Електропривод токарно-гвинторізного верстата 16К20

ВСТУП

 

Комплексна  механізація, електрифікація й автоматизація  технологічних процесів є генеральним напрямком розвитку сучасного сільського господарства. Комплексна автоматизація робіт на фермах передбачає такий набір машин, механізмів, електродвигунів і апаратів керування, що забезпечує виконання виробничого процесу без особистої участі людини, функції якого зводяться до періодичного контролю.

За будь-якої форми господарювання механізація  та автоматизація відіграють важливу роль у підвищенні продуктивності праці в тваринництві і птахівництві, збільшенні виробництва продукції з одиниці виробничої площі. Цьому, зокрема, сприяють впровадження сучасних автоматизованих технологічних потокових ліній, ефективне використання існуючих машин та обладнання.

В сучасний період у сільськогосподарському виробництві експлуатується більш ніж 300 типів робочих машин та агрегатів з електроприводом i майже кожна з них має свої відмінності в привідних характеристиках, режимах роботи, схемах керування.

У господарствах, ремонтних майстернях з метою виконання робіт з ремонту та відновлення різноманітних деталей, приладів та інших виробів використовуються металообробні верстати. Залежно від розмірів господарства або ремонтної майстерні використовують велику кількість металорізальних верстатів, різних за своїм призначенням, технологічними можливостями, розмірами. Найширше застосовують токарно-гвинторізні, свердлильні, фрезерні, шліфувальні, стругальні та інші верстати спеціального призначення. Тому темою курсової роботи була обрана «Електропривод токарно-гвинторізного верстата 16К20».

 

1 ТЕХНОЛОГІЧНА І КІНЕМАТИЧНА  СХЕМА УСТАНОВКИ. КОРОТКИЙ ОПИС СХЕМИ

 

Сучасні металорізальні верстати мають індивідуальні або багатодвигунові приводи. Електродвигун може бути розміщений поруч з верстатом, безпосередньо у верстаті, вмонтований у передню бабку. Привід з шестерінчастою коробкою швидкостей є найрозповсюдженішим типом головного руху у металорізальних верстатах. Суттєвим недоліком цього привода є ступінчастість регулювання швидкості і порівняно низький коефіцієнт корисної дії. Спрощену кінематичну схему токарно-гвинторізного верстата наведено на другому листі графічної частині курсової роботи.

Шпиндель 1 одержує обертання від електродвигуна М за допомогою пасової передачі зі шківами d₁та d₂, зубчастої пари z₁та z₂, пари змінних зубчастих коліс a', b' та зубчастих коліс z₃та z₄. Різець, який укріплено на супортів 2, одержує прямолінійний рух уздовж вісі заготовки від ходового гвинта, який приводиться до обертання від шпинделя 1 через пару циліндричних зубчастих коліс z₅, z₆, z₇ та змінні зубчасті колеса a, b, c, d.

Обертання шпинделя із заготовкою є головним рухом, а рух різця уздовж вісі заготовки – рухом подачі. Допоміжному та приводу подач притаманне навантаження з постійним моментом тертя. Приводи основних рухів токарно-гвинторізних верстатів працюють у тривалому режимі із змінним навантаженням.

Технологічна схема токарно-гвинторізного верстата складається з загального виду верстата та ескізу деталі з її розмірами. Основними вузлами верстата є станина 1, фартухи 2 поперечний супорт 5 і супорта 7 револьверної голівки, коробка подач 3, шпиндельна бабка 4, револьверна голівка 6. При обробці заготівлі інструменти по черзі вводяться в роботу шляхом повороту револьверної голівки навколо своєї вісі і поздовжнього переміщення по напрямних станини. Технологічну схему токарно-гвинторізного верстата наведено на першому листі графічної частині курсової роботи.

2 РОЗРАХУНОК   І  ПОБУДОВА  МЕХАНІЧНОЇ

ХАРАКТЕРИСТИКИ  І ДІАГРАМИ НАВАНТАЖЕННЯ РОБОЧОЇ МАШИНИ

 

Для вибору потужності електродвигуна для конкретного механізму необхідно відповідно до технологічного процесу побудувати навантажувальну діаграму. Підставою для побудови навантажувальної діаграми можуть бути теоретичні розрахунки, вироблені для найбільше типових умов роботи, нормативи споживання потужності, що враховують витрату енергії і вихід продукції, яка виробляється. Навантажувальна діаграма використовується для визначення розрахункової потужності, по навантажувальній діаграмі визначається найбільше значення моменту, необхідне для перевірки електродвигуна на перевантажувальну спроможність і за умовами пуску. Навантажувальну діаграму беремо згідно вихідних даних для розрахунку (рис.1) [6].

 

Рисунок 1. Навантажувальна діаграма токарно-гвинторізного верстата.

Механічна характеристика механізмів у загальному випадку описується рівнянням:

, (2.1)

де    – момент опору виробничого механізму при швидкості ω, Н·м;

 – момент зрушення механізму, Н·м;

 – момент опорів при номінальній кутовій швидкості, Н·м;

 – номінальна кутова швидкість, рад/с;

  – показник ступеня, що характеризує зміну моменту опору при зміні кутової швидкості.

Для головного приводу токарського верстата, у якого основним моментом опору є момент за рахунок сил тертя x = 1.

Момент опору токарського верстата на холостому ході ( ) при номінальній швидкості визначається за виразом:

, (2.2)

де  – потужність холостого ходу, Вт;

 – номінальна кутова швидкість,  рад/с.

Потужність на холостому  ході при номінальній швидкості  береться з навантажувальної діаграми (рис.1).

Момент зрушення механізму розраховується за формулою:

 (2.3)

Кутова швидкість шпинделя визначається за виразом:

 (2.4)

де  – частота обертання шпинделя, об/хв, [2].

Для побудови механічної характеристики визначаємо момент опору виробничого механізму ( ) за формулою (2.1). Оскільки синхронна кутова швидкість шпинделя , то кутова швидкість на кожній ділянці механічної характеристики береться з кроком 20. Усі розрахунки зводимо до таблиці 2.1.

 

Таблиця 2.1 – Розрахункові данні для побудови механічної характеристики робочої машини

	0	20	40	60	80	100	120	150	151,77
	2,64	4,02	5,41	6,8	8,19	9,58	10,97	12,36	13,18

 

Будуємо механічну характеристику робочої машини.

 

Рисунок 2. Механічна характеристика робочої машини

 

3 ВИБІР ЕЛЕКТРОДВИГУНА ДЛЯ ПРИВОДУ РОБОЧОЇ МАШИНИ

 

3.1 Вибір електродвигуна за частотою обертання

 

У токарно-гвинторізний верстат 16К20 кутова швидкість шпинделя складає 151,8 рад/с [2].Згідно з цим параметром за довідковою літературою електродвигун повинен вибиратися з синхронною частотою обертання 1500 об/хв.

 

3.2 Вибір типу передачі

 

У сучасній промисловості  використовується велика кількість виробничих механізмів, що працюють із різною швидкістю. До цієї численної групи відносяться металорізальні верстати, піднімальні крани та транспортні пристрої, а також різні механізми паперової, вугільної, текстильної та іншої галузей промисловості. Так, у металорізальних верстатах швидкість електропривода повинна регулюватися залежно від роду оброблюваного металу, якості різця, розмірів оброблюваних виробів і інших факторів.

Для приведення в дію виконавчих органів верстата застосовують електродвигуни з коробками швидкостей. На верстатах, які використовуються у ремонтних майстернях господарств, встановлюють, як правило, трифазні одношвидкісні асинхронні короткозамкнені електродвигуни та двигуни постійного струму. Електродвигун може бути розміщений поруч з верстатом, безпосередньо у верстаті, вмонтований у передню бабку. У токарно-гвинторізних верстатах, для досягнення високої продуктивності і необхідної якості роботи необхідно здійснювати регулювання швидкості. Для цього на привід встановлюють шестерінчасту коробку швидкостей, що є найрозповсюдженішим типом головного руху у металорізальних верстатах.

 

3.3 Вибір електродвигуна  за потужністю з урахуванням  режиму роботи

 

Різні умови роботи виробничих механізмів спричиняються різні режими роботи електроприводів. Токарно-гвинторізному верстату 16К20 відповідає перемежований номінальний режим роботи (S6), тобто режим, при якому короткочасні періоди незмінного номінального навантаження (робітники періоди) чергуються з періодами холостого ходу, під час яких двигун не відключається, причому як робочі періоди, так і періоди холостого ходу не настільки тривалі, щоб перевищення температури частин машини могли б досягти сталих значень.

За навантажувальною діаграмою визначаємо розрахункову потужність електродвигуна. Для цього розбиваємо навантажувальну діаграму на дільниці (рис.3).

Рисунок 3. Навантажувальна  діаграма з позначеними дільницями.

Для ділянок навантажувальної діаграми у вигляді трапеції потужність визначають за виразом:

, (3.1)

де  – початкова потужність і-тої дільниці, Вт;

 – кінцева потужність і-тої дільниці, Вт.

На ділянках у вигляді  прямокутника еквівалентна потужність визначають за виразом:

, (3.2)

де  – час і-тої дільниці, с.

Для даної навантажувальної діаграми розрахункова потужність електродвигуна визначається за виразом:

   (3.3)

Визначаємо розрахункова потужність електродвигуна:

Згідно проведених розрахунків  вибираємо електродвигун за умовою:

, (3.4)

де    – номінальна потужність електродвигуна, кВт;

  – еквівалентна розрахована потужність електродвигуна, кВт.

Вибираємо трифазний асинхронний короткозамкнений електродвигун основного виконання серії АИ типу АИР132М4У3 з наступними технічними характеристиками: Р_н=11кВт; n_н=1450об/хв; I_н=22А; η_н=87,5%; cosφ_н=0,87; μ_п=2; μ_max=2,2; μ_min=1,6; К_і=7,5; J_д=40·10^-3кг·м²; m=83,5кг.

 

3.4 Вибір електродвигуна  за електричними модифікаціями

 

Найпоширенішим в сільському господарстві є двигуни загального використання серії АИ. Тому для приводу токарно-гвинторізного верстата вибираємо електродвигун типу АИР: А – асинхронний, И – уніфікована серія (И – інтерелектро), Р – прив’язка потужності до установочних розмірів згідно з рекомендаціями РС3031-71.

 

3.5 Вибір   електродвигуна   за   ступенем   захисту   і   кліматичному виконанню і категорії розташування за Держстандартом

 

Відповідно з ДЕРЖСТАНДАРТ 193448-88 у сільському господарстві повинно використовуватися електрообладнання кліматичного виконання У, призначене для районів із помірним кліматом. В залежності від місця розміщення виробу експлуатації це кліматичне виконання підрозділяється на категорії розміщення (У2, У3 та ін.). Крім того необхідно враховувати ступінь захисту (IP54, IP44).

Згідно приведеними  рекомендаціями вибираємо електродвигун  за кліматичним виконанням і категорією розміщення – У3. За ступенем захисту згідно з розташуванням електродвигуна у майстерні, якій притаманне вологе середовище вибираємо ступінь захисту IP44.

 

3.6 Перевірка вибраного електродвигуна за умовами пуску і на перевантажувальну здібність

 

Для того щоб перевірити вибраний електродвигун за умовами  пуску та на перевантажувальну здібність  використаємо наступну методику розрахунку.

Розрахуємо пусковий момент ( ) вибраного електродвигуна враховуючи зниження напруги в мережі за виразом:

, (3.5)

де   – номінальний момент електродвигуна, Н·м;

 – кратність пускового моменту електродвигуна;

 – коефіцієнт, що враховує зниження напруги в мережі, приймаємо [6].

Визначаємо номінальний  момент електродвигуна:

, (3.6)

де  – номінальна потужність електродвигуна, Вт;

 – номінальна кутова швидкість електродвигуна, рад/с.

За формулою (2.4) визначаємо кутову швидкість:

Тоді номінальний момент дорівнює:

Вибраний електродвигун  перевіряють по пусковому моменту  за умовою:

 (3.7)

Обраний електродвигун  проходе по пусковому моменту, оскільки умова (3.7) виконується:

Для перевірки двигуна на перевантажувальну  здібність визначимо його максимальний момент за виразом:

, (3.8)

де  – кратність максимального моменту електродвигуна

Визначимо максимальний момент робочої машини (шпинделя) за виразом:

 (3.9)

де   – максимальна потужність робочої машини, Вт, приймаємо (з навантажувальної діаграми (рис.3));

 – максимальна кутова швидкість, рад/с.

Максимальна кутова швидкість  визначається за виразом:

, (3.10)

де  – максимальне значення ковзання, в.о.

Максимальне ковзання розраховується за формулою:

, (3.11)

де  – номінальне значення ковзання, в.о.

Номінальне значення ковзання визначається за виразом:

, (3.12)

де  – синхронна кутова швидкість, рад/с

Розрахуємо синхронну кутову швидкість за формулою:

, (3.13)

де  – промислова частота, Гц;

 – число пар полюсів.

Тоді:

Вибраний електродвигун перевіряють  на перевантажувальну здібність  за умовою:

 (3.14)

Обраний електродвигун  не проходе по перевантажувальній здібності, оскільки умова (3.14) не виконується:

Таким чином вибираємо  двигун з більшою потужністю типу АИР160S4У3, з наступними технічними характеристиками: Р_н=15кВт; n_н=1455об/хв; I_н=28,5А; η_н=90%; cosφ_н=0,89; μ_п=1,9; μ_max=2,9; μ_min=1,8; К_і=7; J_д=78·10^-3кг·м²; m=100кг.

Аналогічно проводимо перевірку вибраного електродвигун за умовами пуску та на перевантажувальну здібність використовуючи вище приведену методику розрахунку.

Перевіряємо двигун за умовами  пуску:

Обраний електродвигун проходе по пусковому моменту, оскільки умова (3.7) виконується:

Перевіряємо двигун на перевантажувальну  здібність:

Обраний електродвигун  проходе по перевантажувальній здібності, оскільки умова (3.14) виконується:

 

4 РОЗРАХУНОК ПЕРЕХІДНИХ ПРОЦЕСІВ

ЕЛЕКТРОПРИВОДУ

 

4.1 Визначення  приведеного моменту інерції

 

Приведений до вала електродвигуна момент інерції частин електропривода, що рухається дорівнює:

, (4.1)

де   – коефіцієнт, що враховує момент інерції механічної передачі, ;

 – момент інерції вибраного електродвигуна, кг·м²;

 – момент інерції обертової частини приводу, кг·м^2;

 – кутова швидкість вала робочої машини, рад/с;

 – маса і швидкість частини  приводу, що рухається поступово, кг і м/с;

 – кутова швидкість вала електродвигуна, приймається рівною номінальній , рад/с.

При розрахунку необхідний момент інерції обертової частини у виді циліндра може бути визначений у загальному виді за виразом:

, (4.2)

де   – маса обертового циліндричного тіла, кг;

 – зовнішній і внутрішній радіуси циліндричного тіла (для суцільного циліндра ), м.

Визначимо масу обертового циліндричного тіла (деталь, що обробляється на верстаті) за формулою:

, (4.3)

де  – питома вага сталі, кг/м², ;

 – довжина деталі, що обробляється, м;

 – діаметр обертового циліндричного тіла, м.

Тоді момент інерції обертової частини приводу дорівнює:

Розрахуємо приведений до вала електродвигуна момент інерції частин електропривода, що рухається:

 

4.2 Розрахунок  і побудова механічної характеристики  електродвигуна

 

Розрахунок механічної характеристики асинхронного двигуна  здійснюється на підставі уточненої  формули Клосса з її інтерполяцією в пусковій частині щодо мінімального і пускового моментів двигуна, розрахованих через каталожні кратності цих моментів.

Механічна характеристика асинхронного електродвигуна:

, (4.4)

де   – максимальний момент, що розвивається електродвигуном, Н·м;

 – поточне значення ковзання;

 – критичне значення ковзання;

.

Усі розрахунки для побудови механічної характеристики двигуна зводимо до таблиці 4.1.

Будуємо механічну характеристику (рис.4)

 

 

Таблиця 4.1 – Розрахункові данні для побудови механічної характеристики електродвигуна

S_н S_max S_min S_п

S, в.о.	0	0,01	0,02	0,03	0,048	0,095	0,143	0,19	0,283	0,567	0,85	1
ω, рад/с	157	155,4	153,9	152,3	149,5	142,1	134,6	127	112,5	68	23,6	0
М, Н·м	0	28,2	54,9	98,5	118,44	190,7	223,3	231,4	217	149,6	143,6	151,6

 

Рисунок 4. Механічна характеристика асинхронного електродвигуна АИР160S4У3

 

4.3 Визначення  часу пуску і гальмування електроприводу

 

Визначення часу пуску необхідно зробити графоаналітичним способом. Для цього необхідно на одному графіку сполучити механічну характеристику електродвигуна і робочої машини і побудувати криву динамічного моменту, як різницю між моментом електродвигуна при зниженій напрузі і робочої машині (рис.5). Крива динамічного моменту розбивається на 10-15 ділянок і тривалість пуску на ділянці визначається за виразом:

, (4.5)

де   – середнє значення динамічного моменту на і-тій ділянці, Н·м;

 – значення кутової швидкості електродвигуна на і-тій ділянці, рад/с.

 

Рисунок 5. Механічна характеристика електродвигуна, робочої машини і побудована крива динамічного моменту.

 

Тривалість пуску буде дорівнювати сумі значень часу розбігу на всіх ділянках:

 (4.6)

Усі розрахунки для визначення часу пуску електроприводу зводимо  до таблиці 4.2.

За даними проведених розрахунків будуємо залежність (рис.6).

 

Таблиця 4.2 – Розрахункові данні для визначення часу пуску електроприводу

№ дільниці	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
ωпоч., рад/с	0	15	30	45	60	75	90	105	120	135	150
ωкін., рад/с	15	30	45	60	75	90	105	120	135	150	156,5
Δωі, рад/с	15	15	15	15	15	15	15	15	15	15	6,5
Мдін, Н·м	143,5	138,5	148,9	163	179	194	205,5	216,6	217,8	173,6	56,2
Δtі, с	0,01	0,02	0,02	0,02	0,02	0,02	0,01	0,01	0,01	0,02	0,02
tпi, с	0,01	0,03	0,05	0,07	0,09	0,11	0,12	0,13	0,14	0,16	0,18

 

Рисунок 6. Залежність кутової швидкості від часу пуску електродвигуна

 

Час гальмування системи  двигун-робоча машина визначається за формулою:

, (4.7)

де  – момент опору механізму, приведений до валу електродвигуна, Н·м.

 

4.4 Розрахунок  і побудова навантажувальної діаграми електродвигуна на період пуску

 

Для побудови навантажувальної діаграми електродвигуна необхідно  визначити значення моменту двигуна на кожній ділянці. Знаючи тривалість розбігу електродвигуна на кожній ділянці за механічною характеристикою визначаємо значення моменту і зводимо до таблиці 4.3.

 

Таблиця 4.3 – Розрахункові данні для побудови залежності

Мд, Н·м	151,6	135	120	223,5	231,5	223	210	195	179	162,5	148,5	142
tпi, с	0	0,01	0,03	0,05	0,07	0,09	0,11	0,12	0,13	0,14	0,16	0,18

 

Рисунок 7. Залежність моменту двигуна від часу пуску двигуна

 

5 ВИБІР СХЕМИ КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДОМ. ОПИС РОБОТИ СХЕМИ КЕРУВАННЯ

 

Електрична схема токарно-гвинторізний верстат моделі 16К20 наведена у графічній частині курсової роботи. Шпиндель верстата приводиться в дію електродвигуном М1 потужністю 15 кВт з номінальною кутовою швидкістю 151,8 рад/с, двигун М2 потужністю 0,75 кВт з номінальною кутовою швидкістю 151,8 рад/с використовують для прискореного поздовжнього та поперечного пересування супортів (відповідно 4 та 2 м/хв), двигун М3 потужністю 0,125 кВт з кутовою швидкістю 280 рад/с та електродвигун М4 потужністю 1,7 кВт з кутовою швидкістю 142 рад/с приводять в дію насос гідросистеми (за наявності гідросупорта) та насос охолоджуючої рідини.

Пуск електродвигунів М1 та М2 здійснюється натисканням кнопки SВ2, яка замикає коло котушки пускача КМ1, переводячи його на саможивлення. Зупинка електродвигуна головного привода М1 здійснюється натисканням кнопки SВ1. Керування електродвигуном М2 привода швидкого пересування супорта здійснюється за схемою "поштовх" натисканням пускової кнопки, вмонтованої в рукоятку фартуха і діючої на кінцевий вимикач SQ3. При цьому котушка пускача КМ2 одержує живлення і за допомогою головних контактів КМ2 електродвигун вмикається в мережу. Пуск і зупинка електродвигуна М3 привода насоса охолодної рідини здійснюється вмиканням та вимиканням тумблера S2. Електродвигуни М3 та М1 зблоковані і вмикання М3 можливе тільки після замикання контактів пускача КМ1.