МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

 

П.И. Сагитов

 

ЭЛЕКТРОПРИВОД  ПРОМЫШЛЕННЫХ МЕХАНИЗМОВ

 Учебное пособие

 

 

Алматы 2012

УДК 621.31 (078.8)

С 13 Учебное пособие. П.И.Сагитов:

Электропривод  промышленных механизмов.

АУЭС. Алматы, 2012.- 95 с. Ил. 44, библиогр.- 9 назв.

 

              ISBN 978-601-7098-99-5    

 

        В учебном пособии по курсу “Электропривод промышленных механизмов” рассмотрены электроприводы основных типовых промышленных установок и механизмов, которые условно разделены на непрерывные механизмы и механизмы циклического действия. Приведены примеры выбора типа электроприводов и расчета мощности приводного двигателя для конкретных механизмов.

        Пособие рассчитано для студентов, бакалавров электроэнергетических специальностей, различных  форм обучения.

 

                                                                                  ББК 31.2я73

                                                       

Рецензенты: зав. каф. ЭАТК  КазНТУ, д-р техн. наук, проф. Бекбаев А.Б;

                                                              д-р техн. наук, проф.  Жумагулов К.К.

 

     

Печатается по дополнительному плану издания НАО «Алматинского университета энергетики и связи» на 2012 г.

 

  ISBN 978-601-7098-99-5

          

 

 

© НАО  Алматинский университет энергетики и связи, 2012 г.

 

Содержание 

 

Введение                                                                     

4

1

Электропривод механизмов непрерывного действия с постоянной нагрузкой

7

1.1

Анализ нагрузок. Построение нагрузочных диаграмм. Расчет мощности двигателя                                                     

7

1.2

Характерные особенности работы электроприводов в установившемся режиме

17

1.3

Требования к электроприводу и выбор его типа

21

2

Электропривод механизмов непрерывного действия с переменной нагрузкой

26

2.1

Электропривод механизмов непрерывного действия с моментом нагрузки, зависящим от скорости

26

2.2

Электропривод механизмов непрерывного действия с моментом нагрузки, зависящим от времени

39

2.3

Электропривод механизмов с ударным характером нагрузки

42

2.4 

Электропривод непрерывных станов

47

3

  Электропривод механизмов циклического действия

51

3.1

Электропривод  механизмов подъемных и тяговых лебедок

59

3.2

Статические и динамические нагрузки электроприводов  механизмов   передвижения и поворота

68

3.3

Выбор мощности двигателей для механизмов циклическо­го действия

72

3.4

Электропривод продольно-строгальных станков

76

3.5

Электропривод реверсивных станов

90

 

Список  литературы

98

 

Введение

         Технический прогресс в промышленности сопровождается все увеличивающимся многообразием технологических про­цессов, механизмов по их назначению и принципам действия, ужесточением режимных характеристик производственных процессов, сокращением технологических циклов, повышением точности обработки и т. д. Очевидно, что в этих условиях преимущество электроэнергии, как энергоносителя, по своим специфическим свойствам полностью соответствует задачам создания высокопроизводительных орудий труда и новых технологий, обеспечивающих этот технический прогресс.

Одним из основных потребителей электроэнергии являет­ся электрический привод - электромеханическое устройство, приводящее в действие рабочие органы машин и управляю­щее ее технологическим процессом. Подавляющее большин­ство технологических процессов в современном промышлен­ном и сельскохозяйственном производстве реализуется по­средством механической энергии, получение которой наибо­лее удобно посредством электромеханического преобразова­ния. Совершенство системы электромеханического преобра­зования энергии, совершенство электропривода, в конечном итоге, связано с эффективностью общественного производства в целом.

Создание совершенного электропривода базируется на принятии принципиальных решений по выбору типа электро­механического устройства и системы управления им с учетом особенностей технологического процесса, условий работы машины и отдельных ее механизмов, действующих в этом процессе. Объясняется это обилием технологических процес­сов, их взаимосвязей  и принадлежностей к различным от­раслям народного хозяйства. К тому же в одном технологи­ческом процессе может принимать участие множество различного рода рабочих машин. В то же время одна и та же машина может работать в совершенно отличающихся технологических процессах.

Машины, определяемые [1] как механические устройства с согласо­ванно работающими частями, осуществляющие определенные целесообразные движения для преобразования энергии, материалов или информации, по виду выполняемых ими функ­ций делятся на энергетические, предназначенные для преоб­разования энергии (например, электродвигатели, электроге­нераторы, турбины и т. п.), и рабочие, осуществляющие из­менение формы, свойств, состояния и положения предмета труда или сбор, переработку и использование информации. К рабочим машинам относятся технологические машины-ору­дия (типа металлорежущих станков, прокатных станов, сельскохозяйственных, текстильных, строительных машин и т. д.).

Механизм как совокуп­ность подвижно-соединенных тел (звеньев), совершающих под действием приложенных сил определенные целесообраз­ные движения, выполняет либо главное (рабочее), либо вспомогательное движение, реализующее вместе с главным технологическую или подъемно-транспортную операцию. Важно отметить, что определенный механизм может быть в составе различных технологических или рабочих машин.

         Обилие технологических процессов, машин, механизмов делает задачу изучения особенностей электроприводов и при­нятия принципиальных решений в части электропривода конкретных механизмов практически неразрешимой. В основу анализа и синтеза систем электромеханических устройств должны быть положены принципы, опирающиеся на классификацию механизмов по ряду признаков, часть из которых имеет отношение к характеристике механизма, другая - к требованиям непосредственно к электроприводу.

          Признаками характеристик механизма, определяющими выбор принципиального решения системы электропривода, могут быть следующие:

- режим работы по времени (см. рисунок 1.1 а) - непрерывного (кривая 1) и циклического (кривая 2) действий. Под непре­рывным режимом работы механизма понимается продолжительный режим его работы, в течение которого полностью за­вершается технологическая операция. Время непрерывного действия механизма должно быть не менее постоянной на­грева Тн приводного двигателя. Циклический режим характе­ризуется чередованием периодов работы tр и пауз tп в тече­ние цикла tц технологической операции;

- режим работы по скорости (см. рисунок 1.1 б) - нереверсивный (кривая 1) и реверсивный (кривая 2). Заметим, что данный режим оказывает влияние на принципиальное решение си­стемы электропривода, хотя при выборе приводного двигате­ля по нагреву в случае, например, механизмов непрерывного действия существенного значения не имеет;

         - характер изменения нагрузки по времени - постоян­ный (см. рисунок 1.1в, кривая 1), переменный  (см. рисунок 1.1 в, кривая 2), ударный (см. рисунок 1.1 г, кривая 1), случайный (см. рисунок 1.1 г, кри­вая 2);

         - характер изменения нагрузки по скорости - постоян­ный (см. рисунок 1.1д, активная нагрузка, кривая 1), типа сухого трения (реактивная нагрузка) М = sin(w)  (см. рисунок 1.1 д, кривая 2), переменный типов M = bwn (см. рисунок В.1 д, кривая 3)  и   ( см. рисунок 1.1 е)

Подпись:  .        

 

 

Признаками, определяющими выбор системы управления электроприводами, могут быть следующие:

         - регулирование координат не требуется; необходимо регулирование скорости w, ускорения e, момента М, пути S и т.д.;

         - точность регулирования не требуется, требуется ре­гулирование с ограниченной точностью, имеется необходи­мость прецизионного, высокоточного регулирования;

         - плавность регулирования координат;

         - способ регулирования - ручной, полуавтоматический, автоматический, программный.

         В курсе электропривод типовых промышленных механизмов рассматриваются названные характерные признаки, присущие разнообразным производственным механизмам, которые условно делят на две груп­пы: механизмы непрерывного действия и механизмы цикли­ческого действия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.1 -  Режимы работы механизмов

 

При делении на группы механизмов непрерывного и циклического действия  учтены особенности режимов нагрузки в соответствии с приведенной классификацией.

         В первой главе учебного пособия изложены во­просы электроприводов механизмов непрерывного действия с постоянной нагрузкой, во второй главе - с нагрузкой, зависящей от скоро­сти и времени, в третьей главе рассматриваются электроприводы механизмов циклического действия при различных нагрузках на валу приводного двигателя.

 

         1 Механизмы непрерывного действия с постоянной нагрузкой

 

1.1           Анализ нагрузок. Построение нагрузочных диаграмм. Расчет мощности двигателя

 

         При классифицировании производственных механизмов была выделена группа, особенностью которой является по­стоянство нагрузки при непрерывном характере работы. К этой группе относятся механизмы рабочих машин, выполняющие транспортирующие функции (конвейеры лен­точные и цепные, рольганги, канатные дороги, эскалаторы и т. д.), и механизмы металлорежущих станков (типа токар­ных, карусельных, сверлильных и т.п.), выполняющие глав­ные движения, механизмы непрерывных прокатных станов и т. п.

         Функции назначения, конструктивные элементы этих ме­ханизмов различны. Различна и природа возникновения ста­тических нагрузок. Однако постоянство нагрузки в течение длительного режима их работы при заданной скорости поз­воляет выявить общность в определении мощности Рc (кВт) на валу приводного двигателя, которая определяется следую­щим образом

 

                или     ,                 (1.1)

                                                    

где Fcmax, Mcmax - максимальное статическое усилие (Н) или момент сопротивления (Нм);

V,w - заданные скорости перемещения (м/с) или вращения (рад/с) рабочего органа машины;

h - КПД механизма;        

k = 1,2 – 1,3 - коэффициент запаса, учитывающий до­полнительные усилия, вызванные особен­ностями работы механизма.

Так как рассматриваемый класс производственных меха­низмов имеет продолжительный режим работы, то при расче­те мощности приводных двигателей не учитываются переход­ные процессы и связанные с ними динамические усилия. Од­нако в ряде случаев при проектировании систем управления электроприводами данных механизмов должны быть учтены особенности процессов работы, обусловленные, например, пуском или торможением, т. е. динамическими режимами.

         По характеру статических нагрузок указанную группу ме­ханизмов можно разделить на механизмы с распределенны­ми и сосредоточенными усилиями. В первом случае это в большинстве своем механизмы транспортирующих машин ти­па конвейеров, рольгангов, эскалаторов, канатных дорог и т. д. Во втором случае - механизмы типа главных приводов токарных, карусельных и других типов станков.

         Остановимся подробнее на ряде конкретных примеров. Конвейеры (или транспортеры) предназначены для не­прерывной транспортировки насыпных и штучных грузов по заданной трассе в соответствии с технологическим процес­сом. В конструкцию каждого конвейера входят следующие устройства: несущий и тянущий органы, которы­ми могут быть стальная или текстильная лента, цепь, ковши, каретки, скребки и т. п.; приводная станция, включающая приводной двигатель, передачу, ведущий барабан. На­тяжная станция, в состав которой входят натяжной барабан, горизонтальные направляющие, ролики, по которым пе­ремещается лента.

          В зависимости от исполнения тянущего органа (лента или цепь) различают ленточные и цепные конвейеры. В ленточ­ных конвейерах лента выполняет функции несущего и тяну­щего органов. Цепные конвейеры могут иметь различные не­сущие органы, по которым различают их типы: скребковые, ковшовые, подвесные и т. д.

         Современные типы конвейеров имеют скорости перемеще­ния груза до 6 м/с  (ленточные) при производительности бо­лее 20 000 т/ч.

         Эскалаторы также являются одним из видов транспорти­рующих машин, предназначенных для перемещения людей. На рисунке 1.1 представлен эскалатор с одной рабочей ветвью. Ступени  лестничного полотна связаны шарнирами с двумя замкнутыми цепями 2, которые приводятся в движение веду­щей звездочкой 3. Нижняя звездочка 4 связана с натяжным грузом. Вал ведущей звездочки соединен через редуктор и цепную передачу с приводным двигателем 5. Привод эскала­тора снабжен тормозами: рабочими и аварийным.  Рабочие тормоза расположены непосредственно у двигателя, аварий­ный - у ведущей звездочки (рассчитан на случай обрыва ки­нематической цепи). Поручни 6 эскалатора приводятся в дви­жение через соответствующую кинематическую цепь от при­водного двигателя. Скорость движения полотна эскалатора выбирается в пре­делах 0,45-1 м/с. Увеличение верхнего предела скорости не приводит к росту производительности, так как ухудшается заполнение полотна конвейера и создает неудобства пасса­жирам при входе и выходе с эскалатора. 

        Канатные дороги являются весьма распространенным транспортным средством в горных, лесных и заболоченных местностях при строительстве гидротехнических сооружений, горных разработках и как вид пассажирского транспорта, особенно для спортивных и туристических целей.

         Различают два вида канатных дорог: кольцевые непре­рывного действия (многокабинные) и маятниковые (двухкабинные). В первом случае тянущий канат находится в непрерывном движении, а кабины автоматиче­ски или ручным способом присоединяются в местах загрузки и выгрузки. Во втором случае кабины, имеющие жесткое присоединение к тянущему органу, движутся навстречу друг другу с одновременной остановкой на конечных станциях. Этот тип канатных дорог по характеру относится к механиз­мам циклического действия, а не непрерывного в связи с общностью характера статической на­грузки. Отметим также, что в целом ряде случаев протяжен­ность трасс маятниковых канатных дорог такова, что циклы работы электропривода превышают 10 мин, т. е. режим ра­боты приводного двигателя по нагреву приближается к про­должительному. Современные канатные дороги отличаются большой про­изводительностью (до 800 пассажиров в час) и высокими скоростями движения (до 10 м/с).

 

                                            Рисунок 1.1 - Эскалатор

 

         Рольганги - механизмы, предназначенные для транспор­тирования различного рода изделий с помощью вращающих­ся роликов. Особенно широкое распространение рольганги имеют в металлургической промышленности для перемеще­ния прокатываемого металла (рабочие рольганги, располо­женные непосредственно у клетей стана; удлинительные или рабочие вспомогательные, являющиеся продолжением основ­ных рабочих; транспортные). Следует отметить, что опреде­ленное число названных типов рольгангов работает в повтор­но-кратковременном режиме и относится к механизмам цик­лического действия. Однако характер статической нагрузки и методы ее определения одинаковы для рольгангов непре­рывного и циклического действия. Можно привести еще ряд примеров механизмов непре­рывного действия с постоянной распределенной нагрузкой.

         Для таких механизмов характерно наличие многих дви­жущихся элементов: роликов, катков, барабанов, звездочек и т. д., при вращении которых возникают основные потери энергии. Кроме них, потери возникают из-за деформации тянущих органов, их частичного проскальзывания в приводных бара­банах. Однако эти дополнительные потери существенно мень­ше основных и не учитываются. При перемещении груза с постоянной скоростью как при качении роликов по неподвижной опоре (стальные направ­ляющие в эскалаторах, опорные канаты в канатных дорогах), так и при качении по закрепленным роликам (тя­нущий канат в канатных дорогах, лента в конвейерах (см. рисунок 1.3), изделие на рольганге) возникают силы трения в подшипниках роликов и момент сопротивления качению.

         В общем случае результирующая сила сопротивления движению роликов на наклонном участке определяется, как

 

                                      Fр = c(G + G0 ) cosb,                                                    (1.2)

 

        где G - вес транспортируемого груза,

         G0 - собственный вес несущих и тяговых элемен­тов (роликов, канатов, ленты, цепи и т. д.),Н;

         b -угол наклона участка по отношению к го­ризонту;

         c = kp (2f + mdp) / Dp - общий коэффициент сопротивления  роликов;

         f - коэффициент трения качения, м (при каче­нии стального ролика по стальной опоре (0,5 - 0,8) • 10, при качении горячего ме­талла по роликам - 1,5 -10-3, холодного - 10-3);

         m - коэффициент трения скольжения в подшип­никах ролика (для подшипников качения (0,01--0,03);

         dp - диаметр цапф ролика, м;

         Dp  - диаметр ролика, м;

         kp - 1,2 -коэффициент, учитывающий дополнитель­ное трение о реборду катка (для механиз­мов без реборд  kp1).

 

Подпись:

 

 

 

Подпись: Рисунок 1.2 - Элементы кинематической схемы ленточного конвейера

 

         Для ленточных конвейеров и канатных дорог расчетным путем трудно определить величину коэффициента трения качения f стали по резине (резиновая лента - в конвейе­рах, резиновый бандаж катков - в канатных дорогах). Строго говоря, ввиду многообразия факторов, влияющих на основное сопротивление, вычисление точного значения коэф­фициента c невозможно. Эту величину обычно рассчитыва­ют по эмпирическим формулам или принимают на основе данных опытного массового измерения. Так, согласно [2], для различных типов конвейерных установок при различ­ных условиях эксплуатации с = 0,02 - 0,08.

Кроме основной силы сопротивления Fp, при расчете сум­марного статического усилия Fc необходимо учитывать до­полнительные сопротивления Fб, обусловленные трением в барабанах шкивов или звездочек, а также сопротивление Fг от продольной составляющей транспортируемого груза и веса движущихся частей установки. Первая составляющая Fб определяется в зависимости от приложенной к подшипнику равнодействующей силы. Если принять угол обхвата барабана равным 180° и пренебречь его собственным весом, усилие на тянущем органе от трения в подшипниках может быть определено следующим образом:

                                               Fб=2Тнабmdб/Dб ,                                                         (1.3)

 

где Тнаб  -  натяжение тянущего органа на набегающей сторо­не барабана, Н;

  dб - диаметр цапфы подшипника, м;

Dб   - диаметр барабана (шкива или звездочки), м.

Вторая составляющая Fг обусловлена подъемом или спуском перемещаемых грузов и может быть определена следующим образом

                                     F r= ±Lу(q+q0 ) sinb  ,                                                    (1.4)

 

где L - длина наклонного участка, м;

q0 - вес погонного метра груза, Н/м;

q - вес погонного метра несущих и тянущих органов, Н/м.

         В (5) знаки «+» или «-» принимаются соответственно при движении на подъем или на спуск.

         Тяговое усилие, необходимое для приведения в движе­ние механизма, определяется как результирующее усилие сопротивления движению на всех участках механизма, т. е.

 

                                     Fc= åFpi+åFбi ± åFri ,                                                                              (1.5)

 

         где индекс «i» относится к значению соответствующих вели­чин на 1-м участке трассы.

        При расчете суммарного тягового усилия и места уста­новки приводного двигателя механизмов непрерывного дей­ствия распределенным характером нагрузки строится эпю­ра натяжения по всей трассе методом расчета по контуру или по точкам.

         Рассмотрим в качестве примера построение эпюры натяжения конвейера, кинематическая схема которого представлена на рисунке 1.3.

 

   

Подпись: а -  кинемати¬ческая схема; б - распределение натяжения по длине конвейера.
Рисунок 1.3 - Ленточный конвейер

         Весь контур, образуемый тяговым элементом (в данном случае лентой), разбивают на прямолинейные и криволиней­ные участки, нумеруют точки сопряжения этих участков (см. рисунок 1.3, а), начиная от точки сбегания тягового элемента с приводного барабана (шкива или звездочки в общем слу­чае).

         Выполняя последовательный обход контура по точкам, определяют натяжение на набегающей и сбегающей ветвях тягового элемента у привода, по величине которых находят общее сопротивление, а следовательно, потребное тяговое усилие. Во всех случаях удобно начинать обход контура от точки наименьшего натяжения в обе стороны к приводу. Ве­личина наименьшего натяжения принимается в зависимости от типа транспортной установки и условий ее работы.

         При определении натяжения в точках контура пользуют­ся следующим правилом: натяжение тягового элемента в каждой последующей по его ходу точке равно сумме натяже­ния в предыдущей точке и сопротивлению на участке между этими точками, т. е.

 

                                               Ti = Ti-1 + åFi   .                                                                                (1.6)                    

 

         Для рассматриваемого примера (см. рисунок 1.3) минимальное натяжение при установке двигателя на барабане Б может иметь место в точках 1 или 3. Если сопротивление на участ­ках 1-2 и 2-3, равное с(Gо,1-20,2-3)×cosb, оказывается боль­ше, чем усилие Gо,2-3×sinb, обусловленное наклоном участ­ка 2-3, то минимальное натяжение имеет место в точке 1, т.е. T1= То (предварительное натяжение).

         В других точках натяжения будут следующими

    

    T1 = T0 ,                        

    T2 = T0 + G0,1-2,,

    T3 = T2 +cG0,2-3 cosb - L2-3 q0 sinb,

    T4 = T3 + cG0,3-4 cosb,

    T5 = T4 +2T4 m dб /Dб ,

    T6 = T5 + c(G0,5-6 + G5-6 )  cosb ,                                                                        (1.7)

     T7 = T6 + c(G0,6-7 + G6-7 )  cosb + L6-7 (q + q0 )sinb ,

    T8 = T7 + c(G0,7-8 + G7-8 )  cosb ,

    T1¢ = T8 +2T8 m dб /D .

 

         Характер изменения величины натяжения по контуру мож­но изобразить графически в виде диаграммы (рисунок 1.3, б), в которой по оси абсцисс в масштабе отложены длины участ­ков трассы конвейера, а по оси ординат - величины натяжения (длины участков в поворотных пунктах принимаются равными нулю).

         Из построенной диаграммы следует, что наибольшее на­тяжение имеет место на верхней рабочей ветви конвейера. Поэтому именно в этом месте, следующем за наиболее на­груженным участком, целесообразна установка приводного двигателя. Статическое усилие, равное

 

                                                Fc = T¢1T0  ,                                                                                 (1.8)

 

должно быть положено в основу расчета мощности привод­ного двигателя. При установке приводного двигателя в другом месте существенно будет загружена об­ратная ветвь конвейера и возрастет усилие натяжного уст­ройства. Для цепного конвейера имеется возможность сни­зить величину максимального натяжения установкой допол­нительной приводной звездочки на участке 6-7. Рассмотрен­ный принцип определения тягового усилия может быть поло­жен в основу расчета приводных двигателей электроприво­дов, эскалаторов и канатных дорог. Что касается электропри­вода рольгангов, то здесь имеется определенное отличие, свя­занное с необходимостью учета увеличения нагрузки при бук­совании (проскальзывании) роликов по металлу.

         Момент статического сопротивления при транспортирова­нии металла по рольгангу определяется практически анало­гично рассмотренным ранее механизмам, т. е. на горизон­тальном участке

 

                        Мс = (zр Gр + Gмет)m dш/2 +Gмет f 10-3 / ih ,                              (1.9)

       

        где Gр -  вес ролика, Н;

Gмет - вес транспортируемого изделия, который при груп­повом приводе принимается равным весу всего из­делия, а при индивидуальном приводе в силу фак­торов, плохо поддающихся учету, определяется на основе опытных данных.

    Так, в [3] приведена таб­лица относительного веса металла на один ролик рольганга согласно данным бывшего ГПИ Тяжпромэлектропроекта;

zр - количество роликов рольганга;

i - передаточное отношение редуктора;

h - КПД механизма, принимаемый равным 0,5 hн при нормальном транспортировании, так как момент двигателя при этом невелик.

При буксовании, имеющем место при чрезмерных ускоре­ниях и замедлениях, при набросе изделия на ролики, при упоре изделия в борта рольганга, статический момент дви­гателя равен

 

                        Мc, = (zp Gp + Gмет)m dш +Gмет m Dp /2 ih ,                             (1.10)

 

где m - коэффициент трения металла о ролики при буксова­нии                       (например, при горячей прокатке m = 0,15-0,3, при холодной прокатке m = 0,1-0,15); Dp - диаметр ролика, м.

Рассмотрены примеры и методы расчета статических на­грузок механизмов с распределенными усилиями, характер­ными признаками которых являются непрерывность действия и постоянство нагрузок по времени и скорости в течение про­должительного периода. Примерами механизмов непрерывного действия с посто­янной сосредоточенной нагрузкой являются механизмы ме­таллорежущих станков (например, токарных, карусельных, сверлильных и т. д.).

Придание заготовке, обрабатываемой на станке, необхо­димой формы и размеров осуществляется перемещением ре­жущей кромки инструмента относительно заготовки. Разде­ляют главное движение, за счет которого производится реза­ние металла и движение подачи, которое обусловливает пе­ремещение инструмента или заготовки для снятия нового слоя. Указанные движения являются основными, или рабо­чими. Кроме них, в стайках имеются так называемые вспо­могательные движения, необходимые для наладочных опера­ций, подвода и отвода инструмента и т. д.

В зависимости от вида обработки в металлорежущих станках основные движения осуществляются различными способами. Например, в случае токарной обработки это со­четание вращательного движения заготовки - главное дви­жение и поступательного движения инструмента - движение подачи. А при сверлении движение инструмента имеет и вра­щательный, и поступательный характер при неподвижной за­готовке.

Особенности вида обработки, основные и вспомогательные движения позволяют правильно оценить такие технологические показатели работы станка, как статические усилия, ре­жимы резания, диапазоны регулирования скорости при обра­ботке изделия, время работы при выполнении каждой опера­ции, т. е. дают возможность сформулировать требования к электроприводу данного типа станка и правильно спроекти­ровать его. Названные технологические показатели рассмот­рим на примере токарных станков.

Подпись:           В процессе токарной обработки изделия 1 (см. рисунок 1.4) воз­никает усилие, приложенное под некоторым углом к режу­щей кромке инструмента 2. Это усилие представляется в ви­де трех составляющих:

         а) тангенциального FZ или усилия резания, воспринимаемого главным приводом станка, приводом шпинделя, в котором закреплена заготовка;

Подпись: Рисунок 1.4 - Токарная обработка. Распределение усилий
 б) радиального Fу, создающего    давление   на суппорт     (с ре­жущим        инструментом);

    в) осевого FX или усилия подачи, непосредственно преодоле­ваемого      механизмом подачи.

Для расчета усилия FZ(H) и скорости резания VРЕЗ (м/с) используются эмпирические формулы [4]

 

                               FZ=9.81CFtXFSYFVnРЕЗ  ,                                                                                    (1.11)

                            ,                                                    (1.12)

 

         CF, CV-коэффициенты, характеризующие обра­батываемый материал, резец и вид обра­ботки;

    t - глубина резания (см. рисунок 1.4), мм;

    S - подача, перемещение резца за один обо­рот изделия, мм/оборот;

    T - стойкость резца (время работы между двумя заточками), мн;

m, n, XF, XV, YF, YV - показатели, зависящие от свойств обра­батываемого металла, материала резца и вида обработки.

Значения технологических параметров для соответствую­щих видов обработки определяются по справочнику или за­даются технологами. В целом ряде случаев могут быть зада­ны скорости, усилия и мощности резания, определяемые со­гласно (1.1), при FC = FZ. Использование формул (1.11) и (1.12) возможно лишь при определенных условиях заточки режущего инструмента. При отклонении от этих условий не­обходимо вводить поправочные коэффициенты.

Важно отметить, что большим по величине скоростям со­ответствуют меньшие значения усилий резания. Это приво­дит к практическому постоянству мощности резания. Кроме того, при обработке изделий имеют место продолжительные режимы работы с длительностью более 10 мин. Последние обстоятельства и позволили отнести токарные станки в груп­пу механизмов непрерывного действия с постоянной нагруз­кой. На основании технологических данных всегда можно вы­делить наиболее тяжелый с точки зрения нагрева двигателя режим работы, характеризуемый максимальными статиче­скими усилиями при соответствующей скорости резания.

Но в общем случае на основании эскиза обрабатываемой детали, на котором приведены геометрические размеры и операции (переходов), выполняемые на станке для данного изделия с заданными глубинами  резания и подачи опре­деляют усилия FZ и мощности РZ, и строят нагрузочную диа­грамму. Паузы в работе станка учитывают время на установ­ку и снятие детали, измерения размеров и т. д.

По эскизу детали, для которой выполняются операции, к примеру:  подрезка, обточка цилиндрической поверхности - задаются величины для каждой операции S, t, V, F  и определяются значения Рc на осно­вании (1.1).

Затем строится нагрузочная диаграмма, по кото­рой на основании, например, метода средних потерь или эк­вивалентной мощности (если это возможно), проверяется предварительно выбранный двигатель по нагреву, а затем по перегрузочной способности.

Радиальное усилие FY и осевое FX определяются анало­гично (1.11). Однако по величине они существенно меньше FZ, особенно FX. Суммарное усилие, преодолеваемое приводом подачи, равно

 

                                   .                                                  (1.13)    

 

Мощность привода подачи Рп (кВт), согласно (1-1), равна

 

                  или    ,                                          (1.14)

            где Vп - скорость подачи, м/с;

          ω- угловая скорость обрабатываемого изделия, рад/с.

         Мощность подачи Рп существенно меньше мощности резания , так как скорость подачи Vп во много раз меньше скорости резания Vрез. Технологическое или машинное время обработки определяется следующим образом 

                                                ,                                                      (1.15)

          где I-длина прохода, мм;

         п-число оборотов изделия в минуту;

 S-подача, мм/оборот.

Время tM может быть сокращено, как показывает (1.15), не только увеличением скорости резания, но и увеличением подачи. Последнее обстоятельство связано с распространен­ным в последнее время так называемым силовым резанием металлов.

Подпись: Рисунок 1.5 - Схема
 процесса  сверления

 

Аналогично токарной обра­ботке могут быть рассмотрены вопросы расчета усилий и при сверлении изделия 1 (см. рисунок 1.5), где режущему инстру­менту 2 одновременно сооб­щаются два движения: глав­ное 3 (вращение сверла) и по­дачи 4 (продольное перемеще­ние сверла). Скорость резания и усилия при сверлении могут быть определены по форму­- 

  лам, приведенным в [4].

 

         1.2 Характерные особенности работы электроприводов в установившемся режиме

 

         В целом ряде случаев для приведения в движение меха­нически не связанных друг с другом секций (конвейеры боль­шой протяженности), для уменьшения     натяжения в тянущем органе односекционного конвейера, для снижения мощности приводных двигателей и т. д., для механизмов непрерывного действия с постоянной (в основном с распределенной) нагрузкой применяются многодвигательные электроприводы. При этом возникают вопросы распределения нагрузки от­дельных приводных двигателей и согласования скоростей их вращения. Особенно большое значение приобретают эти воп­росы при наличии механической связи приводов посредством ленты, цепи, каната и т. д., обладающих конечной упруго­стью.

Поясним сказанное на примере цепного и ленточного конвейеров. При этом не будем принимать во внимание тре­ние в нерабочих ветвях конвейера и подшипниках барабанов.

При однодвига­тельном приводе максимальное натяжение (см. рисунок 1.6) имеет место на входе приводной звездочки Т1 = Т0+FC.  При этом двигатель выбирается, исходя из величины усилия FC.

При установке второго двигателя, допустим, полная нагрузка распределится поровну между двигателями звездочек в силу предполагаемой иден­тичности их механических характеристик и равенства скоро­стей. В этом случае максимальное натяжение на входе станет  равным Т1˝=Т1 - FC /2.

При включении третьего двигателя макси­мальное натяжение станет равным Т1˝=Т1-2FC/3, т.е. су­щественно будет уменьшено по сравнению с однодвигатель­ным вариантом привода цепного конвейера. Меньше (и при­том значительно) будет и усилие, воспринимаемое двигате­лем, т.е. возможен выбор приводного двигателя меньшей одиночной мощности. Соответствующим подбором мест ус­тановки звездочек 2 и 3 на трассе конвейера можно полу­чить равенство натяжения в набегающих ветвях.

         Иначе распределяются натяжения в случае применения многодвигательного привода для ленточного конвейера. При приведении в движение только барабана его двигатель воспринимает полное усилие FC и развивает мо­мент MC  в соответствии с характеристикой, представленной на рисунке 1.6.

         Наибольшее натяжение ленты, равное FC + T0, имеет место на набегающей ветви барабана 1. Натяжение ленты между барабанами 1-2 и 2-3 равно Т0. При включении дополнительно двигателя барабана 2 ра­бочие точки на характеристиках (в случае их идентичности) смещаются: 1' , 2' вместо 1, 2. Моменты двигателей бараба­нов 1 и 2 при этом становятся равными 1/2Мс. Натяжение между барабанами 1 и 2 становятся равным T0 + FC/2, а меж­ду барабанами 2-3 сохраняется прежним - T0.

         При одновременном приводе трех барабанов их двигатели развивают моменты 1/3МC (см. рисунок 1.6 рабочие точки 1˝, 2˝, 3˝ на ха­рактеристике). Натяжение между барабанами 1-3 сохраняется неизменным - T0+FC, между барабанами 1-2 и 2-3 становятся соответственно равными  2/ЗFC+T0  и 1/3FC+T0.

         Таким образом, применение многодвигательного привода ленточного конвейера существенно снижает усилия, воспри­нимаемые каждым двигателем. Однако, при этом сохраня­ется неизменным натяжение в рабочей ветви конвейера и увеличивается натяжение в нерабочей ветви. Но разница в натяжении набегающей и сбегающей ветвей ленты бараба­нов существенно уменьшается, что, конечно, улучшает усло­вия оцепления барабана с лентой и позволяет снизить на­чальное натяжение последней.

Подпись: Рисунок 1.6 - Многодвигательный электропривод цеп¬ного конвейера. 
Распределение усилий между приводными звёздочками

                                 

        В рассмотренных примерах имело место снижение еди­ничной установленной мощности приводных двигателей. Их характеристики предполагались идентичными. В случае же применения двигателей с характеристиками неравной жест­кости двигатели не будут загружены равномерно.

         Справед­ливость последнего утверждения покажем на примере лен­точного конвейера при наличии двух привод­ных двигателей (допустим, асинхронных) барабанов 1 и 2, механические характеристики которых не идентичны (см. рисунок 1.7).

         В этом случае

                                          , 

                                            ,                                                              (1.16)

 

         где F1, F2, М1, М - усилия и моменты соответственно двига­телей 1 и 2.

        На рабочих участках механических характеристик спра­ведливо выражение

                                              ,                                          (1.17)

                                                     ,       .

         На основании (1.16) и (1.17) можно записать 

   

                ,       ,          .                (1.18)

 

         Таким образом, нагрузки приводных двигателей распре­деляются пропорционально жестокостям их механических ха­рактеристик. Если учесть, что рассматриваемый класс меха­низмов непрерывного действия работает в длительном режи­ме, то, очевидно, перегрузка любого из двигателей недопус­тима. Но избежать этого при не идентичности механических характеристик можно лишь выравниванием их, что возмож­но при использовании в качестве приводных асинхронных двигателей с фазным ротором, двигателей постоянного тока или асинхронных короткозамкнутых с муфтами скольжения.

         В случае конвейеров небольшой мощности возможно приме­нение асинхронных двигателей с повышенным скольжением.

         Распределение нагрузок между приводными двигателями еще более осложняется, если учесть изменение сечения тяну­щего органа ленты конечной жесткости в зависимости от ве­личины натяжения. Вновь обратимся к примеру двухдвигательного привода ленточного конвейера (см. рисунок 1.7 а). Так как натяжение Т1 больше натяжения Т2, то плотность ленты на барабане 1 меньше, чем на барабане 2, т.е. γ1 < γ2.

 

                               .                                    (1.19)

 

         При сохранении постоянства секундного объема тянущего органа даже в первом приближении (одинаковость сечений Q1 и Q2 ленты при обхвате барабанов 1 и 2) приводит к неравенству скоростей перемещения ленты, т.е. V1V2. Причем V1>V2. К тому же сечения Q1 и Q2  отличаются друг от друга (Q1<Q2, ибо T1>T2), что еще в большей степени сказывается на неравенстве скоростей линейного перемещения ленты на вхо­дах барабанов 1 и 2 (V1>V2), а следовательно, на неравен­стве угловых скоростей вращения барабанов и приводных двигателей ω12, так как V1= ω1Rб и V2 = ω2Rб  - радиус барабанов 1 и 2 (полагаем их одинаковыми). В вы­ражении  (1.19) не учитывается толщина ленты.

Подпись:

 

 

 

 

 

Подпись: а - участок кинематической цепи;
  б-механические характеристики  электро¬привода
 Рисунок 1.7

                  Обозначим отношение угловых скоростей ω2 и ω1

                                                   .                                                      (1.20)

         Механические характеристики двигателей (см. рисунок 1.7,б - прямые 1,2) полагаем идентичными и прямолинейными. В этом случае

 

                                                      s1+s2=2sн ,                                                   (1.21)

 

где S1, S2, SН  - соответственно скольжения первого и второго двигателей и номинальное, рисунок 1.7,б. Там же обозначены моменты М1 и М2 двигателей.

         В соответствии с характеристиками двигателей

 

                                          и                                      (1.22)

или с учётом (1.20)

                     ,                                         (1.23)

на основании (1.21),

 

                 ,                                             (1.24)

или

                                .                                                          (1.25)

 

         С другой стороны, при прямолинейных механических харак­теристиках справедливо соотношение

 

                               ,

                          .                                        (1.26)  

 

         Таким образом, при вытяжке ленты при полностью иден­тичных механических характеристиках двигатели барабанов будут иметь различные нагрузки. Так, например, при % и   (каждого двигателя) для   пер­вый двигатель оказывается недогруженным на 40 %, а вто­рой - на 40 % перегруженным.

         Вновь должна быть решена задача выравнивания нагрузок двигателей, что возможно, например, смягчением харак­теристик двигателя барабана 2 (cм. рисунке 1.7,б, кривая 2). 

         Рассмотренные особенности работы многодвигательных электроприводов в установившихся процессах существенно сказываются на характере распределения нагрузок между приводными двигателями.

        

         1.3 Требования к электроприводу и выбор его типа

 

         Рассмотренные особенности работы механизмов непрерыв­ного действия с постоянной нагрузкой в установившихся и динамических режимах позволяют определить требования к электроприводам этих механизмов и выбор их типа, которые могут быть сформулированы следующим образом:

         - для большого числа механизмов непрерывного дейст­вия не требуется регулирования скорости. Сюда, прежде все­го, относятся конвейеры, эскалаторы, канатные дороги неболь­шой протяженности и т. д. В этом случае широко применя­ются короткозамкнутые асинхронные двигатели, которые также используются и в главных электроприводах некото­рых типов токарных ставков, где регулирование скорости осуществляется механическими средствами;

         - для ряда механизмов с распределенным характером нагрузок требуется неглубокое регулирование скорости в диапазоне D = 2:1 с целью изменения темпа технологическо­го процесса. Здесь применяются асинхронные двигатели с фазным ротором и короткозамкнутые с регулированием ско­рости посредством различного рода регуляторов напряжения;

         - для механизмов металлорежущих ставков: токарных, карусельных и т.д. (главных приводов и в случае индиви­дуального привода подач) - требуется в большинстве слу­чаев широкое регулирование скорости в диапазоне для глав­ных приводов DГ = (100-150):1 и приводов подач DП = (6000-8000):1. В последующем это требование к электро­приводу станков будет рассмотрено особо;

         -  как отмечалось, для механизмов (особенно с наруж­ной установкой): конвейеров, канатных дорог, приводов по­дач ставков - характерен большой по величине момент тре­ния покоя, что обусловливает применение асинхронных электродвигателей с повышенным пусковым моментом и скольжением;

         - для исключения (или, по крайней мере, уменьшения) явления раскачивания груза, для обеспечения плавности протекания переходных процессов при пуске и торможении ме­ханизмов, транспортирующих людей, с большими приведенными к валу двигателя маховыми массами большой протя­женности, с конечной эластичностью тянущих органов требуется ограничение ускорения или замедления (ограничение темпа динамических процессов).

         В этих случаях целесообразно применение двигателей с фазным ротором с большим количеством 7 (или 9) ступеней сопротивления в роторной цепи, асинхронных короткозамкнутых двигателей с тиристорными регуляторами напряжения, дросселями насыщения, муфтами скольжения (электромаг­нитных, порошковых, гидравлических). В ряде случаев с це­лью создания подтормаживания в процессе пуска использу­ются тормозные устройства - колодочные или гидравличе­ские толкатели. При многодвигательном приводе использует­ся поочередный пуск двигателей.

         При жестких требованиях по ограничению ускорений при­меняют двигатели постоянного тока с различного рода пре­образователями, в том числе и тиристорными. Сформулированные требования к электроприводам меха­низмов непрерывного действия с постоянной нагрузкой в оп­ределенной степени очевидны, за исключением, пожалуй, тре­бований к регулированию скорости электроприводов меха­низмов с сосредоточенным характером нагрузки.

         В качестве примера рассмотрим электропривод токарного станка.          Токарные станки в общем случае предназначены для об­работки деталей разных размеров из различных материалов. При этом используются многообразные инструменты и тех­нологические операции. В этом случае естественным является выбор определенной скорости резания (1.12),  при кото­рой токарная обработка является экономичной.

         Показатели этой экономичной обработки связаны с регу­лированием скорости главных приводов и приводов подачи, которые характеризуются диапазоном и плавностью регулиро­вания, условиями нагрузки (например, постоянством мощности главных приводов, требованиями к жесткости характеристик, надежностью и т. д.).

         Диапазон регулирования DГ скорости вращения главного привода определяется следующими параметрами:

         - пределами скоростей резания, м/мин,

 

                                    ,                                           (1.27)

         где d-диаметр изделия, мм  ;

n, ω –скорости вращения шпинделя, об/мин или рад/с.

При  постоянном d, максимальной  и минимальной   скорости

вращения шпинделя равны

                                      ,

                                      .                                                  (1.28)

     - пределами диаметров обрабатываемого изделия при постоянной

                                       ,

                                       .                                                     (1.29)

         Полный диапазон  определится как

                                                                                                (1.30)

 

  и лежит в пределах (100-150):1.

         Для привода подачи диапазон  определяется требуемым диапазоном линейных скоростей и лежит в пределах (для токарных, карусельных станков [4])  (50-7000):1.

        Плавность регулирования скорости определяется коэффициентом регулирования , который для обычно используемого на практике геометрического ряда скоростей равен

                                          ,                                                (1.31)

         где  z –число скоростей;

        z-1- число интервалов между скоростями.

Стандартом установлены значения =1,26; 1,41; 1,58. Теоретически возможно  регулирование скорости с =1.

         Для обеспечения требуемых значений плавности и диапазона скоростей применяются способы механического ступенчатого, электромеханического ступенчатого и электрического бесступенчатого регулирования.

          Механическое регулирование скорости вращения главного привода станка осуществляется посредством переключения шестерен коробки скоростей, которое производится либо вруч­ную, либо дистанционно с помощью электромагнитных муфт, серводвигателей или гидравлических механизмов. 

При ступенчатом регулировании скорости каждому зна­чению скорости вращения шпинделя станка соответствует определенный диапазон изменения диаметров изделия. Необходимо отметить, что, хотя при таком регулировании на основании геометрического ряда скоростей и происходит понижение скорости резания, потери эти сохраняются неиз­менными для любых соседних интервалов скорости вращения. Однако ступенчатое механическое регулирование скорости не обеспечивает для большинства диаметров обработки вы­годную скорость. Следовательно, станок не может обеспечить максимально высокую производительность. Попытки повы­сить плавность регулирования посредством увеличения коли­чества ступеней приводят к сложной кинематической схеме станка, что сказывается не только на стоимости коробки ско­ростей, но и на точности работы станка.

         Электромеханическое регулирование скорости позволяет в целом ряде случаев существенно упростить кинематическую схему станка при одновременном увеличении числа ступеней. При этом полный диапазон Dг регулирования скорости дости­гается сочетанием электрического De и механического Dм  ре­гулирований, т. е. Dг = De*Dм  при  обеспечении условия: каж­дой скорости двигателя соответствует определенная скорость шпинделя, не повторяющаяся ни при одной из остальных скоростей двигателя.

        При применении многоскоростного асинхронного двигате­ля это условие не всегда выполнимо. Допустим, наименьшей скорости двигателя ω01 соответствуют 4 скорости вращения шпинделя согласно, например, 4 ступеням механического ре­гулирования: ω1, ω2, ω3, ω3,ω4. При скорости двигателя 0102 и при соответствующих положениях передач скорости шпин­деля будут равны: 1, 2ω2, 2ω3, 2ω4. Аналогично определяют­ся скорости вращения шпинделя и при двух других скоростях двигателя (в случае применения трех - или четырехскоростного двигателя). Очевидно, что правильный геометрический ряд скоростей может быть получен лишь при определенных соче­таниях величин полного диапазона регулирования Dг, числа переключений коробки скоростей Dм и коэффициента плавно­сти регулирования φ.

         Так как выпускаемые промышленностью многоскоростные двигатели имеют синхронные скорости типа 1500/1000/750 о6/мин или 1500/1000/750/500 об/мин, то геометрический ряд скоростей шпинделя нарушается. Однако в средней части диапазона скоростей интервалы меньше, чем в крайних. Если учесть, что средние скорости обычно чаще используются на практике, то нарушение геометрического ряда в этой области не является недостатком. Конечно, применение многоскоростных двигателей должно диктоваться существенным упроще­нием кинематической цепи, ибо стоимость таких двигателей существенно выше односкоростного, но главное - больше га­бариты, особенно возрастающие при стремлении выполнить условия правильности геометрического ряда.

         В тяжелых станках (например, карусельных) упрощение кинематической цепи главного привода очень важно. Обычно с этой целью используется двигатель постоянного тока неза­висимого возбуждения, в котором регулирование скорости в диапазоне De осуществляется посредством изменения тока возбуждения при неизменном напряжении на якоре и посто­янной мощности на валу, что отвечает требованиям технологии.

         Электрическое бесступенчатое регулирование скорости не является целесообразным для главных приводов универсаль­ных, токарных, карусельных станков, требующих сравнитель­но большого диапазона DГ в пределах (100-120):1. В этом случае, если учесть максимально возможный диапазон регу­лирования скорости посредством тока возбуждения (4-6):1, даже (6-8):1, диапазон изменения скорости посредством на­пряжения на якоре двигателя составит примерно (25-12):1. Это приведет к необходимости применения 'приводных двига­телей, установленная мощность которых будет превышать мощность резания в 10-25 раз. Естественно, использование (например, для токарного станка) двигателя мощностью в несколько десятков тысяч киловатт не только не рациональ­но, но и немыслимо. Поэтому чисто электрическое регулиро­вание скорости двигателя для главных приводов станков (ти­па токарных, универсальных, карусельных и т. д.) не явля­ется оправданным.

         Электрическое бесступенчатое регулирование скорости це­лесообразно в индивидуальных приводах подач указанных станков, где на значительной части диапазона регулирования сохраняется постоянство момента статического сопротивле­ния. В этом случае установленная мощность двигателя (кВт)

                                             ,                                             (1.32)

 

где Мн - наибольший момент на валу двигателя, Нм;

ωмакс - максимальная скорость, соответствующая наиболь­шей скорости подачи  станка, рад/с.

        Здесь целесообразно использование в качестве приводных двигателей постоянного тока с питанием от различного рода преобразователей, типа генератора управляемого выпрямите­ля, магнитного усилителя и т. д., выбор которых обусловлен технико-экономическими соображениями. Возможно и приме­нение асинхронных двигателей с электромагнитными муфта­ми скольжения. Принципиально в приводах подач так же, как и в главных, могут быть использованы все виды регули­рования скорости: механическое и электромеханическое сту­пенчатое, электрическое бесступенчатое.

        Имеет смысл отметить еще одно обстоятельство относи­тельно требований, предъявляемых к системам управления электроприводами механизмов непрерывного действия с со­средоточенным характером нагрузки.  В ряде случаев и в главных приводах, и в приво­дах подач требуется довольно значительная жесткость меха­нических характеристик двигателя, особенно в области низ­ких по величине скоростей: падение скорости не должно пре­вышать 5 – 10 % при изменении нагрузки от нуля до номи­нальной. Необходимость использования замкнутых систем ре­гулирования в этих случаях очевидна. Все более широкое рас­пространение находят инвариантные системы регулирования в приводах таких станков.

 

        2 Механизмы непрерывного действия с переменной нагрузкой

        

         2.1 Электропривод механизмов непрерывного действия с моментом нагрузки, зависящим от скорости

 

        Анализ нагрузок. Определение мощности двигателя

         Наиболее характерными примерами указанных механиз­мов являются механизмы центробежного типа рабочих ма­шин, предназначенных для транспортировки жидкости - на­сосы, газа - вентиляторы и дымососы, сжатого воздуха - компрессоры, а также центрифуги.

         В общем виде мощность Рс. (кВт) на валу механизма центробежного действия может быть определена следующим образом

 

                                   ,                                                                  (2.1)

         где Q - производительность (или подача) механизма, ;

   Н- напор (или давление газа или жидкости на выходе 'механизма), Н/м2;

    η - КПД механизма.

         Основной эксплуатационной характеристикой рассматри­ваемых механизмов является зависимость напора Н от про­изводительности Q при неизменной скорости вращения при­вода.

         Для каждого конкретного механизма Q - Н характе­ристика может быть определена из каталога. Вместе с тем имеет смысл проанализировать названные параметры с це­лью нахождения их зависимости от скорости вращения при­вода. Учитывая общность конструкций и принципа действия механизмов непрерывного действия центробежного типа, ос­тановимся на анализе работы одного из них, например, на­соса. Главными частями центробежного насоса (см. рисунок 2.1) являются рабочее колесо 1 с лопатками 2 на валу привода и кор­пус 3 спиральной формы.

Подпись:

 

 

 

 

 

 

 

 

Подпись: Рисунок 2.1 - Центробежный насос

 

         Корпус имеет патрубок 4 для при­соединения к всасывающему трубопроводу 5 и патрубок 6 для присоединения к нагнетательному трубопроводу 7.      

         В месте, где всасывающая труба примыкает к корпусу, созда­ется разрежение, под действием которого вода подсасывает­ся в насос. Вращающее колесо подхватывает жидкость и на­правляет ее в нагнетательную трубу. При вращении рабочего колеса жидкость, залитая в на­сос перед его пуском, увлекается лопатками и под действием центробежной силы и силы Кориолиса движется от центра колеса к его периферии вдоль лопаток, затем подается через спиральную камеру в нагнетательную трубу. Частицы жидкости участвуют в двух движениях: враща­тельном вместе с колесом, приобретая окружную скорость, •и вдоль лопаток, приобретая относительную скорость. На рисунке 2.2 представлена схема кинематики процесса в колесе насоса. Частица жидкости, двигаясь вдоль лопатки и вращаясь вместе с ней, за время поворота лопатки вместе с колесом из положения А в положение В описывает траекто­рию А-В, так что на выходе из колеса направление абсо­лютной скорости (как геометрической суммы окружной и от­носительной скоростей) касательно к этой траектории.

         Теоретическое давление Рт, (или напор НТ (Н/м5) центро­бежных машин определяется согласно формуле Эйлера [7] следующим образом

 

                          ,                                (2.2)

 

         где γ - плотность перекачиваемой жидко­сти, кг/м3;

νокр ,  νабс , νокр 2 , νабс 2- окружные и абсолютные скорости частицы жидкости на входе в рабочее колесо и выходе из него, м/с;

   α1 и α2 - углы между векторами абсолютной и окружной скоростями (см. рисунок 2.2).

Подпись:

 

 

 

 

 

 

 

       
Подпись: Рисунок  2.2 - Схема кинематики процесса пере¬мещения жидкости в колесе насоса

Для насосов α1 принимается равным 90°, так как при этом имеет место максимальная величина А.

 

В этом случае

 

                               .                           (2.3)

 

        Давление Рт,  по существу, выражает количество энергии, затрачиваемое на перенос 1 м3 жидкости (или газа), так как

 

                                                                                 

            

         Действительное давление Рд, или напор Hд, отличается от теоретического вследствие необходимости преодоления гид­равлических сопротивлений внутри насоса, что учитывается гидравлическим КПД - ηг (0,7-0,9); а также различия траекторий движений частиц между лопатками, которое учи­тывается поправочным коэффициентом k<1, т. е.

 

                                       .                                           (2.4)

              

Окружная скорость (см. рисунок 2.2)

 

                                          ,                                                                (2.5)

                        где R2 - радиус (внешний) колеса;

               ω - скорость вращения колеса.

         Абсолютная скорость может быть определена из паралле­лограмма скоростей (см. рисунок 2.2) на основании теоремы синусов следующим образом

                                            .                                           (2.6)

 

         Таким образом, действительное давление РД (действительный напор НД) на основании (2.4) с учетом (2.5) и (2.6) связа­но с ω следующим образом 

                                            

                        ,                                                                                    (2.7)

 

         где k1 определяется геометрическими размерами колеса насо­са

(R2,,α2, β2), плотностью перекачиваемой жидкости γ, коэф­фициентом k и кпд ηг.

         Напор Н, развиваемый насосом, пропорционален квадра­ту скорости ω и при разных скоростях определяется соотноше­нием

 

                                        .                                                                                           (2.8)

 

         Производительность (подача) Q насоса может быть вы­ражена через сечение (см. рисунок 2.2) колеса (без учета толщины лопаток)

 

                                    ,                                                                                                                    (2.9)      

 

  

         где η0 - объемный КПД насоса, учитывающий утечки жид­кости через различного рода зазоры в насосе, η0 = 0,9 - 0,98. На основании (2.8) с учетом (2.5) и (2.6)

                                                                                         (2.10)

                       

или

                                                 ,                                                            (2.11)

 

         где κ- коэффициент, учитывающий геометрические размеры колеса (D2, b2,, α2,2) и  η0,

т. е. производительность Q прямо пропорциональна скорости ω и при различных ее значениях может быть представлена соотношением

 

 

                                              .                                                              (2.12)

 

         Давление (напор) и производительность (подача) на ос­новании (2.8) и (2.12) связаны зависимостью

 

                                           .                                                     (2.13)

 

                        Соотношение мощностей Рс насоса при различных скоро­стях вращения и постоянном КПД η на основании (2.1), (2.8), (2.12) и (2.13) имеет вид

 

                                                       .                                       (2.14)

        

         Зависимости давления (напора), производительности (по­дачи) и мощности от скорости вращения при постоянном КПД известны под названием закона пропорциональности.

         Отметим, что этот закон справедлив лишь при изменении ско­рости вращения в пределах 20% от номинальной. При боль­ших отклонениях ω коэффициенты κ1, и κ2  также изменяются существенно и пропорциональности не наблюдается.

         На рисунке 2.3 представлены универсальные эксплуатацион­ные характеристики Q центробежного насоса при различ­ных скоростях вращения. Там же нанесены кривые одинако­вых КПД.  Точка А соответствует значениям Q и H при дан­ной скорости вращения ω и наибольшим КПД η1, по кото­рым проектировался и строился насос.

         Характеристики Q - Н обычно снимаются экспериментально и задаются графически, так как теоретический их расчет затруднителен.

         Работа центробежного насоса зависит от характеристики                                                                                      трубопровода, представленной на рисунке 2.3 кривой 3. Эта ха­рактеристика показывает связь расхода воды и полного дав­ления, создаваемого насосом. Полное давление определяется затратами на преодоление статического напора (подъем жидкости на требуемую высоту) и потерь давления ΔPГ во всасывающей и нагнетательной трубах (см. рисунок 2.1), т. е.

 

                                        ,                                                     (2.15)

 

         где - сумма высот всасывания и нагнетания.

        При отсутствии статического напора характеристика трубо­провода имеет вид кривой 4 на рисунке 2.3. Точки пересечения характеристик насоса и трубопровода являются рабочими точками установки.  При отсутствии статического напора характеристика трубо­провода - и большую производительность.

         Расчет мощности привода наиболее удобно осуществлять на основе универсальных характеристик Q - Н механизма и характеристик трубопровода рисунок 2.3, по точкам пересечения которых можно судить о производительности, напоре, скорости враще­ния и КПД в разных условиях эксплуатации. Q - Н характе­ристики при скоростях вращения механизма, отличных от но­минальной, определяются на основе каталажной Q - H характеристики и закона пропорциональности. Мощность при этом, как отмечалось, пропорциональна скорости согласно (2.14), а момент привода Мω2, хотя в общем случае эта зависимость может быть и не квадратичной, а в степени κ,  т. е.

                                                   ,

 

где ωСН и МСН - соответственно номинальные скорость и мо­мент        механизма согласно паспортным данным.

 

Подпись:

 

 

 

 

 

 

 

Подпись: Рисунок 2.3 - Универсальные характеристики Q-H насоса

      

         Значение показателя степени κ может быть определено по Q - Н характеристикам насоса и магистрали. Для максималь­ной и минимальной производительностей, полученных регу­лированием скорости, при предположении постоянства КПД можно записать

 

                                    ,

                                      ,                                               (2.16)

или

                                   .

     

          Из последнего выражения следует

 

                                    ,                                      (2.17)

 

т.е. момент статического сопротивления зависит от скорости вращения, в степени κ (в частном случае κ=2).  Отметим, что в любом случае пусковые моменты составляют величину 30 – 35 % от номинального, существенно меньшую, в отличие от механизмов непрерывного действия с постоянной нагрузкой.

         Для заданных технологических параметров (производи­тельности, напора, скорости вращения, характеристики тру­бопровода) выбирается приводной двигатель, мощность кото­рого принимается несколько большей мощности механизма (2.1)

 ,                                                       (2.18)

 

         где κ = 1,2 - 1,3 - коэффициент запаса, учитывающий не под­дающиеся расчету  факторы (например, на­бивка сальников).

 

         Электропривод механизмов непрерывного действия с моментом нагрузки, зависящим от скорости. Выбор типа электропривода и способы регулирования производительности

        Большая группа механизмов с моментом нагрузки, зави­сящим от скорости, не требует регулирования производитель­ности, а следовательно, и скорости приводного двигателя.

         В качестве примеров таких механизмов можно привести вентиляторы производственных и бытовых помещений, насо­сы бытовых магистралей и пожарные, компрессорные уста­новки и т. д.

        Наиболее типовым приводным двигателем является в этом случае асинхронный короткозамкнутый, особенно в наружных установках и в помещениях с химически активной средой. При необходимости ограничения пускового тока применяются активные или индуктивные сопротивления в статорной цепи.  

С целью плавного пуска и ограничения величин пусковых токов применяются также асинхронные электродвигатели с фазным ротором. Широкое распространение, особенно при комплексном ре­шении вопросов электроснабжения и выбора типа приводного двигателя, получили синхронные двигатели, с целью получе­ния оптимальных режимов регулирования коэффициента мощности производственного участка.

         Однако для целого ряда механизмов данной подгруппы требуется регулирование производительности в процессе тех­нологического режима, например: для насосов с целью под­держания заданного уровня концентрации жидкости, для ды­мососов при различных условиях топки котлов, для центри­фуг при работе с материалом различной твердости и т. д.

         Регулирование производительности механизмов с вентиляторным моментом на валу, как правило, осуществляется не в широких пределах (в диапазоне D=1(2-3):1), что в свою очередь обусловливает не очень глубокое регулирование ско­рости (примерно также в этих пределах). При этом в боль­шинстве практических случаев не требуется жесткого под­держания скорости вращения на заданном уровне.

         Принципиально регулирование производительности Q воз­можно механическим или электрическим способом.

         Механический способ регулирования производительности связан с изменением характеристики трубопровода. В каче­стве примера на рисунке 2.4 представлены характеристики (кривые A и В) трубопровода при различных его сечениях и Q-H характеристика насоса. Кривая А соответствует номинально­му режиму работы насоса (Qн, Hн) с максимальным КПД (точка А). Для уменьшения производительности насоса в тру­бопроводе изменяется положение задвижки, тем .самым уменьшается сечение трубопровода, а следовательно, гидрав­лическое сопротивление (кривая В). Рабочая точка перемещается в положение В, соответствующее новой производи­тельности Qв и напору Нв. Давление Нв, развиваемое насо­сом при работе в точке В, расходуется на подъем жидкости на требуемую высоту и преодоление сопротивления трубо­провода (напор Нв), а также частично поглощается прикры­той заслонкой (напор ). При данном способе регулирования производительности потери мощности, связан­ные с введением в цепь трубопровода заслонки, равны

 

                                            .                                                (2.19)      

         При анализе потерь мощности полагаем КПД механизма постоянным и давление (напор) в точках А и В равным ().

С учетом соотношения

                                                                                                      (2.20)

имеем

                                .                                        (2.21)

        С учетом равенства   и обозначения     потери мощности равны

                                                                                                 (2.22)

Из равенства  определим , при котором имеет место максимум потерь . В дей­ствительности потери еще больше, если учесть, что НBH и КПД меньше в точке В по сравнению с точкой А.

         Отсюда следует, что данный способ регулирования производительности характерен значительными потерями мощности, связан­ными с увеличением гидравлического сопротивления в месте изменения параметров трубопровода (в рассмотренном при­мере - его сечения), поэтому он неэкономичен и применяет­ся, как правило, в установках малой мощности (около де­сятка кВт).

        

Подпись:

 

 

 

 

 

         
Подпись: Рисунок 2.4 - Регулирование производительно¬сти насоса механическим способом

        
        

         Электрический способ регулирования производительности механизмов с нагрузкой, зависящей от скорости, осуществля­ется путем изменения скорости вращения приводного двига­теля. Этот способ регулирования экономически оправдан в случае, если относительные потери (ΔР/РН) в электроприво­де при регулировании скорости его вращения меньше отно­сительного изменения, например, давления ΔН/НН в устройст­ве регулирования характеристик трубопровода насоса.

         На основании закона пропорциональности в виде (2.14) можно записать

 

                                             ,                                             (2.23)

                                 

         где Р2 и Р, ω и ωн - соответственно мощности на валу при­водного двигателя при скоростях ω и номинальной ωн, при­чем ω<ωн.

         Электромагнитная мощность приводного двигателя

 

                                                      ,                                                   (2.24)

 

где ω0 - скорость идеального холостого хода.

С учетом (2.19)

                                                     .                                 (2.25)

 

         При пренебрежении механическими потерями и в стали потери при регулировании скорости двигателя с целью изме­нения производительности будут равны

                                       .                    (2.26)

 

Максимальная величина указанных потерь имеет место при ω =2ω0 /3 и равна

                                       .                                                            (2.27)

         При пренебрежении разности между ω0  и ωн    .

Таким образом, при электрическом способе регулирования производительности механизмов с моментом нагрузки, зави­сящим от скорости, посредством изменения скорости вращения приводного двигателя его потери имеют ограниченный максимум в пределах 15-17% P. Эта величина существен­но меньше потерь мощности при механическом способе регу­лирования посредством изменения характеристик трубопро­вода. Энергия скольжения при электрическом способе регу­лирования либо рассеивается в виде тепла в приводном двигателе и дополнительных регулировочных устройствах, либо возвращается на вал его или в сеть посредством раз­личного рода преобразующих машин.

Характерным примером для первого случая является ре­гулирование скорости асинхронного двигателя посредством изменения сопротивлений в цепи ротора, где, согласно (2.22), при скорости ω = 2/3ω0 имеют место максимальные потери, равные 15-17% от номинальной мощности. Данный метод используется при неавтоматическом, ступенчатом регу­лировании производительности в диапазоне D =(2-3):1.

         Применяется способ регулирования производительности механизмов рассматриваемой подгруппы, при котором энер­гия скольжения рассеивается в виде тепла в роторной цепи приводного асинхронного дви­гателя, осуществляется способ изменением величины питающего напряжения. Известно доста­точно много различных мето­дов изменения напряжения по­средством различного рода ре­гуляторов напряжения, вклю­ченных в статорную цепь.

          От­носительная простота конструк­ции, удобство включения в си­стему автоматического регули­рования, возможность плавно­го изменения скорости двига­теля делают применение указанных устройств оправданным в установках с вентиляторным моментом на валу в диапазо­не до D = 2:1.

         Условие выбора двигателя по нагреву может быть запи­сано следующим образом

                                         ,     

 

          где - потери энергии скольжения при регулиро­вании скорости;

         ΔP - номинальные, допустимые потери скольже­ния при работе двигателя с номинальным моментом МН на характеристике со скольжением.

         Таким образом, условием для выбора двигателя является

 

                                                                                              (2.28)

или

                                                                     (2.29)

с учетом (2.15)

                                     .                                   (2.30)

 

         Из анализа (2.30) следует, что потери скольжения имеют максимальную

величину

                                                         (2.31)

при скорости

                                              .

         В частности, при κ = 2

                                             ,

 

что соответствует величине потерь при реостатном регулиро­вании скорости асинхронного двигателя.

При регулировании скорости посредством изменения пи­тающего напряжения в случаях, когда требуемое минималь­ное значение скорости ω22макс  при выборе двигателя в (2.29), следует подставлять значение ω2макс, при ω22макс - величину ω2, так как именно при этом имеют место макси­мальные потери скольжения. И еще одно обстоятельство связано с данным способом регулирования. Увеличение s'н приводит к снижению номи­нального момента и габаритов двигателя, но одновременно снижается верхний предел регулирования скорости, а следо­вательно, и производительности.

         Условие обеспечения наи­большей скорости ω1макс в заданном диапазоне регулирова­ния D можно записать в следующем виде (при прямолиней­ных механических характеристиках двигателя)

                             или  ,                        (2.32)

                                                                                                                                

         где ωмакс, s1, М1 - максимальная скорость, скольжение и мо­мент статической нагрузки;

         γ – коэффициент, учитывающий падение напряжения на регулирующем напряжении уст­ройства при ω1 (γ = 1,05-1,3).

Результат совместного решения (2-29) и (2-33) позволяет определить

 

                             ,

                  

                           ,                              (2.33)

 

откуда можно найти оптимальное значение ω1, при котором МН будет минимальным. Отметим еще раз, что применение метода плавного авто­матического регулирования скорости посредством изменения питающего напряжения оправдано в установках малой и иногда средней мощности с вентиляторным моментом на ва­лу в диапазоне до D = 2:1.

         В установках средней мощности возможно применение двухдвигательного асинхронного электропривода. При этом один из двигателей имеет поворотный статор. Диапазон регу­лирования D = (2 - 3):1.

         В [9] показано, что результирующий момент двухдвига­тельного электропривода связан с углом поворота в статоре одного из двигателей относительно другого следующим об­разом

 

                                 ,                                                  (2.34)

                            ,

 

где МНС - момент двигателя в нормальной схеме включения с доба­вочным сопротивлениемR'/2 в роторной цепи;

U1- напряжение, подводимое к двигателю;

        r2',xκ,r1—параметры двигателя.

Введение добавочного сопротивления в цепь роторов дви­гателей делает их механические характеристики более мягкими, обеспечивая больший диапазон регулирова­ния.

        Механические характеристики двухдвигательного элект­ропривода аналогичны характеристикам двигателя при регу­лировании скорости посредством изменения приложенного напряжения. При θ = 0 суммарное напряжение на зажимах дви­гателей равно нулю и соответственно М = 0. При 0<θ<π/2 результирующий вращающий момент привода меньше момен­та, развиваемого двигателем в 'нормальной схеме включения при данном скольжении (один из двигателей работает в дви­гательном режиме, другой - в генераторном). При π/2<θ<π момент привода больше момента каждого из двигателей (оба двигателя работают в двигательном режиме). При θ = π механическая характеристика привода складывается из меха­нических характеристик отдельных двигателей, работающих в нормальной схеме включения.

Условия выбора двигателей по нагреву те же, что и при регулировании скорости посредством изменения напряжения, а именно:

 

                                                  ,                                                   (2.35)

           

        где ΔPН   - максимальные потери скольжения.

В установках средней и большой мощности в сочетании с требованиями плавного и глубокого регулирования скоро­сти в диапазоне D=10:1 (а иногда и более) применяются системы генератор - двигатель или управляемый преобразо­ватель - двигатель. Механические характеристики электропривода с вентиляторным моментом на валу, получающим питание по системе Г-Д более приемлемы для использования.

В системах управляемый преобразователь - двигатель возможно получение механических ха­рактеристик электропривода с плавным регулированием скорости, но в данных системах существенным становится вопрос о величине коэффициента мощно­сти, так как

  

                                          .

 

        Однако область применения управляемых вентильных преобразователей существенно увеличивается и завоевывает все большую признательность (примером может служить электропривод воздуходувок аэродинамических труб). Объяс­няется это рядом известных преимуществ указанных систем по сравнению с системой Г-Д и применением специальных мер, допустим, так называемой искусственной коммутации с целью улучшения энергетических показателей.

          В начале рассмотрения электрического способа регулиро­вания производительности отмечались два пути его реализа­ции посредством изменения скорости вращения приводного двигателя: с рассеиванием энергии скольжения в регулиро­вочных устройствах и с реализацией энергии скольжения посредством возврата ее на вал приводного двигателя или в сеть.

         Первый путь реализации электрического способа регули­рования производительности становится очень неэкономич­ным для установок большой и даже средней мощности из-за больших потерь энергии скольжения, больших мощностей и габаритов регулировочной аппаратуры.

        Более экономичным и целесообразным является второй путь реализации электрического способа регулирования произво­дительности посредством каскадных схем, которые находят широкое применение для электроприводов нагнетателей круп­ных газовых магистралей, нагнетателей аэродинамических труб, гребных винтов и т. д.

         Рассмотренные методы регулирования производительно­сти механизмов с моментом нагрузки, зависящим от скоро­сти, должны быть подвергнуты тщательному анализу с целью отыскания оптимального варианта при выборе типа электро­привода.

 

          2. 2 Электропривод механизмов непрерывного действия с момен-том нагрузки, зависящим от времени

 

         Анализ нагрузок. Выбор типа электропривода

         В общем случае нагрузка электроприводов таких меха­низмов может носить детерминированный характер типа цик­лического (см. рисунок В.1а, кривая 2), ударного В.1 г (кривая 1), позиционного (см. рисунок В.1 д) при ωср=const или случайного (см. рисунок В.4, кривая 2). К механизмам с детерминированной пе­ременной нагрузкой относятся механизмы поршневых комп­рессоров и насосов, ткацких станков, прессов, ковочных ма­шин и т. д.

         Случайный характер нагрузки характерен для ме­ханизмов шаровых мельниц, камнедробилок, бурильных ус­тановок, сельскохозяйственных молотилок и других подобных рабочих машин.

         Из-за ограниченности объема рассмотрены лишь электро­приводы механизмов с детерминированной переменной наг­рузкой позиционного и ударного типа.

        Электропривод механизмов с нагрузкой позиционного типа

       Анализ нагрузок указанных электроприводов проведен на примере работы поршневого компрессора, схема действия ко­торого представлена  на рисунке 2.5 а.

 

Подпись:

 

 

 

       

 

     

Подпись: а - схе¬ма действия; б - индикаторная диаграмма. 
Рисунок 2.5 - Поршневой компрессор

 

Одноступенчатый комп­рессор простого действия имеет открытый с одного конца цилиндр 1, в котором движется поршень 2, приводимый в действие кривошипно-шатунным механизмом. На другом кон­це цилиндра в его крышке размещены всасывающий 3, открывающийся в сторону поршня, и нагнетательный 4, открываю­щийся в сторону нагнетательного трубопровода, клапаны.        

         Индикаторная диаграмма на рисунке 2.5 б отображает ра­боту компрессора в одном цикле, затрачиваемую на процес­сы всасывания, сжатия и нагнетания. Теоретически рабочий процесс осуществляется следующим образом. При движении поршня вправо через клапан 3 происходит всасывание воз­духа (линия 1 - 2 на диаграмме). Давление р1 при этом рав­но атмосферному. При обратном ходе поршня всасывающий клапан закрывается, происходит сжатие воздуха в цилиндре по линии 2 - 3 при адиабатном процессе (процесс идет без ох­лаждения), по линии 2 - 4 при изотермическом процессе (при постоянстве температуры при полном охлаждении воздуха) или по линии 2 -5 при политропном, имеющем место в дей­ствительности при охлаждении цилиндра, процессе. По окон­чании процесса сжатия при давлении Р2 клапан 4 открывает­ся, сжатый воздух выталкивается из цилиндра в нагнетатель­ный трубопровод. Линия 5-6 называется линией нагнетания.

Реальный процесс отличается от теоретического вследст­вие влияния ряда факторов, в частности, так называемого вредного пространства (объем V0), обусловленного наличием в цилиндре всасывающих и нагнетательных клапанов; сопро­тивления клапанов при всасывании и нагнетании и т. д. Вред­ное пространство уменьшает производительность компрессо­ра, так как сжатый воздух, оставшийся в нем к концу процесса нагнетания, расширяется (линия 6-7) при движении поршня вправо. Процесс всасывания начинается при дости­жении давлением величины Р1 , при этом количество воздуха уменьшается на объем Vрас. Отличие реального процесса от теоретического оценивается величиной объемного КПД η0. Площадь диаграммы 7-2-5-6-7 равна в масштабе ра­боте Ак (Н-м) компрессора, затрачиваемой на получение сжа­того воздуха, которая может быть определена следующим об­разом

 

                      ,                                         (2.36)

 

         где т - показатель   политроны,   согласно   уравнению PVm=const;

                P1 и P2 - начальная и конечная величины давлений, Н/м2;

                    V1 - начальный объем воздуха (рабочий объем цилинд­ра), м3.

Для заданных (производительности компрессора Q (м3/c) и Р1 средняя мощность компрессора Рк (кВт) может быть оп­ределена следующим образом

                              ,                                          (2.37)

 

         где η0 - КПД механической части компрессора.

         Если известна индикаторная диаграмма рабочего цикла компрессора, то

                                           ,                               (2.38)

           

где Aинд - работа, совершаемая компрессором за один цикл, Нм;

         Pср - среднее давление за цикл, Н/м2.

         По индикаторной диаграмме

                                                                 ,

         где Р- площадь диаграммы, мм2;

        l - длина диаграммы, мм;

          М - масштаб, мм-м2.

Мощность приводного двигателя компрессора с учетом коэффициента запаса κ определяется аналогично выражению (2.38)

 

                                                .                                                    (2.39)

 

Для насосов поршневого типа средняя мощность привода (кВт) равна

 

                                        ,                                                     (2.40)

 

где Р - давление, создаваемое насосом, Н/м2;

         Q - производительность,м3/c;

         - полный КПД насоса, определяемый аналогич­но насосам    центробежного типа.

          Мощность и момент на валу механизма поршневого типа связаны со скоростью вращения ω привода следующим обра­зом. При работе на магистраль, где поддерживается постоян­ный напор Н, поршень при каждом ходе преодолевает посто­янное среднее усилие независимо от скорости. Если учесть, что производительность (м3/с) механизма

 

                                               ,                                                             (2.41)

где F - площадь поршня, м2;

Sп - ход поршня, м;

          n = 30ω/π - число двойных ходов поршня, мин,

то средняя мощность механизма при H = соnst связана со скоростью  следующим образом

                                                    .

 

         Среднее значение момента при постоянном противодавлении

 

                                                  ,

т.е. не зависит от скорости.

          Отметим, что мгновенные значения мощности и момента зависят от положения поршня и кривошипно - шатунного механизма. В первом приближении изменения Мс носит синусоидальный характер.

         Для сглаживания нагрузок, особенно в компрессорах оди­нарного действия, применяют маховик. Вопросы расчета мощности приводного двигателя маховикового электроприво­да рассмотрены ниже. При отсутствии необходимости сглаживания нагрузок вы­бор типа электропривода для механизмов позиционного дей­ствия может быть произведен на основе рекомендаций, дан­ных относительно механизмов с моментом нагрузки, завися­щим от скорости.

        

         2.3 Электропривод механизмов с ударным характером нагрузки

 

         Ударный характер нагрузки возникает в механизмах та­ких рабочих машин, как ковочные прессы, молоты, ножницы и т. д. 

        На рабочем участке в предположении линейности механической характеристики электропривода механизмов с ударным характером нагрузки и при пренебрежении электромагнитной инерцией (Tя=0) на основании [5] момент можно записать в виде               

                                ,                                 (2.42)

                                                                     (2.43)

 на участке холостого хода

                                  ,                                                                                         (2.44)

                                    .                                       (2.45)

 

Для установившегося цикла работы на основе (2.42), (2.44) можно записать

                       ,                        (2.46)

                          .             (2.47)

 

С учетом (2.46) и (2.47) максимальное значение момента двигателя

 

                         .                   (2.48)

    

           Из (2.48) следует, что Мд макс существенно зависит от ве­личины электромеханической постоянной времени привода Тм. При      , при   механическая инерция привода оказывает сглаживаю­щее действие на нагрузку двигателя. Малая ее величина при отмеченных резких колебаниях момента нагрузки мо­жет привести к существенному завышению (например, в 6 - 10 раз) мощности выбранного двигателя, недоиспользова­нию его по нагреву, резким толчкам момента и тока и су­щественной неравномерности вращения привода. Увеличе­ние Тм с целью сглаживания нагрузки возможно уменьше­нием жесткости β механической характеристики двигателя при данном суммарном моменте инерции JΣ, так как Tм =JΣ/β. Однако при этом возрастает колебание скорости и снижается среднее ее значение. Наиболее радикальным средством увеличения механиче­ской инерции привода является введение дополнительных маховых масс - применение маховика. Явля­ясь аккумулятором кинетической энергии, маховик при по­вышении нагрузки отдает часть накоплен­ной при холостом  ходе энергии. Увеличение маховых масс привода, приводит к снижению ус­тановленной мощности. В идеальном случае при .   Однако, на практике инерционность маховика лимитируется конструктивными возможностями (размерами и прочностью кинематической дели). Выбор двигателя, полностью используемого по нагреву и перегрузочной способности, и определение момента инерции маховика не являются однозначными. Оптимальное решение дает расчет, основанный на наилуч­шем использовании двигателя по нагреву и перегрузочной способности, полном использовании маховика, обеспечении допустимой неравномерности вращения привода, получении наименьших эксплуатационных и капитальных затрат. Кроме того, критерием правильности выбора двигателя и момента инерции маховика является равенство скоростей и моментов двигателя в начале и конце цикла, равенство затраченной в рабочем периоде и запасенной в течение холостого хода ки­нетической энергии.

           Решение указанной задачи существенно упрощается, ес­ли предварительно выбрать двигатель, исходя из требуемой величины средней скорости механизма ωср и момента Мср со­гласно нагрузочной диаграмме, т. е. принять номинальный момент двигателя равным

                                                  

.

 

        Энергия, затрачиваемая на совершение технологической операции в течение рабочего периода tp цикла tц и задаваемая обычно технологами, в общем случае опреде­ляется работой двигателя и маховых масс привода, т. е.

 

                                ,                                (2.49)

 

где φ1 и φ2 - начальные и конечные положения механизма при совершении рабочего периода цикла.

Разность , как отмечалось, составляет для рассматриваемых механизмов незначительную величину по сравнению с полным циклом 2π (5-10%) и может быть с достаточной степенью точности принята равной 0 (φр=0).

         Если принять допущение М0=0, то график изменения на­грузки механизма в течение рабочего периода рабо­та по преодолению сил сопротивления совершается только маховыми массами и, так как

                                       , определяется так

,      (2.50)

        где - неравномерность хода.

 

Полный момент инерции JΣ из (2.50) равен

 

                                          .                                                 (2.51)

 

Если учесть, что величины максимальной и минимальной скоростей для линейных механических характеристик

 

                             ,                                                            (2.52)

                             ,                                                            (2.53)

 

то (2.50) можно записать следующим образом

             .                               (2.54)

 

В течение холостого хода энергия маховых масс привода должна быть полностью восстановлена, что при допущении М0=0 и на основании равенства М=JΣ/dt  может быть вы­ражено таким образом

 

                                            ,                                             (2.55)

 

или с учетом    

                                         .                                              (2.56)

 

         Третьим условием при расчете и выборе электропривода маховика, которое должно быть выполнено совместно с ус­ловиями (2.51) и (2.56), является требование допустимости потерь, т. е. потери в течение цикла не должны быть больше номинальных

                                      .                                             (2.57)

 

         На основании (2.54), (2.56) и (2.57) определяются пол­ный момент инерции JΣ, величины максимальной ωмакс и ми­нимальной ωмин скоростей, т. е. неравномерность хода j.

Для реального графика нагрузки при  полный момент инерции привода равен

                                   ,                                                  (2.58)

где  - коэффициент формы.

Момент инерции маховика

 

                                        ,                                                                                                                          (2.59)

 

                         где Jпр - момент инерции электропривода за исключением маховика.

         Предварительно выбранный двигатель в последующем проверяется по нагреву и перегрузочной способности соглас­но построенной с учетом рассчитанной величины момента инерции маховика нагрузочной диаграммы электропривода М=f(t).

         Если оказывается невозможным обеспечить требуемые ве­личины скольжения предварительно выбранным двигателем, то потребуется применение либо асинхронного короткозамкнутого двигателя с повышенным скольжением, либо асин­хронного двигателя с фазным ротором, либо двигателя посто­янного тока с введенным в его якорную цепь дополнительным сопротивлением. Поскольку при работе на искусственной ме­ханической характеристике из-за потерь снижается мощность на валу двигателя, номинальная его мощность Рн выбирает­ся следующим образом

 

                                    .                                                                  (2.60)

         Здесь Рр - расчетная статическая мощность;

          κи - коэффициент, учитывающий повышение потерь и ухудшение вентиляции при работе на искусствен­ной характеристике,

 

                                    ,                                                    (2.61)

 

где sис- скольжение на искусственной характеристике.

         Однако наличие постоянно включенных сопротивлений в целом ряде случаев, например, многоступенчатом графике с неравномерным распределением нагрузки по ступеням, не обеспечивает должного выравнивания нагрузки двигателя. Отмеченный недостаток можно устранить применением регу­ляторов нагрузки в электроприводах маховика. Один из при­меров таких регуляторов дан в [б] представ­лена принципиальная схема электропривода с жидкостным регулятором, в котором возможно изменение расстояния между неподвижными  и  подвижными контактами, что приводит к регулированию сопротивления в цепи ротора дви­гателя. При увеличении нагрузки на валу двигателя воз­растает ток его статора и, как следствие, момент вспомогатель­ного двигателя, посредством которого осуществляется пере­мещение траверсы с контактами. Сопротивление в роторной цепи увеличивается, и двигатель переходит на работу на ис­кусственной характеристике, для которой характерен боль­ший перепад скорости Δω и, следовательно, более полное использование энергии маховика                                          с лучшим вы­равниванием нагрузки двигателя. Перемещение вниз траверсы с электродами осуществляется под действием ее собствен­ного веса. Отметим, что использование такого рода регулятора на­грузки вследствие значительной его инерционности и доста­точно сложного обслуживания ограничено. На практике на­ходят применение регуляторы, в которых регулирование ве­личины сопротивления в роторной цепи осуществляется по­средством релейно - контакторной аппаратуры. И еще боль­ший эффект возможен в замкнутых системах автоматическо­го регулирования при наличии различного рода обратных связей (например, по току, скорости и т. д.).

                           

2.4           Электропривод непрерывных станов

 

        Непрерывные станы состоят из нескольких рабочих клетей, расположенных по-разному, в зависимости от технологии и назначения стана. В таких станах всегда имеется группа клетей, в которых прокатка металла осуществляется одновременно. Такая группа называется непрерывной.

         Производительность непрерывных станов значительно выше, чем реверсивных, так как прокатка происходит на больших скоростях за один проход. Кроме того, при прокатке в один проход (пропуск) металл практически не успевает остыть, что уменьшает расход электроэнергии (горячий металл более пластичен). Потери энергии сокращаются также в связи с отсутствием частых пусков, реверсов, торможений, характерных для реверсивных станов.

          В настоящее время все заготовочные, тонколистовые, сортовые, проволочные и трубные станы строятся как непрерывные. При одновременной прокатке металла в клетях непрерывной группы связь между ними осуществляется через металл. Захват металла в отличие от реверсивных станов происходит на рабочей скорости, что сопровождается ударным набросом нагрузки и ее сбросом при выходе металла из валков.

        В процессе непрерывной прокатки количество металла, входящего в очередную клеть, должно быть равно количеству металла, выходящего из предыдущей клети

 

                               F1V1 = F2V2 =…= FnVn.                                           (2.62)

 

Если условие (2.62) не соблюдается, неизбежно возникает растяжение или сжатие металла  между клетями.  Скорость выхода из предыдущей клети равна скорости входа металла в последующую

 


.                                         (2.63)

 

 

1 - первая клеть; 2 - вторая клеть; 3 - датчик величины петли.

Рисунок. 2.6 - Схема прокатки с петлеобразованием

 

       Обычно D1 = D2 (диаметр валков), тогда  где , где

коэффициент вытяжки.

            Прокатку, где строго соблюдается приведенное соотноше­ние частот вращения валков, называют свободной или непри­нужденной. Кроме непринужденной прокатки, возможна про­катка с натяжением между клетями и петлеобразованием.

        При прокатке с натяжением

 

,                                                                                                                                                                                                                                  ,

 

          где    М- момент прокатки без натяжения;

         Т- сила натяжения.

Из (2.64) следует, что под действием натяжения момент в предыдущей клети уменьшается, а в последующей - увели­чивается.

Если приводы валков непрерывного стана имеют мягкие механические характеристики, то при прокатке с натяжением происходит   самовыравнивание   скоростей.   Однако   самовы­равнивание не обеспечивает полностью требований прокатки  1- необходимо автоматическое регулирование.

         При прокатке с петлеобразованием (см. рисунок. 2.6) применяют обычно автоматическое регулирование величины петли. Ударное приложение нагрузки характерно для непрерыв­ных станов и возникает при захвате металла, что сопровож­дается колебаниями частоты вращения валков. При определенных соотношениях электромеханической и электромагнитной постоянной цепи якоря () этот процесс носит колебательный характер и приводит к колебаниям натяжения полосы между клетями.

         Электропривод  станов холодной прокатки

          При горячей прокатке невозможно получить лист хоро­шего качества толщиной меньше 1 мм. Этому препятствует окалина, толщина которой становится соизмеримой с тол­щиной листа. Лишь при холодной прокатке можно получить тонкий лист с блестящей поверхностью, равномерный по тол­щине.

         Подавляющая часть холоднокатаного листа получает­ся при рулонном производстве  (т. е. при размотке рулона полосы перед прокаткой и при смотке ее в рулон после выхо­да из валков последней клети), что позволяет осуществить непрерывный поток.

         Как и при горячей прокатке, различают два типа станов: непрерывные (см. рисунок. 2.7) с числом клетей от трех до двадцати и реверсивные (см. рисунок. 2.8) с одной клетью.

 


 

 

Р- разматыватель; М - моталка; РВ - рабочие валки; ОВ - опорные валки.

Рисунок 2.7 - Непрерывный стан холодной прокатки

 


 

Рисунок. 2.8 -  Реверсивный стан холодной прокатки (четырехвалковый)

 

         Непрерывные станы - высокопроизводительные, предназначенные для массового производства. Реверсивные станки компактные и легче перенастраиваются с одной программы на другую.

        Краткие технологические сведения

Последовательность технологических операций при холодной прокатке:

         а) травление полосы (для очистки от окалины);

         б) холодная прокатка;

         в) отжиг (для снятия наклепа, образующегося при холодной прокатке);

          г) травление;

         д) дополнительная прокатка с малым обжатием;

         е) резка кромок, лужение и т. п.

       Прокатка начинается с установки рулона на разматыватель (см. рисунок. 2.7), затем конец его заправляется в первую клеть (у непрерывного стана). После прохода всех клетей конец рулона зажимается в барабане моталки и приводы клетей и моталок разгоняют до рабочей скорости прокатки.

         Холодная прокатка всегда выполняется с натяжением, равным 50-60% предела текучести. Отсутствие натяжения является аварийным режимом, следствием которого является обрыв полосы, ее смятие в валках, иногда повреждение валков.

        Общие требования к электроприводу. Постоянство натяжения между клетями и моталками в статических и переходных режимах. Диапазон регулирования скорости 10:1 и более. Возможность  раздельного управления  клетями  и  моталками в наладочных режимах и при заправке полосы.  Реверс всех приводов, в том числе реверс в наладочных режимах на непрерывных станах. Плавность пуска и торможения при минимальном времени.

        Для привода клетей и моталок применяются двигатели постоянного тока независимого возбуждения. Двигатели моталок имеют обычно регулирование потоком в диапазоне от 3:1 до 4:1. Двигатели клетей регулируются либо только напряжением, либо напряжением и полем (до 2:1).

                   Как и в непрерывных станах горячей прокатки, применя­ются два типа систем питания двигателей клетей: с общими шинами (для станов небольшой мощности) и бустер - генера­торами в якорной цепи и с индивидуальным питанием каждого двигателя от своего преобразователя.

          В реверсивных станах холодной прокатки всегда применя­ется индивидуальное питание двигателей клети и моталок. При небольших скоростях прокатки (до 200-250 м/мин) обычно на все клети ставятся двигатели одного типа с пони­жающими редукторами. Необходимое соотношение скоростей валков разных кле­тей достигается корректировкой тока возбуждения двигате­лей (при групповом питании) или напряжения (при индиви­дуальном питании).

        В скоростных непрерывных станах на первую клеть уста­навливается безредукторный групповой привод (один мотор на оба валка). В последующих клетях скорость повышается, увеличивается потребная мощность двигателей; при этом она оказывается выше предельной, на которую изготавлива­ются моторы постоянного тока. Поэтому на каждый валок устанавливается свой индивидуальный привод.

        Часто используются двигатели в двух и даже трехякорном исполнении, имеющие меньшие маховые моменты по сравнению с одноякорными двигателями такой же мощности. Это позволяет снизить время разгона и торможения привода.

 

        3. Механизмы циклического действия

 

        Обширная группа механизмов цикличе­ского действия включает в себя подъемные краны, одноков­шовые экскаваторы, стационарные подъемники различных кон­струкций и назначения, маятниковые канатные дороги, конвей­еры циклического действия, различные манипуляторы и про­мышленные роботы, металлорежущие станки, прокатные станы и т. д.. Общим для этих установок является режим работы, при котором технологический процесс состоит из ряда повторяющихся однотипных циклов, каждый из ко­торых представляет собой законченную операцию - загрузки ра­бочего органа, перемещения его из исходной точки в пункт назна­чения и разгрузки, обработки материала и т. д.  В зависимости от специализации цикл может содержать выполнение различных предусмотренных технологией процессов.

        Основные механизмы таких установок, как правило, имеют реверсивный электропривод, рассчитанный для работы в интен­сивном повторно-кратковременном режиме. В каждом рабочем цикле имеют место неустановившиеся режимы работы электро­привода: пуски, реверсы, торможения - оказывающие существен­ное влияние на производительность механизма, на динамиче­ские нагрузки привода и механизма, на к. п. д. установки и на ряд других факторов. Все эти условия предъявляют к электро­приводу сложные требования, в значительной степени общие для всей рассматриваемой группы механизмов.

        Несмотря на большое многообразие конкретных установок циклического действия, их рабочие движения обслуживаются ограниченным числом однотипных механизмов.

        Подъемные краны объединяют большую группу подъемно-транспортных установок циклического действия, общее пред­ставление о которых могут дать характерные примеры кон­структивных схем, приведенные на рисунках 3.1, а, б  и 3.2, а, б.

         На промышленных предприятиях наиболее распростра­ненным и универсальным подъемно-транспортным устройством является мостовой кран (см. рисунок 3.1, а). Стальная конструкция мо­ста крана 1 опирается на ходовые тележки и с помощью меха­низма передвижения 3 может перемещаться по подкрановым путям 2, укрепленным над обслуживаемой площадью на ста­ционарных опорах. Вдоль моста крана проложены рельсы, по которым перемещается тележка 4 с установленными на ней ме­ханизмом передвижения и подъемной лебедкой, осуществляю­щей подъем и спуск грузов. Таким образом, основными механизмами мостового крана являются: механизм передвижения моста, механизм передвижения тележки и подъемная лебедка, которые снабжаются индивидуальным электроприводом.

        В зависимости от вида грузозахватывающего устройства 5 различают крюковые, магнитные, грейферные, клещевые и тому подобные краны. На тележке грейферного крана обыч­но устанавливаются две лебедки, одна из которых служит для закрывания грейфера. Подъем закрытого грейфера осущест­вляется обеими лебедками.

         На мосту крана на одном рельсовом пути могут устанавли­ваться две или три тележки. Так, магнитно-грейферный кран имеет магнитную тележку с лебедкой подъема магнита и грей­ферную тележку с лебедками подъема и закрывания грейфера. Такой кран имеет три механизма передвижения и три подъем­ные лебедки. Таким образом, указанные модификации кранов имеют однотипные механизмы, но в различном числе.

        Козловые краны, которые предназначены для работы под открытым небом, в отношении рабочих движений вполне ана­логичны мостовым. Вариант конструктивной схемы такого крана приведен на рисунке 3.1, б. Здесь несущая ферма крана 1 опирается на подвижные опоры 2, перемещающиеся с по­мощью нескольких пар ходовых тележек 3, часть из которых является движущей. Соответственно козловой кран имеет те же основные механизмы, что и мостовой: механизм передвижения моста (иногда с индивидуальным приводом каждой ведущей тележки), механизм передвижения тележки 4 и размещенные на ней лебедки подъема и закрывания грейфера.

Подпись:         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.1 -  Примеры конструктивных схем мостовых подъемных кранов

 

         Такую же конструктивную схему и те же основные меха­низмы имеют перегрузочные мосты (например, рудные, угольные перегружатели), предназначенные для обслуживания обширных открытых складских территорий. Это крупные подъемно-транспортные сооружения, пролет которых в ряде случаев превышает 100 м.  Несколькими сотнями метров изме­ряется пролет так называемых кабель-кранов, в которых вме­сто жесткой фермы 1 используется несущий стальной канат.

         На рисунке 3.2, а, б представлены в качестве примера две кон­структивные схемы поворотных кранов. Строительный ба­шенный кран (см. рисунок 3.2, а) имеет башню 1, портал которой опи­рается на ходовые тележки 2. В верхней части башни имеется поворотный круг 6, на котором вращается поворотная головка башни 4 со стрелой 3 и консолью противовеса 5. Изменение вылета крюка 8 достигается перемещением тележки 7 вдоль стрелы (в других конструкциях для этой цели используется подъем - опускание стрелы). Все рабочие движения крана обслуживаются следующими механизмами: подъемной лебедкой, механизмом передвижения крана, механизмом передвижения тележки и механизмом поворота. Необходимо заметить, что на башенных кранах конструктивно поворот стрелы осущест­вляется с помощью обычной тяговой лебедки с бесконечным канатом, равно как и передвижение крюковой тележки вдоль стрелы.

        Портальный кран (см. рисунок 3.2, б) является наиболее харак­терным представителем группы поворотных кранов. Основа­нием крана является портал 1, который с помощью механизма передвижения с индивидуальным электроприводом ходовых те­лежек 4 может перемещаться по подкрановым путям. Поворот­ная платформа 2 опирается на портал через роликовый круг или поворотные балансирные тележки, катающиеся по кольце­вому рельсу при вращении платформы механизмом поворота. Угол наклона стрелы крана 3 может изменяться с помощью лебедки изменения вылета. Необходимая уравновешенность крана при разных вылетах стрелы обеспечивается подвижным противовесом 5, связанным со стрелой рычагом 6. Подъем и опускание крюка 7 осуществляется подъемной лебедкой, установленной в машинном зале поворотной платформы 2. На грейферных портальных кранах, оборудованных двухканатными грейферами, устанавливаются две однотипные подъемные лебедки для подъема и закрывания грейфера.

         Одноковшовые экскаваторы (см. рисунок 3.3 и 3.4) в отношении ра­бочих движений и конструкции имеют много общего с пово­ротными, например, портальными, кранами. Небольшие экска­ваторы могут при необходимости работать в качестве подъем­ных кранов, так как выполняются универсальными со сменным рабочим оборудованием. Более крупные экскаваторы являются специализированными землеройными машинами, предназна­ченными только для черпания грунта или предварительно раз­рушенной взрывом скальной породы и перемещения наполнен­ного ковша к месту выгрузки.     

Экскаваторы широко применяются на строительстве горо­дов, каналов и гидроэлектростанций, при сооружении шос­сейных и железных дорог и на открытых разработках полезных ископаемых. Различные условия работы и объемы земляных работ требуют применения машин различной конструкции и производительности. По конструкции рабочего органа различают эк­скаваторы: прямая лопата, обратная лопата, драглайн, лопата-струг, скребок и т. п.

        

Рисунок 3.2 - Примеры конструктивных схем поворотных подъемных кранов

 

Рисунок 3.3 - Общий вид экскаватора – лопаты

 

        По конструкции механизма передвижения можно выделить гусеничные и шагающие экскаваторы, экскаваторы на железнодорожном, рельсовом ходу. Экскаваторы с емкостью ковша более 3 м3 обычно имеют оборудование прямой лопаты или драглайна. Драглайны при­меняются для работ, требующих перемещения породы на боль­шие расстояния при сравнительно мягких грунтах; на более твердых грунтах, но с меньшим радиусом действия работают лопаты.

Жесткое оборудование экскаватора-лопаты создает благо­приятные условия для погрузки грунта в транспорт — железно­дорожные думпкары или мощные автомобили-самосвалы. Раз­личают карьерные и вскрышные экскаваторы-лопаты. Карьер­ные экскаваторы предназначаются для разработки скальных грунтов, в связи с чем имеют укороченное оборудование (стре­лу и рукоять) повышенной прочности. Наиболее распростра­ненной машиной такого типа является экскаватор ЭКГ-4,6 (эк­скаватор карьерный гусеничный с емкостью ковша 4,6 м3). Более крупной карьерной машиной является экскаватор типа ЭКГ-8, имеющий ковш 8 м3. Вскрышные экскаваторы предназ­начены для работы в более легких грунтах и имеют удлинен­ное оборудование облегченной конструкции. Наиболее крупной из выпущенных в нашей стране машин такого типа является экскаватор ЭВГ-35/65М (экскаватор вскрышной гусеничный с емкостью ковша 35 м3 и длиной стрелы 65 м).

Рисунок  3.4 - Общий вид экскаватора-драглайна типа ЭШ-100/100

 

         Экскаватор-драглайн (см. рисунок 3.4) имеет ковш 1, свободно под­вешенный на канатах. Наполнение ковша (черпание) произво­дится путем подтягивания его к машине с помощью тягового каната 2. При этом ковш внедряется в грунт под действием соб­ственного веса и удерживается от чрезмерного заглубления с помощью подъемных канатов 3. С помощью подъемных ка­натов производится подъем ковша к голове стрелы, в процессе которого тяговые канаты удерживают загруженный ковш от опрокидывания. Третьим рабочим движением в цикле экскава­ции является поворот на выгрузку и в забой. В конце поворота на выгрузку тяговые канаты ослабляются, что вызывает опро­кидывание и разгрузку ковша.

         Таким образом, основными механизмами экскаватора-дра­глайна являются одинаковые по конструкции подъемная и тя­говая лебедки и механизм поворота. Драглайны используются для вскрышных работ при относительно слабых грунтах. По условиям выполнения таких работ экскаватор часто, разра­батывая отвалы, должен стоять на насыпном грунте и переме­щаться по этому мягкому основанию. Для уменьшения давле­ния на грунт при работе драглайн опирается на круглую плиту большого диаметра (так называемую базу 4), а для передвиже­ния используется механизм шагания с опорными лыжами 5 большой площади. Наиболее массовой машиной такого типа является ЭШ-5/45М (экскаватор, шагающий с емкостью ковша 5 м3 и длиной стрелы 45 м).   Выпускаются также более мощные экскаваторы типа ЭШ-10/70А, ЭШ-15/90А и др.

         Крупные одноковшовые экскаваторы являются высокопро­изводительными землеройными машинами, представляющими собой уникальные по габаритам, массе и мощности главных электроприводов технические сооружения. В этом можно убе­диться, рассматривая приведенный на рисунке 3.3 с указанием ос­новных размеров схематический общий вид недавно введенно­го в действие самого мощного в нашей стране шагающего экскаватора-драглайна типа ЭШ-100/100, имеющего ковш ем­костью 100 м3 и длину стрелы 100 м. Он оборудован совер­шенными электроприводами основных механизмов большой мощности, которая для подъемной и тяговой лебедок соста­вляет по 10000 кВт, а электропривод поворота имеет восемь двигателей по 1000 кВт каждый. Исключительный эффект по­вышения производительности труда на открытых горных раз­работках за счет применения машин такой мощности в некото­рой мере можно представить, если учесть, что экскаватор является послушным и мощным продолжением рук одного зе­млекопа-оператора, который, воздействуя на рукоятки командоаппаратов главных электроприводов, за смену без тяжелого физического труда производит такой же объем земляных ра­бот, что и армия землекопов в несколько десятков тысяч человек.

         Манипуляторами принято называть технические устройства, предназначенные для воспроизведения некоторых двига­тельных функций рук человека. Так как в зависимости от на­значения число воспроизводимых функций, рабочих движений и соответственно число степеней свободы конкретных манипу­ляторов может быть различным, этому определению соответ­ствует широкий класс устройств, которые по способу управле­ния разделяются на две принципиально различные группы: копирующие манипуляторы (телеоператоры) и координатные (командные) манипуляторы.

        Копирующий манипулятор управляется задающим устрой­ством, представляющим собой механизм, подобный механизму «руки» манипулятора. Движения руки оператора, воздействую­щей на задающее устройство, с помощью следящих приводов воспроизводятся исполнительным органом манипулятора. Чем сложнее операции, выполняемые с помощью манипулятора, тем больше требуемое его подобие руке человека; при этом возникает необходимость двустороннего действия системы дистанционной передачи усилий с целью отражения в задаю­щем устройстве усилий, создаваемых манипулятором [3]. Та­кие манипуляторы необходимы главным образом для про­изводства работ в условиях, опасных для жизнедеятельности человеческого организма, например, в зонах высоких темпера­тур, радиации, химически активных сред.

        Координатный манипулятор управляется оператором путем воздействия на командоаппараты, обеспечивающие включение и отключение приводов перемещений по соответствующим координатам и задание их скоростей либо дозированных пере­мещений. Отсутствие копирующего задающего механизма упрощает конструкцию манипулятора и облегчает задачу авто­матического программного и адаптивного управления его ра­ботой, позволяя возложить формирование задающих сигналов по каждой координате на ЭВМ. В случае полной автоматиза­ции рабочего цикла координатный манипулятор может быть назван промышленным роботом.

         Промышленные роботы представляют собой автоматиче­ские манипуляторы с программным управлением, основное на­значение которых и режимы работы полностью соответствуют отмеченным в начале этого параграфа общепромышленным установкам циклического действия. Специфичность конструк­ций, кинематики и динамики манипуляторов, уровень требова­ний к управляемости и точности работы роботов, возможность наделения их способностью – самообучения, а в перспективе -  способностью самостоятельного ориентирования в окружаю­щей среде и даже «искусственным интеллектом» и другие фак­торы выделяют роботы из ряда традиционных средств комплексной механизации и автоматизации производственных процессов и уже привели к созданию новой самостоятельной и быстро развивающейся отрасли техники, получившей назва­ние робототехники.

        Конструктивные схемы манипуляторов промышленных ро­ботов весьма разнообразны, зависят от выбора системы коор­динат, в которой должно осуществляться перемещение схвата, и существенно усложняются с расширением универсальности назначения робота.

        Очевидна общность этих устройств, так как краны и экскаваторы, как следует из изло­женного, относятся к классу промышленных координатных ма­нипуляторов, и их рабочие движения обслуживаются одно­типными по назначению и режимам работы механизмами. В то же время ясна и специфика промышленных роботов, проявляю­щаяся в большей сложности и своеобразии конструкций и больших возможностях реализации сложных простран­ственных перемещений схвата.

         Подъемники циклического действия представляют собой стационарные подъемные установки циклического действия, предназначенные для подъема грузов (грузовые подъемники), или грузов и людей (грузопассажирские подъемники), или толь­ко людей (пассажирские подъемники или лифты). Представле­ние о конструктивных исполнениях различных подъемных уста­новок дают примеры конструктивных схем, приведенные на рисунке 1.7.

        На рисунке 3.5 а приведена схема одноконцевой наклонной шахтной подъемной установки. Ее основным элементом является установленная в машинном зале 7 подъемная лебедка 2, которая с помощью каната 5 производит подъем и спуск партии вагонеток 3 по наклонному пути 4.

        

Рисунок 3.5 - Конструктивные схемы подъемников

 

        Двухконцевая шахтная подъемная установка, схема которой приведена на рисунке 3.5 б, имеет подъемную лебедку 7, отличаю­щуюся от одноконцевой наличием ветвей подъемного каната 2 и 3, каждая из которых несет подъемный сосуд - в данном варианте клети 4 и 5. При одном направлении вращения бара­бана лебедки поднимается клеть 4 и одновременно опускается клеть 5, при противоположном - наоборот. В рассматривае­мом случае использование двух подъемных сосудов позволяет повысить производительность машины в 2 раза и одновремен­но уменьшить требуемую мощность привода за счет устране­ния холостой нагрузки, обусловленной собственным весом клети. При большой глубине шахты и соответственно большой длине подъемных канатов габариты барабанов недопустимо возрастают. При этих условиях более удобным является ис­пользование лебедки с канатоведущим шкивом трения. В каче­стве примера на рисунке 3.5 в приведена конструктивная схема пассажирского лифта, двухконцевая лебедка которого 7 имеет вместо барабана канатоведущий шкив. Подъемный канат (обы­чно три-четыре ветви), на одном конце которого подвешена кабина лифта 2, а на другом - противовес 3, переброшен через канатоведущий шкив. Усилие от канатоведущего шкива к канату передается за счет трения между стенками ручьев и уло­женными в них ветвями подъемных канатов. Кабина лифта 2 и противовес 3 перемещаются по направляющим 4 и 5 в сквоз­ной шахте 6, огражденной стенами или металлической сеткой. Приведенный обзор не исчерпывает всего многообразия конкретных установок общепромышленного применения, рабо­тающих в циклическом режиме.

         Определенной спецификой обладают подъемно-транспортные машины и специальные ма­нипуляторы в металлургической промышленности (клещевые колодцевые краны, кантователи, подъемные механизмы, обслу­живающие доменный процесс, загрузочные машины), подъем­но-транспортные машины типа маятниковых канатных дорог и др.

        

        3.1 Электропривод  механизмов подъемных и тяговых лебедок. Электропривод типовых механизмов циклического действия

 

        Нагрузки электроприводов подъемных и тяговых лебедок

        Во всех случаях, когда требуемые перемещения рабочего органа машины по вертикальным и наклонным траекториям достаточно велики, составляют десятки, сотни и даже тысячи метров, наиболее простым и универсальным механизмом перемещения является подъемная или тяговая лебедка, предназна­ченная для передачи усилий от привода к рабочему органу с помощью подъемного или тягового каната соответствующей длины. Как следует из приведенного в главе 1 обзора, по прин­ципу работы лебедки подразделяются на одноконцевые и двухконцевые, а по конструкции органа навивки кана­та - на барабанные лебедки и лебедки с канатоведущими шкивами.

         Одноконцевые лебедки являются неуравновешенными подъ­емными механизмами. В качестве примера на рисунке 3.6 предста­влена кинематическая схема крановой крюковой подъемной ле­бедки.      

         Если не учитывать потерь на трение, приведенный к валу двигателя момент, обусловленный весом груза, можно определить с помощью соотношения

                                               ,                                             (3.1)

      

         где G = mg - вес груза, имеющего массу m;

G0 = m0g - вес грузозахватывающего устройства (или подъ­емного сосуда), масса которого m0;

ip, in - передаточные отношения редуктора и полиспаста;

Dб - диаметр барабана.

        Момент Мгр является активным моментом, направленным в сторону спуска. Он изменяется при изменении веса поднимае­мого груза, но не зависит от направления движения. Поэтому при отсутствии потерь на трение двигатель рассматриваемой лебедки в статическом режиме при подъеме работал бы в дви­гательном режиме, а при спуске - в тормозном.

 

Рисунок  3.6  Кинематическая  схема   одноконцевой   подъемной      лебедки (а) и схема усилий в наклонной установке (б)

          

В реальном механизме присутствуют потери трения и обус­ловливают наличие реактивного момента МТР, который всегда препятствует движению, изменяя свое направление (знак) при изменении направления движения. При этом суммарный приве­денный к валу двигателя статический момент является алге­браической суммой момента МГР, обусловленного весом пере­мещаемого груза, и момента потерь МТР.

         В случае перемещения достаточно тяжелых грузов моменты потерь при расчетах статических нагрузок могут быть учтены с помощью соответствующих значений общего КПД механиз­ма. Подъем номинального груза (G = GHOM)

,       (3.2)                                  где

                                      ,

          - общий КПД лебедки при подъеме номинального груза, учитывающий КПД,  всех звеньев кинематической цепи установ­ки η1ном, η2ном, ηЗном. Полагая КПД, не зависящим от направления движения, для режима спуска номинального груза получаем

 

                           .                         (3.3)

 

        Номинальные значения КПД либо задаются, либо находят­ся по справочным данным. При грузе, отлич­ном от номинального, КПД можно определить по эксперимен­тальным кривым. Подъем пустого грузозахватывающего устройства (G = 0):

                                                ,                                          (3.4)

     

  где     ;    .

         При тяжелом грузозахватывающем устройстве (G0/(G0 + Gном) ≥ 0,1) значение Мст2 также может быть найдено по об­щему КПД лебедки ηл0 при подъеме пустого грузозахватываю­щего устройства

 

                                             .                                                         (3.5)

 

        При легком грузозахватывающем устройстве (G0/(G0 + Gном) < 0,1) определить достаточно точно значение ηл0 прак­тически невозможно. В этом случае расчет Мст2 целесообразно производить по (3.4), определив предварительно значение Мтр0.

         Момент трения в общем случае является сложной функцией скорости и момента Мп, передаваемого звеньями кинематиче­ской цепи подъемной установки. Однако с приемлемой для практики точностью можно принять Мтр, линейно зависящим от передаваемого момента

 

                                                    ,                                         (3.6)

 

        где  Мхх -- момент,   создаваемый   потерями   холостого   хода;

b - постоянный коэффициент потерь, пропорциональных передаваемой кинематической цепью нагрузке.

      Для режима подъема груза Мп = Мгр, и поэтому

 

                                       .                                   (3.7)

       

Отсюда, если задаться значениями Mrp1 и Мгр2 и найти  соответствующие им значения  ηл1 и ηл2, то

                                           ,

                                          .                           (3.8)

 

         Полученные таким образом выражения для Мхх и b могут быть использованы для расчета значения Мтр при любой на­грузке и в том числе для определения Мтр .

        Статический момент при спуске пустого грузозахватываю­щего устройства равен

                                             ,                                             (3.9)

  

где M`тp0 - момент потерь при спуске пустого грузозахватывающего устройства.

         Здесь момент нагрузки двигателя в зависимости от веса грузозахватывающего устройства может быть либо движущим, либо тормозным. При тяжелом грузозахватывающем устрой­стве Мгр0 >М`тp0, момент М'ст2 является движущим (тормозной спуск) и его значение, полагая М`тpo = Мтр0, можно найти по формуле

 

                                              .                                        (3.10)

 

         При легком грузозахватывающем устройстве возможно со­отношение Мгро < M`тpo, при котором потери трения в механиз­ме преодолеваются совместно моментом от веса грузозахваты­вающего устройства и движущим моментом двигателя (сило­вой спуск). В этом случае понятие КПД не имеет физического смысла и расчет значения М'ст2 необходимо вести по (3.10), учитывая при этом, что Мп = 0, и поэтому М'тро = Мхх

Соотношения (3.7), (3.8), (3.9), (3.10) определяют пределы изменения нагрузки двигателя в различных режимах работы одноконцевой лебедки. Для каждого направления пределы из­менения статической нагрузки тем больше, чем относительно легче грузозахватывающее устройство. Это положение иллю­стрируется представленными на рисунке 3.7 а зависимостями Mст/Mст1 = f(G/Gном) для двух случаев. Сплошные кривые со­ответствуют подъемной лебедке с легкой крюковой подвеской (G0/(G0 + Gном) ≈ 0,02), штриховые - лебедке экскаватора с ков­шом (G0/(G0 + Gном) ≈ 0,4).

         Все полученные соотношения могут быть использованы для расчета статических нагрузок одноконцевых наклонных подъемных лебедок. При этом вместо веса поднимаемых ча­стей G0 + G необходимо подставлять соответствующие значе­ния натяжения подъемного каната лебедки F. Усилие в канате уравновешивает составляющую силы тяжести Frp и силу сопротивления движению, обусловленную трением FTР.

 

                         .                     (3.11)

 

                  

Подпись:

 

 

 

 

 

 

Рисунок  3.7 -  Пределы  изменения  нагрузок  электропривода  одноконцевых подъемных лебедок

       

         Здесь знак плюс соответствует подъему, минус - спуску гру­за ; kтp = Fтр/FN - отношение силы трения к силе нормального давления. В ориентировочных расчетах можно принимать kтp = 0,08 -0,15.

        Экскаваторные подъемные и тяговые лебедки при копании нагружаются не только весом поднимаемого оборудования и грунта, но также и силами сопротивления, возникающими при резании грунта.

        Поэтому усилие в канате должно определяться с учетом усилия резания, которое может быть вычислено с помощью методов, описанных в специальной литературе.

        Определение статических нагрузок является важным этапом проектирования электропривода. Оно необходимо для построе­ния нагрузочной диаграммы, выбора мощности двигателя и проверки его по нагреву. Характер нагрузок и пределы их из­менения в значительной степени определяют режимы работы и выбор схемы электропривода. Так, в дальнейшем будет пока­зано, что несимметричный характер нагрузки одноконцевых подъемных лебедок в большинстве практических случаев вынуждает применять несимметричные схемы электропривода, ра­бота которых различна при разных направлениях движения. Изменение нагрузки является основным возмущением при ра­боте электропривода, поэтому без знания пределов, в которых она может изменяться, нельзя обеспечить требуемую точность регулирования координат.

        Динамические нагрузки электропривода одноконцевой подъемной лебедки связаны с необходимостью пусков, ревер­сов и торможений. При заданном ускорении εдоп, которое обы­чно ограничено технологическими условиями, динамический момент двигателя может быть определен из соотношения

                                   .                                              (3.12)

 

         В (3.12) JΣ представляет собой суммарный приведенный к ва­лу двигателя момент инерции, включающий в себя момент инерции ротора двигателя и приведенный момент инерции всех вращательно и поступательно движущихся масс установки. При рабочей скорости лебедки uр < 2 м/с основную долю в мо­менте JΣ составляет момент инерции двигателя JΣ = (1,2÷1,6) JДВ. Для более быстроходных установок влияние приведенных масс механизма более значительно.

         Как было отмечено, рассмотренные одноконцевые лебедки являются неуравновешенными механизмами, нагрузка привода которых определяется суммой весов всех поднимаемых ча­стей - каната, захватывающего приспособления, и полезного груза. Нетрудно видеть, что такие механизмы постоянно совер­шают дополнительную работу по подъему захватывающего устройства. При спуске двигатель должен тормозить не только опускающийся полезный груз, но и балластный груз G0.  Эти факторы приводят к завышению мощности электродвигателя тем более значительному, чем больше вес грузозахватывающего устройства, а также к соответствующему увеличению удель­ного расхода энергии на единицу полезного груза. В стационарных подъемных установках этот недостаток устраняется использованием двухконцевых подъемных лебедок. Если установка обслуживает только два уровня, вес подъемно­го сосуда уравновешивается весом второго такого же подъем­ного сосуда. При этом достигается также увели­чение производительности установки примерно вдвое, так как операция подъема груза совмещается со спуском пустого подъемного сосуда.  Если установка должна обслуживать несколько уровней, на­пример, этажи многоэтажного здания, подобное совмещение невозможно.  В этих случаях вместо второго подъемного сосуда навешивается балластный контргруз - противовес. Вес проти­вовеса Gпp с целью дополнительного снижения требуемой мощности двигателя выбирают больше веса подъемного сосу­да G0. При этом уравновешивается и часть полезного груза

         Рисунок 3.9 - Кинематическая схема двухконцевой лифтовой лебедки

 

 ,                                             (3.13)

 

где α - коэффициент уравновешивания.

         В качестве примера на рисунке 3.9 представлена кинематическая схема двухконцевой лифтовой лебедки с червячным редукто­ром и канатоведущим шкивом. Результирующее усилие на канатоведущем шкиве определяется разностью натяжений ветвей подъемного каната

 

                                                     .

        

С учетом сил трения в направляющих кабины F'тp, и проти­вовеса F``тр, а также веса подъемного каната qк натяжения F1, и F2 определяются соотношениями

                                            ,

                                         .

 


С учётом (3.13) результирующее значение составит

 

                              ,

где знак плюс соответствует подъему кабины, а минус - спу­ску.

        Результирующее усилие F удобно представить в виде алге­браической суммы активного усилия Fгp и реактивного, обусловленного трением усилия Fтр. Эти составляющие определят соответственно активную Мгр и реактивную Мтр составляю­щую приведенного к валу двигателя статического момента Мст. Составляющая Мтр должна учитывать, кроме трения в на­правляющих, все потери на трение в подъемной лебедке. Тогда

 

                   .           (3.14)

 

Из соотношения (3.14) следует, что статический момент зави­сит от загрузки кабины и от коэффициента уравновешивания а.

Кроме этого, при большой высоте подъема Н на статический момент может оказывать существенное влияние вес ветвей ка­ната. При этом в соответствии с (3.13) и схемой на рисунке 3.9 мо­мент Мст является функцией пути.

Если высота подъема невелика, составляющая qк(2x - Н) ≈ 0. Тогда при подъеме номинального груза (G = GHOM) и пустой кабины (G = 0) статический момент можно определить с помощью соотношений

 

                              ,                           (3.15)

 

где ηл.ном - КПД подъемной установки с учетом трения в на­правляющих, соответствующий номинальной нагрузке.

 Статический момент при спуске

 

                       .                       (3.16)

 

         Влияние коэффициента уравновешивания а на требуемую мощность двигателя можно оценить с помощью среднеквадра­тичного момента нагрузки Мск, задавшись определенным ци­клом работы. Примем, например, что цикл состоит из подъема номинального груза и спуска пустой кабины.

         Полагая  tп = tc = tp, с  помощью  (3.14) и  (3.15) получаем

 

                      .                   (3.17)

 

         Значение α = αопт, при котором имеет место минимальное значение Мск, можно определить, приравняв нулю производ­ную подкоренного выражения в (3.17)

                                                                    (3.18)

 

        На рисунке 3.10 представлены графики работы двигателя при α = 0 (штриховые линии 1) и при α = 0,5 (сплошные линии 2). Из (2.11) следует, что при α = 0 момент Мск больше, чем при α = 0,5, в 1,41 раза.

         Сравнивая этот результат и графики на рисунке 3.10, можно сделать важный вывод, что требуемая мощность двигателя при одинаковом сред­нем значении момента мини­мальна при равномерной (посто­янной) нагрузке. Оптимальное значение а зависит от парамет­ров цикла работы и от потерь на трение в установке. С учетом этого принимаемые при проек­тировании значения коэффици­ента уравновешивания для раз­ных установок лежат в пределах α = 0,4 ÷ 0,6.  При большой высоте подъ­ема Н на статический момент в соответствии с (2.8) оказывает значительное влияние неурав­новешенный вес подъемного каната. Этот вес изменяется в функции координаты х (см. рисунок 3.9) и нарушает достигаемую выбором α = αопт равномерность нагрузки (график 3 на рисунке 3.10). За счет этого требуемая мощность двигателя, как было по­казано выше, увеличивается.

Подпись:

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.10 -  Графики МСТ = ƒ(t) при различной степени

уравновешенности

      

         Поэтому при большой высоте подъема обычно прибегают к уравновешиванию веса подъем­ного каната с помощью компенсационного (уравновешивающе­го) каната УК, показанного на рисунке 3.9 штриховой линией. Для таких установок соотношения (3.15) и (3.16) применимы при лю­бой высоте подъема. Следует заметить, что в связи с очевидными преимуществами уравновешивание используется и в нестационарных маши­нах с несколькими степенями свободы и в манипуляторах промышленных роботов. Примером может служить подвижный противовес, уравновешиваю­щий часть нагрузки электропривода подъема стрелы.       

        Из (3.17) и (3.18) видно, что при α = 0,5 максимальные и ми­нимальные нагрузки как по значению, так и по характеру оди­наковы при любом направлении движения. Об этом можно судить по представленным. На рисунке 3.11а приведены зависимо­сти М/Мст1 = ƒ(С/Сном) при α = 0,5. Возможные пределы из­менения нагрузок двухконцевой подъемной лебедки при а = 0,5 и достаточно высоком КПД представлены в координатах ω, М на рисунке 3.11б. Сравнивая соответствующие графики одноконцевых и двухконцевых лебедок, можно заключить, что нагрузки двухконцевых подъемных лебедок изменяются в более широких пределах и симметричны относительно направления движения механиз­ма. Соответственно при проектировании таких установок ис­пользуются симметричные схемы электропривода.

При расчете двухконцевых подъемных лебедок, в которых вместо противовеса используется второй подъемный сосуд, можно пользоваться полученными выше соотношениями, пола­гая α = 0.

 

Рисунок 3.11 -  Пределы изменения нагрузок электропривода двухконцевой лебедки

 

         Динамические нагрузки двухконцевых подъемных установок определяются суммарным приведенным моментом инерции установки и допустимым ускорением в соответствии с (3.17). Здесь важно иметь в виду, что суммарный момент инерции за­висит от суммы всех поступательно движущихся масс

                                ,                         (3.19)

 

         где   Jвр       – приведённый момент инерции всех вращающихся масс   лебёдки;

mпр, mп,с, mгр, mк  – массы соответственно противовеса, подъемного сосуда, груза, подъёмного и компенсационного канатов.

         Так как мощность двигателя определяется разностью кон­цевых нагрузок, а момент инерции связан с суммой их масс, особенностью двухконцевых подъемных лебедок является большой момент инерции механизма, превышающий в 2 - 5 раз момент инерции двигателя.

 

        3.2 Статические и динамические нагрузки электроприводов  механизмов   передвижения и поворота

 

         Кинематические схемы механизмов передвижения и пово­рота представлены на рисунке 3.12. Для механизмов пере­движения, работающих на горизонтальном пути в производ­ственном помещении, приведенный к валу двигателя ста­тический момент, обусловленный силами трения, можно вы­числить по формуле

                                       ,                                   (3.20)

         где    G`0 - общий вес незагруженного механизма;

μ    - коэффициент трения в опорах ходовых колес;

ƒ    - коэффициент трения качения ходовых колес;

ηм  - КПД передач механизма;

dц  - диаметр цапф (подшипников) колес;

kp - коэффициент, учитывающий трение реборд колес о рельсы, возникающее вследствие возможного перекоса конструкции моста или тележки.

         Численные значения коэффициентов, входящих в (3.20), при­ведены в справочниках, причем значения kp, как правило, соответ­ствуют наибольшим, встречающимся на практике значениям коэффициентов трения реборд колес о рельсы. Как следует из (3.20), изменения Мст вызываются измене­ниями веса G перемещаемого полезного груза, а также измене­ниями условий трения в кинематических звеньях механизма. Если общий вес механизма G`0 невелик в сравнении с весом номинального полезного груза Gном, что имеет место для механизмов передвижения тележек мостовых, козловых кранов и подобных им установок, то определяющее влияние оказы­вают изменения веса полезного груза (прямая 1 на рисунке 3.13 а). Для механизмов передвижения более тяжелых конструкций, на­пример, мостовых кранов, влияние полезного груза на статиче­ские нагрузки привода невелико (прямая 2 на рисунке 3.13 а). По­этому при проектировании электроприводов таких механизмов следует иметь в виду изменения и других факторов, в частно­сти, трения в передачах и реборд колес о рельсы. Точному рас­чету эти изменения не поддаются. Их влияние можно учиты­вать ориентировочно, снижая расчетные минимальные нагруз­ки на 20-30%. В соответствии с кинематической схемой, приведенной на рисунке 3.12 б, при горизонтальном положении платформы и отсутствии воздействия ветра статический момент механизма пово­рота можно определить так

 

                                         ,                                    (3.21)

 

где      kp   - коэффициент, учитывающий трение реборд колес опор­ных тележек о рельсы или роликов опорного ролико­вого круга о направляющие, а также трение в цент­ральной цапфе оси вращения платформы;

Dкр - диаметр роликового круга;

dp   - диаметр   роликов   (в    случае    опорных    тележек диаметр их колес);

         ƒ    - коэффициент  трения  качения  роликов  или  ходовых колес.

                

Mcт/Mст1, G/Gном(a) и ω, М(б).

 

Д - двигатель; Т- тормоз; Р - редуктор; ВШ - ведущая шестерня; - зуб­чатый венец.

Рисунок  3.12 -   Кинематическая   схема   механизмов   передвижения   (а)   и поворота (б).

Рисунок 3.13 -  Пределы изменения нагрузок электроприводов механизмов передвижения и поворота без учета ветровой нагрузки и уклона в координатах

 

         Зависимость статического момента электропривода поворо­та от веса полезного груза G выражается также прямой 2 на рисунке 3.13а, так как для подавляющего большинства машин вес поворотной платформы с оборудованием много больше веса полезного груза.

         Статические нагрузки установок, работающих на открытом воздухе, могут существенно изменяться при наличии уклона или воздействия ветра. В общем случае сила сопротивления движению для механизма передвижения может быть предста­влена в виде алгебраической суммы (влияние уклона показано на рисунке 3.13б)

 

         ,                    (3.22)

     где                    ;

         DK - диаметр ходового колеса;

         Р - угол уклона;

         рв - ветровое давление, принимаемое обычно при выборе мощ­ности электродвигателя равным 150 - 250 Па;

         SB - площадь парусности сооружения.

      Площадь парусности сооружения может быть найдена по выражению

 

                                           ,

 

         где    kcп - коэффициент сплошности конструкции, численно рав­ный 0,3-0,6          для ферм и 0,7-0,8 для механизмов;

         Sв,к ,Sв,г - площадь,   ограниченная   контуром   конструкции   и груза.

         Статический момент в случае, когда результирующая сила направлена против движения, т. е. является тормозной, следует определять по формуле

 

                                                ,

        

           а если по движению, то по формуле

 

                                               .

 

        Уклон и ветровая нагрузка в значительной степени расши­ряют пределы изменения нагрузок и изменяют их характер. При наличии уклона нагрузка становится несимметричной. Ветровая нагрузка может иметь любое на­правление, и при большой парусности пределы изменения ста­тической нагрузки могут охватывать как двигательный, так и тормозной режимы (см. рисунок 3.13 а,б). Кроме того, для меха­низмов поворота статический момент, обусловленный ветром, при постоянной силе ветра зависит от угла поворота плат­формы.

        Важнейшей особенностью механизмов передвижения и по­ворота является большая механическая инерция, влияние кото­рой тем больше, чем тяжелее движущееся сооружение и чем выше скорость движения. Приведенный к валу двигателя мо­мент инерции движущихся масс установки для механизмов передвижения и поворота кранов и для механизмов поворота экскаваторов в 2 - 20 раз больше собственного момента инер­ции двигателя. Поэтому для таких механизмов при большой частоте включений динамические нагрузки определяют необхо­димую мощность двигателя, а статические нагрузки невелики в сравнении с динамическими нагрузками. Так, электропривод поворота эк­скаватора-драглайна типа ЭШ-15/90 при углах поворота 90 - 110° работает только в переходных режимах пуска и тор­можения. Статическая нагрузка этого механизма не превышает 10% номинального момента двигателя.

         При небольшом моменте инерции механизма динамический момент в основной своей части обусловлен ускорением ротора двигателя и нагружает передачи механизма незначительно. Иные условия складываются в электроприводах инерционных механизмов. Здесь основной нагрузкой передач является дина­мическая нагрузка, обусловленная ускорением масс поворотной платформы. Передача динамических усилий вызывает дополни­тельные потери в редукторе, которые желательно в расчетах учитывать, если динамические нагрузки передач соизмеримы со статическими или превышают их.

         Приведенный динамический момент для пуска можно определять из соотношения

                                     ,                                       (3.23)

а для торможения

 

                                     ,                                 (3.24)

 

        где JM = JΣ - Jдв - приведенный к валу двигателя момент инер­ции всех поступательно и вращательно движущихся масс механизма.

         У механизмов передвижения и поворота установок, в ко­торых груз или ковш подвешен на канате и может колебаться подобно маятнику, динамический момент Мдин является пере­менной величиной. Груз (или ковш) при пусках и торможениях раскачивается, поэтому кран (поворотная платформа) и груз движутся в разных фазах колебания с разными ускорениями. В расчетах для построения нагрузочных диаграмм и выбора двигателей эти колебания обычно не учитывают, определяя средний динамический мо­мент по среднему ускорению и моменту инерции.

 

         3.3 Выбор двигателей для механизмов циклическо­го действия общепромышленного назначения

 

          Электроприводы механизмов циклического действия рабо­тают в повторно-кратковременном режиме, характерной осо­бенностью которого являются частые пуски и остановки двигателя. Из курса теории электропривода известно, что потери энергии в переходных процессах непосредственно за­висят от момента инерции электропривода JΣ, основную долю которого, если исключить инерционные механизмы, составля­ет момент инерции двигателя Jдв. Поэтому при повторно-кратковременном режиме желательно применять двигатели, которые при требуемой мощности и угловой скорости имеют возможно меньший момент инерции Jдв.

        По условиям нагрева допустимая нагрузка двигателя при повторно-кратковременном режиме выше, чем при длительном. При пуске с повышенной статической нагрузкой двигатель должен развивать и повышенный пусковой момент, превос­ходящий статический на значение требуемого динамического момента. Поэтому в повторно-кратковременном режиме работы требуется более высокая перегрузочная способность двигателя, чем при длительном. Требование высокой перегрузочной спо­собности определяется также и необходимостью преодоления кратковременных механических перегрузок, возникающих при отрыве грузов, черпании грунта и т. п.

         Наконец, условия нагревания и охлаждения двигателей при повторно-кратковременном режиме отличаются от анало­гичных условий при длительном режиме. Особенно сильно это отличие проявляется у двигателей с самовентиляцией, так как количество охлаждающего воздуха, поступающего в двигатель, зависит от его скорости. Во время переходных процессов и пауз теплоотдача двигателя ухудшается, что оказывает суще­ственное влияние на допустимую нагрузку двигателя.

        Все эти условия определяют необходимость использования в электроприводах механизмов циклического действия спе­циальных двигателей, номинальным режимом которых являет­ся повторно-кратковременный режим, характеризующийся определенной номинальной продолжительностью включения

 

                                             ,

 

         где   tp, t0 - соответственно   время   работы   и   время   паузы.

         В повторно-кратковременном режиме при работе с но­минальной нагрузкой температура двигателя колеблется около допустимого значения, увеличиваясь во время работы и сни­жаясь во время паузы. Очевидно, отклонения температуры от допустимой тем выше, чем больше при данной ПВ продолжи­тельность цикла tц = tp + t0 и чем меньше постоянная времени нагрева двигателя Тн. Чтобы ограничить возможную макси­мальную температуру двигателя, ограничивают допустимую длительность цикла. Для серий двигателей по­вторно-кратковременного режима допустимое время цикла установлено равным 10 мин. Таким образом, эти двигатели рассчитаны на рабочий цикл, график которого для стан­дартных продолжительностей включения (ПВ =15, 25, 40 и 60 и 100%) показан на рисунке 3.14. С увеличением ПВ номинальная мощность двигателя уменьшается. Существует ряд серий двигателей повторно-кратковременного режима: асинхронные крановые с короткозамкнутым ротором серии MTKF и с фазным ротором серии MTF; аналогичные металлургические серии МТКН и МТН; постоянного тока серии Д (в экскаваторном исполнении серии ДЭ). Для машин, указанных серий, характерна удлиненная фор­ма ротора (якоря), обеспечивающая снижение момента инер­ции. Для уменьшения потерь, выделяющихся в статорной об­мотке в переходных процессах, двигатели серий MTKF и МТКН имеют повышенное номинальное скольжение Sном =7 ­­÷ 12 %. Перегрузочная  способность  двигателей  крановой и металлургической серий составляет 2,3 - 3 при ПВ = 40 %, что при ПВ = 100 % соответствует λ = Мкрном100 % = 4 ÷ 5,5. В крановых двигателях переменного тока за основной но­минальный принят режим с ПВ = 40 %, а в двигателях постоян­ного тока — кратковременный режим длительностью 60 мин (наряду с режимом ПВНОМ = 40 %). Номинальные значения мощ­ности двигателей крановой и металлургической серий при ПВНОМ = 40 % лежат в пределах: 1,4 ÷ 22 кВт для серий MTF и MTKF; 3 ÷ 37 кВт и 3 ÷ 160 кВт для серий соответственно МТКН и МТН; 2,4 ÷ 106 кВт для серии Д.  Продуваемые двига­тели серии Д выполняются на номинальную мощность от 2,5 до 185 кВт при ПВном = 100 %. Двигатели с короткозамкнутым ротором могут иметь многоскоростное исполнение с двумя или тремя раздельными обмотками на статоре: серии МТКН с числом полюсов 6/12, 6/16 и 6/20 и номинальной мощностью от 2,2 до 22 кВт при ПВНОМ = 40 %; серии MTKF с числом по­люсов 4/12, 4/24 и 4/8/24 и номинальной мощностью от 4 до 45 кВт при ПВНОМ = 25 %.

         Выбор двигателей крановых и металлургических серий на­иболее просто осуществляется в тех случаях, когда действи­тельный график работы его совпадает с одним из но­минальных, показанных на рисунке 3.14. В каталогах и справочной литературе указываются номинальные данные двигателей при ПВ-15, 25, 40, 60 и 100 %. Поэтому при работе привода с по­стоянной статической нагрузкой Рст при номинальном цикле не представляет трудностей подобрать по каталогу двигатель ближайшей мощности из условия Рном ≥ Рст.

         Однако реальные циклы, как правило, сложнее, нагрузка двигателя на различных участках цикла оказывается различной, а продолжительность включения отличается от номинальной. При таких условиях выбор двигателя производится по эквива­лентному графику, приведенному в соответствие с одним из номинальных на рисунке 3.14. С этой целью вначале определяется эквивалентная по нагреву постоянная нагрузка при действи­тельной ПВД, которая далее пересчитывается к стандартной продолжительности включения ПВном.   Пересчет может быть произведен с помощью соотношений

                                   .                                   (3.25)

 

         Соотношения (2.18) являются приближенными, так как не учитывают двух важных факторов, изменяющихся при измене­нии ПВ и существенно влияющих на нагрев двигателя.

         Первый фактор - количество теплоты, выделяющееся в двигателе за счет постоянных потерь. Это количество теплоты возрастает при увеличении ПВ и уменьшается при переходе на меньшие значения ПВ. Соответственно при переходе к большим ПВ на­грев возрастает и наоборот. Второй фактор - условия вентиля­ции двигателей. При самовентиляции условия охлаждения в пе­риоды работы в несколько раз лучше, чем в периоды пауз. Поэтому с возрастанием ПВ условия охлаждения улучшаются, с уменьшением - ухудшаются.

Подпись:

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.14 -  Номинальный цикл работы двигателя для повторно – кратковременного режима

 

        Сопоставляя влияние этих двух факторов, можно заклю­чить, что оно противоположно и в той или иной степени взаимно компенсируется. Благодаря этому для современных се­рий приближенные соотношения (2.18) дают достаточно пра­вильный результат, если их использовать только для пересчета на ближайшую к ПВД номинальную продолжительность вклю­чения ПВНОМ.

         Из теории электропривода известно, что используемые при выборе двигателя методы средних потерь и эквивалентных ве­личин имеют поверочный характер, так как требуют знания ря­да параметров предварительно выбранного двигателя. При предварительном выборе во избежание многократных ошибок необходимо учитывать особенности конкретного механизма. Для общепромышленных механизмов циклического действия можно указать три наиболее характерных случая предваритель­ного выбора двигателя:

         - цикл работы механизма задан, причем динамические на­грузки оказывают незначительное влияние на нагрев двигателя;

         - цикл работы механизма задан и известно, что динамиче­ские нагрузки существенно влияют на нагрев двигателя;

         -  цикл работы механизма заданием не определен.

         Первый   случай   наиболее   характерен   для    механизмов с малыми инерционными массами - одноконцевых подъ­емных и тяговых лебедок. Оценить влияние динамических на­грузок на нагрев двигателя можно путем сравнения продолжи­тельности пуска tп с продолжительностью установившегося режима работы tуст. Если tпtуст, выбор двигателя можно произвести по нагрузочной диаграмме исполнительного меха­низма. По этой нагрузочной диаграмме определяется средне­квадратичный момент нагрузки Мск,ПВ,д, с помощью формул (3.25) пересчитывается к ближайшей номинальной ПВНОМ и да­лее определяется требуемая мощность двигателя по заданной рабочей скорости ωр

 

                                                .

 

        При этом приближенный учет влияния динамических нагру­зок производится путем введения в формулу коэффициента за­паса kз = 1,1 ÷ 1,5. С увеличением отношения tп/tуст коэффи­циент запаса нужно увеличивать ориентировочно, полагая, что при tп/tуст < 0,05 следует брать меньшее из указанных значений, а при tп/tуст > 0,2 - 0,3 - большее. Предварительно выбранный двигатель необходимо проверить по нагреву одним из мето­дов, рассмотренных в курсе теории электропривода [2, 4], а также по перегрузочной способности из условия

 

                                                ,

        где   Мдоп - допустимый момент кратковременной перегрузки.

Для двигателей постоянного тока момент Мдоп ограничи­вается условиями коммутации тока на коллекторе

 

                                                          ,

 

         где   λ,- перегрузочная способность двигателя по данным каталога.

        Для асинхронных двигателей при определении Мдоп необхо­димо учитывать возможность снижения напряжения сети на 10%. Так как критический момент Мкр пропорционален квадра­ту напряжения, то

 

                                      .

      

         Кроме того, асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором необходимо таким же путем проверять по пусковому моменту.

       

3.4           Электропривод продольно-строгальных станков

 

         При строгании (см. рисунок 3.15) снятие стружки происходит в течение рабочего хода, при обратном ходе резец не работает. Продольное перемещение стола при рабочем ходе является главным дви­жением.

         Движением подачи называется перемещение резца в течение одного двойного хода перпендикулярно главному движению.

         Вспомогательными движениями на строгальных станках являются быстрое перемещение траверсы и суппортов, подъем резцов при обратном ходе, а также, например, мед­ленное перемещение стола при наладочных операциях. Скорость, с которой резец переме­щается относительно детали при рабочем ходе, называется скоростью резания. Глубина резания - величина, на которую углубляется резец в изделие при одном проходе; она определяет толщину сни­маемой стружки.

         При строгании подача и глубина принимаются: для черновой обработки s =  1÷7 мм/дв. ход, t = 6 ÷30 мм; для чистовой обработки ши­рокими резцами s =10 ÷ 30 мм/дв. ход и выше, t = 0,05-0,3 мм.

Подпись:

 

 

 

 

 

 

1-обрабатываемое изделие; 2-резец; 3-главное движение; 4-движение подачи

Рисунок 3.15 -  Схема строгания

        Определение скорости, усилия и мощности резания производит­ся по формулам, аналогичным тем, которые приведены для то­чения.

        Машинное время (мин) за один двойной ход

 

                                         ,                                                             (3.26)

 

         где В - ширина строгания, мм;

В0 - путь подачи при входе и вы­ходе резца из изделия, мм;

i - число двойных ходов в минуту;

s - подача на один двойной ход стола, мм.

         Для повышения производительности строгальных станков сле­дует при заданной подаче увеличивать число двойных ходов стола. Так как при строгании резец испытывает ударную нагрузку, то такие высокие скорости, какие используются при скоростном точении, в данном случае не допускаются. Максимальные скорости ре­зания при строгании не превосходят 75 - 120 м/мин.

         Выбор мощности электроприводов для типовых механизмов станков

         Вопрос о правильном выборе мощности электродвигателя является весьма важным и ответственным. Завышение мощности двигателя приводит к увеличению капитальных и эксплуатационных расхо­дов, к снижению к.п.д. и cos φ двигателя. Недостаточная мощность двигателя ограничивает производительность станка, и кроме того, двигатель преждевременно выходит из строя, что влечет за собой простой оборудования и дополнительные расходы на ремонт. В предыдущей главе были приведены соотношения для опреде­ления мощности и оптимальной скорости резания. Для нахождения мощности на валу главного привода при установившемся режиме необходимо к мощности резания прибавить еще мощность, обуслов­ленную потерями в станке (механизме передач станка). Для подсчета мощности потерь в станке практически приходит­ся пользоваться величиной к. п. д., зависящего при данной нагруз­ке от числа звеньев кинематической системы и скорости механизма. Общий к.п.д. станка рассчитывается как произведение к. п. д. всех звеньев. Значения к. п. д. отдельных звеньев передач (с учетом потерь в опорах) принимаются приблизительно равными: 1) для ременной передачи; а) открытой, без натяжного ролика - 0,96, б) с натяжным роликом - 0,94, в) клиноременной - 0,93÷0, 95;  2) для зубчатой передачи; а) с опорами трения качения - 0,975 ÷ 0,985, б)  трения скольжения - 0,96 ÷ 0,97;  3) для червячной передачи - 0,5 ÷ 0,7; 4) для цепной передачи; а) зубчатой - 0,97 ÷ 0, 98, б) роликовой - 0, 96 ÷ 0, 97; 5) для кривошипно-шатунного механизма - 0, 9.

Общий номинальный к.п.д. станка

 

                                     .                                                    (3.27)

 

         Значения к. п. д. отдельных звеньев кинематической цепи стан­ка η1, η2 и т. д. относятся к полной (номинальной) нагрузке станка.

         Как отмечалось, к. п. д. станка зависит также от скорости его рабочих органов. При одной и той же нагрузке с увеличением ско­рости к. п. д. станка снижается. Приведенные ориентировочные значения к. п. д. относятся к кинематической цепи главного привода. Коэффициент полезного дей­ствия цепи подачи всегда бывает значительно ниже (в несколько раз). Это обусловлено в основном необходимостью получения весь­ма низких скоростей подач и применением в связи с этим замедляющих передач, имеющих низкий к.п.д. В станках со сложной кине­матической цепью увеличение скорости вызывает относительно большее возрастание потерь, чем в станках с более простой кине­матической схемой. Мощность на валу главного привода при установившемся ре­жиме и номинальной мощности реза­ния постоянна. Так как нагрузка станка часто бы­вает переменной и отличной от номи­нальной, то возникает необходимость в определении к.п.д. для различных на­грузок.

                                           ,                                                            (3.28)

 

где Рнz, ηн.ст - соответственно номи­нальная мощность ре­зания и к. п. д. станка при номинальной на­грузке.

Обозначая коэффициент загрузки через k = Pz/Pнz, определим потери в станке при любой нагрузке Pz

 

                         или   ,                            (3.29)

 

где а и b – коэффициенты постоянных и переменных потерь.

Коэффициент полезного действия станка

 

                                           .                                    (3.30)

Для частного случая, когда k = 1, к.п.д. станка

 

                                             .                                                  (3.31)

 

Разделение потерь для определения к.п.д. при любой нагрузке из (2.5) даёт

                                                    .

 

Ориентировочно для практических расчётов принимаем

 

                                               .                                               (3.32)

 

         Для станков, в которых имеются массивные движущиеся части, необходимо дополнительно учитывать потери мощности (кВт) на трение в направляющих

                                             ,                                             (3.33)

 

где G - вес движущихся частей, н;

         μ - коэффициент трения, при­нимаемый равным 0,05 - 0, 1;

         υ - скорость передвижения, м/мин.

         Для токарных, фрезерных, сверлильных станков к. п. д. при полной нагрузке составляет в среднем приблизительно 0, 7 ÷ 0, 8, для шлифовальных станков - 0, 8 ÷ 0, 9, для строгальных и долбежных станков - 0, 65 ÷ 0, 75.

        В связи с тем, что большинство станков работает с переменной нагрузкой и в различных режимах (длительном, повторно-кратко­временном или кратковременном), выбор типа электропривода и расчет мощности его должны быть произведены в каждом отдель­ном случае с учетом конкретных технологических условий работы того или иного станка.

        Существует несколько методов определения мощности двигате­лей для станков. Наиболее распространенными являются методы эквивалентных величин и средних потерь, используемые для опре­деления мощности приводов, работающих как в длительном, так и повторно-кратковременном режимах. При этом основой для рас­чета мощности двигателя, как правило, служат нагрузочные диа­граммы, построенные для установившегося режима работы привода (так называемые диаграммы статической нагрузки привода). По этим диаграммам производится предварительный выбор мощ­ности двигателя. Затем выбранный двигатель проверяется по нагре­ву и допустимой перегрузке уже с учетом переходных процессов.

         Далее рассматриваются методы расчета мощности двигателя для некоторых типовых приводов станков.

         Построение нагрузочной диаграммы главного привода и выбор мощности двигателя для продольно-строгального станка

        Работа главного привода продольно-строгального станка характеризуется значительной частотой реверсирования с большими мо­ментами при пуске и торможении. Поэтому при сравнительно малой длительности рабочего периода переходные режимы в электроприводе оказывают весьма существенное влияние на выбор мощности двигателя. Для предварительного подсчета мощности двигателя главного привода и построения нагрузочной диаграммы его в ка­честве исходных данных принимают:

        -  график изменения усилия резания в функции скорости ра­бочего хода стола Fz = ƒ(υпр) (скорости и усилия резания определя­ются по ранее приведенным формулам), график нагрузки привода стола в функции скорости обычно состоит из двух участков: на первом из них тяговое усилие остается приблизительно постоянным, от ми­нимальной скорости до скорости примерно 20 м/мин, а на втором участке с ростом скорости усилие падает; следовательно, регули­рование скорости привода стола на первом участке должно произ­водиться при постоянном моменте, а на втором - приблизительно с постоянной мощностью:

-  скорость обратного хода стола υобр, м/мин;

-  вес обрабатываемой детали и стола (Gдет + Gст), н;

-  к. п. д. передач при полной нагрузке ηпер;

-  коэффициент трения стола о направляющие μ;

-  длину хода стола L, м;

-  суммарный момент инерции перемещающихся частей меха­низма

станка.

Кроме того, для построения нагрузочной диаграммы должна быть задана система электропривода и обусловлен способ регу­лирования скорости.

         Далее приводится методика расчета привода для случая, когда используется двигатель постоянного тока, управляемый по системе генератор - двигатель. Для упрощения здесь рассматривается ва­риант регулирования скорости вращения двигателя только изме­нением э. д. с. генератора при постоянном магнитном потоке дви­гателя. Задаваясь техническими данными для различных режимов ра­боты (например, для четырех режимов, приведенных в таблице. 2.4), определяем для каждого из них соответственно мощность резания, мощность на валу двигателя и расчетную мощность двигателя (см. таблица. 2.4).

         Мощность на валу двигателя (кВт)

 

                                              ,                                        (3.34)

 

         где Fт= Fz+ (Gдет + Gcт + Fу) μ - тяговое усилие, н;

         μ - коэффици­ент трения стола о направляющие, принимаемый равным 0,05 - 0,08;

         Fу - вертикальная составляющая усилия при резании.

         Далее производится предварительный выбор двигателя. Так как в рассматриваемом случае максимальная скорость привода, равная скорости обратного хода, достигается при номинальном напряже­нии на зажимах двигателя, то расчетная (номинальная) мощность двигателя (без учета мощности обратного хода)

                                                 .                                       (3.35)

         По наибольшему значению Ррасч и, задаваясь по кинематической схеме передаточным отношением двигателя к рейке стола р  = ωд/ωст, подбирают по каталогу двигатель ближайшей большей мощности с номинальной скоростью, отвечающей выбранному пе­редаточному отношению.

         Необходимо отметить, что для приводов, работающих с часты­ми реверсами, вопрос об определении оптимального передаточного отношения имеет существенное значение в связи с установлением максимального быстродействия системы. Оптимальное передаточ­ное отношение находится из следующих соображений. Уравнение движения главного привода относительно вала шестерни, связан­ной с рейкой стола, запишется так

 

                                             ,                           (3.36)

из (3.36) находим

                                          ,                                                (3.37)

        где М - момент, развиваемый двигателем при пуске;

          i - искомое передаточное отношение;

          Мс - момент сопротивления, обусловлен­ный холостым ходом станка;

        Jр, Jм - соответственно момент инер­ции якоря двигателя и момент инерции всех перемещающихся (при поступательном и вращательном движении) элементов механизма, приведенный к упомянутому валу;

          - ускорение этого вала.

         Дифференцируя (3.37) по i и приравнивая производную нулю, найдем

i = iопт, при котором ускорение будет иметь максимальное значение, а именно:

                               ,                                            (3.38)

 

        где Мср – средний момент, развиваемый двигателем при пуске.

          Если Мс ≈ 0, то

                                      .                                                                (3.39)

 

         По  параметрам двигателя выбирают генератор, рассчитанный на те же номинальные напряжение и ток, что и двигатель. С целью сокращения габаритов и стоимости генератора, а также приводного двигателя переменного тока преобразовательной установки необ­ходимо скорость указанных машин принимать максимально воз­можной.

         Пользуясь параметрами генератора и двигателя и исходными данными, приведенными ранее, можно приступить к расчету графи­ков нагрузки электропривода в установившихся и переходных ре­жимах.

         Потери в передачах при прямом ходе и полной нагрузке.     

 

                                                                                 (3.40)

 

         Потери в передачах при прямом ходе вхолостую

 

                                           .

 

         Мощность на валу двигателя при прямом ходе вхолостую

 

                                            ,                                (3.41)

где                             .

 

Скорость вращения двигателя при прямом ходе

 

                                                    .                                                (3.42)

 

Электромагнитный момент двигателя при прямом ходе и полной нагрузке (н∙м)

                                           ,                                     (3.43)

где М0 – момент потерь холостого хода двигателя (н∙м).

                                               ,

где с – коэффициент пропорциональности между моментом и током;

 

                                         ,

 

Uн, Рн, Iн, ωн – номинальные напряжение, мощность, ток и скорость вращения двигателя;

  rд – сопротивление якоря двигателя.

Электродвижущая сила генератора при прямом ходе стола

 

                                       ,                                             (3.44)

 

где r – суммарное сопротивление якорной цепи генератора и двигателя.

Мощность на валу двигателя при обратном ходе стола

                                     .                                                 (3.45)

 

Электромагнитный момент двигателя при обратном ходе

 

                               .                                         (3.46)

 

Электродвижущая сила генератора при обратном ходе

 

                             .                                               (3.47)

 

Совместное решение (2.29) и (2.30) даёт

 

     .       (3.48)

 

         Полученным моментам двигателя Мэ.пр и Мэ.обр отвечают про­порциональные им токи в якорной цепи двигателя, так как Mэ = cI.

        Для найденных значений э. д. с. генератора при прямом и обрат­ном ходах стола Ег.пр и  Ег.обр по кривой холостого хода генерато­ра определяются соответствующие токи возбуждения. По этим то­кам легко вычисляются соответствующие напряжения на зажимах обмотки возбуждения генератора.

        Для проверки предварительно выбранного двигателя необхо­димо построить нагрузочную диаграмму электропривода с учетом переходных процессов. Построение приближенной нагрузочной диа­граммы может быть произведено на основании следующих сообра­жений. Вначале задаемся для упрощения идеализированной та­хограммой ω = ƒ(t) одного цикла (прямой и обратный ходы) работы двигателя стола, для которого момент нагрузки при резании наи­больший, что имеет место, как упоминалось, в зоне сравнительно небольших скоростей рабочего хода (≈ 6 ÷ 20 м/мин).

         Приведенная на рисунке 3.16 тахограмма отличается следующими особенностями. Если скорость резания превышает 12 - 15 м/мин, то разгон привода при прямом ходе производится в два этапа - сна­чала до скорости ωвх, соответствующей 12 - 15 м/мин, при которой совершается врезание резца.

         Разгон привода в течение времени t1 так же, как и его работа при пониженной скорости (t2), происходит при холостом ходе, кото­рому соответствует ток

                                         .                                        (3.49)

 

         Затем совершается врезание резца при той же пониженной ско­рости (ωвх). Длительность работы с полной нагрузкой (Iпр) и по­ниженной скоростью незначительна и соответствует времени t3.

          Врезание резца при пониженной скорости исключает сминание края обрабатываемого изделия. Разгон привода от скорости ωвх до установившейся скорости ωпр, отвечающей требуемой скорости резания, производится при полной нагрузке. Перед окончанием прямого хода во избежание скалывания задней кромки изделия скорость резания и соответст­венно скорость привода должна быть снижена до ωвых = ωвх. Замед­ление привода на интервале времени происходит с полной на­грузкой. При пониженной скорости за время t7 еще производится снятие стружки, а затем имеет место выход резца из изделия (t8) с по­следующим реверсированием привода с пониженной скорости пря­мого хода ωвых до установившейся скорости обратного хода ωобр(t9 - t10). Обратный ход (на интервале времени t11) обычно происходит при скорости ωобр, в 2 - 3 раза превышающей скорость прямого хода. К концу обратного хода целесообразно до начала реверса с обратного хода на прямой снизить скорость стола до 12 - 15 м/мин для более четкого срабатывания аппаратуры. Замедление происходит при этом без нагрузки в течение времени t12. Затем, после небольшого интервала t13, соответствующего длительности работы при пониженной скорости обратного хода, совершается реверсирование на пониженную скорость прямого хода. В дальней­шем цикл повторяется.

Так как в современных электроприводах столов продольно-строгальных станков используются замкнутые системы автомати­ческого управления, в которых достигается желаемое формирова­ние переходных процессов, то можно с известным приближением считать момент, а следовательно, и ток якоря двигателя неизмен­ным в процессе пуска и торможения и равным примерно 2,0 - 2,2∙Iн, что обусловлено допустимыми условиями коммутации двигателя. Зная допустимое значение тока и соответственно момента в пере­ходных режимах, а также учитывая величины моментов нагрузки, рассчитанных ранее, легко с учетом суммарного момента инерции привода определить время переходного процесса.

         В соответствии с изложенным на рисунке 3.17 приведена приближен­ная нагрузочная диаграмма электропривода стола. Пользуясь этой диаграммой, определим эквивалентный ток якоря за цикл

 

                                                   ,                                                   (3.50)

 

        где t`ц - время с учетом ухудшения условий вентиляции при ра­боте двигателя на пониженной скорости и в переходных режимах, если двигатель самовентилируемый; в этом случае t`ц < tц < tц - время цикла, полученное из нагрузочной диаграммы.

 С целью большего использования двигателя целесообразно применить неза­висимую вентиляцию; тогда в формуле (2.32) подставляется tц вместо t`ц. Предварительно выбранный двигатель удовлетворяет условиям нормальной работы по нагреву, если IэIв (Iн - номинальный ток двигателя).

         Наиболее тяжелым режимом работы электропривода оказывает­ся режим, при котором обрабатывается деталь - наименьшей дли­ны при наибольшем усилии резания. Для определения допустимой наименьшей длины обработки при выбранном ранее двигателе не­обходимо составить уравнение, в котором эквивалентный ток при­нимается равным номинальному и приравнивается среднеквадра­тичному току, полученному из нагрузочной диаграммы, в которой неизвестными составляющими являются длительности установив­шихся режимов прямого и обратного ходов; при известной скорости прямого и обратного ходов определяется искомый путь. Уточнен­ная нагрузочная диаграмма строится с учетом конкретной системы управления электропривода продольно-строгального станка.

 

Рисунок 3.16 -  Упрощённая нагрузочная диаграмма привода стола продольно-строгального станка

 

          Особенности электропривода стола продольно-строгальных стан­ков обусловлены процессом работы этих станков, состоящим из последовательно повторяющихся циклов, каждый из которых вклю­чает прямой, или рабочий, ход стола, когда происходит обработка детали, и обратный ход.

          Скорость рабочего хода (скорость резания) устанавли­вается в соответствии с норма­тивами, учитывающими сорт обрабатываемого материала и свойства режущего инструмен­та. Скорость же обратного хо­да, как правило, значительно превосходит скорость резания, чем достигается увеличение производительности станка.

         Упрощенный график пути l и скорости υ в зависимости от времени для одного цикла (прямого и обратного хода сто­ла) приведен  на рисунке 3.17.

Ход стола L складывается из пути lпр в установившемся режи­ме при прямом ходе и суммы путей разбега lр.пр  и торможе­ния lт.пр

 

                                         .                                               (3.51)

Время цикла

 

              ,                                    (3.52)

 

         где пр, обр - соответственно время установившегося движения при прямом (рабочем) и обратном ходах;

tр.пр, tр.обp - время разбега при прямом и обратном ходах;

tт.пр, tт.oбp - время торможения при прямом и обратном ходах.

Время установившегося движения при прямом ходе

 

                                  ,                                          (3.53)

 

        где υпр – скорость установившегося движения стола при прямом ходе.

Подпись:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                  

Подпись: Рисунок 3.17 -  Упрощенные графики скорости и пути стола

 

         Аналогично время установившегося обратного хода

 

                                 ,                                     (3.54)

 

        где υпр – скорость установившегося движения стола при обратном ходе, м/мин.

После преобразований получим выражение для времени цикла

 

                                     ,                                           (3.55)

        где - отношение скорости обратного хода к скорости прямого хода стола;

          tрев – время реверсирования стола.

Пользуясь формулой (7.5), можно найти число двойных ходов стола в минуту

                                      .                                 (3.56)

 

         Анализ этого соотношения показывает, что число двойных хо­дов, а следовательно, и производительность станка возрастает с увеличением k, т. е. с увеличением скорости обратного хода, при заданной скорости рабочего хода. Причем в основном рост про­исходит до значения k = 3; дальнейшее увеличение k не дает за­метного увеличения числа ходов. Следует заметить, что интенсив­ность возрастания числа ходов с увеличением h зависит от вели­чины рабочей скорости: чем выше рабочая скорость, тем интенсив­нее растет число ходов, а следовательно, уменьшается машинное время. С другой стороны, чрезмерное увеличение k приводит к повышенным потерям времени на реверсирование.

         Кроме того, оказывается, что высокие скорости обратного хода существенно влияют на число ходов при длинных ходах (начиная с 3 м и выше). При этих условиях потери времени на реверсиро­вание несущественно сказываются на производительности станка. Наоборот, при сравнительно малых ходах следует стремиться к уменьшению времени реверсирования. Так как при высоких скоро­стях резания (75 ÷ 100 м/мин) на строгальных станках длитель­ность цикла иногда снижается до нескольких секунд, то в этом слу­чае сокращение времени реверсирования электропривода может привести к значительному повышению производительности станка. С возрастанием размеров станка (длины хода стола) увеличивает­ся также приведенный момент инерции отдельных звеньев меха­низма главного привода, что также приводит к увеличению времени реверсирования. В связи с этим вопрос о выборе оптимального передаточного отношения имеет существенное значе­ние в приводах продольно-строгальных станков с точки зрения сокращения времени переходных режимов.

         В большинстве случаев при регулиро­вании скорости резания на продольно-строгальных станках тяговое усилие остается постоянным и наибольшим при скоростях приблизительно от 6 до 20 - 25 м/мин. При дальнейшем увеличении скорости резания усилие падает. Таким образом, можно считать, что в зоне срав­нительно малых скоростей момент, разви­ваемый приводом, должен оставаться приблизительно постоянным, тогда как при скоростях выше 25 м/мин сохраняет­ся постоянная мощность. График скоро­сти стола часто имеет более сложный вид, что обусловлено необходимостью вреза­ния резца и выходом его из изделия при пониженной скорости, а также повыше­нием скорости прямого хода при обработ­ке изделий с большими необрабатывае­мыми проемами (например, фундамент­ные плиты). Скорость стола во время прохождения проемов под резцами может достигнуть скорости обратного хода, что приводит к повыше­нию производительности.

         Наименьшая скорость строгания принимается равной 4-6 м/мин при черновой обработке твердых материалов. Наибольшая скорость резания на строгальных станках достигает 75-100 м/мин, при чистовой обработке поэтому диапазон регулирования скорости сто­ла, а следовательно, и электропривода равен (25-15):1. Задан­ная скорость привода должна поддерживаться автоматически во всем диапазоне с точностью до ±5 % при изменении нагрузки при­мерно от 0,1 до 1,25 от номинального момента. Динамический пе­репад скорости допускается сравнительно небольшим (5 – 20 %; меньшие значения относятся к большим скоростям и наоборот), и переходный процесс, вызванный резким приложением нагрузки, должен закончиться быстро (в течение 0,1 - 0,2 сек). Для главного привода продольно-строгальных станков целесообразно использование двигателей, обладающих повышенной перегрузочной способ­ностью и пониженным моментом инерции; такие двигатели могут обеспечить меньшее время пуска и торможения. Иностранными фирмами выпускаются специальные двигатели постоянного тока для продольно-строгальных станков. Иногда для уменьшения вре­мени переходных режимов целесообразно использовать два двигате­ля половинной мощности вместо одного полной мощности. На изме­нение суммарного (приведенного) момента инерции главного при­вода благоприятно влияет выбор соответствующей кинематики ме­ханизма от двигателя к столу. В этом отношении предпочтение следует отдать червячной передаче, которая, кроме того, обеспе­чивает и высокую плавность хода стола, что важно и для улучше­ния качества обработки изделий на станке. К недостаткам червяч­ной передачи можно отнести трудоемкость ее изготовления и мень­ший к. п. д. в сравнении с передачей из цилиндрических шестерен.

         Добиваясь наибольшего быстродействия главного привода, не­обходимо учитывать, что длительность реверсирования не может быть ниже определенной величины, которая лимитируется не толь­ко динамическими нагрузками в передачах редуктора, но и време­нем, необходимым для совершения подачи суппортов и подъема резцовых головок. К другим важным требованиям, которые предъ­являются к электроприводу стола, является высокая надежность работы его, обеспечивающая точность реверсирования и связанную с этим четкую работу аппаратуры управления. Выбирая ту или иную систему электропривода, следует учитывать его экономич­ность, т. е. потери энергии за цикл, а также коэффициент мощно­сти; кроме того, необходимо учитывать и окупаемость тех затрат, которые связаны с созданием привода и его эксплуатации. При расчете эффективности затрат важно принимать во внимание по­вышение производительности и качества обрабатываемых изделий, которые можно получить за счет рациональной системы электро­привода. В этом отношении сравнительно дорогая и сложная, но эффективная и надежная система электропривода может оказаться более рентабельной, чем простая и несовершенная.

         В настоящее время для выполнения указанных требований в качестве главного привода продольно-строгальных станков ис­пользуется, как правило, двигатель постоянного тока, управляе­мый по системе генератор - двигатель с различного рода усили­телями, с помощью которых легко реализуется сложный график работы и получаются нужной формы характеристики двигателя. Эта система обеспечивает требуемый диапазон регулирования ско­рости движения стола, плавное регулирование ее, позволяет полу­чить сравнительно небольшое время реверсирования стола. Потери энергии при реверсировании в системе генератор - двигатель не­значительны; здесь возможно рекуперативное торможение. Еще одним достоинством системы генератор - двигатель является воз­можность управления двигателем в цепях с малыми мощностями (цепи возбуждения). Недостатком системы генератор - двигатель является необхо­димость выбора значительной установленной мощности машин по­стоянного тока (двигателя и генератора). Это объясняется тем, что установленная мощность двигателя постоянного тока, как указы­валось, должна выбираться по наибольшему тяговому усилию, т. е. по наибольшему моменту, а следовательно, по наибольшему току, соответствующему минимальной скорости, и номинальному напря­жению при номинальной скорости его.

         Отличительной особенностью рассматриваемых далее схем уп­равления главных приводов продольно-строгальных станков, вы­полненных по системе генератор - двигатель, является использова­ние в них различных промежуточных усилителей (электромашин­ных, магнитных, полупроводников). Применение промежуточных усилителей для замкнутых систем управления позволяет сравни­тельно просто разрешить задачу получения широкого диапазона регулирования при высокой жесткости механических характери­стик и реализовать необходимое быстродействие привода при за­данном качестве переходного процесса.

 

 

3.5           Электропривод реверсивных прокатных станов

 

Технологический процесс прокатки

         Обработка металлов давлением производится прокаткой, волочением, прессованием, ковкой и штамповкой. 75 % всего выплавляемого металла обрабатывается путем прокатки. Прокаткой называется процесс деформации металла между двумя вращающимися валками. Различают продольную, косую и поперечную прокатку (прокатку тел вращения). Около 90 % всего проката получается при продольной прокатке. Различают горячую (при температуре от 600 до 1200 °С) прокатку и холодную (при температуре ниже 400 ÷450 °С). Основными параметрами процесса прокатки являются обжатие металла и его удлинение.

        Введем обозначения  (рисунок 3.18).

         


Н;h - высота металла до и после прокатки; В1; В2 — ширина до и после прокатки; L1; L2 – длина до и после прокатки; F1=H B1 и F2=h B2 – сечение слитка; h=H-h – абсолютное обжатие; L=L2-L1 – абсолютная вытяжка; B=B2-B1 – уширение после прокатки; h/H=(H-h)/H – относительное обжатие; L/L=(L2-L1)/L1 – относительное удлинение (вытяжка).

Рисунок 3.18 -  Схема прокатки

 

         Однократный проход металла через валки называется пропуском. Обычно для прокатки металла до требуемого сечения нужно несколько пропусков.          Отношение длины металла после прокатки к длине до прокатки λ=L2/L1 называется коэффициентом вытяжки. λ=Ln/L1, где Ln – длина металла после последнего пропуска, называется полным коэффициентом вытяжки.    λ´=Ln/Ln-1 – частичный коэффициент вытяжки.

         Практически при прокатке объем  металла не меняется. Уширение мало, и им в большинстве расчетов можно пренебречь, поэтому

 

                                                        

 

         Захват металла валками происходит под действием сил трения и зависит от ряда условий.

          Рассмотрим эти условия.

 Из рисунка 3.18 следует:  , где Р – сила давления металла на валки в точке захвата; Т – сила трения. Очевидно, что захват возможен при . Но TP, где ƒ- коэффициент трения. Следовательно,

                                                 ƒ>tg α                                                               (3.57)

 

- условие захвата. С ростом скорости прокатки величина ƒ обычно уменьшается, т.е. ухудшаются условия захвата.

Рассмотрим, в какой зависимости от условий захвата находятся диаметр валков и допустимое обжатие металла. Из геометрических соотношений рисунка. 3.18 , где D – диаметр валков.

При горячей прокатке коэффициент трения ƒ=(1÷0,8) (1,05-0,0005 tº). Учитывая, что температура горячей прокатки (стали) 1000÷1250ºC, имеем 0,25< ƒ<0,6.

Если, например, ƒ=0,5, то α=arctgƒ≈25º, и тогда  

     

                                                                                    (3.58)

 

т.е. допустимое обжатие увеличивается с увеличением диаметра валков.

Определение момента и мощности прокатки аналитическим методом. При аналитическом методе момент прокатки определяют по давлению металла на валки. Из условия симметрии  расстояния от осей валков до точек приложения равнодействующих сил давления равны ; Р1=Р2=Р. Поэтому момент, необходимый для вращения одного валка,  или 

 

                                           ,                                                           (3.59)

         где ;

         l - хорда дуги захвата.

    Давление металла на валок определяется по формуле

 

                                              Р=РсрQ [H],                                                       (3.60)

 

        где  Рср  - среднее удельное давление, Н/мм2;

Q - поверхность соприкосновения    металла с вал­ком, мм2.

 

                 Н/мм2,                    (3.61)

 

         где Kf - предел текучести, Н/мм2;

 .

         Hk=f(δ) - высота прокатываемого металла в критическом сечении (в плоскости приложения равнодейст­вующей силы Р).

   

       Учитывая, что Q=Bl, a  получим

                                                                                             (3.62)

где R - радиус валка, м;

h - в мм; В, мм.

При горячей прокатке ψ = 0,5. При холодной - ψ= 0,35÷0,45.

         После определения момента по формуле (3.62), легко опре­делить (для заданной скорости прокатки) мощность про­катки.

Определение момента прокатки по удельному расходу  энергии

            Коэффициенты, входящие в приведенные выше формулы, изменяются в значительных пределах, поэтому точность ана­литического метода, особенно при прокатке сложных профи­лей, невелика.

         На практике чаще пользуются опытными кривыми удель­ного расхода энергии, представляющими собой зависимость расхода энергии при прокатке одной тонны металла от общей вытяжки. Имеются альбомы такого рода кривых, снятых экспери­ментально. Для расчета необходимо, чтобы начальное сече­ние расчетной и опытной заготовок металла было равно. Если сечение расчетной заготовки меньше опытной, то необ­ходимо ввести условный начальный пропуск, в котором про­изводится условная начальная вытяжка , где F - сечение опытной и расчетной заготовок. Удельный рас­ход энергии, соответствующий вытяжке , не учитывается в последующих расчетах, т. е. отсчет ведут не от начала коор­динат, а от точки кривой, соответствующей условной вы­тяжке.

При этом методе расчета момент прокатки

 

                                        ,                                                      (3.63)

                   

       где   Мтр момент трения,

 

                                       ;                                         (3.64)

 

         -  масса металла;

         - удельная масса, т/м3;

         F - сечение;

         L- длина металла.

 Подстановка (3.64)  в  (3.63)  дает

 

                                       .                                                  (3.65)

 

Мощность прокатки в данном пропуске

 

                              .                                                         (3.66)

 

         (А - расход энергии, ).

Прокатка производится с помощью вращающихся валков,  укрепленных в массивной раме, называемой станиной. Кроме основной операции   (прокатки), выполняются вспомогательные: подача к валкам, уборка, кантовка, резка, правка, сма­тывание в рулон и т. д. - с помощью вспомогательных механизмов прокатного стана. На современных прокатных станах с регули­руемым приводом, выполненным на основе тихоходного дви­гателя постоянного тока с питанием от вентильного преобра­зователя или генератора, редуктор и маховик отсутствуют, а на крупных станах каждый валок имеет свой двигатель, сле­довательно, отсутствует и шестеренная клеть.

         По назначению  станы подразделяются на следующие группы:

- обжимные - блюминги (для прокатки слитков в заготовки квадратного сечения); слябинги (для прокатки слитков в заготовки прямоугольного  сечения). Валки этих станов имеют диаметр 800÷1300 мм;

- заготовочные станы (для  дополнительного обжатия блюмов). У станов этой группы валки имеют диаметр 450÷750 мм;

- рельсобалочные станы (D=750÷900 мм);

- крупносортные  (для прокатки заготовок до сечения  150 мм);

- среднесортные - прокатка заготовок до 80 мм;

- мелкосортные - для прокатки заготовок до 38 мм и уголка;

-  проволочные, толсто- и среднелистовые, тонколистовые станы;

- станы холодной прокатки (для прокатки листа тоньше 6 мм);

- трубопрокатные;

- бандажеколесные.

        По количеству валков  подразделя­ются на   следующие:

а) двухвалковые («Дуо»);

б) трехвалковые («Трио»);

в) четырехвалковые («Кварто»);

г) шести -, двенадцати -, двадцативалковые  (см. рисунок 3.19).

 

Рисунок 3.19 - Прокатные станы с различным числом валков



         В многовалковых станах роль рабочих играют два валка малого диаметра, а остальные валки являются опорными, служат для придания жесткости рабочим валкам и своего привода не имеют. Многовалковые станы применяются при холодной прокатке. Валки малого диаметра позволяют соз­дать высокие удельные давления, что особенно важно при обжатии тонкой холодной полосы.

        По числу и расположению рабочих клетей станы  бывают:

- одноклетьевые  (реверсивные обжимные станы типа «блюминг», «слябинг», станы холодной прокатки);

- многоклетьевые с линейным  расположением клетей (сортовые станы);

- непрерывные многоклетьевые  (до двадцати  клетей) (см. рисунок 3.20а, б, в).


I — мотор привода валков; 2шестеренная клеть; 3 — рабочая клеть с валками

Рисунок 3.20 -  Расположение клетей у прокатных станов:

 

         Одноклетьевые реверсивные станы являются универсаль­ными: они легко переналаживаются с одной программы на другую. Достоинство таких станов - сравнительно неболь­шая занимаемая площадь. Недостатки - дополнительные затраты энергии и времени на реверсы.

                   Нереверсивные станы с линейным расположением клетей требуют поперечного перемещения металла, затрудняющего автоматизацию, и имеют одинаковую частоту вращения всех валков, что не позволяет увеличить скорость прокатки с удлинением металла. Поэтому подобное расположение клетей в новых станах не применяется.

           Нереверсивные непрерывные станы являются высокопроизводительными агрегатами, предназначенными для массово­го проката одной номенклатуры (размера). Прокат до нуж­ной толщины осуществляется за один пропуск. Эта схема применяется в новых станах. Недостаток – большая  занимаемая площадь.

        Электропривод реверсивных станов горячей   прокатки

         Все станы этого типа требуют реверса валков для осуще­ствления прокатки в несколько пропусков. Частота включе­ний в час двигателей привода валков свыше 1000. Режим работы двигателей  - повторно кратковременный, с ударной нагрузкой (при захвате металла); необходимо регулирование частоты вращения.

Применяются два варианта электропривода: однодвигательный с шестеренной клетью и двухдвигательный с двига­телем на каждую валоку.

         Слитки из мартеновского цеха или с установок непрерыв­ной разливки стали (УНРС) доставляются для дополнитель­ного подогрева до 1200÷1250 °С в нагревательные колодцы или печи. Затем по рольгангу подаются к стану.

        Каждый раз перед подачей слитка в клеть вальцовщик устанавливает определенный раствор валков, затем включа­ет рабочий рольганг (т.е. рольганг, находящийся перед и за клетью) и главный привод (см. рисунок 3.21).

Скорость захвата слитка небольшая, а разгон происходит уже с металлом в валках. Затем торможение, реверс и т. д. до получения нужного сечения заготовки.

          Требования  к электроприводу. Диапазон регулирования частоты вращения до 10:1. Мощность одного двигателя  до 10000 кВт. Перегрузки по моменту


                                                 .

1 - слиток; 2 - рабочие рольганги; 3 - рабочие валки

Рисунок 3.21 -  Прокатка на реверсивном стане

 

       Для повышения производительности (сокращения време­ни реверсов) необходимы двигатели с максимальным   дина­мическим коэффициентом

 

                                             ,

                        где  j - момент инерции.

         Весьма важным требованием является надежность элект­ропривода, так как прокатные станы работают круглосу­точно.

         Характеристика электрооборудования  главного  привода

         Перечисленным выше требованиям в настоящее время отвечает электропривод постоянного тока с питанием двига­теля по системе «Г-Д» или «ТП-Д». Следует отметить, что, хотя по таким показателям, как к.п.д., надежность, быстро­действие система «ТП-Д» превосходит систему «Г-Д», боль­шие толчки реактивной мощности, а также искажение напря­жения питающей сети ограничивают пока применение «ТП-Д» в мощных реверсивных прокатных станах. В качестве при­водных электродвигателей применяются тихоходные двига­тели (ωном≤70 об/мин; ωмак≤150 об/мин)   металлургиче­ского исполнения, закрытые с принудительной замкнутой системой вентиляции, исключающей попадание пыли из окру­жающей среды в двигатель. Это позволяет устанавливать двигатели привода валков непосредственно в прокатном цехе, не выгораживая их в отдельное помещение.

          Графики скорости    и    расчет   мощности  двигателя  главного привода прокатного стана

        Предварительно двигатель выбирают, исходя из опытных данных для конкретного стана с известными условиями про­катки  (по кривым удельного расхода энергии),  или аналитическим методом рассчитывают мощность

двигателя.

        Последующий расчет является поверочным, и его назначе­ние заключается в выяснении возможностей выполнения дви­гателем заданной программы прокатки (т. е. учет динамиче­ских режимов работы); порядок расчета:

     -      построение графика скорости;

     - построение нагрузочной диаграммы, т.е. зависимости
  или   ;

     -     определение эквивалентного момента (тока).

                   Если Iэкв>Iном, то выбирают другой двигатель большей мощности и весь расчет повторяют с новым двигателем либо увеличивают число пропусков и снижают обжатия, и повто­ряют расчет по новой нагрузочной диаграмме.

         Типовые графики скорости. В первых пропусках, когда длина заготовки еще мала, график скорости имеет треугольный вид, т. е. двигатель не успевает за время пропуска разгоняться до установившейся частоты вращения. В последующих пропусках длина раската увеличивается и двигатель разгоняется до номинальной частоты вращения. График имеет вид трапеции. И, наконец, когда длина раската (заготовки) большая, а обжатия невелики, двигатель разгоняется до максимальной частоты вращения, т. е. работает при уменьшенном потоке возбуждения (см.рисунок 3.22).


t1 - время разгона до скорости захвата; t2 - время разгона до номиналь­ной скорости (2 и 3);   ωВ- скорость выброса из валков металла

Рисунок 3.22 -  Типовые тахограммы прокатного двигателя


      

Обычно ω3= (10÷45) об/мин (в первых пропусках - 10 об/мин, в последних - 45 об/мин). ωз≈ωв. Время разгона до макс.  скорости с;  Iдин≈ (0,8÷1) Iном.

           Ус­корение для группового привода

 

                                       об/мин/с.                               (3,67)

 

         Ускорение для индивидуального привода (по мотору на каж­дый валок) об/мин/с. Замедление для группово­го привода  об/мин/с; для индивидуального об/мин/с.    

 Максимальная скорость прокатки легко определяется  из приведенных графиков  (при известной    длине слитка после пропуска). Например,    для треугольного графика.

                                ,                                     (3.68)

 

        где    L – длина слитка после прокатки в данном пропуске, мм;

         D – диаметр валков.

        Время паузы между пропусками tп ≈ (1,5÷2) с. Если меж­ду пропусками предусмотрена кантовка металла, то tп ≈ (2÷3,5) с.

Время ускорения без слитка    до   заправочной    скорости .

Время ускорения со слитком до номинальной скорости .

Заметим, что в современных САР электро­привода прокатных станов задание ускорения обеспечивается специальным задатчиком интенсивности, определяющим по­стоянство ускорения при любой рабочей нагрузке двигателя.

         Время ускорения от номинальной до максимальной скоро­сти (см. рисунок 3.22)

                                                   .

 

Время работы на основной (номинальной) скорости

 

                                      (3.69)

 

Время работы на максимальной скорости

 

                 .    

 

        Аналогично находится время работы привода на участках торможения и по полученным данным строится тахограмма.

         Момент двигателя определяется по известной формуле М=МСДИН где МС  известен  из предыдущего расчета (аналитического или по кривым удельного расхода энергии). Мо­мент холостого хода М0 обычно не более (3÷5) % МС.

                 - при разгоне,

                  - при торможении.

       Общий момент инерции j = jД+jстана+jслитка . Момент инерции двигателя jД известен из паспортных данных двигателя; jстана определяется по известным диаметру и длине валков, а также скорости прокатки и приводится к валу двигателя (если есть редуктор), jслитка   обычно можно пренебречь.

        По полученным данным строится нагрузочная диаграмма М=f(t) и определяется эквивалентный момент за цикл прокатки одного слитка. При определении эквивалентного момента необходимо иметь в виду, что по мере уменьшения потока двигателя ток при постоянном моменте увеличивается обратно  пропорционально  потоку   (скорости),  поэтому  расчетная величина момента при скорости выше номинальной

 

                                         ,                                                 (3.70)

 

         где   М - момент по нагрузочной диаграмме;

ω - скорость двигателя (выше номинальной).

Полученные расчетные значения момента подставляются в формулу для определения эквивалентного момента двигателя.

 

Список литературы

1. Политехнический словарь / Ред. И. И. Артоболевский. - М.: Сов. эн­циклопедия, 1977. - 608 с.

2. Григорьев В. Н., Дьяков В. А., Пухов Ю. С. Транспортные маши­ны и комплексы подземных разработок. - М.: Недра, 1976.- 399 с.

3. Бычков В. П. Электропривод и автоматизация металлургического производства. - М.: Высш. школа, 1977. - 391 с.

4. Сандлер А. С. Электропривод и автоматизация металлорежущих станков. - М.: Высш. школа, 1972. - 440 с.

5. Чиликин М. Г., Ключев В. И., Сандлер А. С. Теория автоматизиро­ванного электропривода. - М.: Энергия, 1979. -  616 с.

6. Голован А. Т. Основы электропривода. - М. - Л.; Госэнергоиздат, 1959 - 344 с.

7. Семидуберский М. С. Насосы,  компрессоры, вентиляторы. - М.: Высш. школа, 1966. - 264 с.

8. Ключев В. И., Терехов В. М. Электропривод и автоматизация об­щепромышленных механизмов. – М.: МЭИ, 1971. - 224 с.

9. Соколов М. М. Автоматизированный электропривод общепромыш­ленных механизмов. - М.:  Энергия, 1976. - 488 с.