Разработка логической схемы управления двустворчатых ворот судоходного шлюза

Овальные отверстия для анкерных болтов позволяют регулировать ее

установку. Упорная подушка, также как и закладная, отливается из стали, а

ее пазы заливаются баббиттом или компаундом из эпоксидной смолы. Такие

подушки устанавливаются на створном столбе, вторая упорная подушка

створного шарнира не имеет вкладыша, заливаемого баббиттом.

2.2. Приводной механизм для перемещения двустворчатых ворот. Наибольшее

распространение в качестве приводов двустворчатых во-

рот получили плоские шарнирные механизмы - кривошипно - шатунные, реечные,

штанговые. наряду с этими механизмами применяются также канатные

механизмы, которые установлены на отдельных шлюзах.

Кривошипно - шатунные механизмы (рисунок 17) применяются при ширине

камеры шлюза, не превышающей 22м, для камер с шириной 18м они наиболее

рациональны, так как имеют кривошипное колесо небольшого размера.

Механизм имеет шарнирно прикрепленную к колесу тягу - шатун, соединенно

шарнирно со створкой примерно на 1/3 ее длинны от оси вереяльного столба.

Соединение шатуна - штанги с полотном и ведущим колесом выполняется

эластичным при помощи упругого звена - пакета тарельчатых пружин,

встроенных в звено. Диаметр большого колеса выбирается с таким расчетом,

чтобы при перемещении створки из закрытого положения в открытое и обратно

колесо поворачивалось на угол 180о - 200о. Пакет тарельчатых пружин

позволяет осуществлять дожим створки за счет деформации пружин, а также

уменьшает пиковые динамические нагрузки, появляющие в период пуска

механизма и при его стопорении.

Основное достоинство кривошипно - шатунного механизма (рисунок

18) - плавность изменения скорости ( от нуля в начале движения с

возрастанием примерно по синусоидальному закону до среднего положения

створки и уменьшения до нуля в конце движения по тому же закону ). Такой

характер движения створок необходим для получения правильного и спокойного

створения ворот. Кривошипно - шатунный механизм в силу указанных

кинематических достоинств дают минимальное ускорения и силы инерции в

период неустановившихся режимов.

Такие механизмы наиболее безопасны в действии, доступны для осмотра и

ремонта и удобны в эксплуатации. Недостатком их является то

обстоятельство, что тяговое усилие прикладывается к верхнему ригелю на

растоянии 1/4 - 1/3 его длинны ( считая от оси вращения полотна ) в то

время как равнодействующая сопротивлений движению полотна ворот

находящихся в нижней его части. Момент, изгибающий полотно в направлении,

перпендикулярном его плоскости, тем больше, чем выше отметка верхнего

ригеля ворот над уровнем нижнего бъефа и чем больше высота ворот.

К числу недостатков этих механизмов следует отнести также появление

значительных тяговых усилий в шатуне, большие размеры ведущего колеса (

диаметр колеса достигает 5 -7м ), что связано с увеличением площади

устоев.

2.3. Определение мощности и выбор электродвигателя для электро-

механического привода двустворчатых ворот судоходного шлюза.

Электроприводы основных механизмов судоходных гидротехнических

сооружений являются ответственными элементами электрооборудования шлюзов.

Несоответствие выбранного привода технологическому режиму, неполный счет

факторов, воздействующих на привод в процессе эксплуатации, может привести

к сбоям в работе, перерывам в шлюзовании и даже к аварии на шлюзе.

Учитывая, что выход из строя шлюза приводит к частичному или полному ( на

одиночны шлюзах ) прекращения судапропуска, вопрос правильного выбора

электропривода, и, в частности, электродвигателя - основного элемента

привода - является весьма полным и актуальным.

Выбор электродвигателя для шлюзовых механизмов производится на

основание предварительно построенного графика нагрузки. Затем выбранный

электродвигатель подвергается проверкам. Если электродвигатель не

удовлетворяет какой - либо проверки, то необходимо взять другой и вновь

произвести все проверки.

2.3.1. Исходные данные. hк = 18 м; ширина камеры; Нм = 15 м; высота

створки; h = 5 м; заглубление створки; Dhс = 0,15 м; перепад на

створку;

iз = 2300; передаточное число редуктора и открытых зубчатых пере дач;

h = 0,74; КПД редуктора и открытых зубчатых передач;

Fдоп = 55*104 Н; допустимое усилие в тяговом органе;

Dfз = 20 рад; приведенный к валу двигателя зазор в передачах;

С = 18*106 Н/м; жесткость демпферных пружин; tс = 80 с;

продолжительность закрытия ворот;

2.3.2. Определение статических моментов сопротивления.

Створки ворот, перемещаются в воде, испытывает знакопеременные

нагрузки, вызванные влиянием внешних факторов.

Учитывая, что двигатель должен преодолеть эти нагрузки, момент его на

валу будет также изменятся в довольно широких пределах. Поэтому, для

правильного выбора двигателей необходимо знать область изменения

статического момента сопротивления.

При движении в установившемся режиме на створку ворот действует

нагрузка, в которую входят следующие составляющие; - момент от силы трения

в пяте и гальсбанде ( Мтр ); - момент сил ветровой нагрузки ( Мв ); -

момент сил, вызванных, гидростатическим давлением воды на створку ( Мh );

- момент сил вызванных воздействием масс воды при движении створки ( Мг ),

который включает: моменты сил, вызванных изменением инерции присоединенных

к створке масс воды:

Момент от сил трения определяется по выражению ( в Нм ):

Мтр = 2/3*f1*Fn*rn+f2*Fг*rг; где

f1 = 0,25 - коэффициент трения пятового устройства;

f2 = 0,5 - коэффициент трения гальсбанда;

rn = 0,2 м - радиус пяты;

rг = 0,1 м - радиус гальсбанда;

Fn = G+g*hm*l - реакция в пяте; ( Н )

G - вес створки; ( Н )

G = 500*(Hn*l)3/2

g = 4000 ( H/m2 ) - удельная нагрузка на створку, создаваемая

механизмами и людьми, находящимися на мостике ворот;

l = 0,5*hк/cos202 - длинна створки; ( м )

hm = 1,2 ( м ) - ширина мостика;

Fг = Fn*l/(2*Hn) - усилие в галсбанде; ( Н )

l = 0,5*h /cos20 = 0,5*18/0,44 = 9,57 ( m )

G = 500*(Hn+l)3/2 = 500*(15*9,57)3/2 = 859958,2 ( H )

Fn = G+g*hm*l = 859958,2+4000*1,2*9,57 = 905889,2 ( H )

Fг = Fn*l/(2*Hn) = 905889,2*9,57/(2*15) = 288978,6 ( H )

Mтр = 2/3*f1*Fn*rn+f2*Fг*rг = 2/3*0,25*905889,2*0,2+0,5*

*288978,6*0,1 = 44645,2 ( Н*м )

Момент сил ветровой нагрузки определяется по формуле;

Мв = 0,5*ко*gо*l2*(Hn-h)*sinQ; в ( Н*м ) где

Ко = 1,4 - коэффициент обтекания;

gо = 150 ( Н*м2 ) - скоростной ветровой напор;

Q = угол поворота створки ( Q = 0о - при открытом положении ворот );

Значение НВ рекомендуется определять через каждые 10о угла поворота

створки ( полный угол поворота створки составляет 70о ).

Гидростатическое давление воды на створку создается из - за перепадов

уровней воды, которые возникают в следствие инерционных колебаний воды в

бъефе, вызванных наполнением апоражнением камеры шлюза, преждевременного

начала открывания ворот до полного выравнивания уровней воды в камере и

подходном канале из-за наличия погрешностей в водомерных приборах, а также

вследствие разности отметок уровней в камере и бъефе при запоре и выпуске

воды помимо подходных каналов. Следует иметь в виду, что перепады уровней

воды возникают практически только в интервале угла поворота от 50о до 70о.

Величина момента, вызванного перепадом, расчитывается по формуле в (

Н*м );

Mh = 0,5*Dhc*l2*h*Yв, где.

Yв = 9,81*103 ( Н*м-3 ) - удельный вес воды

Mh = 0,5*0,15*9,522*5*9810 = 336918 ( Н*м );

при Q = 0о Мв = 0 ( Н*м )

при Q = 10о Мв = 0,5*1,4*150*9,57*(15-5)*sin10о = 16698,7 ( Н*м )

Данные расчеты ведутся через 10о. результаты расчета сводятся в

таблицу;

|Q; град |Мв; Н |

|0 |0 |

|10 |16698,7 |

|20 |32890 |

|30 |48082,1 |

|40 |61813,1 |

|50 |73666 |

|60 |83280,6 |

|70 |30364,7 |

Момент сил, вызванных воздействием масс воды движением створки ( Мг ),

зависит от скорости движения створки, ее положения, заглубления и

кинематической схемы. Точный расчет этого момента сложен. Однако с

достаточной для инженерных расчетов точностью величину Мг можно принять

постоянной во всем диапазоне угла Q, равной:

Мг = 0,2*336918 = 67383,6 ( Н*м )

Определив все вышесказанные моменты, строится график зависимости

статического момента сопротивления на оси створки от ее угла поворота.

Очевидно, что в зависимости от направления ветра и перепада момента Мh и

Мв могут как препятствовать, так и способствовать движению створки. В

соответствии с этим график Мс(Q) = Мтр+Мг+Мh+Мв строится для двух случаев:

- моменты Мh и Мв препятствуют движению;

- моменты Мh и Мв способствуют движению;

График Мс(Q) строятся через 10о угла поворота створки: ( рисунок 19 ).

|Q; град |Мс(Q); Н*м 1 |Мс(Q); Н*м 2 |

| |режим |режим |

|0 |112028,8 |112028,8 |

|10 |128727,5 |95330,1 |

|20 |144918,8 |79138,8 |

|30 |160110,9 |63946,7 |

|40 |173841,9 |50015,7 |

|50 |598612,8 |298555,2 |

|60 |532227,4 |308169,8 |

|70 |539311,5 |315253,9 |

2.3.3. Предварительный выбор электродвигателя.

Необходимая мощность электродвигателя, намеченного к установке,

определяется из выражения ( в кВт ):

P' = Mс.max*wст.ср./(1000*h),

где Mс.max - максимальный момент сопротивления, определяется по графику

Мс(Q), Н*м;

wст.ср. = Qст/tc - средняя угловая скорость створки, ( с-1 );

Qст = 1,222 - полный угол поворота створки, ( рад ) wст.ср. = 1,222/80

= 0,015 ( с-1 );

P' = 539311,5*0,015/(1000*0,74) = 11 ( кВт );

Частота вращения электродвигателя определяется в соответствии с wст.ср.

по формуле ( в об.мин-1);

n = kw*30*aт*iз/(p*tc), где.

aт - полный угол поворота выходного вала передачи ( колеса ) при

перемещение створки от открытого до закрытого положения ( определяется по

кинематической схеме механизма ), рад;

kw = 1,3 - коэффициент, учитывающий работу двигателя в переходных

режимах и на пониженной частоте вращения при створении и при входе в

шкафную часть.

n = 1,3*30*2,6*2300/(3,14*80) = 928 (об/мин).

По величине P' и n по каталогу предварительно выбираем двигатель

кранового типа при ПВ = 95 % мощностью равной или ближайшей большей.

Выбираем электродвигатель MTF 311-6

Рн = 13 ( кВт ) n = 135 (об/мин) J = 0,3 (кг/м2)

2.3.4. Определение момента сопротивления приведенных к валу двигателя.

Величины моментов сопротивления, приведенных к валу двигателя ( M'с ),

необходимо определить во всем диапазоне перемещения створки для обоих

расчетных режимов.

Расчет M'с = f(Q) производим через 10o угла поворота створки. Для

определения M'с = f(Q) необходимо определить полное переда-

точное число:

i = f(Q); i = iз*iм, где iм = f(Q)

iм = ВО1/СО, где СО определяется из диаграммы перемещения. Приведения

осуществляются по формулам:

Мс' = Мс/(i*h) - двигательный режим;

Мс' = Мс*h/i - тормозной режим;

Результаты вычислений заносим в таблицу;

|Q; град |0 |10 |20 |30 |40 |50 |60 |70 |

|СО; м |0,64 |1,5 |1,79 |19,5 |1,99 |1,88 |1,59 |0,75 |

|iм; м |5,23 |2,23 |1,87 |1,72 |1,68 |1,78 |2,11 |4,47 |

|i; м |12029|5129 |4301 |3956 |3864 |4094 |4853 |10281|

|Мс'; Н*м|12,6 |33,9 |45,5 |54,7 |60,8 |172,5|148,2|70,9 |

| | | | | | | | | |

|двигат | | | | | | | | |

|Мс'; Н*м|6,9 |13,8 |13,6 |12 |9,6 |-54 |-47 |-22,7|

| | | | | | | | | |

|тормоз | | | | | | | | |

По результатам в таблице, строим график зависимости Мс'= f(Q). (

рисунок 20 ).

2.3.5. Проверка предварительно выбранного двигателя. Предварительно

выбранный двигатель в общем случае должен быть

проверен на нагрев, динамическую и перегрузочную способность. Однако, в

следствии того, что цикл шлюзования довольно значите-

лен ( 30 минут и более ), а длительность работы привода ворот в

цикле не выше ( порядка 3 - 4 минуты ), тепловой режим двигателя

достаточно легкий. Поэтому проверку предварительно выбранного двигателя в

этом случае можно на нагрев не производить, а ограничется проверками на

динамическую и перегрузочную способности.

Вместе с тем электродвигатель двустворчатых ворот требует специфической

проверки по аварийному режиму работы из условия "наезд на препятствие" (

внезапное столкновение ), выполнение которой целесообразно до основных

проверок.

а) Проверка по режиму внезапного стопорения

При внезапном стопорение створки кинематическая энергия, запасенная

ротором двигателя и вращающимися элементами передач, переходит в энергию

упругих колебаний и дополнительно нагружает механизм.

Проверка по режиму внезапного стопорения позволяет уточнить частоту

вращения электродвигателя, откоректировать передаточное число механизма и

жесткость упругих элементов.

При расчете режима внезапного стопорения не учитываются демпфирующие

способности двигателя и принимается, что продолжительность развития

нагрузки больше полупериода колебаний.

В этом случае величина момента при внезапном стопорении, приведенная к

валу двигателя, может быть определена из выражения:

Мвн = 0,7*Мmax+wд*?C'max*J1*sin(?(C'max/J1)*t)

где; 0,7*Мmax - примерное среднее значение момента, развиваемого

двигателем при "наезде на препятствие", ( Н*м );

Мmax - опрокидывающий ( максимальный ) момент предварительно выбранного

двигателя;

wд = wн = p*nн/30 - угловая частота вращения двигателя перед "наездом

на препятствие" ( с-1):

C'max - максимальная, приведенная к валу двигателя жесткость демпферных

пружин; ( Н*м )

J1 = 1,25*(Jр+Jм) - момент инерции вращающихся элементов привода; Jр,Jм

- моменты инерции ротора двигателя и муфты; (кг*м2); 1,25 - коэффициент

учитывающий приведенный к валу двигателя мо-

мент инерции всех остальных вращающихся частей привода.

C'max = C*(OA)2/iз2 =18*106*22/23002 = 13,6 ( Н*м )

где, ОА - из кинематической схемы;

J1 = 1,25*(0,3+0,225) = 0,66 (кг*м2)

Максимальная нагрузка будет в момент времени

t= p/2*?(J1/C'max); где

Мн = 9556*Рн/nн = 9556*19/935 = 132,9 (Н*м).

Условие, для проверки предварительно выбранного двигателя при внезапном

стопорении;

wн , M'доп-0,7*Mmax/?(C'max*J1); где

M'доп - допустимая нагрузка на тяговый орган, приведенный к валу

двигателя;

M'доп = Fдоп*ОА/(iз*h) =55*104*2/(2300*0,74) = 646,3 ( Н*м )

1,4*M'доп-2,2*Мном/?(C'max*J1) =

= 1,4*646,3-2,2*132,9/?(13,6*0,66) = 165,4 (рад/с)

97 < 165,4 условие выполняется

Коэффициент 1,4 в выражении учитывает податливость препятствия, на

которое произведен "наезд" створки.

б) Проверка на динамическую и перегрузочную способности. Проверка

предварительно выбранного двигателя на перегрузочную способность и

динамическую способности производится исходя из следующих соображений.

Поскольку электромеханические приводы двустворчатых ворот содержат упругое

звено ( демпферные пружины ), то при разгоне динамический момент в нем (

М12 ) имеет затухающий колебательный характер, причем максимальная

величина его должна ограничиваться коэффициентом динамичности, равным 1,4.

В общем случае, динамический момент в упругом звене определяется по

выражению:

М12 =Мс'+(Мнп-Мс')*J'2/(J1+J'2)*(1-coswt);

где Мнп - начальный пусковой момент двигателя;

J'2 - приведенный к валу двигателя момент инерции створки и

присоединенной массы воды;

w - частота собственных колебаний системы

Максимальное значение динамического момента будет при coswt = -1;

Учитывая, что этот максимальный момент не должен превышать больше чем

на 40 %, момент сопротивления Мс', т. е. М12 =1,4*Мс', величина

начального пускового момента при пуске из любого положения определяется

по формуле:

Мнп(Q) = Мс'(Q)*(1+0,2*J1+J'2(Q)/J'2); где

J'2(Q) = Jст+Jв(Q)/i2(Q) - приведенный к валу двигателя момент инерции

створки и присоединенной массы воды.

Jст = G*l2/38 - момент инерции створки;

Jст = 2676137,5 (кг*м2)

Jвт(Q) - момент инерции присоединенной массы воды при hкт = 18м и hк =

4м

Пересчет для Jв(Q) производится по формуле:

Jв(Q) = Jвт(Q)*h/hк*(hк/hкт)4 = 1,25*Jвт(Q)

Результат вычислений заносим в таблицу.

|Q; град |0 |10 |20 |30 |40 |50 |60 |70 |

|Jвт107 |4,2 |2,2 |1,85 |1,75 |1,8 |2 |2,6 |4,2 |

|кг*м2 | | | | | | | | |

|Jв107 |5,25 |2,75 |2,3 |2,2 |2,25 |2,5 |3,25 |5,25 |

|кг*м2 | | | | | | | | |

|J'2 |0,38 |1,15 |1,39 |1,58 |1,69 |1,65 |1,49 |0,52 |

|кг*м2 | | | | | | | | |

|Мнп |19,5 |44,6 |58,9 |70,2 |77,7 |220,8|191 |130,1|

|Н*м | | | | | | | | |

Вычисляем Мнп только для двигательного режима, т. к. соответствующая

Мс' для тормозного режима меньше, чем для двигательного. По данным таблицы

строим график Мнп= f(Q) ( рис. 21) из таблицы находим Мнп max = 220,8 (

Н*м ).

Выполняет проверку по условию:

Мнп мах , 0,8*Mmax, где

0,8 - коэффициент, учитывающий допустимое снижение напряжения сети:

2,5*132,9 = 332,25 . 220,8 следовательно, Мнп max , 2,5*Мном, условие

выполнено.

2.3.6.Выбор электрических аппаратов для управления механическими

тормозами.

На всех механизмах шлюза для удержания его в застопаренном состоянии в

период бездействия или для замедления движения механизма перед его

остановкой используются механические тормоза.Они выполняются

непосредственно с электроприводом. В качестве электроприводов (аппаратов)

для управления механическими тормозами используются электрогидравлические

толкатели и электромагниты переменного и постоянного тока.

Выбор механического тормоза,а следовательно,и его электропривода

производится по необходимому тормозному режиму:

Мт = 2*М'max

Для нахождения М'max необходимо из графика M'с = f(Q) при перепаде и

,сопутствующих движению выбрать наибольшее значение момента по абсолютной

величине

М'max = 172,5 ( Н*м )

Мт = 2*172,5 = 345 (Н*м)

Выбираем длинноходовой тормозной электромагнит переменного тока КМТЗА.

Тяговое условие-350(Н).

Эти электромагниты применяются в беспружинных тормозах с высокой

степенью надежности торможения,но для механизмов с небольшим числом

включений в час.

Длинноходовые электромагниты переменного тока имеют прямоходовую

конструкцию с Ш-образным шлихтованным магнитопроводом на котором

расположены три катушки, включенные в "звезду" или "треугольником".

Электромагниты этого типа выпускаются серии КМТ четырех типов размеров

на напряжение 220\380В и 500В.

2.3.7.Расчет резисторов пускового реостата и выбор ящиков

сопротивлений.

Величины сопротивления, введенных в цепь ротора двигателя в

определенном масштабе могут быть получены из пусковой диаграммы(рис.22)

Принято:Ip = 51(А)

Iпер = 54(А)

Iп = 102(А)

Из диаграммы истекает:двигатель имеет 3 степени разгона.

Активное сопротивление фазы ротора:

rp = Uн.р.*S/(?3*Iр.н.) = 172*0,065/(?3*51) = 0,127 ( Ом )

где: Uн.р. = 172 (В), Iр.н. = 51 (А); S = no-n/no = 0,065

Маштаб сопротивлений: m = rp/аб = 0,127/7 = 0,018 (Ом/мм)

Сопротивления ступеней;

R1 = m*де = 0,018*46 = 0,828 (Ом)

R2 = m*д2 = 0,018*25 = 0,45 (Ом)

R3 = m*2в = 0,018*14 = 0,252 (Ом)

Rневыкл = m*вб = 0,018*8 = 0,144 (Ом)

|Наимено-|Обозн-|Расчетное|Технические |Кол-во |Факти-|

| | | |данные |сопрот-| |

|вание |ачение|сопротив-| | |ческое|

|ступени | | | |ивлений| |

| | |ление | | |сопро-|

| | |( Ом ) | | | |

| | | | | |тивле-|

| | | | | | |

| | | | | |ние |

| | | | | |( Ом )|

| | | |сопроти-|Длитель-| | |

| | | | | | | |

| | | |вление |ный доп-| | |

| | | |эл-та | | | |

| | | |( Ом ) |устимый | | |

| | | | |ток (А) | | |

|1 |R1 |0,828 |0,4 |64 |2 |0,8 |

|2 |R2 |0,45 |0,156 |82 |3 |0,468 |

|3 |R3 |0,252 |0,079 |114 |3 |0,237 |

|не |Rневык|0,144 |0,089 |114 |2 |0,158 |

|выключ |л | | | | | |

Схема соединения резисторов для одной фазы ротора двигателя на (

рисунке 13 )

Пускорегулировачные резисторы серии НФ представляют собой ящики

открытого исполнения. В этих элементах применяются сопротивления на

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6