Механизм шахтного клетьевого подъемника

     Клетьевой подъемник является лифтовым устройством, предназначенным для транспортировки людей в шахту или из шахты. Помимо этого он используется также для транспортировки грузов.

     Статическая мощность для шахтного подъемника с двумя сосудами и цилиндрическим барабаном, кВт

,                 (3.23)

где Gном – вес номинального полезного груза, Н;

 кш – коэффициент, учитывающий сопротивление в шахте подъемника, прнимается в расчетах: кш=1,2 – для клетей; кш=1,15 – для скипов; кш=1,1 – для многоканатных установок;

qТ, qу – вес 1м подъемного (тягового) и уравновешивающего канатов, Н/м;

Н и х – глубина шахты и текущее расстояние подъемного сосуда с грузом от начальной точки движения, м;

Ηп.ном – номинальный КПД передаточного механизма.

     Для шахтных подъемных установок с одним сосудом и противовесом статическая мощность двигателя при подъеме груза,кВт

,            (3.24)

где Gо – вес подъемного сосуда (скипа или клети), Н;

 Gпр – вес противовеса, Н;

 Gном – вес номинального полезного груза, Н.

3.1.4. Механизмы непрерывного транспорта

К этим механизмам в первую очередь относятся конвейеры различных типов: ленточные, подвесные, роликовые, винтовые и др.

Статическая нагрузка конвейера определяется силами трения в элементах конвейера (подшипниках, опорных роликах, в тяговом элементе при его изгибе и т.д.), а также составляющими сил тяжести транспортируемого груза на наклонных участках трассы конвейера. Результирующая сила сопротивления (тяговая сила) Fс определяется путем последовательного обхода трассы конвейера при учете всех сил сопротивления на каждом его участке, т.е. с помощью тягового расчета конвейера.

Мощность приводного двигателя ленточного конвейера, кВт:

,                                  (3.25)

где  – коэффициент запаса;

 – номинальная линейная скорость тягового органа, м/с;

ηп – КПД передачи, учитывающий потери в барабане или в звездочке и в редукторе.

Приближенно статическую мощность конвейера можно определить по формуле

,                  (3.26)

где  – коэффициент запаса;

Q – производительность конвейера, Н/с;

с – опытный коэффициент, определяемый видом конвейера, его длиной и производительностью (для ленточных конвейеров в соответствии с табл.3.1; для цепных и винтовых конвейеров в соответствии с табл. 3.2 и табл. 3.3);

L – длина трассы, м;

Н – высота подъема, м;

ηп – КПД передачи (ηп=0,75÷0,85).

Таблица 3.1

Таблица 3.2

     Статическая мощность пластинчатого конвейера

,                               (3.27)

где  – коэффициент сопротивления, определяемый по табл. 3.4.

Таблица 3.3

Таблица 3.4

3.1.5. Компрессоры, вентиляторы и насосы

К турбомеханизмам относятся насосы, вентиляторы, компрессоры, вентиляторы и нагнетатели, для которых одной из особенностей является зависимость момента сопротивления от частоты вращения турбомеханизма.

Статическая мощность поршневого компрессора, кВт, определяется по приближенной формуле

,                                 (3.28)

где Q – производительность (подача) компрессора, м³/с;

 А – работа изотермического и адиабатического сжатия 1м³ атмосферного воздуха давлением Па до требуемого давления р2, Па, для давлений до 10·105Па значения А указаны в табл.3.5,

.                                  (3.29)

 ηк – индикаторный КПД компрессора, учитывающий потери мощности при реальном процессе сжатия воздуха, ηк=0,6÷0,8.

Таблица 3.5.

В объемных машинах напор не зависит от скорости. Поэтому законы подобия для них имеют вид

;                             (3.30)

.                              (3.31)

     Статическая мощность вентилятора, кВт, определяется по формуле

,                                 (3.32)

где Q – производительность вентилятора, м³/с;

 Н – напор (давление) газа, Па;

 ηв – КПД вентилятора (см. табл. 3.6).

     По формуле (3.30) определяется и статическая мощность центробежного компрессора.

     Статическая мощность центробежного насоса, кВт

,                  (3.33)

где ρ – плотность перекачиваемой жидкости, кг/м³;

 g=9,81м/с² - ускорение свободного падения;

 Q – производительность насоса, м³/с;

Нс – статический напор, определяемый как, сумма высот всасывания hв и нагнетания hс, м;

ΔН – потеря напора в трубопроводах насосной установки, м, который зависит от сечения и качества обработки труб, кривизны участков трубопровода, наличия вентилей и задвижек и т.д., то есть

;

 ηн – КПД насоса (см. табл. 3.6).

Таблица 3.6.Коэффициенты полезного действия

насосов, вентиляторов, компрессоров

     Пользуясь законами подобия, можно по известным характеристикам для номинальной скорости построить характеристики для скоростей, отличных от номинальных.

     Законы подобия для лопастных машин при изменении их угло­вой скорости ω выражаются следующими соотношениями:

;                             (3.34)

;                        (3.35)

.                           (3.36)

     На рис.3.1. показаны характеристики центробежных машин, построенные для скоростей, равных 0,8 и 0,6ωном. Точки, получающиеся в результате пересчета по законам подобия, лежат на квадратичных параболах  для напорных характеристик и на куби ческих параболах  для характеристик мощности, где α и b – постоянные коэффициенты.

     Совместная работа турбомеханизма и магистрали в установившемся режиме этих машин определяется точкой пересечения ее напорной характеристики и характеристики магистрали, подклю ченной к машине.

     Регулирование производительности турбомеханизма осуществляется двумя способами: изменением угловой скорости приводного двигателя и изменением сопротивления магистрали (трубопровода) с помощью задвижек (рис.3.2).

     Требуемый диапазон регулирования скорости определяется минимальными значениями подачи или напора:

.      (3.37)

     Значения Qmax и Hmin для лопастных машин, работающих на магистраль без статической составляющей напора, определяются пересечением характеристик магистрали и машины при максимальной скорости (если регулирование производится вниз от номинальной скорости, то ωmax=ωном). При наличии Нс значения Qmax и Hmin определяются пересечением напорной характеристики машины при максимальной скорости и квадратичной параболы, проходящей через точку с координатами Qmin и Hmin.

3.2. Механизмы деревообрабатывающих

и целлюлозно - бумажных производств

3.2.1. Пилорама

Статическая мощность приводного двигателя пилорамы, кВт

,                             (3.38)

где F – усилие резания, Н;

V – средняя скорость пилы, м/с;

ηст – КПД станка (в практических расчетах может быть принят равным 0,8);

ηп – КПД передачи.

Усилие резания, Н,

,                              (3.39)

где k – удельное сопротивление резанию (примерно 80÷200 МПа в зависимости породы дерева: для липы 80, сосны 100, ели 120, березы 130, дуба 150, ясеня 200 МПа);

b – толщина пилы (ширина пропила), мм;

 – общая ширина пропила, м;

Δ – подача,м;

 – ход пильной рамки, мм;

 – радиус кривошипа, мм.

Общая ширина пропила, мм

,                        (3.40)

где 0,75 – коэффициент использования формы бревна;

 z – число пил в пилораме;

 d – диаметр среднего сечения бревна, мм.

     Средняя скорость пилы, м/с,

,                             (3.41)

где Н – ход пильной рамки, м;

 n – частота вращения кривошипа, об/мин.

     В зависимости от продолжительности работы при определении мощности электродвигателя ориентировочно принимают в расчет поправочные коэффициенты, учитывающие затупление пилы (табл. 3.7).

Таблица 3.7

3.2.2. Круглопильный станок

Мощность электродвигателя приближенно определяют по эмпирической формуле

,                        (3.42)

где n – частота вращения вала пилы, об/мин;

 D – диаметр пилы, м;

 b – ширина пропила, мм;

 S – площадь пропила в единицу времени, м²/ч;

 kп – коэффициент, зависящий от породы дерева: для твердой породы kп=14, а для мягких – kп=28.

     Мощность электродвигателя может быть определена по аналитической формуле исходя из конструктивных размеров технологического процесса:

,            (3.43)

где k – удельное сопротивление резанию;

 b – ширина пропила, мм;

 Н – высота пропила, мм;

 u – скорость подачи материала, м/мин;

 ηст – КПД станка, обычно ηст=0,75÷0,85;

 ηп – КПД передачи;

 F – средняя касательная сила резания, Н;

 v – скорость резания, м/с.

     Скорость подачи, м/мин

,                   (3.44)

где uz – подача на 1 зуб пилы, мм;

 n – частота вращения пилы, об/мин;

 z – число зубьев пилы.

     В зависимости от толщины b полотна пилы при разведенных зубьях (при продльной пилке) подача древесины на один зуб пиы uz принимается равной, мм:

     для чистового распиливания (0,05÷0,2)b;

     для обычного распиливания (0,4÷0,5)b;

     при ребровом распиливании мягкой древесины (0,2÷0,3)b;

     при ребровом распиливании твердой древесины (0,1÷0,2)b;

     при плющеном зубе (0,6÷0,8)b.

     При продольной распиловке, например хвойных пород, оптимальное значение uz=0,8÷1,0 мм.

     Скорости ручной и механической подачи u для продольного раскроя соответственно 0,17÷0,6 и 0,8÷1,7 м/с, для поперечного – 0,1÷0,3 и 0,1÷0,4 м/с.

     Средняя касательная сила резания, Н

.                            (3.45)

     Скорость резания м/с соответствует окружной скорости передних режущих кромок пилы

,                              (3.46)

где D – диаметр пилы, м;

 n – частота вращения пилы, об/мин.

3.2.3. Строгальный станок

Мощность электродвигателя для ножевого вала строгальных станков с ножевыми головными фрезами

.                             (3.47)

     Среднее касательное усилие резания на резце

,                            (3.48)

где k=10÷46 – удельное сопротивление резанию, зависящее от скорости подачи и породы древесины, МПа;

 b – ширина, снимаемого слоя древесины, мм (ширина строгания односторонних станков составляет 300 – 1200 мм);

 Н – высота снимаемого слоя, мм;

 u – скорость подачи, м/с;

 v – скорость резания, м/с.

3.2.4. Рубительная машина для производства щепы

     Статическая мощность на валу главного механизма

,                           (3.49)

где n – частота вращения, об/мин;

 Мс – статический момент нагрузки, Н·м, определяемый по формуле

,          (3.50)

 Мсх – момент холостого хода (момент сил трения в кинематических звеньях машины), Н·м;

 Мсном – момент на валу машины при номинальной частоте вращения nном, Н·м;

 n, р – можно принять по табл. 3.8;

 х – опытный коэффициент, определяемый конструкцией машины и свойствами древесины, в среднем х=15,5 Н/м;

 d – диаметр бревна, м;

 z – число ножей на диске.

Таблица 3.8.

3.2.5. Коническая мельница для размола

и перемешивания древесной массы

     Статическая мощность определяется по формуле

,                         (3.51)

где kм – коэффициент мощности: для малых мельниц kм=4,1; для средних – kм=3,6; для больших – kм=3,1;

 S – площадь соприкосновения ножей с древесиной, м²;

 Dср – средний диаметр ротора мельницы, м.

3.2.6. Дефибер

     Мощность на валу главного привода, кВт

,                             (3.52)

где f – коэффициент трения баланса о камень, в среднем f=0,2÷0,27;

 Sэ – эффективная поверхность истирания, м², определяемая по формуле

;                          (3.53)

 Вк – ширина камня, м;

 l – длина дуги истирания по окружности камня, м;

 v – окружная скорость на поверхности камня, которую можно рассчитать по (3.46), обычно v=12÷20 м/с;

 рс – удельное давление прижима: в среднем рс=25Н/м²;

 ηп – КПД передачи.

Мощность на валу прессового дефибера, кВт

,                         (3.54)

где kД=0,04 – эмпирический коэффициент;

 Sэ – эффективная поверхность истирания, м², определяемая по формуле

,                       (3.55)

 m – число прессов;

 b – ширина камеры пресса, м;

 l – длина камеры пресса, м.

     Мощность на валу механизма подачи

,                (3.56)

где vп – скорость подачи, м/с;

 р – удельное давление баланса на камень: р=(0,245÷0,345)vп, Н/м²;

 kсв – коэффициент связи между полезным давлением на камень и давлением на винта;

: для острого камня λ=25, для тупого λ=40;

 ηп – КПД передачи.

     Мощность двигателя выбирается с учетом коэффициента запаса кз=1,2÷1,5 в связи с возможными колебаниями коэффициента трения иэффективной площади истирания баланса.

3.3. Механизмы химической промышленности

3.3.1.Сепарирующие механизмы

     Статическая мощность вибрационного грохота

,            (3.57)

где Р1 – мощность, затрачиваемая на сообщение кинетической энергии движущихся масс;

 Р2 – мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения движущегося материала о сито грохота;

 m – масса грохота с материалом, т;

 е – радиус эксцентрика, м;

 n – частота вращения кривошипа привода эксцентрика, об/мин;

 f – коэффициент трения материала по ситу, м/с;

 L – длина сита, м;

 Q – производительность грохота, т/ч;

 ηп – КПД передачи.

     Производительность грохота можно рассчитать по формуле:

,                           (3.58)

где В – ширина сита, м;

 v – линейная скорость перемещения материала по ситу, м/с;

 d – размер наиболее крупных кусков материала, м;

 ρ – плотность материала, т/м³;

 kр – коэффициент разрыхления материала, kр=(0,6÷0,7);

 g=9,81м/с² - ускорение свободного падения.

Статическая мощность барабанного грохота, кВт

,                 (3.59)

где m – масса грохота (барабана с бандажами), кг;

 m0 – масса материала, находящегося в барабане, кг;

 R – радиус барабана, м;

 η=0,7÷0,8 – КПД .

     Мощность на валу механизма вычисляется приближенно по формуле

,                                   (3.60)

где D – диаметр ротора, м.

3.3.2.Центрифуги

     Центрифуга непрерывного действия. Нагрузочный (статический) момент, Н·м, складывается из моментов трения ротора о воздух и трения в подшипниках

,                 (3.61)

где Н и D – соответственно высота и диаметр ротора, м;

 n – частота вращения ротора, об/мин;

 f – коэффициент трения в подшипниках, обычно f=0,03÷0,09;

 mц – масса ротора центрифуги с продуктом, кг;

 d – диаметр вала, м.

     Центрифуга периодического действия. Расчет мощности производится по пусковому режиму, причем общая требуемая мощность состоит из нескольких слагаемых:

,                       (3.62)

где Р1 – мощность, затрачиваемая на преодоление момента инерции барабана:

;                               (3.63)

mб – масса пустого барабана, кг;

v – окружная скорость барабана, м/с;

τп – длительность пуска, с;

Р2 – мощность, затрачиваемая на преодоление инерции массы материала:

;                        (3.64)

Vб – объем барабана, м³;

ρс – плотность суспензии, кг/м³;

Р3 – мощность, затрачиваемая на преодоление трения в подшипниках вала

,                           (3.65)

m∑ - суммарная масса барабана с загрузкой и других вращающихся деталей, связанных с валом, кг;

f – коэффициент трения, находящийся в следующих пределах: f=0,07÷0,1;

vв – линейная скорость цапфы вала, м/с;

g=9,81 м/с² – ускорение свободного падения;

,                         (3.66)

R – наружный радиус барабана, м;

n – частота вращения барабана, об/мин.

3.3.3. Вращающиеся печи, сушилки

Мощность, кВт, электродвигателя печи определяется по формуле

,                       (3.67)

где α – коэффициент, зависящий от диаметра барабана D; значения α приведены в табл. 3.9;

 L – длина барабана печи, м;

 ω – угловая скорость печи, рад/с;

 ρ – плотность материала, кг/м³;

 φ – коэффициент заполнения муфеля;

 ηп – КПД передачи;

 k1, k2, k3 – коэффициенты(k1=1 при D≤2,2; k1=1,3 при D≥2,2; k2=1,4 при ρφ=100; k2=1,2 при ρφ=200; k2=1,0 при ρφ=300; k3=1 при мелкокусковом материале; k3=1,1 при крупнокусковом материале).

Таблица 3.9

     Мощность, кВт, двигателя на вращение барабана сушилки

,                   (3.68)

,             (3.69)

где Gб – вес 1м длины сушильного барабана (определяется по табл. 3.10);

 μ – приведенный коэффициент трения качения, м (табл. 3.10);

 D – диаметр барабана, м;

 φ – коэффициент заполнения барабана;

 ρн – насыпная плотность материала, кг/м³;

 g=9,81 м/с² – ускорение свободного падения.

Таблица 3.10

3.3.4. Резиносмесители

Расчет мощности привода с учетом всех факторов выполняется по эмпирической формуле

,  (3.70)

где l1 и l2 – размер длинного и короткого гребней ротора соответственно, м;

 μ1 и р – реологические константы смеси: μ1 – динамическая вязкость, Па·с; р – индекс течения;

 nср – средняя частота вращения переднего и заднего ротора, об/мин

;                            (3.71)

n1 – частота вращения переднего ротора, об/мин;

n2 – частота вращения заднего ротора, об/мин;

h0 – зазор между гребнем ротора и стенкой камеры, м;

δ – ширина кромки гребня ротора, м;

Dк – диаметр камеры смешения, м;

SΣ – площадь полукамеры смешения, рассчитываемая как сумма площадей отдельных элементов, например, секторов, на которые можно разбить область деформации в полукамере, м² (рис. 3.3.):

,                          (3.72)

k – число элементов, на которые разбивается серповидный зазор между ротором и камерой смешения (область деформации);

Si – площадь сечения каждого i-го элемента, м²;

hi – зазор между стенкой камеры и поверхностью ротора i-го элемента площади, м.

     Площадь каждого элемента серповидного зазора можно определить как площадь сектора кольца шириной hi:

,                       (3.73)

.

     Измерение по чертежу значений hi позволяет просуммировать все значения Si и получить SΣ.

3.3.5. Червячные машины

Мощность приводного двигателя находим по формуле

,                                 (3.74)

где Рд – мощность, расходуемая на пластическую деформацию и выдавливание резиновой смеси из выходного отверстия головки

,                             (3.75)

 S – площадь сечения выходного отверстия, м²;

 σТ – напряжение течения (давления резиновой смеси), Н/м²;

 v – линейная скорость выхода заготовки, м/с;

РТ – мощность, расходуемая на трение обрабатываемого материала в червячном прессе:

,                         (3.76)

РТЦ – мощность, расходуемая на трение о внутреннюю поверхность цилиндра, кВт;

РТЧ – мощность, расходуемая на трение о поверхность червяка;

,                 (3.77)

,                        (3.78)

     Иногда требуемую мощность червячных прессов определяют по удельному расходу электрической энергии. дельный расход электрической энергии для большей части полимеров составляет 0,13 – 0,234 кВт·ч/кг. Ориентировочно можно считать, что каждый киловатт мощности электропривода обеспечивает производительность 3,7 – 7,4 кг/ч.

3.3.6. Валковые машины

Точные методы расчета мощности, потребляемой при обработке на валковых машинах термопластичных материалов, не разработаны из-за сложности определения точных значений их динамической вязкости μ. Вязкость находят либо непосредственным измерением распорных усилий F на опытном каландре с последующим определением вязкости на расчетном каландре, либо по кривым течения, построенным по данным капиллярной вискозиметрии.

Мощность, кВт, каландра с одной парой валков при известной вязкости μ можно ориентировочно определить по формуле

,                         (3.79)

где F – распорное усилие, Н;

 v – линейная скорость валков, м/с;

 h – минимальный зазор между валками, м;

 D – диаметр валка, м.

     Для каландров с числом валков z мощность

,                                (3.80)

где ηмаш – КПД машины;

 ηприв – КПД привода.

     Распорное усилие, Н

,                         (3.81)

где μ1 – динамическая вязкость термопластического материала, Н·с/м²;

 r – радиус валка, м;

 l – рабочая длина валка, м.

     Полезная мощность, кВт, потребляемая вальцами при обработке каучуков СКН-40, СКН-36, СКН-30 и СКН-10, может быть определена из выражения:

,            (3.82)

где n – частота вращения быстроходного вала, об/мин;

 ρ – плотность каучука, кг/м³;

 D – диаметр валка, м;

 L – длина валка, м;

 П – конечная пластичность каучука;

 ф – коэффициент фрикции валков, обычно ф=1÷1,17.

  Таблица 3.11

3.3.7. Мешалки

Лопастная мешалка. Это наиболее простые по конструкции мешалки (рис. 3.4.).

Мощность на валу мешалки при горизонтальном расположении лопастей

                  (3.83)

где kл – коэффициент, зависящий от формы лопасти (табл. 3.12);

 z – число пар лопастей;

 ηп – КПД передачи;

 Fл – площадь лобовой поверхности, вытесняющей жидкость

;                             (3.84)

β – угол наклона лопастей к направлению вращения (для горизонтальной мешалки sinβ=1,0);

D – диаметр окружности, описываемой лопастями мешалки, м;

n – частота вращения, об/мин;

ρ – плотность жидкости, кг/м³.

     Для вертикальных прямоугольных лопаток (рис. 3.5.)

.                     (3.85)

Таблица 3.12

3.3.8. Мельницы

Мощность на валу барабанной мельницы, кВт

,                         (3.86)

где G – сила тяжести мелющих тел, Н;

 R – внутренний радиус барабана мельницы, м;

 n – частота вращения барабана мельницы, об/мин;

 ηп – КПД передачи.

     Мощность привода шаровой мельницы можно определить с помощью кривых удельной энергии измельчения материала.

     Удельное усилие измельчения Fуд определяется по формуле

,                   (3.87)

где σном – номинальный размер частиц (обычно максимальный размер частиц на выходе из мельницы).

     При известном Fуд по графику, приведенном на рис. 3.6, определяется удельная энергия измельчения материала Эуд (Дж/кг), после чего вычисляется мощность двигателя

,                             (3.88)

где Q – производительность мельницы, кг/с;

 kз – коэффициент запаса: kз=1,3÷1,5.

     Статические нагрузки при переменной нагрузке рассчитываются для каждого участка циклограммы работы механизма. Например, для механизма подъема крана можно выделить следующие участки циклограммы: спуск крюка, пауза, подъем груза, пауза на горизонтальное перемещение груза, спуск груза, пауза, подъем крюка, пауза. Если продолжительность каждого участка циклограммы не задана, то необходимо произвести их расчёт.

     Применительно к крану время подъема и опускания груза и крюка можно определить следующим образом:

,                                   (3.5)

где h – высота подъема и опускания груза, м;

 V – скорость подъема и опускания груза, м/с.

     Если же на каком-либо участке работы механизм движется с другой скоростью, то в расчете следует использовать эту скорость.

     С учетом задаваемых исходных данных к проекту и рассчитанных статических мощностей, а также времен их действия строят

нагрузочную и скоростную диаграммы механизма за цикл работы.

4. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ВЫБОР МОЩНОСТИ

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ И ПРИВЕДЕНИЕ МОМЕНТОВ

И СИЛ К ВАЛУ ДВИГАТЕЛЯ

4.1. Предварительный выбор мощности двигателя

     Выбор электродвигателей, работающих в системах автоматизированного электропривода, производится по следующим параметрам и показателям: роду тока и номинальному напряжению, номинальным мощности и скорости, виду естественной механической характеристики, пусковым и тормозным качествам, особенностям регулирования скорости в двигательном и тормозных режимах работы, конструктивному исполнению двигателя и т.д.

     Для электропривода производственного механизма следует выбирать наиболее простой двигатель по устройству и управлению, надежный в эксплуатации, имеющий наименьшие массу, габариты и стоимость. Вместе с тем двигатель должен удовлетворять всем требованиям технологического процесса и соответствовать условиям окружающей среды, в которой он будет находиться во время эксплуатации.

     По степени защиты электродвигателя от воздействий окружающей среды различают двигатели открытые (IР00), защищенные (IР10, IР20), каплезащищенные (IР11, IР21, IР12, IР22, IР23, IР43), закрытые (IР44, IР54, IР55, IР56).

     По конструктивному исполнению и способу монтажа наибольшее распространение получили следующие машины: с двумя подшипниковыми щитами, на лапах, вал горизонтальный (IМ1001); то же но с вертикальным валом, направленным вниз (IМ1011); на лапах с фланцем на одном подшипниковом щите, вал горизонтальный (IМ2001); с двумя подшипниковыми щитами, без лап, с фланцем на подшипниковом щите и с горизонтальным валом (IМ3001).

     Двигатели, применяемые в электроприводе разделяются на две группы:

1. двигатели, предназначенные для привода механизмов длительного режим работы с неизменной (мало меняющейся нагрузкой);

2. двигатели, работающие в динамических режимах.

Первая группа двигателей предназначена для следующих механизмов: насосы, вентиляторы, компрессоры, насосы, воздуходувки, транспортеры, дробилки, сушилки и т.д. Это электрические машины общего назначения: асинхронные двигатели серий АИ, 2АИ, АИР, 4А, двигатели постоянного тока серий 4П, 2П, П, синхронные двигатели СДН, СДН3, СДК, СДКП.

Вторая группа двигателей предназначена для механизмов с частыми пусками, торможениями, реверсами и большой частотой включения. Как правило, это механизмы кратковременного и повторно-кратковременного режимов работы (подъемники, лебедки, краны, лифты, манипуляционные механизмы роботов и т.д.).

Характерными особенностями электрических машин второй группы является повышенная перегрузочная способность, уменьшенные энергозатраты на разгон вращающихся масс, обеспечение высокой частоты включений в час. К этой группе машин относятся: краново-металлургические двигатели переменного тока серий МТF, МТКF, МТН, МТКН, 4МТКF, 4МТН, 4МТКН, МАП; крановые двигатели постоянного тока серий Д, ДП, вентильные двигатели серий ДВУ, 2ДВУ.

Наиболее характерными для промышленных электроприводов являются три режима работы.

1. Продолжительным номинальным режимом работы (S1) электрической машины называется режим ее работы при неизменной нагрузке такой продолжительностью, что превышения температуры всех частей машины достигают установившихся значений.

2. Кратковременным номинальным режимом работы (S2) электрической машины называется режим, при котором период неизменной нагрузки чередуется с периодом отключения машины, при том периоды нагрузки не настолько длительны, чтобы превышения температуры машины могли достигнуть установившихся значений, а периоды отключения настолько длительны, что все ее части охлаждаются до температуры охлаждающей среды. Для кратковременного режима работы рекомендуются продолжительности рабочего периода tр 15, 30, 60, 90 мин.

3. Повторно-кратковременным номинальным режимом работы (S3) называется режим работы электрической машины, при котором кратковременные периоды неизменной номинальной нагрузки – рабочие периоды – чередуются с периодами отключения машины – паузами, причем как рабочие периоды, так и паузы не настолько длительны, чтобы превышения температуры частей машины могли достигнуть установившихся значений. Повторно-кратковременный режим работы характеризуется относительной продолжительностью включения

,                               (4.1)

где tр – время работы электродвигателя;

tц – время цикла.

     Нормируемые значения продолжительности включения 15, 25, 40, 60% или =0,15, 0,25, 0,4, 0,6.

     Для режима S3 номинальные данные соответствуют только определенному значению ПВ и относятся к рабочему периоду. Причем важно отметить, что вводится ограничение на допустимую длительность цикла tц≤10мин.

     Если время цикла превышает 10 мин., то режим работы относится к длительному с переменной нагрузкой.

     Если ε ≤0,1, то считают, что режим работы относится к кратковременному.

     Как уже отмечалось выше, мощность электродвигателя предварительно рассчитывается исходя из статической нагрузки механизма и режима работы электропривода.

     Для электроприводов, работающих в длительном режиме с неизменной нагрузкой (режим S1) мощность двигателя принимается равной

,                                  (4.2)

где Рс – статическая мощность механизма;

 к – коэффициент запаса, учитывает динамические нагрузки, обычно к=1,08÷1,35;

 ηп – КПД передачи.

     Мощность двигателя, работающего в длительном циклическом режиме с переменной нагрузкой можно рассчитать по среднеквадратичному статическому моменту Мс.э.:

,                           (4.3)

где

,                                 (4.4)

 или                     (4.5)

Мс.i. – статический момент на i-ом интервале нагрузочной диаграммы механизма;

ti – продолжительность i-го интервала;

tц – время цикла;

n – число интервалов в цикле;

ωм – угловая скорость механизма;

Vм – линейная скорость механизма;

j – передаточное число редуктора;

ρ – радиус приведения.

     Меньшие значения коэффициента запаса по мощности к принимается для более сглаженного графика нагрузки.

     Для электроприводов, работающих в режиме S2, нецелесообразно выбирать двигатели, предназначенные для работы в режиме S1, так как последние, как правило, обладают ограниченной перегрузочной способностью, в связи, с чем в данном случае они недоиспользуются по нагреву.

     Если нагрузка привода изменяется, а время работы не совпадает со стандартным временем кратковременной нагрузки, то рассчитываются эквивалентные величины, которые приводятся к стандартному значению продолжительности кратковременной работы tр.ст., ближайшему к реальному значению tр..

,                         (4.6)

,                            (4.7)

где Мэtр.ст, Рэtр.ст – эквивалентные значения момента и мощности за время работы двигателя tр., приведенные к ближайшему стандартному значению tр.ст..

Номинальная мощность двигателя для кратковременного режима при данном стандартном tр.ст.:

.                             (4.8)

где к – коэффициент запаса по мощности;

 Рном.tр.ст – номинальное значение мощности двигателя, соответствующее стандартному значению tр.ст..

     При повторно-кратковременном режиме работы S3 эквивалентный момент рассчитывается за рабочее время, то есть без учета пауз, когда двигатель отключен от источника питания:

,                          (4.9)

где tр – продолжительность работы двигателя за время цикла;

 n – число интервалов в цикле;

 ti – продолжительность i-го рабочего интервала.

     Рассчитанный эквивалентный статический момент при реальном ПВ следует привести к эквивалентному статическому моменту при стандартному моменту при стандартном ПВст:

.                   (4.10)

     Формула (4.10) справедлива также для приведения мощности и тока.

     Номинальная мощность двигателя для повторно-кратко­временного режима при данном стандартном ПВст:

.                           (4.11)

     Если основной нагрузкой механизма является динамическая нагрузка (следящие системы, манипуляционные механизмы и т.д.), то номинальная мощность двигателя при оптимальном (или квазиоптимальном) передаточном числе jопт может быть рассчитана следующим образом:

,                 (4.12)

где Мм – статический момент на валу механизма, Н·м;

 Jм – момент инерции механизма, кг·м²;

 εм.max – максимальное угловое ускорение механизма, рад/с²;

 ηп – КПД передачи;

 ωном – номинальная скорость двигателя, рад/с;

 λm – перегрузочная способность двигателя;

 к – коэффициент запаса по мощности.

4.2. Передаточное число

Отношение угловых скоростей (частот вращения), радиусов шестерен, находящихся в зацеплении, шкивов, соединенных ремнями, звездочек, соединенных цепью, называют передаточным числом. При жестком зацеплении передаточное число определяется следующим образом:

,                            (4.13)

где r1, r2 – соответственно радиусы ведущего и ведомого колес;

 z1, z2 – число зубьев ведущего и ведомого колес;

 ω1, ω2 – угловые скорости ведущего и ведомого валов.

Двухступенчатые редукторы имеют передаточные числа 8 – 51, а трехступенчатые – от 16 до 125.

Полиспастные системы механизмов подъема кранов общего назначения имеют передаточные числа (кратности) i=3; 4. при грузоподъемности кранов свыше 50 т. кратности полиспастов могут быть i=6; 8.

Диаметры грузовых барабанов кранов выбирают из стандартного ряда 260, 335, 410, 510, 630, 750, 900, 1160, 1200, 1450 мм; диаметры ходовых колес кранов из ряда: 320, 400, 560, 630, 710, 800 мм; а диаметры ходовых колес тележек 200, 250, 320, 400 мм.

Передаточное число редуктора

,                          (4.14)

где D – диаметр барабана с грузовым канатом для лебедок подъема или диаметр ходового колеса, м;

 n – частота вращения вала двигателя, соединяемого с редуктором, об/мин;

 V – линейная скорость перемещения механизма, м/с;

 i – кратность полиспаста.

     В быстродействующих электроприводах, работающих в динамических режимах, часто определяют оптимальное (по быстродействию) передаточное число редуктора jопт. Приближенно его можно рассчитать по формуле

,                                (4.15)

где Jд – момент инерции ротора двигателя, кг·м²;

 Jм – момент инерции вращающихся частей механизма, кг·м²;

 δ=1,1÷1,3 – коэффициент, учитывающий момент инерции самой передачи.

     Второй способ определения оптимального передаточного числа редуктора при известной мощности двигателя Рном состоит в том, что для данной Рном из каталога выписывают значения Jд и nном для разных чатот вращения и рассчитывают произведения : , … . Из рассчитанного ряда выбирают

.

     Тогда оптимальное передаточное число будет

,                     (4.16)

где nм, (ωм) – частота вращения (угловая скорость) вала механизма.

     Для связи угловой скорости двигателя ω с линейной скоростью механизма V вводится радиус приведения, м:

.                                 (4.17)

4.3. Допустимые ускорения механизмов

Ускорения механизмов в переходных режимах работы ограничиваются в следующих случаях:

1. при выборе зазоров в передачах или при выборе слабины канатов для уменьшения скорости в момент замыкания всей механической системы;

2. для уменьшения амплитуды колебаний груза, перемещаемого краном на гибком подвесе;

3. для обеспечения требуемого характера работы механизмов (например, ускорение кабины лифтов должно быть ограничено значением 2 м/с² по условиям комфортности перевозимых пассажиров);

4. по условиям обеспечения надежного сцепления колес механизмов передвижения с рельсами;

5. по условиям обеспечения надежного сцепления канатов со шкивами трения в подъемниках;

6. для исключения затруднений при управлении производственными механизмами.

Средние значения ускорений для механизмов кранов, м/с²:

Механизмы подъема, осуществляющие монтажные

операции и работающие с жидким металлом……………………….0,1

Механизмы подъема кранов механосборочных цехов……………..0,2

Механизмы подъема кранов металлургических цехов……………..0,5

Механизмы подъема, перегружающие сыпучие грузы…………….0,8

Механизмы передвижения мостовых перегружателей……………0,05

Механизмы передвижения кранов и тележек,

транспортирующих жидкий металл, козловых кранов……………..0,1

Механизмы перемещения монтажных кранов и их

тележек при гибкой (жесткой) подвеске груза……………......0,2 (0,3)

Грейферные тележки мостовых перегружателей……………….......0,8

Механизмы вращения кранов...............................................................0,6

Максимальные значения ускорений для подъемников:

Лифты пассажирские (кроме больничных)............................................2

Лифты больничные...................................................................................1

Шахтные подъемники клетьевые...............................................0,6÷0,75

Шахтные подъемники скиповые...................................................0,8÷1,2

     Для лифтов, кроме того ограничивается производная ускорения (рывок) в пределах 3 – 10м/с³.

Для конвейеров максимальное ускорение 0,1÷0,2м/с².

4.4. Приведение моментов сопротивления, сил,

моментов инерций и масс к валу двигателя

     Статический момент на валу рабочей машины, приведенный к валу электродвигателя, без учета потерь в передаче определяется выражением

,                           (4.18)

где Мм – момент сопротивления на валу рабочей машины;

 j – передаточное число.

     Статический момент на валу двигателя от действия силы сопротивления Fс на рабочем органе механизма без учета потерь в передаче рассчитывается следующим образом:

,                                    (4.19)

где ρ – радиус приведения.

     В общем случае для двигательного режима статический момент на валу двигателя с учетом потерь в передаче

,                            (4.20)

и для тормозного

,                         (4.21)

где ηп – КПД передачи, при частичной загрузке может быть определен по (3.7).

     Момент инерции механизма, приведенный к валу двигателя

,                             (4.22)

где Jм – момент инерции вращающихся частей механизма, кг·м²;

 j – передаточное число редуктора.

     При поступательном движении механизма эквивалентный момент инерции, приведенный к валу двигателя

,                                    (4.23)

где m – масса поступательно движущихся частей механизма, кг;

 ρ – радиус приведения.

     Если же известен маховой момент GD², то момент инерции можно рассчитать по следующей формуле;

.                             (4.24)

     Суммарный момент инерции электропривода определяется следующим образом:

,                         (4.25)

где δ=1,15÷1,3 – коэффициент, учитывающий момент инерции вращающихся масс передаточного механизма;

 Jдв – момент инерции ротора двигателя;

 Jмуф – момент инерции соединительной муфты, тормоза и других частей механизма, непосредственно связанных с валом двигателя;

 Jм – момент инерции вращающихся частей механизма;

 j – передаточное число редуктора;

 m – масса поступательно движущихся частей механизма, кг;

 ρ – радиус приведения.

5. РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ УПРОЩЕННОЙ

НАГРУЗОЧНОЙ ДИАГРАММЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

     Нагрузочная диаграмма электропривода представляет собой зависимость электромагнитного момента М, тока I или мощности Р от времени. В тех случаях, когда момент и ток связаны линейной (или примерно линейной) зависимостью, обычно нагрузочную диаграмму строят для момента, который определяют из основного уравнения движения электропривода:

,                     (5.1)

где Мс – статический момент на валу двигателя;

 Мдин – динамический момент электропривода;

 JΣ – суммарный момент инерции электропривода, определяемый по (3.),кг·м².