Анализ способов повышения эффективности редукторных лебедок традиционной конструкции

Минимально удовлетворяют требуемым условиям типовых оптимальных диаграмм движения пассажирские лифты с лебедками с червячными редукторами, двухскоростными асинхронными двигателями (АД) и нерегулируемыми системами управления. Такие редукторные лебедки (рисунок 1.3), благодаря широкому применению характеризуются в отечественной литературе как «лебедки традиционной конструкции». В настоящее время, пассажирскими лифтами с подобными лебедками массово оборудованы жилые многоэтажные дома, которые строились с начала 70-х годов прошлого века. Отмечается, что ограничению динамических параметров содействует форма механической характеристики двигателя, большая суммарная инерционность механической части лебедки и ротора ее двигателя. В некоторых случаях для уменьшения ускорения на валу АД устанавливаются дополнительные массы в виде маховика.

Рисунок 1.3 – Общий вид (а) и функциональная схема (б) редукторной лебедки традиционной конструкции

На рисунке 1.3 показаны: 1 – червячный редуктор; 2 – канатоведущий шкив; 3 – колпак; 4 – штурвал; 5 – рама; 6 – подрамник; 7 – упругий амортизатор; 8 – чашка; 9 – муфта; 10 – клеммная коробка; 11 – двухскоростной асинхронный электродвигатель; 12 – колодный тормоз.

При подобном конструктивном исполнении, наличие или отсутствие пассажиров влияют на общую массу подвижных частей лифтового подъемного механизма в пределах нескольких процентов, что способствует поддержанию значений ускорений. Ограничению рывков содействуют электромагнитная инерционность двигателя лебедки и механическая упругость канатной передачи. На рисунке 1.4 приведены экспериментальные осциллограммы параметров при перемещении кабины лифта на один этаж (высота 3, 2 м) лебедкой с двухскоростным двигателем и нерегулируемой релейно-контакторной системой управления.

На осциллограммах показаны фазные токи обмоток высокой (I1H) и пониженной (I1L) скорости двухскоростного АД лебедки; путь (h), скорость (v) и ускорение кабины (a). Управление изменением режимов выполняется в функции перемещения. Переключение на обмотку пониженной скорости происходит за 1, 2 метра до места необходимой остановки. К заданному этажу кабина лифта подходит на пониженной скорости, а окончательная остановка происходит после отключения двигателя лебедки за 0, 1-0, 15 метров от уровня этажа путем наложения механического тормоза. Отмечается, что благодаря прямому неуправляемому пуску двигателя лебедки, ускорения имеют колебательный характер (колебание электромагнитного момента при прямом пуске является характерной особенностью всех асинхронных двигателей), а их амплитуда превышает допустимую амплитуду более чем в два раза. Значение ускорения так же превышает допустимое и в процессе торможения при переходе на пониженную скорость. В большинстве исследованиях, подобные структуры и параметры лифтовых лебедок являются неэкономичными, прежде всего, по критериям потребления и потерь энергии в их элементах. Производительность таких лифтов также небольшая, поскольку, кроме небольшой номинальной скорости, время теряется на операцию точной остановки перед заданным этажом. Имеют место значительные рывки из-за резкого изменения момента при включении и переключениях, а также при механическом торможении, что снижает комфортность поездки пассажиров.

Рисунок 1.4 – Осциллограммы параметров при перемещении кабины на один этаж лебедкой с нерегулируемой системой управления

Возможность технического развития традиционных лифтовых лебедок ограничены, однако массовость их применения, в настоящее время, определяет актуальность улучшения их энергетических и динамических показателей. Основным путем повышения производительности и комфортности лебедок с червячными редукторами и двухскоростными асинхронными двигателями является внедрение регулируемых систем управления, которые предоставляют широкие возможности точного воспроизведения заданной траектории движения кабины лифта и точной остановки, благодаря использованию датчиков и регуляторов координат: момента, скорости, перемещения. При этом возникают следующие основные технические задачи: обеспечение комфортности поездки пассажиров путем ограничения рывков и ускорений кабины; обеспечение плавной и точной остановки кабины на этаже независимо от степени загрузки кабины и других возмущающих воздействий; повышение производительности путем сокращения до минимума или полного исключения периода движения на пониженной скорости.

Следует отметить, что для реализации требуемой диаграммы движения кабины необходимо применять систему управления лебедкой, обладающую, несмотря на значительную инерционность лифтового подъемного механизма, достаточно высоким быстродействием. Требуемая зависимость между скоростью и моментом двигателя лебедки, обеспечивающая реализацию оптимальной диаграммы при произвольной загрузке кабины, приведена на рисунке 1.5.

1 – при m₁> m₃; 2 – при m₁< m₃

○ – точка остановки; ● – установившееся движение

Рисунок 1.5 – Идеальная зависимость момента двигателя лебедки от его скорости, необходимая для реализации оптимальной диаграммы движения кабины лифта

Повышение комфортности перемещения достигается путем управления процессами разгона и замедления лебедки. Наиболее просто реализуется задача разгона, который может быть реализован, как в разомкнутых системах управления, так и в замкнутых с применением обратной связи по скорости кабины или двигателя. Сигнал задания по скорости формируется с помощью задатчиков в функции времени. Для наглядности, экспериментальный процесс перемещения на один этаж (h=3, 2 м) показан, как и в первом примере (рисунок 1.4), но с точным воспроизведением ограничений: по скорости 1 м/с, ускорения 1 м/с², рывка 3 м/с³. На рисунке 1.6 иллюстрируется, что при остановке отсутствует участок пониженной скорости, погрешность практически сведена к нулю и зависит только от точности установки путевых переключателей начала торможения, точности датчика перемещения и степени проявления гибкости канатов.

Рисунок 1.6 – Осциллограммы параметров при перемещении кабины на один этаж лебедкой с регулируемой системой управления

Для уменьшения влияния загрузки кабины на динамический процесс и точность остановки может быть реализовано решение, основанное на выборе параметров элементов лебедок с запасом. Избыточный вращающий момент компенсируется при этом введением дополнительных маховых колес. Такое решение, находит применение из-за своей простоты, однако сопряжено со значительными потерями энергии, необходимой для разгона дополнительных маховых масс [9].