Calculul și proiectarea unei mașini de ridicat și transportat uitilizată într-un atelier mecanic. [309230]

[anonimizat]: [anonimizat].

Îndrumător: S.l. dr. ing. CONSTANTINESCU STOICA

Absolvent: [anonimizat] – GEORGE

PITEȘTI

2017

Cuprins.

Capitolul I

1.1 Constructia motorului asincron trifazat………………………………………………………………………………4

1.2 Principiul de funcționare al motorului asincron trifazat………………………………………………………..8

1.3 Ecuațiile de funcționare și schemele echivalente ale mașinii asincrone în regim staționar………………………………………………………………………………………………………………………………9

1. 4 Bilanțul de puteri active și randamentul mașinii asincrone…………………………………………………12

1.5.Cuplul electromagnetic…………………………………………………………………………………………………..14

1.6. Caracteristicile de functionare ale motorului asincron trifazat…………………………………………….16

1.7. Pornirea motorului asincron trifazat………………………………………………………………………………..18

Capitolul II

2.1. Sisteme de acționare electrică. Clasificare. ……………………………………………………………………..22

2.2. Dinamica acționărilor electrice……………………………………………………………………………………….23

2.2.1 Ecuația mișcării…………………………………………………………………………………………………..24

2.3. Raportarea cuplurilor și a forțelor la un arbore…………………………………………………………………26

2.4. Raportarea masei și a momentelor de inerție la arbore………………………………………………………27

Capitolul III

3.1. Mașini de ridicat folosite în industrie………………………………………………………………………………28

3.2. Variante constructive de poduri rulante…………………………………………………………………………..29

3.3. Regimuri de lucru ale mașinilor de ridicat (pod rulant)……………………………………………………..31

3.4. Mecanisme utilizate în costrucția mașinilor de ridicat……………………………………………………….36

3.4.1 Mecanismele de ridicare a sarcinii………………………………………………………………………..36

3.4.2. [anonimizat]………………………………………………………….37

3.4.3. [anonimizat]………………………………………………………..39

3.4.4. [anonimizat]……………………………………………..41

3.5. Mecanisme de translație pentru poduri rulante…………………………………………………………………42

3.6. Sisteme de frânare a mecanismelor de ridicat…………………………………………………………………..46

Capitolul IV

4.1. Alegerea schemei cinematice și electrice a mecanismului…………………………….………..50

4.2. Alegerea si dimensionarea componentelor principale ale schemei cinematice………………………51

4.2.1. Alegerea dispozitivului de prindere a sarcinii…………………………………………………………51

4.2.2. Tamburul…………………………………………………………………………………………………………..52

4.2.3. Reductorul…………………………………………………………………………………………………………53

4.3. Alegerea puterii motorului electric și verificarea acestuia………………………………………………….53

4.4. Alegerea motorului……………………………………………………………………………………………………….55

4.5. Calculul și alegerea cablului de acționare a motorului pentru mecanismul de ridicare – coborâre…………………………………………………………………………………………………………………………….58

4.6. Mișcarea de ridicare…………………………………………………………………………………………………….59

4.7. Mișcarea de coborâre…………………………………………………………………………………………………….61

4.8. Verificarea la încălzire a motorului de acționare……………………………………………………………….63

4.9. Calculul reostatului de pornire……………………………………………………………………………………….64

4.10. Calculul rezistenței rotorice…………………………………………………………………………………………66

4.11.Calculul curentului de pornire……………………………………………………………………………………..67

Capitolul V

5.1. Modelarea functionarii masinii asincrone trifazate cu ajutorul programului Simulink………………………………………………………………………………………………70

Capitolul I

Generalitati privind motorul asincron trifazat utilizat in actionarea masinilor de ridicat.

Mașina asincronă este des întâlnită în acționările electrice industriale și nu numai, acest lucru datorându-se faptului că are o construcție simplă, pricipalul regim de funcționare al acesteia fiind regimul de motor. Exemple de sisteme ce utilizează motorul asincron sunt: mașinile unelte, compresoare, pompe, macarale electrice, poduri rulante…etc.

Din punct de vedere al puterii, motoarele asincrone trifazate se construiesc de la câteva zeci de W la câteva zeci de MW atât pentru tensiuni joase (400 V) dar și tensiuni medii (3kV;….10kV) cu o turație sincronă cu frecvența de f = 50Hz și cu numărul de turații variind de la n= 500 rot./min până la 3000 rot./min în funcție de perechile de poli.

Precum și alte tipuri de motoare electrice și motoarele asincrone au avantaje și dezavantaje, printre avantaje se regăsesc:

Construcția simplă;

Costul redus de producere;

Randamentul și cuplul de pornire ridicat;

Poate fi alimentat de la rețeaua de c.a.;

Regimuri de funcționare stabile și o întreținere simplă.

Dezavantajele sunt:

Curentul mare de pornire ce produce un șoc puternic;

Factorul de putere (cosᵠ) scăzut.

Construcția mașinii asincrone

Există două tipuri de mașinii asincrone, diferența fiind făcută de rotorul acestora:

Mașina asincronă cu rotor bobinat;

Mașina asincronă cu rotorul în scurcircuit.

1.1 Construcția M.A.T.

Statorul.

Acesta în cadrul mașinii asincrone are rolul de inductor, câmpul magnetic învârtitor este obținut cu ajutorul înfășurării trifazate ce este parcursă de curenți alternativi, înfășurarea fiind așezată în crestături.

Din punct de vedere geometric și constructiv, statorul are forma unui cilindru fiind format din tole de o grosime de 0,5 și izolate între ele cu oxizi ceramici.

Crestăturile rezultate după ștantarea tolelor pot fii semiînchise sau deschise, cele semiînchise fig. 1.a au avantajul unui flux de dispersie redus însă prezintă un dezavantaj în realizarea înfășurării. De obicei astfel de crestături se regăsesc la motoarele de puteri mici. Crestăturile deschise fig. 1.b au avantaje și dezavantaje opuse celor de la crestăturile semiînchise și sunt utilizate la mașini de puteri mari.

Fig.1.a Fig.1.b

Rotorul.

Acesta are rolul de indus, din punct de vedere geometric și constructiv, rotorul are o formă cilindrică format din tole cu o grosime 0,5 mm, izolate sau neizolate între ele. În parțile periferice se găsesc crestăturile ce sunt străbătute de înfășurarea rotorică, în cazul mașinii asincrone cu rotorul bobinat înfășurarea are un pas diametral format dintr-un strat sau două straturi, crestăturile având o formă de pară ca în fig. 1.1.a

Fig. 1.1.a

Dacă este vorba de o mașina asincronă cu rotorul în scurcircuit, înfășurarea rotorică este de tip colivie și este realizată prin turnare, materialele utilizate fiind Cu sau Al scurtcircuitate la capete de două inele fig.1.1. Coliviile cu bare înalte fig.1.a sunt regăsite la mașinile de puteri mari pentru a reduce curentul de pornire, tot în cadrul acestor mașinii mai sunt folosite și colivii duble fig.1.b, partea superioara S are o secțiune mică crescându-i rezistența și scăzându-i reactanta, iar partea inferioară I de o secțiune și reactanță mai mare dar de o rezistență mai mică curentul circulând preponderent prin ea.

Fig.1.1 1.1.a 1.1.b

În figura 1.1 sunt prezentate două secțiuni longitudinale, una în motorul asincron cu rotorul în scurtcircuit 1.1.a și una în cel cu rotorul bobinat 1.1.b.

Figura 1.2. Secțiune transversală printr-un:

a) – motor cu rotorul în scurtcircuit;

b) – motor cu rotorul bobinat;

In figura 1.2 este prezentata constructia motorului asincron trifazat in cele doua variante și elementele constructive principale (cele două secțiuni au o numerotație comună):

1 – ax;

2 – scuturi cu lagăre;

3 – înfășurarea statorului;

4 – carcasa;

5 – miezul feromagnetic al statorului;

6 – inel de ridicare;

7 – miez feromagnetic;

8 – înfășurare rotorică;

9 – perii;

10 – inele.

Pe lângă elementele constructive principale, motorul asincron dispune și de un sistem de răcire în funcție de putere și tensiune.

1.2. Principiul de funcționare al motorului asincron trifazat.

În regim de motor, primește energie electrică prin conectarea statorului la rețeaua de curent alternativ urmând ca această energie să fie transformată în energie mecanică la axul rotorului.

(1)

Pentru o fază a înfășurării acest câmp produce un flux magnetic de forma:

(1.1)

Acest flux magnetic induce la rândul său o t.e.m. de aceeași pulșație în înfâșurările rotorice. Dat fiind faptul ca înfășurarea rotorică este închisă adică în scurtcircuit, t.e.m. va crea un curent prin faza respectivă.

Rotorul este pus în mișcare de curenții sistemului trifazat din înfășurarea rotorică ce interacționează cu sistemul de fluxuri rezultând un cuplu de forțe ce pune rotorul în mișcare.

În urma stabiliri vitezei, fluxul magnetic creat de câmpul inductor are următoarea expresie:

(1.2)

– alunecare dintre câmpul inductor și rotor.

Când fluxul este invariabil în timp, deci nu se mai induc t.e.m. în rotor, cuplul electromagnetic fiind nul, rotorul se apropie de viteza de sincronism însă fără a o atinge. De aici și denumirea de mașină asincronă.

1.3 Ecuațiile de funcționare și schemele echivalente ale mașinii asincrone în regim staționar.

Pentru stabilirea ecuațiilor de funționare se urmărește procedura din cazul transformatorului. Presupunem că mașina funcționează într-un regim staționar, fără pierderi în miezul feromagnetic, cu circuit magnetic liniar și înfășurările dispuse sinusoidal. Circuitul rotoric este unul scurtcircuitat pe un reostat simetric fig.1.3.

Fig.1.3

R1 și R2 – rezistențele pe faza înfășurării primare (stator), secundare (rotor);

– reactantele de dispersie ale circuitelor principale și secundare;

– curentul de fază ale înfășurărilor;

– tensiunea la bornele fazei primare;

– fluxul fascicular produs de câmpul magnetic;

Rezultă un câmp magnetic învârtitor (util) în mașina asincronă fiind rezultatul suprapunerii câmpurilor inductoare și de reacția a indusului, liniile acestora străbătând atât înfășurarea statorică cât și cea rotorică.

Amplitudinea fluxului magnetic util reiese din relatia:

(1.3)

L – lungimea miezului rotoric;

– pasul polar;

Fluxul util va curăța partea periferică a statorului, inducand t.e.m. în cele trei faze statorice:

(1.4)

Expresia t.e.m. utilă este:

; (1.5)

– reactanta de magnetizare;

– curentul de magnetizare;

Câmpul magnetic de dispersie statoric este câmpul ale carui linii cuprind numai cu spirele proprii, fără a cuprinde și spirele rotorice, între fierul mașinii este cel care închide liniile câmpului. Dacă fluxul de dispersie este corespunzător acestui câmp va induce în fazele statorice o t.e.m. de valoare efectivă complexă:

(1.6)

Câmpul magnetic de dispersie rotoric în raport cu statorul induce în fazele rotorice t.e.m. de valori efective:

(1.7)

În urma relațiilor de mai sus, rezultă următoarele ecuații fazoriale de tensiuni pentru stator și rotor:

(1.8)

(1.9)

Mai jos este reprezentată schema electrică echivalentă fig.1.4 aceasta mai poate purta denumirea și de shema în T a mașinii asincrone, sau schema în (cu circuitul de magnetizare scos la borne).

Fig.1.4 Schema electrică echivalentă (în T)

Sunt prezentate mai jos cele două scheme echivalente în T și respectiv în și relația de legatură dintre cele doua [B, 1], echivalența fiind făcută prin tensiunii de alimentare U și curentul absorbit I dar și prin pierderile în mașină.

1.4.1. Schema echivalentă în T 1.4.2 Schema echivalentă în

Relația de echivalență

Fig.1.5 Diagrama fazorială

1.4 Bilanțul de puteri active și randamentul mașinii asincrone

Motorul asincron, în regimul de motor, absoarbe puterea electrică activă de la rețeaua de alimentare prin înfășurarea statorică.

; (1.10)

reprezintă mărimile de fază;

factorul de putere al circuitului statoric;

Pierderile joule, apar în momentul trecerii curentului prin înfășurarea statorică cu o rezistență .

(1.11)

Fluxul magnetic duce la apariția pierderilor în miezul feromagnetic statoric, prin inducerea de curenți turbionari și prin histerezis, .

Puterea elecromagnetică a rotorului se poate exprima astfel:

(1.12)

În înfășurările rotorului mai apar și pierderile Joule:

(1.13)

Pierderile Joule în înfășurările rotorului sunt aceleași indiferent de schema echivalentă. Pierderile în fier în cazul rotorului se neglijează la turații mari deoarece frecvența curenților este redusă.

Pierderile mecanice datorate frecărilor și ventilației dau naștere puterii utile la nivelul arborelui:

(1.14)

Interacțiunea câmpurilor învârtitoare din intrefier duc la apariția cuplului electromagnetic fiind exprimat în funcție de puterea electromagnetică.

(1.15)

Cuplul mecanic are expresia:

(1.16)

Diagrama bilanțului de puteri din figura 1.6 se poate reprezenta cu datele de mai sus.

Fig.1.6 Diagrama bilanțului de puteri.

Randamentul motorului asincron se poate calcula cu relația:

(1.17)

1.5 Cuplul electromagnetic

Interacțiunea dintre fluxul inductor și curenții indusi în înfășurarea rotorică duc la apariția unor forțe electromagnetice ce produc un cuplu de forțe electromagnetice. Mișcarea de rotație datorându-se acestui cuplu electromagnetic.

Expresia cuplului electromagnetic:

(1.18)

Caracteristica mecanică a mașinii asincrone se poate reprezenta grafic M(s) după relația:

(1.19)

Mai jos în figura 1.7.1 si in figura 1.7.2, avem reprezentarea grafică a cracteristicii mecanice în regim de motor a mașinii asincrone cu domeniul de variație a alunecării 0 < s ≤ 1. Pentru regimul de frână se prelungește domeniul s >1 și s < 0 pentru regimul de generator.

1.7.a Caracteristica M(s) 1.7.b Caracteristica M(n)

Caracteristica mecanică a mașinii asincrone.

O expresie des întâlnită și utilizată în calcule este formula lui Kloss, aceasta stabilește legătura dintre cuplul maxim și cuplul la o sarcină oarecare.

(1.20)

Relația lui Kloss poate fii particularizată la punctul nominal (s = ) acest lucru permițând determinarea factorului de supraîncărcare (), sau la pornire (s = 1) determinând cuplul de pornire al motorului.

Variația tensiunii de alimentare ( ) și a rezistenței rotorice () sunt reprezentate prin caracteristici mecanice din figurile de mai jos.

1.8.a Variația tensiunii de alimentare. 1.8.b Variația rezistenței rotorice

Se poate observa ca variația tensiunii nu afectează alunecarea , însă cuplul maxim variază direct proporțional cu tensiunea. Dacă crește rezistența rotorică nu afectează valoarea cuplului maxim, dar se mărește alunecarea critică.

Motorul asincron are zone de comportare diferite, zona de turații mici (0 < n < ) și zona de turații mari (), acest lucru observându-se pe caracteristica mecanică, fiind vorba de o problema a sabilității statice.

Fig.1.9. Stabilitatea statică M.A.

Creșterea bruscă a cuplului de sarcină creează o instabilitate în funcționare a motorului aceasta neputând să își adapteze caracteristica mecanică pentru a asigura un alt punct de intersescție cu caracteristica sarcinii, astfel scade turația motorului.

1.6 Caracteristici de funtionare a m.a.t.

Pentru a putea vedea caracteristicile electromecanice principale ale motorului asincron trifazat se realizează o schemă electrică unde sunt folosite următoarele aparate de măsură:

– ampermetre, pentru măsurarea curenților;

– wattmetre, pentru măsurarea puterii;

− volmetru, pentru măsurarea tensiunii;

– frecventometru, pentru măsurarea frecvenței;

.F. – generator frână;

tahogenerator, pentru măsurarea turației;

Fig.1.9.1 Schema electrică a motorului asincron trifazat în sarcină

În schema electrică de mai sus, motorul asincron trifazat este alimentat de la o rețea trifazată ce asigură încârcarea în sarcină cu un generator frâne (G.F.) ce permite măsurarea cuplului sau a puterii utile (P2) și a turației n. În exteriorul mașinii, adică pe liniile dintre rețea și borne, se măsoară tensiunea .

Măsurarea turației se face fie cu un traductor de turație (tahogenerator), fie prin măsurarea frecvenței curetului rotoric în cazul motoarelor asincrone trifazate cu rotorul bobinat urmând să fie calculată turația cu urmatoarea relație:

(1.21)

Caracteristicile electromecanice (fig.8.1) sunt:

caracteristica mecanică:

n = n(M), M = M(n), s=s(M); M = M(s); (1.22)

caracteristica randamentului:

(1.23)

caracteristica factorului de putere:

(1.24)

caracteristica curentului absorbit de retea:

; (1.25)

caracteristica alunecari sau a turatiei:

(1.26)

Fig.1.9.2 Caracteristicile elecromecanice.

1.7 Pornirea motorului asincron trifazat

La pornirea motorului asincron s-au observat o serie de probleme, unele legate de valoare mare a curentului de pornire iar altele legate de cuplul de pornire suficient de mare necesar învingerii inerției frecării și cuplului rezistiv al sarcinii (în cazul pornirii în sarcină a motorului).

Pornirea motorului asincron trifazat diferă în funcție de tipul constructiv utilizat (cu rotor bobinat sau cu rotor în scurtciurcuit), însă metodele generale de pornire (pornirea stea-triunghi și pornirea cu tensiune reglabilă) nu diferă în funcție de tipul rotorului deoarece sunt bazate pe reducerea tensiunii, acestea putând fii aplicate pe orice fel de mașină asincronă.

Pentru pornirea stea – triunghi este nevoie de un comutator, sau de mai multe întrerupatoare pentru a permite înfășurărilor în stea să se conecteze la rețeaua de alimentare și apoi să schimbe conexiunea în triunghi după scăderea curentului absorbit din rețea.

În conexiune triunghi tensiunea nominală a motorului este iar curentul absorbit de rețea este . La conexiunea stea la aceeași tensiune, avem o tensiune de faza și un curent absorbit de rețea . Observăm o scădere a curentului absorbit de retea la pornire de până la trei ori.

Fig.1.9.3.Pornirea stea – triunghi (schema electrică și caracteristica mecanică)

În cadrul pornirii cu tensiune reglabilă motorul trebuie să fie alimentat de la o sursă de tensiune variabilă. Motorul pornește fiind alimentat cu o tensiune redusă fața de cea nominală crescând atunci când apar alunecâri mici până la valoarea tensiunii nominale. Diferența fața de pornirea stea – triunghi fiind dată de factorul de diminuare ce se poate regla sau se poate face o pornire în trepte.

Cuplul de pornire scade odată cu tensiunea de alimentare acest lucru fiind un dezavantaj pentru că pot apărea probleme atunci când motorul pornește în sarcină, neputând să dezvolte un cuplu suficient de mare.

Pornirea reostatică se face prin legarea în seria a unui reostat trifazat cu înfășurările de fază rotorice . La pornire rezistențele au o valoare maximă ce se reduce atunci când turația rotorului crește, reducându-se totodată și curentul absorbit de rețea.

În caracteristicile mecanice reostatice se arată valorile alunecării critice ce cresc odată cu rezistența rotorică dar și cu valoarea cuplului de pornire, acest fapt reprezentând un avantaj.

Fig.1.9.4 Pornirea reostatică (schema electrică și caracteristica mecanică)

Liniile îngroșate din caracteristica mecanică reprezintă trecerea de la o treaptă la alta, acest lucru se face automat, prin relee de temporizare.

Pentru reglarea turației la motoarele asincrone se verifică dacă se poate modifica forma caracteristicii mecanice. Motoarele de c.a. spre deosebire de cele de c.c. în zona de turație nominală nu pot suferi modificari, de aceea acestea sunt utilizate în special la acționări de turație constantă.

Reglarea turației prin modificarea numărului de perechi de poli se poate face prin două metode:

introducând în crestăturile statorului două înfășurări diferite cu număr de poli, în urma acestui fapt obținem două turații de sincronism diferite. Crestătura va fi mai mare ducând la creșterea curentului de mers în gol și a reactantei de dispersie. Randamentul și factorul de putere scăzând.

înfășurări statorice pe fiecare fază din două secțiuni identice care print-un comutator special pot fi conectate în serie sau paralel, determinând numărul de poli.

Fig. 1.9.5

La motorul cu rotor bobinat trebuie modificat și numărul de perechi de poli din înfășurarea rotorică, fiind obligatoriu ca cele două înfășurări atât cea statorică cât și cea rotorică să aibă același număr de poli, motiv pentru care se utilizează rotorul în colivie, acesta adaptându-se în mod natural la numărul de perechi de poli.

Frânarea motorului asincron trifazat este des întâlnită în acționarea cu motoare electrice asincrone, fiind de mai multe tipuri:

frânarea recuperativă se realizează cu trecerea motorului în regim de generator, acest lucru presupune trecerea la turații suprasincrone a rotorului prin scăderea cuplului de sarcina iar apoi inversarea cuplului. Un exemplu de astfel de frânare poate fi dat de un motor electric care urcă o pantă (regim de motor) după ce ajunge la capătul acesteia începe coborârea în (regim de generator) adică recuperează energia și o cedează rețelei.

frânarea dinamică se realizează cu trecerea în regim de generator dar fără a recupera energia. Se deconectează mașina în regimul de motor de la rețeaua de alimentare și se conectează fazele înfășurărilor trifazate la o sursa de tensiune continuă.

Frânarea contracurent se realizează cu inversarea sensului succesiunii fazelor de alimentare simultan cu inversarea legăturilor a două faze ale statorului se introduce în circuitul rotoric, în serie cu înfășurările de fază, un reostat trifazat de frânare; cuplul schimbă brusc sensul la aceeași turație, apoi turația scade, trece prin valoarea zero și mașina pornește.

frânarea reostatică propriu-zisă se realizează prin variația rezistenței înseriate cu înfășurarea rotorică și deplasarea punctului de funcționare la cuplu constant și turații din ce în ce mai mici până la oprire.

Fig.1.9.6 Caracteristicile mecanice de frânare.

Capitolul II

2.1 Sisteme de acționare electrică. Clasificare.

Sistemele de acționare electrică realizează transformarea energiei electrice în energie mecanică: energia electrică dintr-o rețea este transmisă motorului electric pe la borne, acesta făcând conversia energiei electrice în energie mecanică prin intermediul arborelui la mașina de lucru (fig.2).

Fig.2 Schema bloc a unei acționari electrice.

În prezent sistemele de acționări electrice se împart în trei grupe: elementare, automatizate și complex automatizate.

Sistemele elementare de acționare electrică, au în componența lor ca element principal un motor electric, ce poate fii considerat convertor electromecanic, alimentat la intrare cu energie electrică printr-un echipament de reglare iar la ieșire debitând energie mecanică la o mașina de lucru. Exemple de astfel de sisteme elementare sunt: betonierele, benzi transportoare, unele mașini unelte simple.

Sistemele automatizate de acționari electrice au în plus, fața de sistemele elementare, o unitate ce prelucrează informația se mai întalnește și sub numele de dispozitiv de comandă sau reglare în funcție de sarcinile pe care le primește. Acest dispozitiv de comandă sau reglare are ca scop realizarea algoritmului utilizând mărimea de prescriere de la dispozitivele supraordonate.

În cazul sistemelor automatizate pornirea, frânarea și reglarea turației se realizează după anumite legi de desfășurare, putând menține diferite mărimi electrice și mecanice în limita toleranțelor. De asemenea o diferență între sistemele elementare și sistemele automatizate este dată de dispozitivele de măsurare ce sunt inexistente în cazul sistemelor elementare.

Sistemele complex automatizate au în cadrul lor grupe de acționări și unități de prelucrare a informației ce sunt dispuse în funcție de ordinea ierarhică. Aceste sisteme în funcție de necesitățile tehnologice primesc ordinea operațiilor de la un dispozitiv de comandă și control automată, aceasta primește la rândul sau ordine de la un dispozitiv central, în acest caz un calculator de proces ce este controlat de un operator sau de un alt dispozitiv de prelucrare a informației superior ierarhic.

Sistemele de acționare ce au o structură complexă sunt întâlnite în industria de prelucrare a metalelor fiind asistate de calculator.

Fig.2.1 Schema bloc a unui sistem complex de acționare electrică

Sistemele complex automatizate de acționări electrice moderne au în plus două blocuri noi pe partea de flux energetic:

B.A.P. – bloc de adaptare și protecție, cu rol de adaptare la parametrii energiei electrice dar și cu un rol de protectiv la scurtcicuit și supratensiuni.

C.S. – convertor static, acesta transformă energia fie ea de curent continuu sau alternativ ce are de regulă parametrii constanți, tot în energie electrică dar cu parametrii ce pot fi modificați prin comandă.

Pe partea de flux informațional au în plus trei blocuri:

B.I.D. – blocul de introducere a datelor, acesta are rolul de a introduce date, acestea fiind necesare funcționări sistemului, și este format dintr-un sistem de chei și butoane.

B.R. – blocul regulator, realizează o anumită lege de comandă.

C.M.M. – convertor al mărimilor măsurate, acesta adună din sistem anumite mărimi legate de tensiune, curent, cuplu, viteza, e.t.c… și le transformă în mărimi electrice pe care le transmite catre B.R. sau B.C..

Caracteristica principală a sitemelor de acționare electrică este caracteristica mecanică, aceasta reprezintă dependența cuplajului electromagnetic de viteză unghiulară a motorului M = f(Ω).

2.2 Dinamica acționărilor electrice

Unele din cele mai simple sisteme de acționare electrică au o structură ca în fig.() , mișcarea componentelor acestui sistem se face conform legilor dinamicii. Cuplul M dezvoltat la arborele mașinii de acționare învinge cuplul rezistent al mașinii de lucru, determinând mișcarea sistemului. Parametrii cinematici depind de cei dinamici, împreună duc la determinarea comportării sitemului de acționare, acest lucru fiind o problemă în cadrul acestora. Dinamica sistemelor de acționare poate fii rezolvată cu ajutorul ecuației de mișcare.

Fig.2.2. Sistem de acționare

M.L. cuplată direct la M.E.

2.2.1 Ecuația mișcării

În acționările electrice se folosesc mașini electrice rotative, acesta fiind primul motiv pentru care se ia în calcul mișcarea de rotație. În fig. mașina electrică M.E. dezvoltă un cuplu M (pozitiv) suficient de mare pentru a învinge cuplul rezistiv (negativ) produs de mașina de lucru M.L.

Dacă cele două cupluri sunt de sens contrar și egale din punct de vedere al puterii de rotație, viteza este constantă rezultă că instalația funcționează în regim staționar.

M – = 0 ; (2.1)

În cazul în care M – Mr ≠ 0, viteza instalației poate să crească sau să scadă acest lucru întâmplându-se datorită variației cuplului M.E. în raport cu M.L.. Raportul dintre cele două cupluri se numește cuplu dinamic.

M – – ; (2.2)

În cazul J = ct, fiind cel mai întâlnit caz în practică, ecuația mișcării este:

; (2.3)

Cuplul M al mașinii electrice este în regim de motor dacă Ω (viteza unghiulară) are același sens de rotație cu M, sau în regim de frână dacă Ω (viteza unghiulară) are sensul contrar cuplului M.

Cuplul Mr al mașinii de lucru poate fi de două feluri de cupluri:

Reactive, fiind determinate de frecare sau deformarea plastică a materialelor, acesta acționează în sens opus sensului de mișcare a mașinii.

Potențiale, aceste cupluri sunt datorate acționării câmpului gravitațional sau la deformarea elastică a materialelor. Acest cuplu este des întâlnit la mașinile de ridicat.

Cuplul dinamic este rezultatul diferenței dintre M – Mr. Din ecuația de miscare rezultând:

dacă M > atunci > 0, deci viteza crește, adică acționarea se accelerează;

dacă M < atunci < 0, deci viteza scade, adică are loc încetinirea acționării;

dacă M = atunci = 0, deci viteza este constantă, adică acționarea funcționează în regim stabilizat.

Ecuația mișcării se poate exprima cu ajutorul puterilor sau al forțelor pentru sisteme cu mișcare de translație.

Ecuația de mișcare pentru instalațiile cu mișcare de translație se scrie:

F – = (2.4)

sau:

F – = (2.5)

și deci:

= m + υ . . (2.6)

În final rezultă:

= m + (2.7)

Respectiv ecuația mișcării:

F – = m +. (2.8)

Dacă masa este constantă, atunci ecuația devine:

F – = m. (2.9)

2.3 Raportarea cuplurilor și a forțelor la un arbore.

Un sistem de acționare simplu este compus de obicei dintr-o mașină de acționare M.E. și o mașină de lucru M.L. fiind cuplate pe același arbore, adică acestea funcționează cu aceeași viteză. Însă între cele două mașini M.E. și M.L. mai apare încă un sistem numit transmisie, acest sistem permite ca cele două mașini să funcționeze cu viteze diferite, în proiectare fiind necesară raportarea la arbore a cuplurilor, forțelor, momentelor de inerție și a masei.

Raportarea puterilor se face la arborele mașinii electrice de acționare pe principiul conservarii energiei (puterea corespunzătoare mărimii trebuie să fie egala cu puterea corespunzătoare mărimii inițiale în funcție de pierderi).

Dacă mașina electrică MEA funcționează ca frână, sensul de transmitere a energiei e schimbă și expresia cuplului raportat la devine:

= . (2.10)

În unele cazuri utilajele au în componența lor mecaniste cu mișcare de translație, ca de exemplu podurile rulante și rabotezele.

Astfel de mecanism folosit pentru ridicare este arătată în figura 2.3, în care mașina MEA acționează toba T prin transmisia Z în scopul ridicării masei m de greutate cu viteza .

Din egalitatea puterilor, în ipoteza ridicării greutății,

= υ (2.11)

rezultă cuplul la arborele mașinii electrice de acționare, MEA:

= (2.12)

La coborâre în regim stabilizat, MEA frânează, pierderile fiind acoperite de mecanismul de lucru; rezultă:

= η . (2.13)

2.4 Raportarea masei și a momentelor de inerție la arbore.

În cadrul sistemelor de acționare electrică calculul momentelor de inerție prezintă o importanță deosebită, deoarece aceste sisteme pot avea mai mulți arbori ce se învârt cu diferite viteze și momente de inerție. Raportarea momentelor de inerție înseamna înlocuirea maselor reale, aflate în mișcare, cu o singură masă, fictivă, ce se află pe arborele de acționare având aceeași inerție. Momentul de inerție echivalent J, masei fictive, cu energia cinetică egală cu suma energiilor înmagazinate în masa reală cu momentele de inerție J, J1….Jn adică:

= J + + + … + (2.14)

Rezultă momentul de inerție echivalent:

= J + + + … (2.15)

Pe baza relațiilor (1.34) expresia (1.46) se mai poate scrie:

= J + + + … + . (2.16)

J1 – momentul de inerție.

Ω – viteză de translație și viteză unghiulară.

Capitolul III

Mașini de ridicat folosite în industrie.

Prin mașini de ridicat se înțeleg, instalațiile de ridicat folosite pentru ridicarea pe verticală a sarcinilor, împreună cu mișcări de translație sau de rotire. Acestea sunt utilizate în tot felul de întreprinderi, de exemplu: atelierele auto, mecanice, șantiere de construcții (macaraua turn), în siderurgie (poduri rulante), în porturi (instalații de transport de capacitate foarte mare) dar și în clădirile înalte fiind cunoscute sub denumirea de ascensor (lift) de persoane.

Operațiile de ridicare și descărcare au devenit mecanizate, întrucât acestea contribuie din ce în ce mai mult la productivitatea muncii, micșorarea pierderilor și scurtarea termenilor de predare a lucrărilor.

Podul rulant este o mașină de ridicat ce are în componența sa un tambur pe care se înfășoară diferitele materiale (fibre) metalice sau nemetalice (lanțuri, frânghii, șprăngi) folosite la ridicarea sarcinii, acestea putându-se deplasa și pe plan orizontal pentru a muta diferitele sarcini dintr-un punct în altul. Podurile rulante și în general mașinile de ridicat au fost concepute special pentru a putea ridica și deplasa greutăți mult peste puterea umană.

Întrebuințarea podurilor rulante s-a extins odată cu dezvoltarea contiună a industriei dar și a metodelor de acționare și automatizare a acestora. Alegerea unui pod rulant potrivit poate fii dificilă dacă nu sunt facute calcule pentru sarcinile sau nevoile ce urmează a fi utilizat, existând riscul de accidente.

Pentru a evita accidentele și riscurile de producere a acestora sunt necesare îndeplinirea unor etape:

Prima etapă se leagă de sistemul de acționare și de tipurile de motoare electrice folosite pentru îndeplinirea cerințelor: inversarea sensului de mișcare, modificări de turație, porniri și frânări frecvente etc… De asemenea este necesară și cunoașterea condițiilor de lucru, a sistemului de acționare dacă folosește curent alternativ sau curent continuu, a randamentului și factorului de putere dar și a consumului de energie.

În a doua etapă se fac calculul datelor tehnice ale motoarelor electrice de acționare dar și a sistemului de alimentare. Puterea motorului se calculează pentru sarciniile la care este utilizat și limitele de încălzire, respectându-se condițiile de pornire.

După determinarea puterii motorului putem stabili și construcția motorului electric, fiind de dorit a se folosi motoare de construcție normală, evitandu-se folosirea motoarelor speciale.

A treia etapă cuprinde schema de principiu a acționării electrice și aparatele de comanda și protecție ce urmează a fii utilizate la mașina de ridicat, inclusiv se analizează și probleme de pornire, comandă, frânare, inversare și modificarea turației ce pot apărea în cadrul acestui sistem de acționare.

În etapa patru se compară soluțiile găsite pentru acționare (dacă s-au gasit mai multe) din mai multe puncte de vedere: economic, tehnic, fiabilitate. Urmând să fie aleasă cea mai bună soluție.

În ultima etapă, etapa cinci, se proiectează strutura la nivel constructiv, se fixează motoarele electrice, aparatele și conductoarele de legatură necesare acționării structurii, întocmindu-se o schema de montaj.

Podurile rulante se caracterizează prin, distanța dintre sine ce poartă numele de ecartament, distanța acoperită de sine sau calea rulantă a podului, sarcina maximă pe care o poate ridica sau capacitatea maximă, distanța dintre sol și înalțimea maximă când macaraua se afla la capacitate de ridicare totală sau deviația maximă pe plan vertical și viteza de deplasare a podului rulant în plan orizontal fiind notată cu [m/s].

3.2 Variante constructive de poduri rulante.

Podurile rulante se împart în mai multe categorii, diferența este facută de elementele folosite în construcția acestora dar și de utilizarea acestora, exemple de astfel de mașini de ridicat:

poduri rulante monogrindă (fig.3), acestea se împart la randul lor în trei variante:

grinda principală din profil laminat ELV;

grinda principală din profil cheson sudat ELK;

cu electropalan în consola ELS;

Fig.3

sarcina maximă: 10 t;

pana la 36 metri deschidere;

poduri rulante bigrinda (fig3.1), acestea se împart în două variante:

grinzile principale din profil laminat ZLV;

grinzile principale din profil cheson sudat ZLK;

Fig.3.1

sarcina maximă: 80 t

pana la 36 de metri deschidere;

pod rulant monogrindă în consolă (fig.3.2)

Fig.3.2

pod rulant monorail sau monogrindă cu cale de rulare curbată (fig.3.3)

sunt montate pe cladire sau o structură independentă;

deplasările se fac manual sau electric;

calea de rulare este dreaptă sau curbă;

acționarea se face printr-o cutie de comandă sau telecomandă wireless;

Fig.3.3

3.3 Regimuri de lucru ale mașinilor de ridicat (pod rulant).

Mașinile de ridicat sunt utilizate în medii de exploatare și la sarcini foarte diferite, lucru ce a dus la o variație mare de a acestora atât din punct constructiv cât și din punct de vedere a acționari acestora.

Pentru o mai ușoara împărțire a mașinilor de ridicat, și pentru a definii condițiile de exploatare în funcție de frecvența și durata de utilizare dar și de intensitatea solicitărilor (acestea nefiind utilizate în majoritatea timpului la sarcina maximă) s-a recurs la împărțirea lor în funcție de clasa de utilizare, starea de încărcare (solicitare) și regimul de lucru.

Clasa de utilizare presupune precizarea timpului de utilizare a mecanismului pe durata unei zile, fiind exprimată în ore. Durata de utilizare zilnică se poate afla din durata unui ciclu de funcționare ori numărul de cicluri pe zi:

(3.1)

Iar: ; (3.2)

unde L – distanța străbătută;

v – viteza de lucru;

Starea de încărcare (solicitare) precizează în ce masură este supus mecanismul de ridicare sau un element al acestuia la sarcina nominală sau maximă. Caracteristica stării de solicitare se afla în funcție de solicitări și de durata de funcționare, cu ajutorul coeficientului de încărcare k.

(3.3)

– sarcina parțială;

P – sarcina maximă;

– durata de funcționare;

Regimurile de funcționare ale motoarelor electrice întâlnite în cadrul unei mașini de ridicat:

continuu – motorul electric rămâne sub sarcina pentru o durata de timp îndelungată, iar temperatura atinge o valoare stabilă.

de scurtă durată – motorul electric funcționează pentru o perioadă de timp (10; 30; 60; 90 minute), nereușind să ajungă la o valoare stabilă de temperatură, după care acesta se oprește din funcționare temperatura scăzând pâna la cea a mediului ambient.

intermitentă – motorul electric funcționează în intervale de încărcare de durată secunde ce alternează cu pauze de durată secunde. Drept urmare se definește durata relativă de funcționare prin relația:

( 3.4)

unde: – durata unui ciclu.

Tab.3

regim ușor – U;

regim mediu – M;

regim greu – G;

regim foarte greu – FG;

regim foarte greu continuu – FGC;

Mașinile de ridicat pot avea în componența lor mecanisme cu regimuri de lucru diferite. În cadrul unui pod rulant, de exemplu, se utilizează un graifar pentru manipularea sarcinilor de greutate mare, acesta cât și mecanismul de ridicare vor funcționa în regim foarte greu continuu (FGC), în timp ce mecanismul de translație poate funcționa în regim mediu (M).

Dimensionarea și aprecierea corectă a regimurilor de funcționare și a mecanismelor utilizare în cadrul unei mașinii de ridicat este necesară pentru a putea prevenii suprasolicitarea mecanismelor și evitarea posibilelor accidente. De aceea în exploatarea cât și în proiectarea acestora trebuie să se țina cont de niște standarde cu caracter general:

STAS 800 – 68 Pod rulant electric cu cârlig;

STAS 2844 – 64 Mașina de ridicat. Sarcini nominale pe tipuri;

STAS 4660 – 54 Pod rulant cu uz general. Clasificare;

STAS 4661 – 64 Pod rulant cu uz general. Descriere;

STAS 4662 – 64 Instalații de ridicat. Regimuri nominale de lucru;

STAS 4663 – 64 Pod rulant cu uz general. Chestionar de proiectare;

STAS 4664 – 64 Pod rulant cu ux general.Construcția metalică;

Anexa1.Standard pod rulant

3.4 Mecanisme utilizate în costrucția mașinilor de ridicat.

3.4.1. Mecanismele de ridicare a sarcinii.

Mașinile de ridicat, de obicei cele de înălțimi mari și medii, folosesc pentru ridicarea sarcinii organe reglabile și cât mai flexibile precum: cabluri, lanțuri, funii; ce se înfășoară pe tambur și pe scripeți (roți).

Materialul din care sunt confecționate cablurile este oțel carbon de înaltă calitate cu un conținut de 0,5% carbon și o rezistență la rupere de aproximativ 60 daN/. Acestea sunt torsadate crescând rezistența la rupere până la 120…200 daN/, în urma torsadării cablurile sunt trecute printr-un tratament termic pentru ai reda proprietățile plastice, astfel evitând galvanizarea acestora.

Cablurile cele mai folosite sunt cele rotunde ce au o „inimă” din sisal sau cînepă acoperite de un număr de șase toroane, un toron fiind compus din 19 sau 37 de sârme de oțel torsadate.

Clasificarea cablurilor:

Dupa inimă:

inima vegetală: cînepă, sisal;

inima metalică: din sîrme asemănătoare celor din toron (cresc rezistența la rupere);

inima din azbest: pentru temperaturi crescute;

Dupa calitatea sîrmelor:

mate: sîrma rezultată din tragere;

zincată; pentru medii corozive;

După rezistență la rupere:

cu rezistența variabilă: 120…200 daN/;

Dupa felul infășurării;

înfășurare în dreapta: „Z”;

înfășurare în stânga: „S”;

mixtă;

3.4 Tipuri de infasurare.

În urma înfășurării pe un număr mai mic de role având același sens pe toate rolele a fost constatată creșterea durabilității cablurilor. Creșterea coeficientului de siguranță împreună cu legătura dintre diametrul rolei (cu o elasticitate mai redusă) și raza cablului au dus de asemenea la o creștere a durabilității cablurilor.

3.4.2. Mecanismul de ridicare – coborâre cu cârlig

Podurile rulante cu cârlig sunt utilizate în spații închise (hale industriale, depozite închise) dar și în aer liber, fiind încârcate la sarcină maximă nominală foarte rar, frecvent utilizându-se sarcini de până la 25% din cea nominală.

În ceea ce privește prinderea sarcinii, dacă se face cu un singur fir să se înfășoare pe o tobă, la momentul ridicării există riscul apariției mișcării laterale (balansării) lucru ce împiedică o precizie sporită în controlul sarcinii. Acest motiv a dus la găsirea unei soluții de îmbunătățire a stabilității sarcinii, lucru realizat prin întrebuințarea unor palane duble, acestea permițând o mișcare precisă pe verticală și evitarea balansării sarcinii.

În fig. este prezentată schema mecanismului de ridicare – coborâre cu cârlig, dar și mai multe tipuri de înfășurare a cablului:

Fig.3.5

Tipuri de înfășurare a cablului.

Rola de egalizare este plasată de obicei pe șasiu sau pe muflă în funcție de numărul de ramuri de cablu. Amplasarea rolei de egalizare pe șasiu permite realizarea mai simplă a limitatoarelor de sarcină permise de I.S.C.I.R. aceste limitatoare ducând și la posibilitatea măriri sarcinii peste cea nominală.

În fig.3.6 avem prezentată schema cinematică a mecanismului de ridicare – coborâre.

Fig. 3.6 Schema cinematica a mecanismului

1 – motor de acționare;

2 – cuplaj aflat între motor și reductor;

3 – frână amplasată pe semicupla spre reductor;

4 – reductor;

5 – tambur pentru înfășurarea cablului;

6 – cablu;

7 – rolde de abatere cablu (rola de egalizare);

8 – dispozitiv de prindere a sarcinii;

Un alt mecanism utilizat la prinderea și ridicarea sarcinilor similar celei cu cârlig este traversa (fig.3.7) aceasta este utilizată pentru transportul și ridicarea obiectelor de lungime mare, pot fi și cu electromagneți montări la capetele traversei.

Fig.3.7 Traversa.

3.4.3. Mecanismul de ridicare – coborâre cu graifăr.

Graifărul este un mecanism special construit pentru prinderea sarcinilor de dimensiuni reduse în general vrac (cărbune, pietriș, pământ, cereale), după modul de închidere și deschidere a cupelor acestea pot fi de mai multe feluri:

cu un singur cablu;

cu doăa cabluri;

cu electromotor;

cu cilindru hidraulic;

Fig. 3.8. graifăr.

1 – cupele graifărului;

2 – palan de comandă;

3 – bare articulate;

4 – traversa superioară;

5 – cablu de comandă;

6 – cablu de ridicare;

Sistemul de acționare al unui graifer cu un singur motor electric este arătat în fig. 3.8. Pe arborele motorului electric este imobilizată toba de închidere iar cea de ridicare este pusă liber pe același arbore. Ridicătorul electric B este montat alaturi de frâna pe care sunt de asemenea montați pe arborele motorului electric. Angrenajul leagă toba prin cuplajul conic E, electromagnetul D comandând partea , blocarea tobei se face odată cu ridicatorul C, frânarea fiind una mecanică.

Potrivit celor spuse mai sus funcționarea graifărului cu un singur motor se face astfel: presupunem că motorul M se rotește, acționăm electric ridicătorul de frână B, dacă este acționat și electromagnetul D atunci frâna cu ridicatorul electric C este închisă deci toba nu se rotește, rotindu-se doar toba . Dacă electromagnetul D nu este acționat atunci ambele tobe se rotesc în același sens.

`

Fig. 3.9

Sistemul de acționare a graifărului cu un singur motor.

Cel mai utilizat sistem de acționare electrică este cel al graifărului cu două motoare, câte unul pe fiecare tobă fig.3.10. Avem cele două motoare ce pot funcționa fie pe rând fie simultan și de asemenea și frânele corespunzătoare motoarelor.

Fig. 3.10

Schema de acționare a graifărului cu două motoare.

Ca exemplu de funcționare, ne putem imagina un graifer gol ce are cupele închise deasupra unui morman de cereale la o înalțime „h”, eliberând cablul de comandă cupele se vor deschide apoi eliberând și cablul de ridicare acesta va cădea în mormanul de cereale având cupele deschise. Se acționează cablul de comandă care închide cupele, prinzând o anumită cantitate de cereale, în timp ce se închid cupele se acționează și cablul de ridicare într-un final acesta ridicându-se cu cupele închise până la punctul de descărcare.

Graifărul cu electromotor, este asemanător cu cel acționat cu două motoare diferența fiind prin faptul că mecanismul de închidere – deschidere se face cu ajutorul unui electromotor ce este amplasat chiar înăuntrul graifărului. Acesta are dejavantajul de a nu rezista la condiții de lucru grele iar pentru acționarea electromotorului este necesar și un cablu de alimentare.

Graifărul cu cilindru hidraului, este avantajos deoarece rezistă la condiții de lucru dificile și poate dezvolta o forța mare pentru săpare, însă pentru aceasta trebuie montată o articulație de brațul macaralei lucru ce nu poate fi realizat la acestea.

3.4.4. Mecanismul de ridicare – coborâre cu electromagnet.

Electromagneții fig.3.11 sunt utilizați pentru manipularea sarcinilor și materialelor cu caracter magnetic, ce au forme și dimensiuni variabile, prinderea electromagnetului se face în general prin prinderea sa de cârlig.

Fig.3.11

Electromagnet.

Alimentarea cu energie electrică a electromagnetului se face de o sursă de curent continuu, printr-un redresor montat pe mecanismul de ridicare sau de la o sursă de curent continuu independentă. Cablul de alimentare se înfășoară pe un tambur ce execută mișcarea de rotație sincronă cu cea a mecanismului de ridicare. Pentru a fii evitate accidente de muncă atunci când apar căderi de tensiune se instalează și baterii de acumulatorii care să asigure funcționarea acestuia până la eliberarea sarcinii în condiții de siguranță.

Din punct de vedere constructiv, electromagneții sunt concepuți pentru a suporta șocuri mari produse de sarcinile acestora dar și să permită o demagnetizare rapidă când este nevoie.

Dezavantajele principale ale electromagneților sunt: capacitate utilă de ridicare scazută deoarece au o greutate proprie mare, variații în limite largi a forței portante a electromagneților în funcție de formă, dimensiuni, temperatură etc.

3.5. Mecanisme de translație pentru poduri rulante.

Mecanismul de translație realizează mișcare pe orizontală a sarcinii, deplasarea făcându-se pe căi cu sine de rulare sau cai fără sine, montate pe vehicul sau în afară lui caz în care tractarea se face prin cablu.

Mișcarea pe orizontală se face cu ajutorul unor organe de deplasare în principal acestea fiind roți de rulare, ce pot fii conducătoare sau conduse, diferența fiind făcută de legătura cinematică a roții cu mecanismul de translație.

Dacă avem un regim staționar, grinda se deplasează cu viteza constantă c = ct. Fiind sub acțiunea forței egală și de sens contrar cu rezistența opusă de mecanism la deplasarea W, dată de rezistența de rulare dintre roată, baza roții și șină fig. . Forța dată de greutatea sarcinii Q dar și greutatea mecanismului de ridicare G ce se exercita asupra roților ( = Q + G), adică cuplul static trebuie învins de puterea dezvoltată de motor pentru deplasare.

Fig. 3.12

Schema forțelor ce acționează asupra unei roții.

Cuplul de frecări în lagăre se determină cu relația:

(3.1)

unde: – coeficientul de frecare (0,08…0.105);

d – diametrul roții [m];

Cuplul de rostogolire se determină cu relația:

(3.2)

unde: f – coeficientul de frecare (0,05…0,1);

Puterea dezvoltată de un motor în regim staționar pentru o mișcare constantă cu viteza v, trebuie să învingă cuplul static adică .

(3.3)

unde: – viteza unghiulară a roții [rad/s];

Viteza de deplasare a mecanismului se calculează cu relația:

(3.4)

Dacă mecanismul de translație are calea de rulare curbată apar noi rezistențe la deplasare datorită alunecării roților atat transversala cât și longitudinala.

Înclinarea roților la un anumit unghi (fig. ) reiese din relația:

(3.5)

b – ampatamentul căii de rulare;

s – ecartamentul căii de rulare;

Fig. 3.13

Determinarea rezistenței de deplasare în curbă.

Rigiditatea roților determină aparentă alunecării longitudinale, spatiul de alunecare fiind dar de relația:

(3.6)

Iar rezistența de alunecare fiind dată de relația:

(3.7)

– sarcina distribuită roților;

În fig.4.14 de alături se explică alunecarea roților conice și cum putem determina rezitența de alunecare la deplasare.

unde: D – diametrul roții;

B – protecția pe orizontală a lațimii active a roții;

– unghiul de înclinare;

Diferite tipuri de construcție se întâlnesc la mecanismele de translație, variind în funcție de sistemul de acționare și nevoile de utilizare. Fig. 3.14

În fig.3.15 de mai jos se arată mecanismul de translație, ce se compune dintr-un motor electric 1, și un reductor central 3. Astfel de tipuri de mecanisme sunt folosite când este nevoie de o turație mică a arborelui.

Fig.3.15

Mecanism de translație cu motor și reductor.

1 – motor electric;

2 – cuplajul cu frână;

3 – reductorul;

4 – arborele de transmitere;

5 – roțile;

Mecanismul de translație cu două reductoare de viteză fig. . Reductoarele sunt spuse lângă roțile de rulare și motorul central. Este folosit pentru deschideri mari ce necesită o viteză mică a arborelui.

Fig.3.16

Mecanism de translație cu un motor și două reductoare.

Mai sunt și alte tipuri de mecanisme de translație de exemplu: mecanisme de translație cu transmisii independente sau mecanisme de translație cu cablu, aceste sunt utilizate mai rar .

3.5. Sisteme de frânare a mecanismelor de ridicat.

Sistemele de frânare sunt împarțite în două categorii:

frânarea mecanica: cu saboți sau cu bandă;

frânarea electrică: in contracurent; subsincrona; cu recuperare; cu electromagneți ce au elemente de contact prin fricțiune sau frânare prin curenți induși;

3.5.1 Frane mecanice.

Frânarea cu saboți fig. 1.23 este una din cele mai utilizate metode de frânare însă aceasta trebuie dimensionată corect astfel încât arborelui pe care este dispus discul să nu i se transmita forta transversala.

Fig.3.16 Frână cu saboți.

A – discul de frână; R – ridicătorul de frână;

B – saboții; G – greutatea care strânge saboții;

Frânarea cu bandă fig. 3.18 este utilizată doar în cazurile în care mecanismul are un singur sens de rotație, cum sunt de exemplu mișcările de translație a podurilor sau a macaralelor turnate. Asupra arborelui acționează o forță F care îl solicita la încovoiere, această este sumă forțelor F1 și F2.

R – ridicătorul de frână.

Fig. 3.17 Frâna cu banda.

3.5.2 Frâne electrice.

Frânarea motorului asincron în contracurent se obține prin schimbarea ordinii succesiunii fazelor și introducerea unei rezistente în circuitul rotoric. Pentru determinarea rezistenței de frânare R_f se particularizează caracteristică statică de de frânare pentru punctul de coordonate .

(3.8)

(3.9)

Frânarea motorului asincron cu recuperare se folosește dacă se cere limitarea vitezei actionării prin recuperarea energiei cinetice sau potențiale a mașinii de lucru. Se obține prin antrenarea rotorului mașinii electrice de către mașină de lucru la o viteză mai mare decât viteză de sincronism.

Această situație apare la mașinile de lucru care au acumulat energie potentială sau cinetică în timpul procesului tehnologic (ex.:o garnitură de tren la coborârea unei pante, un vehicul de transport din parcurile de distracții pentru prefranarea la apropierea de stația de coborâre).

Frânarea electromagnetică prin curenți induși este de asemenea o frânare electrică, această este realizată dintr-un ax de oțel ce este fixată pe un disc de o anumită grosime, fiind construit dintr-un material conductor precum aluminiul sau cuprul. Discul este poziționat în intrefierul electromagneților ce au o înfășurare electrică sau magneți permanenți, în timp ce discul se învârte la o anumită turație curenți turbionari sunt induși în acesta producând pierderi Joule în disc ducând la o frânare conform cu relația Laplace:

(3.10)

F – forță [N];

I – lungimea conductorului parcurs de curentul i;

B – inducția magnetică ce străbate discul [T];

Frânarea prin cunreti induși prezintă numeroase avantaje printre acestea se poate remarcă eliminarea uzurii mecanice, dar și eficientă acesteaia dacă luăm în considerare faptul că se poate comandă foarte ușor.

Pentru a crește eficientă frânării, tolele miezurilor magnetice se realizează din fier cu siliciu acest lucru ducând la creșterea rezistivitatea materialului pentru a se diminua curenți induși, iar discurile se vorrealiza din materiale cu o rezistivitate scăzută precum aluminiul sau cuprul.

Un principal dezavantaj al acestor frâne îl reprezintă incalzurea puternică a discului datorită pierderilor de tip Joule. Prin relația de mai jos se calculează densitatea pierderilor prin curenții induși în disc:

(3.11)

Bm – inducția magnetică [T];

f – fracvența câmpului magnetic [Hz];

ρ – rezistivitatea materialului [ Ω m ];

d – dimensiunea discului în lungul vectorului B ;

În cazul funcționari îndelungate a frânelor elecromagnetice prin curenți induși au fost realizate sisteme speciale de răcire cu apa sau aer, dat fiind faptul că încălzirea disclui influienteaza frânarea.

În figură de mai jos se poate vedea cum este realizat un mecanism de frânare prin curenți induși. Rotorul este format dintr-un ax de oțel pe care se fixează discul de aluminiu,câmpul inductor este realizat din patru electromagneți așezați la 90 de grade spre marginea discului.

Fig.3.18 Mecanismul de franare prin curenti indusi.

Capitolul IV

Calculul si proiectarea unui mecanism de ridicare – coborâre folosit la un pod rulant.

Proiectarea și calculul mecanismului electromecanic de acționarea a unei instalații de ridicare – coborâre se împarte în mai multe categorii.

4.1. Alegerea schemei cinematice și electrice a mecanismului.

În figură 5.1. se prezintă schema cinematică a mecanismului de ridicare – coborâre.

Fig. 4.1 Schema cinematica a unui troliu

Elementele principale ale schemei cinematice a mecanismului de ridicare – coborare:

A – toba de ridicare;

B – scripete mobil;

C – scripete fix;

D – motorul de ridicare;

– roti dintate;

E – frana mecanica si totodata si cuplaj;

G – motorul de translatie;

– rotile exterioare;

J – roata la care se transmite cuplul;

H – cutia de angrenaje;

Troliul este „caruciorul” unui pod rulant ce este folosit pentru deplasare pe verticala a unei sarcinii. Acesta este format din doua tobe care se pot roti in jurul axelor si pe care se infasoare un cablu

Fig 4.2 Schema electrica de actionare a unui troliu

. Alegerea si dimensionarea componentelor principale ale schemei cinematice.

4.2.1 Alegerea dispozitivului de prindere a sarcinii.

Pentru prinderea sarcinii se v-a folosii un dispozitiv numit muflă construit din unul sau mai mulți scripeți . Tipul muflei este M 2.5 ce are o masă de 30 de kg.

Greutatea muflei:

q = m * g (4.1)

q = 30 * 9,81 = 294,3 [N]; (4.2)

Forta de intindere:

; (4.3)

Unde : z – numarul de ramuri de cablu ;

– ramdamentul podului rulant.

; (4.4)

Unde : K = 0,86 ;

C – coeficientul de siguranta ;

Diametrul nominal al cablului: d = 16 mm

Aria secțiuni cablului: A = 105.53

Masa cablului :

Tamburul.

Acesta se regăsește la majoritatea mașinilor de ridicat în special la podurile rulante, și are o formă cilindrică fiind fie fix fie mobil cu o structură metalică.

Diametrul tamburului si al rolelor de actionare.

(4.5)

Diametrul tamburului.

(4.6)

e – coeficientul regimului de funcționare.

Lungimea tamburului.

(4.7)

4.2.3. Reductorul.

La fel că și tamburul acesta se regăsește la majoritatea mașinilor de ridicat, având rolul de a distribui momentul motor la punțile motoare și în același timp îl și modifică. În general reductorul este prevăzut cu două trepte, permițând dublarea numărului de trepte ale cutiei de viteze. În majoritatea cazurilor una din trepte are raportul de transmitere egal cu unitatea, iar a două variabil între 1,7 și 2,8.

(4.8)

(4.9)

(4.10)

4.3 Alegerea puterii motorului electric și verificarea acestora.

În calculul pentru alegerea puterii motorului electric o informație utilă o reprezintă diagrama cuplului static și viteză pentru un ciclu tipic de funcționare. Deși în practică sunt întâlnite mai multe cicluri de funcționare , ciclul tipic de funcționare al mecanismelor de ridicare – coborâre se compune din două cicluri de ridicare, unul cu sarcină maximă altul fără sarcină și două cicluri de coborâre unul cu sarcină maximă și altul fără sarcină. În realitate sunt mult mai multe cicluri însă acesta poate ajută la calculul puterii motorului electric.

Fig. 4.3. Diagrama ciclurilor tipice de funcționare în regim staționar.

Dacă diagrama de sarcină este cunoscută putem calculă durată de acționare:

DA% 100; (4.11)

t1, t2, t3, t4 – reprezinta timpii de funcționare pe o perioada de timp Tc.

Datele de proiectare:

Masa de ridicat:

m = 2000kg

Viteza de ridicare:

vr = 0,18 m/s

Turaia sincron la arborele de ridicare:

n1 = 1000 rot/min

Randamentul transmisiei:

= 0,85

Durata relativ de acionare:

DAr = 38 %

Momentul total de inerie al maselor n micare raportat la arborele motorului:

Jr = 3Jm

Alegerea motorului.

Fig.4.4 Schema de actionare a unui mecanism de ridicare

Pentru alegerea motorului se pornete de la expresia sarcinii n cârlig:

Q = m * g = 2000 * 9,81 = 19620 N (4.12)

Puterea de lucru:

PL = Q*vr = 19620 * 0,18 = 3531 W (4.13)

Puterea de coborâre:

(4.14)

Puterea de ridicare:

(4.15)

Puterea mainii electrice se alege corespunztor valorii medii a puterii din catalog.

Puterea medie:

(4.16)

În cazul în care este dat motorul desfășurarea calculelor este:

(4.17)

Se determină masa, care se rotunjește la o valoare inferioară și se refac calculele.

Din catalog am ales motorul din seria AIM cu urmtoarele caracteristici nominale: AIM – 132Ma-6; P=4 kW, puterea n serviciul S4 la durata de acionare DA= 35% este 4 kW; nN =900 rot/min.

η=77 %

=0,70

I1=120 V/ 11,2 A

I2N=13,4 A

U2=115V

Mmax=2,8 kgfm

GD2=0.3 kgfm2

Momentul de inerie echivalent raportat la arborele motorului: Je=Jr+Jt

(4.18)

momentul de inerie al maselor aflate n micare de rotaie, raportate la arborele motorului.

(4.19)

momentul de inerie al maselor aflate n micare de translaie, raportate la arborele motorului:

; (4.20)

(4.21)

deci Je = 0.042 + 0.0086 = 0.0506 kgm2

4.5. Calculul și alegerea cablului de acționare a motorului pentru mecanismul de ridicare – coborâre.

Lungimea cablului de actionare este de 5m.

Se cunosc:

Densitatea de curent a cuprului:

(4.22)

Rezistivitatea cuprului:

(4.22)

Sectiunea unui conductor din cablu se stabileste cu relatia:

(4.23)

Rezistenta unui conductor:

(4.24)

Caderea de tensiune pe cablu:

(4.25)

(4.26)

4.6. Mișcarea de ridicare.

Cuplul rezistent la ridicare:

; (4.27)

(4.28)

Cuplul de pornire la ridicare:

(4.29)

unde kp=1,5 coeficient de pornire.

Ecuaia micrii n regim de pornire:

(4.30)

de unde rezult timpul de pornire la ridicare:

; tpr=0.339 s

Oprirea la ridicare se face prin prin ntreruperea alimentrii motorului i frânare mecanic. Deci cuplul de oprire la ridicare Mor este zero.

Timpul de oprire la ridicare va fi:

; (4.31)

rezultă: ; tor=0.089 s

n mers staionar cuplul motorului este MS = MRr

Spaiul parcurs la pornire:

(4.32)

Spaiul parcurs la oprire:

(4.33)

Considerm nlimea maxim de ridicare este:

H= 5 m

Atunci spaiul de mers staionar este:

(4.34)

Timpul de mers staionar la ridicare:

(4.35)

4.7 Mișcarea de coborâre.

Ridicm frâna i pornim motorul în sens invers. Deci cuplul de pornire la coborâre este:

(4.33)

unde kp=1,2 coeficient de pornire.

Cuplul rezistent la coborâre:

; (4.36)

; (4.37)

; tpc=0.062 s

Dup tpc se alimenteaz statorul motorului i avem frânare suprasincron.

Oprirea la coborâre se realizeaz prin frânare dinamic.

Cuplul de oprire la coborâre:

Moc=1,5Mn=1,5*37.15=51.22 Nm

; toc=0.245 s

(4.38)

Spaiile parcurse la coborâre :

Viteza de coborâre:

(4.39)

Spaiul parcurs la pornire:

(4.40)

Spaiul parcurs la oprire:

(4.41)

Spaiul parcurs n mersul staionar:

(4.42)

Timpul de mers staionar la coborâre:

(4.43)

Cuplul staionar la coborâre :

Msc=MRc=31.85 Nm

4.8. Verificarea la încălzire a motorului de acționare.

Se face pe baza diagramei M=f(t) prin criteriul cuplului echivalent care trebuie s fie < MN

(4.44)

Me=28.63 Nm

deci Me < MN =37.15 Nm

4.9 Calculul reostatului de pornire.

La pornirea cu reostat rotoric , motorul are conectat n rotor un reostat cu mai multe trepte care se vor scoate succesiv din circuitul rotoric. Numrul de trepte de pornire este z=2¸4. Cu cât numrul de trepte este mai mare cu atât ocurile de cuplu i curent la trecerea de pe o treapt pe alta sunt mai mici deci pornirea este mai fin, se face mai lin pentru a determina rezistenele reostatului se folosete caracteristica mecanic n=f(M) a motorului asincron. Motorul va porni pe caracteristicile artificiale i va avea punctul de funcionare staionar pe caracteristica natural.

Utilizăm 3 trepte pentru pornire cu reostat: Z=3

Alegerea reostatului de pornire se face n funcie de puterea nominal a motorului i de rezistena lui rotoric.

Cuplul nominal:

MN= 37.15 Nm

Alunecarea nominal:

(4.45)

Coeficientul de suprasarcin se calculează:

k= (4.46)

Alunecarea critic o calculm scriind formula lui Kloos pe caracteristica natural:

Mmax = Mk.

(4.47)

; (4.48)

(4.49)

sk= 0,14

Limitele cuplului de pornire sunt:

maximă:

minimă: M2, va rezulta ulterior.

Scriem relaia lui Kloos n punctul final pe c.m.n. pentru cuplul de pornire maxim:

(4.50)

Rezistenele reostatului de pornire i alunecrile corespunztoare cuplurilor M1,M2 pe acceai treapt se gsesc ntr-o progresie geometric cu raia γ.

Numărul de trepte se alege în funcție de puterea motorului:

(4.51)

Aplicand relaia lui Kloos pe caracteristica mecanică naturală pentru sz+1 se obine cuplul minim de pornire M2.

(4.53)

4.10 Calculul rezistenței rotorice.

Din bilanul energetic al motorului pentru regimul nominal de funcționare:

(4.54)

R2=0.721Ω

(4.55)

(4.56)

Modificarea rezistenei are loc la alunecrile:

(4.57)

4.11 Calculul curentului de pornire

Expresia cuplului critic pentru mașinile de putere mare este:

(4.58)

Se obține expresia reactanței totale de dispersie:

(4.59)

Alunecarea critică pentru mașinile de putere mare este:

(4.60)

Se obține valoarea raportată a rezistenței:

(4.61)

Coeficientul de raportare al rezistențelor și reactanțelor este:

(4.62)

Curentul de linie maxim se atinge la pornire cu întreg reostatul rotoric introdus :

(4.63)

Curentul de linie minim se atinge la pornire la scurtcircuitarea primei trepte din reostatul rotoric introdus :

(4.64)

Curentul de pornire directă (fr reostat) este:

(4.65)

Coeficientul direct de pornire în current este:

(4.66)

Fuzibilul siguranelor pentru a nu declana la pornirea motorului se dimensionează la:

Ifuzreglat= I1p*1,5 =1,5*20.94=31.41A (4.33)

Capitolul V

5.1. Notiuni introductive.

Programul Simulink face parte dintr-un pachet de soft-uri utilizate pentru modelarea, simularea si analiza sistemelor dinamice. Acest soft se poate pune in practica in numeroase domenii ca de exemplu: industria auto si aerospatiala, in electronica si prelucrarea semnalelor, aceasta aplicabilitate extinsa se datoareaza faptului ca soft-ul poate lucre cu sisteme liniare si neliniare, poate modela in timp continuu, discret sau in variant hibrida.

Pentru realizarea diagramelor de blocuri, se folosesc operatiile de tipul “drag” si “drop” adica trage si plaseaza acesta fiind dotat cu interfete grafice (GUI – Graphical User Interface).

In bibliotecile soft-ului se gasesc tot felul de blocuri ca de exemplu: surse, osciloscopuri, componente liniare sau neliniare ca in fig. 5.1.

Fig. 5.1 Biblioteci Simulink

5.2 Etapele modelarii unui sistem de actionare cu motor asincron.

5.2.1 Definirea sistemului.

Un prim pas inainte de a incepe modelarea propriu-zisa consta in definirea intregului sistem, in cazul unui sistem complex acesta se poate impartii in subsisteme, fiecare model fiind modelat separate urmand ca la final acestea sa se integreze in modelul complet al sistemului.

5.2.2 Identificarea componentelor sistemului.

Pentru a realiza identificarea componentelor sistemului mai usor acestea se impart in trei tipuri:

Parametrii – valori ale sistemului constant in timp;

Starile – variabile ce isi modifica valoarea in timp’

Semnalele – semnalele de intrare sau de iesire ce se modifica in mod dinamic;

In Simulink parametrii si starile sunt reprezentate prin blocuri iar semnalele prin linii de conexiune intre blocuri.

5.. Modelarea si simularea functionarii masinii asincrone trifazate cu ajutorul programului Simulink.

Cuplul electromagnetic.

Curentul statoric

Turatia rotorului

Modelarea unui motor asincron in simulink.

Turatia motorului

Bibliografie

„Actionarea electrica a masinilor unelte” – Victor Tabara; Gheorghe Obaciu; Ion Gheghea; Gheorghe Boeriu. Editura didactica si pedagocica Bucuresti – 1980.

„Actionari electrice” – Ghe. Tunsoiu; Eugen Seracin; Carol Saal. Editura pedagogica, Bucuresti – 1982.

„Actionari si automatizari” – T. Popescu; D. Mihoc; E. Dumbrava; DV. Samoiescu.

„Introducere in simularea acrionarilor electrice cu motoare asincrone” – B. Siro

„Masini electrice, vol II, 2004” – B. Siro

„Simulink. Getting started guide (2010)”

„Masini electrice” – Aurel Cimpeanu. Scrisul romanesc (1977).

http://www.mathworks.com/help/physmod/sps/powersys/ug/simulating-an-ac-motor-drive.html;jsessionid=44aad0e8bd536d701fd080c33e1d