Nghiên cứu tổng quan về máy xúc gầu thuận và mô phỏng truyền động điện điều khiển cho động cơ chuyển động nâng hạ cần gầu

Máy xúc có ba chuyển động cơ bản: nâng - hạ gầu, ra - vào tay gầu và quay, ngoài ra còn có một số chuyển động phụ khác như: nâng cần gầu, di chuyển máy xúc, đóng - mở đáy gầu v.v… Chu tr

Lời nói đầu

Đất nước ta đang trong giai đoạn xây dựng một nền công nghiệp hiện đại,các thiết bị, máy móc công nghiệp có một vị trí rất quan trọng.Nhằm phục vụ cho công việc xây dựng và sử các công trình cung như khai thác tài nguyên thiên nhiên chung ta sử dụng máy xúc.Máy xúc sẽ cho công việc vận chuyển một khối lượng lớn một cách dễ dàng hơn

Trong thiết kế em xin giới thiệu về “Nghiên cứu tổng quan về máy xúc gầu thuận và mô phỏng truyền động điện điều khiển cho động cơ chuyển động nâng

hạ cần gầu”

Trong thời gian thiết kế em đã cố gắng để có thể hoàn thiện thiết kế tốt

nhất.Nhưng thiết kế vẫn có nhiều điểm thiết xót em rất mong các thầy cô giúp

Chương 1 Tổng quan về máy xúc

1.1 Khái niệm chung

Máy xúc là nhóm thiết bị hết sức quan trọng,Máy xúc được sử dụng rộng rãi trong ngành khai thác mỏ lộ thiên, trên công trường xây dựng công nhiệp và dân dụng, trên các công trình thuỷ lợi,xây dựng cầu đường và nhiều hạng mục công trình khác nhau, ở những nơi mà yêu cầu bốc xúc đất đá với khối lượng lớn

1.2 Phân loại máy xúc

1.2.1 Phân loại theo tính năng sử dụng

a) Máy xây dựng chạy bằng bánh xích, bánh lốp có dung tích gầu xúc từ 0,25 ÷ 2m3

b) Máy xúc dùng trong ngành khai thác mỏ có dung tích gầu xúc từ 4,6 ÷ 8m3.c) Máy xúc dùng để bốc xúc đất đá có thể tích gầu xúc từ 4 ÷ 35m3

d) Máy xúc gầu ngoạm có dung tích gàu xúc từ 4 ÷ 80m3

1.2.2 Phân loại theo cơ cấu bốc xúc

a) Máy xúc gầu thuận

Là máy xúc có gầu xúc di chuyển theo hướng từ máy xúc

đi ra phía trước dưới tác dụng của hai lực kết hợp: cơ cấu nâng - hạ gầu và cơ cấu tay gầu

b) Máy xúc gầu ngược

Là máy có gầu xúc di chuyển hướng từ ngoài vào trong dưới tác dụng của hai lực kết hợp: cơ cấu nâng hạ gầu và cơ cấu đẩy tay gầu

c) Máy xúc kiểu gầu cào

Là máy xúc có gầu cào di chuyển theo mặt phẳng ngang từ ngoài vào trong trêncần gầu dẫn hướng

d) Máy xúc gầu treo trên dây

Là máy có gầu xúc gàu di chuyển theo hướng từ ngoài vào trong máy xúc dưới tác dụng của hai lực kết hợp: cơ cấu kéo cáp và cơ cấu nâng cáp

e) Máy xúc gầu ngoạm

Là máy có gầu xúc được thực hiện bằng cách kéo khép kín dần hai nửa thành gàu dưới tác dụng của cơ cấu kéo cáp và cơ cấu nâng cáp

g) Máy xúc rôto, có cơ cấu bốc xúc gầu quay

Là máy có gầu xúc có gầu quay gồm một bánh xe,có nhiều gàu xúc nhỏ gá lắp trên bánh xe theo chu vi của bánh xe

h) Máy xúc nhiều gàu xúc

Là máy có gầu xúc có nhiều gầu nhỏ nối tiếp theo băng xích di chuyển liên tục

Hình 1.1.Các loại máy xúc

a) máy xúc gàu thuận; b) máy xúc gàu ngược; c) máy xúc gàu cào; d) máy xúc gàu treo; e) máy xúc roto; h) máy xúc nhiều gàu xúc

1.2.3 Phân loại theo cơ cấu truyển động

a) Máy xúc truyền bằng động cơ điện

b) Máy xúc truyền bằng động cơ điện – thủy lực

c) Máy xúc truyền bằng động cơ đốt trong – thủy lực

1.3 Chế độ làm việc của máy xúc

Nghiên cứu chế độ làm việc của máy xúc là một vấn đề phức tạp do chúng nhiều chủng loại và có cấu tạo khác nhau.Vậy ta đi nghiên cứu một loại máy xúc điển hình đó là máy xúc gầu thuận

Hình 1.2 Máy xúc gầu thuận

Máy xúc gầu thuận có cơ cấu quay (bàn quay) 1 được lắp trên cơ cấu di

chuyển bằng bánh xích 2 Cần gầu 6 và tay gầu 5 cùng được lắp trên bàn quay

1 Tay gầu 5 cùng với gầu xúc 7 di chuyển theo gương lò do cơ cấu đẩy tay gầu

4 và cáp kéo 9 củacơ cấu nâng - hạ gầu Quá trình bốc xúc được thực hiện kết

hợp giữa hai cơ cấu: cơ cấu đẩy tay gàu tạo ra bề dày lớp cắt, cơ cấu nâng - hạ gầu tạo ra lớpcắt là đường di chuyển của gầu theo gương lò Để đổ tải từ gầu xúc sang cácphương tiện khác được thực hiện nhờ cơ cấu mở đáy gầu 3 lắp trênthành thùng xe của máy xúc.

Máy xúc có ba chuyển động cơ bản: nâng - hạ gầu, ra - vào tay gầu và quay, ngoài ra còn có một số chuyển động phụ khác như: nâng cần gầu, di chuyển máy xúc, đóng - mở đáy gầu v.v…

Chu trình làm việc của máy xúc bao gồm các công đoạn sau: đào, nâng gầuđồng thời quay gầu về vị trí đổ tải, quay gầu về vị trí đào và hạ gầu xuốnggương lò Thời gian của một chu trình làm việc khoảng từ 20 ÷ 60s

Cơ cấu nâng hạ gầu và cơ cấu tay gầu của máy xúc thường xuyên làm việcquá tải (gọi là quá tải làm việc) do gầu bốc xúc phải đất đá cứng hoặc lớp cắtquá sâu

Các cơ cấu chính của máy xúc làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại với hệ sốtiếp điểm tương đối TĐ% = (25 ÷ 75)%

1.4 Các yêu cầu cơ bản đối với hệ truyền động các cơ cấu của máy xúc

a) Đặc tính cơ của hệ truyền động điện truyền động các cơ cấu chính của

máy xúc (cơ cấu nâng - hạ gầu, cơ cấu quay và cơ cấu đẩy tay gầu) phải đảmbảo làm việc tin cậy khi quá tải, hệ truyền động phải tạo ra đường đặc tính

cơ đặc trưng gọi là đặc tính “máy xúc”

b) Động cơ truyền động các cơ cấu của cầu trục phải có độ chắc chắn về

kết cấu và độ tin cậy làm việc cao, có khả năng chịu quá tải lớn Độ bền

nhiệt và độ bền chống ẩm của các lớp cách điện trong động cơ cao, chụi

được tần số đóng cắt điện lớn (400 ÷ 600) lần /h

c) Động cơ truyền động các cơ cấu chính của máy xúc phải có momen

quán tính của roto (hoặc phần ứng) đủ nhỏ để giảm thời gian quá độ của hệtruyền động khi tăng tốc và hãm Nên chọn loại động cơ có roto (hoặc phầnứng) dài, đường kính nhỏ

d) Các thiết bị điều khiển dùng trong máy xúc phải đảm bảo làm việc tin

cậy trong điều kiện nặng nề nhất (độ rung động, chao lắc lớn, phụ tải thayđổi đột biến và tần số đóng - cắt điện trở lớn)

e) Hệ thống điều khiển các hệ truyền động các cơ cấu của máy xúc phải có

sơ đồ cấu trúc đơn giản, độ tin cậy làm việc cao, tự động hoá quá trình điềukhiển ở mức độ cao

Hình 1.3 a) Đặc tính máy xúc, b) Đặc tính hệ truyền động

1.5 Biểu đồ phụ tải của máy xúc

Muốn xây dựng được biểu đồ phụ tải chính xác của các hệ truyền động

chính của máy xúc cần có các thông số sau:

- Thông số kỹ thuật của động cơ truyền động

- Các tham số của mạch điều khiển

- Mômen quán tính của cơ cấu quy đổi về trục động cơ trong các chế độ

làm việc khác nhau của hệ truyền động

- Mômen cản tĩnh của các cơ cấu trong các chế độ làm việc khác nhau của

hệ truyền động Để tính chọn sơ bộ công suất động cơ truyền động chỉ cần dựa trên biểu đồ

phụ tải tối giản của hệ truyền động trong đó chỉ tính đến mômen cản tĩnh của

cơ cấu, không tính đến mômen động của cơ cấu trong chế độ quá độ Việctính toán chính xác các yếu tố đặc trưng cho chế độ làm việc của các cơ cấucủa máy xúc là một vấn đề phức tạp Bởi vậy, để tiến hành tính chọn côngsuất động cơ truyền động các cơ cấu của máy xúc có thể sử dụng biểu đồ

phụ tải gần giống với biểu đồ phụ tải thực của các cơ cấu chính của máy xúc

1.5.1 Chu trình làm việc của cơ cấu nâng - hạ gầu của máy xúc :

•t1: thời gian tăng tốc cho quá trình bắt đầu đào bốc đất đá.

•t2: thời gian nâng tay gầu trong giai đoạn bốc xúc đất đá.

•t3: thời gian dừng gầu sau lúc bốc xúc xong.

•t4: thời gian giữ tay gầu cân bằng khi quay gầu về vị trí đổ tải.

•t5: thời gian đổ tải, momen cảu động cơ giảm trong trình đổ tải.

•t6: thời gian tăng tốc khi hạ gầu không xuống gương lò.

•t7: thời gian hạ gầu với tốc độ không đổi.

•t8: thời gian hãm gầu trước khi hạ gầu xuống gương lò.

1.5.2 Chu kỳ làm việc của cơ cấu đẩy tay gầu gồm các giai đoạn sau:

• t1: thời gian tăng tốc đưa tay gầu vào đất kết hợp với cơ cấu nâng.

• t2: thời gian gầu đi lên để xúc đất đá

• t3: thời gian đảo chiều để lùi tay gầu.

• t4: thời gian tay gàu di chuyển với tốc độ không đổi theo hướng đi lên

• t5: thời gian hãm tay gầu

• t6: thời gian nghĩ khi máy quay tay gầu về vị trí đổ tải.

• t7: thời gian tăng tốc để đẩy tay gầu ra k.cách xa nhất để đổ tải.

• t8: thời gian tăng tốc để đẩy tay gầu di chuyển với tốc độ không đổi.

• t9: thời gian hãm khi di chuyển tay gầu.

• t10: thời gian nghĩ khi đổ tải

• t11: thời gian tăng tốc để kéo tay gàu vào.

• t12: thời gian kéo tay gầu vào với tốc độ không đổi.

• t13: thời gian hãm tay gầu trước khi hạ tay gàu xuống đất

1.5.3 Biểu đồ phụ tải của truyền động cơ cấu truyền động cơ cấu quay

•t1: thời gian nghĩ khi gầu di chuyển vào đất đá.

•t2: thời gian tăng tốc khi gầu đầy tải.

•t3: thời gian quay tay gầu đầy tải với tốc độ không đổi.

•t4: thời gian hãm

•t5: thời gian nghĩ khi đổ tải.

•t6: thời gian tăng tốc để quay gầu không về vị trí bốc xúc.

•t7: thời gian quay gầu không với tốc độ không đổi

•t8: thời gian hãm của cơ cấu quay.

Hình 1.4 Biểu đồ phụ tải máy xúc gầu thuận

Chương 2 Thành lập mô hình toán động cơ

2.1 Mô hình toán của động cơ

2.1.1 Lựa chọn hệ thống truyền động máy phát _động cơ.

Dựa trên yêu cầu làm việc của động cơ máy xúc là có khả năng quá tải lớn, thường xuyên làm việc tại các môi trường khắc nghiệt,thiết bị máy móc có độ rung lắc lớn.Động cơ làm việc tại môi trường khói bụi,ngoài trời,nhiệt độ

cao,độ ẩm lớn….Yêu cầu đòi hỏi khả năng tự động hóa không cao,máy xúc làmviệc hiệu quả dựa trên kỹ năng va kinh nghiệm của người vận hành.Do những

lý do đó ta có sẽ chọn hệ thống truyền động điện cho hệ thống nâng hạ là hệ thống truyền trộng máy phát_động cơ điện một chiều (F_D)

Hệ thống máy phát động cơ (F_D) là hệ truyền động điện mà bộ biến đổi điện

là máy phát điện 1 chiều kích từ độc lập.Coi như tốc độ quay của máy phát là không đổi

Tại góc phần tư thứ 1 và thứ 3 tốc độ quay và mômem quay của động cơ luôn luôn cùng chiều,sức điện động của máy phát và động cơ có chiều xung đột nhau,công suất điện của máy phát và động cơ là:

P (f) > 0 ; P (d) < 0

Năng lượng được chuyển thuận chiều từ nguồn > máy phát > động cơ.> tải Vùng hãm tái sinh là góc phần tư thứ 2 và thứ 4,dòng điện phần ứng lại chảy ngược từ phía động cơ về máy phát làm cho mômem quay ngược chiều tốc độ quay

P (f) < 0 ; P (d) > 0

Năng lượng được chuyển theo chiều từ tải > động cơ > máy phát > nguồn.Máy phát và động cơ đổi chức năng cho nhau

2.1.3 Phương trình toán học của động cơ điện 1 chiều

Phương trình cơ bản của động cơ 1 chiều kích từ độc lập như sau:

2.2 Mô mem của động cơ khi khi làm việc

2.2.1Mô mem động cơ khi bốc xúc là:

g : gia tôc trọng trường

V : thể tích đất đã chiếm trong gầu

 : khối lượng riêng của đất đá

S : diện tích ngang của lớp cắt

H : chiều dài của đường cắt

B : hệ số tơi xốp của đất đá (0,6; 0,8)

(công thức 7.8; 7.9; 7.10; 7.11; tài liệu tham khảo “Bài giảng trang bị điện

_Điện tử máy công nghiệp dùng chung”)

2.2.2 Mô mem của động cơ khi giữ tải trên không

V1 

tử máy công nghiệp dùng chung”)

Chương 3 Mô phỏng hệ truyền động điện

3.1 Thuyết minh sơ đồ mạch điện.

Điều khiển động cơ truyền động cơ cấu nâng - hạ gầu thực hiện bằng bộ khống chế có 5 vị trí về phía nâng và 5 vị trí về phía hạ gàu Đảo chiều quay và điều chỉnh tốc độ động cơ truyền động thực hiện bằng cách thay đổi chiều và trị số dòng điện chảy trong cuộn dây kích từ độc lập CKF1.Cuộn kích từ song song CKF2 đấu song song với phần ứng của động cơ và máy phát qua biến trở hạn chế Cuộn kích từ nối tiếp CKF3 đấu nối tiếp với phần ứng của động cơ và máy phát.Sức từ động sinh ra trong cuộn CKF1 và CKF2 cùng chiều nhau, còn sức

từ động sinh ra trong cuộn CKF3 ngược chiều với sức từ động sinh ra trong hai cuộn dây Sức từ động tổng của máy phát bằng:

FΣ = FCKF1 + FCKF2 - FCKF3

Do tính chất khử từ của cuộn kích từ CKF3, khi phụ tải của động cơ truyền động nằm trong dải 0< Iư < Ing (dòng điện ngắt Ing = 2,25 ÷ 2,5Iđm) tính chất khử từ của cuộn kích từ nối tiếp không lớn lắm, độ sụt tốc độ không lớn đảm bảo năng suất của máy xúc đúng như khi thiết kế Trong trường hợp động cơ truyền động bị quá tải (I ≥ Ing) tác dụng khử từ của cuộn CKF3 rất lớn làm cho điện áp phát ra của máy phải giảm nhanh về không, kết quả tốc độ động cơ giảm nhanh về không.Tác dụng của cuộn kích từ nối tiếp CKF3 là hạn chế trị sốmômen dừng trong giới hạn cho phép Md = (1,5 ÷ 2)Mđm, tạo ra đường đặc tính cơ gãy gục khi quá tải.Đảo chiều quay động cơ truyền động bằng các công tắc tơ KN và KH, còn điều chỉnh tốc độ bằng các công tắc tơ gia tốc 1G ÷ 3G

Ở vị trí “1” bên trái của bộ khống chế từ KC, công tắc tơ KN tác động,dòng điện trong cuộn kích từ CKF1 nhỏ nhất (cuộn dây CKF1được đấu nối tiếp với các điện trở r1, r2, r3 và r4), mômen của động cơ khi khởi động khi khởi hành bằng 0,5Mđm, tốc độ động cơ thấp nhất dùng để kéo căng sơ bộ cáp kéo của cơ cấu nâng - hạ gầu, khắc phục khe hở trong các khâu truyền lực và đưa gầu xúc

ăn từ từ vào đất đá, bắt đầu quá trình đào - bốc xúc Nếu chuyển dần bộ khống chế từ “1” sang vị trí “2”,“3”, “4” và “5”, tốc độ động cơ truyền động tăng dần ứng với các đường đặc tính 2,3 và 4 Khi quay bộ khống chế về vị trí “0”, các công tắc tơ gia tốc 1G, 2G và 3G lần lượt mất điện, động cơ chuyển sang làm việc ở chế độ hãm tái sinh Hạ gầu bằng cách quay bộ khống chế KC sang vị trí bên phải, công tắc tơ KH có điện, đóng điện cuộn kích từ CKF1 vào điện áp có cực tính ngược lại,động cơ đảo chiều quay và làm việc trên các đường đặc tính

cơ 1c ÷ 4c Tại các vị trí này, công tắc tơ cưỡng bức kích từ KCB mất điện, cuộn CKTĐ được nối tiếp với điện trở phụ làm giảm từ thông Φ nhằm tăng tốc

hạ gầu tăng năng suất của máy

RC : Cuộn hút của rơle dòng RC.Bảo vệ động cơ khi quá dòng.

( khi Iu > 2,5 Idm )

RCB: Là cuộn hút của rơ le điện áp,xác định ngưỡng điện áp có thể tăng

RH : Là cuộn hút của rơ le điện áp,xác định ngưỡng điện áp có thể giảm

RG1,RG2: Là cuộn hút của rơ le dòng.Nhằm hạn chế dòng khi khởi động

Rơ le này có 2 cuộn hút tạo ra sức từ động ngược nhau.Thường thì cuộn song song (cuộn điện áp) có khả năng tạo ra sức từ động đủ lớn để hút tiếp điểm của phần ứng của role,nối tắt điện trơ Rf và quá trình khởi động đủ nhanh.Dòng điện phần ứng vượt quá giới hạn cho phép thì sức từ động của cuộn nối tiếp sẽ

có khả năng hút phần ứng của role,đóng điện trở phụ Rf vào phần ứng của động

cơ làm giảm cường độ dòng điện



đm

K

) (

262 A

I đm 

) ( 042

0

1 1

01 0

R

L T

Mô hình động cơ điện 1 chiều trên simulink

Hình 3.1 Mô hình động cơ điện 1 chiều.

Kết quả mô phỏng trên Simulink:

Đồ thị tốc độ động cơ điện 1 chiều khi chưa có mạch điều khiển

Hình.3.2 Kết quả mô phỏng tốc độ động cơ 1 chiều

Đồ thị dòng điện của động cơ khi chưa có mạch điều khiển

Hình.3.3 Kết quả mô phỏng dòng điện động cơ 1 chiều

3.3 Thiết kế mạch điều khiển

3.3.1 thiết kế mạch vòng dòng điện

R u (1+sT ) u

1 (-)u

E =0 +

E F =UF(1+pT ) KF

Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện Hàm truyền hệ hở:

S0i = .(1 )(1 . )(1 )

i u

F u

i F

pT pT

pT R

K K







=

3 2

2 ( ) )

( 1

1

.

p T T T p T T T T T p T T p pT

R

K

K

u F i u

F i u F u

F i

F u

i F

pT T

T p R

K K

u

i F

pT pT

R

K K

1 (

1

1

2

2p p

pT pT

R

K K

i s

u

i F

1 (

2

1

p pT

pT

p R

K K

i s

u

i F

Hình3.5.Sơ đồ mach vòng dòng điện trên Simulink

Đồ thị kết quả mô phỏng:

Hình 3.6 Kết quả mô phỏngmach vòng dòng điện trên Simulink

Đồ thị kết quả mô phỏng tốc độ:

Hình 3.7 Kết quả mô phỏng mạch vòng tốc độ

3.4 Mô phỏng trạng thái làm việc máy xúc

3.4.1 Trạng thái 1 đưa gầu xuống

Mô hình hoạt động của động cơ trạng thái trên simulink

Hình 3.8 mô phỏng hoạt động hệ thống.Các trạng thái của hệ máy xúc.

Hình 3.9 mô phỏng thai đổi trạng thái hệ thống