Xây dựng chương trình tính toán phụ tải động cho cơ cấu nâng hạ cần trên phần mềm Matlab

Mục lục Lời nói đầu 2 Chơng 1 Nghiên cứu tổng quan về cơ cấu nâng hạ cần của cần câu 2 1.1 Khái niệm chung 2 1.2 Phân loại cầu trục cần trục 4 1.3 Đặc điểm đặc trng cho chế độ làm việc của hệ thống 4 điều khiển của cần trục Chơng 2 Cơ sở tính toán và xây dựng mô hình toán cho cơ cấu nâng hạ cần 2.1.Cơ sở tính toán 5 2.1.1. Tính toán tĩnh và động cho các cơ cấu . 5 2.1.2. Các phơng trình chuyển động tổng quát của cơ cấu 8 2.1.3. Sự phụ thuộc giữa momen động với thời gian quá trình khởi động 10 2.2. Xây dựng mô hình toán cho cơ cấu nâng hạ cần 10 2.2.1. Xây dựng mô hình toán cho các động cơ chính cơ cấu nâng hạ cần 10 2.2.2. Xây dựng mô hình toán cho cơ cấu nâng hạ cần 11 Chơng 3 Xây dựng chơng trình tính toán phụ tải động cho cơ cấu nâng hạ cần trên phần mềm Matlab 3.1. Giới thiệu phần mềm Matlab 19 3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ nâng hạ chính trong cơ cấu 20 3.3. Mô hình mô phỏng đặc tính hệ thống cơ cấu nâng hạ cần 20 3.4. Mô hình tính toán phụ tải động 20 3.5. Đặc tính mômen và tốcđộ động cơ truyền động chính 20 3.6. Đặc tính mômen phụ tải động khi nâng 20 3.7. Đặc tính mômen phụ tải động khi hạ 20 3.8. Đặc tính mômen theo chiều dài cần 20 3.9. Đặc tính mômen cản khi nâng và hạ cần 20 Kết luận 32 Tài liệu tham khảo 33 1 Lời nói đầu Ngày nay với sự phát triển của công nghiệp hoá, hiện đại hoá máy móc đang dần thay thế sức lao động con ngời. Với xu hớng đó đã làm tăng năng xuất lao động, nâng cao chất lợng sản phảm, hạ giá thành vận chuyển . nền kinh tế đi lên giúp con ngời tăng thu nhập . Trong lĩnh vực sản xuất đặc biệt là kinh tế vận tải biển việc trang bị điện cho các thiết bị vận tải nh cần cẩu, băng truyền, máy xúc . là hết sức quan trọng. Từ thực tế đó việc tìm hiểu nghiên cứu hệ thống cần trục cầu trục đã giải quyết việc tính toán thiết kế các hệ thống này. Trên cơ sở lý thuyết đã có em đã đi sâu tìm hiểu đề tài Nghiên cứu tổng quan về cơ cấu nâng hạ cần cho cần trục. Xây dựng chơng trình tính phụ tải động của cơ cấu nâng hạ cần . Đề tài gồm các phần sau: - Chơng 1: Nghiên cứu tổng quan về cơ cấu nâng hạ cần cho cần trục - Chơng 2: Xây dựng mô hình toán cho cơ cấu nâng hạ cần - Chơng 3: Thiết lập chơng trình tính toán phụ tải động cho cơ cấu nâng hạ cần. Mun bit quỏ trỡnh mụ phng trờn matlab. Vui lũng li tin nhn 2 Chơng 1 Nghiên cứu tổng quan về cơ cấu nâng hạ cần của cần trục 1.1. Khái niệm chung Sự phát triển kinh tế của mỗi nớc phụ thuộc nhiều vào mức độ cơ giới hoávà tự động hoá các quá trình sản xuất công nghiệp. Trong quá trình sản xuất máy nâng vận chuyển nói chung, cần trục cầu trục cảng nói riêng là cầu nối giữa các hạng mục sản xuất riêng biệt giữa các phân xởng trong một nhà máy, giữa các máy công tác trong quá trình sản xuất . Các cảng biển ở Việt Nam và trên thế giới, cần trục cầu trục cảng có vị trí hết sức quan trọng trong công nghiệp bốc xếp hàng hoá, là nhóm thiết bị nâng vận chuyển chủ lực trong quá trình vận chuyển và lu thông hàng hoá xuất nhập khẩu của cảng biển. Công nghiệp bốc xếp và vận chuyển hàng bao gồm nhiều công đoạn nh bốc xếp hàng hoá từ tàu thủy lên kho bãi, lên phơng tiện vận tải đờng bộ và bốc xếp hàng hoá theo chiều ngợc lại cho tàu thủy vận chuyển bằng đờng thủy. Trên các cảng, lợng hàng hoá trung chuyển qua cảng đợc lu kho bãi rất lớn, khối lợng bốc xếp trong cảng cũng đợc cần trục cầu trục đảm nhiệm. Các cầu trục sử dụng bốc xếp hàng hoá trong các kho hàng, trong các xí nghiệp cơ khí cảng biển, các phân xởng sửa chữa, lắp ráp thiết bị đóng vai trò quan trọng vào công tác dịch vụ kỹ thuật góp phần hiện đại hoá cảng biển. Khi đánh giá mức độ hiện đại hoá cảng biển, đầu tiên phải kể đến cơ sở hạ tầng của cảng nh luồng vào ra cho các tàu biển, cầu cảng và bộ máy quản lý cảng. Sau đó phải kể đến nhóm thiết bị bốc xếp hàng hoá chính là cầu trục cần trục cảng. Năng suất, tốc độ luân chuyển hàng hoá hàng năm của cảng phụ thuộc nhiều vào số lợng và trọng tải nâng chuyển của cần trục cầu trục cảng. Các cảng biển nớc ta đang đòi hỏi ngày càng mở rộng và phát triển, năng lực bốc xếp các cảng ngày một tăng để đáp ứng yêu cầu hàng hoá xuất nhập khẩu của các nghành kinh tế. Trong điều kiện nhóm thiết bị bốc xếp chủ yếu đợc nhập ngoại chủng loại rất đa dạng, mức độ tự động hoá ngày càng cao. Việc khai thác vận hành, bảo dỡng kỹ thuật cho cần trục cầu trục cảng biển đòi hỏi thực hiện nghiêm ngặt các quy định cho từng loại nhằm đảm bảo an toàn cho ngời và hàng hoá trong quá trình hoạt động. Đồng thời công tác bảo dỡng kỹ thuật cần trục cầu trục phục vụ cho cảng biển sẽ kéo dài tuổi thọ cho nhóm thiết bị này mang lại hiệu quả to lớn về kinh tế và kỹ thuật. 3 Xu thế phát triển của cần trục cầu trục cảng trong những năm gần đây đã ứng dụng thành tựu của các ngành điện tử, tin học. Các cần trục cần trục ngày càng đợc tự động hoá và đợc quan tâm hơn. 1.2. Phân loại cần trục 1.2.1. Phân loại theo cấu trúc điều khiển a. Điều khiển cơ cấu chính bằng các côngtắctơ, role, động cơ 1 chiều. b. Điều khiển cơ cấu chính bằng các côngtắctơ, role, động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc. c. Điều khiển cơ cấu chính bằng các côngtắctơ, role, động cơ không đồng bộ rôto dây quấn. d. Điều khiển cơ cấu chính bằng PLC BBĐT - động cơ không đồng bộ. e. Điều khiển cơ cấu chính bằng PLC PWM - động cơ không đồng bộ f. Điều khiển cơ cấu chính bằng PLC BBĐ - động cơ điện phụ tải động 1.2.2. Phân loại theo nớc chế tạo 1.3. Đặc điểm đặc trng cho chế độ làm việc của hệ thống điều khiển chuyển động cần trục Hệ thống cần trục nói chung thờng đợc lắp đặt trong các nhà xởng, kho hoặc trên các bãi cảng, cầu cảng. Môi trờng làm việc rất nặng nề, đặc biệt môi trờng có độ ẩm cao và hơi muối mặn. Chế độ làm việc nặng nề thờng xuyên phải làm việc với tải trọng lớn trong một thời gian dài. Đặc biệt yêu cầu về điều chỉnh tốc độ là rất lớn. chính vì vậy mà các thiết bị trong hệ thống nh máy tính, PLC, vi xử lý và các sản phẩm phần mềm phải đảm bảo làm việc tin cậy, ổn định, đơn giản. Đối với truyền động điện cho các cơ cấu di chuyển của cần trục phải đảm bảo khởi động ở chế độ toàn tải, đặc biệt mùa đông khi môi trờng làm việc làm tăng mômen ma sát ở các ổ đỡ do đó làm tăng đáng kể mômen cản tĩnh M c . Trong các hệ truyền động các cơ cấu của cần trục yêu cầu quá trình tăng tốc và giảm tốc xảy ra phải êm, đặc biệt với các cần trục nâng vận chuyển container. Bởi vậy mômen động trong quá trình quá độ phải đợc hạn chế theo yêu cầu kỹ thuật an toàn. Năng suất của cần trục đợc quyết định bởi 2 yếu tố là tải trọng của thiết bị và số chu kỳ bốc xếp trong một giờ. Chơng 2 4 Cơ sở tính toán và xây dựng mô hình toán cho cơ cấu nâng hạ cần 2.1. Cơ sở tính toán 2.1.1. Tính toán tĩnh và động cho các cơ cấu Mỗi cơ cấu của cần trục, không phụ thuộc vào chức năng của nó, đều đ- ợc cấu thành từ 4 phần tử: Bộ phận chấp hành, bộ truyền, hệ số truyền động và phanh và đều làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại. Vì vậy mặc dù có cấu trúc và chức năng khác nhau nhng tất cả các cơ cấu đó đều có nhiều điểm chung theo sơ đồ nguyên lý động học cũng nh theo phơng pháp tính toán. Trong các cần trục quay sự thay đổi tầm với nghĩa là thay đổi khoảng cách từ trục thẳng đứng của tháp cần trục tới đờng thẳng đứng qua tim móc nâng hạ hàng. Việc thay đổi tầm với thờng đợc thực hiện bằng hai phơng pháp: - 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. - Thay đổi tầm với bằng cách nâng hạ cần dùng cáp trên palăng đặt cố định ở đầu cần. Để đa ra phơng pháp tính chung cho tất cả các cơ cấu của cần trục ta coi khâu cuối của cơ cấu nâng hạ là tang trống có đờng kính là D , cáp quấn trên đó với lực căng S , Cơ cấu di chuyển có khâu cuối là bánh xe có đờng kính D k và lực cản trên nó là W n , Cơ cấu quay có khâu cuối là bánh răng lớn truyền động với mômen cản là M bp . Cơ cấu nâng hạ cần ( cơ cấu thay đổi tầm với) có khâu cuối là trống tời thay đổi tầm với có đờng kính c D , lực căng của cơ cấu nâng cần tác động là c S và lực căng cáp trên tang kéo là T S . Mômen cản tĩnh đợc xác định cho các cơ cấu nh sau: - Khi thay đổi độ nghiêng của cần 2 C C C D SM = - Khi di chuyển xe tời theo cần 2 T T C D SM = Nếu gọi n c (Vg/ph) là tốc độ quay cuả khâu cuối, hiệu suất cuả bộ truyền là MeX thì công suất truyền động của động cơ là : MeX C nM N = 975 Trong đó: M c : Mômen ( KGm) n : Tốc độ quay của động cơ ( Vòng/m) Tỉ số truyền của hệ thống giữa động cơ và khâu cuối là : 5 c dc n n i = Tỉ số truyền bằng tích các tỉ số truyền thành phần : i = i 1 i 2 i 3 .i T-1 i T Nếu hệ thống có nhiều trục truyền động thì xác định mômen cho từng trục nh sau : 11 1 i M M c dc = ; 2211 2 ii M M c dc = Trong đó : T .,, 321 : Hiệu suất của từng cơ cấu truyền . Tốc độ các trục đợc xác định nh sau : 2122 11 iininn i*nn c*c c == = Mômen hãm trên các trục nhỏ hơn mômen chuyển động vì có sự cản trở chuyển động của các cơ cấu . Khi đó mômen hãm tính theo : 21 21 2 21 2 1 11 1 ii M i M M ; i M M MM c T T T MeXc T == = = đồng thời chúng ta có: 2 MeX dc T M M = Hiệu suất của bộ truyền: . MeX 321 = Hiệu suất các thành phần của các cơ cấu có thể chọn từ 0,93 0,95 . Tổn hao ma sát P TP khi cơ cấu làm việc có thể phân thành hai thành phần : Một thành phần không đổi P n mp và thành phần thay đổi tỷ lệ với tải P H mp ta có : H mp n mpTP PPP += Nếu trong trờng hợp phụ tải nhỏ có thể coi : n mpTP PP Nếu trong trờng hợp phụ tải lớn có thể coi : H mpTP PP Nếu trọng tải nâng là P G thì trọng tải toàn phần là P S = P G + P mp thì hiệu suất nâng tải đợc tính : mpG G PP P + = Chúng ta có thể xác định tổn hao ma sát qua hiệu suất khi nâng: 6 )(PPP GGmp 1 11 = = Hiệu xuất khi hạ hàng : 1 21 1 11 === = )( P P P P P PP G G G mp G mpG ' Nhìn chung hiệu suất khi nâng và hiệu suất khi hạ chỉ khác nhau nhiều khi hiệu suất thấp . Đối với các cơ cấu nâng hạ hiệu suất của bộ truyền cơ khí khi hạ nhỏ hơn hiệu suất khi nâng ( < ) . Khi hiệu suất nâng <0,5 cơ cấu trở lên tự phanh và giá trị của phụ thuộc vào giá trị của tải trọng . Hệ số đặc trng cho mức độ nạp tải : K = HOM G G P P Trong đó : P G HOM : Tải định mức Và ta có : P G = K* P G HOM Và tổn hao ma sát đợc xác định nh sau : P mp = P mp n + P mp H P mp = aP G HOM + bKP G HOM Trong đó b, K là các hệ số không đổi Khi nâng : K a b bKaK K bKPaPKP KP PP P HOM G HOM G HOM G HOM G mpG G ++ = ++ = ++ = + = 1 1 Khi hạ : K a b KP bKPaPKP PP P HOM G HOM G HOM G HOM G mpG G = = + = 1 Khi tải trọng là định mức HOM = ; K=1 Thì khi đó ta có : ba HOM ++1 1 = ( Khi nâng ) ba ' = 1 ( Khi hạ) Vì vậy khi tính cho tải trọng bất kì có thể tính theo tải trọng định mức Khi nâng : HOMHOM K a b ba = ++1 ++1 = 7 Khi hạ : ' HOM ' HOM ab b K a = = - 1 1 Việc tính toán chế độ tĩnh động của cơ cấu nâng hạ cần nói riêng và các cơ cấu khác nói chung đợc sử dụng khi phân tích chuyển động của các phần tử trong cơ cấu cũng nh để xác định tải của chế độ xác lập khi vận tốc của các thành của cơ cấu không đổi 2.1.2. Các phơng trình chuyển động tổng quát của cơ cấu Trong quá trình chuyển động cha ổn định của hệ thống cần cung cấp năng lợng trong giai đoạn gia tốc và tiêu tán năng lợng trong quá trình hãm ( Năng lợng này bằng công của các lực quán tính của tất cả các phần tử chuyển động ). Độ dài chu kì chuyển động không ổn định là hàm số của momen d của động cơ hoặc của bộ phanh Đối với chu kì gia tốc momen d là hiệu số giữa momen d của động cơ trong thời gian này với momen cản tĩnh quy về trục động cơ còn đối với chu kì hãm là tổng của momen hãm với momen cản tĩnh quy về trục động cơ . Nh vậy momen d theo giá trị tuyệt đối bằng momen của các lực quán tính do vậy ta có các phơng trình sau : qthC qtCd MMM MMM =+ += Trong đó : M C : là Momen cản tĩnh M h : là Momen hãm động M qt : là Momen quán tính Với Momen quán tính có thể đợc tính nh sau : 2 2 0 dt d JM qt = Nên phơng trình tổng quát trong quá trình gia tốc đợc tính nh sau : M d = M c + M qt = M c + 2 2 0 dt d J Tơng tự trong quá trình hãm : M H = M c - M qt = M c - 2 2 0 dt d J : là góc quay của trục ( đo bằng Radian ) trong giai đoạn chuyển động không ổn định Khi lấy tích phân phơng trình chuyển động của hệ có thể xác định đợc đờng đi và tốc độ của vật thể trong thời gian chuyển động không ổn định cũng nh chiều dài của khoảng thời gian này . Để lấy đợc tích phân cần biết đựoc luật thay đổi của gia tốc hoặc luật thay đổi của momen d của động cơ hoặc cảu 8 phanh ( trong chế độ hãm ) . Do đó có thể coi momen d là đại lợng tuyến tính đựơc biểu diễn bằng phơng trình : ( ) '+= " du du K dudu MM t t MM - Trong đó : t : Thời điểm tính t K : Thời gian chuyển động không xác lập t K = t kd hoặc t K = t Ham M du và M du là momen d ban đầu và momen d ở thời điểm cuối của chuyển động . Dấu + ứng với quá trình khởi động Dấu - ứng với quá trình hãm . Trong quá trình hãm đặc tính tăng momen hãm phụ thuộc vào kết cấu của cơ cấu hãm và luật điều khiển của quá trình hãm : Phơng trình chuyển động trong các trờng hợp nh sau : Đối với quá trình hãm : 00 2 2 - j MM * t t j M dt d d ' kd d " kd kd d kd kd += Đối với quá trình khởi động : 00 2 2 - j MM * t t j M dt d d ' H d " H H d H h = 2.1.3. Sự phụ thuộc giữa momen động với thời gian quá trình khởi động 9 Giải các phơng trình chuyển động tổng quát cho phép ta xác định đợc sự phụ thuộc giữa momen động trong giai đoạn quá độ với thời gian quá độ . Khi đó giá trị của momen cản tĩnh đợc xác định theo các biểu thức sau : Đối với cơ cấu nâng : M C = M G + M MS Đối với cơ cấu di chuyển : M C = M KP + M CT + M MS Trong đó : M C : Momen cản tĩnh M G : Momen do lực trọng trờng của hàng hoá gây ra M MS : Momen ma sát trong cơ cấu . M KP : Momen do lực trọng trờng khi chuyển động tịnh tiến hay quay gây ra . Momen cản tĩnh có thể đợc tính thông qua lực P X và bán kính điểm đặt lực r X . M CX = P X r X Trong đó : X X X X X n V., n V. r 559 2 60 = = Vậy ta có : X XX X X XCX n V.P., n V. .PM 559 2 60 = = Trong thời gian chuyển động cha ổn định trên toàn bộ cấu trúc động học của các cơ cấu , tác động của momen đựơc xác định theo phơng trình chuyển động tổng quát và tăng hơn momen cản tĩnh một giá trị M D .Do vậy sẽ gây ra áp lực lớn trong các cơ cấu , đồng thời tạo ra sự mài mòn lớn hơn rất nhiều so với thời gian làm việc ổn định . Sự quá tải của cơ cấu là do momen d khác nhau .Ngoài ra sự quá tải càng lớn thì bội số cuẩ momen khởi động càng lớn và hệ số tải của động cơ càng nhỏ 2.2. Xây dựng mô hình toán cho cơ cấu nâng hạ cần 2.2.1. Xây dựng mô hình toán cho các động cơ chính cơ cấu nâng hạ cần. Trong các hệ thống cần cẩu nói chung , động cơ không đồng bộ roto dây quấn là loại động cơ đợc sử dụng nhiều nhất và phổ biến nhất . Việc đi xây dựng mô hình toán cho các động cơ này sẽ giúp ta thấy đợc những u điểm nổi bật của nó : 10 . về cơ cấu nâng hạ cần cho cần trục - Chơng 2: Xây dựng mô hình toán cho cơ cấu nâng hạ cần - Chơng 3: Thiết lập chơng trình tính toán phụ tải động cho cơ. 4 Cơ sở tính toán và xây dựng mô hình toán cho cơ cấu nâng hạ cần 2.1. Cơ sở tính toán 2.1.1. Tính toán tĩnh và động cho các cơ cấu Mỗi cơ cấu của cần