Thiết Kế Hệ Truyền Động Nâng Hạ Cầu Trục

Thiết kế hệ truyền động nâng hạ cầu trục, Hiện nay, trong thời buổi công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước, việc sử dụng những công nghệ hiện đại mang tính đồng bộ, tự động, linh hoạt cao vào đời sống sinh hoạt sản xuất công nghiệp đã và đang là một nhu cầu bức thiết để đưa nền kinh tế của nước ta đi lên trên con đường hội nhập. Sự phát triển kinh tế của mỗi nước phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, trong đó có mức độ cơ giới hóa và tự động hóa các quá trình sản xuất công nghiệp. Trong quá trình sản xuất các máy nâng hạ tải là cầu nối giữa các hạng mục công trình sản xuất riêng biệt, giữa các phân xưởng trong một nhà máy, giữa các máy công tác trong một dây chuyền sản xuất .v.v...

Lời nói đầu

Trong những năm gần đây, tốc độ phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực tự độnghoá đã có tác động đáng kể đến sự sản xuất của xã hội loài ngời Tự động hoá trong sảnxuất với việc áp dụng những thành tựu công nghệ mới nhằm nâng cao năng xuất, hạ giáthành sản phẩm không những là yêu cầu bắt buộc mà hơn nữa còn đợc xem nh mộtchiến lợc đối với các nhà máy, xí nghiệp cũng nh toàn bộ nền sản xuất công nghiệp củamỗi quốc gia

Trên góc độ kĩ thuật, một dây chuyền sản xuất tự động hoá đợc hình thành do sựphối hợp nhịp nhàng và có hiệu quả của nhiều công đoạn khác nhau Truyền động điện

có nhiệm vụ thực hiện các công đoạn cuối cùng của một công nghệ sản xuất, và do đótruyền động điện đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lợngsản phẩm Những thành tựu trong lý thuyết truyền động đã ra đời và nhanh chóng đợcứng dụng vào sản xuất để đáp ứng các yêu cầu công nghệ mới với mức độ tự động hoácao Các hệ thống truyền động điện hiện đại không những đáp ứng đợc độ tác độngnhanh, độ chính xác điều chỉnh cao mà còn có giá thành hạ hơn nhiều thế hệ cũ

Đối với các thầy cô và sinh viên ngành tự động hoá của trờng ĐH SPKT Vinh,

môn học truyền động điện và tổng hợp hệ điện cơ đợc xem là vấn đề trọng tâm trong

giảng dạy, học tập và nghiên cứu Sau một thời gian học tập môn truyền động điện vàmôn tổng hợp hệ điện cơ em đợc giao đồ án môn học tổng hợp hệ điện cơ với đề tài

thiết kế hệ truyền động cho cơ cấu nâng của cầu trục

Nhiệm vụ thiết kế

Thiết kế hệ truyền động cho cơ cấu nâng của cầu trục

-Gia tốc cực đại khi nâng 0,5(m/s2)

-Gia tốc cực đại khi hạ 0,5 (m/s2)

-Hiệu suất cơ cấu (η) 0,85

cơ cấu nâng hạ cần phải tuân thủ chặt chẽ các quy trình kỹ thuật đồng thời cũng phải

đảm bảo tính kinh tế Trớc khi đi vào thiết kế hệ truyền động cho cơ cấu nâng-hạ cầutrục, trong chơng này ta đi tìm hiểu một số đặc điểm công nghệ cùng với việc phân tíchnhững nét chính trong yêu cầu truyền động cầu trục

I Đặc điểm chung của cơ cấu nâng-hạ cầu trục.

Hệ thống nâng hạ tải trong xây dựng thờng có ba chuyển động:

 Chuyển động nâng hạ (của bộ phận nâng tải )

 Chuyển động ngang của xe trục

 Chuyển động dọc của xe cầu

Nội dung của đồ án là thiết kế hệ truyền động cho riêng cơ cấu nâng hạ Để có thể

đa ra những phơng án hợp lý cho hệ truyền động cơ cấu nâng hạ, trớc hết ta đi phântích khát quát những điểm cơ bản về yêu cầu trong truyền động của cơ cấu nâng hạ cầntrục

Thứ nhất, về loại phụ tải: Đặc điểm của các động cơ truyền động trong cơ cấu cần

trục nói chung là đều làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại, có số lần (tần số) đóng điệnlớn

Thứ hai, về yêu cầu đảo chiều quay: Động cơ truyền động cần trục, nhất là cơ cấu

nâng hạ, phải có khả năng đảo chuyền quay, có mômen thay đổi theo tải trọng rất rõrệt Theo khảo sát từ thực tế thì khi không có tải trọng (không tải) mômen động cơkhông vợt quá (15 ữ 20)%Mđm; đối với cơ cấu nâng của cần trục ngoặm đạt tới 50%

Mđm…

Thứ ba, yêu cầu về khởi động và hãm: Trong các hệ truyền động các cơ cấu của

máy nâng, yêu cầu quá trình tăng tốc và giảm tốc phải êm Bởi vậy, mômen động trongquá trình hạn chế quá độ phải đợc hạn chế theo yêu cầu của kỹ thuật an toàn ở cácmáy nâng tải trọng, gia tốc cho phép thờng đợc quy định theo khả năng chịu đựng phụtải động của các cơ cấu Đối với cơ cấu nâng hạ cần trục, máy xúc gia tốc phải nhỏ hơnkhoảng 0,5 m/s2 để không giật đứt dây cáp Ngoài ra, động cơ truyền động trong cơ cấunày phải có phạm vi điều chỉnh đủ rộng và có các đờng đặc tính cơ thoả mãn yêu cầucông nghệ Đó là các yêu cầu về dừng máy chính xác, nên đòi hỏi các đờng đặc tính cơthấp, có nhiều đờng đặc tính trung gian để mở hãm máy êm

Thứ t, phạm vi điều chỉnh: không lớn, ở các cần trục thông thờng D ≤ 3:1;ở cáccần trục lắp ráp (D= 10 ữ 1) hoặc lớn hơn Độ chính xác điều chỉnh không yêu cầu cao,thờng trong khoảng ±5%

Thứ năm, yêu cầu về bảo vệ an toàn khi có sự cố: Các bộ phận chuyển động phải

có phanh hãm điện từ, để giữ chặt các trục khi mất điện, bảo đảm an toàn cho ngời vậnhành và các bộ phận khác trong hệ thống sản xuất Để đảm bảo an toan cho ngời vàthiết bị khi vận hành, trong sơ đồ không chế có các công tắc hành trình để hạn chế

chuyển động của cơ cấu khi chúng đi đến các vị trí giới hạn Đối với cơ cấu nâng-hạ thìchỉ cần hạn chế hành trình lên mà không cần hạn chế hành trình hạ.

Thứ sáu, yêu cầu về nguồn và trang bị điện: Điện áp cung cấp cho cần trục không

vợt quá 500V Mạng điện xoay chiều hay dùng là 220V, 380V; mạng một chiều là220V, 440V Do đa số đều làm việc trong môi trờng nặng nề, đặc biệt ở các công trìnhxây dung, hải cảng, nhà máy hoá chất, xí nghiệp luyện kim , sửa chữa Nên các khí cụ

điện trong hệ thống truyền động và trang bị điện của các cơ cấu nâng hạ cần trục yêucầu phải làm việc tin cậy, bảo đảm về năng suất, an toàn trong mọi điều kiện khắcnghiệt của môi trờng, hơn nữa lại phải đơn giản trong thao tác

Năng suất của máy nâng quyết định bởi hai yếu tố: tải trọng của thiết bị và chu

kỳ bốc, xúc trong một giờ Số lợng hàng bốc xúc trong mỗi chu kỳ không nh nhau vànhỏ hơn tải định mức, cho nên phụ tải đối với động cơ chỉ đạt (60 ữ 70%) công suất

định mức của động cơ

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

II Đặc tính cơ của phụ tải.

Phụ tải của cơ cấu nâng hạ là loại phụ tải thế, có trị số không đổi, không phụthuộc vận tốc và chiều quay của động cơ Khi nâng tải momen thế năng có tác dụngcản trở chuyển động, có hớng ngợc với chiều quay của động cơ Khi hạ tải, momen thếnăng lại là momen gây ra chuyển động, nghĩa là nó hớng theo chiều quay động cơ.Dạng đặc tính cơ của cơ cấu nâng hạ nh sau:

M(Nm) Mc

w(rad/s)

0

H1.1 Đặc tính cơ của cơ cấu nâng hạNhận xét:

 Khi hạ tải ứng với trạng thái máy phát của động cơ thì Mđ là mômen hãm, Mc làmô men gây chuyển động

 Khi cần trục hạ tải dụng lực: cả hai mômen đều gây chuyển động

Nh vậy, trong mỗi giai đoạn nâng, hạ tải thì động cơ cần phải đợc điều khiển để làmviệc đúng với các trạng thái làm việc ở chế độ máy phát hay động cơ sao cho phù hợpvới đặc tính tải Phụ tải của cầu trục có thể biến đổi từ 0 (khi hạ hoặc nâng móc câukhông tải) đến những giá trị rất lớn Phức tạp lớn hơn cả là các điều kiện hạ tải Khi hạkhông tải, trọng lợng của móc câu không đủ để bù lại các lực ma sát trong truyền

động, nên động cơ phải sinh ra một momen nhỏ theo chiều hạ Khi hạ những tải trọnglớn, không những các lực ma sát đợc khắc phục hết mà động cơ còn bị tải trọng kéoquay theo chiều tác dụng của nó Khi đó, muốn hạn chế và điều chỉnh tốc độ, ta phải sửdụng các phơng tiện nhất định

III Tính toán cơ cấu nâng hạ

Nh đã tìm hiểu ở trên, động cơ truyền động trong cơ cấu nâng làm việc với phụtải ngắn hạn lặp lại, mở máy và hãm máy nhiều Do đó, khi chọn công suất động cơcần xét đến phụ tải tĩnh và động

o

G G T T

η

'

0 0

+

=

=Momen do vËt n©ng g©y ra trªn tang:

p

t p

v

u

R G G u

D G G D T M

η

)

(

2

)

(2

t p t

v

u

G G M

M

ηη

0 2

R G G i

M

M = = +

vµ momem trªn trôc I:

2 1 2

1

0 1

1

2 1

)

(.η ηp ηtη η

t

i i u

R G G i

M

=

=Tæng qu¸t:

t p n n

t

i i i u

R G G M

ηηηη

η ) .).(

1

0 1

+

=

§Æt:

i=i1i2…in : lµ tû sè truyÒn chung cña bé truyÓn

η=η1η2…ηn: lµ hiÖu suÊt chung cña bé truyÒn

ηc=ηPηtη lµ hiªu suÊt chung cña c¬ cÊu

c

t

i u

R G G M

η

η

n n

v G G M

P

η

ω

.102.60

)

(1000

ηc – hiÖu suÊt cña c¬ cÊu n©ng

u – béi sè cña rßng räc (pal¨ng)

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

n

t

v u

n R i

i u

R G M

η

v G P

η.102.60

0

b Phụ tải tĩnh khi hạ tải.

Có thể có hai trạng thái hạ tải

+ Hạ động lực

+ Hạ hãm

Hạ động lực đợc dùng khi hạ những tải trọng nhỏ Khi đó momen do tải trọng sinh

ra không đủ để thắng lực ma sát trong cơ cấu Máy điện làm việc ở chế độ động cơ.Hạ hãm đợc dùng khi hạ những tải trọng lớn Khi đó momen do tải trọng sinh ra lớnhơn mô men ma sát nên gây ra chuyển động của hệ thống Máy điện phải làm việc ởchế độ hãm để giữ cho tải trọng rơi với vận tốc ổn định (tức là chuyển động không cógia tốc)

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

i u

R G G

h t t

trong đó:

Mh – momen trên trục động cơ khi hạ tải

∆M – mất mát trong cơ cấu truyền

ηh – hiệu suất của cơ cấu khi hạ tải

Nếu Mt > ∆M ta có trạng thái hạ hãm; còn nếu Mt < ∆M ta có trạng thái hạ động lực.Nếu coi mất mát trong cơ cấu khi nâng và khi hạ tải là nh nhau thì:

)1

M M

ηη

)

()

12.(

)1

1

c

t c

t c

t t h

i u

R G G M

M M M

ηη

So sánh (5) và (6) ⇒

c h

η

η =2− 1

Đối với những tải trọng tơng đối lớn (tơng ứng với ηc > 0,5), ta có ηh >0, Mh >0 Điềunày có nghĩa là momen động cơ ngợc chiều với momen phụ tải, động cơ làm việc ởtrạng thái hãm (hạ hãm) Khi tải trọng tơng đối nhỏ ηc <0,5 thì ηh < 0; Mh <0 Điều này

có nghĩa là momen động cơ cùng chiều với momen phụ tải để cùng khắc phục lực masát trong cơ cấu truyền lực

Từ (6) ta suy ra momen hạ không tải:

)12.(

)

12(

R G

M

1000

0

h ho h

M

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 thấy chu

kỳ làm việc của cơ cấu nâng thờng bao gồm các giai đoạn: Hạ không tải, nâng tải, hạtải 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 Dới đây xin tổng kết lại các công thứccần thiết trong tính toán cơ cấu này

Giai đoạn hạ không tải:

)

12(

0 0

c

t h

i u

R G M

h h h

i u

R G G M

η

v G G P

η.6120

)

c

t h

i u

R G G M

i u

R G M

η

v G P

η.6210

0

t P

2 Xây dựng biểu đồ phụ tải

Theo kết quả phân tích ở trên, chu kỳ làm việc của cơ cấu nâng-hạ thờng gồm 4giai đoạn: hạ không tải, nâng tải, hạ tải và nâng không tải

Mô men động cơ khi nâng tải: vn=0,25 m/s , G=10T

)(61285

,0.50

81,9.25,0.10.6,10

R G G

81,9.25,0.10.6,10

v G G

Khi hạ tải: v=0,4m/s

85,0

12(10

4,0.10.6,10)

12(.1000

n

v G G

η

85,0

12(50

7,0.10.6,10)

12(

)

u i

Rt G G

Dựa vào đồ thị quan hệ phụ thuộc ηc theo tải trọng (Tr.10-Trang bị điện-điện tử-NXBgiáo dục) ta có ηc=0,24

Vậy khi hạ không tải : v=0,7m/s

)

12(

0 0

c

t h

i u

R G M

η

−

24,0

12(50

81,9.25,0.10.6

t

t M

2

Pho= ) 0.91

24,0

12(10

7,0.10.6.0)

12(

3 3

c

V G

η

0

24,0.50

81,9.25,0.10.6

Nm

=2.1724

,0.1000

81,9.7,0.10.6.0

v G P

12

s v

h

h

=

=Thời gian hạ tải:

4,0

12

s v

12

s

=Thời gian làm việc:

∑t i =48+30+2.17,14=112.28(s)Chọn Tchuky=5 phút

300

28

Tck

H2.1.Đồ thị phụ tải của động cơ

Momen đẳng trị:

)(41428

.112

14,17.20414,17.)64(30.12048.612

2

Nm t

t M M

i

i i

∑

∑

Công suất đẳng trị:

27.8( )

28.112

14,17.2.1714,17.)91.0(30.3.3448.31

2

KW t

t P P

i

i i

,0.2

25,0.60.50

2

ph v R

v u

Vì nâng tải là chế độ làm việc nặng nề nhất (chọn là chế độ định mức) của động cơ cómomen và công suất lớn nên khi chọn động cơ ta nên chọn động cơ ta chú ý vấn đề quátải trong trờng hợp này

Từ kết quả tính toán ở trên ta lựa chọn sơ bộ loại động cơ một chiều làm việc ở chế độngắn hạn lặp lại, có thời gian đóng điện tơng đối tiêu chuẩn ε = 25% Do đó, công suấtquy đổi tơng ứng:

%25

%371.31

%

%

M M

tc

pt dc

εε

)(4.34

%25

%376.28

εε

=669 (Nm)

II Kiểm nghiệm lại động cơ

Việc tính chọn công suất động cơ ở trên là việc tính chọn sơ bộ, vì ở đó ta bỏ quagiai đoạn mở và hãm máy Để có thể khẳng định chắc chắn loại động cơ với các thông

số ở trên có đáp ứng đợc yêu cầu truyền động hay không ta cần phải tiến hành kiểm tralại theo: điều kiện phát nóng, điều kiện khởi động và điều kiện quá tải về momen

1 Kiểm tra điều kiện phát nóng:

Việc kiểm tra động cơ theo điều kiện phát nóng là khó khăn vì không thể tínhtoán phát nóng động cơ 1 cách chính xác Tuy vậy, ngời ta thờng sử dụng các phơng

pháp tính gần đúng để kiểm tra điều kiện phát nóng thông qua các đại lợng điện Cónhiều phơng pháp kiểm tra khác nhau ở đây, ta dùng phơng pháp momen đẳng trị.Công thức kiểm tra:

Mđc ≥ Mđt

Theo tính toán ở trên Mđt= 414Nm, Mđm= 669Nm Nh vậy, động cơ thoả mãn điềukiện phát nóng

2 Kiểm nghiệm điều kiện khởi động và quá tải về momen:

Điều kiện khởi động:

Mkđ ≥ Mcmm

Động cơ đã chọn phải thoả mãn điều kiện khởi động tức là động cơ có thể sinh ramomen khắc phục momen tải lúc mở máy mà không bị quá tải( dòng điện phần ứngkhông quá 2-2,5Iđm) Do tính chất tải của ta không thay đổi theo tốc độ nên nếu độngcơ đã thoả mãn điều kiện làm việc bình thờng thì nó cũng thoả mãn điều kiện lúc khởi

động

Điều kiện quá tải về momen:

Theo tính toán ở phần I, momen cản lớn nhất khi nâng tải Mcmax=612Nm Mặt khác

Mđm = 669Nm, nh vậy ở điều kiện quá tải cực đại, động cơ phải làm việc với hệ số quátải là :

Chơng iii:

Chọn phơng án truyền động

I Phân tích để chọn ph ơng án truyền động

Việc chọn phơng án truyền động tức là phải xác định đợc loại động cơ truyền động

là một chiều hay xoay chiều, phơng pháp điều chỉnh tốc độ phù hợp với đặc tính tải, sơ

đồ nối bộ biến đổi đảm bảo yêu cầu truyền động

Động cơ dùng trong truyền động cầu trục có thể là động cơ một chiều hoặc là

động cơ xoay chiều Trớc kia, động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp đợc dùng rấtphổ biến trong cần trục Sở dĩ nh vậy là bản thân loại động cơ này có những u điểm màcác loại động cơ không đồng bộ và đồng bộ không có đợc, đặc biệt là những yêu cầurất đặc trng của một số lĩnh vực truyền động Trớc hết vì nó dùng nguồn một chiều nên

nó yêu cầu số lợng thanh trợt ít so với các loại động cơ khác Đối với truyền độngnâng, động cơ này đảm bảo đợc những tốc độ hạ ổn định (hoặc lớn hoặc nhỏ) cho mọitải trọng

Hiện nay, đợc sự hỗ trợ của các thiết bị công suất, cùng với những đặc điểm nh: rẻ,cấu tạo đơn giản, tin cậy, hiệu suất cao thì động cơ không đồng bộ đã thay thế hầu hếtcác loại động cơ điện một chiều trong lĩnh vực này Thực vậy, nhờ những tiến bộ sâusắc của lĩnh vực vi điện tử và điện tử công suất mà càng có nhiều thiết bị cho phépkhắc phục nhợc điểm của động cơ không đồng bộ, cụ thể là ngời ta đã tạo ra đợc tất cảnhững đặc tính cơ thoả mãn hầu hết quá trình công nghệ khắt khe nhất, đồng thời lạicho phép hạ giá thành vận hành và lắp đặt Mặt khác, việc dùng động cơ xoay chiềukhông đồng bộ tiện lợi do việc dùng nguồn xoay chiều 3 pha vốn trong công nghiệp.Trong khuôn khổ đồ án này em đợc giao thiết kế theo phơng án hệ truyền động

động cơ điện một chiều dùng chỉnh lu Thyristor Nên ở đây em chọn động cơ điện mộtchiều kích từ độc lập

Về phơng diện điều chỉnh tốc độ ,động cơ điện một chiều có nhiều u việt hơn so vớicác loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấutrúc mạch lực ,mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lợng cao trong dải

điều chỉnh tốc độ rộng Có hai phơng pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điệnmột chiều :

o Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ

o Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ

Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tỗc độ động cơ điện một chiều baogiờ cũng cần có bộ biến đổi Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động cơ hoặcmạch kích từ động cơ Tơng ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi ta có các hệ truyền

động nh sau:

Hệ truyền động máy phát -động cơ(F-Đ)

Ưu điểm: sự chuyển đổi trạng thái làm việc linh hoạt, khả năng quá tải lớn Do vậy,

hệ truyền động F-D thờng dùng trong công nghiệp mỏ