1 Описание технологического процесса, расчет параметров
и характеристик механизма подъемной лебедки
1.1 Описание технологического процесса производства кокса
Производство кокса из угольной шихты осуществляется в коксовых пе-чах. Коксовые печи объединяются в батареи, а батареи компонуются в блоки. Производство кокса осуществляется в непрерывном режиме с периодической выдачей кокса из отдельных блоков по циклическому графику [1].
Процесс производства кокса состоит из следующих технологических операций:
-загрузки камер коксования угольной шихтой;
-процесса коксования;
-мокрого или сухого тушения кокса;
-сортировки кокса по крупности.
Коксовые печи обслуживают следующие коксовые машины:
– углезагрузочный вагон;
– коксовыталкиватель;
– коксотушильный (коксовозный) вагон с электровозом.
Выдача кокса из камеры производится коксовыталкивателем в коксоту-шильный вагон.
Коксотушильный вагон состоит из платформы с ходовыми тележками и съёмного кузова с разгрузочными затворами. Стенки съёмного кузова обли-цованы жароупорными плитами. Емкость кузова 24 тонны. Передвижение тушильного вагона производится обычно электровозом.
Коксотушильный вагон служит для выполнения следующих технологи-ческих операций:
– приема раскаленного кокса из печи;
– транспортировки кокса к шахте подъемника тушильной установки.
Съемный кузов тушильного вагона с раскаленным коксом поднимается наверх установки тушения кокса специальным подъемником.
Подъемник осуществляет следующие операции:
– подъем груженого кузова с платформы вагона;
– транспортировку кузова к разгрузочному устройству;
– разгрузки раскаленного кокса из кузова в камеру сухого тушения;
– транспортировку порожнего кузова на ось шахты;
– спуск порожнего кузова на платформу вагона.
1.2 Конструкция и характеристики лебедки подъемника
Кинематическая схема механизм подъемной лебедки приведена на ри-сунке 1 и состоит из следующих устройств:
1 – командоаппарат;
2 – барабан;
3 – четыре тормоза;
4 – четыре электродвигателя;
5 – два зубчатых цилиндрических редуктора.
Четыре электродвигателя через два редуктора вращают барабан.
Барабан имеет левую и правую нарезку для укладки канатов. Правая и левая нарезки барабана рассчитаны на укладку 1,5 витков для крепления кана-та, 1,5 витков запасных и 30 витков рабочих. Общая расчетная длинна одной ветви каната 158 метров.
Рисунок 1 – Кинематическая схема механизма подъёмной лебедки
Захват кузова с раскаленным коксом с платформы коксовозного вагона и транспортировка его к камере тушения и обратно производится при помощи механизма захвата.
Кинематическая схема механизма захвата представлена на рисунке 2 и состоит из следующих устройств:
1 – две пары сдвоенных блоков – сдвоенный полиспаст;
2 – предохранительное (демпфирующее) устройство;
3 – верхняя и нижняя траверсы;
4 – два захватных крюка, закрепленных на нижней траверсе;
5 – тепловой экрана.
Рисунок 2 – Кинематическая схема захватного устройства
подъемной лебедки
Технические параметры подъемника приведены в таблице 1. Дополни-тельные параметры подъемной лебедки:
– редуктор CNZ-500, КПД трехступенчатого редуктора принято ;
– диаметр каната, ;
– – общий КПД механизма подъёма принят согласно [0, табл.2];
– l=6м – расстояние до разгрузочного устройства.
Требуемые значения скорости движения в режиме подъема/спуска:
– при закрытие/раскрытии захватов 0.1 м/с,
– в направляющих лафета и подъемника 0.25 м/с,
– в стационарных направляющих шахты 0.5 м/с;
при транспортировки к разгрузочному устройству и обратно 0.3м/с.
Таблица 1 – Техническая характеристика подъемника
Параметр Обозначение Ед. изм. Значение
Масса кокса
кг 24000
Масса пустого вагона
кг 29500
Масса траверсы верхней
кг 5650
Масса траверсы нижней
кг 2027
Диаметр барабана
м 1.21
Передаточное отношение редуктора
23,255
Номинальный выходной момент редуктора
47500
Кратность полиспаста
4
Высота подъема в шахте H м 24.8
Высота спуска в разгрузоч-ной камере h м 0.605
Рабочая скорость подъ-ёма/спуска
м/с 0.5
Рабочая (номинальная)
грузоподъемность
кг 50000
Расстояние до камеры L м 24
Скорость передвижения
м/с 0.3
Производительность кг/час 120000
Режим работы циклический
1.3 Требования к электроприводу подъемной лебедки
К электроприводу механизма подъемной лебедки установки тушения кокса предъявляются следующие требования:
– точное выполнение заданной тахограммы движения;
– плавное изменение скорости в начале и в конце подъема и спуска;
– точная остановка кузова в шахте и у подъемника;
– диапазон регулирования скорости не менее 1:5 в установившихся ре-жимах работы;
– обеспечение работы лебедки в соответствии с технологическим про-цессом при выходе из строя одного электродвигателя.
До модернизации электропривода подъемника спуск и подъем съемного кузова осуществляется подъёмником с установленными на нем четырьмя асинхронными двигателями с фазным ротором типа МТН713-10 суммарной мощностью 520 кВт. Практика показала, что, вследствие тяжелого режима работы необходимость в замене одного из двигателей по причине выхода его из строя составляет 1 раз в полтора месяца. При применении системы управ-ления с частотным регулированием спуск и подъем кузова будут осуществ-лять четыре асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Частот-ные преобразователи обеспечат плавное управление электродвигателями с ограничением статических и динамических моментов на их валу. Это увели-чит срок службы двигателей и механического оборудования и уменьшит ко-личество их ремонтов. Использование частотных преобразователей позволит экономить электроэнергию.
В качестве технических средств реализации системы электропривода будут применены электродвигатели и электронное оборудование фирмы SIEMENS и Schneider Electric, получивших широкое применение при модер-низации электрооборудования и электроприводов производственных меха-низмов металлургических производств.
1.4 Пространственная и временная диаграммы движения подъёмника
Пространственные перемещения подъёмника представлены на рисунке 3. На диаграмме рисунка 3 указаны протяженности участков и скорости дви-жения на них, а также приняты следующие обозначения:
т.0 – т.1 – участок сведения (раскрытия) захватов, выбора зазоров и натя-жения канатов при подъеме;
т.1 – т.2 – участок подъёма (спуска) с платформы в направляющих лафета;
т.2 – т.3 – участок подъёма (спуска) в стационарных направляющих шах-ты;
т.3 – т.4 – участок подъёма (спуска) в стационарных направляющих подъ-ёмника;
т.4 – т.5 – участок движения до камеры;
т.5 – т.6 – участок спуска (подъёма) над камерой.
Рисунок 3 – Пространственная диаграмма движения подьёмника
Временная диаграмма скорости (тахограмма) работы механизма подъ-ёма приведена на рисунке 4. При расчете диаграммы скорости принято максимальное допустимое значение ускорения (замедления) для металлурги-ческих специальных кранов [2].
1.5 Расчет и построение диаграммы моментов
Значения статических и динамических моментов на от-дельных рабочих участках диаграммы движения подъёмника, рассчитываются по следующим приближенным выражениям в общем виде:
– статическая составляющая момента при подъеме
– статическая составляющая момента при спуске
– статический момент при удержании
– динамическая составляющая момента
.
Моменты при подъеме кузова с лафета и сведении захватов (т.0 – т.1 на диаграмме рисунка 3, где и ):
– динамический момент
;
– статический момент
;
– полный момент на участке ускорения
.
Рисунок 4 – Тахограмма работы механизма подъёма
Моменты при подъеме в направляющих лафета (т.1 – т.2):
– динамический момент
;
– статический момент
;
– полный момент на участке ускорения
.
Моменты при подъеме в направляющих шахты (т.2 – т.3):
– динамический момент
;
– статический момент
;
– полный момент на участке ускорения
.
Моменты при подъеме в стационарных направляющих подъемника (т.3 – т.4):
– динамический момент
;
– статический момент
;
– полный момент при замедлении
.
Статический момент при удержании заполненного вагона
.
Моменты при спуске на камеру в стационарных направляющих подъем-ника (т.5 – т.6):
– динамический момент
;
– статический момент
;
– полный момент при ускорении
;
– полный момент при замедлении
.
Средний статический момент удержания вагона при разгрузке
.
Моменты при подъеме с камеры в стационарных направляющих подъ-емника (т.6 – т.5, где ):
– динамический момент
;
– статический момент
;
– полный момент при ускорении
;
– полный момент при замедлении
.
Статический момент при удержании порожнего вагона
Моменты при спуске в стационарных направляющих подъемника (т.4 – т.3, где ):
– динамический момент
;
– статический момент
;
– полный момент при ускорении
.
Моменты при спуске в направляющих шахты (т.3 – т.2, где ):
– динамический момент
;
– статический момент
;
– полный момент при ускорении
.
Моменты при спуске в направляющих лафета (т.2 – т.1, где ):
– динамический момент
;
– статический момент
;
– полный момент при замедлении
.
Моменты при спуске и раскрытие захватов (т.1 – т.0, где и ):
– динамический момент
;
– статический момент
;
– полный момент при замедлении
.
По результатам расчетов на рисунке 5 построена диаграмма приведен-ного момента нагрузки на валу двигателей механизма подъёма.
Рисунок 5 – Нагрузочная диаграмма механизма подъёма
1.6 Выбор приводных двигателей по мощности
Максимальная требуемая скорость вращения приводных электродвига-телей:
рад/с;
.
Время рабочего цикла подъемника с учетом электрического удержания вагона при передвижениях подъёмника и разгрузки вагона (рисунок 4)
Эквивалентный момент на интервале рабочего цикла для одного двига-теля
,
где
– значения моментов подъема или спуска на отдельных рабочих участках диаграммы движения подъёмника;
– длительность отдельных рабочих участков, с.
– коэффициент запаса, учитывающий динамические моменты, связанные с маховыми массами роторов приводных двигателей.
С учетом требования обеспечить работоспособность подъёмника в ре-жиме работы тремя двигателями
.
Минимальное технологическое время цикла работы подъемника , т.е. больше 10 минут. Следовательно, режим работы двигате-лей подъемника не может быть отнесен к одному из номинальных режимов работы электродвигателей, что затрудняет выбор их номинальных парамет-ров [4].
Поскольку при частотном регулировании и ограниченном напряжении сети не может быть обеспечена скорость двигателя близкая к номинальной, принимаем решение выбирать электродвигатели с синхронной скоростью 1000 об/мин. Номинальный момент двигателей выберем ориентируясь на но-минальный момент двигателей подъемной лебедки до её модернизации.
В качестве приводного электродвигателя выбран асинхронный электро-двигатель фирмы SIEMENS серии 1LG4317-6AA с номинальными параметра-ми: ; , . Эта серия двигателей общего назначения предназначена для широкого регулирования скорости с использо-ванием преобразователей частоты. Двигатели снабжены независимым венти-лятором и встроенным импульсным датчиком. Технические данные двигателя приведены в таблице 2 и рисунке 6 [, 6].
Таблица 2 – Технические данные двигателя 1LG4317-6AA
При номинальной нагрузке
132 1000 400 988 235 94.8 0.86
95.0 3 3.1 3 7.5
Габарит
Исполнение по степени защиты
IP55
315L 4.0
Рисунок 6 – Характеристика длительно допустимого момента
двигателя серии 1LG4 с независимым вентилятором
1.7 Кинематическая схема механизма подъемной лебедки
Полная кинематическая схема механизма подъёма приведена на рисунке 7. На рисунке приняты следующие обозначения:
M1–M4 – приводные двигатели 1LG4317-6AA
1 – редуктор CNZ-500, , (принято);
2 – барабан, ;
3 – канат, ;
4 – полиспаст, ;
5 – верхняя и нижняя траверсы: , ;
6 – демпфирующее устройство.
Общий КПД механизма принят .
Рисунок 7 – Кинематическая схема механизма подъема
1.8 Механическая система электропривода подъемной лебедки
Если предположить, что электродвигатели и редукторы идентичны, то их можно заменить эквивалентными с параметрами:
– двигателя
,
;
– редуктора
,
, .
Преобразованная кинематическая схема подъемной лебедки приведена на рисунке 8.
Рисунок 8 – Преобразованная кинематическая схема подъёмной лебедки
На схеме рисунка 8 приняты следующие обозначения:
1 – эквивалентный двигатель;
2 – эквивалентный редуктор.
Расчетная схема механической системы электропривода подъема приве-дена на рисунке 9.
Рисунок 9 – Расчетная схема механической системы электропривода
Механизм подъема представляет собой двухмассовую механическую си-стему (ДМС) [11]:
– первую массу образуют все вращающиеся части лебедки с электродвига-телями;
– вторую массу, подвешенную на гибких тросах, образуют верхняя и ниж-няя траверсы и порожний или заполненный вагон.
На схеме рисунка 9 приняты следующие обозначения:
– момент на валу эквивалентного двигателя, ;
– эквивалентный приведенный момент инерции первой массы, ;
– эквивалентный приведенный момент от сил трения на валу первой массы, ;
– эквивалентный приведенный коэффициент угловой жестко-сти, зависящий от высоты подъема H, ;
– приведенный эквивалентный коэффициент демпфирования ка-натов и демпферного устройства (рисунок 2), ;
– момент, передаваемый через упругий элемент, ;
– эквивалентный приведенный момент инерции второй массы, зависящий от массы груза, ;
– приведенный момент, развиваемый грузом, зависящий от массы поднимаемого (опускаемого) груза, .
1.9 Определение приведенных эквивалентных моментов
инерции и статических моментов нагрузки ДМС
Приведенный эквивалентный момент инерции первой массы
.
Приведенный эквивалентный момент инерции второй массы:
– при подъеме (спуске) заполненного вагона
– при подъеме (спуске) порожнего вагона
– при подъеме (спуске) пустого грузозахватного приспособления
Приведенный статический момент нагрузки на валу эквивалентного двигателя рассчитывается по выражениям:
– при подъеме (I квадрант)
– при тормозном (IV квадрант) и силовом (III квадрант) спуске
где
– приведенный момент постоянных и переменных потерь редуктора;
– коэффициент постоянных и переменных потерь редуктора;
– приведенный момент постоянных и переменных потерь механизма;
– коэффициент постоянных и переменных потерь механизма;
– приведенный момент, развиваемый номинальным грузом .
Приведенный максимальный грузовой момент при заполненном вагоне
Приведенный минимальный грузовой момент при пустом вагоне
Приведенный грузовой момент, создаваемый грузозахватным приспо-соблением
Результаты расчета по приведенным выражениям для эквивалентного двигателя:
– при подъеме
, , ;
– при спуске
, , ,
где моменты потерь в редукторе и механизме определялись по выражениям:
.
1.10 Построение области изменения моментов статической
нагрузки на валу двигателя
Статическая нагрузка двигателя зависит от массы поднимаемого груза. Моменты статических нагрузок одного двигателя в рабочем режиме:
– при подъеме
;
,
;
– при спуске
,
,
;
– расчетный эквивалентный момент статической нагрузки за цикл работы подъемника.
Статические нагрузки для одного двигателя при работе тремя двигате-лями:
;
.
На основании полученных результатов расчета статических моментов на рисунке 10 построена область изменения статической нагрузки на валу двигателя.
