В ряде конструкций кранов на автомобильном ходу для питания электродвигателей механизмов используется мощность основного двигателя автомобиля. В этом случае автомобильный двигатель через коробку отбора мощности приводит в действие генератор, питающий электродвигатели механизмов крана.
Гидравлический привод грузоподъемных машин состоит из электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания, приводящего в действие насос, подающий рабочую жидкость в рабочий гидроцилиндр через систему трубопроводов и клапанов управления. Гидропривод компактен, обеспечивает широкий диапазон бесступенчатого регулирования скорости; плавное движение, устраняющее динамические нагрузки; простоту устройств, предотвращающих перегрузку. Все это стало причиной того, что в последнее время гидропривод получает все большее распространение в конструкциях различных грузоподъемных машин, особенно передвижных кранов. Технико-экономические показатели отечественных и зарубежных образцов кранов с гидравлическим приводом доказывают большую перспективность его использования в самых различных механизмах грузоподъемных машин.
Недостатками гидропривода являются: пониженная экономичность при работе с грузами, масса которых меньше расчетной (так как расход жидкости не зависит от массы груза); сложность подачи рабочей жидкости к приводу передвижной установки; ухудшение работы привода при низких температурах или применение дорогостоящих морозоустойчивых жидкостей; большие гидравлические сопротивления трубопроводов; необходимость в тщательном наблюдении за состоянием герметизирующих уплотнений.
В простейших пневматических приводах сжатый воздух под давлением (0,5-0,8 МПа) подается в цилиндры-толкатели прямого действия, штоки поршней которых непосредственно действуют на рабочий орган. Для более сложных машин, например пневмоталей, используются поршневые или роторные двигатели, приводящие в действие исполнительные механизмы. Подача воздуха производится обычно от компрессорных установок или от воздушных магистралей предприятия с помощью гибких шлангов. Преимуществами пневматического привода являются: плавность работы, простота конструкции, удобство управления, простота обслуживания и ремонта, возможность работы с большой частотой включений, наличие приспособлений, устраняющих перегрузку. К недостаткам пневматического привода следует отнести ограниченный радиус действия передвижных установок вследствие наличия питающего воздухопроводного шланга и снижение кпд установки при работе с грузами малой массы. Пневматический привод еще не нашел широкого применения и его использование в подъемно-транспортных машинах ограничивается механизмами, работающими во взрывоопасной среде, а также на предприятиях, где имеются магистрали сжатого воздуха.
Определение границ рационального применения различных типов привода следует производить на основе анализа экономических и конструктивно-эксплуатационных показателей, из которых основными следует считать себестоимость транспортирования груза, энергоемкость машины, надежность работы независимо от климатических условий, удобство управления, технологичность конструкции.
Для механизмов малой грузоподъемности, работающих с малыми скоростями движения в ненапряженном режиме, а также для механизмов вспомогательного назначения применяется ручной привод. Вручную приводятся механизмы подъема, передвижения и поворота. Расчет всех механизмов ведут по единой методике.
Механизм подъема состоит из барабана который наматывается канат с подвешенным к нему грузом, редуктора с общим передаточным числом, и приводного элемента - рукоятки или тягового колеса такого же радиуса, к которым прикладывается сила рабочего.
На валу с одной рукояткой могут одновременно работать один или два человека; на валу с двумя рукоятками - два или четыре; на цепи тягового колеса - не более трех человек
Плечо (радиус) вращения рукояток должно быть не более 400 мм. Ось вращения рукоятки располагают обычно на высоте 900-1100 мм от уровня пола. Если приводной вал расположен на высоте, исключающей применение рукоятки, используют тяговые колеса, приводимые во вращение бесконечной цепью такой длины, что нижняя часть ее петли находится на высоте примерно 0,6 м от поверхности, на которой стоит рабочий, управляющий машиной. Для этой цели обычно используют сварную цепь, изготовленную из прутка диаметром 5-6 мм. Диаметр D тягового колеса обычно составляет 300-1000 мм. Колесо имеет направляющие для предотвращения от спадания с него тяговой цепи. Ручка рукоятки имеет длину 300-350 мм, если колесо вращает один рабочий, и 450-500 мм - при совместной работе двух рабочих. Две рукоятки на одном валу располагают под углом 120 или 90° одна относительно другой.
Плечо приводных рукояток домкратов принимают в пределах 200-250 мм при высоте оси вращения примерно 500 мм от уровня опорной поверхности домкрата. При качающейся рукоятке домкрата длина рукоятки не превышает 800 мм.
При проверке рукояток, педалей и элементов ручного управления на прочность расчет ведут на возможное случайное приложение силы, равной весу рабочего, принимаемой при расчете 800 Н. При ручном механизме с тяговой цепью расчетную силу принимают равной 1200Н.
Согласно уравнению, скорость подъема груза тем меньше, чем больше его вес. Однако это уравнение справедливо только для груза номинальной массы. Так как скорость руки рабочего изменяется в незначительных пределах, то при постоянном передаточном числе механизма подъем грузов различного веса производится практически с неизменной скоростью; при этом сила F изменяется пропорционально изменению веса груза. Поэтому для увеличения скорости подъема грузов малого веса и пустого крюка в ручных механизмах применяют передачи с переменным передаточным числом или рукоятки с переменным плечом. Время подъема груза на высоту h определяют из уравнения равномерного движения:
Электрический привод состоит из электродвигателя, аппаратуры управления и механической передачи от двигателя к рабочему органу машины. Выбор типа двигателя производится в зависимости от рода тока и номинального напряжения, номинальной мощности и частоты вращения, вида естественной характеристики двигателя и его конструктивного исполнения.
В подъемно-транспортных машинах применяются специальные крановые и металлургические двигатели постоянного тока серии Д и двигатели общепромышленного типа серии 2П, крановые и металлургические асинхронные двигатели переменного тока с фазным ротором серии MTF и МТН, а также крановые и металлургические двигатели с короткозамкнутым ротором серии MTKF и МТКН, а в приводах малой мощности применяют асинхронные двигатели единой серии 4Л с короткозамкнутым ротором. Так, для привода кран-балок и подъемников, а также для привода механизмов передвижения широко используются асинхронные электродвигатели 4А-С с короткозамкнутым ротором и с повышенным скольжением и двигатели 4АР с повышенным пусковым моментом.
В отечественном краностроении существует тенденция к преимущественному применению двигателей переменного тока, не требующих специальных преобразователей. В отдельных случаях двигатели мощных крапов можно питать постоянным током от индивидуальных преобразователей, но при этом существенно возрастают стоимость и эксплуатационные расходы. Однако двигатели постоянного тока более удобны для использования в грузоподъемных машинах, так как они способны создавать больший пусковой момент, позволяют осуществлять регулирование частоты вращения в широких пределах и могут использоваться с большей частотой включений, чем двигатели переменного тока.
По способу возбуждения двигатели постоянного тока подразделяют на двигатели последовательного, параллельного и смешанного возбуждения.
Характеристика двигателя называется жесткой, если при изменении момента нагрузки частота вращения двигателя изменяется незначительно. Если же при изменении нагрузки происходит значительное изменение частоты вращения, то такая характеристика называется мягкой. Наиболее мягкая характеристика у двигателя с последовательным возбуждением. Наиболее жесткой является характеристика двигателя с параллельным возбуждением. Характеристика двигателя со смешанным возбуждением занимает среднее положение. Максимальный момент двигателей постоянного тока ограничен током короткого замыкания и может во много раз превышать номинальный момент. Однако максимальный момент ограничен условиями нагрева двигателя и механической прочностью двигателя и механизма. Поэтому ГОСТ 184-71 устанавливает предельно допускаемые нагрузки для двигателей с последовательным возбуждением.
При опускании груза механизмом, имеющим двигатель постоянного тока, энергия поднятого груза возвращается в сеть (рекуперация энергии), что является также преимуществом двигателей постоянного тока.
Наибольшее применение в механизмах кранов имеют двигатели с последовательным возбуждением благодаря мягкой характеристике и высокому значению пускового момента. Движение механизма, оснащенного этим двигателем, при малых нагрузках происходит со значительно более высокими скоростями, чем при грузе номинального веса, что увеличивает производительность машины. При использовании этого двигателя надо учитывать значительное изменение частоты вращения с изменением нагрузки. Это обусловливает минимальное значение нагрузки, соответствующей максимально допустимой частоте вращения ротора двигателя.
Двигатели с параллельным возбуждением применяют в тех механизмах, где по условиям технологического процесса требуется постоянный момент на валу и возможность плавно и в достаточно широких пределах регулировать частоту вращения. Двигатели смешанного возбуждения используют в тех случаях, когда требуется большой пусковой момент и смягченная характеристика, например, у машин, в которых нагрузка в отдельные моменты может быть близка к нулю. Наиболее часто двигатели смешанного возбуждения применяют в механизмах поворота и передвижения.
Так как использование двигателей постоянного тока требует применения специальных выпрямителей, преобразующих ток промышленной частоты в постоянный, как уже говорилось, предпочтительно устанавливать в подъемно-транспортных машинах асинхронные двигатели переменного тока, питающиеся непосредственно от сети, не требующие дорогих преобразовательных устройств и имеющие меньший вес, габариты и стоимость. Крановые асинхронные двигатели серий MTF, MTH, MTKF и MTKH характеризуются повышенной нагрузочной способностью, большими пусковыми момента ми при сравнительно небольших пусковых токах, малым временем разгона.
Механическая характеристика этих двигателей в рабочей части жесткая, поэтому обычно частоту вращения считают постоянной и не зависящей от нагрузки.
Двигатели с короткозамкнутым ротором более надежны в эксплуатации и более дешевы. Они применяются в тех случаях, когда не требуется плавное регулирование скорости движения механизма. Они применяются, например, для привода электроталей, кран-балок, механизмов кранов, подъемников и всякого рода вспомогательных механизмов, работающих в повторно кратковременном режиме со сравнительно небольшой частотой включений. Дальнейшее расширение области использования этих двигателей ограничивается их нагревом при повышенной частоте включений, допускаемыми ускорениями механизма в процессе пуска и в некоторых случаях допускаемым значением силы пускового тока.
Двигатели с короткозамкнутым ротором подключают непосредственно к сети, и в момент пуска сила тока в 4-6 раз превышает номинальное значение установившегося движения. Максимальная нагрузка асинхронного двигателя четко ограничена значением его критического (опрокидывающего) момента. Возможность использования двигателя при нагрузках, близких к критическому моменту, ограничивается не только опасностью перехода на неустойчивую часть характеристики, но и резко возрастающими потерями и чрезмерным нагреванием двигателя. Поэтому асинхронный двигатель нельзя нагружать даже кратковременно моментом выше 60% критического момента для двигателей с фазным ротором и выше 60% пускового момента (момента включения) для двигателей с короткозамкнутым ротором.
Крановое оборудование должно надежно работать при напряжении в сети, составляющем 85% номинального.
Возможность применения двигателей с короткозамкнутым ротором необходимо проверять путем расчета, при котором определяют получаемые значения ускорения при пуске, что имеет особое значение для механизмов передвижения, где при приложении пускового момента возможно пробуксовывание ходовых колес по рельсам. Двигатели с короткозамкнутым ротором имеют следующие недостатки: пусковой момент (а следовательно, и ускорение механизма) при пуске имеет высокое значение, близкое к максимальному что затрудняет управление и вызывает высокие динамические нагрузки в элементах механизма и раскачивание груза; все пусковые потери, пропорциональные кинетической энергии привода, идут на нагрев обмоток самого двигателя, в то время как в двигать с фазным ротором часть потерь идет н.) нагрев пусковых сопротивлений, расположенных вне двигателя; затрудненность регулирования частоты вращения приводит к необходимости повышения частоты включений, что также повышает нагрев короткозамкнутых двигателей.
Асинхронные двигатели с фазным ротором имеют несколько большую массу, габариты и стоимость, зато потери энергии в обмотках при переходных процессах меньше, чем у двигателей с короткозамкнутым ротором. Поэтому их рационально применять при более напряженном режиме работы. Они, как и двигатели постоянного тока, включаются в сеть через регулируемые сопротивления (реостаты). В зависимости от значения сопротивления разгон двигателя осуществляется по одной из искусственных характеристик. В начальный момент сила тока ограничена максимальным сопротивлением.
Электродвигатели с фазным ротором применяются для привода механизмов большинства кранов, подъемников, некоторых экскаваторов. Недостатком их является то, что у них нельзя получить жесткие искусственные механические характеристики при малых частотах вращения.
Максимальный пусковой момент двигателей постоянного и переменного тока с фазным ротором ограничен искусственными (реостатными) характеристиками.
По конструктивному исполнению электродвигатели подразделяются в зависимости от способа крепления и вида защиты от воздействия окружающей среды. Двигатели выпускаются с вертикальным и горизонтальным расположением вала; с корпусом, имеющим для крепления специальные лапы или фланец. Некоторые двигатели имеют одновременно и лапы и фланец. Фланцевые двигатели широко используются в приводе электроталей и некоторых лебедок. В ряде случаев используются так называемые встраиваемые двигатели, не имеющие станины, подшипниковых щитов и вала. Такие двигатели встраиваются непосредственно в корпус машины, например в барабан электротали.
Рассматривая характеристики двигателей, следует различать двигательный и тормозной режимы их работы. В двигательном режиме приводятся в движение рабочие органы машины и роизводит подъем груза, передвижение крана или тележки. В тормозном режиме двигатель замедляет движение машины или препятствует развитию чрезмерно высокой скорости. При работе в двигательном режиме направление вращения двигателя совпадает с действием момента. В тормозном режиме момент двигателя направлен против направления вращения. Примерами работы двигателя в тормозном режиме являются ограничение скорости спуска тяжелых грузов, электрическое торможение крана или тележки перед остановкой.
Рассмотрим различные режимы работы, изображенные на рис. 109. Примем положительное направо вращение против хода ч.; вой стрелки.
При опускании тяжелых грузов двигатель развивает тормозной момент, направленный против направления движения. В этом случае момент двигателя является отрицательным и опускание называется тормозным. Если же опускается легкий груз, вес которого не может преодолеть момент сопротивлений механизма, то двигатель развивает момент, направленный в сторону движения груза. В этом случае момент двигателя положителен и такое опускание называется силовым. Момент сопротивления трения в элементах привода в этом случае отрицательный.