 2 = R - So sánh: K > h Thấy độ cứng đặc tính cơ hệ kín lớn hơn hệ hở,muốn tăng độ cứng đặc tính cơ ta phải tăng hệ số khuếch đại bộ điều chỉnh Kđc,Kđc tăng thì K K tăng, hệ số khuếch đại bộ điều chỉnh Kđc tăng dần đến thì độ cứng đặc tính cơ hệ kín cũng tăng dần đến hệ thống sẽ mất ổn định nên: K Kđc