Проблемы синтеза энергоэффективных безредукторных лебедок

Применяемая компоновка и технические решения традиционных лифтовых лебедок с червячными редукторами и двухскоростными АД, обеспечивает комфортность перемещения пассажиров и работу пассажирских лифтов даже при довольно ограниченных возможностях релейно-контактных станций управления. Но, общеизвестны и недостатки таких лебедок, вытекающие из особенности их конструкции. Прежде всего – это низкая энергетическая эффективность [11]. Червячные редукторы имеют очень низкий (60-75%) коэффициент полезного действия. Небольшой, порядка 80% на рабочей скорости, КПД, имеет и двухскоростной асинхронный двигатель. На пониженной скорости АД его КПД едва доходит до 30-40%. Отмечается и неудовлетворительная энергетика подобных лебедок и в динамических режимах. Благодаря наличию редуктора, удельный вес полезной массы груза едва доходит до 0, 1 от суммарной приведенной массы движущихся масс лифтового подъемного механизма. Это означает, что на разгон этих инерционных масс из сети тратится избыточная энергия. Надежды на возврат в сеть накопленной энергии при торможении не оправдываются из-за очень низкого эквивалентного значения КПД [11].

Лифты с традиционной редукторной лебедкой имеют ограничения и по максимальной скорости. Известно, что уже на скорости 1, 6 м/с возникают проблемы с обеспечением условий перемещения. При реализации обоих способов повышения скорости кабины – за счет увеличения скорости двигателя или уменьшения передаточного числа редуктора, разработчики столкнулись с рядом проблем. При увеличении скорости АД возникли проблемы с точностью позиционирования кабины, в то же время с уменьшением передаточного числа, червячный редуктор теряет свое главное полезное качество – самоторможение.

Как уже было сказано, для оптимальной работы лифтов целесообразно применять лебедки с регулируемыми системами управления. Причем, при синтезе новых лифтовых лебедок, наиболее подходящими по ряду технических причин, оказываются лебедки с частотным управлением АД, которое позволяет сформировать необходимую скорость с учетом требуемых динамических ограничений. Необходимость в применении двигателя с дополнительной обмоткой пониженной скорости при этом отпадает.

Так же, при синтезе новых типов лебедок возник вопрос о необходимом отказе от червячного редуктора (применение цилиндрических или планетарных редукторов) или полном отказе от редуктора (безредукторные лебедки) – как одном из путей повышения их эффективности.

На сегодняшний день, разработкой безредукторных лебедок, в которых канатоведущий шкив (КВШ) устанавливается непосредственно на валу приводного тихоходного двигателя (пример на рисунке 1.7), занимается большинство мировых разработчиков [8].

На рисунке 1.7 показаны: 1 – направляющие кабины; 2, 8 – прижимные планки крепления лебедки; 3 – клеммная коробка; 4 – тахогенератор системы управления работой двигателя; 5 – растормаживающий электромагнит; 6 – дисковый тормоз с канатоведущим и тормозным шкивами; 7 – тяговые канаты; 9 – корпус лебедки.

Как следствие большинство исследовательских работ посвящено этому вопросу [12]. В разных работах, говорится о том, что при отказе от редуктора повышается суммарный КПД лебедки, соотношение массы груза и других движущихся масс перераспределяется в пользу груза, появляется возможность рекуперации значительных величин энергии, повышается надежность подъемного механизма. Отмечается, что безредукторные лебедки значительно компактнее своих традиционных предшественников, их проще расположить в лифтовой шахте, что уменьшает сложность монтажных работ [8].

а) общий вид б) функциональная схема

Рисунок 1.7 – Безредукторная лебедка «EcoDisc» компании KONE

Но, в то же время, известно, что при синтезе и применении новых безредукторных лебедок возникают и проблемы, которые не всегда афишируются разработчиками и производителями. Практические решения этих проблем зачастую достигаются за счет технических решений, не все из которых можно признать удовлетворительными. Одна из главных и принципиальных проблем состоит в необходимости иметь соответствующие по параметрам тихоходные двигатели лебедок. Серийных тихоходных двигателей с необходимыми параметрами, фактически, нет, а вопрос разработки специальных двигателей, на сегодняшний день, все еще актуален. Так, известно, что при заданной мощности габариты и масса двигателя обратно пропорциональны его скорости. Если изъять редуктор с передаточным числом, например 45, то номинальная скорость двигателя должна уменьшиться пропорционально, например, с 1500 об/мин до 33, 3 об/мин. Уже на стадии проектирования выясняется, что такой двигатель при традиционных подходах превращается в «монстра» весом сотни, или даже тысячи килограмм. С этой точки зрения складывается парадоксальная ситуация, что спроектировать высокоскоростной лифт оказывается проще, чем низкоскоростной.

Известно, что в соответствии с классификацией, лифты относятся к механизмам с постоянным, независимым от скорости моментом. Существующая практика расчета двигателей подтверждает, что их необходимые моменты для лифтов одинаковой грузоподъемности, но различных номинальных скоростей, практически не отличаются. Причем, номинальный момент двигателя становится более информативным и более весомым параметром, чем номинальная мощность. В разных работах показано, что это свойство лифта отвечают свойствам частотно-управляемого электропривода переменного тока, в котором допустимая продолжительная нагрузка при управлении скоростью также возможна при постоянном моменте. Поэтому, часто один и тот же двигатель предлагается использовать в лебедках с разной скоростью подъема кабины. Один из предлагаемых путей, направленных на решение проблемы – задание искусственных пониженных значений номинальных скоростей двигателям лебедок с большой номинальной скоростью [12]. Разработчики пытаются решить проблему уменьшения габаритов и массы лебедок за счет разработки новых типов двигателей, но в то же время пытаются, порой радикально, «смягчить» требования к ним за счет повышения номинальной скорости лебедки.