nghiên cứu tổng quan của cơ cấu quay của cần trục từ đó đi xây dựng chương trình tính toán của phụ tải động cầu của cần trục khi quay trên mặt phẳng nằm ngang, tải trọng lệch khỏi phương thẳng đứng của cơ cấu quay

Và một trong số nhữngứng dụng của trang bị điện là việc “nghiên cứu tổng quan của cơ cấu quay của cần trục từ đó đi xây dựng chơng trình tính toán của phụ tải động cầu của cần trục khi q

Lời nói đầu

Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật hiện đại và công nghệ thông tin thì lĩnh vực tự động hoá và điện khí hoá xí nghiệp đang

đợc đa vào ứng dụng rộng rãi và đợc u tiên, tuy nhiên để đáp ứng đợc nhu cầu của xu thế và thời đại thì lĩnh vực này đòi hỏi phải có sự cố gắng nỗ lực rất cao nhất là phải có những sáng tạo mới trong điều khiển và lập trình cũng nh việc nâng cao công suất, tiết kiệm năng lợng và khai thác tối u những trang thiết bị điện và điều khiển tự động đã có phù hợp với từng hoàn cảnh của từng nghành, từng nghề, từng quốc gia Vì thế trang bị điện là một môn học có thể giúp cho sinh viên tiếp cận một cách thực tế hơn vơí hệ thống điều khiển tự

động ngày nay trong các nhà máy, xí nghiệp, cầu cảng Và một trong số nhữngứng dụng của trang bị điện là việc “nghiên cứu tổng quan của cơ cấu quay của cần trục từ đó đi xây dựng chơng trình tính toán của phụ tải động cầu của cần trục khi quay trên mặt phẳng nằm ngang, tải trọng lệch khỏi phơng thẳng đứngcủa cơ cấu quay”

Hy vọng với sự giúp đỡ của thầy giáo chủ nhiệm môn trang bị điện cùng với sự góp ý nhiệt tình của các bạn sinh viên trong ngành thì đề tài này

sẽ đạt đợc một kết quả tốt đẹp nhất khi hoàn thành và em hy vọng nó sẽ là một tài liệu quan trọng và cần thiết cho các bạn sinh viên cùng nghành cũng

nh ai muốn tìm hiểu sâu hơn về cấu tạo của cần cẩu

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn !

Sinh Viên

Hoàng thanh tùng

Ch ơng 1 : tổng quan về cơ cấu quay của cần trục

Sự phát triển kinh tế của mỗi nớc phụ thuộc nhiều vào mức độ cơ giới

hoá và 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 nhà máy, giữa các máy công tác trong quá trình sản xuất v.v

Các cảng biển ở việt nam và các cảng biển trên thế giới, cần trục có một vị trí hết sức quan trọng trong công nghiệp bốc xếp hàng hoá, là nhóm thiết bị chủ lực trong việc nâng vận chuyển và lu thông hàng hoá xuất nhập khẩu của cảng biển, nó đảm nhiệm nhiệm vụ bốc xếp hàng hoá từ dới tàu thuỷ lên các kho bãi ở các cảng biển và bốc xếp hàng hoá theo chiều ngợc lạicho tàu thuỷ vận chuyển bằng đờng thuỷ v.v

Các cảng biển ở 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

Để thực hiện các thao tác di chuyển trong việc nâng hạ hàng và vận chuyển hàng hoá từ nơi này đến nơi khác cần trục cần phải có các cơ cấu di chuyển khác nhau nh bao gồm các cơ cấu : Nâng hàng, hạ hàng, cơ cấu quay, cơ cấu thay đổi tầm với

Cơ cấu quay của họ cần cẩu chân đế thờng đợc truyền động bằng hai

động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha đặt đối xứng nhau qua trục quay Việc điều chỉnh tốc độ thờng đợc điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch rotor của động cơ (đối với động cơ không đồng bộ rôtor dây quấn ) và hệ điều khiển TĐĐ đợc thiết kế theo nguyên tắc mạch hở, không

có sự phản hồi của đáp ứng điều khiển do vậy chất lợng hệ thống cha cao Hiện nay, một số serial họ cần cẩu chân đế thế hệ mới sử dụng kỹ thuậthiện đại dùng biến tần để cấp cho động cơ không đồng bộ roto lồng sóc đã

đem lại chất lợng điều khiển rất cao thể hiện bằng dải điều chỉnh tốc độ rộng, hệ thống gọn nhẹ, song giá thành lại rất cao

Ta cũng có thể xây dựng hệ thống chất lợng điều khiển cao với việc sử dụng kết hợp điều khiển động cơ không đồng bộ rôto dây quấn và máy phát

có mạch vòng điều chỉnh tốc độ Cách điều chỉnh này giúp ta điều chỉnh sâu tốc độ hệ thống, tốc độ có thể đạt tới ( 10, 15, 20  30)%nđm ứng với tốc độ quay này sẽ tạo ra sự dịch chuyển rất chậm của cơ cấu quay sẽ giảm đợc rất lớn sự rung lắc của hàng đồng thời có thể dừng chính xác, thờng ứng dụng cho cần cẩu trong công nghệ lắp máy, công nghệ xây dựng và một số lĩnh vực đặc biệt khác

1.1

TÍNH TOÁN CƠ CẤU QUAY CỦA CẦN TRỤC :

Thông số đặc trưng của cơ cấu quay là mômen cản khi quay Mbq

(Kgm) , tốc độ góc nq (vg/ph) , ngoài ra còn các thông số khác của bộ truyền cơ khí , thông số của động cơ điện …

Công suất của động cơ điện truyền động cho cơ cấu quay được xác định như sau :

n

i 

Tốc độ quay của cơ cấu quay thường không lớn ( 0,25 – 2 vg/ph)

Vì vậy tỉ số truyền thường rất lớn , do vậy khi tính toán hiệu suất của cơ cấu truyền

Khác với cơ cấu và cơ cấu di chuyển , thời gian làm việc của một chu kỳ lớn hơn rất nhiều so với thời gian khởi động và thời gian hãm của hệ thống , còn lực quán tính nhỏ so với lực cản tĩnh , ở cơ cấu quay lực quán tính lớn hơn đáng kể so với lực cản tĩnh Góc quay làm việc trong giới hạn ( 90 – 1100) với khối lượng của cơ cấu quay rất lớn vì vậy thời gian khởi động và hãm tương đương với thời gian làm việc

Vì vậy việc tính toán mômen của cơ cấu quay bao gồm mômen cảntĩnh và mômen quán tính của hệ thống

Mbp = Mc + Mqt = MKC + Mms + Mg + Mqt

Trong đó : MKC – là mômen trọng lượng của cần trục G và tải trọng Q + qkhi công tác trên góc nghiêng α ;

Mms – là mômen của lực ma sát ;

Mg – là mômen gây ra do tác động của gió ;

Mqt – là mômen do lực quán tính

Các thành phần của trọng lực cần trục và của tải thường thay đổi lớn không chỉ phụ thuộc vào góc nghiêng α mà còn phụ thuộc vào vị trí trọng lượng tâm của phần quay chân đế của nó Hệ thống được minh hoạtrên hình 1.1 a





sự phân bố trọng tâm khi cần trục quay trên một góc nghiêng

Trên đường tròn được vạch ra bởi tâm cần trục khi quay trên mặt phẳng nghiêng (hình 1.1 b).

P'' P

y = r0 sinα – ro sinα cos (x/r0) Đạo hàm của đại lượng này được xác định theo góc tiếp tuyến với đường cong α’ :

'

tg sin sin dx

Do đó chúng ta thiết lập được :

P’ = P sin arctg (sinαsinβ)Bởi ở góc nhỏ sin = tg thì :

P’ = P sinα sinβThì mômen của trọng lượng cần và tải trọng được viết :

MKC = [Gr0 + (Q + q)R] sinα sinβ

Với r0 và R là khoảng cách từ trục của cơ cấu quay đến trọng tâm cần trục và của tải trọng

Giá trị lớn nhất của biểu thức đạt được khi β = 900 và β = 2700

nghĩa là khi sinβ = 1 Cuối cùng ta có :

 Gr Q q R sin

M Max 0KC

Mômen ma sát phụ thuộc vào áp lực trên ổ đỡ phụ thuộc vào kết cấu của cần cẩu vì vậy mômen ma sát có thể được viết :

Mms = Σ Ai μi ri

Trong đó : Ai , μi , ri - là áp lực trên ổ đỡ , hệ số ma sát , bán kính

ma sát của ổ đỡ

Mô tả phụ tải gió tác động lên cơ cấu quay :

( hình 1.2)

Mômen cản do gió tác động phụ thuộc vào hình dạng của cần và hàng

hoá Đồng thời mômen cản do gió gây nên cũng thay đổi khi cần trục

quay Dạng tổng quát mômen gió được viết như sau :

Mg = Pg FG R sinβ + Σ Pg Fi rg sin2βGiá trị lớn nhất của mômen do gió gây ra khi β = 900

d j

Trong đó : Σ J0 – tổng mômen quán tính của cần trục và tải trọng quy về trục quay

K – là gia tốc góc (theo bảng tra cứu)

Tốc độ quay của phần quay cần trục , cũng như thời gian quá độ trong chu kì làm việc : gia tốc hoặc hãm đều gây ra các ảnh hưởng đáng kể lên lực quán tính ly tâm hoặc tiếp tuyến tác động lên cần của cần trục

Trên hình 1.3 những lực theo phương nằm ngang gây ra sự lệch đường cáp tới vị trí , ở đó trọng lực và lực quán tính cân bằng với hướng dọc theo cáp Sự cân bằng này có trể di chuyển về đầu cần và phân tích thành hai thành phần : nằm ngang và thẳng đứng

Khi phân tích lực quán tính cần chú ý đến tất cả các thành phần lựcnằm ngang , được đặt ở móc , cáp và trong tính toán được coi như là được đặt ở cần

Khi tính toán tải trọng treo ở đầu cần và phần palăng ở đầu cần xem như khối lượng trọng điểm , lực quán tính của khối lượng đó được

xác định như sau : H1.3.các lực quán tính ly tâm và tiếp tuyến của các phần quay của cần trục.

hình 1 3b.sự lệch của tải trọng nầng do sự tác động của lực ly tâm

n 2

g 2

G q Q

n 2

G q Q K

n

Trong đó : nbp – là tốc độ góc của các phần quay (vg/ph) ;

T – là thời gian lớn nhất của quá trình quá độ (s) ;

Lực quán tính tiếp tuyến của khối lượng cần phân bố dọc theo

chiều dài cần vi phân Lực quán tính của khối lượng dmC :

t 60

n 2 L

m sin l x t 60

n 2 dm

C

C 0

bp C

C 0 bp C C C L

0 0 bp C

60

n 2 L

m

C

C C

3

sin

L 2

L x dl sin l x t 60

n 2 L m

ldl sin l x t 60

n 2 L m dP

dM L

C 0

3 C

2 C 0 L

0 0 bp C

C

L 0 0 bp C

C

C K

C K C

sin L 2

x 3

L sin

L L x 2 3

sin L 2 L x

C 0

C 0 C 2

C C 0

3 C

2 C 0

Hoành độ của điểm đặt quán tính tiếp tuyến :

Lực ly tâm do trọng tải , đồ gá và một nửa trọng lượng palăng đặt ởđầu cần :

g 2

G q Q

n 2

G q Q L

2 2

0

2

C bp

n

L x

n g

G q Q

x L sin  , KGn

g 2

G q Q

C 0 2 n

Trọng lượng của cần là GC (kg) được phân bố trên toàn bộ độ dài của cần , trên từng đơn vị độ dài IM kể từ gối tựa sẽ bằng :

dl gL

G dm

l x dm

C

C 0

2 C

0 0 2 C

C L

C

Thay ω = Пn/30 ta có :

2 x L sin  , kg1800

g

n G

G

C

C L

Nên tung độ điểm đặt của lực ly tâm :

L 0 0 2 C C

L

L C

L

dl sin l x gL

G

cos ldl sin l x gL

G dP

dM h

sin 2 3 sin

2

sin 3 2 cos

0 0

0

2 0

3 2 0

C C

C

L

L L

x

L x l

l x

l l

sin L 2

x 3

L cos

h I

C 0

C 0 C

C L C L

Khi có các tời quay hay có các thiết bị công suất xác định thường cần xác định quá trình gia tốc và hãm

Biểu thức tính mômen cản chung nhất của cơ cấu quay trong quá trình gia tốc được tính như sau :

0 105

, 0

J K t

n M

M M

M

TT g ms KC

Từ đó thay MĐ/C vào Mbp ta được :

 s M M M M

J nK t

g KC ms C D TT

0 105 , 0

Trong thời gian hãm mômen được tạo bởi phanh MH :

H g

ms KC H

t

J nK M

M M

J nK 105 , 0 t

g KC ms H

0 H

Trong cơ cấu quay phụ tải cơ bản mà động cơ phải khắc phục trong quá trình khởi động là tải quán tính trong giai đoạn gia tốc ,vì thế thường chọn loại động cơ công tác ngắn hạn lặp lại có khả năng quá tải tốt Do đó khi chọn công suất động cơ thường sử dụng công thức sau :



 DC

dm DC

N N

Với λ là hệ số quá tải cho phép của động cơ trong chế độ khởi động

1.2 ĐỘNG HỌC CỦA CƠ CẤU QUAY:

1.2.1 Phụ tải lệch khỏi phương thẳng đứng khi cần quay theo phương nằm ngang :

Chúng ta khảo sát trường hợp khi quay tải được treo trên đầu cần với palăng treo cách trục quay một khoảng R như (hình 1.4)

Nếu gia tốc góc của cần khi quay là ε coi là hằng số (dạng của ε chotrước) Thì sau một khoảng thời gian t kể từ lúc bắt đầu chuyển động cáp nâng sẽ lệch khỏi mặt phẳng của cần với phương thẳng đứng một góc ψ Thêm vào đó là lúc tác dụng của trọng lực Q = mGg và lực quán tính Pqt =

mGRε , có thể viết được phương trình vi phân quay tải trọng quanh một

M dt

d

Với J – mômen quán tính của tải trọng tương ứng với trục quay

J = mGl2

M1 – tổng các mômen của các lực quay quanh trục

M1 = -Qlsinψ + Pqtlcosψ = -mGl(gsinψ – εRcosψ)Thay giá trị M1 và J vào phương trình chuyển động ta được :

   



 m l R cos g sin dt

d l

G

Với độ lệch của góc nhỏ ta có thể coi cosψ = 1 , sinψ = ψ

q dt

d hoặc l

R l

g dt

2

2 2

1

q t sin C t cos C

1 2 1 2

q C

; 0 q C

; 0 C

; cos C t sin C dt

d

2 2

q

2 2

Trong đó β là tần số dao động tuần hoàn

1.2.2 Phụ tải động trong cơ cấu quay :

Các phần tử của cần trục khi quay có thể phân thành hai loại khối lượng : khối lượng của cần và tải trọng , khối lượng của các phần tử quay trong cơ cấu dẫn động được biểu diễn trên hình 1.5

 R

Khi phân tích đến hệ thống này cần phải kể đến ảnh hưởng lắc củatải trọng trong mặt phẳng của cần khi quay Với các phần tử cơ bản chuyển động quay thì sự tính toán hợp lý không phải là khối

lượng và tốc độ dài mà là mômen quán tính và các tốc độ góc

Nếu dịch chuyển về góc các phần tử quay của cơ cấu quay cùng với mômen quán tính JP và φP còn góc dịch chuyển khối lượng phần quay của cần trục cùng với mômen quán tính JK là φK thì động năng của các khối lượng sẽ là :



2 K K K

2 P P

d 2

J K

; đPt

d 2

2 K

P      



Với kM là độ cứng của khâu đàn hồi

Mômen tác động toàn phần sẽ bằng tổng của mômen cản tĩnh và mômen dư (mômen động)

Các phương trình vi phân mô tả chuyển động cưỡng bức của từng thành phần khối lượng được viết như sau :

1 cos t m R 1 cos t A 1 cos tg

g R m QR

G

2 G

Khi nhân phương trình thứ nhất với JK ,nhân phương trình thứ hai với JP rồi trừ phương trình thứ hai cho phương trình thứ nhất ta có :

P K

G C P du C K K P M P K

P K

M M J M M J k

J J

J

J dt

d dt

d dt

K

J J

J J

M M

K

C P

M

K

2 G K

Thì phương trình có thể viết lại dưới dạng sau đây :

1 cos t q A A cos t D A cos t A

q p dt

A p

D pt sin C pt cos

Các hằng số được xác định theo điều kiện đầu

Trong thời điểm đầu của quá trình chuyển dịch các chi tiết trong cơ cấu được coi đã tiếp xúc với nhau và chịu mômen cản bằng mômen cản ngoài MC , tốc độ bằng không

Vì vậy khi t = 0 , φ = MC/kM ; còn dφ/dt = 0 vì thế :

2 2 2 1 M

C

p

A p

D C k

; p

D p

A k

A p

D pt cos p

D p

A k

M

2 2 2 2

2 2 M

Ak pt cos k

Trong đó p và β là tần số dao động tuần hoàn của hệ thống

Mômen tác động lên khâu đàn hồi được tính như sau :

p

Dk t cos pt cos p

Ak pt cos M k

2

2 MC

M J

M M A q D

; t cos 1 J

M A

K

G K

C P

du C K

M J

M J

M J

M p

pt cos 1

k p

t cos 1 J

t cos pt cos k M pt cos

M

M

K

G K

C P

C P

du 2

M 2 2 K

M G C

t cos pt cos t

cos 1 pt cos 1 p J k M pt cos 1 x p

k J

M J

M J

M pt cos

M

M

2 2 2

K M G 2

M K C P C P

du C

bp

Nhóm các số hạng và điền các giá trị :

 

K P K

P M

K P M 2

M 2

J J J

J k

J J k p

k

; t cos 1 g QR

2 K

du

K P K

P C K P bp

p 1

t cos pt cos pt cos 1 J g QR pt cos 1 J M

pt cos 1 J J pt cos J J M J J

1 M

Cuối cùng ta có :

P d

K P

K C

J pt

cos 1 M J J

J M

2 2

P 1

t cos pt cos P 1 g QR

Trong công thức này thành phần thứ nhất xác định ảnh hưởng của mômen cản tĩnh trong cơ cấu , thành phần thứ hai xác định ảnh hưởng củamômen dư (mômen động) , thành phần thứ ba là ảnh hưởng của tải lệch khỏi phương thẳng đứng Để hạn chế mômen động cho hệ thống trên trục truyền động thường lắp đặt thêm bánh đà để hạn chế sự quá tải của động cơ Khi cosβ = cos pt = -1 thì ta nhận được :

K P

P 2

K P

K du C

Max

J 2 g

QR J J

J 2 M M M

Điều khiển hệ thống truyền động điện tự động sử dụng trong cần trục hiện nay thường được xây dựng theo nguyên tắc hệ kín Tốc độ công nghệ được thiết kế nhằm mục đích thoả mãn bốc xếp nhiều loại hàng hoá Điều khiển cơ cấu quay cần trục thuộc dạng hệ thống quán tính lớn , tốc độ biến đổi chậm Trước đây vấn đề điều khiển còn nhiều hạn chế , hệ thống điều khiển thường được thiết kế theo dạng SISO , ngày nay kỹ thuật điều khiển với sự trợ giúp của máy tính , các thiết bị điều khiển khả trình PLC đã được ứng dụng phổ biến Thiết bị biến đổi công suất với kỹ thuật điều khiển tiên tiến , mô hình toán động cơ không đồng bộ được nhận dạng và ứng dụng trong các biến tần điều chế theo độrộng sung (PWM) Hệ thống điều khiển xây dựng là hệ thống nhiều đầu vào ra

Việc tổng hợp tín hiệu điều chỉnh tốc độ được thực hiện theo yêu cầu bốc xếp hàng hoá Tín hiệu điều khiển mômen cho các hệ thống truyền độngđiện tự động trong các hệ thống sử dụng biến tần PWM – động cơ không đồng bộ , hệ thống sử dụng phụ tải động – động cơ không đồng bộ rôto dây quấn hoặc động cơ điện một chiều có cuộn nối tiếp kích từ độc lập nhất thiết phải tổng hợp tín hiệu điều khiển mômen dựa vào cấu trúc cụ thể của cần trục

2.2 Mô hình nhận dạng mômen cản tĩnh của cơ cấu quay :

Để thuận tiện cho việc nhận dạng đặc tính mômen cản cơ cấu quay ta tính toán cho họ cần cẩu KONDOR Cơ cấu quay cần cẩu KONDOR có một số thông số chính sau : [12]