Xây dựng mô hình nhận dạng mômen cản của cần trục KONE trên Visual basic và kiểm chứng trên Matlab

Hệ truyền động điện một chiều dùng trong cơ cấu nâng hạ hàng cónhiều ưu điểm như: Có khả năng điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng, cókhả năng tạo được nhiều đường đặc tính trung gian bằ

Mục lục

Lời nói đầu

Chương 1 Nghiên cứu tổng quan về cơ cấu nâng hạ

1.1 Giới thiệu và phân loại các cơ cấu nâng hạ

1.1.1 Giới thiệu chung

1.1.2 Phân loại các cơ cấu nâng hạ

1.2 Những đặc điểm cơ bản của cơ cấu nâng hạ

Chương 2 Xây dựng mô hình toán cho cơ cấu nâng

2.1 Động cơ truyền động cho cơ cấu nâng

2.1.1 Hệ truyền động điện dùng động cơ một chiều.

2.1.2 Hệ truyền động điện nâng hạ hàng dùng động cơ xoay chiều.

2.1.3 Hệ thống truyền động điện dùng Van - Động cơ xoay chiều.

2.1.4 Một số loại động cơ được dùng trong thực tế.

2.2 Kết cấu cơ cấu nâng

2.3 Mô hình toán cơ cấu nâng

2.3.1 Tính toán các tham số cơ bản của truyền động cơ cấu nâng.

2.3.2 Động học cơ cấu nâng.

Chương 3 Thiết lập chương trình tính toán động lực học

3.1 Viết chương trình

3.1.1 Mô hình nhận dạng mô men cản cơ cấu nâng cho cần trục

3.1.2 Xây dựng mô hình nhận dạng mômen cản trên Visual basic

3.2 Hoạt động của chương trình

3.2.1 Kết quả mô phỏng trên Matlab:

3.2.2 Kết quả mô phỏng trên Visual Basic:

Kết luận

Trang12222366681012131515172222222327272830

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay khi khoa học - kĩ thuật càng phát triển thì cần trục-cầu trục càng được cải biến và sử dụng rộng rãi vào việc bốc xếp hàng hoá trên các cảng biển, trong các kho tàng, bến bãi nó cũng được sử dụng phổ biến trong các xí nghiệp cơ khí cảng biển, các phân xưởng sửa chữa, lắp ráp thiết bị,… nhằm nâng cao năng suất bốc xếp, giải phóng lao động thủ công, đem lại hiệu quả kinh tế cao.

Việc tự động hoácần trục-cầu trục được coi là vấn đề quan trọng nhằm nâng cao năng suất làm việc của chúng Để có thể tiến hành tự động hoá được cần trục-cầu trục ta phải nắm bắt được kết cấu cũng như nguyên lý từng cơ cấu của nó

Cần trục-cầu trục có cấu tạo tương đối phức tạp và thường bao gồm bốn cơ cấu chính: Cơ cấu nâng hạ hàng; cơ cấu nâng hạ cần; cơ cấu quay; cơ cấu di chuyển chân đế Sau đây em xin đi sâu vào tìm hiểu về cơ cấu nâng hạ

và xây dựng chương trình tính toán động học của cơ cấu nâng.

Để cung cấp thêm file mô phỏngVB 6.0, matlab mong bạn đọc để lại tin nhắn….

SINH VIÊN Phạm Văn Khôi

Chương 1

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU NÂNG HẠ 1.1 Giới thiệu và phân loại các cơ cấu nâng hạ.

1.1.1 Giới thiệu chung.

Sự phát triển kinh tế của mỗi nước phụ thuộc nhiều vào mức độ cơ giớihoá và tự động hoa quá trình sản xuất công nghiệp Trong quá trình sản xuấtmáy nâng vận chuyển nói chung, cần trục- cầu trục cảng nói riêng là cầu nốigiữa các hạng mục sản xuất riêng biệt giữa các phân xưởng trong một nhàmáy, 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 vịtrí hết sức quan trọng trong công nghiệp bốc xếp hàng hoá, là nhóm thiết bịnâng vận chuyển chủ lực trong qua trình vận chuyển và lưu thông hàng hoáxuất nhập khẩu cảng biển Công nghiệp bốc xếp và vận chuyển hàng hoá baogồm nhiều công đoạn như bốc xếp hàng hóa từ tàu thuỷ lên bãi kho, lênphương tiện vận tải đường bộ và bốc xếp hàng hoá theo chiều ngược lại tàuthuỷ vận chuyển bằng đường thuỷ Trên các cảng, lượng hàng hóa trungchuyển qua các cảng được lưu kho bãi rất lớn, khối lượng bốc xếp trong cảngcũng được cần trục - cầu trục đảm nhiệm

Cần trục được cấu tạo bởi các cơ cấu chính sau: Nâng hạ hàng, nâng hạcần, cơ cấu quay, cơ cấu di chuyển chân đế Trong đồ án này, ta sẽ tập trung

đi sâu tìm hiểu cơ cấu nâng hạ của cần trục

Mỗi cơ cấu của cần trục, không phụ thuộc vào chức năng của nó, đềuđược cấu thành từ 4 phần tử: Bộ phận chấp hành, bộ truyền, hệ truyền động

và phanh; tất cả đều làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại

1.1.2 Phân loại các cơ cấu nâng hạ.

a Phân loại các thiết bị nâng hạ

Ngày nay công việc nâng hạ hàng hoá thường sử dụng hai loại phươngtiện phổ biến là tời hàng và cần trục.

- Theo mục đích sử dụng, người ta phân ra các loại sau:

+ Tời hàng và cần trục: đây là các thiét bị được sử dụng rộng rãi ngàynay Chúng thực hiện bốc xếp hàng hoá từ nơi này sang nơi khác hay lên cácphương tiện vân chuyển

+ Máy nâng: dùng để luân chuyển các hàng hoá ở các kho bãi hoặc dichuyển

- Theo hệ thống truyền động điện ta chia thành:

+ Truyền động điện cơ : đơn giản trong chế tạo, có hiệu suất sử dụngtrong toàn hệ thống cao

+ Truyền động điện thuỷ lực: dạng truyền động này ngày nay đangđược sử dụng rộng rãi Chúng có các ưu điểm nổi bật sau:cho phép sử dụngđộng cơ dị bộ rôto lồng sóc một tốc độ để làm động cơ thực hiện vì nó có thểđiều khiển được ở phần thuỷ lực

- Theo chế độ công tác ta có thể phân thành các dạng sau:

+ Công tác ở chế độ ngắn hạn lặp lại

+ Công tác ở chế độ ngắn hạn

- Theo chế độ cấp nguồn :

Lấy nguồn trực tiếp từ lưới điện hay lấy nguồn từ máy phát riêng

- Theo hệ thống điều khiển:

Điều khiển bằng tay khống chế hoặc tay điều khiển kết hợp trạm từ.ngoài ra ngày nay ứng dụng các kỹ thuật hiện đại người ta ứng dụng cácphương pháp điều khiển khác như: vi xử lý, bán dẫn, PLC có ứng dụng củamáy tính

b Phân loại các cơ cấu nâng hạ.

Trong các thiết bị nâng hạ, có 2 loại cơ cấu nâng hạ chính:

- Cơ cấu nâng hạ cần

- Cơ cấu nâng hạ hàng

Trong thiết kế này, ta tập trung đi sâu vào cơ cấu nâng hạ hàng

1.2 Những đặc điểm cơ bản của cơ cấu nâng hạ.

Cơ cấu nâng hạ hàng bao gồm các khâu

+ Móc cẩu / Gầu nâng

- Năng suất nâng hạ hàng cao

- Rút ngắn thời gian quá độ bằng cách:

+ Chọn động cơ có mô men khởi động lớn

+ Giảm đường kính rôto, ta sẽ giảm được quán tính

+ Chọn động cơ có tốc độ nhỏ hơn 1000 vòng/phút thì thời gian dừngđộng cơ sẽ được rút ngắn

- Có độ an toàn cao: Cần phải đảm bảo an toàn cho người vận hành, hànghoá và thiết bị nâng hạ hàng Hệ thống cần có các bảo vệ về điện và cơ khí: + Có mạch bảo vệ cáp quá căng

+ Có mạch bảo vệ cáp quá trùng

+ Có mạch bảo vệ móc chạm đỉnh

+ Có mạch bảo vệ góc nâng hạ cần quá lớn hay quá nhỏ.

+ Có mạch hãm điện để dừng hoặc hãm để chuyển tốc độ

+ Mạch bảo vệ không, bảo vệ quá tải, bảo vệ mất pha

Chương 2

XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CHO CƠ CẤU NÂNG 2.1 Động cơ truyền động cho cơ cấu nâng.

2.1.1 Hệ truyền động điện dùng động cơ một chiều.

Hệ truyền động điện một chiều dùng trong cơ cấu nâng hạ hàng cónhiều ưu điểm như: Có khả năng điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng, cókhả năng tạo được nhiều đường đặc tính trung gian bằng cách thay đổi cácthông số của mạch kích từ và mạch động lực Thông thường quá trình điềukhiển được thực hiện bằng tay điều khiển kết hợp với trạm từ

- Nếu hệ thống dạng này sử dụng động cơ một chiều kích từ nối tiếp thì nó

sẽ có một số ưu điểm cơ bản như sau: Có khả năng tự thay đổi tốc độ khi tảithay đổi ( M.n = constant), do vậy công suất động cơ luôn được khai thác tốiưu; động cơ có mô men khởi động lớn, khả năng gia tốc nhanh, vì động cơmột chiều kích từ nối tiếp có mô men quay tỉ lệ với bình phương dòng điệntải; khi khởi động thì Ikđ = (2 – 2,5) Iđm

Cùng một giá trị dòng tải thì loại động cơ này có giá trị dòng khởi độngnhỏ hơn

Tuy nhiên nhược điểm của việc sử dụng loại động cơ này là: khi khôngtải hoặc khi tải nhẹ thì tốc độ truyền động của hệ thống có xu hướng tăng lớn,

có thể đến (5 - 6) Vđm Hơn nữa việc điều chỉnh tốc độ bị hạn chế và khó thựchiện do phải thay đổi tham số của mạch động lực

- Nếu hệ thống sử dụng động cơ kích từ song song nó sẽ khắc phục đượcnhững nhược điểm của việc sử dụng động cơ kích từ nối tiếp như: Hệ thốngloại này dễ dàng thực hiện việc thay đổi tốc độ động cơ bằng việc thay đổidòng điện trong mạch kích từ Phương pháp điều chỉnh này có tính kinh tếcao bởi năng lượng tổn hao trong quá trình điều chỉnh là rất nhỏ Đồng thời hệthống có kích thước nhỏ gọn

Nhược điểm của loại động cơ này là: khả năng chịu quá tải kém, hệthông không có khả năng thay đổi tốc độ khi tải thay đổi.

→ Từ những đặc điểm trên ta thấy loại động cơ này ít được dùng trong cơcấu nâng hạ hàng, mà nó có thể được dùng trong cơ cấu quay mâm hoặcthang máy

- Nếu hệ thống sử dụng động cơ kích từ hỗn hợp thì sẽ kết hợp được ưuđiểm của 2 loại động cơ trên, nên chúng được sử dụng rộng rãi trong truyềnđộng điện thiết bị nâng hạ hàng

Để điều chỉnh tốc độ người ta có thể sử dụng hai phương pháp: thay đổi

từ trường mạch kích từ và thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng

Để tăng khả năng ổn định tốc độ khi hạ hàng, đôi khi người ta thay đổicách đấu để biến động cơ kích từ hỗn hợp thành động cơ kích từ song song.Trong trường hợp như vậy thì cuộn nối tiếp được mắc với điện trở phụ và mắcsong song với phần ứng động cơ

=> Trong hệ thống truyên động điện một chiều, ngoài các hệ thống truyềnđộng điều khiển bằng tay điều khiển kết hợp trạm từ thì một hệ thống khácđược sử dụng là: Hệ thống truyền động điện máy phát - động cơ một chiều.Đây là hệ thống có các tính năng điều khiển rất ưu việt, qúa trình điều khiểnrất trơn láng Tuy nhiên nhược điểm của dạng này là số lượng máy điệnnhiều, cồng kềnh Do vậy ngày nay nó không còn được sử dụng rộng rãi vì có

sự cạnh tranh của các bộ biến đổi

=> Việc ra đời của các Tiristor có dòng định mức lớn, dẫn đến xuất hiệnmột hệ thống mới là Van - Động cơ một chiều Nó cho phép động cơ mộtchiều làm việc dưới lưới điện xoay chiều thông qua bộ biến đổi

*Quá trình đảo chiều động cơ được thực hiện nhờ các phương pháp sau:

- Đảo chiều động cơ nhờ đảo chiều dòng kích từ.( điều chỉnh tốc độ bằngcách thay đổi điện áp phần ứng động cơ) ( Hình 2.1)

Hình 2.1 Sơ đồ đảo chiều động cơ phướng án 1

- Đảo chiều động cơ nhờ công tắc đảo chiều (điều chỉnh tốc độ động cơ bằngrecách thay đổi điện áp phần ứng) (Hình 2.2)

Hình 2.2 Sơ đồ đảo chiều động cơ phướng án 2

2.1.2 Hệ truyền động điện nâng hạ hàng dùng động cơ xoay chiều.

Khi sử dụng động cơ xoay chiều trong hệ thống thì người ta hay dùngđộng cơ điện dị bộ rô to lồng sóc có 3 cấp tốc độ

Loại động cơ này là loại động cơ đặc biệt, nó được xem như hai động cơ ghéplại với nhau

Hình 2.3 Cấu tạo động cơ dị bộ rô to lồng sóc 3 cấp tốc độ

1: Cuộn dây cấp tốc độ 1

2: Rôto rãnh kép hoặc rãnh sâu

3: Rôto thường

4: Cuộn dây cấp tốc độ 2,3

- Cuộn dây cấp tốc độ thấp được bố trí ở một vùng riêng biệt.Cuộn dây tốc

độ 2 và 3 được bố trí chung một rãnh Có động cơ chỉ có 2 cuộn dây , trong

đó một cuộn có khả năng đổi nối để tạo tốc độ 2, tốc độ 3

- Ưu điểm của loại động cơ lồng sóc này là nó có khả năng chịu quá tải về

mô men lớn, và chúng có khả năng làm việc ở cấp tốc độ rất thấp hoặc rấtcao Đồng thời nó sử dụng nguồn 3 pha nên không phải sử dụng bộ biến đổi.Rôto này thường là loại rôto lồng sóc rãnh sâu, hoặc lồng kép nhằm để hạnchế dòng khởi động cho động cơ

- Việc tạo ra các cấp tốc độ khác nhau được thực hiện bằng cách thay đổi sốđôi cực của cuộn dây stato của động cơ

- Đặc tính cơ của động cơ được mô tả trên hình 2.4

Hình 2.4 Đặc tính cơ của động cơ

- Đặc tính 3 có tốc độ khoảng 1,3 m/s : Tốc độ dùng để nâng hạ hàng toàntải, Nâng hạ móc không

- Đặc tính 2 có tốc độ 0,65 m/s : Đây là tốc độ trung gian chuyển tiếp từ tốc

độ thấp lên tốc độ cao và ngược lại

- Đặc tính 1 có tốc độ 0,15 m/s : Tốc độ nhấc thử hàng hoặc đưa hàng chạmđất

-> Sở dĩ loại động cơ này hay được dùng vì nó có cấu tạo đơn giản, đápứng tương đối tốt các yêu cầu về tốc độ Đồng thời có trọng lượng và kíchthước nhỏ động cơ điện một chiều cùng công suất

Tuy nhiên việc điều chỉnh tốc độ không láng, mô men khởi động nhỏhơn so với động cơ một chiều

2.1.3 Hệ thống truyền động điện dùng Van - Động cơ xoay chiều.

Động cơ rôto lồng sóc có nhiều ưu điểm hơn hẳn động cơ một chiều.Tuy nhiên lại gặp một vấn đề khó khăn là vấn đề là quá trình điều chỉnh tốc

độ gặp khó khăn Ngày nay nhờ sự phát triển của khoa học kỹ thuật, dẫn đến

sự ra đời của các linh kiện bán dẫn Do đó đã xuất hiên một dạng truyền độngđiện mới trong thiết bị nâng hạ hàng Đó là hệ thống sử dụng Van – Động cơxoay chiều

Nhờ có phương pháp điều khiển mới này mà động cơ dị bộ lồng sóc sửdụng trong hệ thống có khả năng điều chỉnh tốc độ được dễ dàng hơn Sơ đồtổng quát (Hình 2.5)

Hình 2.5 Sơ đồ tổng quát hệ thống Van- Động cơ

- Ở hệ thống này quá trình đảo chiều được thực hiện nhờ công tắc tơ đảochiều Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào động cơ

Điện áp được thay đổi nhờ các cầu Tiristor (T –T hoặc T - Đ) với phươngpháp điều khiển pha Để mở rộng khoảng điều chỉnh của hệ thống người ta sửdụng mạch phản hồi âm tốc độ

- Bằng cách tính chọn hệ thống điều khiển tạo xung mở các Tiristor hợp lý

có thể tạo ra các đường đặc tính cơ trung gian một cách phù hợp với thiết bịnâng hạ hàng

Động cơ thực hiện là động cơ dị bộ rô to lồng sóc một cấp tốc độ Nhưvậy hệ thống này vừa tận dụng được những ưu điểm nổi bật của động cơ dị bộrôto lồng sóc, đồng thời khắc phục được những nhược điểm của động cơ này

+ Độ ồn trong quá trình làm việc nhỏ

+ Trọng lượng, kích thước của hệ thống giảm đáng kể

+ Gần như không có sự phát sinh tia lửa điện

2.1.4 Một số loại động cơ được dùng trong thực tế:

a Cần trục KONE [Tr 108,1]

Sức nâng 8 25÷ tấn

Chiều cao nâng hạ hàng với tải 25 tấn là 45+9m

Chiều cao nâng hạ hàng với tải 15 tấn là 37+9m

Khả năng quá tải : 125%

Tốc độ nâng: 80 m/ph (không tải) 40 m/ph (tải 36.5T)

- Động cơ dị bộ

Pdm = 300 kW

Udm = 440 V

ndm = 800/1600 rpm

2.2 Kết cấu cơ cấu nâng.

Ta xét cơ cấu nâng hạ hàng truyền động bằng động cơ điện của cần trục:

Hình 2.6 Cơ cấu nâng hạ hàng truyền động bằng động cơ điện

(1) Móc cẩu: Giữ hàng, bộ phận trung gian giữa cơ cấu nâng và hàng hóa.(2) Puly nâng: Giữ hướng cho móc cẩu (theo phương trọng lực), tham gia vào

cơ cấu ròng rọc cho phép tăng gấp đôi về lực nâng

(3) Blốc đầu cần: Thay đổi phương của lực tác dụng

2.3 Mô hình toán cơ cấu nâng.

2.3.1 Tính toán các tham số cơ bản của truyền động cơ cấu nâng.

Tham số cơ bản của truyền động cơ cấu nâng hạ cần phải tính toán làcông suất, mô men, tốc độ của động cơ phục vụ cho việc tính chọn sơ bộ côngsuất động cơ; Mô men cản cực đại phục vụ cho việc thiết kế cơ cấu hãm Từ

đó tính toán được giản đồ phụ tải đối với khoảng dịch chuyển, tốc độ và thờigian khởi động, hãm cũng như gia tốc cực đại của nó

Đặc điểm quan trọng của cơ cấu nâng hạ hàng là trọng tải hàng hoá Q(kg), tốc độ chuyển động của hàng hóa là VG (m/s ) theo đó khi biết được tỉ sốtruyền in của palăng có thể xác định được:

+ Sức căng của cáp trên trống tời là Sσ (KG)

+ Tốc độ dài trên trống tời là VK = VG.in (m/s)

Đường kính của cáp là dK và đường kính của tang quấn cáp của tờinâng là Dσ (m), thì công suất cần thiết của động cơ phải có là:

Trong đó: ηM là hiệu suất truyền của bộ cơ khí

ηn là hiệu suất truyền của palăng (ròng rọc)

Từ đó có thể tra cứu trong sổ tay cơ khí, động cơ cụ thể với tốc độ địnhmức là nĐC (vòng/phút)

Nếu trên tang quấn cáp được quấn nhiều lớp, thì đường kính của tangquấn được tính như sau:

Trong đó D0 đường kính theo tâm của lớp cáp

Mômen quay trên tang cáp được tính:

T

K

Dσ = Dσ + d (2m 1) −

60.V n

Tỷ số truyền của bộ truyền cơ khí được xác định như sau:

M

n i

nσ

Trong đó: nDC là tốc độ của động cơ; nσ là tốc độ của tang cáp

Để xác định mômen cần thiết được tạo ra từ cơ cấu hãm, khi tính toánnhất thiết phải kể đến tổn hao ma sát và đưa thêm hệ số dự trữ KH Hệ số dựtrữ thường được chọn khoảng 1,5; 1,75; 2,0 tuỳ thuộc vào chế độ làm việc củacần trục

Mômen hãm cần thiết được tính như sau:

2 '

H '

Để xác định các thông số động của cơ cáu nâng hạ, cần phải xác địnhlực cản tĩnh trong cơ cấu, mômen quán tính quy đổi các phần chuyển độngcủa nó kể cả tải trọng và ảnh hưởng của nó tới sự làm việc của truyền độngkhi khởi động và khi hãm Khi biết được tốc độ trên trục truyền động, hoặctốc độ hãm n0 (vg/ph), tỷ số truyền của bộ cơ khí iM, tỷ số truyền của các