Исследование горизонтальных инерционных нагрузок при передвижении мостовых кранов и разработка устройства для динамического торможения механизма передвижения

В принятых на ХХУ1 съезде КПСС «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1961 — 1985 годы и на период до 1990 года» /I/ особое внимание уделяется повышению производительности промышленного производства за счет комплексной механизации и автоматизации погрузочно-разгрузочных работ. В решении этой народнохозяйственной задачи большая роль принадлежит подъемно-транспортным машинам, которые в настоящее время из вспомогательного оборудования превратились в один из важнейших элементов транспортно-технологической цепи и наравне с технологическим оборудованием определяют производительность производствен ного процесса.

Мостовые краны являются одним из основных видов внутрицехового транспорта промышленных предприятий. В связи с этим важное значение имеют вопросы, связанные с совершенствованием методов расчета и улучшением рабочих характеристик мостовых кранов.

Необходимость совершенствования методов расчета, в частности повышения точности определения динамических нагрузок металлоконструкций мостовых кранов, обусловлена, с одной стороны, повышением скоростей грузоподъемных машин, более полным использованием их по грузоподъемности, нормированием допустимых уровней вибрации с санитарно-гигиенической точки зрения, а с другой — актуальностью вопросов экономии и рационального использования металла, идущего на изготовление конструкций. Актуальность этой проблемы подчеркивается тем, что в СССР только на изготовление новых грузоподъемных машин ежегодно расходуется более миллиона тонн стали, в том числе на производство мостовых кранов — свыше 200 тыс. тонн /2,3,4/. Завышение в расчетах значений динамических нагрузок приводит к повышению металлоемкости кранов, а их недооценка — к снижению надежности и долговечности машин, ухудшению условий работы машиниста.

В настоящее время не вызывает сомнений необходимость использования при расчетах динамических нагрузок грузоподъемных машин многомассовых динамических моделей. Однако пока нет единого мнения по составляющим компонентам динамической модели (сосредоточенным массам, способу учета приведенной силы привода и т. п.) при определении горизонтальных инерционных нагрузок металлоконструкций мостовых кранов.

Для всестороннего исследования переходных режимов передвижения мостового крана необходимо рассматривать его как электромеханическую систему, динамическая модель которой учитывает все основные динамические параметры (распределенную массу пролетного строения крана, электромагнитные переходные процессы в электродвигателе, диссипативные силы и т. д.). Применительно к изучению горизонтальных инерционных нагрузок металлоконструкции мостового крана такие исследования не проводились, что не позволяет оценить правомерность замены распределенной массы моста сосредоточенной, определить нагрузки в разных сечениях моста при различных положениях грузовой тележки, выявить влияние учета электромагнитных явлений в приводе на точность определения инерционных нагрузок и т. д.

Таким образом, представляют практический интерес исследования с целью обоснования целесообразных динамических моделей мостовых кранов с учетом точности и трудоемкости определения горизонтальных инерционных нагрузок.

Анализ работ по динамике мостовых кранов показывает, что одним из основных факторов, определяющих величину горизонтальных инерционных нагрузок металлоконструкции, является закон изменения движущей (тормозной) силы привода. Но даже сравнительно простая трехмассовая динамическая модель, учитывающая приведенную силу электродвигателя в виде статических характеристик, описывается нелинейными дифференциальными уравнениями второго порядка, которые можно решить только с помощью ЭВМ. Однако численные методы, как и методы электронного моделирования, дают решения, справедливые только для конкретных значений коэффициентов дифференциальных уравнений. Такие решения не позволяют судить о влиянии отдельных факторов на величину динамических нагрузок, намечать эффективные пути их снижения. Аналитическое решение можно получить лишь при рассмотрении существенно упрощенных динамических моделей (например, при допущении о постоянстве движущей силы привода), что может привести к совершенно неверным результатам /5/.

Таким образом, применение детерминированного подхода к исследованию динамики мостовых кранов не позволяет получить аналитическое решение уравнений движения, справедливое для рассматриваемой группы кранов. Поэтому представляется целесообразным применение к исследованию динамики кранов подхода, базирующегося на совместном использовании детерминированного метода и теории планирования эксперимента.

Наряду с совершенствованием методов расчета динамических нагрузок грузоподъемных машин весьма актуальными являются вопросы, касающиеся разработки и применения устройств", снижающих динамические нагрузки в периоды неустановившегося движения. В первую очередь это относится к процессу торможения кранов, так как распространенные в настоящее время автоматические нормально замкнутые колодочные тормоза имеют ряд недостатков, приводящих к резкому торможению, при котором возникают значительные нагрузки в элементах привода и металлоконструкции, интенсивное раскачивание груза. Исследования /6,7,8,9/ показывают, что для избежения этих недостатков обслуживающий персонал часто «распускает» колодочные тормоза, а торможение крана осуществляется электродвигателем в режиме противовключения. При этом снижается срок службы электродвигателей, а в случае внезапного (даже кратковременного) исчезновения электроэнергии могут произойти тяжелые аварии.

В связи с этим в последнее время находят широкое применение устройства для электродинамического торможения приводов передвижения грузоподъемных машин. Устройство для электродинамического торможения, с одной стороны, обеспечивает плавное торможение крана, вследствие чего существенно снижаются динамические нагрузки привода и металлоконструкции, уменьшается раскачивание груза, а с другой — повышает безопасность погрузочно-разгрузочных работ, так как позволяет отрегулировать колодочный тормоз на номинальный тормозной момент. При этом тормоз срабатывает либо после остановки крана, либо при исчезновении электроэнергии.

Форма механических характеристик двигателя в режиме электродинамического торможения определяется величинами тока возбуждения и сопротивлений резисторов в цепи ротора электродвигателя (при выбранной схеме подключения обмотки статора двигателя к источнику постоянного тока). Учитывая доминирующее влияние формы механических характеристик на характер и длительность процесса торможения крана, возникает необходимость проведения исследований по оптимизации механических характеристик асинхронного двигателя в режиме электродинамического торможения.

В настоящей работе решаются поставленные выше задачи по исследованию динамических нагрузок при передвижении мостовых кранов и разработке эффективных путей их снижения.

В первом разделе приведен обзор литературы и дан анализ существующих методов расчета и исследования горизонтальных инерционных нагрузок мостовых кранов. Сформулированы цели и задачи исследований.

Во втором разделе изложена сущность идеи и алгоритм методики расчета горизонтальных инерционных нагрузок мостовых кранов, базирующейся на совместном использовании детерменированного метода и теории планирования экспериментов. Показаны преимущества разработанной методики и области ее применения.

Третий раздел посвящен исследованиям, проведенным с целью обоснования целесообразных динамических моделей мостовых кранов с учетом точности и трудоемкости определения горизонтальных инерционных нагрузок. Рассмотрены динамическая модель мостового крана с распределенной массой пролетного строения, четырехи трехмассовая динамические модели. Исследовано влияние движущей и тормозной силы асинхронного электропривода в режимах противо-вклгочения и динамического торможения на горизонтальные инерционные нагрузки металлоконструкции мостового крана. При этом приведенная к ходовым колесам сила электропривода учитывалась с помощью как статических, так и динамических характеристик. Даны рекомендации по применению рассмотренных динамических моделей при расчете динамических нагрузок.

В четвертом разделе по разработанной методике в качестве примера получены полиномы, аппроксимирующие значения максимальных инерционных нагрузок мостовых кранов грузоподъемностью 20/5 т пролетами от 10,5 м до 34,5 м. Приведены удобные для практического использования графики зависимости максимальных инерционных нагрузок металлоконструкций от определяющих параметров мостовых кранов.

Пятый раздел посвящен оптимизации механических характеристик привода передвижения мостового крана в режиме электродинамического торможения. Оптимизация проведена методом крутого восхождения по обобщенному критерию, учитывающему величину максимальных инерционных нагрузок металлоконструкции и параметры производительности крана (время торможения, амплитуду отклонения груза от вертикали после остановки крана).

В шестом разделе описано разработанное с участием автора устройство для электродинамического торможения механизма передвижения мостового крана, приведены результаты экспериментальных исследований этого устройства.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

5.5. Выводы.

1. Разработанная методика оптимизации механических характеристик привода передвижения мостового крана в режиме электродинамического торможения является весьма эффективной и позволяет находить оптимальные по обобщенному критерию, включающему максимальные инерционные нагрузки металлоконструкции, время торможения крана и амплитуду раскачивания груза после остановки крана, механические характеристики привода.

2. При электродинамическом торможении мостового крана по оптимальной механической характеристике, по сравнению с торможением колодочным тормозом, существенно уменьшаются максимальная величина инерционных нагрузок металлоконструкции крана, амплитуда и время раскачивания груза после остановки крана. Поэтому электродинамическое торможение приводов передвижения мостовых кранов по оптимальным механическим характеристикам является эффективным средством снижения уровня динамических нагрузок мостовых кранов, повышения их производительности, улучшения условий работы машинистов кранов.

3. Для электродинамического торможения мостовых кранов грузоподъемностью 20/5 т и пролетом 28,5 м (с раздельным приводом механизма передвижения) может быть рекомендована механическая характеристика 2 на рис. 5.6, найденная в результате оптимизации.

6. РАЗРАБОТКА. И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО ТОРМОЖЕНИЯ МЕХАНИЗМА ПЕРЕДВИЖЕНИЯ МОСТОВОГО КРАНА.

6.1. Анализ режимов электродинамического торможения асинхронного электродвигателя с фазным ротором.

В настоящее время известно много различных схем электродинамического торможения асинхронного двигателя с фазным ротором. По способу возбуждения двигателя постоянным током их можно разделить на три группы: I) с независимым возбуждением- 2) с самовозбуяще-нием- 3) со смешанным возбуждением.

В схемах с независимым возбуждением питание на обмотку статора двигателя подается от отдельного источника постоянного тока /115,116,118/. Режим динамического торможения с независимым возбуждением позволяет плавно регулировать в широких пределах величину тормозного момента двигателя, что дает возможность значительно снижать динамические нагрузки при торможении и обеспечивает точную остановку механизма. При этом потери электроэнергии, по сравнению с торможением противовключением, невелики. Основным недостатком этого режима является необходимость применения достаточно мощного понижающего трансформатора для питания цепи возбуждения.

Режим динамического торможения с самовозбуждением основан на питании обмотки статора электродвигателя выпрямленным напряжением цепи ротора /112,113,119/'. В этом режиме, в отличие от предыдущего, нет необходимости в мощном питающем трансформаторе. Процесс торможения осуществляется по достаточно жестким механическим характеристикам, причем ток возбуждения автоматически зависит от нагрузки на валу электродвигателя. Это является достоинством при применении устройств для динамического торможения с самовозбуждением в механизмах подъема, где имеет место активный момент статической нагрузки. Однако использование таких схем в механизмах передвижения не всегда удобно, так как в начале процесса динамического торможения с самовозбуждением тормозной момент велик (что приводит к резкому торможению), а на низких частотах вращения двигателя — очень мал (вследствие чего затруднена точная остановка механизма). Кроме того, для крановых двигателей (например, серии МТГ, МТН) условие самовозбуждения часто не выполняется, поэтому необходимо в процессе торможения обеспечивать подпитку двигателя от отдельного источника постоянного тока. К недостаткам этого режима следует также отнести значительные трудности при осуществлении управляемого торможения, так как в этом случае необходимо применять сложные широтноимпульсные преобразователи, что значительно усложняет и удорожает схему.

В режиме динамического торможения со смешанным возбуждением по статорным обмоткам асинхронного двигателя с фазным ротором протекают постоянный ток, поступающий от отдельного источника (ток независимого возбуждения), и выпрямленный ток цепи ротора (ток самовозбуждения). Этот режим позволяет получить большое количество схем подключения обмоток статора двигателя /119/. В зависимости от схемы подключения двух выпрямителей определяется характер процесса торможения: в схемах с раздельным протеканием токов ток независимого возбуждения остается постоянным, а ток самовозбуждения уменьшается в процессе торможенияв схемах с совместным протеканием токов ток самовозбуждения также уменьшается, а ток независимого возбуждения возрастает. Основными недостатками режима динамического торможения со смешанным возбуждением являются необходимость в достаточно мощном понижающем трансформаторе (также, как для режима с независимым возбуждением) и сложность осуществления управляемого торможения.

Анализ рассмотренных режимов показывает, что торможение электроприводов передвижения мостовых кранов, с позиции снижения динамических нагрузок металлоконструкции и элементов привода, уменыпения (или исключения) раскачивания груза и т. д., наиболее целесообразно осуществлять в режиме динамического торможения с независимым возбуждением. При этом в качестве основного критерия, определившего выбор указанного режима, была принята возможность плавного регулирования величины тормозного момента в широких пределах, так как именно это обстоятельство позволяет получить оптимальные по динамическим нагрузкам, быстродействию и точности остановки механические характеристики электродвигателей.

6.2. Разработка функциональной и принципиальной схем устройства для динамического торможения.

Для экспериментальной проверки результатов теоретических исследований автором совместно с Л. Я. Будиковым и С. Н. Шевченко было разработано и изготовлено устройство для динамического торможения (УДГ) асинхронных электродвигателей механизмов передвижения грузоподъемных кранов, на которое получено положительное решение ВНИИГПЭ от 21.04.83 г. по заявке на изобретение № 3 527 618/24−11 (94 825). УДГ, смонтированное на базе выпрямительной станции ВС-10-Т4, показано на рис. 6.I. Функциональная схема УДГ приведена на рис. 6.2. УДГ асинхронного двигателя I, подключенного к сети через контакты 2, содержит трехфазный выпрямитель 3, вход которого подключен к обмотке ротора двигателя. Выход выпрямителя 3 через блок сравнения 4 и усилитель постоянного тока 5 подсоединен ко входу управляемого тиристорного выпрямителя 6, выход которого с помощью контактов 7 подключен к обмотке статора электродвигателя. Кроме того, к выходу выпрямителя 3 подсоединен один из входов блока сравнения 8, выход которого через усилитель 9 подключен к обмотке реле 10. Последнее управляет контактами 12, которые служат для подключения к сети привода толкателя нолодочного тормоза II.

Разработанное УДГ позволяет реализовать следующие режимы динамического торможения с независимым возбуждением:

Рис. 6.1. Устройство для электродинамического торможения 6.

Рис. 6.2. Функциональная схема УДГ .

Рис.б.З. Механические характеристики асинхронного электродвигателя, оснащенного УДГ.

— автоматический без обратной связи;

— автоматический с отрицательной обратной связью от обмотки ротора двигателя;

— управляемый (посредством педали).

УДТ работает следующим образом. В двигательном режиме контакты 2 и 12 (рис. 6.2) замкнуты, вследствие чего обмотки статора двигателя I и привод толкателя колодочного тормоза II подключены к сети трехфазного тока. При этом двигатель работает на механической характеристике I (рис. 6.3) в точке А, соответствующей моменту сопротивления М с .

Для осуществления автоматического режима динамического торможения без обратной связи (переключатель К разомкнут) командоконт-роллер необходимо переключить в «нулевое» положение. Тогда контакты 2 размыкаются, а контакты 7 замыкаются. При этом контакты 12 остаются замкнутыми, удерживая тормоз в расторможенном положении. С выхода выпрямителя 6 в обмотку статора электродвигателя I подается постоянный ток, создающий постоянное магнитное поле, которое индуктирует переменную ЭДС в обмотке вращающегося ротора. Под действием ЭДС в обмотке ротора двигателя появляется переменный ток. В результате взаимодействия тока обмотки ротора с постоянным магнитным полем возникает тормозной момент на валу двигателя. Вид механической характеристики двигателя (рис. 6.3, кривая 2) определяется величиной постоянного тока на выходе выпрямителя 6 и величиной сопротивления резисторов 13 (рис. 6.2) в цепи ротора.

Автоматический режим динамического торможения с отрицательной обратной связью позволяет ограничивать тормозной момент двигателя путем автоматического регулирования тока возбуждения в функции поддерживаемого постоянным выпрямленного тока ротора. Для осуществления этого режима переключатель К должен быть замкнут. При размыкании контактов 2 и замыкании контактов 7 электродвигатель стремится перейти с механической характеристики I (рис. 6.3) на механическую сарактеристику 3, которая выбирается, например, из условия обеспечения низкой скорости электродвигателя. При этом с выхода выпрямителя 3 на один из входов блока сравнения 4 подается выпрямленное тпряжение с обмотки ротора электродвигателя I. На другой вход блока 4 подается задающее напряжение игаРг, величина которого определяется необходимым тормозным моментом (например, Мт на рис. 6.3). элок 4 сравнивает обе величины напряжений и в зависимости от их соотношения формирует сигнал отрицательной обратной связи, подаваемый на зход усилителя постоянного тока 5. Когда напряжение на выходе выпрямителя 3 меньше заданного и^д «на входе усилителя 5 отсутствует сигнал отрицательной обратной связи. В этом случае с выхода усилителя 5 на вход тиристорного выпрямителя 6 подается напряжение, полностью отпирающее тиристоры, что приводит к возрастанию тока в цепи зтатора электродвигателя I и, следовательно, увеличению тормозного ломента. Если же напряжение на выходе выпрямителя 3 больше величины /.

11 гад «на выходе блока 4 появляется напряжение отрицательной обратной связи, что уменьшает выходной сигнал усилителя 5. В этом злучае уменьшается ток возбуждения в цепи статора, не позволяя значительно увеличиваться тормозному моменту электродвигателя, работа-ощего на механической характеристике 4 (рис. 6.3).

Таким образом, установив определенную величину можно получить необходимый тормозной момент при работе УДТ в автоматическом режиме.

Для обеспечения машиниста крана возможностью управления тормозным моментом в процессе торможения (что является целесообразным яа кранах, работающих с различными по весу грузами и осуществляющих торможение с разных по величине скоростей) в УДГ предусмотрен управляемый режим, осуществляемый с помощью специальной педали рис. 6.4 а, б). Педаль подключена к задатчику напряжения и позволяет плавно изменять последнее, что дает возможность желаемым.

Рис. 6.4,Педаль управления УДГ эбразом управлять тормозным моментом в процессе динамического тор-ложения и получать практически любую по форме механическую характеристику электродвигателя, ограниченную кривой 3 с одной стороны и моментом сопротивления с другой (см. например, характеристику 5, рис.б.З).

Для контроля динамического торможения (в любом из указанных режимов), а также с целью обеспечения возможности варьировать во времени отключение от сети колодочного тормоза 41и получения комбинированного торможения электродвигателем и тормозом, УДГ снабжено блоком сравнения 8, усилителем 9 и реле 10, которое управляет контактами 12. С выхода выпрямителя 3 напряжение ротора электродвигателя подается на один из входов блока сравнения. На другой вход блока. сравнения подается напряжение задатчика и^ад. Когда напряжение на выходе выпрямителя 3 больше величины и***., сигнал с выхода блока 8 поступает через усилитель 9 на обмотку реле 10. В этом случае контакты 12 замкнуты, колодочный тормоз разомкнут и торможение крана осуществляется двигателем в режиме динамического торможения. Если же напряжение на выходе выпрямителя 3 становится меньше величины ь11с|д, то на выходе блока 8 сигнал пропадает, а обмотка реле 10 обесточивается. В этом случае контакты 12 размыкап ются, а колодочный тормоз замыкается. Следовательно, изменяя изаЯ[ можно варьировать во времени замыкание колодочного тормоза в конце динамического торможения.

Принципиальная электрическая схема электропривода с УДГ приведена на рис.б.5. Схема функционально может быть разделена на три части:

— силовую схему;

— схему управления УДГ;

— схему управления тиристорами V 3, V 4.

Силовая часть схемы содержит: силовой трансформатор Т1- блок.

МО км км.

Рис. 6.5. Принципиальная схема УДТ. коммутации, содержащий контактор рабочего режиме КРР, контактор внешнего возбуждения КВВ, контактор подключения колодочного тормоза ККТ, реле переключения двигательного и тормозного режимов РП-мосто-вую схему, выполненную на двух тиристорах V 3, V 4 и двух диодах.

V I, V 2.

Схема управления УДГ содержит трехфазный выпрямитель (V 22 — V 27), два блока сравнения (V 28, Я 15, К 16) и (V 33, I? 13, I? 14), два усилителя постоянного тока (первый из которых собран на четырех транзисторах V 29 * V 32. второй — на двух транзисторах.

V 34, V 35) и реле контроля тока ротора РКГ.

Схема управления тиристорами V 3, V 4 состоит из двух фазо-вращающих мостов, образованных обмотками трансформатора Т5, конденсаторами С1, С2 и частью резистора (17 или), двух импульсных трансформаторов ТЗ, Т4, двух усилителей импульсов, собранных на транзисторах V 10, V II, которые работают в режиме ключей, раздельного трансформатора Т2 и двух диодов V?" V 8.

6.3. Экспериментальные исследования устройства для динамического торможения.

6.3.1. Цели и методика проведения экспериментальных исследований.

С целью проверки работоспособности УДГ, его надежности, оценки возможностей управления тормозным моментом в процессе динамического торможения с помощью педали, а также для проверки возможности получения оптимальных по быстродействию и динамическим нагрузкам механических характеристик двигателя в режиме динамического торможения, были проведены экспериментальные исследования. Экспериментальные исследования проводились на специально разработанном и смонтированном стенде, внешний вид которого вместе с регистрирующей аппаратурой и УДГ показан на рис. 6.6, а конструктивная схема стенда — на рис. 6.7. Асинхронный электродвигатель I с фазным ротором установлен.

15 /г.

Рис. 6.6. Стенд для комплексных испытаний УДТ: I — асинхронный электродвигатель с фазным ротором ШТ-312−8- 2 — качающаяся рама- 3 — коромысла- 4 — динамометрические кольца- 5 — муфтаб — вращающаяся масса- 7 — муфта- 8 — колодочный тормоз- 9 — качающаяся рама- 10 — УДТII — педаль управления УДГ- 12 — контроллер- 13 — ящик резисторов- 14 — осциллограф Н-П7- 15 — усилитель 8АНЧ-7М- 16 — электронный автомат, потенциометр ЭПР-09МЗ- 17 — блоки питания.

Гг «7 л гт и! «у-/i и ¦ 1—и i — ?1 п"^ СЗмЭ/.

9 4 3.

Д Рис.б.7. Конструктивная схема стенда.

-•/г.

Осцшмагра до Н 7.

БЛУ.

5 ПО гео.

— его.

Рис. 6.8. Схема подключения измерительной и регистрирующей аппаратуры на стенде. яа качающейся раме 2, которая через коромысла 3 соединена с динамометрическими кольцами 4, прикрепленными к неподвижному основанию стенда. Вал электродвигателя через муфту 5 соединен с вращающейся массой 6, состоящей из дисков, количество которых можно изменять без демонтажа стенда в зависимости от необходимого момента инерции. С противоположной стороны к вращающейся массе 6 через муфту 7 присоединен тормозной шкив колодочного тормоза 8. Последний установлен на качающейся раме 9 аналогично электродвигателю I. Электрическая схема управления электродвигателем соответствует схеме на рис. 6.5.

При проведении экспериментальных исследований измерялись и регистрировались следующие величины: I) тормозной (движущий) момент электродвигателя- 2) постоянный ток возбуждения, подаваемый в обмотку статора электродвигателя- 3) выпрямленное напряжение цепи ротора- 4) число оборотов электродвигателя- 5) тормозной момент колодочного тормоза с электрогидравлическим толкателем. Указанные величины записывались на фотобумагу шлейфовым осциллографом Н-117. Схема подключения регистрирующей аппаратуры показана на рис. 6.8.

Измерение тормозных моментов электродвигателя и колодочного тормоза проводилось с помощью тензометрических датчиков типа ПБА.-15−200, наклеенных на динамометрические кольца и включенных в мостовую схему усилителя 8АНЧ-7М (рис. 6.7 — 6.8).

Сигнал, пропорциональный току возбуждения в цепи статора электродвигателя, снимался с шунта 75ШСМЗ (Шн на рис.б.8), включенного на выходе тиристорного выпрямителя В£, а сигнал, пропорциональный току в цепи ротора электродвигателя, — с выхода выпрямителя В^.

Обороты двигателя записывались от датчика оборотов, изготовленного автором и состоящего из неподвижного герметичного контакта (геркона) и постоянного магнита, установленного на шкиве, который связан с валом двигателя ременной передачей (рис.б.9).

Рис. 6.9. Датчик числа оборотов электродвигателя.

Рис. 6.10. Тарировка момента электродвигателя.

Рис. 6.II. Тарировка тормозного момента колодочного тормоза.

Тарировка тормозных моментов электродвигателя и колодочного тормоза осуществлялась с помощью динамометра ДПУ-01 (рис. 6.10, 6. II), а токов статора и ротора — амперметром.

Технические данные экспериментального стенда:

Электродвигатель MTF 312−8, II квт, ПВ = 40 $,.

IV = 705 об/мин, Мк = 431 Нм, Лп = 2,8;

Контроллер кулачковый КНТ 61 А;

Ящик резисторов НФ-2 катал. № 2 ТД.754.006.36;

Тормоз колодочный ТКТГ-200 с электрогидротолкателем ТГМ-25;

Вращающаяся масса с моментом инерции 3 = <2,6 кгм2.

УДГ: входное напряжение — 380 В, выходное напряжение — 0 * 100 В, максимальный ток — 100 А, габаритные размеры — 1000×800×350, масса — 130 кг.

6.3.2. Результаты экспериментальных исследований и их анализ.

Экспериментальными исследованиями предусматривалось рассмотрение следующих переходных процессов: разгон вращающейся массы асинхронным электродвигателем с фазным роторомторможение вращающейся массы электродвигателем в различных режимах динамического торможенияторможение массы двигателем в режиме противо-включенияторможение вращающейся массы колодочным тормозом с электрогидротолкателем. На рис. 6.12 приведены типичные осциллограммы указанных переходных процессов. На осциллограммах приняты следующие обозначения: — постоянный ток возбулщения, протекающий по обмотке статора электродвигателя в режиме динамического торможенияп — частота вращения ротора электродвигателяМдмомент электродвигателяМкт — момент колодочного тормозаUpвыпрямленное напряжение обмотки ротора электродвигателя.

Рис. 6.12. Осциллограммы переходных процессов асинхронного электропривода: а) разгонб) динамическое торможениев) торможение противовклгочениемг) торможение колодочным тормозом.

Запись на осциллограммах одновременно момента и оборотов электродвигателя позволяет построить экспериментальные механические характеристики при различных режимах работы электродвигателя.

Схема подключения дополнительных резисторов в цепи ротора исследуемого двигателя показана на рис. 6.13, а величины их сопротивлений, замеренные с помощью измерительного автоматического процентного моста Е6−9, для всех положений рукоятки контроллера приведены в табл.6.I. Механические характеристики асинхронного электродвигателя МТК 312−8, соответствующие схеме подключения резисторов на рис. 6.13, показаны на рис. 6.14.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Анализ работ по динамике передвижения мостовых кранов показывает, что применение чисто детерминированного подхода к задачам динамики грузоподъемных машин часто не дает возможности получить одновременно точное и простое решение, позволяющее не только рассчитывать инерционные нагрузки, но и судить о влиянии основных факторов на неличину этих нагрузок, намечать эффективные пути их снижения.

2. На основе предлагаемого подхода к решению задач динамики грузоподъемных машин, базирующегося на совместном использовании детерминированного метода и математической теории планирования эксперимента, разработана инженерная методика расчета и исследования инерционных нагрузок грузоподъемных кранов. С помощью полиномиальных моделей, полученных по предлагаемой методике, можно также оценивать степень влияния кавдого из факторов и их взаимодействий на исследуемые инерционные нагрузки кранов, решать задачи синтеза оптимальных по динамичности грузоподъемных машин еще на стадии проектирования, когда неизвестны приемлемые значения динамических параметров крана и имеется возможность альтернативных решений.

3. В качестве примера получены полиномиальные модели для расчета и исследования максимальных инерционных нагрузок металлоконструкций мостовых кранов г/п 20/5 т. Построены удобные для практического применения графики линий равных уровней указанных нагрузок и графики их зависимостей от различных динамических параметров мостовых кранов.

4. Разработана математическая модель мостового крана, учитывающая распределенную массу пролетного строения и электромеханические переходные процессы в электроприводе механизма передвижения. Разработан алгоритм решения системы нелинейных дифференциальных уравнений, включающей уравнения в частных производных и обыкновенные дифференциальные уравнения.

5. Исследовано влияние приведенной силы привода передвижения мостового крана на величину и характер горизонтальных инерционных нагрузок в различных переходных режимах: двигательном, торможении противовключением, динамического торможения. Отмечена необходимость учета силы привода с помощью механических характеристик в расчетах инерционных нагрузок привода и металлоконструкции мостовых кранов.

6. Исследовано влияние электромагнитных переходных процессов в электроприводе на величину и характер динамических нагрузок в приводе и металлоконструкции мостового крана путем введения в математическую модель крана динамической характеристики.

7. Выбрана, теоретически и экспериментально обоснована наиболее приемлемая по точности и трудоемкости определения инерционных нагрузок динамическая модель мостового крана на основе исследования расчетных схем с сосредоточенными и распределенными параметрами пролетного строения, а также учета движущей (тормозной) силы привода в виде механических характеристик. Установлено, что расчет максимальных горизонтальных инерционных нагрузок мостовых кранов, с достаточной для практических целей точностью, можно осуществлять используя трехмассовую двухсвязную динамическую модель, в которой движущая (тормозная) сила привода учитывается с помощью статических характеристик. При расчете нагрузок в приводе механизма передвижения сила привода в общем случае должна задаваться динамическими характеристиками. Динамическую модель с распределенной массой пролетного строения целесообразно применять для уточненного расчета поперечных сил, изгибающих моментов, прогибов, скоростей и ускорений в интересующих сечениях моста крана при различном положении грузовой тележки.

8. Разработана методика оптимизации механических характеристик привода передвижения мостового крана в режиме динамического торможения по обобщенному критерию, включающему максимальные инерционные нагрузки металлоконструкции, время торможения крана и амплитуду раскачивания груза после остановки крана.

По обобщенному критерию проведена оптимизация механической характеристики привода передвижения мостового крана г/п 20/5 т в режиме динамического торможения, что позволило по сравнению с торможением колодочным тормозом уменьшить величину максимальных горизонтальных инерционных нагрузок на 18*20 $, амплитуду раскачивания груза в 2,4+3 раза.

9. Разработаны ФОРТРАН-программы для ЭЦВМ ЕС-1022, позволяющие: интегрировать дифференциальные уравнения, описывающие движение динамических моделей крана в переходных режимах, численным методом Рунге-Кутта и рассчитывать динамические нагрузки в приводе и металлоконструкции кранапроводить машинные эксперименты на математических моделях крана и вычислять по методу наименьших квадратов коэффициенты уравнений регрессии, аппроксимирующих значения максимальных динамических нагрузокстроить графики линий равных уровней аппроксимируемого параметра и графики статических и динамических характеристик асинхронных двигателей.

10. Разработано, изготовлено и испытано устройство для динамического торможения асинхронного электропривода (положительное решение от 21.04.83 г. по заявке на изобретение № 3 527 618/24−11), позволяющее осуществлять оптимальное по динамическим нагрузкам и быстродействию торможение мостового крана.

После экспериментальных исследований, подтвердивших надежность УДГ и стабильность параметров при работе в различных режимах (автоматическом без обратной связи, управляемом посредством педали, автоматическом с обратной связью от цепи ротора двигателя) было изготовлено три устройства, одно из которых внедрено на мостовом кране Ворошиловградского завода электронного машиностроения и проработало два года, второе передано для внедрения в ПО «Ворошиловградтепловоз», третье подготовлено для внедрения на Ворошиловградском машиностроительном заводе им. Пархоменко. Годовой экономический эффект от внедрения УДГ на одном мостовом кране составляет 4,2 тыс.рублей. Ожидаемый годовой экономический эффект от рекомендованного дальнейшего внедрения девяти устройств на мостовых кранах указанных заводов составит 37,8 тыс.рублей.

Результаты диссертационной работы приняты к внедрению на Запорожском энергомеханическом заводе и Александрийском заводе ГГГО им.60-летия Великой Октябрьской социалистической революции.