Приклад виконання самостійної роботи

Для відцентрового вентилятора з технічними даними , , , , розрахувати й побудувати залежність моменту опору від кутової швидкості.

Розв’язок

За виразом (4.2) отримаємо:

.

На рис. 4.2 наведено залежність моменту опору від кутової швидкості.

Рисунок 4.2 - Залежність моменту опору від кутової швидкості

Діапазон реґулювання кутової швидкості, що забезпечує задане зниження подачі:

.

Номінальна потужність приводного двигуна:

,

де

.

За каталогом вибираємо асинхронний приводний двигун серії 4А225M2 з номінальною потужністю 55 кВт.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ

Для відцентрового вентилятора, технічні дані якого наведено у додатку Г:

 розрахувати й побудувати залежність моменту опору від кутової швидкості;

 визначити діапазон реґулювання кутової швидкості, що забезпечує задане зниження подачі;

 розрахувати номінальну потужність приводного асинхронного двигуна.

Примітка. Для розв’язання задачі необхідно знати особливості роботи вентиляторів на аеродинамічну мережу, основні залежності між напором, продуктивністю, потужністю та моментом відцентрового вентилятора при зміні частоти обертання приводного двигуна. Відповіді на ці питання можна знайти: [11, с.43-53; 16, с. 15-17, с. 131-156; 14, с. 572-574].

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Дайте визначення відцентровому вентилятору.

2. У яких галузях народного господарства застосовують відцентрові вентилятори?

3. Якими параметрами характеризується відцентровий вентилятор?

4. Як розрахувати потужність приводного двигуна відцентрового вентилятора?

5. Який вигляд має механічна характеристика вентилятора?

6. Якими параметрами характеризується комунікаційна магістраль, на яку працює вентилятор?

Практичне заняття №5

ТЕМА. Розрахунок статичного навантаження та потужності електроприводів механізмів одноківшевого екскаватора

МЕТА. Вивчення особливостей навантажувальних діаграм роботи механізмів екскаваторів; ознайомлення з вимогами до електропривода; придбання навичок розрахунку потужності електродвигунів механізмів підйому, напору та повороту одноківшевого гусеничного екскаватора

РЕКОМЕНДАЦІЇ ЩОДО ВИКОНАННЯ

Одноківшевим екскаватором називається самохідна виймально-навантажувальна машина, використовувана в будівництві, при земляних роботах, на гідротехнічних спорудженнях і видобутку корисних копалин при відкритій розробці у вугільних і рудних кар'єрах. У будівництві одноківшеві екскаватори широко застосовують при спорудженні міст, фабрик і заводів, для розробки важких ґрунтів. Копання ґрунтів (гірських порід) здійснюється рухом робочого органа (ковша). Переміщення екскаватора вздовж фронту роботи проводиться за допомогою гусеничного ходу або спеціального крокуючого механізму [15, 17].

Уявлення про компонування й роботу окремих механізмів екскаватора-лопати можна скласти, якщо звернутися до загального виду екскаватора ЕКГ-5 (рис.5.1), що складається з ходового візка 1 з гусеницями, поворотної платформи 2, стріли 3, рукоятки 4, ковша 7, напірного механізму 6, піднімальних канатів 5. При копанні рукоятка 4 може переміщатися в напрямних 8, змінюючи товщину знімання стружки. Двигун 9 призначено для відкривання днища ковша.

Рисунок 5.1 - Загальний вид кар'єрного екскаватора

Робочий цикл екскаватора середньої й великої продуктивності відповідно становить 23-50 с і складається з наступних основних операцій: напору (тяги), підйому ковша і його одночасного повороту на вивантаження, вивантаження ковша, поворот до місця копання й одночасного опускання ковша у забій. Повний цикл здійснюється трьома робочими механізмами: напірним, піднімальним і поворотним. У процесі робочого циклу навантаження екскаватора може значно перевищувати номінальне.

Режим роботи ЕП основних механізмів одноківшевого екскаватора характеризується їх частим пуском і реверсом, швидкими розгонами й зупинками, різкими поштовхами й піками навантаження. Число ввімкнень у годину двигуна досягає: у піднімальної лебідки - 200÷300; у двигунів напору й повороту - 600÷700. Піки навантаження двигунів часто в 2÷3 рази перевищують середні навантаження й повторюються кілька разів протягом робочого циклу. Характерною рисою роботи ЕП основних механізмів екскаватора є можливість стопоріння робочого органа при зустрічі його з нездоланими перешкодами в процесі роботи, тому потрібне автоматичне обмеження моменту, що розвиває ЕП. Ця вимога виконується забезпеченням механічної характеристики ЕП спеціальної форми, що називається екскаваторною (рис. 5.2).

Рисунок 5.2 – Механічна характеристика одноківшевого екскаватора

Робота екскаватора відбувається в досить важких умовах з різко змінним навантаженням, трясінням усього устаткування при значних змінах температури й вологості, великій запиленості. Тому до його механічного й електричного устаткування ставлять тверді вимоги щодо вібростійкості, припустимого числа ввімкнень, надійності.

Для основних механізмів екскаваторів характерний вплив пружних механічних зв'язків, зазорів у передачах і робочому устаткуванні. У зв'язку із цим мають виконувати вимогу забезпечення максимальної продуктивності машини при мінімальних навантаженнях її електричного й механічного устаткування.

Системи електроприводів основних механізмів екскаватора мають забезпечувати надійне обмеження моменту й струму двигуна припустимими значеннями у режимах пуску й гальмування; реґулювання швидкості в необхідному діапазоні для економічного керування переміщеннями робочого органа з необхідною точністю, мати максимальне наближення механічної характеристики до екскаваторного виду.

Для виконання зазначених вище вимог відомі наступні системи ЕП екскаваторів:

• частотно-керований асинхронний ЕП;

• система ґенератор-двигун із силовим магнітним підсилювачем;

• система ґенератор-двигун з тиристорним збудником;

• система тиристорний перетворювач-двигун.

При визначенні потужності двигунів приводів піднімального, напірного й поворотного механізмів час циклу роботи можна розділити на три періоди: копання, поворот платформи з навантаженим ковшем до місця розвантаження й поворот платформи з порожнім ковшем у забій [17]. При такому варіанті циклу значно спрощується побудова навантажувальних і швидкісних діаграм, за якими може бути визначена потужність P_i двигуна в кожний з періодів, кВт:

,

(5.1)

де - зусилля, що долає робочий механізм при виконанні даної операції в і-му циклі, Н;

- швидкість, з якої долається зусилля, м/с;

- ККД механізму.

Знаючи тривалість і відповідну потужність кожного періоду, можна розрахувати середнє значення потужності (середньозважену потужність) привода за повний цикл роботи, кВт:

.

(5.2)

Для визначення навантажень підйомного і напірного механізмів будують у масштабі схеми розрахункових положень робочого обладнання екскаватора (рис. 5.3).

а) б) в)

Рисунок 5.3 – Схема розташування ковша і рукоятки механічної лопати для визначення зусиль і побудови навантажувальних і швидкісних діаграм головних механізмів у період:

а) копання, б) повороту навантаженого ковша на розвантаження, в) повороту ковша у забій

Зусилля, що виникає в піднімальному канаті механічної лопати й зумовлює навантаження двигуна піднімального механізму при копанні, обчислюють із рівняння моментів, створюваних опором породи копанню , вагою ковша з породою і вагою рукоятки щодо осі напірного вала. У загальному вигляді при різних положеннях ковша в процесі копання це зусилля визначають за формулою:

,

(5.3)

де , , і - довжини плечей прикладання сил щодо осі напірного вала, який розташовано на середині стріли, м;

 - кут між рукояттю й передбачуваною горизонтальною лінією, градус;

 - кут між піднімальним канатом і рукояткою, визначається зі схеми розрахункових положень робочого обладнання екскаватора (рис. 5.3 б)); - кут нахилу стріли, градус.

Опір породи копанню, Н:

,

(5.4)

де - питомий опір породи копанню, що залежить від характеру породи, Па [17, с. 179];

- коефіцієнт розпушення породи [17, с. 180];

- висота забою, беруть такою, що дорівнює висоті розташування напірного вала щодо рівня стояння екскаватора, м [17, с. 177].

Висота напірного вала:

,

де - лінійний коефіцієнт [17, с. 177].

Вага ковша з породою й вага рукоятки відповідно, Н:

;	(5.5)
.	(5.6)

Значення мас і лінійних розмірів конструктивних елементів одноківшевих екскаваторів, необхідні для визначення зусиль, що виникають при роботі екскаватора, можуть бути обчислені за емпіричними формулами:

• маса всього екскаватора

  ;

  (5.7)

• лінійні розміри

,

(5.8)

де - коефіцієнт питомої маси екскаватора [16, с. 177], ;

– місткість ковша, м³;

- лінійний коефіцієнт [17, с. 177].

Довжину платформи визначимо як:

.

Маса поворотної платформи з механізмами й стріли із блоками:

,

(5.9)

де - коефіцієнт маси [17, с. 178].

Масу ковша й породи в ковші визначають за формулами:

;	(5.10)
,	(5.11)

де - коефіцієнт для визначення маси ковша екскаватора [17, с. 178];

- щільність гірської породи, т/м³ [17, с. 180];

- коефіцієнт розрихлення породи [17, с. 180].

Масу рукояті механізму лопати знаходять як:

,

(5.12)

де - коефіцієнт для визначення розмірів рукояті екскаватора [17, с. 179].

Ширину, довжину, висоту ковша для механічної лопати та драглайну можна визначити відповідно:

механічна лопата драглайн

• ; ;

• ; ;

• ; .

У загальному випадку при різних положеннях рукоятки й ковша під час копання зусилля в напірному механізмі лопати, Н:

.

(5.13)

Зусилля в піднімальному й напірному механізмах лопати, що відповідають вертикальному положенню піднімального каната (=90°) і горизонтальному положенню рукоятки (=0°), беруть за розрахункові при визначенні потужності двигунів за час копання:

;	(5.14)
.	(5.15)

Зусилля , що виникає в піднімальному механізмі лопати при повороті платформи на розвантаження, визначають із рівняння моментів, які створюються вагомим ковшем з породою й вагою рукоятки щодо осі напірного вала, Н:

.

(5.16)

При поверненні платформи з порожнім ковшем у забій зусилля в піднімальному механізмі лопати визначають із рівняння моментів, які створюються вагомим ковшем без породи й вагою рукоятки, Н:

,

(5.17)

де в виразах (5.15), (5.16) - вага ковша;

, , - довжини пліч при верхньому положенні ковша і повністю висунутій рукоятці.

Зусилля в напірному механізмі лопати при повороті платформи з навантаженим ковшем на розвантаження, Н:

.

(5.18)

При повороті платформи з порожнім ковшем у забій максимальне зусилля в напірному механізмі виникає при підйомі ковша й рукояті з вертикального положення, Н:

.

(5.19)

Потужність двигуна піднімального механізму лопати при копанні породи, кВт:

,

(5.20)

де - зусилля в піднімальному механізмі лопати при копанні, Н;

- швидкість пересування піднімального канату (м/с) [17, с. 180];

- ККД піднімального механізму, яке дорівнює 0.8-0.85.

Потужність двигуна піднімального механізму лопати при повороті платформи на розвантаження, кВт:

(5.21)

Потужність двигуна піднімального механізму при повороті платформи з порожнім ковшем у забій, кВт:

.

(5.22)

Потужність двигуна напірного механізму при копанні, кВт:

,

(5.23)

де - зусилля в напірному механізмі при копанні, Н;

- швидкість переміщення рукоятки, м/с [17, с. 180],

- ККД напірного механізму, який дорівнює .

Потужність двигуна напірного механізму лопати при повороті платформи на розвантаження, кВт:

.

(5.24)

Потужність двигуна напірного механізму при повороті платформи з порожнім ковшем у забій:

,

(5.25)

Для побудови навантажувальних і швидкісних діаграм і визначення середньозваженої потужності двигунів піднімального й напірного механізмів необхідно знати час виконання окремих операцій за повний цикл роботи екскаватора. Відомо, що час повороту платформи на розвантаження й повернення у забій становить для прямих механічних лопат 60-70% від часу повного циклу роботи. Для попередніх розрахунків час циклу можна розбити на три однакові періоди:

- копання ( ), с;

- повороту платформи на розвантаження ( ), с;

- повороту платформи з порожнім ковшем у забій ( ), с.

Середньозважені потужності двигунів піднімального і напірного механізмів лопати, кВт:

;	(5.26)
.	(5.27)

Для вибору ЕД піднімального і напірного механізмів екскаватора мають виконуватися умови:

.

Потужність ґенератора привода механізму підйому, кВт:

,

(5.28)

де - ККД генератора привода механізму підйому,

- потужність обраного двигуна механізму підйому.

Потужність генератора привода механізму напору, кВт:

,

(5.29)

де - потужність обраного двигуна механізму напору.

Визначимо моменти інерції обертових частин екскаватора.

Сумарний момент інерції обертових частин екскаватора, кг/м²:

,

(5.30)

де , , , , - моменти інерції відносно осі обертання платформи відповідно поворотної платформи, ковша (з породою або без породи), стріли, напірного механізму, рукоятки.

Момент інерції поворотної платформи відносно осі обертання визначають, розглядаючи поворотну платформу з механізмами як паралелепіпед з однорідною масою й з ребрами, що дорівнюють довжині , ширині й висоті кузова платформи. Момент інерції такої платформи відносно вертикальної осі її обертання, кг·м²:

,

(5.31)

де - момент інерції платформи відносно осі, паралельної вертикальній грані кузова, що проходить через центр маси платформи як паралелепіпеда, кг·м²;

- маса платформи, т;

– відстань між віссю обертання платформи і віссю, яка проходить через центр маси платформи як паралелепіпеда, м;

- радіус п’яти стріли.

При визначенні моменту інерції ковша з породою припускають, що центр маси ковша з породою збігається із центром ваги ковша, що перебуває на відстані максимального радіуса розвантаження від осі обертання платформи, кг/м²:

,

(5.32)

де - максимальний радіус розвантаження.

Моменти інерції стріли й напірного механізму обчислюють відповідно за формулами:

;

,

(5.33)

де - відстань від осі обертання платформи до центрів мас стріли і напірного механізму.

Момент інерції рукояті обчислюють для горизонтального положення рукояті, висунутої на всю довжину, за формулою:

,

(5.34)

де - відстань від осі обертання платформи до центра маси рукоятки, м.

Визначимо сумарний момент інерції з порожнім ковшем, кг/м²:

.

(5.35)

Визначимо потужність двигуна поворотного механізму екскаватора.

Розрахуємо середньозважену потужність двигуна механізму повороту за спрощеною формулою:

,

(5.36)

де - розрахункова стала кутова швидкість платформи,

- розрахункова частота обертання поворотної платформи [17, с. 180];

- час повороту платформи з навантаженим ковшем на розвантаження.

Потужність ґенератора привода механізму повороту:

.

(5.37)

ПРИКЛАД ВИКОНАННЯ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ

Визначити потужності електродвигунів механізмів підйому, напору і повороту прямої механічної лопати з легким режимом роботи. Ємність ковша . Кут нахилу стріли . Екскаватор призначено для розробки порід IV категорії.

Розв’язок

Значення мас і лінійних розмірів конструктивних елементів одноківшевих екскаваторів, необхідні для визначення зусиль, що виникають при роботі екскаватора:

- маса всього екскаватора

;

- ширина платформи

;

- радіус задньої стінки

;

- радіус п'яти стріли

;

- довжина платформи

;

- максимальний радіус розвантаження

;

- маса платформи

т;

- маса стріли із блоками

т;

- маса напірного механізму

т;

- маса ковша й породи в ковші

т;

т;

- маса ковша з породою

т;

- маса рукоятки

т.

Згідно з (5.8) розміри стріли і рукоятки :

м;

м.

Висота напірного вала:

Опір породи копанню:

Н.

Вага ковша з породою й вага рукоятки відповідно:

Н;

Н.

Зусилля в піднімальному й напірному механізмах лопати, що відповідають вертикальному положенню піднімального каната (=90°) і горизонтальному положенню рукоятки (=0°), беруть за розрахункові при визначенні потужності двигунів за час копання:

,

де м; м; м; м; м.

.

Зусилля , що виникає в піднімальному механізмі лопати при повороті платформи на розвантаження, визначають із рівняння моментів, які створюються вагомим ковшем з породою й вагою рукоятки щодо осі напірного вала:

,

де м, м.

При поверненні платформи з порожнім ковшем у забій зусилля в піднімальному механізмі лопати визначають із рівняння моментів, які створюються вагомим ковшем без породи й вагою рукоятки:

,

де Н.

Зусилля в напірному механізмі лопати при повороті платформи з навантаженим ковшем на розвантаження:

.

При повороті платформи з порожнім ковшем у забій максимальне зусилля в напірному механізмі виникає при підйомі ковша й рукоятки з вертикального положення. Це зусилля визначається вагою ковша й рукоятки, тобто:

.

Потужність двигуна піднімального механізму лопати при копанні породи:

.

Потужність двигуна піднімального механізму лопати при повороті платформи на розвантаження визначають за формулою:

Потужність двигуна піднімального механізму при повороті платформи з порожнім ковшем у забій:

Потужність двигуна напірного механізму при копанні:

.

Потужність двигуна напірного механізму лопати при повороті платформи на розвантаження:

Потужність двигуна напірного механізму при повороті платформи з порожнім ковшем у забій:

Середньозважені потужності двигунів піднімального й напірного механізмів лопати:

;

.

Як двигун привода механізму підйому вибираємо за [6] двигун постійного струму ДЕ816 з паспортними даними:

номінальна потужність, кВт номінальна частота обертання вала, об/хв номінальна напруга, В номінальна тривалість включення, %

200 750 440 100

Визначаємо потужність ґенератора привода механізму підйому:

.

Як ґенератор привода механізму підйому, вибираємо за [6] ґенератор постійного струму ГПЕ 250 Т2 з паспортними даними:

номінальна потужність, кВт номінальна частота обертання вала, об/хв номінальна напруга, В номінальний к.к.д. - маса, т

250 1500 460 93.5 1.19

Як двигун привода механізму напору, вибираємо за [17, с. 183] двигун постійного струму ДПЕ-52VI(Т1) з паспортними даними:

номінальна потужність, кВт номінальна частота обертання вала, об/хв номінальна напруга, В номінальний струм, А номінальний к.к.д. номінальна тривалість увімкнення, % момент інерції вала ротора, кг·м2 - маса, т

54 1200 395 150 92.5 100 2 0.86

Визначаємо потужність ґенератора привода механізму напору:

.

Як ґенератор привода механізму напору, вибираємо за [6] ґенератор постійного струму ГПЕ75 з паспортними даними:

номінальна потужність, кВт номінальна частота обертання вала, об/хв: номінальна напруга, В номінальний к.к.д. - маса, т:

75 1500 460 91.7 2.1

Момент інерції поворотної платформи відносно вертикальної осі її обертання:

т·м².

Момент інерції платформи відносно осі, паралельної вертикальній грані кузова, що проходить через центр маси платформи як паралелепіпеда:

Відстань між віссю обертання платформи і віссю, яка проходить через центр маси платформи як паралелепіпеда:

м.

Момент інерції ковша з породою:

т·м².

Моменти інерції стріли й напірного механізму обчислюють відповідно за формулами:

;

,

де .

Момент інерції рукоятки обчислюють для горизонтального положення рукоятки, висунутої на всю довжину:

,

де м.

Визначимо сумарний момент інерції з порожнім ковшем:

кг·м².

Сумарний момент інерції обертових частин екскаватора:

.

Середньозважена потужність двигуна механізму повороту:

Як двигун привода механізму повороту, вибираємо за [17, с. 183] два двигуни постійного струму ДЕ-812 з паспортними даними:

номінальна потужність, кВт номінальна частота обертання вала, об/хв номінальна напруга, В номінальний струм, А номінальний к.к.д. номінальна тривалість увімкнення, % момент інерції вала ротора, кг·м2 - маса, т

100 750 305 360 93.4 100 8.25 2.05

Визначаємо потужність ґенератора привода механізму повороту:

.

В якості генератора привода механізму повороту, вибираємо за [6] генератор постійного струму 2ПЕМ-2000 М-Т2 з паспортними даними:

номінальна потужність, кВт номінальна частота обертання вала, об/хв номінальна напруга, В номінальний к.к.д.

112 1000 330 92.2

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ

Визначити потужності електродвигунів механізмів підйому, напору і повороту прямої механічної лопати. Кут між рукояттю й передбачуваною горизонтальною лінією . Вихідні дані наведено у додатку Д.

Примітка. Для розв’язання задачі необхідно знати особливості кінематичних схем екскаваторів різних типів; мати уявлення про навантажувальні та швидкісні діаграми роботи механізмів підйому, напору та повороту; уміти користуватися методикою розрахунку зусиль і потужностей електродвигунів відповідних механізмів. Відповіді на ці питання можна знайти: [17, с.5-33; 15, с.92-269].