Цель работы: исследование зависимости величины

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Саратовский государственный технический университет
Балаковский институт техники, технологии и управления
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ЗАХВАТА
Методические указания к выполнению лабораторной работы
по курсу «Комплексная механизация погрузочно-разгрузочных, транспортных и складских работ» для студентов специальности 170900 всех
форм обучения
Одобрено
редакционно-издательским советом
Балаковского института техники,
технологии и управления
Балаково 2007
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: установить зависимость величины удерживающей
силы электромагнитного захвата от параметров электромагнита и физикохимических свойств поднимаемого груза.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Электромагнитные грузозахватные устройства предназначены для
захвата, удержания и транспортировки грузов из ферромагнитных материалов – стальных и чугунных изделий. Грузоподъѐмные электромагниты
постоянного тока выполняются на номинальное напряжение 220 или 110 В,
а при питании от встроенных батарей – на 24В и рассчитаны на колебания
напряжения сети от 0,85 до 1,05 номинального и номинальную продолжительность включения ПВ = 50-70% при работе с «холодным» грузом.
Электромагниты выпускают круглой (типа М) или прямоугольной
(типа ПМ) формы. Наиболее распространены электромагниты круглой
формы, которые применяют для работы с мелкими грузами разнообразной
формы (скрап, чушки, стружка). Электромагниты прямоугольной формы
обычно применяют для подъѐма длинных стальных изделий (балок, труб и
т.п.). Для подъѐма очень длинных и тяжѐлых грузов применяют парную
подвеску двух магнитов на специальной траверсе.
Конструкция грузоподъѐмного электромагнита типа М показана на
рисунке 1. В стальном массивном корпусе 1, отлитом из малоуглеродистой
стали марки 25Л-I, обладающей относительно высокой магнитной проницаемостью, размещена катушка электромагнита 2, удерживаемая снизу
полюсами 3 и 5 и немагнитной, из высокомарганцовистой стали (до 15%)
или из латуни, обладающей незначительной магнитной проницаемостью,
шайбой 4. Обмотка электромагнита, размещѐнная в герметичной оболочке,
выполнена секционной, причѐм каждая секция намотана голой медной
лентой. Витки секции изолированы тонкой асбестовой бумагой, пропитан3
ной изоляционным теплостойким лаком или стекловолокнистой лентой, и
залиты под давлением теплостойкой заливочной массой, которая заполимеризована, что обеспечивает хорошую электрическую и механическую
прочность катушки, а также и хороший отвод тепла.
Рис.1. Конструкция электромагнита типа М
Грузоподъѐмность электромагнитов зависит от типа, формы и степени нагрева груза. Так, грузоподъѐмность электромагнитов сильно снижается при ухудшении магнитных свойств поднимаемых грузов (например, при повышении содержания марганца или никеля в стали). Если при
перегрузке стальных болванок и листов грузоподъѐмность электромагнита
принять за 1, то при перегрузке чугунных чушек и стального скрапа она
составит 0.33÷0.6, а при перегрузке стальной стружки 0.013÷0.02.
Рабочей грузоподъѐмностью электромагнита считается максимально возможная масса гладкой холодной стальной плиты (при нагретой катушке электромагнита), поднимаемой электромагнитом.
При температуре груза свыше 2000С магнитная проницаемость, а
следовательно, и грузоподъѐмность электромагнитов значительно снижаются и при температуре 7200С последняя равна нулю.
Притягивавшая сила электромагнита определяется формулой Максвелла
4
FЭМ
1013 ( I n) 2
,
25 S ( RВ RМ ) 2
(1)
где I – сила тока, А
n – число ампер-витков обмотки;
S – площадь соприкосновения груза с полосами электромагнита, м2;
RВ – магнитное сопротивление воздушных участков пути магнитного
потока, Гн –1;
RМ – магнитное сопротивление ферромагнитных участков пути магнитного потока, Гн –1.
Обмотки электромагнитов могут выполняться медным или алюминиевым проводом. Масса обмотки электромагнита составляет около
12.5% массы электромагнита при медной обмотке и 10% – при алюминиевой.
Анализ отечественных и зарубежных конструкций электромагнитов
показывает, что геометрические соотношения основных размеров в различных сериях электромагнитов близки. Например, для круглых электромагнитов отношение высоты к диаметру составляет 0.2÷0.3, а отношение
внутреннего диаметра полюса к внешнему равно 0.26÷0.36.
Основной показатель грузоподъѐмности электромагнитов – коэффициент отношения грузоподъемности электромагнита к его массе
kГЭ. У
круглых электромагнитов с медной обмоткой kГЭ=6÷16, а у прямоугольных
kГЭ=5÷26 (при подъѐме плиты). При алюминиевой обмотке круглые электромагниты имеют kГЭ=13÷26, прямоугольные имеют kГЭ= 25÷43.
Сила тяжести массы поднимаемого груза на единицу площади электромагнита составляет (7÷16)Н/см2. Удельная потребляемая мощность на
единицу силы тяжести массы поднимаемого груза находится в пределах
(2÷7Вт/Н), а в ряде случаев для электромагнитов с малой грузоподъѐмностью она снижается до ( 1÷2Вт/Н).
Электромагниты со встроенным питанием от батарей потребляют в
5
среднем (0.4÷1.2)Вт/Н. Они надѐжны и безопасны в эксплуатации, но имеют ограниченную продолжительность непрерывной работы и увеличенную
массу, а также неудобны в обслуживании.
Подвеска круглых электромагнитов осуществляется посредством
цепи, состоящей из трѐх элементов (смычек), закреплѐнных в проушинах
корпуса. Смычки выполнены таким образом, чтобы предотвратить закручивание и обеспечить строго горизонтальное положение подвешенного
электромагнита, уменьшить истирание отдельных звеньев. Для подвески
прямоугольных электромагнитов служит коромысло с отверстием для зацепления на траверсе крана.
Электромагниты имеет большую индуктивность, поэтому для быстрого и полного сброса груза, а также для ограничения перенапряжения до
значения не более 2 кВ применяются специальные схемы и аппаратура
управления, которые при отключении командоконтроллера кратковременно отключают питание электромагнита и автоматически включают его на
обратную полярность, а после отпадения груза электромагнит окончательно отключается от источника питания. Такое включение электромагнита
обеспечивает размагничивание груза, что способствует быстрому его отпаданию.
Расчѐтный срок службы электромагнитов составляет 10 лет и может
несколько изменяться в зависимости от конкретных условий эксплуатации.
В течение расчѐтного срока службы вероятность безотказной работы не
менее 0.94 при доверительной вероятности 0.8.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Стенд (рис.2) состоит из следующих основных частей: подвижной
тележки 1, способной перемещаться на шариковых подшипниках 2, на немагнитном основании которой неподвижно закреплены два диска 3 и 4, из6
готовленные соответственно из стали и чугуна, и металлическое кольцо 5 с
заложенной внутрь его металлическое стружкой, залитой эпоксидной смолой, электромагнита 6, динамометра 7, системы блоков 8 с канатом 9 и лебѐдки 10.
9
8
7
10
5
6
4
3
2 1
Рис. 2. Схема экспериментального стенда
Подвижная тележка 1 предназначена для быстрой смены исследуемых материалов, путѐм еѐ перемещения влево или вправо (рис. 2) и установка под электромагнит стального 3, чугунного 4 дисков или металлической стружки 5.
Динамометр 7 предназначен для контроля величины усилия отрыва
электромагнитного захвата 6 от поверхности исследуемого материала (3, 4
и 5 соответственно).
Лебѐдка 10 предназначена для подъѐма электромагнитного захвата
6 посредством каната 9, перекинутого через систему блоков 8.
Силовой трансформатор 1 (рис. 3) предназначен для понижения переменного напряжения
U=220 В до величины U1=10 В, необходимого
для питания электромагнита.
Выпрямитель 2 – двухполупериодный, собран по мостовой схеме на
7
четырех полупроводниковых кремниевых диодах и предназначен для выпрямления переменного напряжения, поступающего со вторичной обмотки
силового понижающего трансформатора в постоянное пульсирующее.
Рис. 3. Принципиальная электрическая схема управления экспериментальным стендом:
1 – силовой трансформатор; 2 – выпрямитель; 3 – сглаживающий фильтр; 4 – реостат;
5 – амперметр; 6 – электромагнит.
Сглаживающий П-образный RС–фильтр 3 выполнен на двух электролитических конденсаторах С1 и С2 большой ѐмкости и резисторе R и
предназначен для сглаживания пульсации выпрямленного напряжения.
Реостат 4 служит для регулирования силы тока, протекающего через обмотку электромагнита.
Амперметр 5 предназначен для визуального контроля силы тока,
протекающего через обмотку электромагнита.
Сущность проведения эксперимента заключается в исследовании
зависимости величины удерживавшей силы электромагнитного захвата от
физико-химических свойств материалов и параметров электромагнита (в
частности, силы тока) и сравнения полученных значений с теоретическими, определяемыми по формуле (1).
8
Порядок проведения эксперимента следующий. Перемещением тележки 1
(рис. 2)
устанавливают под электромагнитный захват диск из
исследуемого материала, например, 3. Вращая рукоятку лебѐдки 10, опускают электромагнит 6 до касания с плоской поверхностью исследуемого
диска 3. Нажимают кнопку «Пуск» магнитного пускателя, подводя тем самым напряжение к электромагниту. Электромагнит 6 притягивается при
этом к поверхности стального диска 3.
С помощью реостата 4 (рис. 3), ориентируясь на показания амперметра 5, устанавливают необходимую силу тока, проходящего через электромагнит. Вращением рукоятки лебѐдки 10 производят намотку каната 9
на барабан. При достижении определѐнного усилия происходит отрыв
электромагнитного захвата от поверхности стального диска 3, при этом по
шкале динамометра 7 фиксируется величина усилия отрыва, соответствующая удерживающей силе захвата.
Изменяя силу тока, проходящего через электромагнит, определяют
соответствующие им величины удерживающей силы электромагнитного
захвата. Устанавливая затем под электромагнитный захват чугунный диск
4 и металлическую стружку 5 и изменяя с помощью реостата силу тока,
определяют соответствующие им величины усилий отрыва или удерживающей силы электромагнитного захвата.
ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА
1. Проверить наличие заземления стенда.
2. При выполнении лабораторной работы исследователь обязан стоять на
диэлектрическом коврике.
3. Запрещается подавать питание на стенд без разрешения преподавателя.
4. После отрыва электромагнитного захвата от поверхности исследуемого
материала немедленно отключать питание стенда.
9
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Перемещая тележку, установить под электромагнитный захват стальной
диск.
2. Вращением рукоятки лебѐдки опустить электромагнитный захват до касания с поверхности стального диска.
3. Нажать кнопку «Пуск» магнитного пускателя для подачи питания на
стенд, при этом электромагнит должен притянуться к поверхности стального диска.
4. С помощью реостата, ориентируясь на показания амперметра, установить силу тока, проходящего через электромагнит, равной 1 А.
5. Вращая рукоятку лебѐдки, плавно производить подъѐм электромагнитного захвата.
6. В момент отрыва электромагнитного захвата от поверхности стального
диска по шкале динамометра зафиксировать величину усилия отрыва.
7. Измерения произвести не менее 4-х раз.
8. Пункты 4 – 6 повторить для величин силы тока, равных соответственно:
2, 3 и 4 А (по заданию преподавателя значения величин силы тока могут
быть изменены).
9. Пункты 1 – 8 повторить для чугунного диска и стальной стружки.
10. Результаты измерений занести в таблицу 1.
Сталь
эксп
Fэм
,Н
А
Сила тока,
Таблица 1
1
2
3
Чугун
эксп
Fэм
,Н
эксп
F эм
4
1
2
1
2
3
4
10
3
Стальная стружка
4
эксп
эксп
Fэм
,Н
эксп
F эм
1
2
3
F эм
4
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
1. Полученные экспериментальным путѐм средние значения величин усиэксп
лий отрыва электромагнита F эм
от поверхности разных материалов при
различных значениях силы тока нанести на график в заданной системе координат (сила тока I, удерживающая сила электромагнита Fэм).
2. Используя формулу (1), определить теоретические значения величин
т
усилий отрыва электромагнита Fэм
(удерживающей силы) для исследуе-
мых материалов при силе тока, равной соответственно 1, 2, 3 и 4А (данные
электромагнита приведены на стенде).
т
3. Нанести полученные значения величин Fэм
на график в заданной систе-
ме координат (сила тока I, удерживающая сила электромагнита Fэм).
4. Для одного из полученных экспериментальных значений величин усиэксп
лий отрыва Fэм
произвести статистическую обработку результатов ис-
следования (в соответствии с ГОСТ 8.207-76. Прямые измерения многократным наблюдением. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения), для чего при заданном уровне доверительной вероятэксп
ности F подсчитать среднее значение F эм , среднеквадратическое отклонение ζ, абсолютную δ и относительную погрешность ε результатов измерений
n
эксп
Fэмi
эксп
F эм
i 1
m 1
2
,
(2)
эксп
где F эм – среднеарифметическое значение усилия отрыва (удерживавшей
силы) электромагнитного захвата;
эксп
Fэмi
– величина усилия отрыва электромагнитного захвата при i-ом
измерении;
11
m – число измерений.
t
m
,
(3)
где t – коэффициент Стьюдента, зависящий от числа измерений m и доверительной вероятности p (табл.2).
эксп
F эм
100 %,
(4)
Таблица 2
Значения коэффициента Стьюдента
Число измерений, m
1
2
3
4
5
6
7
8
10
11
12
13
14
15
Доверительная вероятность, p
0,90
0,95
0,98
2
6,3
2,9
2,4
2,1
2,0
1,9
1,9
1,9
1,8
1,8
1,8
1,8
1,8
3
12,7
4,3
3,2
3,8
2,6
2,4
2,4
2,3
2,3
2,2
2,2
2,2
2,1
4
81,8
7,0
4,5
3,7
3,4
3,1
3,0
2,9
2,8
2,8
2,7
2,7
2,6
СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЁТА
Отчѐт должен быть составлен в отдельной тетради или оформлен на
листах белой бумаги формата А4 в следующей последовательности:
- титульный лист (если отчет оформлен не в тетради);
- название работы;
- цель работы;
- схема экспериментального стенда для исследования работы электромагнитного захвата;
12
- основные расчѐтные формулы;
- результаты измерений эксперимента (таблица 1);
- графики зависимости величин усилия отрыва электромагнитного захвата
исследуемых свойств материалов от изменяемой силы тока электромагнита, полученные экспериментальным и расчѐтным путями;
- расчет значений среднеквадратического отклонения ζ, абсолютной δ и
относительной ε погрешности измерений величин усилий отрыва электромагнитного захвата для одного из исследуемых материалов;
- анализ полученных результатов и выводы по работе.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Назовите область применения электромагнитных захватов.
2. Назовите преимущества и недостатки электромагнитных захватов.
3. Приведите формулу для определения притягивающей силы электромагнита.
Время, отведѐнное на лабораторную работу
Подготовка к работе
1 акад. ч.
Выполнение работы
1 акад. ч.
Обработка результатов эксперимента
1 акад. ч.
Оформление письменного отчета по работе
1 акад. ч.
ЛИТЕРАТУРА
Основная
1. Вайнсон А.А., Андреев А.О, Крановые грузозахватные устройства:
справочник. -М.: Машиностроение, 1982. – 304 с.
Дополнительная
2. Александров М.П. Подъемно-транспортные машины. -М.: Высшая шко-
13
ла, 1979. – 558 с.
3. Крановое электрооборудование. Справочник/ Алексеев Ю.В., Богословский А.П., Певзнер Е.М. и др.; под ред. А.А. Рабиновича. - М.: Энергия,
1979. – 240с.
14
Содержание
Основные понятия……………………………………………………...
3
Методика эксперимента………………………………………………..
6
Требования безопасности труда……………………………………….
9
Порядок выполнения работы…………………………………………..
10
Обработка результатов эксперимента………………………………...
11
Содержание и оформление отчета…………………………………….
12
Вопросы для самоконтроля……………………………………………
13
Литература………………………………………………………………
13
15
Бесплатно
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ЗАХВАТА
Методические указания к выполнению лабораторной работы
по курсу «Комплексная механизация погрузочно-разгрузочных, транспортных и складских работ» для студентов специальности 170900
всех форм обучения
Составил Лускань Олег Александрович
Рецензент Н.Е. Ромакин
Редактор Л.В. Максимова
Корректор Н.Т. Мальчикова
Подписано в печать
Формат 60×84 1/16
Бумага тип.
Усл. печ.л.
Уч.–изд.л.
Тираж
150 экз.
Заказ
Бесплатно
Саратовский государственный технический университет
410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77
Копипринтер БИТТиУ, 413840, г. Балаково, ул. Чапаева, 140
16