桥式起重机概述（教案）-《工厂电气控制设备》同步教学（电子工业版）

教师姓名 授课班级 授课形式 授课日期 课时数 授课章节/实训项目 名称 桥式起重机概述 教学目标 (知识/能力/素质目标) 知识目标 掌握桥式起重机的结构、运动情况、主要的技术参数、对电力拖动的要求、电动机的工作状态。 能力目标 能够分析桥式起重机电动机的工作状态 素质目标 自主学习习惯养成、安全意识、工程意识、工匠精神的养成 重点 难点 及 解决方法 重点：分析桥式起重机电动机的工作状态 难点：分析桥式起重机电动机的工作状态 解决方法：1、通过视频、引导等手段将抽象的元件形象化 2、通过学生亲自分析、设计等形式突破难点 教学方法与手段 讲授法、演示法、行动导向法；传统教学与多媒体教学相结合，尝试翻转课堂教学。 教 学 过 程 设 计 1、回顾：电动葫芦的有关内容 2、导入新课：通过生活实例引入桥式起重机 3、知识准备：桥式起重机 4、知识拓展：电机的工作状态 5、视频演示：桥式起重机的工作过程 6、课程小结 7、布置课外任务 课外作业 课后体会 教学设计/实验实训项目实施方案 一：回顾 电动葫芦的结构、控制线路 二：课程导入 由生活中看到的桥式起重机导入本次课程 三：知识准备 起重机是用来在短距离内提升和移动物件的机械，俗称天车。它们广泛应用于工矿企业、港口、车站、仓库料场、建筑安装、电站等国民经济各部门。 起重机的类型很多，常用的可分为两大类，即多用于厂房内移行的桥式起重机和主要用于户外的旋转式起重机。桥式起重机具有一定的典型性和广泛性，尤其在冶金和机械制造企业中，各种桥式起重机获得广泛的应用。 （一）桥式起重机的结构及运动情况 桥式起重机一般由桥架（又称大车）、装有提升机构的小车、大车移行机构、操纵室、小车导电装置（辅助滑线）、起重机总电源导电装置（主滑线）等部分组成。桥式起重机的结构如图1所示。 1、桥架 桥架是桥式起重机的基本构件，它由主梁、端梁、走台等部分组成。主梁跨架在跨间的上空，有箱型、桁架、腹板、圆管等结构型式。主梁两端有端梁，在两主梁外侧有走台，设有安全栏杆。在操纵室一侧的走台上装有大车移行机构，在另一侧走台上装有给小车电气设备供电的装置，即辅助滑线。在主梁上方铺有导轨，供小车移动。整个桥式起重机在大车移行机构拖动下，沿车间长度方向的导轨移动。 1—操纵室；2—辅助滑线架；3—交流磁力控制盘；4—起重小车；5—大车拖动电动机；6—端梁；7—主滑线；8—主梁；9—电阻箱 图1 桥式起重机的结构 2、大车移行机构 大车移行机构由大车拖动电动机、传动轴、联轴节、减速器、车轮及制动器等部件构成。安装方式有集中驱动与分别驱动两种，如图2所示，其中（a）为集中驱动方式，由一台电动机经减速机构驱动两个主动轮；（b）为分别驱动方式，由两台电动机分别驱动两个主动轮。后者自重轻，安装、调试方便，我国生产的桥式起重机大多采用分别驱动。 1—主动轮；2—减速器；3—驱动电动机；4—制动器 图2 大车传动机构 3、小车 小车安放在桥架导轨上，可沿车间宽度方向移动。小车主要由钢板焊接而成的小车架以及其上的小车移行机构和提升机构等组成。 小车移行机构由小车电动机、制动器、联轴节、减速器及车轮等组成。小车电动机经减速器驱动小车主动轮，拖动小车沿导轨移动。由于小车主动轮相距较近，故由一台电动机驱动。 4、提升机构 提升机构由提升电动机、减速器、卷筒、制动器等组成。提升电动机经联轴节、制动轮，与减速器联结，减速器的输出轴与缠绕钢丝绳的卷筒相联结，钢丝绳的另一端装有吊钩，当卷筒转动时，吊钩就随钢丝绳在卷筒上的缠绕或放开而上升或下降。图3为小车传动机构示意图。对于起重量在15 t及以上的起重机，备有两套提升机构，即主钩与副钩。 由上可知，重物在吊钩上随着卷筒的旋转获得上下运动；随着小车在车间宽度方向获得左右运动；并能随大车在车间长度方向做前后运动。这样就可实现重物在垂直、横向、纵向三个方向的运动，把重物移至车间任一位置，完成起重运输任务。 1、5、9—副卷场、主卷场、小车的减速器；2、7、11—制动器；3、8、10—电动机；4、6—副卷筒、主卷筒 图3 小车传动机构 5、操纵室 操纵室是操纵起重机的吊舱，又称驾驶室。操纵室内有大、小车移行机构控制装置，提升机构控制装置以及起重机的保护装置等。 操纵室一般固定在主梁的一端，也有少数装在小车下方随小车移动的。操纵室上方开有通向走台的舱口，供检修大车与小车机械与电气设备时人员上下用。 （二）桥式起重机的主要技术参数 桥式起重机的主要技术参数有：额定起重量、跨度、提升高度、运行速度、提升速度、工作类型及负荷持续率等。 1、额定起重量 额定起重量是指起重机实际允许吊起的最大负荷量，以吨（t）为单位。 我国生产的桥式起重机系列起重量有5 t、10 t、15/3 t、20/5 t、30/5 t、50/10 t、75/20 t、100/20 t、125/20 t、150/30 t、200/30 t、250/30 t等多种。其中，用分数表示的分子为主钩起重量，分母为副钩起重量。 2、跨度 起重机主梁两端车轮中心线间的距离，即大车轨道中心线间的距离称为跨度，以米（m）为单位。 我国生产的桥式起重机一般跨度有10.5 m、13.5 m、16.5 m、19.5 m、22.5 m、25.5 m、28.5 m、31.5 m等规格。 3、提升高度 吊具或抓物装置的上极限位置与下极限位置之间的距离，称为起重机的提升高度，以米（m）为单位。 一般常用的提升高度有12 m、16 m、12/14 m、12/18 m、16/18 m、19/21 m、20/22 m、21/23 m、22/26 m、24/26 m等。其中，用分数表示的分子为主钩提升高度，分母为副钩提升高度。 4、移行速度 移行机构在拖动电动机额定转速下运行的速度，以米每分（m/min）为单位。小车移行速度一般为40～60 m/min，大车移行速度一般为100～135 m/min。 5、提升速度 提升机构在提升电动机额定转速时，取物装置上升的速度，以米每分（m/min）为单位。一般提升的最大速度不超过30 m/min，依货物性质、重量、提升要求来决定。 6、工作类型 起重机按其载荷率和工作繁忙程度可分为轻级、中级、重级和特重级四种工作类型。 （1）轻级。工作速度低，使用次数少，满载机会少，负荷持续率为15%。用于工作不繁重的场所，如在水电站、发电厂中用做安装检修用的起重机。 （2）中级。经常在不同载荷下工作，速度中等，工作不太繁重，负荷持续率为25%，如一般机械加工车间和装配车间用的起重机。 （3）重级。工作繁重，经常在重载荷下工作，负荷持续率为40%，如冶金和铸造车间内使用的起重机。 （4）特重级。经常工作在额定负荷状态，工作特别繁忙，负荷持续率为60%，如冶金专用的桥式起重机。 7、负荷持续率 由于桥式起重机为断续工作，其工作的繁重程度用负荷持续率表示。负荷持续率为一个工作周期内工作时间占整个周期的百分比，公式如下： 式中，tg—通电工作时间；T—工作周期；t0—休息时间。 一个工作周期通常定为10 min。标准的负荷持续率规定为15%、25%、40%、60%四种。 （三）桥式起重机对电力拖动的要求 桥式起重机的工作性质为重复、短时工作制，因此拖动电动机经常处于启动、制动、正反转状态；起重机的负载很不规律，时重时轻并经常承受过载和机械冲击。起重机的工作环境较为恶劣，所以对起重用电动机、提升机构及移行机构电力拖动提出了下列要求。 1、对起重用电动机的要求 （1）为满足起重机重复、短时工作制的要求，其拖动电动机按相应的重复、短时工作制设计制造，且用负荷持续率表示。 （2）为适应在频繁的重载下启动，要求电动机具有较大的启动转矩和过载能力。 （3）为适应频繁启动、制动，加快过渡过程和减小启动损耗，起重电动机的转动惯量应较小；在结构特征上，转子长度与直径的比值较大，转子制成细长形。 （4）为获得不同的运行速度，采用绕线型异步电动机转子串接电阻进行调节。 （5）为适应恶劣环境和机械冲击，电动机采用封闭式，且具有坚固的机械结构的气隙，采用较高的耐热绝缘等级。 现在我国生产的新系列起重用电动机为YZR与YZ系列，前者为绕线型异步电动机，后者为笼型异步电动机。 起重用电动机铭牌上标注有基准负荷持续率及对应的额定功率。在实际使用时电动机不一定工作在基准负荷持续率下，而当电动机工作在其他任意负荷持续率时，电动机的额定功率按下式近似计算： 式中，P′—任意负荷持续率下的功率，单位为kW；PN—基准负荷持续率下的电动机额定功率，单位为kW；N—基准负荷持续率；′—任意负荷持续率。 2、对提升机构与移行机构电力拖动的要求 为提高起重机的生产效率与安全性，对提升机构电力拖动提出如下要求： （1）具有合适的升降速度，空钩能实现快速升降，轻载提升速度大于重载时的提升速度。 （2）具有一定的调速范围，普通起重机调速范围为2～3。 （3）具有适当的低速区。当提升重物开始或下降重物至预定位置之前，都要求低速运行。为此，往往在30%额定速度内分成若干挡级，以便灵活地进行选择。但由高速向低速过渡时应逐级减速，以保持稳定运行。 （4）提升的第一挡作为预备级，用以消除传动系统中的齿轮间隙，将钢丝绳张紧，避免过大的机械冲击。预备级的启动转矩一般限制在额定转矩的一半以下。 （5）在负载下放时，根据负载的大小，提升电动机既可工作在电动状态，也可工作在倒拉反接制动状态或再生发电制动状态，以满足对不同下降速度的要求。 （6）为保证安全可靠地工作，不仅需要机械抱闸的机械制动，还应具有电气制动，以减轻机械抱闸的负担。 大车与小车移行机构对电力拖动的要求比较简单，要求有一定的调速范围，为实现准确停车，必须采用制动停车。 由于桥式起重机应用广泛，起重机的电气设备均已系列化、标准化，可根据电动机的功率、工作频繁程度以及对可靠性的要求等来选择。 （四）桥式起重机电动机的工作状态 对于移行机构拖动用电动机，其负载为摩擦力矩，它始终为反抗力矩。所以移行机构拖动用电动机工作在正反向电动状态。 对于提升机构情况则比较复杂，除存在较小的摩擦力矩外，主要是重物和吊钩的重力矩。重力矩提升时呈现为阻力矩；下降时却呈现为动力矩。所以，提升机构工作时，拖动电动机依负载情况不同，工作状态也不一样。 1、提升重物时电动机的工作状态 提升重物时，电动机承受两个阻力矩，一个是重物的自重产生的重力转矩Tg；另一个是在提升过程中传动系统存在的摩擦转矩Tf。当电动机电磁转矩克服阻力转矩时，重物将被提升，电动机处于电动状态，以提升方向为正向旋转方向，则电动机工作在正向电动状态，如图1所示。当Te＝Tg＋Tf时，电动机稳定运行在na转速下。而在启动时，为获得较大的启动转矩，减少启动电流，往往在绕线型异步电动机转子电路中串接电阻，然后再依次切除，使提升速度逐渐升高，最后达到预定提升速度。 图1 提升重物时电动机的工作状态 2．下降重物时电动机的工作状态 （1）反向电动状态。当空钩或轻载下放重物时，由于负载的重力转矩小于摩擦转矩，这时依靠重物自身重量不能下降，为此电动机必须向着重物下降方向产生电磁转矩，与重力矩一起克服摩擦转矩，强迫空钩或轻载下放，如图2（a）所示。此时Te与Tg方向一致，当Te＋Tg＝Tf时，电动机稳定运行在－na转速下放重物。此时电动机工作在反向电动状态，又称强力下放重物。 （2）再生发电制动状态。当重载下放时，若拖动电动机按反转相序接通电源，此时电磁转矩Te方向与重力转矩Tg方向相同，这时电动机将在Te和Tg共同作用下加速旋转，当n＝n0时，电磁转矩为零，但电动机在重力转矩作用下仍加速并超过电动机的同步转速。当Te＋Tg＝Tf时，电动机稳定运行在高于电动机同步转速的速度－nb上，如图2（b）所示，这时电动机工作在再生发电制动状态。 在再生发电制动状态下放重物是超同步转速状态下放，为使下放速度不致过高，应运行在较硬的机械特性上，最好运行在转子电阻全部切除的特性上。 （3）倒拉反接制动状态。当负载较重，为获得低速下降，可采用倒拉反接制动状态下放。这时电动机按正转接线，产生向上的电磁转矩Te，这时Te与重力转矩Tg方向相反，成为阻碍重物下放的制动转矩，以此来减低重物下放速度，如图2（c）所示。当Tg＝Tf＋Te时，电动机以－nc转速稳定运行下放重物。为低速下放重物，电动机转子中应串接较大电阻，特性较软为好。 图2 下放重物时电动机的三种工作状态 四：知识拓展 电机的工作状态 五：视频演示 桥式起重机的工作过程 6、 课程小结 学习中发现的问题。 七、布置课外任务 1、观看桥式起重机的工作过程视频。 2、分析桥式起重机的控制线路原理图。 学科网（北京）股份有限公司 $$