Содержание

Введение

1. Анализ и описание системы «электропривод - рабочая машина»

1.1 Количественная оценка вектора состояния или тахограмма рабочего процесса

1.2 Количественная оценка моментов и сил сопротивления

1.3 Составление расчётной схемы механической части электропривода

1.4 Построение нагрузочной диаграммы и механической характеристики рабочей машины

2. Анализ и описание систем «электропривод - сеть» и «электропривод - оператор»

3. Выбор принципиальных решений

3.1 Построение механической части привода

3.2 Выбор типа привода (двигателя)

3.3 Выбор способа регулирования координат

3.4 Оценка и сравнение выбранных вариантов

4. Расчёт силового электропривода

4.1 Расчет параметров и выбор двигателя

4.2 Расчёт параметров и выбор силового преобразователя

5. Расчёт статических механических и электромеханических характеристик двигателя и привода

5.1 Расчёт механических характеристик двигателя и привода

5.2 Расчёт электромеханических характеристик двигателя и привода

Введение

Продольно-строгальный станок (ПСС) относится к классу металлорежущих станков. Они служат для обработки металлов резанием. Обработка заготовки производится путём снятия стружки, в результате чего заготовка принимает форму близкую к требуемой (черновая обработка) или совпадающую с ней (чистовая обработка).

В ПСС главным движением является передвижение стола, на котором крепится обрабатываемая заготовка.

При строгании снятие стружки с заготовки происходит в течение прямого (рабочего) хода стола, при обратном ходе снятие стружки не происходит. По технологическим причинам вход резца в металл и выход происходит при пониженной скорости. С целью повышения производительности время разгона и торможения привода стола должны быть минимальными исходя из допустимого ускорения, которое задаётся технологами исходя из необходимого качества обработки изделия.

Таким образом, разрабатываемый электропривод должен обеспечивать максимально возможную динамику технологического процесса, при этом для недопущения ухудшения качества обработки заготовки необходима система стабилизации скорости стола.

Исходные данные проекта:

Vпр = 52 м/мин - скорость прямого (рабочего) хода стола;

Vобр = 136 м/мин - скорость обратного (холостого) хода стола;

Vвх = 15 м/мин - скорость вхождения/выхода резца из металла;

а = 5 м/сІ - допустимое ускорение;

Gст = 38 кН - вес стола;

Gдет = 62 кН - вес обрабатываемой заготовки;

L = 9 м - длина хода стола;

Lм = 7,2 м - длина обрабатываемых заготовок;

D = 0,6 м - диаметр делительной окружности реечной шестерни;

H = 0,08 м - ширина реечной шестерни;

м = 0,05 - коэффициент трения стола о направляющие;

J = 0,091 кг·мІ - момент инерции полумуфты;

C = 2·10№ Н·м - жёсткость муфты;

щ = 100 рад/с - скорость вращения двигателя при Vпр.

ЭП получает питание от 3-х фазной сети переменного тока (380 В, 50 Гц).

Графики изменения усилий резания Fz(Vпр) и изменения КПД передач Ю(Vпр) приведены.

1. Анализ и описание системы «электропривод - рабочая машина»

1.1 Количественная оценка вектора состояния или тахограммы

требуемого процесса движения

Произведём словесное описание предельного цикла работы.

Стол разгоняется от нулевой скорости до скорости рабочего хода (Vпр) с предельно допустимым ускорением (а). При достижении скорости вхождения в металл (Vвх) происходит автоматическая подача резца - начинается процесс строгания. В определённый момент времени начинается торможение стола с предельным ускорением, при чём достижение скорости выхода резца из металла соответствует обработка им всей длины заготовки. После достижения нулевой скорости происходит реверс хода стола, то есть обратный ход, где разгон и торможение опять производятся с предельным ускорением. Стол возвращается в начальное положение. Затем цикл повторяется столько раз, сколько требует технология обработки данной заготовки.

Расчёт времени и пути на участках разгонов, торможений, установившихся режимов производим по следующим формулам:

(1)

(2)

(3)

Обозначим: время разгона до Vвх - t1/S1; время/путь разгона от Vвх до Vпр - t2/S2; время/путь движения со скоростью прямого хода - t3/S3; время/путь торможения от Vпр до Vвх - t4/S4; время/путь торможения от Vвх до нулевой - t5/S5; время/путь разгона до Vобр - t6/S6; время/путь движения с Vобр t7/S7; время/путь торможения от Vобр до нулевой скорости - t8/S8. Отметим, что скорости и пути на 1-ом и 5-ом, 2-ом и 4-ом, 6-ом и 8-ом соответственно равны. По формулам (1) - (3) получим:

c;

м;

с;

м;

м;

с;

с;

м;

м;

с.

На основании полученных данных строим тахограмму требуемого процесса движения механизма - рисунок 1.1.

Рисунок 1.1 - Тахограмма требуемого процесса движения механизма

1.2 Количественная оценка моментов и сил сопротивления

Для дальнейших расчётов необходимо определить радиус приведения (с), определить передаточное отношение редуктора (Ар):

(4)

Следовательно:

Из стандартного ряда передаточных чисел для двухступенчатых соосных косозубых редукторов (ГОСТ 2185-66) выбираем ближайшее значение - Аp = 35,5.

Тогда по формуле (4):

м.

Тяговое усилие определяется по формуле:

(5)

Момент статический на валу двигателя:

(6)

Для установившихся режимов прямого и обратного ходов:

Н·м;

Н·м.

1.3 Составление расчётной схемы механической части

электропривода

Механическая часть привода состоит из двух масс, связанных упругим элементом - муфтой.

Первая инерционная масса состоит из инерционной масс ротора двигателя и полумуфты:

(7)

Вторая состоит из следующих инерционных масс: полумуфты, приведенной стола (с заготовкой), приведенных моментов инерции соединительных валов и редуктора (принимаются равными 25% от приведенного момента инерции стола с заготовкой):

(8)

Приведенный момент инерции стола с заготовкой, при g=9.81м/сІ:

 (9)

кг·мІ

Тогда по формуле (8):

кг·мІ

Переход к одномассовой расчётной схеме не возможен по нескольким причинам:

инерционности двух масс соизмеримы (инерционность ротора лежит в пределах 0,5-1,6 кг·мІ);

в электроприводе, предположительно, будет использоваться обратная связь не только по координатам двигателя.

Однако на этапе синтеза системы для упрощения вычислений и технических решений будет использоваться одномассовая расчётная схема.

1.4 Построение нагрузочной диаграммы и механической

характеристики рабочей машины

Нагрузочная диаграмма представляет собой зависимость приведенного к валу двигателя момента в функции времени за цикл работы. Различают упрощенную нагрузочную диаграмму - зависимость статических моментов в функции времени, то есть без учёта динамических нагрузок. Её данном случае будет использоваться именно такая нагрузочная диаграмма, так как выполняется ряд условий:

суммарное время переходных процессов много меньше времени установившихся режимов работы (из рисунка 1.1);

соизмеримы инерционные массы двигателя и приведенная механизма.

Нагрузочная диаграмма рабочего механизма расчитывается по формулам (5), (6) и приведена на рисунке 1.2.

Механическая характеристика рабочей машины есть зависимость статического момента от скорости рабочего вала.

В данном случае целесообразно представить две механические характеристики рабочей машины: при строгании (рисунок 1.3) и при холостом ходу (рисунок 1.4).

Рисунок 1.2 - Нагрузочная диаграмма механизма

Рисунок 1.3 - Механическая характеристика рабочей машины при

строгании



Рисунок 1.4 - Механическая характеристика рабочей машины при

холостом ходе

2. Анализ и описание системы «электропривод - сеть» и

«электропривод - оператор»

По условиям проекта источником питания является трехфазная сеть переменного тока (380 В, 50 Гц). Стандартами предусмотрено и допускается изменение напряжения сети ±10% и частоты ±2,5%. Данное явление вызвано, среди всего прочего, наличием других мощных потребителей энергии в условиях цеха, завода. Это значительно влияет на работу двигателей, накладывает дополнительные требования к организации их работы.

Задание на проектирование умалчивает степень автоматизации процесса строгания. Использование оператора в данном технологическом процессе практически не зависит от разрабатываемого элемента продольно-строгального станка, поскольку процесс передвижения стола в современных условиях требует присутствие оператора только на стадии наладки привода.

3. Выбор принципиальных решений

3.1 Построение механической части привода

Для упрощения механической части, уменьшения габаритов и потерь, а также осуществления благоприятного динамического режима, следует осуществлять передачу движения от двигателя к рабочему органу как можно более децентрализованным путём и без использования промежуточных звеньев в виде редукторов или других механизмов.

Вместе с тем повышение номинальной скорости вращения электродвигателей позволяет уменьшить их массу, габаритов, себестоимость, что влияет на технико-экономические показатели электропривода в целом. Часто необходимо согласование движения двигателя и рабочего органа именно с помощью редукторов и других передач (преобразования вращательного движения в поступательное).

В проектируемом приводе присутствует поступательное движение рабочего органа (стола с заготовкой), поэтому для согласования движения применяется реечно-зубчатая передача, а для понижения скорости вращения применяется силовой цилиндрический редуктор.

3.2 Выбор типа привода (двигателя)

Основой выбора типа двигателя является технические условия на проектирование привода. Исходя их них, можно сразу выделить типы двигателей, которые удовлетворяют данным условиям: асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и двигатель постоянного тока с независимым возбуждением. Данные двигатели могут обеспечить требуемые характеристики механизма.

3.3 Выбор способа регулирования координат

Для реализации приводов главного движения металлорежущих станков применяются различные варианты:

АД с переключением числа пар полюсов и коробка скоростей;

Система Г-Д;

АД с частотным управлением;

ДПТ с управляемым выпрямителем.

Привод должен обеспечивать высокое качество регулирования скорости, первый предложенный вариант не может отвечать в полной мере данному требованию. Система поддержания скорости должна иметь определённое быстродействие, поэтому второй вариант не желателен, к тому же данный способ регулирования является морально устаревшим.

При нагрузке Мс=Const целесообразно использовать способ регулирования координат при постоянном допустимом моменте. Этому условию удовлетворяют оба из оставшихся вариантов.

3.4 Оценка и сравнение выбранных вариантов

Для окончательного выбора типа привода используем «метод экспертных оценок».

Рассмотрим следующие типы приводов: АИН - АД (Шм=Const); УВ - ДПТ; АИТ - АД (векторное управление).

Выделим следующие характеристики оценки выбранных вариантов:

КПД (цикловой)

Коэффициент мощности

Качество регулирования скорости

Надёжность

Простота наладки

Эксплутационные расходы

Ресурс работы

Капитальные затраты

Ремонтопригодность

Массо-габаритные показатели

Обозначим показатели качества - количественную характеристику степени выполнения требований, предъявляемых к приводу:

5 - требования к характеристике системы выполнены очень хорошо;

4 - требования выполнены хорошо;

3 - требования выполнены удовлетворительно;

2 - требования выполнены неудовлетворительно.

Для выделения характера значимости характеристики для достижения цели проектирования введём весовые коэффициенты:

5 - характеристика имеет определяющее значение для цели разработки;

4 - значение очень большое, но не определяющее;

3 - важное значение;

2 - характеристику желательно учесть;

1 - несущественно для цели разработки.

Выбор наилучшего решения определяется вычислением взвешенной суммы - таблица 3.1 - лучший вариант имеет большую сумму.

Таблица 3.1 - Выбор привода

Вариант	Характеристика	Итого
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
АИН-АД(Шм=Const)	4	5	5	4	5	4	5	3	3	4	148
УВ - ДПТ	4	4	5	3	5	3	3	5	4	4	138
АИТ-АД(вект.упр)	4	5	5	4	4	4	5	3	3	4	144
	5	5	5	4	4	3	2	2	2	2
	Весовые коэффициенты

Т.о. расчёту подлежит вариант АИН-АД(Шм=Const).

Оценочная диаграмма представлена в графической части проекта.

4. Расчёт силового электропривода

4.1 Расчёт параметров и выбор двигателя

Произведём расчёт требуемой мощности двигателя. Для этого определим среднеквадратичный момент нагрузки, приведенный к валу двигателя, с учётом ухудшения охлаждения двигателя:

(10)

где Мі - приведенный к валу двигателя статический момент сил сопротивления (по нагрузочной диаграмме);

б, в, г - коэффициенты ухудшения охлаждения двигателя соответственно при пусках, торможениях и паузах (принимаем б=в=0.5);

,,, - соответственно времена пуска, торможения, пауз, работы в установившимся режиме (из тахограммы).

Н*м

Определим рабочие скорости двигателя в установившихся режимах:

(11)

Скорость двигателя при Vпр:

рад/с

Скорость двигателя при Vобр:

рад/с

Принимаем, что номинальная скорость двигателя щн=310 рад/с, тогда расчётная мощность равна Ррасч=310*356=110360 Вт. Так как при расчёте эквивалентного момента нагрузки не учитывалось то, что двигатель не работает в установившихся режимах на близких к номинальной скоростях и то, что не учтены динамические моменты, следует статическую мощность увеличить в 1,5 раза.

Выбираем двигатель из условия, что що=314,1 рад/с и Р2н >1,5*Ррасч=166 к Вт.

Предварительно выбираем двигатель:

АИР315М2У3

номинальная мощность: 200кВт;

скорость идеального х.х.: 3000 об/мин

скольжение номинальное: 2,0%;

кпд номинальный: 94,5%;

Cosц номинальный: 0,94;

кратность момента критического: 3,0;

кратность момента пускового: 1,8;

кратность момента минимального: 1,6;

кратность пускового тока: 7,5;

момент инерции ротора: 1,51 кг*мІ;

исполнение по способу охлаждения: IC0041;

исполнение по защите: IP54;

исполнение по монтажу: IM1082.

4.2 Расчёт и выбор силового преобразователя

Выбранный способ регулирования координат требует для данного двигателя выбрать преобразователь частоты (АИН с ШИМ), который даёт возможность построения замкнутой системы частотного управления (Шм=Const).

Необходимыми качествами обладает преобразователь частоты фирмы Omron, который не требует подключения согласующего трансформатора, имеет встроенную тепловую и токовую защиты и массу других полезных устройств.

Выбор преобразователя производим по классу выходного напряжения (400 В) и по мощности двигателя (200 кВт).

По данным условиям был выбран преобразователь Omron 3G3FV-B422K.

5. Расчёт статических механических и электромеханических

характеристик двигателя и привода

5.1 Расчёт механических характеристик двигателя и привода

Расчет характеристик ведём по паспортным данным машины.

Скорость идеального холостого хода:

(12)

рад/с

Номинальная угловая скорость вращения ротора двигателя:

(13)

рад/с

Момент номинальный на валу двигателя:

(14)

Н*м

Момент критический двигателя:

(15)

Н*м

Критическое скольжение:

(16)

Коэффициент q:

(17)

Расчёт механических характеристик двигателя производим по формуле Клосса:

(18)

Очевидно, что при замкнутой системе частотного управления Шм=Const значения критического скольжения и критического момента двигателя остаются неизменными, а изменяется лишь скорость идеального холостого хода. Необходимо построить искусственные характеристики двигателя для двух рабочих точек - рабочего и холостого хода стола, так как двигатель работает только в двигательном режиме (1и 3 квадранты), то построения можно проводить только для первого квадранта:

1 - рабочий ход стола: М=415,7 Н*м , щ=102,56 рад/с;

2 - холостой ход стола: М=44,5 Н*м , щ=268,22 рад/с.

Подставляя данные координаты в формулу Клосса (18), находим скольжения в этих точках, затем, используя формулу (13), определяем скорости холостого хода для каждой из характеристик. В результате получили:

103,74 рад/с;

268,51 рад/с.

Построение механических производим в математическом пакете Mathcad - приложение Б. Итоги построения представлены на рисунке 5.1.

Механические характеристики привода для прямого и обратного хода представляют собой семейство характеристик двигателя. Так как замкнутая система позволяет поддерживать постоянной скорость, то данные характеристики будут представлять собой прямые, параллельные оси момента, ограниченные осью скорости и моментом критическим двигателя. Характеристики будут пересекать ось угловой скорости в точках щ=102,56 рад/с (прямой ход) и щ=268,22 рад/с (обратный ход) - рисунок 5.2.

Рисунок 5.1 - Механические характеристики двигателя

Рисунок 5.2 - Механические характеристики привода

5.2 Расчёт электромеханических характеристик двигателя и

привода

Потребляемый двигателем номинальный ток статора:

(19)

A

(20)

Определим базовую величину I2nґ:

(21)

 A

Относительный ток намагничивания двигателя:

(22)

Величина тока намагничивания:

(23)

A

Относительный ток ротора:

(24)

Расчёт электромеханической характеристики двигателя ведём по формуле:

(25)

Расчёты ЭМХ двигателя производим в среде Mathсad - приложение Б. Графики ЭМХ двигателя для тех же случаев, что и для МХ представлены на рисунке 5.3.

Построение электромеханических характеристик привода аналогично построению механических. В данном случае слева характеристики ограничиваются током намагничивания двигателя (90,68 А), а справа током статора при критическом скольжении - 3282 А.

Электромеханические характеристики привода представлены на рисунке 5.4.

Рисунок 5.3 - Электромеханические характеристики двигателя

Рисунок 5.4 - Электромеханическая характеристика привода