Расчет автоматизированного электропривода продольно-строгального станка

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Современный металлорежущий станок оборудован сложной системой автоматизированного электропривода, включающей в себя многие электрические машины, как генераторы, так и двигатели, всевозможный усилительные и преобразовательные устройства, многочисленную аппаратуру. В современных тяжелых и уникальных станках число электрических машин достигает нескольких десятков.

  В настоящее время любое  устройство должно обеспечивать  максимальную производительность  станка и иметь как можно  меньшую стоимость стоимости электрооборудования.

В данном курсовом проекте мы в качестве модернизации продольно-строгального станка предлагается осуществить замену электропривода переменного тока с механической коробкой передач осуществляющего перемещения стола на  электропривод ПЧ АД.

 

1. Технологическая часть.

1.1. Описание промышленной установки.

 

Продольно-строгальный станок модели 7212 является универсальным станком, предназначенным для обработки методом строгания плоских поверхностей различных деталей из стали, чугуна, цветных металлов и некоторых видов пластмасс.

На станке могут быть обработаны горизонтальные, вертикальные и наклонные плоскости, а также продольные пазы различного профиля с помощью вертикальных  суппортов.

 

Рисунок 1.1. Эскиз станка.

1 – резец, 2 –  суппорт, 3 – поперечина, 4 – изделие, 5 – стол.

 

Конструкция станка обеспечивает строгание резцами из твердых сплавов на повышенных скоростях резания, силовое резание, получистовое и чистовое строгание широкими проходами, а также финишную обработку методом тонкого строгания.

Станок работает нормально в интервале температур окружающего воздуха от +5° до +40°С.

Станок предназначен, в основном, для использования в условиях индивидуального и мелкосерийного производства, а также в ремонтных хозяйствах.

Основные параметры продольно-строгального станка модели 7212 представлены в таблице 1.

Таблица 1

Исходные данные	Условные обозначения	Значение
Усилие резания	Fz	70000 Н
Минимальная скорость хода	Vmin	6 м/мин
Максимальная скорость хода	Vmax	85 м/мин
Масса стола	mc	3260 кг
Масса детали	mд	4500 кг
Радиус ведущей шестерни	rш	0,203 м
Длинна детали	Lд	3 м
Путь подхода детали к резцу	Lп	0,2 м
Путь после выхода резца из металла	Lв	0,15 м
Коэффициент трения стола о направляющие	μ	0,06

1.2. Анализ технологического процесса и выбор управляемых координат электропривода.

 

Для обеспечения высокой производительности при работе с резцами из твердых сплавов возвратно-поступательное движение стола осуществляется по следующему автоматическому циклу:

• медленное врезание резца в обрабатываемое изделие;
• разгон резца в металле до установленной скорости резания;
• резание с установленной скоростью рабочего хода;
• замедление скорости движения стола перед выходом резца из металла;
• быстрый возврат стола с установленной скоростью обратного хода;
• подача суппорта с резцом.

Управление циклом движения стола производиться специальным механизмом (пультом управления). Этот механизм обеспечивает включение замедления в зависимости от величины установленной скорости движения стола, сохраняя тем самым постоянство и минимальную величину выбегов стола при реверсах на всем диапазоне скоростей.

Так как стол совершает возвратно-поступательное движение, то управляющей координатой для регулирования является скорость движения стола.

 

1.3 Анализ кинематической схемы, определение параметров и проектирование расчетной схемы механической части электропривода.

 

Рисунок 1.2. Кинематическая схема механизма привода стола.

 

Из рисунка 1.2 видно, что для передачи поступательного движения столу  от электродвигателя на продольно-строгальном станке используется редуктор, ведущая шестерня и рейку, закрепленную на столе. Причем в качестве двигателя используется асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором без механического регулирования частоты вращения.

Для определения параметров кинематической схемы и выбора мощности электродвигателя механическую часть представим в обобщенном виде, который представлен на рис.1.3

 

 

 

                  Jд     М, w       i            wм      Мм               Jм

 

Рис.1.3 Кинематическая схема электропривода.

 

М – асинхронный двигатель с моментом инерции Jд , электромагнитным моментом М и угловой скоростью вращения вала ω;

Р – редуктор с передаточным числом i;

РМ – рабочий механизм с моментом инерции Jм , статическим моментом нагрузки Мм и угловой скоростью вращения ωм

Линейная скорости стола может изменяться в пределах от 6 до 85 м/мин, для врезания и выхода из металла скорость составляет 0,4 Vпр, таким образом диапазон изменения линейной скорости перемещения стола составляет 2,4-85 м/мин.

Определим диапазон изменения скорости по формуле:

                                                                                (1.1)

 

Для предварительного выбора двигателя построим нагрузочную диаграмму механизма (график статических нагрузок механизма) Расчет времени участков цикла на этапе предварительного выбора двигателя выполняем приблизительно, т.к. пока нельзя определить время разгонов и замедлений.

Пониженная скорость входа резца в металл (принимается):

,                                        (1.2)

где Vпр - скорость рабочего хода (при максимальной нагрузке Vпр мах = 0,35 м/с, или 21 м/мин).

При максимальном усилии резания и соответствующей ей скорости резания пониженная скорость будет равна:

 

 

Усилие перемещения стола на холостом ходу:

,                                                (1.3)

где mс - масса стола (mс = 3260 кг, см таб. 1);

mд - масса детали (mд = 4500 кг, см таб. 1);

g - ускорение свободного падения (g = 9,81 м/с2);

μ - коэффициент трения стола о направляющие (μ = 0,06, см таб. 1).

Усилие перемещения стола при резании:

,                                                      (1.4)

где Fz - максимальное усилие резания (Fz = 70000 Н, см. таб. 1).

Время резания (приблизительно):

,                                                   (1.5)

где Lд – максимальная длинна детали (Lд = 3 м, см. таб. 1);

Время подхода детали к резцу (приблизительно):

,                                                  (1.6)

где Lп - длинна подхода детали к резцу (Lп = 0,2 м, см. таб. 1);

Время прямого хода после выхода резца из детали (приблизительно):

,                                                 (1.7)

где Lв - путь после выхода резца из металла (Lв = 0,15 м, см. таб. 1);

Время возврата стола (приблизительно):

,                                       (1.8)

где Vобр - скорость обратного хода, которая берется по таблице соответствия прямых и обратных скоростей хода стола (при Vпр=21м/мин Vобр=52м/мин).

Время цикла (приблизительно):

,                                         (1.9)

 

 

 

 

 

 

Рис 1.4 Нагрузочная диаграмма механизма.

 

Определим передаточное число редуктора по формуле:

;                                                (1.10)

где rш – радиус шестерни (rш=0,203 мм); ωн – номинальная частота вращения двигателя(примем, что частота вращения двигателя 1000об/мин); Vобр – скорость обратного хода стола.

;                                                (1.11)

Определим момент инерции рабочего механизма:

                                         (1.12)

Радиус приведения можно найти по формуле:

                                                  (1.13)

 

м/рад.

 

кг*м2.

1.4. Расчет и построение механической характеристики механизма.

 

Механической характеристикой механизма называется зависимость угловой скорости от момента

Механическая характеристика раскрывает свойства механизма, т.е. показывает какой возникает момент в механизме, если его приводить в движение с той или иной скоростью.

Для начала построим нагрузочную характеристику механизма (Fz=f(V)). Данная характеристика предоставлена в паспорте на продольно-строгальный станок.

При поступательном главном движении полезный момент на валу двигателя определяется усилием резания и радиусом приведения усилия к валу двигателя:

                                          (1.14)

где ρ – радиус приведения.

Момент статического сопротивления на валу двигателя определяется полезным моментом с учетом потерь на трение в передачах:

                                              (1.15)

Подставляя (1.16) и (1.17) в (1.18) получим:

                                               (1.16)

Подставляя различные значения Fz получим:

 По полученным данным строим следующий график зависимости момента Мс от частоты вращения двигателя ω:

 

Рассчитаем требуемую статическую мощность двигателя при минимальной и максимальной частоте вращения ω.

При максимальной частоте вращения (ω=104,7 рад/с) Рс будет равняться:

 

При минимальной частоте вращения (ω=25,9 рад/с) Рс будет равняться:

При частотном регулировании c U=const должно выполняться условие:

                                             (1.17)

где α равняется:

                                               (1.18)

.

 

Отсюда следует, что для поддержания требуемого момента при частоте вращения ω=25,9 рад/с нужно завысить мощность двигателя в α раз:

                                         (1.19)

Выберем двигатель 4А315S6У3 мощностью 110 кВт и частотой вращения 1000 об/мин.

Рассчитаем номинальный момент двигателя:

Допустимый момент:

 

Данный двигатель не будет перегреваться так как максимальный момент нагрузки  Мс1<Мном, а минимальный момент нагрузки больше допустимого момента. Следовательно двигатель выбран верно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.ВЫБОР СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

2.1.ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ПО ТЕМЕ  КУРСОВОГО ПРОЕКТА

 

Широкое распространение получили системы электроприводов с короткозамкнутыми асинхронными двигателями. Достоинство таких электроприводов: простота и относительно низкая стоимость, недостатки – повышенный пусковой момент и, следовательно, возможность появления больших натяжений и пробуксовки ленты, невозможность регулирования скорости двигателя.

Асинхронные электроприводы с муфтами скольжения обеспечивают плавный пуск, регулирование скорости в необходимом диапазоне. Недостатками такой системы являются невысокий КПД системы, установленная мощность электропривода увеличивается примерно в два раза, большие габариты установки.

Применение асинхронных двигателей с фазным ротором и реостатным управлением обеспечивает плавный пуск оборудования, регулирование скорости. Недостатками такой системы электропривода являются: невысокий КПД, дискретность регулирования скорости, мягкие механические характеристики.

Система управляемый выпрямитель – двигатель постоянного тока позволяет плавно регулировать скорость в широком диапазоне, обеспечивает плавный пуск, высокие динамические показатели, удобство управления. Недостатки: очень высокая стоимость двигателя, высокие затраты на обслуживание из-за наличия щеточного контакта, худшие массогабаритные показатели по сравнению с асинхронными двигателями.