Мостовой кран ТЛС 5000

Реферат

Пояснительная записка содержит 49 страниц10 иллюстраций, 5 таблица, 5 использованных источников.

Ключевые слова: трансформатор, преобразователь частоты, асинхронный двигатель, скалярное управление. В данном дипломном проекте разработан электропривод механизма передвижения грузовой тележки мостового крана прокатсервиса 1 ТЛС 5000. В пояснительной записки рассмотрена технология работы и требования к электроприводу механизма передвижения грузовой тележки, произведен расчет упрощенной нагрузочной диаграммы. На основе данных, полученных при расчетах, произведен выбор электродвигателя, проверка его по нагреву и по перегрузке, представлен выбор основного электрооборудования и защиты электропривода. Разработана САР электропривода, представлены ее структурная и функциональная схемы. В связи с тем, что в качестве приводного двигателя выбран асинхронный электродвигатель, то разработанная САР, используя принципы скалярное управления, реализует закон управления при поддержании электромагнитного момента асинхронного электродвигателя. Для спроектированной системы управления производится расчет основных параметров объекта регулирования и соответствующих им регуляторов. Для разработанной САР была составлена математическая модель электропривода на основе математического пакета MathLAB Simulink, по которой получены графики переходных процессов.

СОДЕРЖАНИЕ

1   Технологические характеристики стана 5000 и режимов прокатки 4

2   Технология производства главных балок мостового крана. Назначение и конструктивные разновидности.. 10

3   Описание технологического процесса проектируемой мехатронной системы   11

3.1   Назначение, состав и техническая характеристика механизма. 11

3.1.1 Мост. 12

3.1.2 Механизм передвижения крана. 12

3.1.3 Механизм передвижения кабины.. 13

3.1.4 Механизм передвижения тележки. 13

3.1.5 Механизм главного подъёма. 15

3.1.6 Подъёмный захват. 16

3.2   Технология. 16

4   Характеристика основного электрооборудования.. 17

4.1   Расчёт статических моментов. 17

4.2   Предварительный выбор двигателя. 19

4.3   Технические характеристики электропривода. 21

4.4   Технические характеристики преобразователя частоты.. 22

4.6   Технические характеристики трансформатора. 23

5   Расчёт и построение статических характеристик.. 24

6   Защита электропривода.. 27

6.1   Защита от перегрузки и коротких замыканий. 27

6.2   Защита от перенапряжений. 28

6.3   Контроль изоляции. 28

7   Расчёт и построение тахограммы и нагрузочной диаграммы... 29

8   Предварительный расчет мощности двигателя, выбор двигателя и проверка по нагреву.. 34

9   Требования, предъявляемые к мехатронной системе.. 35

10 Разработка системы управления мехатронной системой.. 36

11 Моделирование работы мехатронной системы... 40

12 ТРЕБОВАНИЯ К СБОРКЕ И СВАРКЕ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ КРАНА ПРИ МОНТАЖЕ 44

13 МОНТАЖ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ КРАНА.. 46

14 Выводы... 48

Список использованных источников.. 49

1 Технологические характеристики стана 5000 и режимов прокатки

Стан 5000 ОАО “ММК” введен в эксплуатацию в 2009 г. и предназначен для прокатки листов одной четырехвалковой клетью с годовой производительностью прибл. 1,5 млн. т., толщиной 8 - 160 мм, шириной 900 - 4800 мм и длиной до 50 м из низколегированных и углеродистых сталей, а также высокопрочных сталей специального назначения. Большой сортамент продукции по пределу текучести и прочности варьируется от 235 Н/мм² до 1200 Н/мм².

Для изготовления толстого листа используются слябы соответствующего размера (толщина непрерывной литой заготовки до 350 мм) и осуществляются целые серии технологических операций определенным и повторяемым способом. Эти операции состоят из нагрева сляба до прокатной температуры, прокатки, охлаждения, резки на мерные длины, термообработки (при необходимости), испытаний и контроля.

На прокатном стане используется исходный материал в виде непрерывно-литых слябов. Непрерывно-литые слябы получаются на установке непрерывной разливки стали (МНЛЗ) в слябы в подразделении ККЦ ОАО «ММК». Они передаются на склад слябов прокатного стана железнодорожным транспортом.

Холодные слябы краном с магнитной подвеской транспортируются на подающий рольганг печи, а затем загрузочным рольгангом печи - к одной из нагревательных печей. На подающем рольганге печи установлено взвешивающее устройство.

Слябы загружаются в печь загрузочным устройством и подогреваются до требуемой температуры, которая зависит от сорта стали: для углеродистых сталей - до 1150-1250°С, а для высокопрочных низколегированных сталей (HSLA) с последующей термомеханической прокаткой - до 1100-1150°С.

По истечении соответствующего времени нагрева слябы выгружаются машиной выгрузки слябов. После операции выгрузки слябы транспортируются на первичный окалиноломатель.

Датчик наличия горячего металла, расположенный перед первичным окалиноломателем (гидросбивом), включает процесс водоструйной обработки. Для получения оптимальных результатов сляб проходит через коробку гидросбива окалины с определенной скоростью. Подача воды прекращается после того, как задний конец сляба выйдет из коробки окалиноломателя.

Очищенный от окалины сляб передается подающим рольгангом на четырехвалковую клеть, оборудованную поворотными столами и боковыми направляющими на входной и выходной стороне.

Теперь сляб находится в линии стана. Стан состоит из 4-валковой реверсивной клети, вертикального эджера, расположенного за клетью и поворотного стола с боковыми линейками перед и позади клети. В зависимости от режима прокатки, сляб можно развернуть перед и/или за клетью.

В зависимости от режима прокатки, листы могут быть прокатаны за один проход (Нормальная Прокатка) или оставляются на рольганге для промежуточного охлаждения (прокатка при контролируемой температуре или термомеханическая прокатка). Предусмотрена автоматическая система для приема нескольких раскатов на этих рольгангах. Для исключения образования температурных следов и повреждения роликов слябы движутся возвратно-поступательно (oscillate). Требуемое время промежуточного охлаждения определяется режимом прокатки. Процесс прокатки включает три основные стадии:

· стадия калибровки: продольный(е) проход(ы) для обеспечения постоянной и точной толщины слябов

· стадия поперечной прокатки: после разворота на 90° выполняются поперечные проходы для получения заданной ширины листа

· редукционная стадия: после разворота на 90° производятся продольные проходы до достижения заданной толщины листа.

В отношении процесса прокатки могут применяться три технологии:

· нормальная прокатка,

· контролируемая прокатка

· термомеханическая прокатка.

Термомеханическая прокатка применяется для микролегированных и высокопрочных низколегированных сталей.

Процесс термомеханической прокатки характеризуется прокаткой за две или три фазы.

На первой фазе сляб редуцируется до толщины в 2,5 - 4,0 раза большей, чем конечная толщина листа. Черновой раскат охлаждается приблизительно до 850 °С, после чего начинается вторая фаза прокатки до конечной толщины листа.

Путем комбинации соответствующих микролегирующих элементов и прокатки в специальном температурном диапазоне можно избежать рекристаллизации стали и полученная микроструктура обеспечивает высокую прочность и хорошую вязкость.

Что касается компоновки оборудования на участке прокатки, то расстояния между передней и задней сторонами клетей и соседними машинами принималось с учетом многолистовой термомеханической прокатки. Благодаря этому значительно сокращены производственные потери на промежуточное охлаждение.

Прокатка высокопрочных низколегированных сталей при температуре окружения на второй фазе термомеханического процесса сопряжена с высоким сопротивлением деформации и, следовательно, с высокими значениями давления металла на валки и крутящими моментами. 4-валковая клеть разработана с учетом этих больших нагрузок.

После чистовой прокатки листы передаются отводящим рольгангом и входным рольгангом машины предварительной правки на машину предварительной правки.

После чистовой прокатки лист уходит с чистовой клети и транспортируется в направлении системы ламинарного охлаждения. В зависимости от материала и соответствующей технологии лист пропускается сквозь систему охлаждения без его охлаждения или подвергается обработке (ускоренное контролируемое охлаждение (АСС) или закалка - DQ). Охлаждение может производиться либо в один проход, либо это будет возвратно-поступательное (oscillating) охлаждение с соответствующими параметрами расхода воды и скорости охлаждения.

Возможности системы охлаждения обеспечивают широкий диапазон сортамента и создание в будущем новых марок сталей. Процесс охлаждения должен автоматически контролироваться на базе математических моделей, определяющих расход воды и режим охлаждения.

После этого листы покидают участок охлаждения и поступают на машину горячей правки (МГПЛ). В зависимости от результатов правки МГПЛ может править листы за один проход или несколько проходов с реверсированием. Эту процедуру оператор МГПЛ может задавать в индивидуальном порядке.

МГПЛ имеет несколько схем регулировки и систему сервогидравлическогопозиционирования с возможностью установки позиции под нагрузкой. Элементы системы регулирования должны автоматически контролироваться с применением математических моделей.

После правки, листам присваивается идентификационный номер (ID). Он наносится маркировочной машиной, расположенной непосредственно за МГПЛ.

Некоторые марки стали HSLA (низколегированные высокопрочные) требуют медленного охлаждения после процесса прокатки и противофлокенногоохлаждения. Для этого листы будут сниматься с рольганга и штабелироваться для медленного охлаждения. После истечения требуемого времени охлаждения листы снова помещаются на рольганг.

Затем листы поступают на участок холодильников, загружаются на холодильник и передаются на сторону разгрузки холодильника. Скорость передачи зависит от производственного маршрута и (или) температурных требований. Модель охлаждения вычисляет температуру листа. Разгрузочное устройство переносит листы с холодильника на выходной рольганг холодильника.

Тип холодильника - с шагающими балками. Он снабжен необходимым вспомогательным оборудованием (входной и выходной рольганги, загрузочное и разгрузочное устройства).

После снятия с холодильника листы транспортируются на входной рольганг инспекционного стеллажа.

Все листы толщиной до 50 мм следуют по главному маршруту материалопотока и передаются на инспекционный стеллаж цепного типа, оборудованный входным и выходным рольгангами.

В средней части инспекционного стеллажа установлен кантователь листов. Локальные дефекты поверхности устраняются абразивной зачисткой.

За инспекционным столом установлено устройство ультразвукового контроля для проверки внутреннего качества листов.

Затем листы транспортируются рольгангом на концевые ножницы, где производится отрезка переднего и заднего концов, а если необходимо, предварительное деление раската. Обрезь транспортируется лотками и ленточным конвейером в скрапную яму.

Дальше установлены двусторонние кромкообрезные ножницы (СКОН) для обрезки кромок листа на нужную ширину.

Позиционирование листов перед ножницами производится вручную магнитным устройством позиционирования с применением лазерного указателя линии резки. Автоматическое продвижение листов обеспечивается блоками тянущих роликов, установленными перед ножницами и за ними. Образующийся при обрезке боковых кромок скрап транспортируется по лоткам и ленточному конвейеру в скраповый контейнер, установленный за пределами этого пролета.

Непосредственно за двусторонними кромкообрезными ножницами располагаются ножницы продольной резки, с помощью которых одновременно с обрезкой кромок производится раскрой на два узких листа. Это обеспечит повышение производительности стана в случае прокатки узкого листа. Автоматическое продвижение листов производится блоком протяжных роликов, установленным за ножницами.

После обрезки кромок и продольной резки листы транспортируются рольгангом к делительным ножницам для резки на мерные длины.

Позиционирование листов перед резкой производится магнитными устройствами позиционирования, а автоматическое продвижение - блоком протяжных роликов, установленным перед ножницами. Лазерная измерительная система, установленная со стороны входа, и измерительный ролик, расположенный со стороны выхода, предусмотрены для фиксации требуемой длины для деления листов.

Обрезь транспортируется по лоткам и ленточным конвейером на скрапныеприямки.

Образцы транспортируются по лоткам и ленточным конвейером на ножницы резки образцов. Ножницы резки образцов включают входной рольганг, ножницы резки образцов (гидравлического типа), лотки и бадьи для скрапа и образцов. После сбора образцов они будут передаваться в испытательную лабораторию для дальнейшей обработки.

После деления листы транспортируются рольгангами на маркировочно-клеймовочную машину и инспекционную площадку.

Маркировочно-клеймовочная машина наносит на поверхность листа краской и/или клеймением всю цифровую и буквенную информацию, требуемую стандартом или покупателем.

После маркировки и осмотра листы передаются на отделочную линию или линию термообработки для дальнейшей обработки. В основном это штабелирование, зачистка, холодная правка, нормализация, закалка и отпуск.

Машина холодной правки листов в основном применяется для меньших толщин листов.

Для предварительного штабелирования листов используется штабелер. Штабелер состоит из двух секций, каждая из которых рассчитана на максимальную длину листа 8 м. В состав оборудования для штабелирования входят козловые краны с электромагнитом, которые снимают по одному листы с рольганга и производят предварительное штабелирование максимум по 3 листа.

После предварительного штабелирования листы передаются на шлепперы.Цепныешлепперы будут в качестве буффера между рольгангом и мостовыми кранами.

Штабели листов будут сниматься со шлеппера мостовыми кранами и помещаться на склад готовой продукции. Общая технологическая схема представлена на рисунке 1.1.

Рис 1.1 – Общий вид ТЛС 5000

2 Технология производства главных балок мостового крана. Назначение и конструктивные разновидности

Главная (пролетная) балка является основным несущим узлом крановых металлоконструкций. К главным балкам крепят рельсы и площадки для механизма передвижения и для троллеев. Главную балку выполняют в виде решетчатой фермы из профильного проката или из листа двутаврового или коробчатого сечения. На показаны сечения типовых сварных балок из листовых прокатных и гнутых элементов. Изготовление балок коробчатого сечения в отличие от решетчатой фермы из профильного проката позволяет широко применять механизированные способы сварки.

Получить тонкие стенки в профильном прокате затруднительно, а лист можно подобрать любой толщины. Сварные балки из гнутых листовых элементов наиболее технологичны, так как имеют меньшую массу и меньший объем сварочных работ. Местные штампованные выступы в листовых элементах конструкций значительно снижают деформацию таких конструкций в процессе сварки. Вырезные окна в балках позволяют снизить массу конструкции.

Главные балки коробчатого сечения в зависимости от грузоподъемности моста и его пролета отличаются, в основном, только размерами сечения и количеством ввариваемых диафрагм. Это позволяет для разных мостов создать типовые технологические процессы изготовления главных балок. Все стыки вертикальных стенок листовых коробчатых конструкций выполняют сваркой встык, без накладок, так как они снижают вибрационную прочность соединения. Сборку и сварку металлоконструкций следует производить в соответствии с рабочим чертежом, заводскими нормалями и ГОСТ 24378 —80.

Технические требования на изготовление следующие:

1.   Отклонение от прямолинейности главной балки в горизонтальной плоскости, измеренное по верхнему поясу, допускается O = LK/2000, где LK —пролет крана, мм.

2.   Скручивание коробчатых и двутавровых главных балок, измеренное по крайним большим диафрагмам, допускается S = LK/1000.

3.   Отклонение от плоскостности (вогнутость или выпуклость) в коробчатых или двутавровых балках на участке между соседними большими диафрагмами допускается: поясов в растянутой зоне sx, в сжатой зоне sx 5 мм, где sx — толщина пояса, мм; вертикальных стенок L = 3s, где s —толщина стенки, мм.

4.   Отклонение от плоскостности (волнистость) листов настила площадок, расположенных на мосту крана, допускается f/L 10/1000 мм.

5.   Отклонение от вертикали боковых стенок по высоте балки, замеренное по большим диафрагмам, допускается 6Н/125, мм

6.   Отклонение осевых линий решетчатых ферм от проектной геометрической схемы не должно превышать m=5 мм для главных и т=10 мм для вспомогательных ферм.

7.   В двутавровых и коробчатых балках стыки поясов должны быть смещены по отношению к стыкам стенок не менее чем на 300 мм и не должны располагаться в одном поперечном сечении и находиться от диафрагмы не менее чем на 100 мм.

8.   Стыки элементов поясов, состоящие из уголков, должны находиться в пределах узловых косынок и отстоять от кромок косынок не менее чем на 200 мм.

9.   Стыки вертикальных листов (стенок) должны располагаться симметрично относительно середины балки.

3 Описание технологического процесса проектируемой мехатронной системы

3.1   Назначение, состав и техническая характеристика механизма

Кран мостовой электрический С01 (С02) предназначен для перемещения стального листа, в производственных помещениях цеха. Имеет подвешенный на крюк клещевой зажим для перемещения стальных листов разных размеров.

Максимальные характеристики одного захвата при перевозке стальных листов:

-   толщина 300 мм;

-   ширина 2700 мм;

-   длина 4800 мм;

-   масса 30,52 т;

Кран С01 (С02) состоит из:

1 Электрооборудование;

2 Первая (главная) тележка;

3 Механизм передвижения крана;

4 Мост;

5 Механизм (кабельный барабан) управления магнитной траверсы;

6 Передвижная кабина управления;

7 Автоматические клещи для 30 т листовой заготовки (см. рис. 11);

8 Вторая (вспомогательная) тележка.

Кран состоит из двух пролётных и двух концевых балок с одной тележкой. Кабина управления предусмотрена передвижной.

3.1.1   Мост

Мост крана 40/10 т состоит из главных балок, концевых балок, лестниц, ограждений, площадки и держателя для кабелей.

Главная балка представляет собой сварную конструкцию с коробчатым сечением. Концевая балка представляет собой жёсткую металлическую сварную конструкцию.

Крановщик и обслуживающий персонал имеет возможность прохода через дверь концевой балки и через площадку в помещение электрооборудования и в кабину. Также есть вход в кабину через сторону конечного цеха. На двери концевой балки и на площадке механизма передвижения крана установлены защитные блокировки.

На месте между дверью кабины управления и краном предусмотрена защитная блокировка.

Необходимо периодически проверять обтяжку соединений болтами главных и концевых балок, их деформацию, своевременно проводить регулировку и замену. Замерять кривизну пролётных балок, проверять болты на прижимной планке и своевременно проводить регулировку.

3.1.2   Механизм передвижения крана

Механизм передвижения крана представляет собой четыре комплектных отдельных привода по четырём углам. Количество приводных колёс составляет половину общего количества колёс.

При периодическом обслуживании необходимо проверять соединение болтов универсальной муфты вала низкой скорости, проверять износ тормоза, выработку муфты вала высокой скорости и уплотнение буфера, отсутствие утечки и вытекания во избежание потери реактивной силы.

3.1.3   Механизм передвижения кабины

Механизм передвижения кабины состоит из кабины, механизма передвижения, рамы и площадки.

Механизм передвижения комплектуется редукторами, состоящими из трёх частей производства SEW, исполнение привода - вертикальный противороликовый привод, смонтирована установка противососкальзывания с рельса. Предусмотрена блокировка между механизмом передвижения кабины управления и краном. При передвижении необходимо часто осматривать равномерное прилегание между установкой противососкальзывания и рельсом, свободный поворот колёс, и периодически выполнять работу наливания смазкой в подшипник колёс, проверять параллельность двух колеса и гарантировать прилегание колёс к рельсу посередине.

3.1.4   Механизм передвижения тележки

Механизм передвижения тележки (рисунок 2) является централизованным приводом двух сторон. Ведущие колеса занимают половину из общего количества колёс, тормоз представляет собой гидравлическое толкающее устройство, редукторы представляет собой вертикальный редуктор, среднежёсткой поверхностью, с корпусом в виде сварной коробки, муфта представляет собой барабанную зубчатую муфту, колеса представляют собой кованные или прокатные колеса с двумя ребордами. Подшипниковая коробка колёс представляет собой наклонным сечением коробки с углом 45°, на конструкции предусмотрена точка для подставки домкрата, на всех подвижных частях установлены защитные кожуха, на механизме привода крана смонтированы устройство для подметания рельса и полиуретановый буфер.

Исполнение соединения между редуктором и колесом: барабанная зубчатая муфта + приводной вал со шпонкой.

Рисунок 2 – Общий вид тележки

При повседневном обслуживании необходимо наблюдать работу муфты, сохранять чистоту поверхности тормозного колеса от масла, грязи, контролировать износ тормозного колеса. Необходимо часто проверять уровень масла в редукторе и состояние зубов редуктора, без сплошного шума, неравномерного погрева, выбрации и утечки масла

3.1.5   Механизм главного подъёма

Механизм главного подъёма применяется одним редуктором. Он состоит из:

1 редуктора;

2 группы барабанов;

3 предельного механизма;

4 неподвижных блоков;

5 тормоза;

6 электродвигателя;

7 тормозного колеса;

8 балансировочного плеча

9 и других узлов.

Неподвижные блоки размещены на держателях (стойках) тележки и установки балансировочного механизма каната.

Датчик ограничителя грузоподъёмности расположен под опорной подвеской неподвижного блока.

Предусмотрен защитный предельный выключатель для механизма главного подъёма, на месте приближения к верхнему предельному положению (сигнализация). Предусмотрена система контрольной сигнализации сверхскоростного выключателя и перегрузочного ограничения. Соединение между редуктором и барабанам применяется муфтой шаровой, на вале высокой скорости двигателя смонтирован шифратор.

Корпус барабана: спаренный барабан представляет собой стальной лист Q345B с завивкой и сваркой, коротковаловая конструкция. При изготовлении проводится проверка методом ультразвуковой дефектоскопии и магнитной дефектоскопии на участках стыка барабана и углового сварочного шва. По краям барабана предусмотрена реборда, высота которой не менее двух диаметров стального троса. Отношение диаметра барабана и диаметра стального троса по сгибаемости составляет 25; по жёсткости 30,77. Снизу смонтирована защитная установка барабана. При опускании крюка до нижнего предельного положения, должно обеспечиваться сохранение не менее двух витков наматывания троса на барабан на случай не постоянного числа витков троса.

Стальной канат: применяется изделие 6х36WS, соответствует требованиям стандарта GB8918-96 или его российского аналога. Смазка стального каната используется смазочным приспособлением. Место предусмотрено на неподвижном блоке полиспаста. Стальной канат для подъёма груза применяется односторонним скручивающим тросом, коэффициент использования стального каната составляет 10,8. Отношение диаметра троса с диаметрами блока и канавки троса барабана составляет 25.

Уравнивание стального троса применяется конструкцией уравнительного рычага. Наконечник троса закрепляется наклонным клином и канатным зажимом.

3.1.6   Подъёмный захват

Контролирующий крюк применяется крюком со штамповкой, тип стали DG20Mn. Головка крюка свободно поворачивается. Есть возможность надёжно зафиксировать с помощью закладного штыря. Применяется противососкальзывающее устройство.

3.2   Технология

Подъёмный кран представляет собой грузоподъёмную машину циклического действия, предназначенную для подъёма и перемещения груза, удерживаемого грузозахватным устройством. Представляет собой мост, перемещающейся по крановым путям на ходовых колёсах, которые установлены на концевых балках. Пути укладываются на подкрановые балки, опирающиеся на выступы верхней части колонны цеха. Механизм передвижения крана установлен на мосту крана. Управление всеми механизмами происходит из кабины прикреплённой к мосту крана. Привод ходовых колёс осуществляется от электродвигателя через редуктор и трансмиссионный вал.

По мосту крана для обеспечения возможности перемещения грузов в поперечном движению моста крана направлении перемещается тележка. Она имеет тривиальный цикл работы. В начале происходит разгон тележки с поднятым грузом с постоянным ускорением, равным 0,25 м/с². После разгона, тележка перемещается с постоянной скоростью, в диапазоне от 6,5 м/мин для тяжёлых или парусных грузов, до 65 м/мин для лёгких и непарусных грузов. Торможение происходит с тем же модулем ускорения – 0,25 м/с².

После остановки тележки с грузом, запускается привод главного подъёма, который опускает груз. Высота подъёма и опускания груза ограничена 16 метрами, а скорость опускания и подъёма груза ограничена 11 м/мин.

После разгрузки, тележка разгоняется с ускорением 0,25 м/с² до скорости от 6,5 м/мин до 65 м/мин и двигается в обратном направлении. Перед конечной точкой, тележка замедляется с постоянным модулем ускорения, равным 0,25 м/с² таким образом, что в момент остановки оказывается в нужном месте.

  Рисунок 3 – Кинематическая схема передвижения тележки мостового крана:

1 – двигатель; 2 – редуктор; 3 – муфта; 4,5 – колёса; 6 – тормозной механизм.

4 Характеристика основного электрооборудования

4.1   Расчёт статических моментов

Сопротивление передвижению тележки при установившемся режиме работы определяют по формуле:

где Q – номинальный вес поднимаемого груза, Н;

G_т = 172000 – собственный вес крановой тележки, Н;

D_к = 0,25 – диаметр ходового колеса тележки, м;

d = 0,07 – диаметр цапфы, м;

f = 0,015 – коэффициент трения в подшипниках колёс;

µ = 0,0003 – коэффициент трения качения колеса по плоскому рельсу, м.

k_p = 2,5 – коэффициент, учитывающий сопротивление от трения реборд колёс о рельсы и от трения токосъёмников о троллеи;

? = 0,002 – расчётный уклон наклона подкранового пути;

F_в – сопротивление передвижению от действия ветровой нагрузки.

При расчёте мостовых кранов, работающих в закрытых помещениях, принимают F_в=0.

Отсюда, сопротивление тележки с максимальным грузом (30 тонн) равно:

А сопротивление тележки без груза равно:

Статический момент определяется:

где  – передаточное число редуктора;

 – КПД редуктора.

Отсюда, статический момент с грузом равен:

А статический момент без груза равен:

4.2   Предварительный выбор двигателя

Ориентировочная мощность двигателя определяется по работе с максимальной нагрузкой следующим образом:

где  – номинальная скорость тележки, м/мин;

 – максимальная передвигаемая масса;

 = 0,25 – номинальное ускорение тележки, м/с².

Скорость вращения двигателя при номинальной скорости движения тележки равно:

По рассчитанной мощности и скорости делаем предварительный выбор двигателя.

Возьмём двигатель серии 4A160S2Y3 мощностью 15 кВт и номинальной скоростью 303,7 с^-1.

4.3   Технические характеристики электропривода

Основные параметры двигателя указаны в таблице 1.

Таблица 1 – Параметры двигателя 4A180S2Y3

4.4   Технические характеристики преобразователя частоты

В таблице 2 представлены технические данные преобразователя частоты 6SL3210-1KE24-4AF. Принципиальная схема преобразователя частоты представлена на рисунке 4.

Таблица 2 ? Технические характеристики ПЧ 6SL3210-1KE24-4AF

Рисунок 4 – Принципиальная схема преобразователя частоты

4.6   Технические характеристики трансформатора

Для питания ПЧ с номинальным напряжением 0,4 кВ от сети с напряжением 10 кВ необходим понижающий трансформатор со следующими параметрами:

Эти параметрам соответствует трансформатор ТМ-25 10/0,4-У1 фирмы Транс-КТП. Его параметры указаны в таблице 3.

Таблица 3 ? Технические характеристики трансформатора

Номинальный токтрансформатора:

Полное сопротивление фазы трансформатора, приведённое к вторичной обмотке:

Активное сопротивление фазы трансформатора:

Индуктивное сопротивление фазы трансформатора:

Индуктивность фазы трансформатора:

5 Расчёт и построение статических характеристик

Механическая характеристика может быть получена из формулы Клосса:

где  – критический момент двигателя;

 – скольжение;

 – скольжение, при критическом моменте.

где  – активное сопротивление статорной обмотки;

 – приведённое активное сопротивление роторной обмотки.

Критический момент в зависимости от частоты и напряжения выражается:

где  – номинальный критический момент;

 – номинальное фазное напряжение;

 – номинальная частота.

Отсюда следует, что при увеличении частоты критический момент будет уменьшаться. Для того чтобы поддерживать постоянный критический момент, надо увеличивать напряжение по следующей зависимости:

Скорость двигателя из скольжения выводится так:

Теперь построим естественную механическую характеристику, а также механическую характеристику с частотой, равной 70 Гц с коррекцией момента напряжением и без.

Полученные графики отображены на рисунке 5.

Рисунок 5 – Механические характеристики АД двигателя

6 Защита электропривода

6.1   Защита от перегрузки и коротких замыканий

Для защиты силовых вентилей полупроводниковых преобразователей при внешних и внутренних коротких замыканиях применяются быстродействующие плавкие предохранители.

Плавкий предохранитель выбирается исходя из следующих условий:

Под эти параметры подходит предохранитель ППН-33 УХЛ3 со следующими параметрами:

Автоматические выключатели являются защитными аппаратами многократного действия и предназначены для защиты электроприводов и преобразователей электрической энергии от внешних коротких замыканий и перегрузок.

Выбор автоматического выключателя для электродвигателя и непосредственного преобразователя частоты (устанавливается на стороне напряжения низкой частоты) совершается исходя из следующих условий:

Этим условиям соответствует автоматический трёхполюсный выключатель SH203L C50 фирмы ABB с номинальным напряжением 380 В и номинальным током 50 А.

6.2   Защита от перенапряжений

Для защиты тиристоров инвертора, в преобразователь частоты Sinamics G120C встроены диоды, параллельные тиристорам.

Также в ПЧ встроен сетевой дроссель 6SE6400-3CC05-2DD0 для уменьшения гармоник токов со стороны сети; тормозной резистор  6SE6400-4BD21-2DA0; а также фильтр ЭМС  6SL3210-5BE31-8CV0 для обеспечения электромагнитной совместимости сети и соответствия международным стандартам  EN 61800-3 / EN 55011.

6.3   Контроль изоляции

Устройство контроля изоляции (IMD) прикладывает напряжение постоянного или низкочастотного переменного тока между электросетью и землёй. Затем измеряется результирующий ток, протекающий через IMD, по которому вычисляется величина изоляции.

На стороне переменного тока низкого тока низкого напряжения, перед и после преобразователя частоты ставится узел контроля изоляции тока на землю Vigilohm XL308 фирмы SchneiderElectric с параметрами, указанными в таблице 4.

Таблица 4 – Параметры узла контроля изоляции

7 Расчёт и построение тахограммы и нагрузочной диаграммы

Момент инерции тележки без груза, приведённый к валу двигателя, будет определяться так:

Момент инерции тележки с грузом, приведённый к валу двигателя, будет определяться так:

Динамический момент без груза равен:

Динамический момент с максимальным грузом равен:

Момент при разгоне тележки с грузом:

Момент при торможении тележки с грузом:

Момент при разгоне тележки без груза:

Момент при торможении тележки с грузом:

Время разгона и торможения тележки:

Время передвижения тележки с номинальной скоростью при максимальном перемещении:

где L = 24,3 – максимальное расстояние перемещения тележки, м.

Время опускания груза ориентировочно равно:

где h – максимальная высота подъёма груза;

V_под – номинальная скорость подъёма груза.

По полученным значениям моментов двигателя строим нагрузочную диаграмму (рисунок 6).

Рисунок 6 – Нагрузочная диаграмма и тахограмма привода перемещения тележки крана

8 Предварительный расчет мощности двигателя, выбор двигателя и проверка по нагреву

Проверим двигатель по эквивалентному моменту:

Эквивалентный момент меньше номинального момента двигателя (49,4 Нм), значит, двигатель проходит проверку по перегреву.

Максимальный момент двигателя при работе равен 67,3 Нм, что меньше, чем пусковой ток двигателя. Это значит, что выбранный асинхронный двигатель, сможет выработать такой момент.

Двигатель подходит по нагреву и перегрузке. Значит, окончательно принимаем его.

9 Требования, предъявляемые к мехатронной системе

Для качественного выполнения подъёма, спуска и перемещения грузов электропривод крановых механизмов должен удовлетворять следующим основным требованиям:

-   Регулирование скорости привода должно осуществляться в диапазоне 10:1 для обеспечения диапазона скоростей перемещения грузов различной инерционности и парусности;

-   Жёсткость механических и регулировочных характеристик привода должна обеспечивать постоянство скоростей независимо от груза;

-   Ускорение тележки должно быть ограничено 0,25 м/с² для предотвращения пробуксовки ходовых колёс;

-   Длительность переходных процессов должна быть минимальна для обеспечения высокой производительности крана;

-   Реверсирование электропривода и обеспечение его работы как в двигательном режиме, так и в тормозном режиме.

1)    

10 Разработка системы управления мехатронной системой

Скалярное управление. Особенность скалярного управления заключается в его распространенности, а область применения связана с приводами насосов и вентиляторов. Кроме этого, частотные преобразователи со скалярным методом управления используют там, где важно поддерживать определенный технологический параметр. Им может быть, например, давление в трубопроводе. Изменение амплитуды, а также частоты питающего напряжения выступает в качестве основного принципа, на котором основывается данный метод. При этом используется закон U/f. Наибольший диапазон для регулирования скорости составляет 1:10.
Дополнительные особенности скалярного метода заключаются в свойственной ему легкости при реализации. Существует также и недостаток, который заключается в том, что нет возможности точно регулировать скорость вращения вала. Еще одна особенность – на валу двигателя частотный преобразователь со скалярным управлением не дает возможности контролировать момент. 

Второй метод, используемый в частотных преобразователях – векторный. Это такой метод управления синхронными и асинхронными двигателями, при котором формируются не только гармонические токи (напряжения) фаз, но и обеспечивается управление магнитным потоком ротора,а именно, моментом на валу электродвигателя. Векторное управление применяется в случае, когда в процессе эксплуатации нагрузка может меняться на одной и той же частоте, т.е. нет четкой зависимости между моментом нагрузки и скоростью вращения, а также в случаях, когда необходимо получить расширенный диапазон регулирования частоты при номинальных моментах.

Системы векторного управления разделяются на два класса – это бездатчиковые и с обратной связью. Область применения позволяет определить применение определенного метода. Применение бездатчиковых систем возможно, когда скорость изменяется не больше чем 1:100, а точность поддержания составляет не больше чем ±0,5 %. При аналогичных показателях, составляющих 1:1000 и ±0,01 % соответственно принято использовать системы с обратной связью. 

Преимуществами векторного метода управления является быстрота реакции относительно изменения нагрузки, а в области малых частот вращение двигателя характеризуется плавностью, отсутствием рывков. Внимание привлекает обеспечение на валу при условии нулевой скорости номинального момента, если имеется датчик скорости. Регулировка скорости выполняется при достижении высокой точности. Все эти преимущества становятся важными на практике.

Целесообразный способ управления двигателем зависит от технических требований ксистеме электропривода. В электроприводах с ограниченным диапазоном регулирования и отсутствием динамических режимов работы применяется частотно-параметрический способ, при котором регулируется частота и действующее значение выходного напряжения ПЧН в соответствии заданной скоростью. В электроприводах с большим диапазоном регулирования скорости и высокими требованиями к динамическим характеристикам применяется регулирование мгновенных значений трехфазной системы питающих напряжений и токов с использованием векторного принципа регулирования. В электроприводах для управления механизмов с вентиляторным характером нагрузки и для механизмов с постоянной нагрузкой с малым диапазоном регулирования при отсутствии необходимости особой точности контролирования переходных процессов или задания им специфической формы целесообразно применение скалярного способа управления. Так как диапазон скорости привода невелик, то управление может быть достигнуто достаточно простым и наиболее широко распространенным методом управления: скалярным управлением.

При неизменном напряжении питания U₁ по мере изменения частоты f₁ будет также изменяться и магнитный поток двигателя Ф, поскольку поток пропорционален U₁/f₁.

Так при снижении частоты f₁ и неизменном U₁ поток возрастет. Это приведет к насыщению стали двигателя и как следствие к резкому увеличению тока и его перегреву. Увеличение f₁ вызовет снижение потока и соответственно допустимого момента АД. Поэтому для сохранения высоких энергетических показателей регулирования необходимо с регулированием f₁ одновременно в функции частоты и нагрузки двигателя изменять и напряжение питания АД.

Выбор соотношения между частотой и напряжением питания АД основан на сохранении постоянства его перегрузочной способности lм, равной Мк/Мс, при работе на разных скоростях. Поскольку нагрузка при перемещении тележки не меняется от скорости, изменение напряжения должно отвечать условию:

Формирование требуемых статических и динамических свойств асинхронного регулируемого электропривода возможно лишь в замкнутой системе регулирования его координат. Одной из основных схем скалярного управления является система ПЧ-АД с обратной связью по току статора, которая показана на рисунке 7.

Рисунок 7 – Функциональная схема системы ПЧ-АД с обратной связью по току статора

ФТ – функциональный преобразователь тока. На основе измеренных токов статора, формируются выходные сигналы I1 и I1a, пропорциональные соответственно модулю абсолютного значения тока статора и активной составляющей этого тока. Наиболее часто в скалярных системах частотного управления для простоты технических решений вместо активной составляющей тока статора на функциональные устройства А1 и А2 подается сигнал действующего значения тока статора I1.

В системе с подобными обратными связями по току возможна реализация механических характеристик АД с повышенной перегрузочной способностью по моменту и жесткостью, близкой к естественной в диапазоне регулирования скорости вниз от номинальной при постоянной статической нагрузке до 7 : 1.

Для защиты ПЧ и двигателя от перегрузок по току используется устройство токовой отсечки, реализованное на блоках А3 и А4.

При воздействии только на выходное напряжение преобразователя, при условии, что регулятор А3 имеет интегральный канал регулирования, за счет отрицательной обратной связи по току преобразователь из источника напряжения переходит в режим источника

тока. Тогда при постоянстве тока статора АД, задаваемого со стороны ПЧ независимо от установленной со стороны управляющего сигнала uу частоты, действие регулятора А3 за счет ее большего коэффициента обратной связи, чем устройства А1, будет сопровождаться уменьшением потока и момента двигателя, вызывая эффект опрокидывания механической характеристики АД.

Подобный режим работы отсечки с воздействием на выходное напряжение ПЧ частоты практически ограничен и используется лишь совместно с одновременным воздействием на выходную частоту преобразователя.

За счет поступающего на сумматор a1 сигнала отрицательной обратной связи по току статора (более сильной, чем со стороны устройства А2) совместно со стабилизацией тока осуществляется снижение его частоты и, соответственно, скорости идеального холостого хода АД. Тем самым обеспечивается постоянство магнитного потока, абсолютного скольжения и в итоге момента двигателя.

Для осуществления IR-компенсации задание напряжения увеличивается на величину, равную I₁*R₁. Это позволяет точнее поддерживать отношение U₁/f₁ для индуктивной составляющей обмотки статора постоянным. Для этого K1 (рисунок 7) определяется:

где K_от – коэффициент трансформации значения тока при измерении.

Для осуществления компенсации скольжения задание частоты и напряжения, поскольку в рабочем диапазоне жесткость механической и электромеханической статорной характеристик практически равны, можно использовать значение тока статора. Коэффициент K₂тогда будет определяться так:

11 Моделирование работы мехатронной системы

Моделирование осуществляется с помощью библиотеки Simulink программы Matlab. Система управления реализована согласно рисунку 5.

Задание скорости представляет собой трапецеидальные сигналы, рассчитанные в главе 3 и показанные на рисунке 4.

Статическая нагрузка, рассчитанная в главе 3, представляет собой силу трения, поэтому она задаётся с учётом наличия движения тележки.

Динамическая нагрузка, рассчитанная в главе 3, задаётся в виде приведённого к валу двигателя момента инерции, умноженного на производную скорости вращения двигателя.

Модель двигателя в Matlab используется стандартная – представленная в библиотеки Simulink – «AsynchronousMachineSIUnits», в которой указаны все необходимые параметры двигателя 4A180S2Y3 (рисунок 8).

Рисунок 8 – Параметры модели двигателя 4A180S2Y3 в элементе «AsynchronousMachineSIUnits» библиотеки Simulink

Реализованная в Matlab модель показана на рисунке 9.

Рисунок 9 – Модель ПЧ-АД с обратной связью по току статора, реализованная в SimulinkMatlab

Рисунок 10 – Тахограмма перемещения тележки мостового крана, смоделированная в Matlab

12 ТРЕБОВАНИЯ К СБОРКЕ И СВАРКЕ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ КРАНА ПРИ МОНТАЖЕ

Сборка и сварка элементов металлоконструкций крана при монтаже должны производиться в соответствии с правилами Госгортехнадзора.

К выполнению сварочных работ должны допускаться сварщики прошедшие испытания в соответствии с правилами Госгортехнадзора.

Сборка и подготовка элементов металлоконструкции к сварке:

а) зазоры между свариваемыми элементами для всех типов сварных соединений должны быть в пределах, установленных ГОСТ 5264-80;

б) свариваемые кромки и прилежащие к ним зоны металла шириной не менее 20 мм должны быть очищены до металлического блеска;

в) при отсутствии болтовых соединений сборка деталей металлоконструкций производится посредством прихваток;

г) прихватки, располагаемые в местах выполнения сварных швов, должны выполняться аттестованными сварщиками с использованием тех же сварочных материалов, что и при выполнении сварных швов;

д) размеры прихваток должны быть минимально необходимыми, а прихватки должны расплавляться при выполнении сварных швов;

Сварочные работы выполнять после проверки правильности сборки и при температуре окружающего воздуха не ниже 0°С.

Соответствие применяемых сварочных материалов требуемым, должно подтверждаться наличием сертификата о качестве.

Перед сваркой электроды необходимо прокалить. Температура прокаливания и время выдержки должны соответствовать указанным в паспорте и сертификате о качестве данных электродов.

Применяемые сварочные материалы указаны в таблице 5:

Разрешается применение других типов и марок электродов с физико-механическими свойствами не ниже указанных.

Режимы сварки должны соответствовать указанным в паспорте электродов.

При многослойной сварке, после наложения каждого слоя необходимо зачистить шов и свариваемые кромки от шлака и устранить обнаруженные дефекты.

Контроль качества сварных соединений должен осуществляться внешним осмотром и измерением размеров сварных швов в соответствии с ГОСТ 3242-79.

Внешнему смотру должны подвергаться 100% сварных швов для выявления наружных трещин, наплывов, наружных пор, незаваренных кратеров, соответствия форм и размеров швов требованиям соответствующих стандартов.

При этом в сварных соединениях не допускаются:

-   трещины всех размеров и направлений;

-   местные наплывы длиной более 100 мм на участке шва 1000 мм;

-   подрезы глубиной 0,5 мм на металле толщиной до 20 мм, но не более 3% от толщины металла;

-   поры диаметром более 1,0 мм при толщине металла до 20 мм в количестве более 4-х на длине шва 400 мм с расстоянием между смежными дефектами менее 50 мм;

-   незаваренные кратеры;

-   прожоги и свищи;

-   поры, расположенные в виде сплошной сетки.

Проверка соответствия размеров швов заданным на чертежах размерам должна производиться путем замера шаблоном.

Качество сварных соединений считается неудовлетворительным при обнаружении в них дефектов, выходящих за пределы норм, установленных выше.

Дефектные участки сварных швов, подлежащие исправлению, должны быть удалены, подготовленные кромки соединения зачищены и заварены с последующим контролем.

Акт, монтирующей организации о соответствии выполненных монтажных работ настоящей инструкции, электрической схеме и требованиям правил Госгортехнадзора, должен включать справку о качестве сварных монтажных соединений.

13   МОНТАЖ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ КРАНА

Монтаж электрооборудования крана должен выполняться в соответствии с электрическими схемами крана, настоящей инструкцией, "Правилами устройства электроустановок (ПУЭ), "Правилами устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов (ПУБЭГК), и инструкциями по технике безопасности при производстве электромонтажных работ, действующими на месте монтажа крана.

Электрооборудование кранов, способы прокладки электропроводки и кабелей и.т.д. должно соответствовать требованиям разд. 5.4 и 7.3, ПУЭ «Электрооборудование кранов», «Электроустановки во взрывобезопасных зонах» соответственно с учетом ТП РД 24.090.95-89 «Типовые положения. Машины грузоподъемные для взрывоопасных зон. Основные требования на проектирование», ВНИИПТМАШ, г.Москва.

Монтаж электрооборудования производится следующими этапами:

- подготовка электрооборудования к монтажу;

- установка электрооборудования;

- монтаж электропроводок;

- монтаж заземления;

- наладка и опробование работы электрооборудования крана.

При подготовке электрооборудования к монтажу необходимо:

Изучить проект электрической части крана.

Проверить комплектность электрооборудования крана и соответствие проекту его технических характеристик (типы, напряжения, каталожные номера и т.д.).

Произвести расконсервацию электрооборудования, проверить сопротивление изоляции электродвигателей и пускорегулировочных аппаратов. При необходимости сушку электродвигателей и аппаратов произвести до восстановления сопротивления изоляции до нормального (не менее 0,5 МОм).

Установка электрооборудования на кране производится на местах соответствующих чертежам расположения электрооборудования. Подставки под электрооборудование установлены на заводе-изготовителе.

Электромагнитные реле устанавливаются согласно схеме электрических соединений.

Монтаж электропроводок на кране производится в соответствии со схемой электрических соединений и чертежами расположения электрооборудования.

При прокладке проводов необходимо соблюдать следующие условия:

- соединение и ответвление проводов должно производиться только в клеммниках типа КРВ-1 или на контактных зажимах оборудования;

- провода и жгуты в трубах прокладываются свободнолежащими. Вертикально проложенные жгуты и провода должны быть закреплены сверху;

- жгуты и провода в проходных коробках и в местах ответвлений должны иметь максимально возможную слабину для проводов в случае необходимости замены во время эксплуатации крана;

- все концы поставляемых проводов имеют маркировку в соответствии со схемой соединений. Маркировка выполнена на манжетах из полихлорвиниловых трубок, надетых на провода. Манжета должна быть повернута маркировкой в сторону обслуживания;

- все присоединения проводов к зажимам аппаратов должны производиться с помощью наконечников (однопроволочные провода сечением до 10 мм и многопроволочные до 2,5 мм могут присоединяться без наконечников, при этом концы многопроволочных проводов должны быть пропаяны или опрессованы).

Монтаж заземления.

Все доступные для прикосновения металлические части электро­оборудования крана (корпуса электроаппаратов, электродвигатели, шкафы магнитных контроллеров, клеммные шкафы, короба, коробки, трубы, металлорукава и т.п.) должны быть заземлены в соответствии с чертежами электрооборудования.

14 Выводы

В этой курсовом проекте выполнено проектирование электропривода перемещения тележки мостового крана ТЛС 5000 ПАО “ММК”.

Рассчитаны тахограмма и нагрузочная диаграмма, на основе которых выбран асинхронный двигатель 4A180S2Y3. Двигатель проверен по нагреву и перегрузке.

Выбрана силовая аппаратура: преобразователь частоты 6SL3210-1KE24-4AF и трансформатор ТМ-25 10/0,4-У1.

Разработана система управления двигателем в виде скалярной системы управления ПЧ по правилу U₁/f₁ = const, с IR-компенсацией и компенсацией скольжения по току статора.

Система управления промоделирована в программе SimulinkMatlab, в которой получены переходные процессы тока и скорости двигателя при работе по рассчитанным нагрузочной диаграмме и тахограмме

Список использованных источников

1 Косматов В.И. Проектирование электроприводов металлургического производства: Учебное пособие. 3-е изд. перераб.-Магнитогорск: МГТУ, 2002.-224 с.

2 Иванченко Ф.К. Расчёты грузоподъёмных и транспортирующих машин "Высшая школа". 1978. 576 с.

3 Косматов В.И. Электрический привод: Учебное пособие. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2012.

4 Чунихин А.А. Электрические аппараты: Учебник для вузов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1988. — 720 с.

5 Фомин Н.В. Системы управления электроприводами. Магнитогорск: МГТУ 2014г. -350 с.