автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Оценка работоспособности лебедок строительных кранов с встроенным в барабан приводом по нагреву

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНОЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи

. ХЭНДУ НУР 8ШШ

ОЦЕНКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЛЕБЕДОК СТРОИТЕЛЬНЫХ КРАНОВ С ВСТРОЕННЫМ В БАРАБАН ПРИВОДОВ ПО НАГРЕВУ.

Специальность 05.05.04 - Доровные и строительные иаиины.

Авюрефераг

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Чосква - 1994 г.

Работа заполнена в Московской Государственной Строительной Университете

Научный руководитель - Заслуженный деятель Науки и

Защита состоится 14- июня 1994 г. в 16 ч. 30 мин. на заседании диссертационного Совета K.053.II.03 при Московском Государственно« Строительном Университете по адресу: 129337, Москва, Ярославское щ., дон 26, ауд. 50? Г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Просим Вас принять участие в защите и направить Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах по адресу Университета.

Техники Р.Ф., доктор технических наук, профессор, академик АПК Волков Д.П.

Официальные оппоненты - Доктор технических наук,

профессор Борисов С.М.

Кандидат технических наук Ступаков А.А. Ведуцая организация - ЦНШТО Стройдормаи.

Ученый секретарь диссерагцион. Совегэ кл.е., профессор

П.Е.Тотолия

ОЕИАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Состояние и перспективы развития строительных башенных и стреловых самоходных кранов постоянно ставят в качестве одной из основных задач дальнейшее снижение габаритов и веса их механизмов привода.

Анализ научно-технической информации показывает, что одним из важных направлений в решении этой задачи является создание встро-.енных в барабаны лебедок, колеса ходовых устройств и т. п. приводов. Применение в строительных кранах и подъемниках лебедок, выполненных ввиде мотор-барабанов позволяет: существенно снизить не ; только габариты и вес привода, но.й несущи их элементов конструкций (рам); организовать крупносерийное и высококачественное их производство на специализированных заводах; улучшить мобильность и качество машин и облекчить их эксплуагртхию за счет широкого применения агрегатного ремонта; ускорить процесс создания новых строительных кранов за счет более широкого применения унифицированных лебедок. , Однако при создании кранов, особенно ввиде электромотор-барабанов, наряду с известными критериями работоспособности . их элементов по прочности и износостойкости на первый план выступает также критерий их работоспособности по нагреву.

. Вопросы оценки работоспособности лебедок строительных кранов, - выполняемых ввиде мотор-барабанов," по критерию нагрева их основных элементов до настоящего времени весьма мало изучены и не освещены в литературе. Исследование эт;!х вопросов является актуальной задачей.

Цель работа Разработка методики оценки работоспособности лебедок строительных кранов с встроенным в барабан приводом по критерию нагрева их элементов.

Основные положения» защищаемые в работе и их научная новизна.

1. Штад:1ка впервые проведенных стендовых экспериментальных исследований лебедки башенного крана мощностью 15 КВт, выполненной ввиде. электромотор-барабана.

2. Результаты проведенных стендовых эксперементальных исследований лебедки (элегегроматор-барабана), оценивающие ее работоспособность по критерию нагрева.

3. Впервые предложенную методику аналитической оценки работоспособности по нагреву электродвигателя в лебедках строительных кранов выполняемых ввиде электромотор-барабанов.

- г -

4. •Рекомендации по повышению работоспособности строительных лебедок (электромотор-барабанов) по критерию их нагрева.

Практическая значимость работы. Доказана работоспособность созданных в ИГСУ конструкций лебедок с встроенным в барабан электродвигателем и редуктором по нагреву для среднего режима их эксплуатации в условиях работы на башенных кранах. Шказаны пути совершенствования конструкции лебедки и удешевления стоимости двигателя.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при совершенствовании конструкции,опытной лебедки в МГСУ и на Саратовском заводе "Строамаш". Рекомендуются к расширенному использованию на заводах и в КБ при создании новых строительных малин, а также в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 1504.

Апробация работа Основные положения диссертации ' докладывались на заседании кафедры строительных машин и отраслевой лаборатории МГСУ в 1993 и 1904 годах. . -

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех главки основных выводов и рекомендаций. Содержание работы изложено на"уй,раницах машинописного текста, включая 45 рисунков и б таблиц. Список литературы состоит из 87 наименований.

СОДЕРЖАЩЕ РАБОТЫ

В первой главе "Состояние вопроса и постановка задачи" проведен анализ конструкция лебедок и других механизмов строительных машин с встроенными приводам:. Кроме конструкция мотор-барабанов, применяемых в лебедках и в приводе, различных конвейеров, рассмотрены также конструкция мотор-колес, которые наши применение в различных строительных машках. Рассмотрены режимы работы лебедок в строительных кранах и подъемниках. Проведен анализ исследований, касающихся нагрева элементов привода - электродвигателей, редукторов, тормозов и муфт.

Вопросами конструирования и создания мотор-барабанов и мотор-колес занимались . ЕНШстройдормаш, ВНИШГмзш,. Гипросудмат, Гипроуглемаш, Еовровский экскаваторный завод, МГСУ (МИСИ им. Куй-

быдава) и целый ряд зарубежных фирм. Этим вопросам посвяшены ряд исследований Д. П. Волкова, А.Ф. Крайнева, С- В. Еондаренко, К. А. Шгарского, А. 51 Яковлева и др.

Режимы нагружения строительных и других типов кранов рассмотрены в работах И. И. Абрамовича, В. И. Браудэ, А. А. Еайнсона, М.Ы. Гохберса, А. И. Дульского, А. А. Зарецкого, Л. Д. Невзорова и др. Е области исследования нагрева элементов привода в диссертации рассмотрены работы М. И Александрова, А. И. Еорисенко, Д.Э. Бруски-яа, Д. Д. Волкова, & П. Костенко и П.11 Пиотровского, А. Д. Крико-ва, Г. Н, Петрова, И. М. Постникова, С. П. Сергеева и др.

Анализ конструкций механизмов строительных машин с встроенными приводами показал, что наиболее теплонапряжеиными являются лебедки кранов,' выполненные ввиде электромотор-барабанов с встроенными в барабан электродвигателем, редуктором и тормозом.

Анализ режимов нагружения показал, ,что лебедки в башенных строительных кранах работает в переменно-кратковременном среднем режиме нагружения.

Анализ исследований по нагреву элементов привода при переменно-кратковременных режимах показал, что в течении 5-8 часов работы в эксплуатационных условиях элементы привода достигают практически установившегося режима нагрёва :Исходными расчетными зависимостями при аналитической оценке температуры нагрева двигателей и других элементов привода является уравнение теплового баланса.

В соответствии с поставленной целью работы в 1-й главе сформулированы следующие- основные задачи: .

г.' Разработка методик^ксперементальных исследований нагрева! опытного, образца лебедки для башенного крана, выполненного ввидё электроштор-барабана по проекту лаборатории механических передач ЫГСУ.

■ 2. Проведение экспериментальных исследований на опытной ле-. бедке в стендовых условиях в режимах, приближенный к на. туральным и анализ результатов исследований.

3. Разработка методики аналитической оценки температур нагрева электродвигателя в лебедке (мотор-барабане) с уче-

: тем результатов экспериментальных исследований и оценка работоспособности лебедки по нагреву..

4. Разработка рекомендаций по совершенствованию конструкций электромотор-барабанов для строительных лебедок, повыша-

:сш:х ;сс работоспособность по нагрев:.*.

So зтсроа глазе "Методика экспериментальных исследований лебедки на нагрев" дано списание объекта исследования, стенда, из-Мгр::гел1ксп аппаратуры, изложена методика проведения исследования лебедю: на нагре^на стенде и дана оценка погрешностей измерения основных параметров в процессе экспериментальных исследовании.

Объектом исследования ясслуяил опытный образец дебедки для строительного басенного крала с модностью двигателя 15 КВт, при частоте вращения 975 1/мпн, разработанный лабораторией механически передач ЫГСУ и изготовленной Саратовским заводом "Строймаи".

.Чебедкз для испытания била, установлена в лаборатории строительных каста на полигоне МГСУ в г. Мытищи. Нагрузочным устройством служил порсгковыя электроыагаггный тормоз ЛГ-1СШ производства ЗШЮ. Тормоз предназначен для работы с частотой вращения до 2ООО l/мин, крутящий момент мог изменяться от 0 до 1000 Нм. Рассеиваемая мощность дсст!!гает до 25 КВт. Измерение температур производилось на поверхностях обмотки статора и корпуса двигателя, а также в различных точках на внутренней и внешней сторонах барабана лебедки. Измерение температур осуществлялось с помощью термометров сопротивления КС 567А, нзклеивыемых на поверхности барабана, а также закладного термодатчика, расположенного на поверхности обмотки статора и в корпусе двйрателя ■ а отверстии для установки рым-Солта. Дополнительно температура в ряде точек контролировалась с помощью ртутного термдметра. . Эксперименты проводились в основном в зимнее время при'температуре'наружного воздуха вблизи стенда 0-1° С. Эксперименты в основном проводились при среднем кратковременно-переменном режиме нагружения лебедки: ПВ=257., при номинальной нагрузке на двигателе и изменении частоты включения в час ЧВ=»15, 20, 60, 120, 150, ISO. Были проведены также ряд экспериментов при ПЕ=40% но с уменьшенной нагрузкой до 0,75 и 0,6 от номинальной. . Оценка погрешностей замеров температур параметров, характеризующих нагружэншг, ■ показало что они находились в пределах 2-5% при вероятности 0,'35-0,93.

В третьей главе "Результаты- экспериментальных исследований" црйэедекы построенные для всех иссдедованых на стенде режимов вагЕреааа лебедка графики изменения температур для всех нсследо-

ванных точек двигателя и барабана лебедки в течение гиены ( S часов ) ее работы н дан ¡п: анализ.

Исследования псказзли, что в течении 5-3 часов работы нз всех исследованных режимах температуры для всех точек замеров становятся практически установившаяся. ¿¡зксимальные температуры имели место на обмотке статора двигателя. Кривые изменения температур на обмотке статсра двигателя в течение 8 часов работы лебедки на стенде яри ПЕ-25Х :: номинальной нагрузке приведены на рис. 1.

Здесь кривая г получена при частоте включения в час ЧЕ-15; кривая 2 при ЧВ«20; кривая 3 при ЧВ-6С; кривая 4 при '-2-120; Кривая 5 при 43»150¡ Кривая б при 4B-1SC.

Как показали эти исследования на стенде максимальная избыточная температура нз обмотке достигала 123"С яри ЧЕ»180. Температура на корпусе двигателя при этом была ка'10°С ниже. Температура нз внутренней и наружной стенках барабана отличалась на :-2вС и колебалась по. его длине з предела;: -i-S^C . ¡Максимальная температура на поверхностях бзрабанз со стороны установки двигателя и составляла нз наружной поверхности -iS^C , средняя температурз по длине барабанз равнялась «'С.

Проведенные испытания по нагреву лебедки при НЕ ¿Ci, нагрузке, рзвной ¿0*. от номинальной и ЧВ-120 в час, показали мзксимзльную 'избыточных температуру на обмотке двигателя яри 8 часах работы 1ССсС. ■

Проведенные испытания г.с нагреву лебедки яри ПЕ-40Х, нагрузке, равной от номинальной и ЧЕ-150 а час, показали максимальную избыто чную температуру на обмотке двигателя яри 8 часах работы 125*С. Зто показывает, что указанные режимы нагружения практически не превьзак? предельного • режжа нагружения при ЛЕ-25*, номинальной нагрузке и ЧВ-lSO а час.

Проведенные замеры температуры в различных точках барабана и двигателя' позволили сяределить по методике, предложенной а 1950г. м. П. В:лкоаым приведенные с точки зрения теплоотдачи значения основных теплоотдавдк а окрухашее лебедку пространство ее поверхностей и коэффициенты приведения для них как:

Sí

5 *p¿

-пдсгздь науженной поверхности барабана под ук-

ладку каната;

с а 'Л** ■

' С итаХ

^¿/¡¿-обгеи тела вращения, ограниченного кривыми, хара-г ктеризушциии распределение температур по отдельным элементам барабана; ; Г««,,-максимальная температура наружной поверхности барабана;

Значения коэффициентов приведения для опытной лебедки составили:

для поверхности барабана под яааивкзг ;

для реборд барабана ()5р «0,65 ; ' для крышек барабана |)4К «0,80 ;

Анализ теплоотдачи непосредственно от поверхностей двигателя для испытанной конструкции лебедки, не имехщей проточной вентиляции пространства между барабаном и двигателем, показали, что коэффициент приведения его поверхности составляет ¡^ =0,12.

Значения этих коэффициентов использованы в главе'4 при разработке методики аналитической оценке температуры нагрева двигателя.

3 главе четвертой изложена основном методика расчетной оценки температур нагрева электродвигателя для лебедок, выполняемых с встроенными в барабан двигателями и редукторами.

Эта методика базируется на известном уравнении теплового баланса для режима нагрева агрегатов машин до установившихся температур и использовании результатов проведенных экспериментов по коэффициентам приведения основных теплоотдапцих поверхностей лебедки: •

^ -максимальная усгановившаяся^средняя в цикле работы лебедки^ избыточная температура на

поверхности двигателя в°С;

С£ -количество тепла в ККал^выделяемого за один час работы лебедки электродвигателем и редуктором, размещенном в барабане; -суммарная приведенная к температуре поверхности двигателя площадь теплоотдащих в воздушную среду поверхностей барабана и двигателя в м?'

-среднее значение коэффициента теплоотдачи с поверхностей лебедки за цикл работы в ;

Количество тепла выделяемое электродвигателем при постоянной нагрузке определяется как

^ = Ш (кнал/час) (4)

- где сА^ -мощность, потребляемая двигателем ( КВт ); • и -КПД двигателя при данной потребляемой мощ-3 носги;

/7$ -время работы двигателя в при кратковременно-переменных режимах нагружения.

Количество тепла, выделяемого электродвигателем при пусках могут быть определены в первом приближении как

це ) -отношение пускового тока двигателя к номи-

\ I» яальному;

-время разгона лебедки при пуске двигателя в сек;

£3 -число включений двигателя в час;

Значение ¿у> может быть выражено через пусковой крутящий момент двигателя Мп и Момент сопротивления на нем от врадрния барабана с грузом 14: как

/Ту • J__

.. ___,

3

где П9 и J -соответственно номинальная частота вращения двигателя в об/мин и приведенный к валу двигателя суммарный монетет 11на рцтаг*"леседки с грузом.

Количество тепла,выделяемого редукгсром^определяется как

у -- У,* 7,W

где • £ -КПД редуктора;

TV^-мовдость, передаваемая редуктором в КВт;

Таким образом для лебедок со встроенными в барабан электродвигателем и редуктором

9 " i8)

Е том случае, если в барабан встраивается и тормоз, необходимо в выражении (.&) добавить еда количество тепла О ,выделяемсгс в час работы тормозом. г

Суммараяая приведенная теплсстдаюцая поверхность Sjy, для лебедок исследованного типа с учетом экспериментальных данные может быть определена как

где Ь^рр ^^приведенные теплоотдакэде поверхности двигателя к СареСана, определяемые как:

где^ ^^^-ялсвадп внешней щшшдрнческоп, реСер,

торцевой и фланцевых поверхностей двигате-

75"

¡) ~о, д ; Ог^ ^&55э«кциенты приведения для со-ответствуэдих поверхностей двигателя к его цилиндрической поверхности.

- * ог V 4. DK•5Л 011)

где 5 ^^-пловади поверхностей элементов барабана: внешней цилиндрической, боковых частей реборд, цилиндрических частей реборд и

■ 1' Л крьгпек.

и^.Ур.Уг — па*

V> ' ' 14 £СТсТ £ ' Нг£е/>•?/**>¿Л/ОЛ^ЛМ^

Среднее значение коэффициента теплоотдачи за цикл с учетом движения воздуха относительно поверхности барабана при его враще-. нии может быть определено как ,

К - О (12)

где -коэффициент теплоотдачи с неподвижных по-

верхностей лебедки, который лежит в пре делах 10-13 ККал/(м2час°С);

У0 -окружная скорость на поверхности барабана при его вращения в м/с.

Проведений анализ потерь энергии, идуа®и в тепло для опытной , лебедки показал', что при большом количестве включений в час (ЧВ=180) пусковые потери при ПЕ=25% и номинальной нагрузке двигателя достигают , ~ ^ т. е. они приближаются к потерям при ее работе в установившихся режимах. Штерн энергии, идущие в тепло от планетарных редукторов, напри-

го -

мер при ЧВ=90 в час составляют около 30-35Х от общих тепловых потерь энергии в лебедке.

Максимальная избыточная температура на поверхности двигателя лебедки с учетом ее колебания за рабочий цикл Л ^ может быть \ определена через Сиср как

_ о- .аТ \r-7~

С,»*« - СС/в * —2?/, о£-.ир (13)

Максимальная избыточная температура на обмотке статора

ш*к ■ С14)

Максимальная температура на обмотке двигателя с учетем температуры окружаювдэго лебедку воздуха будет

£г^ст,^/- 'Са (15)

Проведенная оценка нагрева для опытной лебедки для летних условий ее эксплуатации в районах с умеренным климатом при »30 С яри средних крановых режимах работы показала, что температура_ на поверхности обмотки статора не должна превышать 135-140вС, что ниже допустимой температуры 155°£для примененного на лебедке асинхронного короткозамкнутого электродвигателя 4АР16СЬ5УЗ^ имеющего обмотку с изоляцией класса Г.

Однако, при высоких температурах воздуха во внутренней полости барабана лебедки который может достигать в летнее время 95-100® С будет затруднительно обеспечивать допустимую температуру смазки в редукторе. Поэтому для снижения температуры Нагрева двигателя и редуктора в работе предложены две схемы возможного конструктивного исполнения электрдмотор-барабана с проточной вентиляцией внутренней полости барабана.

Предлагаемые конструктивные схемы при их реализации позволят применить в лебедках, выполняемых ввиде электромотор-барабанов более дешевые двигатели с изоляцией обмоток белее низкого класса и обеспечат, лучший тепловой режим для смазки редуктора.

ОСНОВНЫЕ ЕЫЕОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Проведенные исследования состояния проблемы по созданию строительных лебедок в виде штор-барабанов, экспериментальные исследования температурных режимов опытной лебедки на стенде л предложенная методика аналитической оценки температурных режимов и работоспособности лебедки позволяют сделать следующие основные выводы и рекомендации.

1. Создание конструкций строительных лебедок в виде мотор-барабанов для кранов, подъемников и в качестве самостоятельных средств механизации монтажных и других строительных работ является перспективным направлением развития их конструкция, т.к. .позволяет снизить их габариты и вес при встраивании в барабан электродвигателя и редуктора до 35-45%.

2. Наибольшую трудность представляет создание лебедок в'ввиде электромотор-барабанов, т. к. для них важнейшим критерием работоспособности становится обеспечение допустимого нагрева электродвигателя и редуктора.

. 2. Разработанная в работе методика стендовых экспериментальных исследований температурных режимов для опытной лебедки, мощность» 15 КВт, выполненной з виде электромотор-барабана, обеспечила достаточно близкие режимы к условиям,ее работы, в режиме механизмов подъема строительных кранов и подъемников.

4..Принятая методика измерения температур нагрева электродвигателя и других элементов лебедки обеспечила точность измерения с Погрешностью, лежащей в пределах до 3-5%. ,

5. Исследованная опытная лебедка, в виде электромотор-барабана, разработанная в Московском Государственном Строительном Университете (1ШСЯ им. В. В. Куйбьшева) и изготовленная Саратовским заводом строительных машин обеспечивает по нагреву электродвигателя необходимую работоспособность при средних режимах нагружения -с изоляцией обмоток двигателя, допускагспцгх температуру не ниже 140"С.

6. Предложенная с учетем стендовых исследований методика расчетной оценки температуры нагрева электродвигателя дает при наиболее напряженных ре;«влах работы лебедки достаточную точность-

-е-пределах до 5£. Погрешность расчетов при менее напряженных режи-

m/c

РИС: d

fi А ГРЕВ ШМОТКИ. Двиглтеля fJPti nß*2. i - Z&=fS S Гас у 2- 2ß~ 30 & 3 - ?ß - $0 / Гас ; * - =/*Я0 /

S- Zß ~/5û ¿ sccj б - 2S-/¿0& г

/У 5= M MOM.

мах может увеличиваться от 5 до 197..

?. Для улучшения температурных режимов электродвигателя и редуктора в работе предложены две схемы выполнения лебедки в виде электромотор-барабана, обеспечивающие возможность проточной вентиляции двигателя и редуктора и лучшее их охлаждение. Это может существенно снизить температуру нагрева электродвигателя и редуктора и позволить применить в таких конструкциях более дешевые электродвигатели и улучшить температурные условия работы редуктора.

8. Переход в лебедках-мотор-барабанах за счет их лучшего охлаждения путем проточной вентиляции и уменьшения момента инерции двигателей на применение электродвигателей с изоляцией класса Б позволит уменьшить их стойкость на 21%, а на наиболее распространенные двигатели и изоляцией класса А на 39%.

Подписано к начата 17.95.94 Формат 60x84 1/16 Печать офсетная И-90 Объем I уч.-изд.' л. Т. 80 ЗаколБесплатно

Московский государственный строительный университет. Типография.МГСУ. 129337, Москва, Ярославское ш., 26