nghiên cứu tổng quan về cơ cấu nâng hạ cầu trục giàn bốc xếp container. thiết kế hệ truyền động điện dùng biến tần pwm cho cơ cấu nâng hạ hàng

Chương 1: Tổng quan về cầu trục 31.3 Khái quát chung về hệ thống điều khiển truyền động điện cho Chương 2: Tổng quan về trang bị điện - điện tử cho cơ cấu nâng 2.1 Các hệ truyền động điệ

LỜI NÓI ĐẦU

Trong công cuộc xây dựng chủ nghĩa xã hội, từng bước công nghiệp hoá

-hiện đại hoá đất nước, nước ta đã thu được những thành tựu to lớn về kinh tế, xã

hội Gắn liền với sự phát triển kinh tế là sự phát triển liên tục của giao thông vận

tải nói chung và vận tải thuỷ nói riêng Trong sự phát triển đó, các hải cảng đóng

vai trò rất quan trọng

Trong các hình thức vận tải thì hình thức vận chuyển hàng hoá bằng container

là một hình thức vận chuyển tiên tiến, được áp dụng rộng rãi trên thế giới

Với tầm quan trọng như vậy, việc tìm hiệu nắm vững nguyên tắc hoạt động

cũng như quy trình vận hành cầu giàn container là một nhiệm vụ rất quan trọng

đối với những cán bộ quản lí, phụ trách kĩ thuật, từ đó có thể đưa ra các phương

án khai thác, bảo dưỡng hợp lí các thiết bị trong hệ thống

Trong quá trình học tập môn trang bị điện em đã được giao đề tài thiết kế môn

học: “Nghiên cứu tổng quan về cơ cấu nâng hạ cầu trục giàn bốc xếp container

Thiết kế hệ truyền động điện dùng biến tần PWM cho cơ cấu nâng hạ hàng ”

Được sự hướng dẫn tận tình của thầy Hoàng Xuân Bình và các thầy cô giáo

trong khoa cùng sự giúp đỡ của các bạn, em đã hoàn thành bản thiết kế này

Trong quá trình làm đồ án, mặc dù đã rất cố gắng nhưng do khả năng có hạn nên

bản thiết kế không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự

chỉ bảo đóng góp của các thầy, cô giáo và các bạn để bản thiết kế được hoàn

thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hải Phòng, ngày 10 tháng 5 năm 2010 Sinh viên thực hiện

Phạm Quang minh

Môc lôc

Trang

Chương 1: Tổng quan về cầu trục 3

1.3 Khái quát chung về hệ thống điều khiển truyền động điện cho

Chương 2: Tổng quan về trang bị điện - điện tử cho cơ cấu nâng

2.1 Các hệ truyền động điện cho cầu trục 62.2 đặc điểm và yêu càu công nghệ của cơ cấu nâng hạ cần trục 132.3 xây dựng các công thức cần thiết cho tính toán cơ cấu nâng 162.4 thiết kế hệ truyền động điện dung biến tần PWM cho cơ cấu

Chương 3: Thiết kế điều khiển cho cơ cấu nâng hạ cầu trục giàn

3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ không đồng bộ roto

dây quấn , là động cơ nâng hạ chính trong cơ cấu 293.2 Mô hình mô phỏng hệ thống cơ cấu nâng hạ 30

3.4 Đặc tính mômen và tốc độ động cơ truyền động chính 31 3.5 Đặc tính mômen phụ tải động khi nâng

3.6 Đặc tính mômen phụ tải động khi hạ 33

3.7 Mô hình mômen cản khi nâng hạ với Q1=10T, Q2=20T,

Q3=40T

3.8 Đặc tính mômen cản khi nâng và hạ 43

Chương 1: Tổng quan về cơ cấu nâng hạ cầu trục giàn bốc xếp

container

1.1 Giới thiệu chung về cầu trục

Cầu trục và cần trục làm nhiệm vụ chuyển dịch hàng hoá,vật tư,thiết bị từ chỗnày sang chỗ khác Thí dụ trong xây dựng công trình công nghiệp cầu trục nângcác thiết bị công nghệ từ mặt đất lên cao để lắp đặt dây chuyền sản xuất Trongnhà máy luyện kim cầu trục vận chuyển cuộn thép, phôi thép hoặc các thùngnóng chảy để vào khuôn đúc Trong các nhà máy cơ khí cầu trục vận chuyểncác phôi gia công để gá lắp lên máy hay vận chuyển các chi tiết được gia côngxong đưa sang công đoạn khác Trong cảng biển cầu trục bốc dỡ hàng từ trên tàuxuống kho bãi hay vận chuyển hàng hoá xuất khẩu từ kho bãi xuống tầu, vậnchuyển các container, các máy móc xuất nhập khẩu qua đường biển.Như vậycầu trục và cần trục giúp cho con người cơ khí hoá, tự động hoá bốc xếp làmgiảm sức lao động, tăng năng suất và chất lượng.

Điều này cho thấy trong bất kì lĩnh vực sản xuất nào cũng có sự tham gia cầutrục và cần trục.Vì tính đa dạng của nó nên cấu tạo của cần trục và cầu trục cũngrất khác nhau.Tuy nhiên chúng có đặc điểm và các cơ cấu chung thí dụ : cầu trục

có ba cơ cấu chính:cơ cấu nâng hạ, cơ cấu dịch chuyển dọc, cơ cấu dịch chuyểnngang và một số cơ cấu phụ để lấy và giữ hàng

1.2 Phân loại cầu trục

1.2.1 Phân loại theo cấu trúc điều khiển

a Điều khiển cơ cấu chính bằng các côngtắctơ, rơle, động cơ 1 chiều

b Điều khiển cơ cấu chính bằng các côngtắctơ, rơle, động cơ không đồng

bộ rôto lồng sóc

c Điều khiển cơ cấu chính bằng các côngtắctơ, rơle, 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 tảiđộng

1.2.2 Phân loại theo trọng tải nâng chuyển hàng hoá

a Cầu trục có tải trọng nhỏ: Trọng tải nâng chuyển từ 1-5 tấn

b Cầu trục có tải trọng trung bình: Trọng tải nâng chuyển từ 10-30 tấn

c Cầu trục có tải trọng lớn: Trọng tải nâng chuyển từ 30-60 tấn

d Cầu trục có tải trọng rất lớn: Trọng tải nâng chuyển từ 80-1200 tấn

1.2.3 Phân loại theo đặc điểm công tác

a) Cầu trục trang bị cho kho bãi và nhà xưởng

Cầu trục chạy trên ray trang bị cho kho hàng, các phân xưởng cơ khí.Cầu trụcnày có các cơ cấu điều khiển chuyển động chính: cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu dichuyển xe con,cơ cấu di chuyển giàn các cầu trục này thường được thiết kế điềukhiển tại chỗ và từ xa

b) Cầu trục khung dầm hộp chạy trên đường ray

Cầu trục khung dầm thép dạng hộp chạy trên đường ray được trang bị chocảng biển, các nhà máy đóng tàu biển Loại này thường được thiết kế có trọngtải nâng lớn, làm việc trong phạm vi quy định Gồm 3 cơ cấu điều khiển chuyểnđộng: cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu di chuyển xe con, cơ cấu di chuyển giàn c) Cầu trục bốc xếp container

Cầu trục giàn bánh lốp xếp container có các cơ cấu điều khiển chuyển độngchính là: 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 diezen lai máy phát điện đồng

bộ Đặc điểm làm việc của cầu trục giàn bánh lốp là tính cơ động, năng suất cao.d) Cầu trục chạy trên đường ray bốc xếp container có các cơ cấu điều khiểnchuyển động chính là: cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu di chuyển xe con, cơ cấu dichuyển giàn và cơ cấu nâng hạ giàn (nâng hạ côngson) Đặc điểm công tác nổibật của loại này là có tầm với và trọng tải nâng lớn,năng suất bốc xếp rất cao,được trang bị cho các cầu cảng chuyên dụng bốc xếp container

1.3 Cấu tạo cầu trục

Hình 1.1: Cấu tạo cầu trục.

Cấu tạo đơn giản của một cầu trục gồm: Palăng, móc treo tải, dầm trục chính, đường ray, bảng điều khiển, ray chạy dọc

Cầu trục gồm có 3 bộ phận chính:

- Xe cầu: Gồm dầm chính và khung giàn chính được chế tạo 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 ngang tạo thành khung chữ nhật trong mặt phẳng ngang Các bánh xe của các cầu trục được thiết kế trên các dầm ngang của khung chữ nhật tạo điều kiện cho cầu trục chạy dọc suất nhà xưởng

- Xe con: Trên xe con đặt cơ cấu nâng và cơ cấu di chuyển xe con Tùy theo công dụng của cầu trục mà trên xe con có một hoạc hai cơ cấu nâng Xe con có thể di chuyển dọc trên xe cầu tạo điều kiện cho cầu trục có thể di chuyểnđược trong suất chiều ngang phân xưởng

- Cơ cấu nâng hạ: Thường có tang cắt thành rãnh xoắn hai chiều để cuộn cáp nâng và hạ Cuối hai đầu cáp thường mắc palăng để đảm bảo nâng hạ trọng tải theo phương thẳng đứng Toán bộ cơ cấu tang, hộp biến tốc, động cơ được đặt trên xe con

- Cơ cấu phanh hãm:

Hình 1.2: Cơ cấu phanh hãm

Phanh hãm là bộ phận không thể thiếu trong cơ cấu chính của cầu trục Phanh dùng trong cầu trục có ba loại: Phanh gốc, phanh đĩa và phanh đai

Nguyên lí hoạt động của ba loại phanh này tương đối giống nhau Phanh đai được mô tả như sau:

- Chuyển động dọc theo phân xưởng là chuyển động của xe cầu

- Chuyển động ngang theo phân xưởng là hệ thống chuyển động đặt trên

xe con

1.4 Những đặc điểm cơ bản của hệ truyền động điện cầu trục và cần trục

Phần lớn các cơ cấu của cần trục và cầu trục được truyền động bởi cácđộng cơ điện, cung cấp điện cho hệ thống có ba dạng:

- Cung cấp điện từ lưới qua các thanh góp điện cố định, loại này thườngdùng đối với cầu trục và cần trục phân xưởng

- Cung cấp điện từ lưới qua các cuộn cáp điện, loại này thường dùng vớicầu trục và cần trục di chuyển đường ray trên mặt đất

- Cung cấp điện từ máy phát diezen thường dùng cho loại cầu trục diđộng trên ôtô.

Môi trường làm việc

Phần lớn môi trường làm việc của cần trục rất khắc nghiệt Thí dụ trongcác nhà máy cơ khí luyện kim môi trường làm việc việc cầu trục nóng ẩm nhiềubụi Trên cảng biển cầu trục phải làm việc ngoài trời Chế độ làm việc cầu trục

là chế độ ngắn hạn lặp lại, khởi động hãm thường xuyên

Yêu cầu về điều khiển

- Tất cả chuyển động cho cơ cấu đều phải điều chỉnh tốc độ, lực và giatốc Hàng hóa được dịch chuyển theo quỹ đạo trong không gian, cho nênthường phải phối hợp hai hoặc ba truyền động một lúc

- Chuyển dịch hàng hóa không gây va đập và không dao động quá mức,phụ tải vượt số truyền động, mômen quán tính thay đổi do thay đổi tầmvới và góc nâng cầu Điều này dẫn đến cần cảnh báo khi tầm với xa và gócnâng lớn Sự biến đổi phụ tải gây nên tác động kênh giữa các cơ cấu nhưnâng hạ quay cần và thay đổi tầm với

Yêu cầu về phụ tải

Đối với cơ cấu nâng hạ: Mômen không tải khi nâng móc cẩu Mco 20%) Mđm còn khi gầu ngoạm Mco cỡ +50% Mđm Khi hạ tải do tác động của lực

(15-ma sát nên phụ tải sẽ biến đổi từ -(15-20%) đến +80% Mđm

Đối với cơ cấu dịch chuyển , do mô men cản tĩnh và tự trọng lượng gâynên, vì vậy mô men cản không tải là:

Mc0 = (30-50%) Mđm đối với xe con

Mc0 = (50-55%) Mđm đối với xe cầu

Đối với truyền động điện cho các cơ cấu di chuyển của cầu trục, cần trụcphải đảm bảo khởi động động cơ ở chế độ toàn tải Đặc biệt mùa đông khi môitrường làm tăng tính mô men ma sát trong các ổ đỡ dẫn đến làm tăng đáng kể

mô men cản tĩnh Mc0. Trên hình 1.14, biểu diễn mối quan hệ phụ thuộc giữa mômen cản tĩnh và tốc độ động cơ: Mc = f(ω).)

Trên đồ thị ta thấy khi ω) = 0 thì Mc lớn hơn 2 ÷ 2,5 lần ứng với tốc độđịnh mức.

Đối với các động cơ truyền động cho các cơ cấu nâng hạ hàng mô menthay đổi theo tải rất rõ rệt Khi không có tải trọng (khi không tải), mô men động

cơ không vượt quá (15-20%) Mđm, đối với cơ cấu nâng của cần trục gầu ngoạmđạt tới 50% Mđm,đối với cơ cấu di chuyển xe con bằng (30-50%) Mđm, đối với

cơ cấu di chuyển xe cầu bằng (50-55%) Mđm

Trong các hệ truyền động của cần trục cầu trục, yêu cầu quá trình tăngtốc và giảm tốc xảy ra phải êm, đặc biệt là đối với các cầu trục cần trục thiết kếcho nâng chuyển container và bốc xếp hàng hóa, lắp ráp thiết bị máy móc Bởivậy mô men động trong quá trình quá độ phải được hạn chế theo yêu cầu kỹthuật an toàn

Năng suất của cần trục cầu trục được quyết định bởi hai yếu tố: Tải trọngcủa thiết bị và chu kỳ bốc xếp trong một giờ Thường số lượng hàng hóa bốcxếp trong một chu kỳ không như nhau và nhỏ hơn trọng tải định mức, cho nênphụ tải của động cơ chỉ đạt (60-70) % công suất định mức của động cơ

Do điều kiện làm việc của cần trục cầu trục hết sức nặng nề, thường xuyênlàm việc trong chế độ quá tải vì vậy cần trục cầu trục được chế tạo có độ bền và

hệ số dự trữ của các cơ cấu cơ khí lớn để chịu quá tải

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHO CƠ CẤU

NÂNG HẠ CẦU TRỤC 2.1 Các hệ truyền động điện cho cầu trục

Trên cầu trục bao gồm có 3 cơ cấu chính truyền động độc lập với nhau Khikết hợp điều khiển 3 cơ cấu này hoạt động hoặc điều khiển hoạt động riêng rẽtừng cơ cấu sẽ đạt được quỹ đạo bốc xếp hàng hóa theo mong muốn

Các cơ cấu của cầu trục bao gồm :

1 Truyền động cho cơ cấu nâng hạ hàng

2 Truyền động cho cơ cấu di chuyển xe con

3 Truyền động cho cơ cấu di chuyển giàn

Điều khiển chuyển động cho các cơ cấu này có thể được thực hiện là các hệtruyền động điện hoặc truyền động điên - thủy lực

Tuy nhiên các hệ truyền động điện thuần tuý khi sử dụng động cơ truyền độnglà: các động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc hoặc dây quấn

sẽ cho đặc tính điều chỉnh tốt nhất Chúng ta sẽ phân tích các hệ truyền độngđiện dùng cho cầu trục

Cấu trúc của hệ thống điện dùng cho cầu trục được đưa ra với hai dạng phổbiến trình bày trên hình 2.1 Trên hình 2.1a, bao gồm các phần tử chính của hệthống động lực:

1 Động cơ điện truyền động cho các cơ cấu

2 Phanh hãm điện từ

3 Bộ truyền cơ khí

4 Có thể là trống tời quấn cáp của cơ cấu nâng hạ hàng

5 Phanh hãm an toàn cho cơ cấu nâng hạ hàng

Với cấu trúc như trên hình 2.1a, động cơ thực hiện có thể là động cơ mộtchiều điều chỉnh tốc độ bằng điện trở phụ trong mạch phần ứng và mạch kích từ.Cần chú ý rằng cuộn kích từ nối tiếp được sử dụng để hỗ trợ mômen của động

cơ trong điều khiển ở chiều nâng hạ là khác nhau.Việc đổi chiều quay của động

cơ điện một chiều được thay đổi chủ yếu bằng cách thay đổi chiều điện áp phầnứng Hệ thống cấp nguồn của động cơ một chiều có thể là máy phát điện mộtchiều có nhiều mạch phần ứng ( hệ F- Đ) hoặc bộ biến đổi tiristor - động cơ điệnmột chiều ( T-Đ).Với cấu trúc trên hình 2.1a , động cơ thực hiện là động cơkhông đồng bộ rôto lồng sóc loại có nhiều cuộn dây quấn trên stato, các tốc độkhác nhau đuợc tạo ra bằng cách đổi nối các cuộn dây hoặc thay dổi điện áp, tần

số nguồn cung cấp cho cuộn dây stato Việc đổi chiều quay cho các động cơxoay chiều không đồng bộ thường thực hiện bằng phương pháp đổi thứ tự phađiện áp nguồn cung cấp

Ưu điểm cơ bản của hệ truyền động điện trên hình 2.1a: Kết cấu hệ thống dơngiản thường xây dựng theo nguyên tắc dùng tay điều khiển kết hợp với trạm từ.Đồng thời dạng này cũng cho phép phạm vi điều chỉnh tốc độ rất lớn, đầu tư banđầu thấp

Nhược điểm của hệ thống là độ trơn điều chỉnh không cao, có thể gây nên lựcgiật trong quá trình làm việc của cầu trục.Vì vậy bền vững không cao và chỉ ứngdụng cho các cầu trục khi yêu cầu đặc tính công nghệ nâng chuyển không cao

Để khắc phục các nhược điểm trên trong các hệ thống điều khiển chuyểnđộng cho các cơ cấu, ngày nay đã ứng dụng các hệ thống truyền động điện hiệnđại sử dụng bộ biến tần - động cơ không đồng bộ với thiết bị điều khiển PLC.Dạng hệ thống này cho kết quả tốt về điều chỉnh tốc độ, tính linh hoạt trong điềukhiển và giám sát, cũng như hiệu quả kinh tế cao

Trên hình 2.1b biểu diễn dạng cấu trúc động lực của hệ thống truyền độngđiện đã được ứng dụng cho mhiều loại cần trục và cầu trục

Trong hệ thống bao gồm:

1 Động cơ truyền động

2 Phanh điện từ hãm dừng

5

5 4 3

2 1

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động điện cho cầu trụcĐặc điểm cơ bản của hệ thống ở hình 2.1 là ở chỗ cấu phanh hãm điều chỉnhtốc độ 4 có thể điều chỉnh được mômen hãm theo yêu cầu và kết hợp với đặctính của động cơ điện để cho ra được đặc tính của hệ thống thoả mãn được côngnghệ nâng vận chuyển cho các loại cầu trục Đặc biệt thích hợp với cầu trụcdùng trong công nghệ lắp máy, xây dựng và các cầu trục để bốc xếp container ởcác biển Dạng hệ thống trên hình 2.1b thường được ứng dụng cho các hệ thống

có phạm vi công suất lớn sử dụng động cơ một chiều, động cơ không đồng bộrôto dây quấn

Ưu điểm của hệ thống trên hình 2.1b là có đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt , độtrơn điều chỉnh sâu cả hai phía nâng hạ, trái phải

Nhược điểm của hệ là : Hệ thống điều khiển thường phức tạp và là hệ kín, giáthành tổng thể cao hiệu suất vùng điều chỉnh thấp

Cấu trúc hệ điều khiển cho các hệ truyền động điện biểu diễn trên hình 2.1 cóthể được xây dựng trên nguyên tắc hệ hở hoặc hệ kín điều chỉnh tốc độ

Sơ đồ cấu trúc điều khiển độc lập hệ thống truyền động điện điều khiểnchuyển động cho các cơ cấu của cầu trục được trình bày trên hình 2.2

Hình 2.2 Cấu trúc điều khiển cho từng cơ cấu dùng PLC - bộ biến tần - động

cơ không đồng bộ cho cầu trục

Chức năng cơ bản của các khâu như sau:

- Tay điều khiển: Tạo ra tín hiệu điều khiển hệ thống tương ứng với 3 trạngthái của tay điều khiển.Vị trí “0” hệ thống sẵn sàng hoạt động; Khi tay điềukhiển được dịc chuyển về phía”UP- DOWN” đối với các cơ cấu nâng hạ hàng;

về phía” L- P” đối với cơ cấu di chuyển giàn và xe con, cơ cấu di chuyển tayđiều khiển tạo ra tín hiệu chọn chiều cho hệ thống bằng cảm biến vị trí liên độngvới tay điều khiển Đồng thời tay điều khiển được nối liên động với trục củaencoder sử dụng các tín hiệu dạng số điều khiển giá trị tốc độ quay của động cơ.Thông thường các Encoder sử dụng hiện nay tạo ra tín hiệu điều khiển 8 bít.Như vậy tay điều khiển sẽ tạo ra 10 bit tín hiệu điều khiển (2 bit chiều và 8 bittốc độ)

- Bộ mã hoá: Bộ mã hóa tín hiệu vị trí tay điều khiển nhằm nâng cao côngsuất tín hiệu điều khiển, tăng khả năng chống nhiễu, truyền tín hiệu đi xa

- Bộ điều khiển PLC: Bao gồm CPU, các modul đầu vào DI, và các modulđầu ra DO kết nối cới các hệ thống điều khiển Để đảm bảo tính tác động nhanhcho hệ thống PLC biến đổi tín hiệu từ tay điều khiển dạng digital thành tín hiệu

analog điều khiển biến tần Đông thời thông qua PLC cung cấp thông tin giámsát sự hoạt động của toàn bộ hệ thống.

- Thiết bị đóng cắt: Các công tắc tơ MC dùng để đóng cắt nguồn cung cấp cho

bộ biến tần, động cơ không đồng bộ và các thiết bị thực hiện khác

- Bộ biến đổi: Bộ biến tần dùng để đièu khiển điện áp, tần số cấp cho động cơtheo luật điều khiển được thiết kế và lưu dữ trong CPU của biến tần, đồng thờithông qua biến tần có thể quan sát và đặt thông số bảo vệ động cơ

- Động cơ điện: Động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc dùng để truyền độngcho hệ thống

- Thiết bị quan sát: Máy phat tốc độ PG là thiết bị đo tốc độ động cơ cho tínhiệu dạng xung

- Máy tính kết nối hệ thống: Chức năng chính của PC là để điều khiển vàgiám sát hệ thống

Các hệ thống điều khiển trên hình 2.2 có nhiều ưu điểm như tạo ra nhiều cấptốc độ Vì vậy hệ thống hoạt động êm, độ giật nhỏ, khả năng tự động hóa chotừng cầu trục cũng như toàn bộ hệ thống điều khiển khu vực cảng trong khu vựcbốc xếp hàng hoá Dạng hệ thống này ngày càng được ứng dụng rộng rãi cho hệthống điều khiển cầu trục

*Nhận xét:

Sự phát triển kinh tế của mỗi nước phụ thuộc rất nhiều vào mức độ cơ giớihoá, tự động hoá Qua việc xem xét các hệ thống điều khiển trên thì chúng ta đãthấy rõ được các ưu điểm và nhược điểm của từng hệ thống điều khiển truyềnđộng

+Ưu điểm chung là: Tạo ra nhiều cấp tốc độ, hệ thống hoạt động êm, độ giậtnhỏ

+Nhược điểm chính là: chưa đề cập đến vẫn đề tự động hoá , tức là các hệthống phải điều khiển trực tiếp bằng tay

2.2 Đặc điểm và yêu cầu công nghệ của cơ cấu nâng hạ cầu trục

2.2.1 Đặc điểm công nghệ

Các động cơ truyền động cho cơ cấu nâng hạ đều làm việc ở chế độ ngắn hạnlặp lại Số lần đóng cắt điện lớn, điều kiện môi trường nặng nề, đặc biệt là cầutrục ngoài trời, hải cảng trên mặt nước, ở các nhà máy hoá chất và luyện kim Các thiết bị điện cầu trục phải đảm bảo yêu cầu năng suất, an toàn và đơn giảnđảm bảo yêu cầu về năng suất an toàn và đơn giản trong các thao thác.

Các động cơ chuyển động phải có khả năng đảo chiều quay, phạm vi điều chỉnhtốc độ rộng và có các đặc tính cơ bản thoả mãn yêu cầu công nghệ VD: Cáccầu trục lắp ráp phải thoả mãn yêu cầu về dờng chính xác nên đòi hỏi các đườngđặc tính cơ cứng có đường đặc tính cơ thấp có nhiều đường đặc tính trung gian

để mở và hãm êm Việc điều chỉnh tốc độ các cơ cấu đều thực hiện bằng phươngpháp điện

Các bộ phận chuyển động phải có phanh hãm điện điện từ để giữ chặt các trụcchuyển động khi động cơ mất điện ở các cầu trục di chuyển kim loại nóng chảy

để an toàn người ta dùng phanh hãm điện từ trên trục động cơ

Mạng điện cung cấp cho trục không vượt quá 500V Mạng điện xoay chiều:220V, 380V, mạng điện một chiều là 220V, 440V Điện áp chiếu sáng khôngvượt quá 220V, điện áp sửa chữa phải nhỏ hơn 36V Không được dùng máy biến

áp tự ngẫu để cung cấp điện cho mạch chiếu sáng và sửa chữa

Các mạch điện và các động cơ phải được bảo vệ ngắn mạch và quá tải trên200% bằng rơ le dòng điện cực đại Không dùng rơle nhiệt vì các động cơ làmviệc ở chế độ ngắn hạn lặp lại Trong việc không chế phải bố trí khâu bảo vệkhông để động cơ tự khởi động khi điện áp lưới tợ phục hồi

Để đảm cho người và thiết bị vận hành trong sơ đồ khống chế phải có công tắchành trình để hạn chế chuyển động của cơ cấu khi chúng đi lên vị trí giới hạn( Đối với cơ cấu nâng chỉ hạn chế hành trình nâng mà không cần hạn chế hànhtrình hạ )

Gia tốc của cầu trục là một thông số hết sực quan trọng Hầu hết cầu trục cóhạn chế gia tốc ở bộ phận nâng hạ cầu trục có yêu cầu hạn chế gia tốc ở bộphận nâng hạ cầu trục gia tốc cho phép thường được quy định theo khả năng

chịu đựng phụ tải động cơ của cơ cấu VD: đối với cơ cấu nâng hạ cầu trục giatốc phải nhỏ hơn 0,2 để không bị giật đứt dây cáp.

2.2.2 Yêu cầu công nghệ

a Đặc tính tải

Phụ tải của cơ cấu nâng hạ là phụ tải thế năng Động cơ cho truyền động nâng

hạ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại Có đảo chiều

b Yêu cầu về khởi động và hãm truyền động

Đối với truyền động nâng hạ tải gia tốc khởi động nhỏ nhất là tkd 5v (s)

với v - tốc độ nâng tải (m/s)

Thời gian hãm cũng được tính tương tự như trên

Vấn đề tính chọn công suất động cơ

Đảm bảo chiều quay

Khi làm việc với thời gian đóng máy cho trước động cơ không bị đốt nóng quámức

Công suất động cơ cần phải đủ để đảm bảo thời gian khởi động trong quy định Không cho phép tăng công suất động cơ lên quá lớn:

• Tăng công suất lên quá lớn làm cho tăng gia tốc cầu trục (cơ cấu nâng hạ) cóthể dẫn tới tải bị giật mạch và có thể đứt dây treo

• Tăng vốn đầu tư ban đầu

Phải thiết kế để cơ cấu làm việc an toàn ở chế độ nặng nề nhất.

Các thiết bị cầu trục phải đảm bảo làm việc an toàn ở điện áp bằng 85% điện

áp định mức

Khi không có tải trọng (không tải) mô men của động cơ không vượt quá(15÷20)% Mđm, đối với cơ cấu nâng của cầu trục gầu ngoạm đạt tới 50% Mđm,đối với động cơ di chuyển xe con bằng (50÷55)% Mđm

Trên đây là một số những đặc điểm và yêu cầu cơ bản nhất của cơ cấu nâng hạcần trục Quá trình thiết kế sau này sẽ đi sát vào các đặc điểm đó

2.3 Xây dựng các công thức cần thiết cho tính toán cơ cấu nâng

Như đã tìm hiểu ở trên, động cơ truyền động trong cơ cấu nâng làm việc vớiphụ tải ngắn hạn lặp lại, mở máy và hãm máy nhiều Do đó, khi chọn công suấtđộng cơ cần xét đến phụ tải tĩnh và động

Sau đây ta sẽ khảo sát các đặc tính phụ tải khi nâng và hạ tải trọng

2.3.1 Xác định phụ tải tĩnh

Phụ tải tĩnh của cơ cấu nâng chủ yếu do tải trọng của bản thân cơ cấu và vậtnâng gây ra Thường có thể chia làm hai loại cơ cấu: loại có dây cáp một đầu vàloại có dây cáp hai đầu Trong khuôn khổ đồ án này chỉ đề cập tới loại dùng cápmột đầu được sử dụng rộng rãi trong các cần trục, palăng trong các phân xưởnglắp ráp

a Phụ tải tĩnh khi nâng tải

Giả sử có cơ cấu nâng hạ như sau:

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc của cơ cấu nâng hạ

Xét một cơ cấu nâng có palăng với bội số u; hiệu suất p ; bộ truyền trunggian có tỷ số truyền chung là i và hiệu suất o

Khi động cơ quay theo chiều tương ứng, vật được nâng lên với vận tốc vn.Lực căng của các nhánh dây nếu không tính mất mát:

R G G u

D G G D T M



).

(

2

).

( 2

Momen trên trục cuối cùng của bộ truyền trung gian (trục III) là:

t p t

v

u

G G M M

0 2

2

3 2

.

R G G i

M

và momem trên trục I:

2 1 2

1

0 1

1

2 1

.

R G G i

M

Tổng quát:

t p n n

t

i i i u

R G G M

1

0 1





Ta đặt:

i=i1i2in: là tỷ số truyền chung của bộ truyển

=12n: là hiệu suất chung của bộ truyền

c=Pt là hiêu suất chung của cơ cấu

c

t

i u

R G G M



i u

R G G M M



c

n n

n n

v G G M

P





102 60

).

( 1000



 (kW) (2) Trong các công thức (1), (2) thì:

G - trọng lượng của tải trọng (kg)

G0 – trọng lượng bản thân cơ cấu nâng (kg)

Rt – bán kính tang nâng (m)

c – hiệu suất của cơ cấu nâng.

u – bội số của ròng rọc (palăng)

i – Tỉ số truyển chung của cơ cấu truyền trung gian

i u

R G M



v G P



102 60

.

0

0 

b Phụ tải tĩnh khi hạ tải

Có thể có hai trạng thái hạ tải

+ Hạ động lực

+ Hạ hãm

Hạ động lực được dùng khi hạ những tải trọng nhỏ Khi đó momen do tảitrọng sinh ra không đủ để thắng lực ma sát trong cơ cấu Máy điện làm việc ởchế độ động cơ

Hạ hãm được dùng khi hạ những tải trọng lớn Khi đó momen do tải trọng sinh

ra lớn hơn mô men ma sát nên gây ra chuyển động của hệ thống Máy điện phảilàm việc ở chế độ hãm để giữ cho tải trọng rơi với vận tốc ổn định (tức làchuyển động không có gia tốc)

Gọi momen trên trục động cơ do tải trọng sinh ra khi không có mất mát là

momen tải trọng:

i u

R G G

trong đó: Mh – momen trên trục động cơ khi hạ tải

M – mất mát trong cơ cấu truyền

h – hiệu suất của cơ cấu khi hạ tải.

Nếu Mt > M ta có trạng thái hạ ham; còn nếu Mt < M ta có trạng thái hạđộng lực

Nếu coi mất mát trong cơ cấu khi nâng và khi hạ tải là như nhau thì:

) 1

1 ( 

1 2 (

) 1

1

c

t c

t c

t t

h

i u

R G G M

M M



2 



Đối với những tải trọng tương đối lớn (tương ứng với c > 0,5), ta có

h >0, Mh >0 Điều này có nghĩa là momen động cơ ngược chiều với momenphụ tải, động cơ làm việc ở trạng thái hãm (hạ hãm) Khi tải trọng tương đối nhỏ

c <0,5 thì h < 0; Mh <0 Điều này có nghĩa là momen động cơ cùng chiều vớimomen phụ tải để cùng khắc phục lực ma sát trong cơ cấu truyền lực

Từ (6) ta suy ra momen hạ không tải:

) 1 2 (

)

1 2 (

2.3.2 Tổng kết các công thức cần thiết dùng trong tính toán cơ cấu nâng-hạ

Từ phân tích đặc điểm công nghệ của cơ cấu cần trục nâng-hạ, ta nhận thấychu kỳ làm việc của cơ cấu nâng thường bao gồm các giai đoạn: Hạ không tải,nâng tải, hạ tải và nâng không tải Giữa các gia đoạn đó có những thời gian nghỉ.Dựa vào nhiệm vụ cụ thể của cơ cấu mà xác định chu kỳ làm việc Dưới đây xintổng kết lại các công thức cần thiết trong tính toán cơ cấu này

Giai đoạn hạ không tải:

)

1 2 (

Giai đoạn nâng có tải:

c

t n

i

u

R G

v G G P



6120

).

c

t h

i u

R G

M

P   (kW) Giai đoạn nâng không tải:

v G P

 6210

2.4.1 Chọn công suất động cơ

Chọn công suất động cơ phù hợp với yêu cầu truyền động là một khâu quantrọng trong quá trình tiến hành thiết kế hệ thống Việc chọn công suất động cơbao hàm cả việc chọn loại động cơ

bộ không có được, đặc biệt là những yêu cầu rất đặc trưng của một số lĩnh vựctruyền động Trước hết vì nó dùng nguồn một chiều nên nó yêu cầu số lượngthanh trượt ít so với các loại động cơ khác Đối với truyền động nâng, động cơnày đảm bảo được những tốc độ hạ ổn định (hoặc lớn hoặc nhỏ) cho mọi tảitrọng

Tuy nhiên hiện nay, được sự hỗ trợ của các thiết bị công suất, cùng với nhữngđặc điểm như: rẻ, cấu tạo đơn giản, tin cậy, hiệu suất cao thì động cơ khôngđồng bộ đã thay thế hầu hết các loại động cơ điện một chiều trong lĩnh vực này

mà càng có nhiều thiết bị cho phép khắc phục nhược điểm của động cơ khôngđồng bộ, cụ thể là người ta đã tạo ra được tất cả những đặc tính cơ thoả mãn hầuhết quá trình công nghệ khắt khe nhất, đồng thời lại cho phép hạ giá thành vậnhành và lắp đặt Mặt khác, việc dùng động cơ xoay chiều không đồng bộ cũngtiện lợi do việc dùng nguồn xoay chiều 3 pha vốn sẵn có trong công nghiệp.

Từ những lý do trên ta chọn loại động cơ truyền động cho cơ cấu nâng-hạ làloại động cơ không đồng bộ

*Chọn sơ bộ công suất động cơ truyền động

Như đã biết, động cơ muốn kéo được tải thì cần phải sinh ra một momen Md

có khả năng khắc phục được momen tải của cơ cấu sản xuất,tức là: Md Mpt

Muốn xác định được công suất động cơ, cũng tức là tìm được Md, cần phải cóđiều kiện ban đầu Đó là các điều kiện:

+ Phải có biểu đồ phụ tải tĩnh của cơ cấu sản xuất mà động cơ sẽ phục vụ dướidạng: Ic=f(t), Mc=f(t) hoặc Pc=f(t) đã tính quy đổi về trục động cơ

+ Phải có biểu đồ phụ tải biến thiên tốc độ trong quá trình làm việc

Theo kết quả phân tích ở trên, chu kỳ làm việc của cơ cấu nâng-hạ thườnggồm: hạ không tải, nâng tải, hạ tải và nâng không tải Dựa vào các công thức đãnêu ở muc 1.3 tiến hành các bước tính toán

2.3.2 Kiểm nghiệm công suất động cơ

Từ công suất chọn sơ bộ ta chọn động cơ rotor lồng sóc thỏa mãn:

PđmĐ  Pcqđ

nđmĐ  n

a Kiểm tra điều kiện phát nóng

Để kiểm nghiệm động cơ theo điều kiện phát nóng ta phải tiến hành xây dựng

đồ thị phụ tải toàn phần, bao gồm phụ tải tĩnh và phụ tải động Tức là tính đếncác giai đoạn quá độ như thời gian mở máy, hãm máy

b Kiểm nghiệm theo điều kiện quá tải