ACTIONAREA MASINILOR DE RIDICAT

ACTIONAREA MASINILOR DE RIDICAT

Pentru ca organul de lucru sau mecanismul unei masini sa fie pus in miscare este necesar sa existe o sursa de energie, un motor care transforma energia sursei in energie mecanica, un sistem de transmitere a energiei de la motor la organul de lucru sau mecanism si un dispozitiv de comanda. Ansamblul: sursa de energie-motor-sistem de transmitere-dispozitiv de comanda, poarta numele de sistem de actionare.

La masinile de ridicat se folosesc in prezent urmatoarele sisteme de actionari: actionare manuala, actionare cu motor cu ardere interna, actionare electrica, precum si actionari combinate (Diesel-hidraulica si Diesel-electrica).

La actionarea combinata, un motor termic primar actioneaza un generator hidraulic (pompa), respectiv un generator electric, de la care se alimenteaza cu energie motoarele secundare hidraulice, respectiv motoarele electrice.

1. Actionarea manuala

Actionarea manuala se foloseste numai la mecanisme sau masini cu un grad de utilizare redus sau in cazul manipularii sarcinilor de masa redusa. De asemenea, se mai utilizeaza uneori actionarea manuala ca actionare de siguranta la masini cu actionare mecanica, in cazul defectarii motorului sau intreruperii alimentarii cu energie electrica.

Pentru transmiterea miscarii de rotire mecanismelor cu actionare manuala se folosesc manivele si roti de manevra. Manivelele se monteaza la o inaltime de 9001100 mm de la sol. Ele au lungimea bratului de 300350 mm. Lungimea manerului manivelei se ia de 250350 mm, pentru actionarea de catre un muncitor, si de 400500 mm, pentru actionarea de catre doi muncitori. Cand se monteaza doua manivele pe acelasi ax, unghiul de decalaj optim dintre ele este 120°. Se poate admite unghiul de 90°, iar unghiul de 180°dar este total nerational.

Cercetarile intreprinse au aratat ca cea mai rationala marime a fortei exercitate de muncitor este P = 80 N. Pentru munca de scurta durata nu se recomanda ca in calcul sa se treaca de valoarea P = 120 N, si numai in cazuri speciale, pentru foarte scurta durata se poate lua P = 200 N.

Pentru cazul cand lucreaza concomitent doi muncitori, forta de calcul va fi egala cu suma fortelor exercitate de ei, micsorata cu 25%, deoarece nu se pot sincroniza perfect miscarile acestora. Forta totala de calcul va fi deci P' = 120, 180 si 300 N.

Cand arborele caruia trebuie sa i se transmita miscarea de rotatie se afla la o inaltime la care montarea unei manivele este imposibila, actionarea lui se face cu o roata de manevra.

Rotile de manevra sunt standardizate. Forta, de tractiune a unui muncitor poate fi considerata, in cazul rotii, egala cu 150250 N, mergand chiar, in cazuri speciale, pana la 400 N, deoarece acesta utilizeaza in acest caz si greutatea corpului sau.

Viteza periferica a rotii este de aproximativ 0,6 m/s. Capatul cel mai de jos al lantului trebuie sa se gaseasca deasupra solului la o distanta de cel putin 300400 mm.

2. Actionarea cu motor cu ardere interna

Actionarea cu motor cu ardere interna se foloseste la macaralele la care se cere mobilitate mare (macarale pe senile, macarale pe roti cu pneuri, automacarale etc.). Aceasta actionare se mai utilizeaza si la alte tipuri de macarale, in cazul in care nu poate fi asigurata alimentarea lor cu energie electrica.

Principalele avantaje pe care le prezinta actionarea cu motor cu ardere interna sunt:

posibilitatea de a pune rapid motorul in functiune, deci posibilitatea de oprire in cazul in care macaraua nu functioneaza;

independenta fata de o sursa fixa de energie;

masa specifica (masa proprie raportata la puterea nominala) mica;

consum redus de combustibil;

reglarea usoara, in limite largi, a turatiei motorului.

Principalele dezavantaje ale motoarelor cu ardere interna sunt:

imposibilitatea pornirii sub sarcina;

imposibilitatea functionarii cu opriri dese;

imposibilitatea maririi momentului de torsiune peste valoarea nominala chiar pentru intervale scurte, ceea ce necesita dimensionarea motorului dupa momentul maxim si duce la functionarea lui cu un randament mai scazut in perioada de regim;

ireversibilitatea motorului, ceea ce duce la complicarea schemei cinematice a mecanismelor;

necesitatea utilizarii unei cutii de viteze pentru reglarea marimii momentului de torsiune;

durabilitate relativ mica.

In prezent se folosesc atat motoare cu explozie, cat si cu ardere lenta (Diesel). Acestea din urma, desi sunt mai grele la putere egala, au o raspandire din ce in ce mai mare, deoarece au un consum mai mic de combustibil, mai ieftin, pe 1 kWh (pana la 0,25 l motorina fata de 0,30 l benzina la motoarele cu explozie), sunt mai sigure in exploatare, au un randament mai ridicat si au turatie mai mica, ceea ce duce la realizarea unei masini mai compacte si la cresterea durabilitatii motorului.

La actionarea cu motor cu ardere interna se foloseste sistemul de transmitere mecanic, la care legatura intre motor si organul de lucru se face prin intermediul angrenajelor sau transmisiilor cu lant sau curele, cu intercalarea ambreiajelor in schema cinematica a mecanismelor.

Comanda in cazul actionarii cu motoare cu ardere interna se realizeaza prin manete si pedale. Acestea, prin sisteme de parghii, sunt in legatura cu diferitele elemente componente ale sistemelor de transmitere (ambreiaje, roti dintate bala-doare etc.). Raportul de multiplicare al sistemului de parghii trebuie astfel ales incat efortul depus de operator la maneta sa nu depaseasca 180 N, iar la pedala 250 N. In cazuri exceptionale (utilizarea rara si cu durata redusa a comenzii respective), se pot admite 200 N la maneta si 350 N la pedala.

Motoarele cu ardere interna, au o caracteristica mecanica rigida (fig. 1) si nu corespund intru totul regimului de functionare al macaralelor. Din acest motiv, la macaralele echipate cu motoare cu ardere interna, legatura intre motor si transmisie se face prin intermediul unui cuplaj hidraulic sau al unui turbo-transformator, elemente care conduc la caracteristici mecanice mai suple.

Cuplajul hidraulic (fig. 2) se compune din doua roti, una cu rol de pompa, iar cealalta cu rol de turbina, montate intr-o carcasa comuna.

Roata cu rol de pompa se monteaza pe arborele motorului, iar cea cu rol de turbina pe cel al transmisiei, intre cei doi arbori nu exista legatura cinematica rigida, distanta intre cele doua roti, respectiv intre cei doi arbori fiind de 315 mm. Uleiul de lucru, aflat in camera formata de cele doua roti, este pompat sub presiune de paletele pompei, la rotirea acesteia, spre periferie. Patrunzand in turbina, aceasta incepe sa se roteasca in acelasi sens cu pompa si trimite uleiul inapoi in pompa. Se creeaza astfel o circulatie inchisa in planul meridional al cuplajului. La pornirea motorului, roata de pompa se roteste, in timp ce roata-turbina este fixa, existand astfel o alunecare intre roti de 100%. Pe masura ce motorul este accelerat, alunecarea scade pana la 35% mentinandu-si constanta aceasta valoare.

Cuplajul hidraulic asigura pornirea motorului si oprirea masinii fara decupla-rea transmisiei, accelerarea lina prin cresterea vitezei arborelui condus de la 0 la valoarea maxima la scaderea incarcarii exterioare, sau scaderea vitezei acestuia de la valoarea maxima la 0, la cresterea incarcarii.

In figura 3 este prezentata caracteristica externa a unui cuplaj hidraulic, pentru o turatie constanta a arborelui motor.

Cuplajul hidraulic nu asigura in-dependenta incarcarii arborelui motor, in functie de incarcarea arborelui condus, momentele la cei doi arbori fiind aproximativ egale. El asigura numai variatia vitezei arborelui condus la o viteza aproximativ constanta a arborelui motor, micsorand prin aceasta incarcarile dina-mice.

Tinand seama de egalitatea momentelor la cei doi arbori, randamentul cuplajului hidraulic este:

(1)

in care: N₂ si N₁ sunt puterile la arborii condus si motor; n₂ si n₁ - turatiile arborilor condus si motor.

La o incarcare normala, randamentul cuplajului hidraulic are valoarea η = 0,950,97.

Turbo-transformatorul (fig. 4), este echipat in afara de rotile mobile (pompa si turbina) si cu o a treia roata, fixa (reactorul), pentru dirijarea curentului de lichid. Uleiul de lucru, iesind din turbina, actioneaza asupra paletelor fixe ale reactorului. Ca urmare, asupra arborelui condus, la care este montata turbina, actioneaza un moment reactiv, care se suprapune peste momentul activ transmis direct turbinei de catre pompa, prin intermediul uleiului de lucru. In acest fel, momentul la arborele condus poate fi mai mare decat momentul la arborele motor. Valoarea momentului suplimentar introdus de paletele reactorului este in functie de viteza turbinei. Cu cat aceasta se va misca mai incet, cu atat mai mult paletele reactorului vor schimba directia curentului de fluid si deci cu atat mai mare va fi valoarea momentului suplimentar transmis de reactor turbinei.

In figura 5 este prezentata caracteristica externa a unui turbo-transformator, iar in figura 6 este prezentata variatia caracteristicii unui motor cu ardere interna prin folosirea turbo-transformatorului.

Turbo-transformatorul are rolul de a proteja motorul impotriva supraincarcarilor la cresterea sarcinilor exterioare. Motorul nu se opreste nici la o turatie foarte scazuta a arborelui condus.

Raportul dintre momentul la arborele condus si momentul la motor poarta numele de coeficient de transformare al momentului. La turbo-transformatoarele cu o singura treapta acesta are valoarea k ≈ 3,5. La turbo-transformatoarele cu mai multe trepte, care cuprind mai multe roti-turbina alternand cu mai multe roti-reactor, raportul de transformare al momentului poate atinge valori pana la k = 11.

Randamentul turbo-transformatorului are expresia:

(2)

La o incarcare normala, randamentul turbo-transformatorului are valoarea η = 0,85. La turatii reduse ale arborelui condus (pana la 600 rot/min), randamentul este foarte scazut. Pentru a mari randamentul, la unele utilaje, dupa turbo-transformator se monteaza o cutie de viteze.

Avantajele cuplajului hidraulic (randament mare) si al turbo-transformatorului (coeficient mare de transformare a momentului) sunt reunite in constructia turbo-transformatoarelor complexe. La acestea, roata reactor este montata pe arbore cu ajutorul unui cuplaj de mers liber. Pentru un coeficient de transformare k > 1, reactorul ramane fix, aparatul lucrand ca turbo-transformator. La atingerea valorii k = 1, reactorul incepe sa se roteasca impreuna cu una din roti, aparatul lucrand ca un cuplaj hidraulic.

3. Actionarea electrica

Actionarea cu motor electric se foloseste la toate mecanismele si masinile de ridicat, la care exista posibilitatea alimentarii cu energie electrica de la retea.

Avantajele actionarii electrice sunt:

randamentul mare;

posibilitatea pornirii in orice moment si in plina sarcina:

posibilitatea realizarii unei frecvente mari a conectarilor;

posibilitatea instalarii de motoare separate, reversibile, pentru fiecare mecanism si deci de simplificare a schemei cinematice;

siguranta in functionare.

Datorita faptului ca actionarea electrica reprezinta in prezent cel mai economic sistem de actionare, aceasta a capatat raspandirea cea mai larga.

La actionarea electrica se folosesc atat motoare de curent continuu (cu excitatie in serie), cat si cele de curent alternativ (cu inele sau cu rotorul in scurt-circuit).

Actionarea cu motoare de curent continuu prezinta urmatoarele avantaje:

posibilitatea reglarii turatiei in functie de sarcina si a reglarii usoare a vitezei de coborare a sarcinii;

existenta unui cuplu mare de pornire;

posibilitatea recuperarii energiei la coborarea sarcinii si a acumularii energiei (in acumulatori).

Motoarele electrice de curent continuu cu excitatia in serie au o caracteristica mecanica supla, un moment de pornire mare si un coeficient mare de supra-incarcare si sunt cele mai indicate pentru mecanismele de ridicare ale macaralelor. De asemenea, la aceste motoare turatia creste la scaderea momentului sarcinii, carligul gol si sarcinile mai mici decat cele nominale sunt astfel ridicate cu o viteza mai mare decat cea nominala, ceea ce duce la cresterea productivitatii macaralelor, in special in cazul unor inaltimi mari de ridicare a sarcinii.

Datorita usurintei transformarii si transportarii la distante foarte mari a curentului alternativ trifazat, raspandirea cea mai larga o are insa actionarea cu motoare de curent alternativ trifazat (380 V). Este de mentionat ca acestea sunt mai simple, mai usoare si mai ieftine decat cele de curent continuu.

Motoarele electrice de curent alternativ au o caracteristica mecanica rigida. Motoarele electrice asincrone cu rotorul in scurtcircuit au o comanda usoara, prin butoane. Ele cer o intensitate de curent mare la pornire (de patru pana la sase ori mai mane decat intensitatea nominala), ceea ce conduce la incarcari dinamice mari ale mecanismului. De aceea motoarele cu rotorul in scurtcircuit se utilizeaza pentru sarcini mici si mijlocii (trolii pentru constructii, electropalane) la puteri pana la 5 kW. Coeficientul de supraincarcare este de 2,..3,

Cele mai utilizate motoare electrice in domeniul masinilor de ridicat sunt motoarele asincrone cu inele. Intensitatea curentului la pornire este limitata prin reostat si rare ori depaseste de 22,5 ori valoarea intensitatii nominale. Coeficientul de supraincarcare la aceste motoare este de aproximativ 2,34,8.

In figura 7 este prezentata caracteristica de pornire a unui motor trifazat, asincron, de macara. Dependenta dintre turatia n a arborelui si momentul M dezvoltat de motor este reprezentata de curba V compusa dintr-o parte stabila (figurata cu linie plina) si una nestabila (figurata cu linie punctata). Intrarea direct pe partea stabila a caracteristicii se realizeaza numai la motoarele cu rotorul in scurtcircuit. La motoarele cu inele, procesul de pornire se realizeaza prin intermediul caracteristicilor auxiliare (curbele II, III si IV), obtinute prin introducerea treptata in rotorul motorului a rezistentelor R₁, R si R ale reostatului de pornire. De obicei, reostatul de pornire este prevazut si cu o rezistenta R₀, destinata preluarii jocurilor elemente-lor mecanice, inainte de inceperea lucrului.

Raportul λ dintre turatia nominala n_n a motorului si turatia stabila minima n_min reprezinta limita de reglare a turatiei. Reostatul de pornire poate asigura o limita de reglare λ = 3, ceea ce, in general, la macarale este suficient. Reostatul de pornire nu poate insa fixa, pentru un timp mai indelungat, o turatie intermediara.

La macaralele de montaj, la care este necesara reglarea vitezei de lucru in limite mai largi si pe durata de timp mai indelungata, se poate obtine reglarea turatiei motorului prin diverse mijloace :

- folosirea unui generator de franare de curent alternativ, montat coaxial cu motorul;

- alimentarea statorului motorului cu tensiune asimetrica;

- variatia frecventei curentului de alimentare.

La mecanismele de translatie ale unor macarale rulante de deschidere mare (macarale capra sau funicular), la care se folosesc actionari independente la cele doua picioare, pentru sincronizarea turatiei, rotoarele motoarelor electrice asincrone cu inele sunt legate electric intre ele (arbore electric). Caracteristica mecanica a grupului de motoare este similara caracteristicii motoarelor.

Sistemul de transmitere folosit in cazul actionarii electrice este, de regula, mecanic. Se mai utilizeaza, partial, si transmisia hidraulica.

Comanda actionarii electrice se face prin controlere, contactoare sau butoane. Pupitrul de comanda poate fi instalat pe masina sau in afara acesteia. Folosirea pupitrelor mobile de comanda imbunatateste conditiile de exploatare si mareste securitatea muncii personalului de deservire. In mod obisnuit, pupitrele de comanda instalate in afara masinii sunt legate de aparatura instalata pe masina prin cablu electric. Se foloseste in domeniul masinilor de ridicat si comanda de la distanta prin radio, cu folosirea televiziunii in circuit inchis pentru urmarirea traiectoriei sarcinii.

4. Actionarea combinata

Avantajele pe care le ofera actionarea cu motoare electrice a facut sa capete o oarecare raspandire actionarea Diesel-electrica la care un motor Diesel antreneaza un generator de curent continuu, de la care sunt alimentate cu energie electrica motoarele electrice (cate unul pentru fiecare mecanism). In acest fel se simplifica schema cinematica a masinii. Actionarea Diesel-electrica este insa scumpa si necesita un spatiu mai mare pentru amplasare.

In ultimul timp capata o raspandire din ce in ce mai larga actionarea Diesel-hidraulica, la care un motor Diesel antreneaza una sau mai multe pompe, de la care sunt actionate motoarele mecanismelor (cilindri hidraulici sau motoare rotative). Actionarea Diesel-hidraulica permite reglarea continua a vitezelor in limite foarte largi, contribuie la micsorarea sensibila a incarcarilor dinamice in timpul demarajului si franarii, conduce la constructii de mecanisme foarte compacte. Aceasta este insa scumpa si are un randament scazut. Presiunea folosita variaza in limitele 6,532 MPa, dar de obicei ea nu trece de 10 MPa, intrucat, peste aceasta valoare, este destul de greu de asigurat etanseitatea instalatiei.

Ca motoare secundare in actionarea Diesel-hidraulica se utilizeaza cilindri hidraulici, in cazul unor curse scurte ale organului de lucru (de exemplu inclinarea bratului macaralei), si motoare hidraulice rotative cu pistoane axiale sau radiale, in cazul unor spatii lungi, realizate prin miscarea de rotatie a organului de lucru (rotirea rotilor mecanismului de deplasare, rotirea tobei mecanismului de ridicare).

Motoarele cu pistoane radiale realizeaza momente de torsiune mari la turatii reduse, in timp ce motoarelor cu pistoane axiale le sunt proprii momente de torsiune mici, la turatii mari.

Organele de lucru (rotile sau tobele) pot fi cuplate direct la arborele motoru-lui hidraulic cu moment mare de torsiune, eliminandu-se astfel transmisia mecanica. Aceasta conduce insa la utilizarea unor frane cu momente mari de franare, montate direct pe organul de lucru. Mult mai utilizate sunt motoarele hidraulice cu pistoane axiale, care insa impun existenta unei transmisii mecanice intre ele si organul de lucru.

Comanda motorului hidraulic secundar se face prin intermediul distribuitoru-lui hidraulic.

Schema de principiu a unei actionari hidraulice este prezentata in fig. 8.

5. Cabina de comanda

Constructia cabinei de comanda si amplasarea ei pe macara trebuie sa asigure cele mai bune conditii de lucru macaragiului. Din acest motiv, cabinele difera in functie de tipul constructiv al macaralei. Se impune insa respectarea unor conditii general valabile. In primul rand trebuie asigurata o buna vizibilitate a locu-lui de lucru si in special a traiectoriei sarcinii, de la fixarea ei la carligul macaralei si pana la desprindere. In fig. 9 a este prezentata schematic constructia unei cabine pentru o macara turn, amplasata la inaltime mare, iar in fig. 9 b cea a unei cabine pentru o macara pe roti cu pneuri, amplasata la inaltime mica.

Cabina trebuie sa fie prevazuta cu scaun deplasabil, reglabil pe inaltime, montat la o distanta comoda pentru actionarea dispozitivelor de comanda. Ea trebuie sa aiba o buna iluminare naturala, sa dispuna de sisteme de incalzire si ventilare. Cabina trebuie izolata fonic, iar scaunul trebuie sa amortizeze socurile si vibratiile care apar in timpul lucrului. Aparatura de control, specifica diverselor tipuri de macarale, trebuie sa fie plasata in fata macaragiului. Accesul in cabina trebuie sa fie comod, iar usa trebuie prevazuta cu sistem de incuiere.