基于反磁力矩的电力系统吊篮设计

基于反磁力矩的电力系统吊篮设计

随着建筑蓬勃发展，高层建筑数量众多，高架建筑越来越受用户欢迎。它广泛应用于各种高层建筑的外墙装修、清洗保养以及桥梁、机场、大坝、高塔、烟囱等工程施工中。根据用户意见,目前一些高处作业吊篮在使用过程中出现下降频繁“跳动”现象,即吊篮下降时每隔一段时间或距离突然剧烈地跳动一下,给施工人员带来极大的恐惧感,也使提升机发热严重,吊篮受力部件承受巨大的冲击载荷,影响设备的运行稳定性和使用寿命。这种现象往往被用户视为质量问题,极其影响产品形象。本文结合凯博La系列轻型吊篮的实际设计经验,针对这一问题论述如下。1错误分析1.1电机转速下降过程中的电机振动变化以提升机绳轮为研究对象,其等效力学模型及运动状态参照图1所示,它受到重力G、轴承压力N、钢丝绳提升力T、钢丝绳摩擦力矩Mf、动力端驱动力矩Md的作用,下降速度为V,转动速度为ωL,其动力学关系满足下式式中:J为绳轮的转动惯量;Mf与绳轮转向一致;即Mf>0。设电机驱动力矩为M,转速为ω,传动系统总效率为η,总传动比为i,则根据功率传递原理,有Mωη=MdωL(2)参照图2,当电机启动时电机转速低于同步转速ωs,电机力矩为正(在绳轮上电机等效力矩与绳轮转动方向一致),工作于电动状态,作正功。由式(4)可见,此时dω/dt>0,吊篮在电机驱动力及摩擦驱动力矩Mf的共同作用下加速下降,电机转速也逐步升高;当其达到同步转速时,电机驱动力矩为零,其工作状态便要发生突变。此时吊篮在摩擦力矩Mf的作用下,继续加速下行,提升机绳轮转速也进一步升高,通过传动机构反驱动电,使电机转速进一步升高,进入发电工作状态。由此可见,在下降过程中,电机转速实际上会超过同步转速。此时,转子转速高于定子线圈磁场转速,反向切割磁力线,产生反向电势,向电网输电,变成了“发电机”,同时转子受到反方向的磁力力矩,此时电机输出力矩M<0。电机的这一反磁力矩,在吊篮提升机的设计中,正好可以做为系统的制动力矩,将重力功巧妙地转化为电能,输回电网,既达到限速的目的,又节约能耗,且可避免提升机发热。随着电机转速的逐步升高,反磁力矩愈来愈大,直至完全克服摩擦力矩Mf的作用,即Jdω/dt=(Mf+Miη)i=0,此时,电机受力达到平衡状态,吊篮开始匀速稳定下降。我们在设计过程中,应保证电机稳定工作在这一发电制动状态。然而,如果电机的最大反磁力矩作用小于摩擦驱动力矩Mf时,即Mf-Mmaxiη>0,那么恒有dω/dt>0,吊篮运行速度将不断升高,当超过图2中ωz点后,电机的反磁力矩迅速下降,制动能力大幅度削弱,导致下降加速度愈来愈大,速度特性进入一种恶性的正反馈状态,完全失去了控制。此时,必须采用外部制动器来控制速度,制动器的必要性和重要性也正体现于此。1.2吊篮“击穿”的形成原因为了防止吊篮运行速度超过安全速度,一般在提升电机输出轴或其直连零部件端,设计有一个离心式制动器,如图3所示(以La400为例)。当电机转速超过一定速度时,离心块的离心力就会克服弹簧的初拉力而外张。当电机转速超过设计制动速度时,离心块就已外张到能够将衬片压紧在制动毂上,此时就会产生巨大的制动力矩,使吊篮速度在短时内迅速下降,由于细长钢丝绳的弹性拉伸与收缩作用,此时从吊篮的外部运行特性来看,即出现了剧烈的跳动,吊篮“跳动”的直接原因是制动器在动作。吊篮在工作过程中,制动器偶尔动作是正常的,但出现频繁制动则是不正常的,因为离心式制动器是起安全保护作用的,防止因意外原因使电机超速失控,它是限速装置,而非调速装置。吊篮下降频繁跳动,其主要原因有以下三点。1.2.1带制动动作较频繁跳劲当制动速度过低时,如选择为电机的同步转速,则必然发生频繁“跳动”现象。因为根据上述分析,只要运行后连续下降足够的时间或距离(一般不超过10m),电机的转速必然会超过同步转速,此时制动器即产生制动动作,使吊篮跳动一次,再过一段距离,制动器又动作,吊篮又跳动一次,从而,吊篮便产生了频繁跳动。如下几个因素可能导致制动器制动速度过低:1)设计制动速度的选择。由于没有详细考虑到下降运行动力学特性以及电机的发电制动状态,部分设计人员简单地认为电机转速一般不会超过额定转速,而将制动速度选择得较低。2)离心块及弹簧的设计。即使制动速度选择得较合理,但在离心块及弹簧的设计中未能保证,实际制动速度仍然会偏低。离心块的质心回转半径、质量、弹簧的初拉力以及制动速度必须满足一定的动力学关系,才能保证制动器正确工作。1.2.2电机容量及实际驱动能力电机发电制动状态的扭矩特性与电动状态的扭矩特性是完全相对应的,电机容量或实际驱动能力不足,就将直接影响其制动能力。在这种情况下,即使在额定载荷以下工作,电机也很容易达到制动速度,使制动器频繁动作。1.2.3电机容量过大造成电机转速频繁超速吊篮提升机在设计中由于考虑到质量等原因,其电机容量一般允许超载余度并不大,在实际操作过程中施工人员超载使用,很容易导致下降过程中电机转速频繁超越安全速度,使制动器动作。2关键技术2.1z点和邻域的选择制动速度不能过低,但也不能太高。若制动速度太高,则有两个不利因素:(1)由于制动速度高,电机在高速区制动能力小,制动器承受的制动力矩大,发热严重,制动器磨损严重;(2)给设备带来的冲击载荷也大,影响其它受力部件使用寿命。参照图2,最佳的制动速度应该选择在ωz点或其下方邻域。这样,可以充分利用电机的制动能力,并可将其超载能力发挥到最大限度。而且,当制动器动作时,电机在此点也具有最大的制动力矩,可以减少制动器的负荷,减少发热。一般情况下,设计人员只能获得电机额定转速及其额定扭矩参数,可以按如下方法近似求得ωz点。参照图2,因为电机负载特性曲线关于ωs点是对称的,且接近线性变化规律,故近似满足下式其中,Mmax=λMN,λ为过载系数(一般为1.8～2.2),在普通Y系列(IP44)电机中,对于2、4极电机,λ=2.2,对于6、8极电机,λ=2.0。令为制动速度系数,则式中:εN为电机额定转差率,εN=1-ωN/ωs,一般K值计算结果在1.1～1.2之间。由式可见制动速度系数其实完全可以根据电机额定转差率确定,故利用额定转差率求ωz的计算式为2.2制动各临界加速度f制动器的结构如图3所示,其关键部件是离心制动块与拉伸弹簧。以离心块为研究对象,它在初始工作过程中的力学关系满足式中:r1为静止时刻离心块质心半径;m为离心块质量;F为弹簧拉力。当N1=0时,离心力即将克服弹簧的预拉力而向外张,制动器进入临界制动状态,此时有式中:F0为弹簧预拉力;ω0为临界制动转速。由于制动毂与制动块间隙较小,设计中可将这一临界速度确定为制动速度。只要速度再增加,制动器即与制动毂接触并压紧,产生较大的反作用压力和制动摩擦力。在提升机临近制动时,ω02rgsinα,故弹簧设计预拉力可取为当制动速度、制动块的结构尺寸及安装位置确定后,弹簧预拉力就可根据式(12)确定了。3电机工况及制动速度通过上述分析,可以得出以下结论:1