ЭЛЕКТРОПРИВОД ДВУСТВОРЧАТЫХ ВОРОТ ШЛЮЗА
С КАМЕРОЙ ШИРИНОЙ 22 м
Исходные данные
В = 22 – ширина камеры шлюза, м
НС = 17,5 – высота створки ДСВ, м
hC= 4,5 – заглубление створки ДСВ, м
θmax = 75 – полный угол поворота створки ДСВ, град.
Δh = 0,2 – перепад уровней воды у створки ДСВ, м
αmax= 195 – полный угол поворота колеса КШМ, град
FТдоп = 550 – допустимое усилие в тяговом органе КШМ, кН
С = 15·103 – жесткость демпферной пружины штанги, кН/м
tC = 100 – продолжительность закрытия ДСВ, с
По исходным данным, соответствующим варианту задания, выполняются следующие этапы проектирования:
Схематическое изображение объекта (нижней головы шлюза).
Формулировка требований к электроприводу.
Выбор типа и структуры электропривода
Расчет статических нагрузок и мощности привода.
Расчет параметров кинематической цепи привода.
Разработка электрических схем, выбор элементов силовой и информационной частей электропривода, составление таблицы спецификации
Описание работы электропривода по построенным электрическим схемам.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ОГЛАВЛЕНИЕ 2
ВВЕДЕНИЕ 4
1.ОБЩИЕ ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ 5
1.1.Однокамерный шлюз 5
1.2.Основное механическое оборудование шлюза 6
1.3.Светофорная сигнализация 7
1.4.Технологический процесс пропуска судов через шлюз 8
1.5.Управление механизмами и светофорами шлюза 10
2.ВЫБОР ТИПА И СТРУКТУРЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА 11
2.1.Обзор электроприводов двустворчатых ворот шлюза 11
2.2.Обоснование выбора типа проектируемого электропривода ДСВ 14
2.3.Построение структурной схемы проектируемого электропривода 14
3.РАСЧЁТ СТАТИЧЕСКИХ НАГРУЗОК И МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПРИВОДА 15
3.1.Составляющие результирующей нагрузки 16
3.2.Расчет момента сил трения в пяте и гальсбанте 16
3.3.Расчет момента сил от ветровой нагрузки 18
3.4.Расчет момента силы от перепада уровней воды 18
3.5.Расчет момента силы от действия присоединенных масс воды 18
3.6.Расчет среднего значения момента сил 19
3.7.Предварительный расчет мощности электродвигателя 20
4.РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ ЦЕПИ ПРИВОДА 21
4.1.Построение расчетной модели кинематической цепи привода 22
4.2.Расчет передаточного отношения кривошипно- штангового механизма 24
4.3.Интерполяция зависимости передаточного отношения кривошипно-штангового механизма от угла поворота створки 27
4.4.Расчет диаметра приводного колеса кривошипно-штангового механизма 28
4.5.Расчет передаточного отношения редуктора и открытой зубчатой передачи 28
4.6.Определение статического момента сопротивления на валу электродвигателя 30
5.РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ, ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ СИЛОВОЙ И ИНФОРМАЦИОННОЙ ЧАСТЕЙ ЭЛЕКТРОПРИВОДА 31
5.1.Построение электрической схемы силовой части электропривода 31
5.2.Построение электрической схемы информационной части электропривода 32
5.3.Выбор и проверка электродвигателя 33
5.4.Выбор силовых элементов электропривода 34
5.5.Выбор аппаратов управления, защиты и коммутации электрических цепей 35
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 39
ВВЕДЕНИЕ
Внутренние водные пути, являющиеся для многих европейских государств одной из главных составляющих единой транспортной системы, занимают в России особое место. Действительно, в стране с развитой сетью водных путей, протяженность которых составляет более 140 тыс.км, работоспособность транспортной системы в значительной степени определяется эффективностью эксплуатации внутренних водных путей.
Следует отметить, что увеличение пропускной способности неминуемо приведет к интенсификации работы судоходного шлюза и, прежде всего, его основного механического оборудования. Учитывая, что большинство судоходных шлюзов эксплуатируется более 40 лет, и их оборудование во многом морально и физически устарело, совершенствование конструкций основного механического оборудования - рабочих ворот и затворов водопроводных галерей - является весьма актуальной задачей.
Повышение надежности работы основного механического оборудования судоходных шлюзов продиктовано также тем, что шлюз, являясь напорным гидротехническим сооружением, представляет собой объект повышенной опасности как для обслуживающего персонала, так и в целом для окружающей среды нижнего и верхнего бьефов.
Таким образом, решению крупной народнохозяйственной задачи повышения пропускной способности судоходных шлюзов должно предшествовать решение не менее важной задачи по разработке надежных и эффективных конструкций и узлов их основного механического оборудования.
Курсовое проектирование электропривода двустворчатых ворот (ДСВ) шлюза относится к курсу «Электрооборудование береговых объектов водного транспорта». Оно предполагает выполнение следующих этапов работы:
1) изучение оборудования шлюза и технологии работы;
2) выбор типа и структуры электропривода ДСВ;
3) расчет статических нагрузок и мощности электродвигателей привода ДСВ;
4) расчет параметров кинематической цепи привода ДСВ;
5) разработку электрических схем и выбор элементов силовой и информационной частей электропривода ДСВ.
ОБЩИЕ ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Однокамерный шлюз
Однокамерный шлюз (рис.1.1) - гидротехническое сооружение, предназначенное для вертикального подъема и спуска транспортных судов на разные уровни бьефов водного пути.
Рисунок 1.1. Изобразительная модель однокамерного шлюза с элементами
технологического процесса шлюзования судна
ВГ - верхняя голова шлюза; НГ – нижняя голова шлюза; КШ – камера шлюза; ВБ – верхний бьеф, НБ - нижний бьеф; ШС – шлюзующееся судно; ПОВ – подъемно-опускные ворота; ДСВ – двустворчатые ворота; СВ1, СВ2 – створки двустворчатых ворот; ВПГ1, ВПГ2 – водопроводные галереи; З1, З2 – затворы водопроводных галерей; С1…С4 – светофоры; УВБ – уровень верхнего бьефа; УНБ – уровень нижнего бьефа; УК – уровень воды в камере шлюза; Н – напор (перепад уровней верхнего и нижнего бьефа)
Шлюз действует по принципу сообщающихся сосудов, используя для подъема и опускания судов энергию гидростатического напора. Главным рабочим органом шлюза, выполняющим собственно транспортировку судов, является камера (КШ), которая ограничивается по длине воротами (ПОВ и ДСВ), перекрывающими судоходное отверстие шлюза.
Со стороны верхнего бьефа (ВБ) и нижнего бьефа (НБ) камера сопрягается с массивными «головами» (соответственно с верхней ВГ и с нижней НГ), которые служат для восприятия напора, размещения ворот и механизмов. Относительно створа плотины шлюз (в рассматриваемом случае) вынесен в нижний бьеф. Поэтому верхняя голова шлюза конструктивно приспособлена к длительному удержанию напора. В теле нижней головы предусмотрены водопроводные галереи (ВПГ1 и ВПГ2), сообщающие камеру с нижним бьефом. Для установления этого сообщения (разобщения) служат затворы (З1 и З2) водопроводных галерей.
Примем для определенности, что глубины судового хода в верхнем бьефе и в нижнем бьефе (по уровням УВБ и УНБ) составляют 4 м, длина камеры (расстояние между воротами) 160 м. Ширина камеры задается по исходным данным на курсовое проектирование в пределах от 14 до 22 м.
Основное механическое оборудование шлюза
Верхние ворота однополотные подъемно-опускные (ПОВ), приводимые в движение с помощью цепных передач (рис. 1.2);
Рисунок 1.2. Изобразительная модель подъемно-опускных ворот
с цепными передачами
Эксплуатационные положения ворот: «открыты» (судоходное), «закрыты» (рабочее), «наполнение». Перемещение ворот в каждое эксплуатационное положение производится с помощью электрического привода ПОВ, который приводит во вращение звездочки цепных передач. Допустимый перекос ворот (рассогласование положений по вертикали левой и правой кромок ворот) составляет 40 мм. Перемещение ворот прекращается при перекосе не более 60 мм.
Управление движением ворот в положение «наполнение» с целью наполнения камеры водой до уровня верхнего бьефа осуществляется по определенной программе обычно на пониженной скорости. Программа выбирается по условиям безопасности отстоя судов в камере шлюза.
Кроме штатных режимов перемещения ворот в эксплуатационные положения в соответствии с технологическим процессом шлюзования, для ПОВ долен бать предусмотрен аварийный режим перемещения в рабочее положение с целью перекрытия судоходного отверстия шлюза. Аварийное перемещение ПОВ должно выполняться из любого начального положения ворот по соответствующей команде.
Нижние ворота двустворчатые (ДСВ), приводимые в движение с помощью кривошипно-штанговых механизмов (КШМ) створок ворот. В состав кривошипно-штангового механизма каждой створки ворот входит приводное колесо и штанга (рис. 1.3.а). Штанга с помощью механических пальцев прикрепляется к приводному колесу одним концом и к створке ворот другим концом.
Рисунок 1.3. Изобразительные модели кривошипно-штангового механизма (а)
и створок ворот в рабочем положении (б)
Приводное колесо приводится во вращение электроприводом. Движение от приводного колеса передается створке ворот с помощью штанги (оси вращения приводного колеса и створки показаны на рис. 1.3а затемненными кружками). Кривошипно-штанговый механизм характеризуется передаточным отношением, которое зависит от угла поворота створки ворот (и от угла поворота приводного колеса КШМ).
ДСВ имеют два эксплуатационных положения: «судоходное» - ворота открыты и «рабочее» - ворота закрыты.
Кромки створок (створные столбы) ворот профилированы (профили створок в упрощенном виде показаны на рис. 3б при положении ДСВ «рабочее»). Створение при закрытии ворот должно проходить так, чтобы правая створка (СВ2) дожимала левую створку (СВ1) до конечного положения.
Затвор водопроводной галереи однополотный вертикального перемещения с помощью цепных передач по аналогии с ПОВ на рис. 1.2. Вращение звездочкам цепных передач затвора передается от электродвигателя привода затворов водопроводных галерей через редуктор с одним входным валом, соединенным с двигателем, и двумя выходными валами, на которых закреплены звездочки. Перемещения затворов двух водопроводных галерей синхронизируются при опорожнении камеры. Эксплуатационные положения каждого затвора: «открыт», «закрыт», «первый приспуск», «второй приспуск».
Операции первого приспуска системы опорожнения или определенный график подъема затворов обеспечивают безопасный отстой судов в камере шлюза при опорожнении камеры. Второй приспуск вводится для сокращения времени выполнения закрытия затворов, при совмещении операций ввода в шлюз и выхода судов из шлюза с частичным спуском затворов.
Светофорная сигнализация
На шлюзе предусматривается светофорная сигнализация в каждом направлении шлюзования судов («вниз» и «вверх»):
дальний (подходной) светофор разрешает подход судов к причалу ожидания (на рис. 1.1 не показан);
промежуточный светофор ограничивает зону причала ожидания и регулирует судоходство непосредственно на подходе к шлюзу (на рис. 1.1 не показан);
входной светофор разрешает вход судна в камеру в соответствующем направлении движения (светофоры С1 и С3 на рис. 1.1);
выходной светофор разрешает выход судна из камеры в соответствующем направлении (светофоры С2 и С4 на рис. 1.1).
Все светофоры бинарные: зеленый свет разрешает движение судов, красный – запрещает движение за светофор.
Работа входного и выходного светофоров должна быть согласована с положением входных и выходных ворот соответствующего направления. Должна быть предусмотрена подача команды на смену сигнала светофора в ручном и в автоматическом режимах.
Технологический процесс пропуска судов через шлюз
На шлюзе в технологическом процессе пропуска судов реализуются:
1) рабочее шлюзование вниз (РШН);
2) рабочее шлюзование вверх (РШВ);
3) холостое шлюзование вниз (ХШН);
4) холостое шлюзование вверх (ХШВ).
Технологические циклы:
цикл № 1: «РШН – РШВ» (при встречных потоках судов из верхнего и из нижнего бьефов);
цикл № 2: «РШН - ХШВ» (при одностороннем потоке судов из верхнего бьефа);
цикл № 3: «ХШН - РШВ» (при одностороннем потоке судов из нижнего бьефа).
На рис. 1.4 с помощью упрощенных диаграмм представлен цикл №1 технологического процесса пропуска судов через шлюз. При построении диаграмм принято:
отображаются во времени только разрешающие (зеленые) сигналы светофоров (С1, С2, С3, С4); запрещающие сигналы не отображаются (светофоры бинарные);
состояния шлюзующихся судов (ШС1, ШС2), ворот (ПОВ, ДСВ), затворов (З1, З2) характеризуются во времени с помощью графиков скоростей их движения в линейном приближении;
скорость движения судна (ШС1) принимается положительной при шлюзовании вниз и отрицательной (для ШС2) при шлюзовании вверх;
скорость перемещения подъемно-опускных ворот (ПОВ) и затворов (З1 и З2) принимается положительной, когда они перемещаются вверх, и отрицательной, когда они перемещаются вниз;
скорость, с которой изменяется уровень воды в камере (УК), принимается положительной при наполнении камеры, отрицательной при опорожнении камеры;
Рисунок 1.4. Упрощенные временные диаграммы операций пропуска судов через шлюз
1 – подача разрешающего сигнала светофора С1 на ввод судна ШС1 в камеру шлюза из верхнего бьефа; 2 – ввод ШС1 в камеру шлюза; 3 – перемещение ПОВ в положение «рабочее»; 4 – открытие затворов З1 и З2 водопроводных галерей; 5 – снижение уровня в камере КШ до уровня нижнего бьефа; 6 – открытие ДСВ; 7 – подача разрешающего сигнала светофора С2 на вывод ШС1 из КШ в нижний бьеф; 8 – вывод ШС1 из КШ; 9 – подача разрешающего сигнала светофора С3 на ввод судна ШС2 из нижнего бьефа в камеру шлюза; 10 – ввод ШС2 в КШ; 11 – закрытие ДСВ; 12 – закрытие З1 и З2; 13 – перемещение ПОВ в положение «наполнение»; 14 – повышение уровня в КШ до уровня верхнего бьефа; 15 – перемещение ПОВ в положение «судоходное»; 16 – подача разрешающего сигнала светофора С4 на вывод ШС2 из КШ в верхний бьеф; 17 – вывод ШС2 из КШ в верхний бьеф; 18 – подача разрешающего сигнала светофора С1 на ввод следующего судна из верхнего бьефа в КШ.
затворы З1 и З2 перемещаются синхронно;
пунктирными линиями со стрелками показаны переходы от технологической операции к последующей операции в соответствии с требованиями к технологическому процессу;
продолжительности отдельных операций отображены условно без единого масштаба их изображения на диаграммах.
Управление механизмами и светофорами шлюза
На шлюзе применяется автоматизированная система управления технологическим процессом пропуска судов через шлюз. В ней реализуются три вида управления: местное, раздельное и цикловое.
В системе автоматизированного управления предусматриваются три уровня, на которых вырабатываются управляющие воздействия:
первый (нижний) уровень занимают системы управления электроприводов и система управления светофорами;
на втором уровне находится система управления, с помощью которой реализуется раздельное и цикловое управление механизмами и светофорами. Она может работать в автоматическом режиме без участия вахтенного начальника шлюза и в полуавтоматическом режиме по командам от вахтенного начальника;
вахтенный начальник шлюза занимает третий уровень управления. В каждом конкретном случае он выбирает вид управления - местное, раздельное или цикловое.
В системах управления электроприводов и в системе управления светофорами первого уровня предусматриваются входы для приема команд (в виде двухуровневых электрических сигналов или (и) кодов на выполнение определенных действий) от систем второго и третьего уровней. В каждой системе управления первого уровня должны быть предусмотрены соответствующие органы ручного управления, для реализации местного и раздельного управления.
В системах управления должны быть предусмотрены следующие технологические блокировки:
- блокировка уровней воды, исключающая открытие ворот при разных уровнях воды камеры шлюза и бьефа;
- взаимная блокировка электроприводов ворот нижнего и верхнего бьефа, исключающая одновременную их работу и открывание, если открыты противоположные ворота;
- блокировка ворот нижней головы шлюза с затворами опорожнения камеры, допускающая открытие ворот лишь при открытых затворах;
- блокировка входного (выходного) светофора с воротами, исключающая подачу разрешающего сигнала светофора на вход в камеру (выход из камеры) судна, если ворота не занимают положение «судоходное».
Порядок выполнения технологических операций механизмами шлюза и светофорами строго определен. Поэтому алгоритмическое обеспечение систем управления обоих уровней необходимо предусмотреть в классе автоматных моделей конечных автоматов.
Предпочтительна реализация систем управления на основе элементов программируемой логики с применением логических контроллеров.
ВЫБОР ТИПА И СТРУКТУРЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Выбор типа электропривода должен быть согласован с общими исходными данными, приведенными в разделе 1 данного пособия, и с индивидуальными исходными данными, указанными в выданном преподавателем задании на курсовое проектирование.
Требования к электроприводу:
ЭП должен обладать достаточной мощностью, а электродвигатели к тому же достаточной перегрузочной способностью, чтобы обеспечить эксплуатационное и аварийное перемещение механизмов за требуемое время;
ЭП должен обеспечивать плавное протекание переходных процессов, особенно при пуске и остановке механизмов;
ЭП должен допускать гибкое программное управление положением и скоростью механизма.
Обзор электроприводов двустворчатых ворот шлюза
Привод двустворчатых ворот (ДСВ) осуществляет угловое перемещение створок ворот относительно их вертикальных осей вращения. В нормальных эксплуатационных режимах привод перемещает створки из положения «судоходное» (ворота открыты) в положение «рабочее» (ворота закрыты) и в обратном направлении, открывая ворота. При закрытии ДСВ для их правильного створения реализуется программное управление движением створок. Одна из программ основана на следующем алгоритме (рис. 2.4).
Створки СВ1 и СВ2 приводятся в движение одновременно при включении в работу электропривода ДСВ. Когда между створными столбами остается небольшое расстояние (порядка 1,5 м) в позициях а и b, створка СВ2 останавливается, а створка СВ1 продолжает движение до позиции с и останавливается, немного не дойдя до положения створа. Створка СВ2 возобновляет движение. Когда она коснется створки СВ1, находящейся в положении с (для установления этого касания на створке установлен специальный кронштейн с путевым выключателем), обе створки доводятся электроприводом до конечного положения правильного створения.
Недостаток такой программы закрытия ПОВ обнаруживается при неблагоприятных метеоусловиях, например, при сильном ветре определенного направления и волнении, когда оказывается тяжелым пуск двигателя привода створки СВ2 после того, как она была остановлена в положении а. Этот недостаток устранен в программе, основанной на другом алгоритме управления движением створок. Он сводится к следующему.
Рисунок 2.1. Диаграмма последовательности остановок створок
при программном управлении закрытием двустворчатых ворот
Вначале закрытия ДСВ перемещается только створка СВ1, а затем через некоторое время начинает движение створка СВ2. Поэтому по углу поворота СВ2 отстает от СВ1. Створка СВ1 доходит до положения с и останавливается. Через некоторый промежуток времени с ней в касание входит створка СВ2, и обе створки доводятся электроприводом до правильного положения створа. Эта программа закрытия ДСВ может не обеспечить правильного створения ПОВ, если угловая скорость створки СВ2 по тем или иным причинам значительно превышает угловую скорость створки СВ1.
В табл. 1 на структурных схемах показаны основные силовые элементы используемых до настоящего времени электроприводов ДСВ (не показаны аппараты коммутации и защиты, тормозы и другие второстепенные элементы). Электродвигатели получают питание от внутренней трехфазной сети шлюза напряжением U (380/220 В).
Привод с асинхронными двигателями М1, М2 с короткозамкнутым или с фазным ротором без регулирования скорости (поз. 1 в табл. 1) может быть успешно применен, если в составе механической передачи привода кроме редукторов Р1, Р2 используется кривошипно-штанговый механизм (КШМ). Такой механизм имеет передаточное отношение, которое зависит от угла поворота створки. Вблизи предельных эксплуатационных положений створки, когда ДСВ открываются или закрываются, с помощью КШМ возможно получить (при соответствующей конструкции и расположении КШМ) сколь угодно большие передаточные отношения механической передачи в целом. Такая возможность позволяет обеспечить слабую зависимость скорости углового движения створки от скорости вращения двигателя привода. Это важно, например, для безударного створения ДСВ, т.к. скорость створки при подходе ее к предельному положению неизбежно снижается до малого значения.
Привод с асинхронными фазными двигателями с регулированием скорости изменением сопротивления цепи ротора (поз. 2 в табл. 1) широко применяется на шлюзах. Путем изменения сопротивлений R1 и R2 снижается скорость вращения электродвигателей М1 и М2 и, соответственно, скорость углового движения створок при их подходе к предельным эксплуатационным положениям. Скорости снижаются при пуске и остановке электродвигателей до значений, при которых не возникают недопустимые нагрузки в механической части электропривода.
Электрический привод с тормозными генераторами (поз. 3 в табл. 1) имеет более жесткие механические характеристики по сравнению с рассмотренными ранее электроприводами ДСВ. Это важно для стабилизации малых скоростей движения створок, чтобы избежать неправильного створения ДСВ и ударов створок из-за несвоевременного включения тормозов. Например, при повышенной скорости створки (из-за мягкой механической характеристики привода) включение тормоза по сигналу от путевого выключателя может привести к сильному соударению створок, а при пониженной скорости - к неполному створению ворот.
Таблица 1
Электроприводы двустворчатых ворот с механическими передачами
| 1 | Привод с асинхронными двигателями без регулирования скорости движения: М1, М2 - основные двигатели; Р1, Р2 - редукторы |  |
| 2 | Привод с асинхронными фазными двигателями с регулированием скорости изменением сопротивления цепи ротора: М1, М2 - основные двигатели; Р1, Р2 - редукторы; R1, R2 - резисторы |  |
| 3 | Электрический привод с тормозными генераторами: М1, М2 - основные двигатели; Gт1, Gт2 - тормозные генераторы; Р1, Р2 - редукторы |  |
| 4 | Электрический привод с "тиристорным управлением": М1, М2 - основные двигатели; Ав1, Ав2 - асинхронные вентильные каскады; Т1, Т2 - согласующие трансформаторы; Р1, Р2 - редукторы |  |
1 2 3