基于反磁力矩的電力系統(tǒng)吊籃設(shè)計

基于反磁力矩的電力系統(tǒng)吊籃設(shè)計

隨著建筑蓬勃發(fā)展，高層建筑數(shù)量眾多，高架建筑越來越受用戶歡迎。它廣泛應(yīng)用于各種高層建筑的外墻裝修、清洗保養(yǎng)以及橋梁、機(jī)場、大壩、高塔、煙囪等工程施工中。根據(jù)用戶意見,目前一些高處作業(yè)吊籃在使用過程中出現(xiàn)下降頻繁“跳動”現(xiàn)象,即吊籃下降時每隔一段時間或距離突然劇烈地跳動一下,給施工人員帶來極大的恐懼感,也使提升機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重,吊籃受力部件承受巨大的沖擊載荷,影響設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性和使用壽命。這種現(xiàn)象往往被用戶視為質(zhì)量問題,極其影響產(chǎn)品形象。本文結(jié)合凱博La系列輕型吊籃的實(shí)際設(shè)計經(jīng)驗(yàn),針對這一問題論述如下。1錯誤分析1.1電機(jī)轉(zhuǎn)速下降過程中的電機(jī)振動變化以提升機(jī)繩輪為研究對象,其等效力學(xué)模型及運(yùn)動狀態(tài)參照圖1所示,它受到重力G、軸承壓力N、鋼絲繩提升力T、鋼絲繩摩擦力矩Mf、動力端驅(qū)動力矩Md的作用,下降速度為V,轉(zhuǎn)動速度為ωL,其動力學(xué)關(guān)系滿足下式式中:J為繩輪的轉(zhuǎn)動慣量;Mf與繩輪轉(zhuǎn)向一致;即Mf>0。設(shè)電機(jī)驅(qū)動力矩為M,轉(zhuǎn)速為ω,傳動系統(tǒng)總效率為η,總傳動比為i,則根據(jù)功率傳遞原理,有Mωη=MdωL(2)參照圖2,當(dāng)電機(jī)啟動時電機(jī)轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速ωs,電機(jī)力矩為正(在繩輪上電機(jī)等效力矩與繩輪轉(zhuǎn)動方向一致),工作于電動狀態(tài),作正功。由式(4)可見,此時dω/dt>0,吊籃在電機(jī)驅(qū)動力及摩擦驅(qū)動力矩Mf的共同作用下加速下降,電機(jī)轉(zhuǎn)速也逐步升高;當(dāng)其達(dá)到同步轉(zhuǎn)速時,電機(jī)驅(qū)動力矩為零,其工作狀態(tài)便要發(fā)生突變。此時吊籃在摩擦力矩Mf的作用下,繼續(xù)加速下行,提升機(jī)繩輪轉(zhuǎn)速也進(jìn)一步升高,通過傳動機(jī)構(gòu)反驅(qū)動電,使電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高,進(jìn)入發(fā)電工作狀態(tài)。由此可見,在下降過程中,電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)際上會超過同步轉(zhuǎn)速。此時,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于定子線圈磁場轉(zhuǎn)速,反向切割磁力線,產(chǎn)生反向電勢,向電網(wǎng)輸電,變成了“發(fā)電機(jī)”,同時轉(zhuǎn)子受到反方向的磁力力矩,此時電機(jī)輸出力矩M<0。電機(jī)的這一反磁力矩,在吊籃提升機(jī)的設(shè)計中,正好可以做為系統(tǒng)的制動力矩,將重力功巧妙地轉(zhuǎn)化為電能,輸回電網(wǎng),既達(dá)到限速的目的,又節(jié)約能耗,且可避免提升機(jī)發(fā)熱。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的逐步升高,反磁力矩愈來愈大,直至完全克服摩擦力矩Mf的作用,即Jdω/dt=(Mf+Miη)i=0,此時,電機(jī)受力達(dá)到平衡狀態(tài),吊籃開始勻速穩(wěn)定下降。我們在設(shè)計過程中,應(yīng)保證電機(jī)穩(wěn)定工作在這一發(fā)電制動狀態(tài)。然而,如果電機(jī)的最大反磁力矩作用小于摩擦驅(qū)動力矩Mf時,即Mf-Mmaxiη>0,那么恒有dω/dt>0,吊籃運(yùn)行速度將不斷升高,當(dāng)超過圖2中ωz點(diǎn)后,電機(jī)的反磁力矩迅速下降,制動能力大幅度削弱,導(dǎo)致下降加速度愈來愈大,速度特性進(jìn)入一種惡性的正反饋狀態(tài),完全失去了控制。此時,必須采用外部制動器來控制速度,制動器的必要性和重要性也正體現(xiàn)于此。1.2吊籃“擊穿”的形成原因?yàn)榱朔乐沟趸@運(yùn)行速度超過安全速度,一般在提升電機(jī)輸出軸或其直連零部件端,設(shè)計有一個離心式制動器,如圖3所示(以La400為例)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過一定速度時,離心塊的離心力就會克服彈簧的初拉力而外張。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過設(shè)計制動速度時,離心塊就已外張到能夠?qū)⒁r片壓緊在制動轂上,此時就會產(chǎn)生巨大的制動力矩,使吊籃速度在短時內(nèi)迅速下降,由于細(xì)長鋼絲繩的彈性拉伸與收縮作用,此時從吊籃的外部運(yùn)行特性來看,即出現(xiàn)了劇烈的跳動,吊籃“跳動”的直接原因是制動器在動作。吊籃在工作過程中,制動器偶爾動作是正常的,但出現(xiàn)頻繁制動則是不正常的,因?yàn)殡x心式制動器是起安全保護(hù)作用的,防止因意外原因使電機(jī)超速失控,它是限速裝置,而非調(diào)速裝置。吊籃下降頻繁跳動,其主要原因有以下三點(diǎn)。1.2.1帶制動動作較頻繁跳勁當(dāng)制動速度過低時,如選擇為電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速,則必然發(fā)生頻繁“跳動”現(xiàn)象。因?yàn)楦鶕?jù)上述分析,只要運(yùn)行后連續(xù)下降足夠的時間或距離(一般不超過10m),電機(jī)的轉(zhuǎn)速必然會超過同步轉(zhuǎn)速,此時制動器即產(chǎn)生制動動作,使吊籃跳動一次,再過一段距離,制動器又動作,吊籃又跳動一次,從而,吊籃便產(chǎn)生了頻繁跳動。如下幾個因素可能導(dǎo)致制動器制動速度過低:1)設(shè)計制動速度的選擇。由于沒有詳細(xì)考慮到下降運(yùn)行動力學(xué)特性以及電機(jī)的發(fā)電制動狀態(tài),部分設(shè)計人員簡單地認(rèn)為電機(jī)轉(zhuǎn)速一般不會超過額定轉(zhuǎn)速,而將制動速度選擇得較低。2)離心塊及彈簧的設(shè)計。即使制動速度選擇得較合理,但在離心塊及彈簧的設(shè)計中未能保證,實(shí)際制動速度仍然會偏低。離心塊的質(zhì)心回轉(zhuǎn)半徑、質(zhì)量、彈簧的初拉力以及制動速度必須滿足一定的動力學(xué)關(guān)系,才能保證制動器正確工作。1.2.2電機(jī)容量及實(shí)際驅(qū)動能力電機(jī)發(fā)電制動狀態(tài)的扭矩特性與電動狀態(tài)的扭矩特性是完全相對應(yīng)的,電機(jī)容量或?qū)嶋H驅(qū)動能力不足,就將直接影響其制動能力。在這種情況下,即使在額定載荷以下工作,電機(jī)也很容易達(dá)到制動速度,使制動器頻繁動作。1.2.3電機(jī)容量過大造成電機(jī)轉(zhuǎn)速頻繁超速吊籃提升機(jī)在設(shè)計中由于考慮到質(zhì)量等原因,其電機(jī)容量一般允許超載余度并不大,在實(shí)際操作過程中施工人員超載使用,很容易導(dǎo)致下降過程中電機(jī)轉(zhuǎn)速頻繁超越安全速度,使制動器動作。2關(guān)鍵技術(shù)2.1z點(diǎn)和鄰域的選擇制動速度不能過低,但也不能太高。若制動速度太高,則有兩個不利因素:(1)由于制動速度高,電機(jī)在高速區(qū)制動能力小,制動器承受的制動力矩大,發(fā)熱嚴(yán)重,制動器磨損嚴(yán)重;(2)給設(shè)備帶來的沖擊載荷也大,影響其它受力部件使用壽命。參照圖2,最佳的制動速度應(yīng)該選擇在ωz點(diǎn)或其下方鄰域。這樣,可以充分利用電機(jī)的制動能力,并可將其超載能力發(fā)揮到最大限度。而且,當(dāng)制動器動作時,電機(jī)在此點(diǎn)也具有最大的制動力矩,可以減少制動器的負(fù)荷,減少發(fā)熱。一般情況下,設(shè)計人員只能獲得電機(jī)額定轉(zhuǎn)速及其額定扭矩參數(shù),可以按如下方法近似求得ωz點(diǎn)。參照圖2,因?yàn)殡姍C(jī)負(fù)載特性曲線關(guān)于ωs點(diǎn)是對稱的,且接近線性變化規(guī)律,故近似滿足下式其中,Mmax=λMN,λ為過載系數(shù)(一般為1.8～2.2),在普通Y系列(IP44)電機(jī)中,對于2、4極電機(jī),λ=2.2,對于6、8極電機(jī),λ=2.0。令為制動速度系數(shù),則式中:εN為電機(jī)額定轉(zhuǎn)差率,εN=1-ωN/ωs,一般K值計算結(jié)果在1.1～1.2之間。由式可見制動速度系數(shù)其實(shí)完全可以根據(jù)電機(jī)額定轉(zhuǎn)差率確定,故利用額定轉(zhuǎn)差率求ωz的計算式為2.2制動各臨界加速度f制動器的結(jié)構(gòu)如圖3所示,其關(guān)鍵部件是離心制動塊與拉伸彈簧。以離心塊為研究對象,它在初始工作過程中的力學(xué)關(guān)系滿足式中:r1為靜止時刻離心塊質(zhì)心半徑;m為離心塊質(zhì)量;F為彈簧拉力。當(dāng)N1=0時,離心力即將克服彈簧的預(yù)拉力而向外張,制動器進(jìn)入臨界制動狀態(tài),此時有式中:F0為彈簧預(yù)拉力;ω0為臨界制動轉(zhuǎn)速。由于制動轂與制動塊間隙較小,設(shè)計中可將這一臨界速度確定為制動速度。只要速度再增加,制動器即與制動轂接觸并壓緊,產(chǎn)生較大的反作用壓力和制動摩擦力。在提升機(jī)臨近制動時,ω02rgsinα,故彈簧設(shè)計預(yù)拉力可取為當(dāng)制動速度、制動塊的結(jié)構(gòu)尺寸及安裝位置確定后,彈簧預(yù)拉力就可根據(jù)式(12)確定了。3電機(jī)工況及制動速度通過上述分析,可以得出以下結(jié)論:1