Анализ потерь энергии и динамических нагрузок при передвижении кранов мостового типа

Технические науки / 4. Транспорт

Неженцев А.Б.

Восточноукраинский национальный университет им. В. Даля

Анализ потерь энергии и динамических нагрузок при передвижении кранов мостового типа

Решение задачи обеспечения максимальной производительности грузоподъемных кранов при минимуме энергопотребления в первую очередь зависит от выбора их номинальных скоростей передвижения.

Для анализа влияния номинальной скорости передвижения крана на его энергопотребление, динамические нагрузки и быстродействие на примере мостового крана грузоподъемностью 20/5т, представленного трехмассовой динамической моделью [1, 2], исследованы процессы разгона до различных номинальных скоростей, определяемых передаточными числами редуктора из параметрического ряда (9,80; 12,64; 16,30; 19,88; 24,90; 32,42), и перемещение крана на усредненный путь, равный 30м.

Движение трехмассовой динамической модели крана описывается системой нелинейных дифференциальных уравнений [1, 2], которая интегрировалась численным методом Рунге-Кутта. По результатам интегрирования дифференциальных уравнений были проанализированы зависимости потерь энергии, максимальных динамических нагрузок, времени разгона и общей продолжительности перемещения крана от его номинальной скорости и др. факторов.

Анализ показал, что при повышении номинальной скорости крана увеличивается время разгона, уменьшается общая продолжительность перемещения крана и растет энергопотребление. При этом максимальные значения динамических нагрузок, действующих на металлоконструкцию крана и груз уменьшаются. На рис. 1 показаны зависимости максимальных динамических нагрузок и от передаточного числа редуктора .

Анализ результатов исследования показал, что, изменяя величину номинальной скорости передвижения крана (например, за счет применения редукторов с различным передаточным числом ), можно более чем в четыре раза уменьшить энергопотребление при перемещении груза. Вместе с тем даже незначительное повышение производительности грузоподъемного крана, обусловленное увеличением его номинальной скорости, сопровождается существенным ростом потребления энергии.

Снижение номинальной скорости крана приводит к снижению его энергопотребления и к росту уровня динамических нагрузок (, ) и амплитуды раскачивания груза. При увеличении передаточного числа с 9,80 до 32,42 номинальная скорость крана уменьшается во столько же раз (с 2,67 до 0,81м/с), а максимальное значение приведенной к ходовым колесам силы привода - во столько же раз увеличивается (с 19,17 до 62,68кН). При этом продолжительность перемещения крана увеличилась с 19 до 36с (в 1,9 раза).

Рис. 1. Зависимости и груз от передаточного числа редуктора

На рис. 2 приведены зависимости максимальных динамических нагрузок и , а также суммарных потерь энергии ∆Е при разгоне крана, от механических характеристик электропривода.

График на рис. 2 показывает, что потери энергии ∆Е при разгоне привода передвижения крана по разным механическим характеристикам существенно отличаются. Суммарные потери энергии при разгоне по первой механической характеристике превышают аналогичные потери по четвертой характеристике на 32%. При этом следует учесть, что при разгоне по самой энергоемкой первой характеристике невозможно достичь номинальной скорости передвижения крана (в данном случае кран разгонялся до скорости равной 70% от номинальной).

Наиболее экономичной по энергопотреблению для указанного крана оказалась четвертая механическая характеристика, которая создает наибольшую среднепусковую приведенную силу привода и сопровождается наибольшими динамическими нагрузками. Таким образом, использование механических характеристик кранового электропривода с низкими потерями энергии, приводит к росту ускорений, динамических нагрузок и амплитуды раскачивания груза.

Рис. 2. Зависимости ∆Е, и от механической характеристики
электропривода передвижения крана при =12,64

Расчеты потерь и суммарных затрат энергии грузоподъёмных кранов необходимо осуществлять с помощью методики, базирующейся на многомассовых моделях кранов, учитывающих все основные параметры электромеханической системы «привод – металлоконструкция - груз» [2, 3]. Применение этой методики позволяет не только повысить точность расчета потерь энергии при передвижении грузоподъёмных кранов на 13 – 25%, но и решать задачи по созданию оптимальных по энергопотреблению машин.

Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы:

- поскольку изменения номинальных скоростей кранов приводят к улучшению одних показателей и ухудшению других, то нецелесообразно проводить оптимизацию только по одному критерию, например, энергопотреблению, быстродействию и т.д. Оптимизацию параметров кранов следует осуществлять по обобщенному критерию, включающему: энергопотребление крана, динамические нагрузки, время передвижения крана и амплитуду раскачивания груза;

- изготавливаемые в настоящее время краны мостового типа имеют номинальные скорости, не обеспечивающие оптимальное энергопотребление. Например, рассмотренный мостовой кран имеет паспортную скорость передвижения 2,083м/с (= 12,64) и при перемещении номинального груза на 30м потребляет 513кДж энергии. После уменьшения номинальной скорости до 1,61м/с (= 16,3) потребление энергии сократится до 342кДж (т.е. в 1,5 раза) при увеличении времени передвижения крана всего на 3с. Поэтому целесообразно при проектировании грузоподъемных кранов (особенно тяжелого режима работы А6 - А7) устанавливать их номинальные скорости с учетом энергопотребления;

- анализ работы мостовых кранов показал, что существенно снизить их энергопотребление можно путем уменьшения номинальных скоростей передвижения в среднем на 15-25%;

- расчеты потерь энергии грузоподъёмных кранов необходимо осуществлять с помощью методики, базирующейся на математических моделях, учитывающих все основные параметры электромеханической системы «привод – металлоконструкция - груз» [2, 3]. Она позволяет повысить точность расчета потерь энергии при передвижении грузоподъёмных кранов на 13 – 25%.

Литература

1. Будиков Л.Я., Нгуен Н.К., Неженцев А.Б. Исследование динамики грузоподъемных кранов // Вестник машиностроения, №4. - М.: Изд-во Машиностроение, 1981, - с. 39-42.

2. Неженцев А.Б. Моделирование потерь энергии при передвижении грузоподъемного крана // Вісник Східноукраїнського національного ун-ту ім. В. Даля, № 10 (56). – Луганськ: Вид-во СНУ, 2002. – с. 179-185.

3. Неженцев А.Б., Харитонов М.С. Методика расчета энергопотребления при передвижении грузоподъемных кранов // Вісник Східноукраїнського державного ун-ту, №6(28). – Луганськ: Вид-во СУДУ, 2000. - с. 64-72.