Актуальность работы.
Увеличение темпов развития промышленного производства и сельского хозяйства России обуславливает значительный рост объемов грузоперевозок и погрузочно-разгрузочных работ, что в свою очередь требует повышения производительности грузоподъемных машин и снижения себестоимости их эксплуатации.
В настоящее время в стране общий парк грузоподъемных кранов составляет около 300 тыс. единиц, из которых около 100 тыс. приходится на мостовые краны. Последние обладают значительными массами, относительно высокими скоростями передвижения и частотой рабочих циклов. Так, например, при среднем времени рабочего цикла равном 2 мин, за смену кран может совершить около 240 циклов. При этом краны грузоподъемностью от 5 до 320 т, передвигающиеся со скоростью от 20 до 40 м/мин, обладают кинетической энергией от 5,6 до 73 кДж.
Тормозные средства, используемые в известных конструкциях мостовых кранов, в основном являются энергозатратными, т. е. используют внешнюю энергию для осуществления торможения и преобразуют кинетическую энергию тормозимого объекта в тепловую. Потери кинетической энергии одного мостового крана грузоподъемностью 20 т могут достигнуть 10 700 кДж за одну смену при близких по величине затратах энергии на осуществление торможения.
Известны способы торможения, которые в отличие от энергозатратных позволяют полезно использовать кинетическую энергию машин. К таким способам можно отнести инерционное и рекуперативное торможение.
Инерционное торможение основано на использовании кинетической энергии объекта для создания тормозной силы и может применяться на локомотивном транспорте и для торможения грузоподъемных кранов в тупиках.
Рекуперативное торможение может осуществляться переводом тягового электродвигателя в генераторный режим и преобразованием кинетической энергии тормозимого объекта в электрическую с последующей отдачей в контактную сеть или сохранением в специальном накопителе. Осуществление торможения с рекуперацией энергии в сеть может быть реализовано, если скорость тормозимого объекта, приведенная к валу двигателя, выше скорости идеального холостого хода электродвигателя, или при использовании сложных и дорогостоящих систем управления, причем рекуперативное торможение эффективно при наличии постоянного потребителя в сети и не обеспечивает полной остановки тормозимого объекта.
Торможение с рекуперацией энергии в накопитель, т. е. энергонакопительное торможение, характеризуется большей универсальностью. Данный вид торможения не зависит от состояния питающей сети, способен обеспечить полную остановку тормозимого объекта и может использоваться на мобильных машинах. Особый интерес представляет применение маховичных накопителей энергии. Такие накопители не требуют преобразования кинетической энергии в другие виды энергии и отвечают требованиям по удельной энергоемкости и скорости зарядки.
Использование маховичных накопителей характеризуется тем, что на участке торможения энергетический потенциал движущейся машины изменяется от максимального значения до нуля, а кинетическая энергия маховика от нуля до максимума, т. е. передаточный механизм, посредством которого присоединяется маховик, должен иметь переменное передаточное отношение, плавно изменяющееся от значений, стремящихся к бесконечности, до нуля. Реализовать такое энергонакопительное торможение механизма передвижения мостового крана с учетом указанных требований возможно при использовании планетарного дифференциального редуктора в качестве передаточного механизма.
Учитывая, что в структуре эксплуатационных расходов затраты на электроэнергию достаточно велики, снижение энергоемкости рабочего цикла за счет энергосбережения в режиме торможения является перспективным и актуальным направлением совершенствования мостовых кранов.
Соответствие диссертации научному плану работ ЮРГТУ (НПИ) и целевым комплексным программам. Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления «Теория и принципы построения автоматизированных машин, робототехнических и мехатронных устройств и систем», утвержденного Ученым советом ЮРГТУ (НПИ) 25.04.1998 г., по госбюджетной теме кафедры «Строительные, дорожные и коммунальные машины» ЮРГТУ (НПИ): П53−804 «Теория, принципы создания и диагностики машин и агрегатов для строительства и предприятий стройин ду стрии».
Цель работы. Разработка энергонакопительной тормозной системы механизмов передвижения мостовых кранов для снижения затрат энергии при их эксплуатации.
Идея работы. Использование в качестве накопителя энергии маховика, присоединяемого посредством дифференциального передаточного механизма к механизму передвижения мостового крана для обеспечения энергонакопительного торможения с последующим использованием накопленной энергии при разгоне.
Методы исследований. В работе использованы основные положения и методы анализа динамики подъемно — транспортных машин, численные методы решения систем дифференциальных уравнений, статистические методы обработки экспериментальных исследований, методы планирования и обработки данных многофакторного машинного эксперимента.
Научные положения, выносимые на защиту:
— способ энергонакопительного торможения механизмов передвижения мостовых кранов и структура тормозной системы, обеспечивающие торможение объекта до полной остановки с сохранением кинетической энергии в маховике;
— математическая модель динамики торможения механизмов передвижения мостовых кранов посредством предложенной энергонакопительной системы, позволяющая установить влияние конструктивных и режимных параметров на показатели эффективности торможения;
— метод выбора рациональных параметров энергонакопительной тормозной системы и синтеза закона управления торможением посредством регулирования тока тягового электродвигателя, обеспечивающий накопление максимального количества кинетической энергии в маховике при соблюдении технологических требований к процессу торможения.
Новизна научных положений, выносимых на защиту, заключается в следующем:
— научно обоснован и запатентован способ энергонакопительного торможения, и разработана структура тормозной системы, основанной на использовании маховика, присоединенного посредством дифференциального передаточного механизма к приводу механизма передвижения осуществляющей торможение механизмов передвижения мостовых кранов с сохранением максимального количества энергии в маховике при управляющем воздействии тягового электродвигателя;
— разработана математическая модель динамики торможения посредством предложенной системы, и установлена степень влияния передаточного отношения дифференциального планетарного механизма, момента инерции маховика, массы транспортируемого груза, длины подвеса и фазового положения груза на количество накапливаемой энергии, время торможения и амплитуду колебаний груза;
— впервые разработан алгоритм определения рациональных конструктивных параметров энергонакопительной тормозной системы и синтеза закона управления торможением, учитывающего влияние эксплуатационных факторов на динамику торможения и обеспечивающего максимальное накопление энергии в маховике при соблюдении технических требований к процессу торможения.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью допущений, принимаемых при разработке расчетных схем и математических моделей, применением апробированных методов решения дифференциальных уравнений, использованием современных средств измерений, методов экспериментальных исследований, достаточным для решения поставленных задач объемом материала, полученного при машинном эксперименте, приемлемой сходимостью теоретических и экспериментальных исследований.
Научное значение работы заключается в развитии теоретических положений энергонакопительного торможения, принципов построения и управления энергонакопительными тормозными системами для механизмов передвижения мостовых кранов.
Практическое значение полученных результатов заключается в том, что разработана:
— конструкция энергонакопительной тормозной системы, позволяющей накапливать в маховике до 40% кинетической энергии тормозимого объекта;
— методика расчета основных конструктивных параметров энергонакопительной тормозной системы и определения закона управления торможением механизма передвижения мостовых кранов.
Реализация результатов работы. Методика расчета основных параметров энергонакопительной тормозной системы и определения закона управления торможением механизмов передвижения мостовых кранов принята к внедрению в ООО ПО «Союзстрой» и рекомендована к использованию при проектировании механизмов передвижения мостовых кранов. Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре строительных дорожных и коммунальных машин при проведении лекций, в курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на: научно-технической конференции «Подъемно-транспортные машины на рубеже веков» (г.Москва, 1999 г.) — научно-практическом семинаре по совершенствованию системы экспертизы промышленной безопасности Гостехнадзора России (г. Сочи, 2000 г.) — научно-технической конференции «Интерстроймех 2001» (г. Санкт-Петербург, 2001 г.) — научно-технических конференциях Южно-Российского государственного технического университета (г. Новочеркасск, 1999;2005 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 6 печатных работ и получен патент на изобретение.
Выводы по главе 4.
1. Проведенные экспериментальные исследования показали работоспособность предлагаемой энергонакопительной тормозной системы, т. е., процесс торможения на экспериментальном стенде обеспечивает полную остановку тормозимого объекта, накопление кинетической энергии в маховике и ее полезное использование при разгоне.
2. Величина накопленной маховиком энергии при экспериментальных исследований процесса энергонакопительного торможения составляет 56,7% исходной кинетической энергии тормозимого объекта, что подтверждает эффективность применения тормозной системы.
3. Результаты экспериментальных исследований имеют высокую сходимость с теоретическими данными математического моделирования динамической системы соответствующей экспериментальному стенду, что подтверждает достоверность принимаемых допущений в математической модели. Среднеквадратичное отклонение теоретических и экспериментальных значений параметров торможения не превышает 12%.
5 Методика расчета рациональных параметров энергонакопительной тормозной системы и определения закона управления торможением механизмов передвижения мостовых кранов.
5.1 Основные положения методики расчета рациональных параметров энергонакопительной тормозной системы и определения закона управления торможением механизмов передвижения мостовых кранов.
Проведенные исследования позволяют сформулировать основные положения методики расчета параметров элементов энергонакопительной тормозной системы и определения закона управления торможением механизма передвижения мостового крана.
Методика расчета основных параметров энергонакопительной тормозной системы представлена на рисунке 5.1 в виде алгоритма этапов расчета.
Энергонакопительная тормозная система (рис. 5.2) включает электродвигатель 5 дифференциальный редуктор 4 маховик 6 ходовые колеса транспортного средства 7 связанные посредством редуктора 8 с большим солнечным колесом 2. Малое солнечное колесо 1 соединено с маховиком 6. а водило 3 с электродвигателем 5.
Рис. 5.2 Схема энергонакопительной тормозной системы (.
V г Ч.
И / о У ч л и.
1−4 V V.
Рис. 5.1 Алгоритм определения рациональных параметров энергонакопительной системы и закона управления торможением.
Система характеризуется такими основными параметрами как:
V — скорость передвижения ТСт — масса ТС;
3— момент инерции вращающихся частейо — скорость вращения;
Од — скорость вращения вала двигателя;
12 — внутреннее передаточное число дифференциального редуктора;
Jm — момент инерции маховикаот — скорость вращения маховика;
1 Г — передаточное число редуктора;
Ок — скорость вращения ходовых колес.
Первым этапом является определение исходных данных, необходимых для проведения расчетов, к которым относятся: масса тормозимого объекта и груза, скорость перемещения, допустимое замедление, моменты инерции и угловые скорости вращающихся элементов механизма передвижения, габаритные размеры элементов механизма передвижения и его компоновочная схема. Здесь же необходимо определить кинетическую энергию тормозимого объекта движущегося с максимальной скоростью и сопротивления перемещению.
Искомыми параметрами являются /1.2 — внутреннее передаточное число дифференциального редуктора, — момент инерции маховика, от — скорость вращения маховика.
Следующим этапом является выбор внутреннего передаточного отношения дифференциального планетарного редуктора 1 ?2, которое определяется вариационным путем в широких пределах от -1 дооо.
Внутреннее передаточное отношение дифференциального редуктора /'1.2 определяет габаритные размеры дифференциального редуктора так как определяется отношениями радиусов начальных окружностей зубчатых колес.
Определение числа зубьев колес дифференциального редуктора проводится по нескольким условиям:
Условие соосности;
Условие сборки;
Условие соседства;
Условие отсутствия подрезания зуба.
Для дифференциального редуктора с одновенцовыми сателлитами условие соосности будет иметь вид:
Хг-г^Жс (5.1).
Условие сборки дифференциального редуктора с одновенцовыми сателлитами заключается в том, что сумма чисел зубьев солнечной шестерни 2 и эпицикла 2 г должна быть кратна числу сателлитов 2С.
Выполнение условия соседства исключает задевание сателлитов друг за друга и чрезмерные потери на барботаж.
Для получения как можно меньших размеров дифференциального редуктора следует стремиться к тому, чтобы наименьшее колесо имело минимально допустимое число зубьев. Из условия отсутствия подрезания минимальное число зубьев Zmjn=: 14ч-17.
При выборе внутреннего передаточного отношения наиболее приоритетными значениями будут те значения, которые обеспечат максимальную скорость маховика (малого солнечного колеса связанного с маховиком) л>1<4000 об/мин. Это связано с возможностью применения маховика более простой конструкции.
На выбор внутреннего передаточного отношения повлияет стремление уменьшить передаточное число, то есть габаритные размеры редуктора 8 связывающего большое солнечное колесо 2 с ходовыми колесами транспортного средства 7. Передаточное число будет определено при условии: к=0)г'1т=а)д-К-Н, 2> (5−2) где 0) к — скорость вращения ходовых колес;
1 — скорость вращения большого солнечного колесагп — передаточное число нового редукторас’Од — скорость вращения вала двигателя.
Кроме того, выбор внутреннего передаточного отношения должен осуществляться с учетом минимизации габаритных размеров самого дифференциального редуктора.
Указанные выше предпочтения ограничивают выбор внутреннего передаточного отношения дифференциального редуктора в пределах /1,2шт ^ Н, 2 — и, 2тах.
При выборе передаточного отношения дифференциального редуктора необходимо учитывать зависимости влияния данного параметра на показатели эффективности энергонакопительного торможения представленные на рисунках 3,10 а, б, в представленных в главе 3.
Параметры маховика определяются после определения ^.
Условием выбора маховичного накопителя энергии для рассматриваемой системы является соответствие кинетической энергии тормозимого объекта Еаб энергоемкости маховика, Емн т. е.:
Еоб Емн.
Энергоемкость маховичного накопителя можно определить как:
Емн=3-сог1г, (5.3) где 3- момент инерции маховикасо — угловая скорость.
Отсюда основными параметрами маховичного накопителя являются 3 момент инерции маховика и со угловая скорость. Величины указанных параметров зависят друг от друга, т. к. энергоемкость маховичного накопителя в рассматриваемом случае является величиной постоянной, и могут определяться вариационным путем в широком диапазоне. Скорость вращения маховика определится из /1.2 и скоростей вращения звеньев дифференциального редуктора.
Применение маховиков сложной формы, выполненных из дорогих конструкционных материалов применительно к рассматриваемым видам машин и механизмов нецелесообразно.
При использовании простого маховичного накопителя (диск постоянной толщины с отверстием или без):
J = m-r2l2, (5.4) где т — масса маховика г — радиус маховика.
Выбор параметров маховичного накопителя необходимо осуществлять с учетом следующих конструктивных соображений:
— масса маховичного накопителя не должна превышать 5% от массы порожнего тормозимого объекта. Увеличение массы влечет ухудшение динамических свойств тормозимого объекта и негативно сказывается на рабочем процессе;
— радиус маховика не должен превышать максимальные габаритные размеры элементов механизма передвижения объекта, так как увеличение габаритных размеров привода вызывает сложности с компоновкой и изменения в условиях его эксплуатации;
— угловую скорость маховика желательно принимать близкой по значению скорости наиболее быстро вращающегося элемента механизма передвижения каким является тяговый двигатель. В противном случае придется использовать устройства повышающие скорость маховика;
— угловая скорость маховика будет ограничена из условий прочности которые определяются для каждой конкретной формы и размеров маховика.
Кроме указанных требований при выборе момента инерции маховичного накопителя следует учитывать влияние данного параметра на показатели эффективности энергонакопительного торможения представленные на рисунках 3.11 (а, б), в представленных в главе 3.
Далее следует проведение прочностных расчетов маховичного накопителя. Прочностные расчеты сводятся к проверке условия прочности и определению допустимой скорости.
Наиболее рациональным является применение маховиков в виде плоского диска без отверстия в центре. Для сплошного диска постоянной толщины диаметром D=2R вращающегося со скоростью Q с растягивающей на периферии нагрузкой p=const приложенной на расстоянии г от центра радиальная аг и тангенциальная стф составляющие напряжений в материале будут иметь вид [56]: a^C^iR'-r^+p (5.5) a^qjtfft-crf+p (5.6) где C,=(3 + v)/8;
C2=(l + 3v)/(3 + v) — уплотность материалаQ — угловая скоростьу — коэффициент Пуассона.
При р = 0 наибольшие значения напряжений на оси (т.е. г = 0): ^ = ^ = C^R2 = 0Д252(3 — у) (5.7) для r=R (р=0):
ГГ (Л) = 0 с7^) = Ъ, 25у$ 2(-у)<�ат.
Далее проверяется условие прочности.
С7т<(7р, (5.8) где стр = ав /к3 — допустимое напряжение ав — предел прочности материалак3> 2 -ориентировочная величина коэффициента запаса и определяется допустимая скорость.
Э = (5.9).
К потерям в маховичном накопителе энергии относятся потери в опорах маховика (трение в подшипниках) и аэродинамические потери. Энергия потерь на трение в паре подшипников: 2.
Жтп = (рсмтп = Мтп (5.10) п где (рс — суммарный угол поворота маховика за время = (2-^. Момент трения в подшипниках.
Мтп = 0,5я • ш • /тп • ¿-в (5.11) где /тп ~ коэффициент трения подшипникат — масса маховика- ?4 — диаметр вала-? = 9,81 м/с2.
Момент аэродинамического трения:
МТа=МТч+МТд, (5.12) где Мтц — момент трения на цилиндрической поверхностиМТд — момент трения на двух дисковых поверхностях. Для расчета момента аэродинамического трения можно воспользоваться выражением (5.13):
МТа =Ка -10~3 р![1 + Л (4 + у)]в4+упм, (5.13) где р&diams- = р/р0 — относительное давление средыро — нормальное атмосферное давление-? да 0,8 с кожухом? = 1 без кожуха Л = /,/?>
Ь — ширина цилиндрической поверхностиЭ — диаметр маховика.
Коэффициенты Ка, у, г — имеют различное значение в зависимости от среды, в которой вращается маховик.
Ka-Q, 6 у = 0,4 z = 0,7 — для воздушной среды.
В случае прямолинейного движения тормозимого объекта отсутствует изменение направления оси вращения маховичного накопителя, вследствие чего нет необходимости проводить проверку гироскопического момента.
Возникающие усилия, связанные с неровностями рельсового пути, пренебрежимо малы.
В случае криволинейного движения или движения по окружности необходимо определять силы, действующие на опоры маховичного накопителя. При опасных величинах сил, возникающих вследствие воздействия гироскопического эффекта, следует изменить положение оси вращения маховика.
Следующим этапом алгоритма является составление математической модели динамики энергонакопительного торможения объекта и проведение машинного эксперимента.
Примером может служить математическая модель динамики торможения, представленная в параграфе 3 главы 2.
По результатам решения дифференциальных уравнений математической модели проводится анализ факторов, влияющих на динамику процесса торможения.
Далее необходимо определить критерии оптимизации, в качестве которых могут быть приняты: время торможения, количество накапливаемой энергии.
Под временем торможения в данном случае подразумевается продолжительность остановки тележки при минимальных колебаниях груза.
Далее необходимо установить функцию цели, т. е. установить зависимость между выбранным критерием оптимизации и влияющими факторами.
Факторы должны удовлетворять следующим требованиям [19]: — факторы должны быть управляемыми последовательностью действий, которые устанавливают их конкретные значения;
— комбинации факторов должны быть осуществимы и безопасны;
— не быть в функциональной зависимости от других факторов;
— значение каждого фактора на любом уровне не должно зависеть от уровней других факторов.
Здесь же необходимо определить границы областей определения факторов, т. е. выбрать основной уровень и интервалы варьирования.
Следующим этапом является построение функции регрессии, которая определяет закон оптимального управления торможением объекта по выбранному критерию.
Адекватность функции регрессии можно проверить при помощи критерия Фишера, для чего опытное значение критерия Фишера сравнивают с теоретическим при требуемой доверительной вероятности.
Пример определения параметров элементов системы, построения функции регрессии и оценки ее адекватности приведен ниже.
5.2 Определение параметров элементов энергонакопительной тормозной системы и закона управления торможением тележки мостового крана грузоподъемностью 20 т.
В качестве объекта применения энергонакопительной тормозной системы выбран механизм передвижения тележки мостового крана грузоподъемностью 20 т. Данный механизм в наибольшей степени подходит к рассмотрению, так как характеризуется значительными массинерционными характеристиками и высокой частотой включений.
Механизм передвижения тележки мостового крана включает электродвигатель переменного тока 1, редуктор 2, тормозное устройство 3, ходовые колеса 4.
На рис. 5.3 представлена схема механизма передвижения тележки мостового крана.
Рис. 5.3 Схема механизма передвижения тележки мостового крана.
Основные параметры элементов механизма передвижения указаны в таблице 5.1.
Заключение
.
В диссертационной работе дано решение научно-технической задачи, состоящей в создании способа и технической системы энергонакопительного торможения механизмов передвижения мостовых кранов, способствующих значительному уменьшению затрат энергии в процессе торможения.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили сформулировать следующие научные и практические результаты:
1. На основе анализа тормозных средств, накопителей энергии и областей их рационального использования установлено, что энергонакопительное торможение является перспективным способом повышения эффективности эксплуатации мостовых кранов.
2. Научно обоснован способ энергонакопительного торможения механизмов передвижения мостовых кранов, управляемого приводным электродвигателем, позволяющий сохранение кинетической энергии тормозимого крана в маховичном накопителе, и её последующее использование известными методами.
3. На основе анализа свойств дифференциальных планетарных передаточных механизмов обоснована структура энергонакопительной тормозной системы механизма передвижения мостового крана, реализующая предлагаемый способ торможения, включающая маховичный накопитель, соединяемый с приводом механизма передвижения мостового крана посредством дифференциального механизма.
4. Разработана математическая модель динамики энергонакопительного торможения тележки мостового крана с закрепленным на гибком подвесе грузом, осуществляемого посредством предложенной тормозной системы.
5. В результате исследований на математической модели установлены:
— степень влияния основных конструктивных параметров тормозной системы, таких как передаточное отношение дифференциального планетарного механизма, момент инерции маховика на показатели эффективности торможения, и определить их предпочтительные значения. Из диапазона изменений передаточного отношения г и от -1 до -5 следует принимать значения близкие к -1, что позволит накопить большее количество энергии в маховике при незначительном увеличении времени торможения и амплитуды колебаний груза. Момент инерции маховика для грузовых тележек кранов грузоподъемностью 20 т следует принимать до 0,5 кг-м2, поскольку дальнейшее увеличение не приводит к существенному росту количества накапливаемой энергии.
— зависимости влияния массы транспортируемого груза, длины подвеса и фазового положения груза на количество накапливаемой энергии, время торможения и амплитуду колебаний груза. Данные факторы являются неуправляемыми, но оказывают существенное влияние на показатели торможения, что обуславливает необходимость проведения регрессионного анализа для установления закона управления торможением.
6. Теоретически и экспериментально доказана работоспособность и эффективность энергонакопительной тормозной системы, позволяющей осуществлять управляемое тяговым электродвигателем торможение механизма передвижения мостового крана до полной остановки с сохранением до 40% кинетической энергии в маховичном накопителе.
7. Разработан алгоритм расчета рациональных параметров энергонакопительной тормозной системы и определения закона управления торможением, обеспечивающего накопление максимального количества энергии в маховике при соблюдении технологических требований к процессу торможения механизмов передвижения мостового крана. Практическое использование энергонакопительной тормозной системы для тележки мостового крана грузоподъемностью 20 т, разработанной на основе алгоритма, позволит сохранить в маховике около 40% исходной кинетической энергии тележки.
