Электропривод передвижения стола продольно-строгального станка

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра Электропривод и автоматизация промышленных

установок 
 
 
 

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ 
 

Студент       Группа  

                                                                          (фамилия, инициалы) 

1. Тема              Электропривод      передвижения     стола        

 

    продольно-строгального    станка        
 

2. Срок представления  проекта (работы) к защите « ___» _____________ 2010 г. 

3. Исходные данные  для проектирования (научного исследования):

     Технические  данные механизма передвижения  стола:

     Длинна  обрабатываемой детали – ;

     Масса  стола – ;

     Масса  детали – ;

     Максимальное  усилие резания – ;

     Скорость  прямого хода – ;

     Максимальная  скорость обратного хода – ;

     Ускорение  (замедление) при прямом ходе – ;

     Ускорение  (замедление) при обратном ходе  – ;

     Скорость  входа выхода резца из металла  – ;

     Диаметр  зубчатого колеса – ;

     Путь, пройденный при резании на  скорости  – ;

     Путь  холостого хода на скорости  – ;

     КПД  механизма (пары «рейка-колесо»)  – ;

4. Содержание  пояснительной записки курсового  проекта (работы): 

1. Введение 4
2. Составление технического задания 5
3. Предварительный  выбор  электрического  двигателя 8
4. Проверка  двигателя  по  нагреву  и  на  перегрузочную способность 15
5. Выбор  генератора  и  гонного  двигателя 19
6. Расчет  статических  механических  характеристик электропривода 24
7. Расчет  переходных  процессов  и  динамических  характеристик 31

8. Расчет энергетических показателей электропривода 50

9. Разработка  принципиальной  электрической  схемы  электропривода.  Выбор  элементов  схемы.  Краткое  описание  работы  схемы 55

10. Заключение 65

11. Литература 66

 
 

5. Перечень графического  материала: 

    Технологическая (кинематическая) схема механизма; тахограммы и нагрузочные диаграммы, статические и динамические механические характеристики; графики переходных процессов; структурная принципиальная электрическая схема электропривода. 
 
 

Руководитель  проекта (работы)     (           )

                                                                                                        (подпись, дата)                                               (фамилия, инициалы) 
 

Задание принял к исполнению       «     »    2010г.

                                                                                                               (подпись) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Введение.

 

       Продольно-строгательный металлорежущий станок является одним из основных видов технологического оборудования для различной обработки деталей. Он представляет собой промышленную установку, обеспечивающую перемещение обрабатываемой детали, относительно металлорежущего инструмента, для придания этому изделию требуемой формы.   

       Производительность, точность и качество обработки детали на металлорежущем станке зависят от возможностей автоматизированного электропривода. Все это требует разработки быстродействующих и высокоточных (как в статических,  так и в динамических режимах) электроприводов.

       В данном  курсовом проекте предусматривается разработка электропривода передвижения   стола   продольно-строгального   станка   по  системе  генератор-двигатель

(Г-Д)  с  асинхронным  гонным  двигателем.

       Основной  задачей проектирования   является  правильный выбор электродвигателя

для заданной электромеханической системы (ЭМС). Т. к. выбор электродвигателя  завышенной  мощности  приводит  к увеличению  капитальных затрат  и эксплуатационных  расходов,  неэффективное использование дефицитных и дорогостоящих материалов,  затраченных на  изготовление  электродвигателя. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Составление технического задания.
1. Введение

            В данной курсовой работе разрабатывается электропривод постоянного тока по системе «Генератор-Двигатель» (Г-Д) с асинхронным гонным электродвигателем для передвижения стола продольно-строгального станка.

     ЭМС разрабатывается на основании учебного плана по дисциплине «Теория электропривода» и выполняется в 8-ом семестре студентами 4-го курса электромеханического факультета, обучающимися по направлению 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» и специальности 180400 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов».

     Срок  начала разработки ЭМС – 22 февраля 2010 года, срок окончания – 31 мая 2010 года.

     Ответственным за выполнение разработки является студентка группы ЭМ-64 Лаврентьев Кирилл Олегович. 

2.2. Характеристика  технологического  объекта,  для  которого 
разрабатывается  электромеханическая  система.

       Электропривод  передвижения  стола  продольно-строгального  станка  предназначен  для   автоматизации  и  механизации   технологических  процессов   обработки  детали.  

      

       Кинематическая схема:

Рис.1

     1 – обрабатываемая деталь;

     2 – стол;

     3 – зубчатая рейка;

     4 – зубчатое колесо;

     5 – редуктор;

     6 – электродвигатель;

      

         Кинематическая схема механизма передвижения стола продольно-строгального станка (Рис.1). Работа механизма передвижения стола при обработке детали осуществляется в следующей последовательности. Обрабатываемая на станке деталь массой я и длиной закрепляется на столе. Строгание детали выполняется при неподвижно закрепленном резце. Стол вместе с деталью производит возвратно-поступательное движение. В прямом направлении осуществляется строгание детали - рабочий ход, в обратном направлении – холостой ход. Вращательное движение в поступательное  преобразуется с помощью зубчатой пары – рейки 3 и колеса 4.

        Цикл  работы  электропривода  характеризуется  следующими  операциями:  разгон  станка  при  прямом  ходе  до  скорости  V_min;  движение  стола вхолостую на  скорости V_min;  движение стола  при  резании  на  скорости V_min;  разгон  стола до  рабочей скорости  прямого хода;  установившееся  движение  на  рабочей скорости  при прямом  ходе;  торможение  до  скорости V_min;  установившееся  движение  при резании на  скорости V_min; установившееся  движение  вхолостую на  скорости V_min;  реверсирование  стола на  обратный  ход до  максимальной  скорости;  установившееся  движение  при обратном  ходе  на  максимальной  скорости;  реверс  стола на  прямой  ход до  скорости V_min.

 

2. Назначение  электромеханической  системы.

        Данная  ЭМС  предназначена   для  повышения  производительности  труда  за  счет  автоматизации   процесса  и  высвобождения   ручного  труда. 

2.3. Технико-экономические показатели электромеханической системы.

     В данной работе не рассматриваются. 

2.4. Требования к электромеханической системе.

       Разрабатываемая система должна  обеспечить требуемые свойства  и характеристики, как в статическом,  так и динамическом режимах.  ЭМС должна обеспечивать: диапазон  регулирования скорости механизма   от  , до ; режим пуска, торможения, реверса – с заданными параметрами; регулирование скорости: в первой зоне изменением напряжения подводимого к якорю электродвигателя; во второй зоне изменением магнитного потока электродвигателя.

       Система  должна  обеспечивать  повышенную  надежность  с   необходимым  коэффициентом   запаса.

       Предусматривается  защита  токоведущих   и  вращающихся  частей  системы. 

2.5. Требования к заказчику по подготовке объекта к проектированию электромеханической системы.

       Особых  требований  к  заказчику   не  предъявляется. 
 

6. Состав  и содержание работ  по разработке электромеханической системы.

 

      

            Ответственный исполнитель: студент 4-го курса ФМА группы ЭМ-64 Лаврентьев К. О.

3. Предварительный  выбор  электрического  двигателя.

      

       Технико-экономические показатели электропривода зависят от правильности выбора мощности электродвигателя.

       Электрический двигатель должен быть выбран с такими номинальными параметрами, которые удовлетворяли бы заданному технологическому режиму работы. При этом двигатель должен полностью использоваться по нагреву и обеспечивать требуемую перегрузку по моменту.

       В практике проектирования электропривода применяют различные методы предварительного выбора мощности электродвигателя: по средней статической мощности производственного механизма; по среднеквадратичной статической мощности производственного механизма с учётом и без учёта динамических нагрузок и другие.

       В курсовой работе рекомендуется предварительно выбирать мощность электродвигателя по среднеквадратичной статической мощности производственного механизма с учётом или без учёта динамических нагрузок. При этом расчёты выполняются в следующей последовательности:

       1. По заданному характеру технологического процесса и параметрам производственного механизма строят тахограммы и нагрузочные диаграммы;

       2. Используя параметры построенных тахограмм и нагрузочных диаграмм, вычисляют среднеквадратичное (эквивалентное по условиям нагрева двигателя) значение статической мощности, соответствующее реальному (обусловленному технологией) значению продолжительности включения ;

       3. Вычисляется значение мощности , по которому выбирается номинальная мощность двигателя со стандартной продолжительностью включения ;

       4. Номинальная мощность электродвигателя  предварительно выбирается по  условию:  . 

3.1. Расчет  нагрузочной диаграммы механизма.

       Тахограммы рассчитываются упрощённым  способом, исходя из допущения  постоянства величины заданных  ускорений на участках разгона  и торможения, а также неизменности  заданной установившейся скорости  движения на всей длине пути  рассматриваемого участка движения. При этом отрезки времени на  участках тахограмм рассчитываются  по известным из физики формулам  равноускоренного и равномерного  движения.

   Рассчитаем  интервалы  времени:

1. Время разгона  от 0 до V_min

 

2. Время движения  стола вхолостую на скорости  V_min

3. Время движения при резании на скорости V_min

4. Время разгона стола до рабочей скорости прямого хода

5. Время торможения до скорости V_min

6. Время выхода резца из металла V_min

7. Время пробега на холостом ходу

8. Время торможения со скорости V_min  до 0

9. Время разгона стола при обратном ходе до V_мех

10. Время разгона стола от V_мех до V_max

11. Время торможения стола от V_max до V_мех

12. Время торможения стола от V_мех до 0

 

13. Время  резания со скоростью V_мех

14. Время установившегося движения стола при обратном ходе на максимальной скорости

15. Суммарное  время  работы  привода

       Определим  усилия и моменты,  действующие на  каждом  интервале времени.

       На Рис.2 изобразим нагрузочные диаграммы и тахограмму механизма. 

  V

      V_мех

 
 

               а₁                                               а₁ 
 

      V_min V_min

 

      а₁     а₁ 

   0  t 
 
 
 
 

                      а₂    а₂ 
 
 

 V_max

  M   

       t_p0  t_y1    t_y2        t_p1                t_y3                t_т1          t_y4   t_y5   t_т0   t_p2                         t_y6                              t_т2

      M₁

  0 

       M₁                                                                                             M₁          t

                                                                                                   
 
 

                                

                                           M₂ 
 

Рис. 2. Тахограмма и нагрузочная диаграмма механизма без учета динамических нагрузок 
 
 
 

3.2. Предварительный  расчет  мощности  двигателя.

       Найдем среднеквадратичное (эквивалентное  по условиям нагрева)  значение  статической мощности, соответствующее  реальному (обусловленному технологией) значению продолжительности включения. В нашем случае время работы электропривода совпадает со временем цикла t_p=t_ц, следовательно ПВ=100%    

где - суммарное время работы механизма в течение одного цикла; - угловая скорость вращения рабочего органа механизма, 1/с; (при ) – моменты на валу рабочего органа механизма, создаваемые силами статического сопротивления, Нм.

       Находим  мощность  двигателя 

 

где – коэффициент,  учитывающий  отличие  нагрузочной  диаграммы  двигателя  от  нагрузочной  диаграммы  механизма, h_р=0,95 – КПД редуктора, =0,95 – КПД механизма (пары «рейка-колесо»).

            Ближайшей  стандартной  мощностью  двигателя  является  мощность  Р_н=45 кВт. Данной  мощности  соответствует  несколько  двигателей  постоянного  тока [2]. Технические  данные  двигателей  приведены  в  таблице 1.

      Таблица 1

где  .

3.3. Выбор  номинальной  скорости  электродвигателя и  передаточного  числа  редуктора.

       По требуемому (расчётному) передаточному  числу редуктора и максимальному крутящему моменту на тихоходном валу выбирают соответствующий тип редуктора [3]. При этом допускается отклонение фактического значения передаточного числа от требуемого не более чем на ±5%.

       Рассчитаем  по  требуемому  передаточному  числу  редуктора  для  каждого   двигателя  суммарный  момент  инерции  привода,  приведенный  к  валу  двигателя.  Результаты  расчета  приведены  в  таблице 2.

                                          ,   
где – момент инерции якоря двигателя, кг·м²; – суммарное значение поступательно движущихся масс механизма, кг; D – диаметр приведения поступательно движущихся масс механизма к вращательному движению.

       Коэффициенты «1,1» при  и учитывают инерционность полумуфт, шестерен редуктора, зубчатого колеса.

       Максимальный крутящий момент на тихоходном валу редуктора:

 Н·м.

                                                                                                                   Таблица 2

 

Выбираем  двигатель  2ПН280MУХЛ4 (n_ном=750об/мин) и редуктор ЦД2 – 115М.

4. Проверка  двигателя по  нагреву и на  перегрузочную способность.

       Для проверки двигателя на перегрузочную способность необходимо построить нагрузочную диаграмму двигателя.

 

 

 

 

       Найдём моменты на всех отрезках  движения:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       Нагрузочная диаграмма двигателя приведена на Рис. 3.

       Найдем  перегрузочную  способность  двигателя

     Для  проверки  двигателя  по  нагреву  воспользуемся  методом  эквивалентных  моментов.  Должно  выполняться  следующее  условие:

       Рассчитаем загруженность двигателя

       Условия  по  нагреву  и  перегрузочной  способности  выполняются, но загруженность двигателя составляет 79%, что слишком мало, поэтому выбираем двигатель меньшей мощности.

       Рассмотрим несколько двигателей меньшей мощности – 37 кВт. Технические данные  двигателей  приведены в таблице 3. 

      Таблица 3