Выбор мощности электродвигателя для механизмов грузоподъемных кранов

Исходными данными при выборе мощности электродвигателя являются: статические и динамические нагрузки, приложенные к валу электродвигателя, параметры режима работы, а также технологические особенности работы механизмов. Предлагаемая в настоящем пособии методика (методика завода «Динамо») [3, 4] учитывает параметры работы механизмов, энергетические свойства конкретных видов электропривода и выполняется в три этапа. На первом этапе производится предварительный выбор мощности двигателя по статической нагрузке, затем двигатель проверяется из условия соответствия теплового режима двигателя параметрам режима работы механизмов, электропривода и управляющего устройства, а на третьем этапе производится проверка двигателя по условиям обеспечения надежного пуска.

Предварительное определение мощности двигателя

Для предварительного определения мощности двигателя необходимо определить режим работы механизма (см.табл.2.1, 2.2, 2.3). По заданному диапазону регулирования скорости механизма, числу включений в час и другим параметрам выбирается управляющее устройство двигателя и его вид (см. табл. 2.4). Находится расчетная статическая мощность Р_ст. К статическим нагрузкам относят нагрузки установившегося движения крановых механизмов при подъеме, спуске и перемещении грузов.

Статическая мощность на валу электродвигателя подъемной лебедки при подъеме груза определяется по формуле:

кВт, (2.1)

где Q — масса поднимаемого груза, кг;

q — масса поднимаемого груза ,;крюковой подвески, захвата, спредера, грейфера или грузоподъемного магнита, кг ;

g = 9,81 – ускорение свободного падения кг/м² ;

v_п — номинальная скорость подъема груза, м/с;

— КПД канатной системы и механизма при подъеме номинального груза;

m_п —коэффициент числа механизмов, поднимающих груз.

Для разных кранов коэффициент m_п принимает следующие значения:

Крюковой кран с одной лебедкой подъема ………………………………1

Крюковой кран с двумя лебедками подъема и общим грузовым канатом

(контейнерные краны, краны со специальными захватами)……………..2

Крюковой кран с двумя лебедками и двумя независимыми подъемными

канатами и общей траверсой …………..………………………………..1,8

Грейферный кран:

для замыкающей лебедки в процессе замыкания грейфера..…………….1

при подъеме груженого грейфера совместно с замыкающей лебедкой…1,8

Статическая мощность на валу электродвигателя механизма горизонтального передвижения крана (тележки) определяется по следующим формулам (кВт): механизм работает в помещении при отсутствии ветровой нагрузки

(2.2)

где G — масса передвигающегося механизма (крана, тележки), Н;

v_г— ско­рость передвижения груза, м/с;

— КПД механизма;

— коэффициент трения в подшипниках ступиц колес, для подшипников качения =0,015;

D_k — диаметр ходового колеса, м;

d_ст — диаметр ступицы ходового колеса, м; обычно для расчетов принимается d_ст/D_k = 0,25;

— коэффициент трения качения, м;

К_рб — коэффициент формы ходового колеса, учитывающий трение реборд ходового колеса, К_рб = 1,3 -1,4;

m_к — число механизмов передвижения;

— уклон рельсового пути тележки или крана, при расчете мостовых кранов принимается =0,003, для строительных кранов = 0,01.

При подстановке в (2.2) приведенных усредненных значений парамет­ров имеем:

,кВт. (2.3)

Механизм работает на открытом воздухе:

,кВт, (2.4)

где W_В — среднее усилие, воздействующее на механизмы крана и груза от ветра. В соответствии с ГОСТ 1451-77 ветровая нагрузка на кран W_В опреде­ляется по формуле: W_B=pS_K;

S_K - площадь парусности, м²;

р — давление на конструкции крана и груза, p=qk_BCcn₁, Па;

q — давление ветра на высоте 10 м, q=ρv_B²;

k_BC—коэффициент высоты;

c- коэффициент лобового сопротивления;

n₁ — коэффициент нагрузки;

ρ— плотность воздуха, ρ = 1,225 кг/м³;

v_B— скорость ветра у земли, м/с.

Для рабочего состояния кранов, используемых во всех зонах, кроме морских побережий, принимается q =125 Па, соответственно коэффициенты k_BC=1,25; c=1; n₁ = 1. Таким образом, расчетное давление от ветра принимается р = 160 Па.

Площадь парусности крана (тележки) с достаточной точностью можно принять . Площадь парусности груза может быть определена по формуле .

Подстановка значений р и S_K в (2.4) дает

. (2.5)

Эта формула может быть использована для определения мощности ме­ханизмов кранов любого типа, кроме судовых кранов или кранов, работающих в портах.

Для мостовых кранов грузоподъемностью 5—50 т общего назначения и козловых кранов грузоподъемностью 5—20 т, работающих на открытом воздухе, может быть использована простая, но достаточно верная формула определения мощности статической нагрузки

. (2.6)

Для строительных башенных кранов наибольшая мощность статической нагрузки при скорости ветра 15 м/с может быть определена по формуле

(2.7)

Статическая мощность на валу электродвигателя механизма поворота стрелового крана в общем виде можно найти по формуле

, (2.8)

где G — масса поворотной части крана, кг;

n — частота вращения крана, об/мин;

— коэффициент трения поворотного круга, = 0,01;

D_кр — диаметр поворотного круга, м;

l — вылет стрелы (размер от оси вращения до оси подъемного каната), м;

γ — угол направления ветра к наветренной площади груза; при определении максимальной мощности статической на­грузки принимается sin γ = 1, при определении среднеквадратичной нагрузки sin γ = 0,8;

β — уклон пути крана, для портальных кранов β = 0,006, для башенных кранов β = 0,01, для судовых кранов β = 0,04;

m_ВР— число ме­ханизмов поворота;

3,2 — коэффициент, учитывающий давление ветра на груз при скорости ветра 15 м/с.

Для механизмов поворота тележек специальных кранов или захватов

, кВт, (2.9)

здесь k_n — коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления поворота от уклона тележки на путях, k_n = 2,2.

Статическая мощность на валу электродвигателя механизма изменения вылета стрелы в общем виде может быть определена по формуле

, кВт, (2.10)

где G — масса перемещаемых конструкций стреловой части крана, кг;

v_{с, г} — скорость горизонтального перемещения груза, м/с;

v_{С, В} — скорость вертикаль­ного перемещения груза, м/с.

Статическая мощность на валу электродвигателя механизмов специаль­ных захватов, толкателей, выдвижных устройств может быть определена по формуле:

, кВт, (2.11)

где F_cp — среднее усилие при перемещении рабочего органа, Н;

v — скорость перемещения, м/с.

При этом F_max механизма, работающего на упор, должно приниматься не более 2F_cр.

Для рассчитанной статической мощности механизма на первом предварительном по каталогу выбирается электродвигатель. На этом этапе выбор мощности двигателя может выполняться из условия:

P_ном ≥ Р_ст/k_т, (2.12)

где k_т – коэффициент, учитывающий режим работы механизма, вид управляющего устройства и электропривода (табл. 2.5).

Предварительный выбор электродвигателя может выполняться также исходя из расчетной мощности Р_Р:

Р_ном ≥ Р_Р. (2.13)

Расчетная мощность Р_р определяется из условий обеспечения пускового режима [3]. В данном пособии эта методика не рассматривается.

На втором этапе выбранный двигатель проверяется по тепловому режиму для конкретных условий работы.

Таблица 2.1

Характеристика механизмов грузоподъемных машин по группам режима работы

Группа режима	Характеристика режима	Механизмы
1, 2, 3	Работа с большими перерывами, редкая работа с номинальным грузом, с малыми скоростями и малым числом включений (до 60 в час) аппаратуры управления и электродвигателей, с малой ПВ относительной продолжительностью включения.	Механизмы вспомогательного назначения: механизмы подъема и передвижения ремонтных кранов, работающих в машинных залах; механизмы передвижения строительных и портальных кранов, мостовых перегружателей и башен кабельных кранов; и другие редко работающие механизмы
	Работа с грузами различной массы со средними скоростями, средним числом включений (до 120 в час), средней ПВ	Механизмы подъема и передвижения кранов механических и сборочных цехов заводов со среднесерийным производством; механизмы поворота строительных кранов; механизмы монтажных кранов на строительстве
	Постоянная работа с грузами, близкими по массе к номинальным, с высокими скоростями, большим числом включений (до 240 в час), высокой ПВ	Механизмы технологических кранов, цехов и складов на заводах с крупносерийным производством, кранов литейных цехов и механизмы подъема строительных кранов, подъема, поворота и изменения вылета портальных кранов
	Постоянная работа с грузами номинальной массы с высокими скоростями, большим числом включений (до 600 в час), высокой ПВ	Механизмы технологических кранов металлургического производства; механизмы подъема и передвижения тележек рудных и угольных перегружателей; механизмы грейферных, магнитных и складских кранов металлургических заводов; механизмы подъема, поворота и изменения вылета грейферных портальных кранов
Примечание. Режим работы крана в целом и основных металлоконструкций крана определяется режимом работы механизма главного подъема.

Таблица 2.2

Соответствие групп режима работы механизмов

Группа режима работы механизмов по ГОСТ 25835 – 83	1М	2М, 3М	4М	5М	6М
Режим работы согласно Правилам Госгортехнадзора	Ручной	Л	С	Т	ВТ

Таблица 2.3

Различные режимы работы электрооборудования

Режим работы	Коэффициент использования	ПВ,%	Число включений в час	Температура окруж. среды, ºС
по грузоподъемности Кгр	по времени
в течение года Кг	в течение суток Кс
Легкий (Л)	1,00 — 0,75 0,50 0,25 0,10	Нерегулярная редкая работа
0,25 0,50 1,00	0,33 0,67 1,00
Средний (С)	1,00 0,75 0,50 0,25 0,10	1,00 0,50 0,50 1,00 1,00	0,67 0,33 0,67 1,00 1,00
Тяжелый (Т)	1,00 1,00 0,75 0,50 0,25	1,00 1,00 0,75 1,00 1,00	0,67 0,33 0,67 1,00 1,00
Весьма тяжелый (ВТ)	1,00 0,75 0,50 0,25 0,10	1,00	1,00		300­­– 600
П р и м е ч а н и е. При повышении указанных показателей электрооборудование должно быть отнесено к группе более тяжелого режима работы.

Таблица 2.4

Технические данные электропривода с управляющими устройствам

Виды электропривода с управляющими устройствами	Мощ-ность, кВт	Диапазон регулирования скорости:	Число включений	Режим работы меха-низма
ниже nНОМ	выше nНОМ	допуст в час	до кап-ремонта
Асинхронный двигатель с фазным ротором	Кулачковый контроллер	2–30	1 : 3	—		0,3·106	Л, С
Магнитный контроллер	2–180	1 : 5 (1 : 8)	—		600·106	С, Т, ВТ
Тиристорн. преобразователь напряжения	2–180	1 : 10	—		10·106	Т, ВТ
Асинхронный двигатель с КЗ ротором	односкоростной	Кулачковый контроллер; магнитный пускатель	2–15	1 : 1	—		0,3·106	Л, С
Тиристорн. преобразователь частоты	20–100	1 : 10	2 : 1		20·106	ВТ
Двух -	Магнитный контроллер	2–40	1 : 6	—		(0,3÷10) ·106	Т, ВТ
Тиристорн. преобразователь частоты	2–80	1 : 8 (1 : 60)	—		106	Т, ВТ
Электродвигатель постоянного тока	Кулачковый контроллер	3–15	1 : 4	2 : 1		0,3·106	Л, С
Магнитный контроллер	3–150	1 : 6	2,5 : 1		106	С, Т, ВТ
Система генератор–двигатель	20–180	1 : 10	2,5 : 1		2,0·106	Т, ВТ
Система управляе-мый выпрямитель–двигатель	50–300	1 : 10	2,5 : 1		(10÷20) · ·106	Т, ВТ

2.1.2.