Ключев - Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов (1980)

Ключев В. И., Терехов В. М.

Электропривод и автоматизация  общепромышленных механизмов: Учебник для вузов. 1980.

В книге излагаются общие вопросы электропривода и  автоматизации рабочих режимов типовых общепромышленных механизмов непрерывного и циклического действия. Общие положения дополняются анализом конкретных примеров схем электроприводов механизмов различных машин, установок и технологических комплексов — кранов, подъемников, экскаваторов, конвейеров, земснарядов и т.п. Книга предназначается в качестве учебника для студентов  энергетических и политехнических вузов специальности «Электропривод и автоматизация промышленных установок», а также может быть полезна студентам других специальностей и инженерно-техническим работникам, занятым проектированием, наладкой и эксплуатацией электроприводов.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Курс «Электропривод и автоматизация  общепромышленных механизмов», предусмотренный учебным планом  специальности 0628 «Электропривод и автоматизация  промышленных установок», был поставлен в начале 50-х годов и обеспечен в качестве основного учебного пособия книгой М. М. Соколова «Электрооборудование общепромышленных механизмов», изданной в 1959 г. Госэнергоиздатом и в  дальнейшем дважды переиздававшейся, в 1969 и 1976 гг. В  соответствии с действовавшей в то время учебной программой этого курса изложение материала в указанном учебном пособии  было построено по группам рабочих машин,  классифицированным по частным признакам назначения, отрасли  применения и т. п.

Как показал многолетний опыт чтения этого курса в Московском энергетическом институте, при такой структуре не удается ни охватить все многообразие частных особенностей электроприводов конкретных общепромышленных механизмов, ни сформировать у студентов достаточных общих  представлений о проблемах электропривода этой группы механизмов в целом, необходимых при подготовке  инженеров-электроприводчиков широкого профиля. Поэтому в МЭИ была  осуществлена методическая переработка курса, в результате которой были выделены типовые электроприводы общепромышленных механизмов, классифицированные по общим признакам  режима работы, характеру нагрузок, способу управления и т. п. На этой основе удалось развить общие вопросы электропривода и автоматизации общепромышленных механизмов, устранить повторения и свести рассмотрение частных схем к  ограниченному числу отобранных примеров, широко иллюстрирующих как основные общие вопросы, так и влияние частных  особенностей конкретных машин. Эти методические позиции нашли  отражение в программе одноименного курса, утвержденной  Минвузом СССР в 1975 г.

В данной книге, предназначенной в качестве учебника,  авторы стремились с возможной полнотой отразить вопросы, подлежащие освещению при чтении лекций в соответствии с действующей программой. Как в содержании, так и в  методике изложения материалов данной книги нашла отражение  практика многократного чтения этого курса студентам  специальности «Электропривод и автоматизация промышленных  установок» в МЭИ.

В книге гл. 1—4 (кроме § 1-3) написаны В. И. Ключевым, гл. 5 — 8 (кроме § 5-3) и § 1-3 — В. М. Тереховым.  Редактором А. М. Усмановым написан § 5-3. Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам — проф. А. С. Филатову и коллективу кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» Ленинградского политехнического института за ценные замечания и  практические рекомендации, которые способствовали улучшению книги, а также канд. техн. наук А. М. Усманову за большой труд по редактированию рукописи.

Авторы отчетливо представляют себе трудности написания учебника по данному инженерному курсу, отличающемуся  несомненным своеобразием, и с благодарностью примут все  советы и замечания, которые следует направлять в адрес  издательства «Энергия»: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10.

ВВЕДЕНИЕ

Рассматривая все многообразие современных  производственных процессов, в каждом конкретном производстве  можно выделить ряд операций, характер которых является общим для различных отраслей народного хозяйства. К их числу  относятся доставка сырья и полуфабрикатов к истокам  технологических процессов и межоперационные перемещения изделий в процессе обработки; погрузочно-разгрузочные работы на складах, железнодорожных станциях, в морских и речных  портах; перемещения грузов при строительно-монтажных  работах и при добыче полезных ископаемых; вентиляция, водоснабжение, канализация, непрерывный транспорт сыпучих или штучных грузов и жидкостей и многие другие. Механизмы, выполняющие подобные операции, как  правило, универсальны и имеют общепромышленное применение, в связи с чем и называются общепромышленными  механизмами. Общепромышленные механизмы являются основными  механизмами множества конкретных разновидностей  производственных установок. К их числу относятся подъемные краны, экскаваторы, пассажирские и грузовые подъемники различной конструкции, промышленные манипуляторы и роботы, канатные дороги, эскалаторы, различные конвейеры,  осуществляющие транспортировку людей и грузов, насосы,  земснаряды, вентиляторы, воздуходувки и т. п.

Общепромышленные механизмы играют в народном  хозяйстве страны важную роль. Они являются основным средством механизации и автоматизации различных производственных процессов. Поэтому уровень промышленного производства и производительность труда в значительной степени зависят от оснащенности производства общепромышленными  механизмами и от их технического совершенства. Наиболее универсальны как средство механизации  подъемно-транспортных операций подъемные краны, нашедшие  широкое распространение в самых различных отраслях  промышленности, в строительстве и на транспорте. Высокая производительность труда в горнодобывающей промышленности  обеспечивается полной механизацией процесса добычи с помощью различных общепромышленных механизмов: скиповых и  клетевых подъемных машин, транспортеров, а на открытых  разработках - различных экскаваторов. Откачивание воды,  вентиляция шахт, снабжение рабочих мест сжатым воздухом осуществляется с помощью насосов, вентиляторов и  компрессоров. Ко всем этим механизмам предъявляются жесткие  требования в отношении надежности и безопасности, так как  прекращение их работы может повлечь за собой не только уменьшение добычи, но и угрозу жизни людей. Полная механизация производственного процесса является одним из необходимых условий для комплексной  автоматизации его. Во многих случаях решение задачи автоматизации  технологического процесса сводится к автоматизации комплекса общепромышленных механизмов, обслуживающих основной процесс. Характерным примером может служить современный зерновой элеватор. Его технологический процесс — прием,  хранение и отгрузка зерна — обслуживается транспортерами,  распределительными устройствами, вентиляторами и  компрессорами. Индивидуальный электропривод этих механизмов  позволяет успешно автоматизировать все операции, осуществить автоматический контроль за протеканием технологического процесса, устранить возможность завалов и порчи зерна,  облегчить труд и повысить его производительность.

Роль общепромышленных механизмов как средств  комплексной автоматизации различных производственных  процессов наиболее наглядно выявляется при рассмотрении их новой, специфичной и исключительно быстро развивающейся  разновидности - так называемых промышленных роботов.  Промышленные роботы — это автоматические манипуляторы с  программным управлением, предназначенные для выполнения перечисленных выше вспомогательных транспортных операций и некоторых основных производственных процессов (сварки, окраски и т. п.) [21]. Широкое использование машин с  числовым программным управлением в различных  технологических процессах создало необходимые предпосылки для их  комплексной автоматизации. Однако решение этой задачи без решения проблемы автоматизации таких операций, как погрузочно-разгрузочные и складские операции, установка и снятие обрабатываемых деталей, укладка готовой продукции в тару, замена инструмента и других процессов было практически  невозможно. Создание универсальных и специализированных промышленных роботов не только успешно решает эту проблему, но и позволяет избавить рабочих от физически тяжелой или вредной работы, уменьшить дефицит рабочих в производствах, отличающихся тяжелыми условиями труда.

Функции и задачи, возлагаемые на общепромышленные  механизмы, обусловливают большое разнообразие их  электроприводов. Последние различаются как в отношении диапазона мощностей (от долей киловатт до нескольких тысяч киловатт), так и в отношении их сложности (от нерегулируемого  асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором до сложных замкнутых регулируемых систем). От технического  совершенства электроприводов в значительной степени зависят  производительность, надежность работы, простота обслуживания и возможности автоматизации общепромышленных  механизмов. Поэтому изучение вопросов электропривода и  автоматизации общепромышленных механизмов, которые составляют содержание данного курса, имеет существенное практическое значение.

В подготовке инженера-электромеханика по специальности «Электропривод и автоматизация промышленных установок» курс «Электропривод и автоматизация общепромышленных  механизмов» играет важную роль, которая определяется  спецификой этой группы механизмов: общностью основного  назначения при большом многообразии исполнений, предельной простотой технологии, своеобразием нагрузок (активный  момент, вентиляторная нагрузка и т. п.). Эти условия позволяют при изучении курса акцентировать внимание на общих  вопросах теории электропривода в их практическом применении, что должно способствовать углублению специальной подготовки инженера-электроприводчика широкого профиля. Многообразие разновидностей общепромышленных  механизмов исключает возможность рассмотрения в небольшом по объему курсе всех частных вопросов электропривода  конкретных механизмов. Общность и простота технологии  позволяют выделить круг специальных вопросов электропривода и автоматизации, общих для отдельных укрупненных групп  механизмов. Изучение этих вопросов в сочетании с  рассмотрением в качестве примеров типовых схем электроприводов  отдельных механизмов позволяет получить широкое и  достаточно конкретное представление об электроприводе  общепромышленных механизмов в целом.

Глава первая

ТИПОВЫЕ ОБЩЕПРОМЫШЛЕННЫЕ МЕХАНИЗМЫ

1-1. КЛАССИФИКАЦИЯ ОБЩЕПРОМЫШЛЕННЫХ УСТАНОВОК

К числу машин и механизмов общепромышленного  применения относится обширная группа промышленных установок, отличающихся значительным многообразием конкретных  разновидностей. Прежде чем приступить к изучению  электроприводов и вопросов автоматизации рабочих процессов этого  множества машин и механизмов, необходимо ознакомиться с их классификацией, объединяющей установки с тем или иным  общим признаком в однородные группы. К числу наиболее важных классификационных признаков относятся назначение установки, ее конструктивное исполнение, область применения и характер технологического процесса. По назначению общепромышленные установки разделяются на: 1) подъемно-транспортные машины; 2) землеройные  машины; 3) машины для транспортировки жидких сред и газов, а также для сжатия газов. Каждая из этих групп содержит  машины, различные по конструктивному исполнению. К числу подъемно-транспортных машин относятся мостовые, козловые и поворотные крапы, перегрузочные мосты, кабель-краны,  промышленные манипуляторы и роботы, стационарные  вертикальные и наклонные подъемные установки дискретного  действия, канатные дороги, горизонтальные и наклонные  конвейеры, вертикальные ковшовые транспортеры и т. п.  Землеройные машины представлены одноковшовыми и роторными экскаваторами, а также земснарядами. Наконец, машины для транспортировки жидкостей и газов включают в себя  центробежные и поршневые насосы и компрессоры и центробежные вентиляторы. Подразделение на более мелкие группы можно было бы продолжить, учитывая характер транспортируемых грузов, вид рабочих органов и другие конструктивные  особенности машин.

По области применения различают машиностроительные, металлургические, горные, строительные, судовые и другие  машины и установки, основные механизмы которых могут быть отнесены к числу общепромышленных. Например,  выпускаются специальные металлургические краны и загрузочные  машины, судовые подъемно-транспортные машины, шахтные подъемные установки, поточно-транспортные системы  различного отраслевого применения и т. п. При этом в большинстве случаев область применения оказывает более или менее  значительное влияние на конструктивное исполнение машин.  Башенный кран является специальной строительной машиной, а  шахтная подъемная установка имеет специфические конструктивные отличия от пассажирского лифта. В то же время можно указать и примеры, когда однотипные машины, применяемые в  различных отраслях, существенных конструктивных отличий не имеют. Специфика отраслевого применения в этих случаях  может проявляться в режимах работы и условиях эксплуатации их электроприводов.

По характеру технологического процесса  общепромышленные механизмы можно разделить на две большие группы: механизмы циклического (прерывного) действия, рабочий  процесс которых состоит из повторяющихся однотипных циклов, и механизмы непрерывного действия, технологический процесс которых имеет непрерывный характер. Типичными примерами первых могут служить краны, шахтные подъемные машины, лифты, а вторых — эскалаторы, землесосы, конвейеры.  Характер технологического процесса оказывает основное влияние на режимы работы электропривода и определяет главные  требования, предъявляемые к нему в отношении мощности и  перегрузочной способности, динамических качеств, необходимости и точности регулирования координат электромеханической  системы, уровня автоматизации и т. п. Эти требования, конечно, зависят и от назначения установки, и от отрасли ее  применения, но определяются, главным образом, конкретным  характером технологического процесса. Так, механизмы одного  назначения, например конвейеры, предъявляют к своему  электроприводу существенно различные требования, если один из них работает непрерывно, а технологический процесс другого имеет циклический характер.

В современной технической литературе механическое и  электрическое оборудование каждой из перечисленных выше  разновидностей общепромышленных установок получило  достаточно подробное освещение. При этом в основе отбора  рассматриваемых установок обычно лежит классификация по назначению и исполнению. В качестве примера таких книг в списке  литературы указаны книги по электрооборудованию кранов [7, 8], подъемно-транспортных машин [10], экскаваторов [11],  лифтов [12, 26], конвейеров [13, 15], насосов, компрессоров и  вентиляторов Г16]. Кроме того, имеется большое число книг, в  которых подбор рассматриваемых установок и изложение  материала основаны на отраслевом принципе — увязаны с  конкретной областью применения отдельных общепромышленных механизмов. Примерами могут служить рекомендованные в списке литературы книги по электрооборудованию  строительных [17, 19], судовых [9], горных [18] и других машин.

Указанная литература детально освещает конструкции,  режимы работы и схемы электроприводов конкретных видов  машин, поэтому может быть полезна при курсовом и дипломном проектировании. При изучении данного курса основное  внимание должно быть сосредоточено не на частных особенностях конкретных машин, а на общих закономерностях, свойственных однотипным электроприводам различных по конструкции и  назначению промышленных установок. Курс, завершающий  подготовку инженера-электромеханика широкого профиля, должен закрепить полученный за время обучения комплекс общих  знаний, показать, что при известных технологических требованиях он достаточен для решения вопросов электропривода и  автоматизации промышленных установок в любых отраслях  народного хозяйства, и ознакомить с общим порядком определения требований к электроприводу на основе анализа  технологического процесса.

Из всех рассмотренных классификационных признаков этим задачам наиболее полно соответствует классификация  общепромышленных механизмов по характеру технологического процесса. На этой основе изучение электропривода и  автоматизации общепромышленных механизмов удается  систематизировать и обобщить, объединив различные по назначению,  конструкции и отрасли применения машины и установки в группы, однотипные по режимам работы, нагрузкам электропривода и уровню автоматизации технологического процесса. Из изложенного следует, что, приступая к изучению  вопросов электропривода и автоматизации общепромышленных установок, необходимо разделить их на установки с  циклическим и непрерывным рабочим процессом и выделить их  характерные механизмы, которые могут быть названы типовыми  общепромышленными механизмами. С этой целью проведем краткий обзор конструктивных особенностей основных групп рассматриваемых установок.

1-2. ОБЗОР ОБЩЕПРОМЫШЛЕННЫХ МЕХАНИЗМОВ  ЦИКЛИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

Обширная группа общепромышленных установок  циклического действия включает в себя подъемные краны,  одноковшовые экскаваторы, стационарные подъемники различных  конструкций и назначения, маятниковые канатные дороги,  конвейеры циклического действия, различные манипуляторы и  промышленные роботы. Общим для этих установок является режим работы, при котором технологический процесс состоит из ряда повторяющихся однотипных циклов, каждый из  которых представляет собой законченную операцию загрузки  рабочего органа, перемещения его из исходной точки в пункт  назначения и разгрузки. В зависимости от специализации цикл может содержать выполнение предусмотренных технологией процессов, например черпания грунта, кантования  перемещаемых изделий и т. п.

Основные механизмы таких установок, как правило, имеют реверсивный электропривод, рассчитанный для работы в  интенсивном повторно-кратковременном режиме. В каждом рабочем цикле имеют место неустановившиеся режимы работы  электропривода: пуски, реверсы, торможения, оказывающие  существенное влияние на производительность механизма, на  динамические нагрузки привода и механизма, на к. п. д. установки и на ряд других факторов. Все эти условия предъявляют к  электроприводу сложные требования, в значительной степени общие для всей рассматриваемой группы механизмов. Несмотря на большое многообразие конкретных установок циклического действия, их рабочие движения обслуживаются ограниченным числом однотипных механизмов. Подъемные краны объединяют большую группу подъемно- транспортных установок циклического действия, общее  представление о которых могут дать характерные примеры  конструктивных схем, приведенные на рис. 1-1, а, б и 1-2, а, б. На промышленных предприятиях наиболее  распространенным и универсальным подъемно-транспортным устройством является мостовой кран (рис. 1-1, а). Стальная конструкция  моста крана 1 опирается на ходовые тележки и с помощью  механизма передвижения 3 может перемещаться по подкрановым путям 2, укрепленным над обслуживаемой площадью на  стационарных опорах. Вдоль моста крана проложены рельсы, по которым перемещается тележка 4, с установленными на ней  механизмом передвижения и подъемной лебедкой,  осуществляющей подъем и спуск грузов. Таким образом, основными механизмами мостового крана являются: механизм передвижения моста, механизм передвижения тележки и подъемная лебедка, которые снабжаются индивидуальным электроприводом.

В зависимости от вида трубозахватывающего устройства 5 различают крюковые, магнитные, грейферные, клещевые и тому подобные краны. На тележке грейферного крана  обычно устанавливаются две лебедки, одна из которых служит для закрывания грейфера. Подъем закрытого грейфера  осуществляется обеими лебедками. На мосту крана на одном рельсовом пути могут  устанавливаться две или три тележки. Так, магнитно-грейферный кран имеет магнитную тележку с лебедкой подъема магнита и  грейферную тележку с лебедками подъема и закрывания грейфера. Такой кран имеет три механизма передвижения и три  подъемные лебедки. Таким образом, указанные модификации кранов имеют однотипные механизмы, но в различном числе. Козловые краны, которые предназначены для работы под открытым небом, в отношении рабочих движений вполне  аналогичны мостовым. Вариант конструктивной схемы такого крана приведен на рис. 1-1, б. Здесь несущая ферма крана 1 опирается на подвижные опоры 2, перемещающиеся с  помощью нескольких пар ходовых тележек 3, часть из которых является движущей. Соответственно козловой кран имеет те же основные механизмы, что и мостовой: механизм передвижения моста (иногда с индивидуальным приводом каждой ведущей тележки), механизм передвижения тележки 4 и размещенные на ней лебедки подъема и закрывания грейфера.

Такую же конструктивную схему и те же основные  механизмы имеют перегрузочные мосты (например, рудные, угольные перегружатели), предназначенные для обслуживания обширных открытых складских территорий. Это — крупные подъемно-транспортные сооружения, пролет которых в ряде случаев превышает 100 м. Несколькими сотнями метров  измеряется пролет так называемых кабель-кранов, в которых  вместо жесткой фермы 1 используется несущий стальной канат. На рис. 1-2, а, б представлены в качестве примера две  конструктивные схемы поворотных кранов. Строительный  башенный кран (рис. 1-2, а) имеет башню /, портал которой  опирается на ходовые тележки 2. В верхней части башни имеется поворотный круг 6, на котором вращается поворотная головка башни 4 со стрелой 3 и консолью противовеса 5. Изменение вылета крюка 8 достигается перемещением тележки 7 вдоль стрелы (в других конструкциях для этой цели используется подъем — опускание стрелы). Все рабочие движения крана обслуживаются следующими механизмами: подъемной лебедкой, механизмом передвижения крана, механизмом передвижения тележки и механизмом поворота. Необходимо заметить, что на башенных кранах конструктивно поворот стрелы  осуществляется с помощью обычной тяговой лебедки с бесконечным канатом, равно как и передвижение крюковой тележки вдоль стрелы.