3 Расчет электропривода механизма поворота

ОДНОКОВШОВОГО ЭКСКАВАТОРА ЭКГ-4у

К главным механизмам одноковшовых экскаваторов относят подъемный, напорный (тяговый), поворотный и ходовой механизмы, имеющие различные характеры нагрузок при работе экскаватора. Работа подъемного, напорного и поворотного механизмов носит циклический характер. Работа поворотных механизмов связана с преодолением больших моментов инерции вращающихся частей экскаваторов. Если из цикла работы экскаватора исключить непродолжительные по времени операции маневрирования с ковшом над местом разгрузки, то в расчетах по определению мощности двигателей приводов подъемного, напорного и поворотного механизмов время цикла работы можно разделить на три периода: копание, поворот платформы с груженым ковшом к месту разгрузки и поворот платформы с порожним ковшом в забой.

Технические данные экскаватора экг-4у

Экскаватор ЭКГ-4у с оборудованием прямой механической лопаты имеет двухбалочную рукоять и реечный напор. Экскаватор предназначен для разработки пород 4 категории.

- Вместимость ковша…………………………………………. Ел =4м³;

- Скорость передвижения механизма подъема………………Vпл = 1 м/с;

- Скорость передвижения механизма напора………………...Vнл = 0,55м/с;

- Расчетная частота вращения поворотной платформы……...nвл = 2,5об/мин;

- Продолжительность цикла………………………………….. tцл = 27с;

- Угол наклона стрелы …………………………………………аст = 45⁰;

- КПД…………………………………………………………...η = 0,08.

3.1 Расчет мощности двигателя привода механизма поворота

экскаватора ЭКГ – 4у

Определяем основные размеры, массы и веса экскаватора и рабочего оборудования по данным [6].

Масса экскаватора определяется по формуле.

m_экс = k_экс × Е = 50 × 4 = 200 т.

где: k_экс – коэффициент удельной массы экскаватора.

k_экс = 38 – 55 т/м. Принимаем k_экс = 50т/м.

Е – вместимость ковша = 4м³.

Е = Ел. Линейные размеры ковша.

Массу и вес ковша вычисляют используя формулы.

m_кл = 1,15 × Скл × Ел = 1,15 × 1,55 × 4,6 = 8,199 =8,2 т,

где: Скл – коэффициент массы. Принимаем Скл = 1,55.

Gк = m_кл × 9,81×10³ = 8,199 × 9,81×10³ = 8,044×10⁴ Н.

По величине массы экскаватора и приведенным линейным коэффициентам K_L находят линейные размеры отдельных конструктивных элементов по следующей формуле.

L = K_L × ³√ m_экс = K_L × ³√200 = K_L × 6,127.

Размеры стрелы и рукояти экскаватора.

Lc = 6,127 × K_L = 6,127 × 1,8 = 11 м,

где: K_L – линейный коэффициент для расчета длины стрелы

K_L = 1,8 – 1,85. Принимаем K_L = 1,8.

Lр = 6,127 × K_L = 6,127 × 1,25 = 7,658 м,

где: K_L – линейный коэффициент для расчета длины рукояти

K_L = 1,15 – 1,25. Принимаем K_L = 1,25.

Масса и вес двухбалочной рукояти.

m_р = с_р × m_кл = 0,9 × 8,2 = 7,38 т,

где: с_р – коэффициент для расчета размеров рукояти

с_р =0,8 – 1,0. Принимаем с_р = 0,9.

Gр = m_р × 9,81 × 10 = 7,38 × 9,81 × 10³ = 7,24 × 10⁴ Н.

Высота напорного вала определяется по формуле.

Lн = 6,127 × K_LH = 6,127 × 1,1 = 6,74 м,

где: K_LH – линейный коэффициент для расчета высоты напорного вала

K_LH = 1,1.

Высота пяты стрелы.

Lп = 6,127 × Kпс = 6,127 × 0,45 = 2,76 м,

где: Kпс – линейный коэффициент для расчета высоты пяты стрелы

Kпс = 0,45.

Максимальная высота копания экскаватора.

Lкоп = 6,127 × K_LКОП = 6,127 × 1,8 = 11 м,

где: K_LКОП – линейный коэффициент для расчета высоты копания

K_LКОП = 1,7- 1,8. Принимаем K_LКОП = 1,8.

По полученным данным строим расчетную схему рабочих положений

экскаватора и определяем усилие и мощность двигателя механизма подъема в отдельные периоды работы экскаватора в течение одного цикла рисунок 3.1.

Сопротивление породы копанию определяем по формуле.

где: k_кл = 2,5 - коэффициенты удельного сопротивления породы копанию

k_р = 1,35, Lз = Lн = 6,74м.

Рисунок 3.1 - Расчетная схема расположения ковша и рукояти экскаватора ЭКГ-4у в период:

а – копания, б – поворота груженого ковша на разгрузку, в – поворот порожнего ковша в забой

Вес ковша с породой и вес рукояти.

где: - плотность породы.

Сила тяжести рукояти, создающая момент сопротивления при копании.

Усилие при копании определяется по формуле.

где: - линейные размеры, которые определены по рис. 3.1.а.

Мощность при копании равна.

Усилие при повороте груженого ковша на разгрузку определяется.

где: - определены по рис. 2.1.б.

Мощность экскаватора при повороте на разгрузку.

Усилие при повороте порожнего ковша в забой по формуле.

где: - определены по рис 3.1.в.

Мощность с порожним ковшом экскаватора находим по формуле.

Для вычисления моментов инерции вращающихся частей экскаватора определим ширину платформы, радиус задней стенки, радиус пяты стрелы, максимальный радиус разгрузки по формуле.

L = K_L × ³√ m_экс = K_L × ³√200 = K_L × 6,127.

Ширина платформы.

L пл’= К_LПЛ × 5,91 = 0,95 × 6,127 =5,82 м,

где: К_LПЛ - линейный коэффициент ширины платформы.

К_LПЛ = 0,85 - 0,95. Принимаем К_LПЛ =0,95.

Радиус задней стенки экскаватора.

Lзс = Kзс × 6,127 = 0,95 × 6,127 = 5,82 м,

где: Kзс - линейный коэффициент задней стенки.

Kзс = 0,95-1,0. Принимаем Kзс = 0,95.

Радиус пяты стрелы экскаватора.

L пс = Kпс × 6,127 = 0,4 × 6,127 = 2,45 м,

где: Kпс - линейный коэффициент пяты стрелы.

Kпс = 0,4-0,37. Принимаем Kпс = 0,4.

Максимальный радиус разгрузки.

L раз = Kраз × 6,127 = 2,5 × 6,127 = 15 м,

где: Kраз - линейный коэффициент максимального радиуса разгрузки.

Kраз = 2,4-2,5. Принимаем Kраз = 2,5.

Длина платформы экскаватора находится по формуле.

Lпл = Lзс + Lпс = 5,82 + 2,45 = 8,27 м.

Масса платформы.

Мпл = Кт.пл. Мэкс = 0,5 × 230 = 115 т,

где: Кт.пл. - линейный коэффициент для определения массы платформы.

Принимаем Кт.пл. = 0,5.

Масса стрелы с блоками.

Мст = Кт.ст. Мэкс = 0,06 × 230 = 13,8т,

где: Кт.ст. - линейный коэффициент для определения массы стрелы с блоками.

Принимаем Кт.ст. = 0,06.

Масса напорного механизма.

Мн = Кн. Мэкс = 0,028 × 230 = 6,44 т,

где: Кн. - линейный коэффициент для определения напорного механизма.

Принимаем Кн = 0,028.

Масса ковша с породой определяется по формуле.

т.

Момент инерции поворотной платформы относительно оси ее вращения определяем.

,

где:

Момент инерции напорного механизма.

где:

Моменты инерции ковша с породой и без породы относительно оси вращения платформы определяем по формуле.

Момент инерции стрелы с блоками относительно оси вращения платформы.

Момент инерции рукояти относительно оси платформы по формуле.

Находим суммарные моменты инерции вращающихся частей экскаватора при повороте с груженым и порожним ковшом.

По полученным данным строим нагрузочную диаграмму механизма поворота (вращения) экскаватора, рисунок 3.2.

Рисунок 3.2 - Нагрузочная диаграмма механизма вращения

Средневзвешенная мощность двигателей поворотного механизма при вращении с груженым и порожним ковшом находится по формуле.

где: tв.р. = t цл / 3 = 27 / 3 = 9 с;

По полученной средневзвешенной мощности выбираем двигатель постоянного тока типа ДЭВ-812 со следующими техническими данными:

- Номинальная мощность…………………………………….Рном = 100 кВт;

- Номинальная частота вращения……………………………п =750 об/мин;

- Номинальное напряжение…………………………………..U = 305 B;

- Номинальный ток……………………………………………I = 360 A;

- Момен инерции………..…………………………………….Jя = 8,25 ;

- Масса двигателя.......................................................................т = 2050 кг;

- Продолжительность включения……………………………ПВ = 80 %;

- К.П.Д…………………………………………………………η = 93,4 %;

- Число пар полюов……………………………………………р = 4;

- Число активных проводников якоря……………………….N = 2;

- Число параллельных ветвей обмотки якоря……………….а = 210;

- Сопротивление обмотки якоря……………………………..Rя = 0,0140 Ом.

Для экскаваторов с ковшом вместимостью до число двигателей поворотного механизма выбирают равное единице: .

Находим номинальную мощность двигателя ДЭВ-812.

Общее передаточное число поворотного механизма.

Суммарный момент инерции платформы с груженым ковшом, приведенным к валу двигателя.

где: - число двигателей в приводе.

Суммарный момент инерции платформы с порожним ковшом, приведенным к валу двигателя.

Принимаем моменты двигателя для поворотного механизма:

Стопорный момент:

Момент отсечки:

Динамический момент при разгоне двигателя с груженым и порожним ковшом находим по формуле.

где: - момент сопротивления платформы,

преодолеваемый двигателем при работе с установившейся скоростью.

Среднее значение момента, развиваемого двигателем при разгоне с груженым и порожним ковшом.

Время разгона двигателя до установившейся скорости с груженым ковшом.

где:

Угол, на который платформа повернется при разгоне двигателя с груженым ковшом.

где: .

Находим тормозной момент двигателя с груженым и порожним ковшом.

Время торможения платформы с груженым ковшом.

Средний момент, развиваемый двигателем при торможении с груженым и порожним ковшом равен.

Угол, на который платформа повернется при торможении с груженым ковшом определяется.

где:

Принимая за расчетный угол поворота платформы на разгрузку , найдем угол на который платформа повернется с установившейся скоростью, и время поворота на этот угол.

Время разгона двигателя до установившейся скорости с порожним ковшом.

Угол, на который платформа повернется при разгоне двигателя с порожним ковшом.

где: .

Время торможения двигателя с порожним ковшом определим по формуле.

Угол, на который платформа повернется при торможении с порожним ковшом.

где:

Угол поворота платформы с установившейся скоростью равен.

По полученным данным строим нагрузочные и скоростные диаграммы поворотного механизма экскаватора ЭКГ-4у, рисунок 3.3.

Рисунок 3.3 - Нагрузочные и скоростные диаграммы поворотного механизма экскаватора ЭКГ-4у

Эквивалентный момент двигателя определяем по формуле.

Коэффициент продолжительности включения двигателя.

где: tраб =

Согласно условию:

Определяем эффективную мощность двигателя по формуле.

Согласно условию:

Расчеты показали, что выбранный двигатель ДЭВ–812 удовлетворяет требованиям поворотного механизма.

Однако двигатель постоянного тока обладает существенными недостатками:

трудоемкость обслуживания, ненадежный щеточный аппарат, необходимость электромеханического преобразования электроэнергии.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором благодаря своей простоте, дешевизне, малым габаритным размерам широко используется в нерегулируемом приводе различных машин, применяемых в промышленности. Но общеизвестные недостатки этого типа двигателя (отсутствие возможности регулирования частоты вращения, значительные пусковые токи, малая кратность пускового момента, потеря энергии скольжения и низкий коэффициент мощности при пусках и параметрических способах регулирования, отсутствие плавности нарастания пускового момента двигателя и ряд других) не позволяют эффективно их использовать и резко ограничивают область их применения.

Устранение вышеперечисленных недостатков асинхронного двигателя может быть достигнуто за счет применения частотного управления. Для регулирования частоты напряжения, подводимого к электродвигателю, необходимо наличие преобразователя частоты.

Большое применение получили полупроводниковые преобразователи частоты, используемые в электроприводах переменного тока.

Полупроводниковые преобразователи частоты делятся на две основные группы:

- с непосредственной связью (НПЧ);

- преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока (ПЧИ).

НПЧ имеют меньшие габаритные размеры и массу, более надёжны в работе, ввиду отсутствия коммутирующих емкостей. ПЧИ обеспечивают полный диапазон регулирования частоты напряжения и плавное повышение частоты до 80-90 Гц. А так же способны оптимально использовать двигатель с точки зрения его тепловых характеристик. ПЧИ применяются в электроприводах, к которым предъявляют высокие требования в отношении производительности, качества регулирования и других параметров.

Основываясь данными проведенных расчетов по выбору мощности двигателя ДЭВ-812 с Рном = 100кВт, принимаем для привода поворота механизма экскаватора асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором серии 4А,[7] тип 4А315M8УЗ, ближайший по величине Рном и имеющий следующие технические данные:

- номинальное напряжение питающей сети………………..Uн = 380В;

- частота питающей сети…………………………………….f_c = 50 Гц;

- номинальная мощность двигателя………………………...Р_ном =110 кВт;

- синхронная частота вращения…………………………….n_о= 750 об/мин;

- номинальная частота вращения…………………………... n_н= 738 об/мин;

- номинальное скольжение…………………………………..S_ном = 0,015;

- коэффициент мощности……………………………………= 0,85;

- коэффициент полезного действия…………………………. = 93 %.