Расчет окупаемости полотеров

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Технологическая часть

1.1 Анализ технологического процесса

полотер электропривод окупаемость

В последнее время широкое распространение получает автоматизированный электропривод в быту. Усовершенствование элементной базы позволило создавать высококачественные, многофункциональные и недорогие электропривода. Теперь наряду с пылесосами, стиральными машинами, появилось много техники, доступной в быту. Это и кухонные комбайны, автоматические стиральные машины, швейные машины с электроприводом и много другое. Одним из таких устройств является полотер.

Полотер применяется не только при производстве паркетных работ, но и в процессе ухода за паркетными полами. С помощью полотера производится натирание нелакированного паркета мастиками. Натирание паркета является заключительным этапом укладки паркетного пола. После натирания паркет приобретает характерный блеск и более четко проявляется текстура дерева. Через некоторое время паркет теряет блеск. Поэтому периодически паркетный пол обновляется. Обновление заключается в повторном натирании пола мастиками.

Лакированный паркет приобретает блеск после покрытия лаком. Однако через некоторое время поверхность лака становится матовой из-за мелких царапин. Для того чтобы вернуть паркету прежний блеск производится натирание лакированного паркета воскосодержащими мастиками.

Мастики отличаются по своему составу. Для натирания нелакированного паркета применяются в основном водные мастики, для лакированного паркета - восковые. При этом коэффициент сцепления щетки с полом получается различным. Наибольшее сопротивление будет при натирании нелакированного паркета водными мастиками. Кроме того, в процессе производства работы коэффициент сцепления также изменяется.

1.2 Описание промышленной установки

Промышленностью выпускалось и выпускается несколько типов бытовых полотеров. Одним из первых типов полотеров был полотер ДХ-24. Этот тип долго применялся при паркетных работах. Он имел три щетки, которые приводились в движение коллекторным электродвигателем с помощью ременной передачи.

Позже, когда узлы бытовой техники стали унифицировать, появились новые типы полотеров. Приведем параметры четырех наиболее распространенных типов (таблица 1).

Таблица 1. Основные параметры промышленных бытовых полотеров

Тип	ЭП-3М	ЭПО-3М	ЭПМ2	Блеск
Потребляемая мощность, Вт	400	450	250	450
Производительность, м2/ч	80	82	50	80
Масса, кг	7,5	6,8	9	12

Все полотеры имели три щетки, приводимые в движение универсальным коллекторным двигателем через ременную передачу. Некоторые типы имели, кроме того, пылесборники. В полотерах предусматривалась установка вместо щеток полировальных кругов, а так же легкая и простая смена щеток.

Обычно полотеры имели либо литой алюминиевый корпус, либо корпус из ударопрочных пластмасс. По периметру корпуса имелся амортизатор из пористой резины или подобного материала, который предохранял от повреждения плинтусы и мебель. Полотеры имели штангу, которая имела ручки и свободно поворачивалась в вертикальной плоскости. Это позволяло обеспечить натирание пола даже под мебелью.

1.3 Анализ взаимодействия оператор - промышленная установка

Взаимодействия оператора с установкой промышленного образца как такового не было. Оператор с помощью сетевого переключателя подавал напряжение на установку. Далее его работа заключалась лишь в осуществлении движения установки по нужному маршруту и контроля за качеством работы.

В разрабатываемой установке осуществим взаимодействие оператора с установкой в полном смысле слова. На каждое действие оператора, установка должна отвечать хотя бы зажиганием какого-нибудь индикатора.

На передней панели вынесены сетевой выключатель, индикатор подачи питания, индикатор работы щетки, индикатор аварии, регулятор скорости вращения щетки (совмещен с выключателем щетки и сбросом защиты), регулятор подачи мастики и индикатор подачи мастики. Система управления построена таким образом, что оператор с панели управления ни при каких условиях не вызовет аварийного режима.

Порядок действий оператора при работе с машиной:

Включить штепсельную вилку в розетку электропитания (~220 В, 50 Гц);

Включить сетевой выключатель «Сеть» («Power»). При этом должен загореться соответствующий индикатор;

Повернуть регулятор скорости щетки и выставить нужную скорость.

Аналогичным образом приводится в работу система нанесения мастики (исключая первый пункт). Для выключения все действия провести в обратном порядке.

Если в процессе проведения работы привод остановился и загорелся индикатор «Авария» («Fault»), перевести регулятор скорости в нулевое положение, после чего вновь запустить щетку. Если после этого опять загорается аварийный индикатор, а также в случае, когда после включения сетевого выключателя или перевода привода щетки в режим работы не загораются соответствующие индикаторы, необходимо обратиться к специалисту, обслуживающему данную машину.

Из этого описания видно, что система управления построена таким образом, что на каждое действие оператора она отвечает соответствующим индикатором. Поэтому оператор всегда визуально может подтверждать свои действия.

1.4 Анализ кинематической схемы, определение параметров и составление расчетной схемы механической части электропривода

В данном устройстве предполагается применение безредукторного привода щетки с применением высокомоментного низкоскоростного двигателя. Двигатель имеет торцевое расположение ротора. Щетка жестко насажана на вал двигателя.

Так как в данной установке нет механических передач, в которых существуют зазоры и упругие деформации, а ротор двигателя жестко связан с рабочим органом (щеткой) то эту механическую систему можно представить с очень высокой степенью точности как одномассовую. Это позволяет существенно упростить расчет двигателя и моделирование электромеханических процессов электропривода.

2. Выбор систем электропривода и автоматизации

2.1 Литературный обзор по теме проекта

В выпускаемых промышленностью приборах бытовой техники, в которых необходимо регулировать частоту вращения, применяются либо асинхронные конденсаторные многоскоростные двигатели с переключением обмоток, либо коллекторные двигатели с тиристорными или транзисторными регуляторами.

Вентильные двигатели (ВД) выгодно отличаются от многоскоростных асинхронных двигателей примерно в 3-4 раза меньшим весом и существенно более высоким КПД, а также имеют неоспоримые преимущества перед регулируемыми коллекторными двигателями, в особенности при высоких частотах вращения. Отсутствие у ВД коллектора и обмотки возбуждения позволяет при замене коллекторных двигателей получить экономию до 50% меди, исключить применение угольных щеток, упростить технологический процесс за счет исключения штамповки и набора роторных пластин и магнитопровода. Кроме того, отпадает необходимость в производстве обмотки ротора, коллектора, пайки концов обмоток к коллекторным пластинам, щеткодержателей, притирки щеток и т.п.

ВД позволяют расширить диапазон частоты вращения и мощности высокооборотных двигателей, поскольку снимаются ограничения по прочности коллектора и коммутации, ВД имеют на 10-15% более высокий КПД за счет исключения потерь на возбуждение, отличаются более высокой надежностью и сроком службы. Уровень шума, вибраций и электромагнитных помех у ВД существенно ниже.

В 1996 году было разработано несколько опытных образцов ВД для бытовой техники (для автоматические стиральные машины, кухонного комбайна, электромясорубки, электропылесоса с регулированием частоты вращения двигателя, деревообрабатывающего станка, швейной машинки). Большинство приборов питалось от сети переменного напряжения 220 В, некоторые, например швейная машинка, имела питание постоянным напряжением 24 В. Потребляемая мощность электродвигателя колебалась от 30 до 1000 Вт при КПД (отношение полезной мощности на валу к потребляемой мощности на входе коммутатора) 55-85% в зависимости от режима работы двигателя. При этом максимальная частота вращения двигателя в некоторых приборах достигала 20000 об/мин.

2.2 Формулирование требований к автоматизированному электроприводу и системе автоматизации промышленной установки

Главным требованием к разрабатываемому электроприводу является обеспечение режима работы в пределах норм технологического процесса. К этому относится обеспечение крутящего момента на валу двигателя, регулирование скорости (минимальное и максимальное значение). В разрабатываемом агрегате не требуется автоматизация процесса, так как непосредственно установкой управляет оператор и корректирует скорость вращения щетки исходя из своего опыта.

Кроме того, к электроприводу предъявляется и ряд других требований. Эти требования трудно расставить в порядке их важности, поэтому просто перечислим их:

минимальная стоимость при максимальных возможностях и универсальности (противоречивые требования, поэтому требуется компромиссное решение);

минимальная стоимость и затраты времени при обслуживании и текущем ремонте;

удобство в эксплуатации;

удобство наладки;

безопасность при работе на установке, а также безопасность при обслуживании для операторов и обслуживающего персонала;

минимальные масса и габариты;

надежность и безотказность в работе (обеспечивается с помощью защит и блокировок).

Теперь определимся с автоматизацией установки. Автоматизировать полностью работу полотера не имеет смысла. Наиболее целесообразно автоматизировать все, кроме передвижения. Это связано не только со сложностью технической реализации, а, прежде всего, с трудностью программного обеспечения. Высокая вероятность появления на пути следования полотера препятствий требует от системы управления принятия адекватного решения (остановиться или объехать препятствие, если объехать, то по какой траектории и т.п.).

Таким образом, автоматизируем в полотере подачу мастики. При минимальной скорости вращения щеток наносится мастика. При этом в зависимости от скорости движения полотера необходимо подавать соответствующее количество мастики. Тогда система автоматизации нанесения мастики должна содержать в себе датчик скорости движения полотера, система обработки сигналов от датчика скорости и с пульта управления (выставляется удельная скорость подачи мастики), исполняющее устройство (клапан).

2.3 Расчет нагрузок механизмов установки и построение нагрузочной диаграммы

Все расчеты приведем для наиболее тяжелого режима работы. Это полирование с максимальным усилием нажима и максимальной скоростью вращения рабочего органа.

Для шлифовальных и полировальных станков рекомендуемое усилие нажима рабочего органа на поверхность лежит в пределах F=(50-100) Н. Тогда усилие полирования

, где (1)

- коэффициент сцепления щетки с поверхностью.

Взяв значение коэффициента =1 (табл. 144) и подставив численные значения в (1) получим: .

Максимальная скорость полирования на внешней периферии щетки должна быть не больше 12 м/с. Тогда максимальная частота вращения щетки составит:

, (2)

где - окружная скорость щетки в м/с;

R - радиус щетки.

Подставив численные значения получим:

Максимальный крутящий момент составит:

(3)

Дополнительно оговорим некоторые особенности работы электропривода.

Электропривод нереверсивный и работает практически с постоянной нагрузкой (медленно изменяющейся нагрузкой). Изменение скорости в процессе работы механизма не требуется. Таким образом, видно, что привод работает в режиме S1.

Исходя из вышеперечисленных замечаний, нагрузочная диаграмма будет представлять собой прямую линию, параллельную оси абсцисс. Для большей наглядности определим область работы электропривода в системе координат скорость-момент.

Минимальная скорость щетки 7 м/с, тогда угловая скорость:

Минимальный момент составит примерно половину максимального момента, то есть около 15 Н·м.

2.4 Предварительный расчет мощности двигателей

Необходимая мощность двигателя определяется по формуле

(4)

где - КПД механизма привода (при приводе непосредственно от электродвигателя ).

Подставив численные значения в (4), получим необходимую мощность двигателя .

2.5 Предварительный выбор двигателя, способа управления и комплектного преобразователя

Для полотера завод «Оптрон» разработал специализированный двигатель, который предполагается устанавливать в бытовой полоуборочной технике. Этот двигатель низкоскоростной, что позволяет отказаться от использования редуктора, как связующего звена между двигателем и рабочим органом. Это ведет, прежде всего, к повышению КПД электропривода, а так же удешевляет его. Кроме того, снижается уровень шума при работе установки.

Параметры двигателя:

Номинальная мощность, Вт Р = 1500

Номинальный момент на валу, Н·м М_н = 37;

Номинальный ток якоря, А I_н = 8;

Номинальная скорость вращения, об/мин n = 400;

Номинальный КПД, % ;

Момент инерции ротора, кг·м² J = 0,12;

Сопротивление фазы якоря, Ом R = 3;

Индуктивность фазы якоря, Ом L = 0,009.

Для разрабатываемой установки систему управления и преобразователь спроектируем самостоятельно.

Основу коммутатора составляет микросхема MC33035 фирмы MOTOROLA. В этой микросхеме реализован полный алгоритм управления бесконтактным двигателем. На входы микросхемы подаются сигналы с датчика положения ротора, сигнал задания скорости, сигналы выбора режима коммутации (60⁰/120⁰), выбора направления вращения, разрешения на запуск двигателя. Кроме того, микросхема имеет входы для подключения датчика тока (необходим), датчика скорости (по усмотрению), внешней RC-цепочки для задания частоты ШИМ. Возможно использование регулятора скорости (подключаются только внешние цепи задания параметров, усилитель реализован в микросхеме). Возможно торможение двигателя постоянным током подачей на вход микросхемы сигнала.

В микросхеме имеется встроенная токовая защита. При ее срабатывании блокируется подача импульсов управления на выходы микросхемы. Однако токовая защита не имеет триггерной защелки, что позволяет схеме вернуться в рабочее состояние при бросках тока, и позволяет сделать внешнюю защиту от перегрузок. В микросхеме так же реализована защита от перегрева кристалла.

Выберем частоту ШИМ 20 кГц. Тогда по диаграммам /6, Figure 1/ выберем емкость конденсатора 1 нФ и сопротивление резистора 70 кОм.

Значение напряжения задания скорости лежит в пределах 0 - 4 В /6, Electrical characteristics/. При этих напряжениях задания скорость регулируется от минимального до максимального значения. Выберем общее сопротивление потенциометра регулирования скорости 100 кОм. Необходимо ограничить минимальное и максимальное задание скорости задание скорости. Для этого кроме потенциометра поставим ограничивающие резисторы. Тогда сопротивление R8 рассчитаем следующим образом:

(5)

Рассчитаем напряжение задания, соответствующее минимальной скорости двигателя.

(6)

Тогда сопротивление резистора R10:

. (7)

Примем сопротивление R10 28 кОм. Тогда сопротивление переменного резистора R9 будет равно:

Примем стандартное значение 51 кОм.

Сигналы с выхода микросхема MC33035 нельзя использовать для управления силовыми ключами. Для усиления сигналов управления применяются специализированные микросхемы. В данном случае наиболее подходящей является микросхема IR2110 фирмы International Rectifier. У этой микросхемы есть одно очень важное в нашем случае преимущество: внутри микросхемы реализована потенциальная развязка между сигналами системы управления и сигналами управления силовыми транзисторами. Микросхема предназначена для управления двумя силовыми ключами одного плеча инвертора и обеспечивает выходной ток управления транзисторами до 2 А. Микросхема имеет входы для подачи сигналов управления ключами и вход сигнала блокирования импульсов. При подаче на вход блокирования импульсов (Shutdown) на выход микросхемы импульсы не подаются.

Все номиналы элементов рекомендованы фирмой-изготовителем и рассчитываться не будут.

Для обеспечения безопасности работы на установке, а так же защиты установки от аварийных режимов в схеме предусмотрен ряд защит и блокировок. Это:

защита от перегрузок;

блокировка запуска двигателя при поднятом кожухе;

блокировка запуска двигателя, если ручек не касается рука оператора.

Все защиты и блокировки реализованы на интегральных элементах отечественных производителей (завод «Интеграл»). Это микросхемы К561ТМ2 и К561ЛА7.

3. Технико-экономическое обоснование рациональной схемы электропривода

Произведем технико-экономическое сравнение двух систем электропривода:

преобразователь частоты - асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором.

бесконтактный двигатель постоянного тока.

Выберем комплектный с электропривод ЭКТ с двигателем 4А80S8У3 мощностью 1,5 кВт.

В настоящее время в рыночных условиях для оценки эффективности инвестиций используются следующие методы:

оценка внутренней рентабельности:

определение срока окупаемости:

определение чистой дисконтированной стоимости.

Для применения этих методов необходима информация об изменении прибыли, которой не располагаем. Поэтому воспользуемся формулой приведенных затрат, которая является модификацией метода срока окупаемости, а в качестве коэффициента эффективности примем среднюю рентабельность по стране.

Годовые приведенные затраты

,

где К - капитальные вложения, руб.;

С - эксплуатационные годовые расходы, руб.;

Е_Н=0,15 - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений.

Капитальные вложения

,

где К_ОБ.ЭП - сметная стоимость электропривода;

К_ПР - стоимость пуско-регулирующей аппаратуры: если она не входит в комплектный электропривод;

К_ОБ.МЕХ - сметная стоимость рабочего механизма без стоимости проектируемого электропривода;

К_ПЛ - стоимость производственной площади, занимаемой рабочим механизмом и электроприводом;

К_КУ - стоимость компенсирующей установки.

При расчете необходимо учитывать только те составляющие, которые имеют различные значения для сравниваемых вариантов.

Таблица 2. Расчет капитальных вложений

Наименование	ПЧ-АД,	БДПТ
I. Оборудование, руб.
1. Электродвигатель переменного тока 4А80S8У3, PН=1,5 кВт, n=750 об/мин.	100000
2. БДПТ Pн=1,5 кВт, n=400 об/мин		110000
3. Комплектный электропривод MicroMaster	150000
4. Коммутатор для БДПТ		110000
ИТОГО:	250000	220000
II. Стоимость монтажных работ 6% от (I)	15000	13200
ИТОГО (I+II)	265000	223200
III. Транспортные и заготовительные расходы 2% от (I+II)	5300	4464
IV. Плановые накопления монтажной организации 6% от (II)	900	792
ВСЕГО	271200	228456

Годовые эксплуатационные расходы при выборе лучшего варианта электропривода - это суммарные затраты на рабочий механизм и его электропривод, необходимые для эксплуатации механизма в течении года и получения необходимой производительности. Другими словами, это себестоимость эксплуатации механизма. Годовые эксплуатационные расходы по сравниваемым в общем случае сводятся к следующим составляющим:

(8)

где - годовые эксплуатационные расходы по электрической и механической части;

- затраты на электроэнергию, потребляемую электроприводом, включая потери;

- годовые амортизационные отчисления по механической и электрической части рабочего механизма;

- годовые затраты по обслуживанию механической и электрической части.

Механическая часть полотера остается неизменной при обоих вариантах, поэтому необходимо рассчитать только С^ЭЛ для каждого варианта.

Годовые эксплуатационные расходы по электроприводу полотера складываются из трех составляющих

(9)

где - отчисления от капиталовложений на реновацию, т.е. полное восстановление электропривода;

- затраты на ремонтно-эксплуатационное обслуживание, в том числе капитальный ремонт.

Отчисления на реновацию составляют

(10)

где _pi - процент отчислений на реновацию, для электродвигателей до 100 кВт _p=9,5%, для преобразователей - 3,5%;

- капитальные вложения в электрооборудование.

руб.

руб.

Полезный расход электроэнергии

(11)

где Т_раб - длительность работы электропривода в году;

, (12)

где Т_ном - номинальный годовой фонд работы в одну смену, Т_ном=2014 ч.

Т_прост - суммарное время простоя.

ч.

ч.

k_з.ср - коэффициент загрузки электродвигателя, k_з.ср=0,75.

кВтч.

Потребляемая электроэнергия

; (13)

где ,

_дв - коэффициент полезного действия двигателя;

_пр - коэффициент полезного действия преобразователя.

Потребляемая электроэнергия

кВтч,

кВтч.

Определим стоимость израсходованной электроэнергии

, (14)

где С_уэ - стоимость 1 кВтч электроэнергии, С_уэ=36 руб.

руб.,

руб.

Определим издержки на ремонтно-эксплуатационное обслуживание электропривода. Электрооборудование проходит планово-предупредительные ремонты (ППР), периодичность и объем которых регламентируется системой ППР оборудования и сетей промышленной энергетики.

Затраты на ППР

, (15)

где - зарплата ремонтных рабочих;

- стоимость материалов для ремонта;

- цеховые расходы;

- общезаводские расходы.

Для определения составляющих необходимо установить периодичность ремонтного цикла, межремонтного периода и трудоемкость работ по ППР.

Ремонтный цикл Т_р - это отрезок времени в годах между двумя капитальными ремонтами. Межремонтный период t_р - это отрезок времени в месяцах между двумя текущими ремонтами. Для электродвигателей, работающих в одну смену в сухих помещениях с расчетным коэффициентом спроса k_с=0,25 табличные значения Т_табл=12 лет, t_табл=12 мес. Использование машин по времени и мощности учитывается коэффициент по мощности k_с. расчетный коэффициент спроса k_с следует сравнивать с фактическим.

Фактический коэффициент спроса

, (16)

где Т_год - годовой фонд рабочего времени, Т_год=8760 ч.

Так как k_сф не намного отличается от табличного значения k_с=0,25, то в продолжительность ремонтного периода вводить поправочный коэффициент не нужно. Все коэффициенты для расчета затрат на обслуживание и ремонт установки с обоими вариантами электрооборудование равны.

Плановая продолжительность ремонтного цикла и межремонтного периода электродвигателя привода.

лет;

мес.

лет;

мес.

Определяем количество капитальных и текущих ремонтов в расчете на 1 год.

; . (17)

; . (18)

Определяем годовую трудоемкость ремонта

, нормо-ч; (19)

, нормо-ч, (20)

где Т_кр, Т_тр - трудоемкость капитального и текущего ремонтов соответственно;

n_i - количество однотипных аппаратов, составляющих электропривод;

H_кр, H_тр - нормы трудоемкости ремонтов по каждой машине и аппарату электропривода;

k_пi - поправочный коэффициент, для электродвигателей.

Н_кр1=27 чел.ч;

Н_тр1=6 чел.ч;

k_п1=1,1;

Тогда

чел.ч;

чел.ч.

Аналогично произведем расчет трудоемкости капитального и текущего ремонтов для преобразователей.

Н_кр1=35 чел.ч;

Н_тр1=10 чел.ч;

Тогда

чел.ч;

чел.ч.

Кроме ремонта электрооборудования требуется техническое обслуживание.

Определим трудоемкость технического обслуживания электропривода за год. На каждую рабочую смену ежемесячно планируется 10% табличной трудоемкости текущего ремонта электропривода без учета поправочных коэффициентов. Определяем трудоемкость технического обслуживания за год

, (21)

где k_см - количество смен, k_см=1.

чел.ч;

Результаты расчетов трудоемкости сводим в таблицу 3.

Таблица 3. Расчет трудоемкости ремонтов

Вид работ	ПЧ-АД (БДПТ)
Капитальный ремонт оборудования	5,18
Текущий ремонт оборудования	16,6
Техническое обслуживание оборудования	19,2
ИТОГО:	40,98

Определим заработную плату ремонтного и обслуживающего электротехнического персонала .

, руб., (22)

, руб.. (23)

где - часовая тарифная ставка рабочего сдельщика и рабочего повременщика;

П_пр - процент премиальных затрат, П_пр=25%;

_сс - начисление на зарплату в фонд социального развития, _сс=40%;

_доп - процент дополнительных доплат, _доп=15%…18%;

Т_кр, Т_тр, Т_то - суммарные трудоемкости капитального и текущего ремонтов и технического обслуживания.

Для расчета принимаем часовую ставку IV разряда для работы в механическом цеху

руб.;

руб.

В этом случае

руб.;

руб.

Стоимость материалов для ремонта электропривода равной 100% от основной зарплаты без учета дополнительных доплат.

руб.; (24)

Цеховые расходы принимаем равными 100% от основной зарплаты рабочих

руб.; (25)

Суммарные затраты на ремонтно-эксплуатационное обслуживание электроприводов

(26)

руб.

Годовые эксплуатационные расходы

; (27)

руб.;

руб.

Годовые приведенные затраты

руб.; (28)

руб. (29)

Как видно из расчетов приведенные затраты для разных варианотов электрооборудования различаются на

руб. (30)

На основании экономического расчета для привода тележки применяем бесконтактный двигатель постоянного тока.

Определим срок окупаемости проектируемого электропривода:

(31)

где С - суммарные затраты (эксплуатационные и капитальные);

К - капиталовложение.

Подставив численные значения

года.

Размещено на Allbest.ru