1.12. Двигатели трубопроводного транспорта

На насосных станциях применяются двигатели серии ВАО2, которые относятся к взрывозащищенному оборудованию с видом взрывозащиты «взрывонепроницаемая оболочка». Они изготавливаются мощностью 200–2 000 кВт, предназначены для ЭП мощных насосов, вентиляторов, компрессоров и др. в продолжительном режиме работы S1 во взрывоопасных зонах трубопроводов, шахт, опасных по газу и пыли и соответствуют ГОСТ 22782.6–81, исполнение по взрывозащите РВ4В, Ехсdl IExdПВТ4. Климатическое исполнение– по ГОСТ 15150-69.

Двигатели исполняются на номинальное напряжение 6 и 10 кВ при частоте 50 Гц. Выдерживают прямой запуск от сети с номинальным напряжением, а также при отклонении напряжения и частоты, допускаемым по ГОСТ 183-74. Сердечник ротора ЭД с 2р = 2 имеет посадку непосредственно на вал, ЭД с 2р > 4 – на оребренный вал. По обе стороны ротора установлены вентиляторы воздушного охлаждения.

Синхронные неявнополюсные двигатели серий СТД используются для ЭП насосов и газовых компрессоров химических производств, водяных насосов. Двигатели выпускают с замкнутым и разомкнутым циклами вентиляции. В ЭД применен ступенчатый пакет статора, что позволяет увеличить при заданных габаритах сечение ярма и одновременно повысить интенсивность охлаждения за счет установки дополнительных «беззубцовых» сегментов в зоне спинки статора. Обмотка статора – катушечного или стержневого типа, трехфазная двухслойная с допустимой температурой нагрева 120 С. Двигатели выполняют с массивной бочкой ротора с пазами, в которые выложена обмотка возбуждения нагревостойкости В с допустимой температурой 130 С. Лобовые части обмотки возбуждения защищены немагнитными роторными бандажами. Для увеличения теплоотдачи с ротора его поверхность имеет продольно-поперечное рифление.

Контрольные вопросы

1. Перечислите элементы электропривода, их разновидности.

2. Назовите примеры электроприводов, физические принципы, на которых основана их работа.

3. Назовите физические явления, на которых основано большинство электроприводов.

4. Напишите уравнения движения для одномассовой механической системы.

5. Что такое схема замещения электропривода?

6. Как учитывается упругость связей в двухмассовой системе?

7. Напишите формулы для частоты вращения ротора АД и ДПТ.

8. Напишите формулу для полезной мощности на валу.

9. Напишите зависимости механических характеристик исполнительных органов для лебедок и насосов.

10. Опишите методы и расчетные диаграммы пуска двигателя.

11. Опишите этапы выбора двигателя.

2. ТИПОВЫЕ ОБЩЕПРОМЫШЛЕННЫЕ МЕХАНИЗМЫ

Лекция 6

2.1. Классификация общепромышленных механизмов и установок

Рассматривая все многообразие современных производственных процессов, в каждом конкретном производстве можно выделить ряд операций, характер которых является общим для различных отраслей производства. К их числу относятся доставка сырья и полуфабрикатов к началам технологических процессов и межоперационные помещения изделий в процессе обработки; погрузочно-разгрузочные работы на складах, железнодорожных станциях, в морских и речных портах; перемещения грузов при строительно-монтажных работах и при добыче полезных ископаемых; вентиляция, водоснабжение, канализация, непрерывный транспорт сыпучих или штучных грузов; насосный транспорт жидкостей и газов и другие.

Механизмы, выполняющие подобные операции, как правило, универсальны и имеют общепромышленное применение, в связи с чем и называются общепромышленными механизмами. Общепромышленные механизмы (ОПМ) являются основными из множества производственных установок. К их числу относятся подъемные краны, экскаваторы, пассажирские и грузовые подъемники различной конструкции, промышленные манипуляторы и роботы, канатные дороги, эскалаторы, различные конвейеры, осуществляющие транспортировку людей и грузов, насосы, земснаряды, вентиляторы, воздуходувки и т.п. Общепромышленные механизмы играют важную роль, являясь основным средством механизации производства.

По назначению ОПМ разделяются на [12]: 1) подъемно-транспортные машины; 2) землеройные машины; машины для транспортировки жидких сред и газов. К числу подъемно-транспортных относятся мостовые, козловые и поворотные краны, перегрузочные мосты, кабель-краны, промышленные манипуляторы и роботы, стационарные вертикальные и наклонные подъемные установки дискретного действия, канатные дороги, горизонтальные и наклонные конвейеры, вертикальные ковшовые транспортеры и т.п. Землеройные машины представлены одноковшовыми и роторными экскаваторами, наземными и на морских платформах и для строительства мостов буровыми установками, молотами вибрационного и ударного действия забивания свай, земснарядами. Машины для транспортировки жидкостей и газов включают центробежные и поршневые насосы, компрессоры, вентиляторы.

По области применения различают: машиностроительные, металлургические, горные, строительные, судовые машины. Выпускаются и специальные машины: металлургические краны и загрузочные машины, судовые подъемные машины, шахтные установки, поточно-транспортные системы.

По характеру технологического процесса ОПМ можно разделить на две большие группы: механизмы циклического (прерывистого) действия, рабочий процесс которых состоит из повторяющихся однотипных циклов, и механизмы непрерывного действия. Типичные примеры первых – краны, шахтные машины, лифты, вторых – эскалаторы, землесосы, конвейеры. Классификация по технологическому процессу наиболее полно соответствует классификации ОПМ, поскольку сложные ОПМ могут сочетать классификации по остальным признакам.

2.2. Параметры, характеризующие ОПМ

Грузоподъемностью ОПМ называют массу номинального (максимального) рабочего груза, на подъем которого рассчитана машина. Тело, движущееся с ускорением а, действует на опору с силой F = m(g  a), что эквивалентно увеличению (или уменьшению) веса G в (Н). При свободном падении наступает невесомость. Значения грузоподъемности нормированы ГОСТ 1575-87 «Краны грузоподъемные. Ряды основных параметров». Одним из параметров, влияющих на устойчивость самоходных и башенных кранов против их опрокидывания, является грузовой момент, определяемый произведением веса груза на вылет стрелы. Пролетом крана называют расстояние между осями рельсов кранового пути. Он должен быть увязан с пролетами зданий и их значения приведены в ГОСТ 534-78 «Краны мостовые. Пролеты». Базой крана или тележки называют расстояние между осями ходовых колес или осями балансиров ходовых колес крана или тележки. Скорость подъема грузов обычно не превышает 25–30 м/мин. Скорость передвижения моста – достигает 100–120 м/мин, а его тележек – 35–50 м/мин. Скорости движения механизмов кранов, используемых в массовых перегрузочных работах, достигают 90–120 м/мин для подъема и спуска и 240–360 м/мин. для передвижения тележек по рельсам. Частота вращения стрелы достигает 3 об/мин, а скорость конца стрелы – 5–6 м/мин.

Полное время цикла t_ц работы грузоподъемной машины складывается из сумм времен: пуска, движения с установившейся скоростью, торможения и паузы. Отношение времени t_в работы (включения) ЭП к полному времени цикла t_ц называется относительная продолжительность включения ПВ = (t_в / t_ц)100 %. Интенсивность работы ОПМ определяют коэффициентом использования в течение суток: К_с = (число часов работы в сутки)/24. Коэффициентом использования по грузоподъемности называют отношение среднего значения поднимаемого груза за смену к номинальной грузоподъемности. Для крановых механизмов с тяжелыми (свыше 20 % от номинального груза) подвешенными грузозахватными механизмами коэффициент использования должен рассчитываться с учетом веса грузозахвата. Режимы работы кранов и механизмов классифицируются по ГОСТ 25546-82, ГОСТ 25835-83, соответствующим международному стандарту ИСО 4301/1.

Расчетные нагрузки подразделяются на: нормальную нагрузку рабочего состояния; максимальную рабочую нагрузку при максимальном весе груза и максимальных динамических нагрузках при резких пусках, экстренных торможениях, внезапном выключении и включении тока, предельной ветровой нагрузке; нерабочее состояние ОПМ при отсутствии груза, неподвижных механизмах на открытом воздухе. Классы нагружения (КН) отражают относительную нагрузку механизма в соответствии со спектром нагрузок и зависят от коэффициента нагружения К, который тем больше, чем больше нагрузка, действующая на механизм и время ее действия t за срок службы. Класс нагружения отражает влияние нагружения на сопротивление элементов конструкции и прямопропорционален числу циклов работы крана с грузом массой m за срок его службы.

Осуществление государственного надзора по обеспечению безопасности работ, предупреждению вредного влияния работ на население, окружающую среду и объект производства, меры по профилактике аварий и травматизма и их анализ, установление правил безопасности, проверка знаний обслуживающего персонала осуществляется Госгортехнадзором России.

2.3. Некоторые примеры общепромышленных механизмов

2.3.1. Грузоподъемные механизмы

Лебедки – простые грузоподъемные машины, состоящие из привод­ного барабана и стального каната, наматываемого на барабан при рабочем ходе лебедки и сматываемого с барабана при холостом ходе. По способу привода лебедки могут быть с ручным или с механическим приводом (рис. 2.1). Кроме того, применяют фрикционные лебедки, которые имеют тормоз, позволяющий быстро освобождать барабан для свободного разма­тывания каната. Такие лебедки необходимы в сваебойных агрегатах со свободно падающей ударной частью, в установках для подводного бетонирования способом ВПТ их устанавливают на кранах.

Рис. 2.1. Схемы лебедок:

а) барабанная с ручным приводом, б) электрореверсивная, в) фрикционная 1 – рукоять, 2–4 – зубчатые передачи, 3 – храповик, 5 – барабан, 6 – редуктор, 7 – тормоз, 8 – электродвигатель, 9 – фрикционная муфта 10 – тормоз ленточный, 11 – гайка.

Во всех механических лебедках скорость перемещения каната посто­янна, если в редукторе нет коробки передач. Основными характеристиками лебедок, помимо скорости навивки каната, являются грузоподъемность (максимальное тяговое усилие), канатоемкость, т.е. длина каната, который может быть уложен на барабане, и диаметр каната.

Отечественной промышленностью выпускаются лебедки ручные монтажные с тяговым усилием 2,5...50 кН, канатоемкостью 35...200 м, под диаметр каната 6,2...21 мм. В мостостроении такие лебедки (в основном это TЛ-3A или TJI-5A) применяют для оборудования плавсистем.

Из электрических лебедок преимущественно используют ПЛ-5-68 и ЛК-8 с тяговым усилием соответственно 50 и 80 кН, скоростью навивки каната 30 и 6 м/с, канатоемкостью 450 и 200 м, диаметром каната 21 и 28 мм. Электрические лебедки, как правило, применяют для перемещения грузов по горизонтали (для надвижки пролетных строений и т.п.).

В такелажных устройствах в качестве тягового органа используют стальные канаты. Канаты изготовляют путем свивки отдельных прово­лочек из углеродистой стали, они могут быть одинарной и двойной свивки, односторонней, крестовой и комбинированной свивки. Шагом свивки каната называется расстояние между двумя метками, в которое укладывается число витков, равное числу прядей в канате. Канаты крестовой свивки более устойчивы против раскручивания.

По расположению проволок канаты бывают с точечным касанием проволок между слоями прядей (ТК), с линейным касанием (ЛК), а также с точечным и линейным касанием проволок в прядях (ТЛК). Канаты типа ТЛК, являясь наиболее прочными и износостойкими, рекомендуются в основном для такелажных устройств. Подбор диаметра каната производят по разрывному усилию Р, определяемому в зависимости от нормативного усилия натяжения каната S: Р = S k < [Р], где k – коэффициент запаса прочности каната; [Р] – предельно допустимое разрывное усилие по ГОСТ или сертификату изготовителя. Срок службы стального каната колеблется от нескольких недель до нескольких лет и зависит от его конструкции, условий работы и хранения. В случае появления обрывов проволок в канатах они подлежат браковке согласно «Правилам устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов».

Для закрепления концов стальных канатов к различным частям подъемных или тяговых механизмов и для строповки пользуются различ­ными приемами. При этом используют стандартные элементы крепления канатов (коуши, сжимы, зажимы, клиновые втулки и пр.). Имеющиеся лебедки развивают относительно небольшие тяговые усилия (до 50...80 кН), тогда как в ряде технологий, таких как продольная и поперечная передвижка, подъемка пролетных строений и др., возникает необходимость в приложении значительно больших сил.

Рабочие машины грузоподъемных кранов обеспечивают перемещение грузов в трех взаимно-перпендикулярных направлениях. Подъем груза осуществляется механизмом подъема. На кранах может быть установлено до трех механизмов подъема различной грузоподъемности. Перемещение груза по горизонтали на мостовых и козловых кранах осуществляется с помощью грузовой тележки и самого крана, а на стреловых кранах – с помощью механизмов поворота, изменения вылета стрелы или грузовой тележкой стрелы. Механизмами кранов управляют из кабины оператора или поста управления.

Конструкции кранов постоянно совершенствуются, что позволяет расширять их область применения. Например, первые краны имели грузоподъемность 0,5–1,5 т, грузовой момент до 30 тм, высоту подъема 20–30 м. В настоящее время в промышленности и на стройках работают краны грузоподъемностью до 50 т, грузовым моментом до 1000 тм, высотой подъема до 150 м. Для повышения производительности кранов на новых машинах увеличены скорости рабочих движений, а также повышена мобильность кранов. У отечественных – башенного крана КБ-210 и крана КС-536 В, грузоподъемная и грузовысотная характеристики кранов отражены в таблицах 2.1, 2.2). На рис. 2.2–2.4 приведены вид и параметры некоторых машин.

Рис. 2.2

Рис. 2.3

Грузовысотные характеристики крана МПГК-200

Стрела 48м			Стрела 32м			Стрела19 м
а	Р	Н	а	Р	Н	а	Р	Н
7	110	46,5	6	30,4	140	4	200	18,4
10	95	46,0	10	29,5	125	8	142,5	17,0
15	58,5	44,6	15	27,3	80	12	83	14,5
20	40,5	42,6	20	24,0	57,5	15	55,5	11,5
27	26,5	38,6	25	-	-	17	40,5	8,5
36	16,5	30,0	-	-	-	-	-	-

Грузоподъемность крана КБ-210 равна 4 тс при а = 2,5–12,5 м, М_гр = 50 тс, площадь опор 4,5х4,5 м, вес крана 32,5 т (10,5+22 т противовес), максимальная нагрузка на выносную опору – 26 тс. Грузоподъемность крана КС-536В равна 36 тс, вес 33 т, М_гр = 140,4 тсм (36 тс х 3,9 м).

Таблица 2.1

а, м	12,5	14	16	18	20	22	24	26	28	30
Р, т	4	3,5	3,1	2,7	2,4	2,2	2	1,8	1,6	1,5

Таблица 2.2

Стрела 17,5 м				Стрела 20 м				Стрела 32,5 м
а	Р	Р1	Н	а	Р	Р1	Н	а	Р	Р1	Н
3,9	36	14	16,5	5,5	18	7,5	19	7	8,8		30,5
6	16	7	15,8	9,9	7,4	3,1	17,5	15	1,8		28
8	11	4,6	15,2	13,9	4,2	1,6	15	22	0,5		24
10	8	2,7	14,3	18	2	0,7	10,2
12	6	1,5	13
14	4	0,8	11,3
16	3		9,5

Примечание: Р – на выносных опорах, Р₁ – без опор

Управление ЭП кранов осуществляется с помощью контроллеров – многопозиционных аналоговых аппаратов, предназначенных для коммутации резисторов и обмоток электрических машин ЭП крана. Они производят все переключения в цепи электродвигателя, необходимые для пуска, торможения и регулирования его частоты вращения. Из всех применяемых командо-контроллеров (барабанных, кулачковых и магнитных) магнитные, или контакторные, являются наиболее совершенными благодаря надежности и высокой производительности. Преимущество магнитного контроллера перед ручным управлением заключается в следующем: меньше затрачивается физической силы и соответственно снижается утомляемость оператора; достигается защита ЭД от чрезмерных пусковых и тормозных токов и вызываемого ими искрообразования; размеры магнитных командо-контроллеров значительно меньше, чем кулачковые или барабанные, поэтому в кабине оператора может быть размещено их большее число; магнитный контроллер позволяет производить большее число операций в час, так как нет необходимости задерживать рукоятку командо-контроллера при переходе с одного положения в другое; при этом пуск и торможение происходят в минимально допустимое время и растет общая производительность; снижается расход энергии, затрачиваемый при пуске; сокращается стоимость ухода и ремонта оборудования вследствие не только надежности магнитного командо-контроллера, но и меньшего износа электродвигателя; значительно меньшая вероятность аварийной остановки агрегатов и самого крана.

Техническая характеристика крана «Богатырь»

Характеристики	Показатели
Грузоподъемность, т	300
Вылет стрелы, м	15–26,7
Высота подъема крюка м	36,5
Тип и число понтонов	–
Водоизмещение без груза т	1495
Осадка плашкоута м	2,8
Масса груза, перевозимого на палубе, т	900

При выборе аппаратуры управления кранов необходимо учитывать повышения температуры окружающей среды по сравнению с расчетной. Для контактов аппаратов можно рекомендовать увеличение номинального тока на 20 % при повышении температуры на каждые 10 С. Однако для контакторов и пускателей температура воздуха влияет также на обмотки электромагнитов. Поэтому для ОПМ тропического исполнения рекомендуется снижать продолжительность включения ПВ на 20 % при превышении температуры на каждые 10 С. К грузоподъемным машинам относятся также экскаваторы. Изображения и технические характеристики некоторых отечественных гусеничных экскаваторов с грейферным ковшом (марки ЭО-3111г) и с прямой лопатой (марки ЭО-4112) приведены на рисунках 2.4, 2.5. По данному разделу при расчете ЭП кранов и экскаваторов может быть рекомендована литература [14–16].

Рис. 2.4. Экскаватор с грейферным ковшом ЭО-3111г

Рис. 2.5

Одноковшовые экскаваторы – самоходные землеройные машины с рабочим органом в виде ковша, предназначенные для разработки грунта и перемещения его на небольшие расстояния, в транспортные средства или в отвал, а также для погрузочно-разгрузочных работ. Все экскаваторы делятся на две большие группы: непрерывного действия – многоковшовые; периодического действия /циклические/ – одноковшовые.

Разработанные отечественными учеными ковши с «активными» зубьями виброударного и ударного действия позволяют использовать одноковшовые экскаваторы для копания мерзлых грунтов, а также для выемки из массива скальных грунтов малой и средней крепости без рыхления взрывом. На рис. 2.4 приведены экскаваторы с грейферным ковшом и с обратной лопатой и погрузочным оборудованием.