ГОРИЗОНТАЛЬНО-КОВОЧНЫЕ МАШИНЫ

У горизонтально-ковочных машин, называемых также высадочными, основное формообразование осуществляется ходом высадочного ползуна. Ho в известных пределах можно также использовать и зажимное усилие матриц для малых деформаций в направлении, перпендикулярном к ходу высадки.

Машина имеет многостороннее применение. Длина стержня высаживаемой детали, как правило, не ограничена, так что можно изготовлять и те детали, которые по габариту не проходят на фрикционном прессе. По сравнению с молотами и гидравлическими прессами горизонтально-ковочные машины работают производительнее, с большей точностью и часто настолько чисто, что устраняется последующая обработка. Штамповка на них дешевле, чем на молотах и гидравлических прессах.

На фиг. 173 показана схема, а на фиг. 174 и 175—основные конструкции горизонтально-ковочных машин. Нагретый материал зажимается между полуматрицами, так что высадочный пуансон при ходе вперед деформирует зажатую заготовку. Полное формообразование осуществляется последовательно в несколько переходов.

Машина представляет горизонтально расположенный кривошипный пресс. Главный ползун перемещается с помощью коленчатого вала и несет высадочные пуансоны. Матрица состоит из ДЕух зажимных полуматриц, из которых одна размещена на ползуне, перемещающемся перпендикулярно движению главного ползуна, а вторая чаще всего неподвижно монтируется в станине. Однако возможно размещение и этой полуматрицы на подвижном ползуне для облегчения удаления крупногабаритных высаженных деталей. Главный и зажимной ползуны выполнены достаточно высокими, чтобы обеспечить размещение от трех до четырех инструментов друг над другом.

У машин старой конструкции соединение узла главного ползуна с приводом осуществлялось простейшими пальцевыми муфтами или муфтами с поворотной шпонкой. Зажимной ползун приводился в движение также от главного ползуна с помощью системы «ломающихся» рычагов. Такое выполнение поиводило к возникновению

Фиг. 173. Схема обработки на горизонтально-ковочной машине:
I — подача прутка в неподвижную полуматрицу; 2 — закрытие матриц; S- высадка; 4 — обратный ход пуансона; б — удаление; а — неподвижная полуматрица; Ь — подвижная полу- матрнца; с — пуаисон.

Фиг. 174. Схема горизонтально-ковочной машины:

а — исходный материал; b — правая зажимная полуматрица (чаще неподвижная! для выемкн больших деталей может отодвигаться с помощью рычага к); с — левая подвижная полуматрица; d — рычажная система; е — маховик с муфтой; f — коленчатый вал; g — высадочный пуансон; h — главный ползун; i—педаль для управления муфтой.

Фиг. 175. Конструктивная схема горизонтально-ковочной машины.

Вверху — штамповка седла клапана из прутка в три перехода (предварительная, окончательная высадка и пробивка); ползун в исходном положении. Внизу — штамповка болта с шестигранной головкой в два перехода (предварительная и окончательная высадка); полвун в рабочем положении, рычаг включения в рабочем положении; а — станина; b — шкив; с — промежуточный вал; d — зубчатые колеса; в — коленчатый вал; f — «ломающийся» шатун с предохранителем; g — разрывающаяся шпилька; h — рычаг включения; I — главный ползун; к — рычажная система; I — зажимной ползун; m — ползун правой полуматрицы; п — рычажная система для сдвига неподвижной правой полуматрицы; о — матрице- держатели; р —матрицы; Q — черновой пуансон; г —чистовой пуансон; s — пробивной пуансон; t — упор.

боковых неблагоприятных нагрузок. Кроме того, ползуны имели сильно утопленные направляющие, так что охлаждающая вода и окалина могли попадать на нерегулируемые направляющие, вызывая большой износ и снижение точности работы.

В последние годы в конструкцию горизонтально-ковочных машин внесен ряд усовершенствований и новшеств. На фиг. 176 изображена немецкая,а на фиг. 177— американская конструкция новейших машин. Обработка пруткового материала показана на фиг. 178. Для такого метода работы предусматривается упор, который налаживается непосредственно с рабочего места и после замыкания полуматриц автоматически отходит с пути высадочного ползуна (фиг. 179).

Станина машины выполняется монолитной, снабжается рядом ребер жесткости и часто для гарантии от поломки скрепляется стяжными болтами. Благодаря достигаемой при этом высокой жесткости имеется возможность штамповки с малыми допусками. Особое внимание уделяется высокому ка- Фиг. 176. Современная горизонталь- честву направления ползуна. У но-ковочная машина. большинства машин новой конст

рукции ползун выполняется в виде защищенных подвижных салазок с длинными регулируемыми направляющими (фиг. 180). Соединение коленчатого вала с приводом осуществляется пневматической фрикционной муфтой, служащей одновременно предохранителем от перегрузки.

He менее важно для точной работы и надежное замыкание полуматриц. Поэтому делают дополнительное направляющее приспособление и у зажимного ползуна (фиг. 181). Длинные регулируемые направляющие, а также жесткая монолитная система «ломающихся» рычагов обеспечивают надежный зажим полуматриц, хорошее восприятие ими распирающих усилий, появляющихся в процессе высадки, и отсутствие податливости в полуматрицах при зажиме. Благодаря сказанному имеется возможность осуществлять некоторое деформирование самими полуматрицами. Вообще следует переходить к тому, чтобы усилие на зажимных полуматрицах по меньшей мере было равным усилию на высадочном ползуне.

Движение зажимному ползуну у машин современных конструкций сообщается непосредственно от коленчатого вала, минуя главный ползун.

Фиг. 177. Конструктивная схема горизонтально-ковочной машины с фрикционной пневматической муфтой. Штамповка шестигранного торцового ключа в четыре перехода (первая и вторая предварительные высадкн, окончательная высадка, пробивка):

а — станина; b —маховик с пневматической фрикционной муфтой; с— пневматический ленточный тормоз; d — промежуточный вал; с — зубчатые колеса; / — коленчатый вал; g — шатун; h — главный ползун; I — двойной кулачок; h — ролик зажима; I — ролик обратного хода; т — боковой ползун с предохранителем; п — кулачок управления муфтой и тормозом; о — ломающиеся рычаги; р— зажимной ползун; q — подвижная полуматрица; г — неподвижная полуматрица; s — первый черновой пуансон; f — второй черновой пуансон; и — чистовой пуансон; v — пробивной шестигранный пуансон.

Фиг. 178. Изготовление из прутка на горизонтальноковочной машине с наибольшим обрабатываемым диаметром прутка 65 мм.

Фиг. 179. Принцип работы и наладки упора для материала.’ о —упор.

На фиг. 182 показано удачное выполнение зажимного ползуна с предохранителем от перегрузки при смыкании полуматриц. Другие разновидности конструкции предусматривают самостоятельный при-

вод для зажимного ползуна от электродвигателя или привод пневма1 тический.

На фиг. 183 показано фото горизонтально-ковочной машины новой конструкции, у которой зажимной ползун приводится в дей-

ствие собственным приводом с фрикционной муфтой, так что работа высадочного и зажимного механизмов совершенно не зависят друг от друга.

Расположение отдельных узлов штампа в современной ковочной машине показано на фиг. 184, а на фиг. 185 изображен комплект штампа, по которому можно судить о переходах при изготовлении одной из штампованных деталей.

Фиг, 184. Расположение штампа на горизонтально-ко- вочной машине.

Иную конструкцию представляет изображенная на фиг. 186 гори* зонтально-ковочная машина с горизонтальным разъемом полуматч

Фиг. 185. Штамп для штамповки птулки.

риц. У нее пуансоны размещаются не в вертикальной, а в горизонтальной плоскости; заготовка зажимается полуматрицей, опускаю-? щейся сверху, как челюсть клещей. Существенное преимущество такого расположения заключается в замене Подъема крупных тяже* лых прутков при перенесении их из ручья в ручей перекладкой в горизонтальной плоскости.

Зажим, регулируемый в других машинах только с помощью про* кладок подматрицами, здесь легко налаживается простым поворотом

струкциях имеет очень длинные направляющие, продолженные за коленчатым валом (фиг. 187). Благодаря этому удается избежать износа ползуна из-за попадания окалины в направляющие.

Область применения горизонтально-ковочных машин ограничивается прежде всего такими штамповочными операциями, при которых начальное сечение материала должно быть увеличено. Ho машины пригодны нетолько для высадки головок или осадки поясков, они допускают рентабельное изготовление полых тел различного вида (фиг.

Характерные примеры работ приведены в разделе VI.

Эти машины строятся для усилий от 50 до 3000 т и обеспечивают обработку прутков большего диаметра. Достижимая производительность в большой степени зависит от размеров и формы детали, а также от числа рабочих ходов, необходимых для полного изготовления.

Предельное значение производительности может быть определено в соответствии с числом ходов машины, которое составляет около 70 у мелких и порядка 15 ходов в минуту у крупных машин. СПЕЦИАЛЬНЫЕ КОВОЧНЫЕ МАШИНЫ

Для изготовления болтов, заклепок и винтов в массовом производстве в CLCA спроектированы особые разновидности горизон-

Фиг. 188. Специальная ковочная машина для из* готовления метизов.

тально-ковочных машин, доведенные до весьма высокого технического уровня. На фиг. 188 показано фоте такой машины. В качестве исход, ного материала могут быть использованы как штанга, таки отдельные предварительно нарезанные заготовки. На фиг. 189 показаны

пуансон и многоручьевые матрицы для высадки болтов из отдельных заготовок. Деформирование осуществляется в два перехода — сначала головка формуется предварительно до приближенного размера, а затем высаживается без заусенца окончательно; при этом необходимы

Фиг. 189. Штамп для болта с квадратной голов, кой (штамповка из отрезанной заготовки) на машине фирмы Аякс:

Oi* ош— важимные полуматрицы; Ь — высадочный черновой пуансон; о — чистовой пуансон.

два-три удара пуансона и одновременное кантование заготовки для полного заполнения ручья в углах. Можно штамповать деталь и за один ход, но при этом не удается избежать образования заусенца, удаляемого при втором переходе.

Фиг. 190. Штамп для высадки болтов и аналогия* ных деталей:

а — важимные полуматрицы; Ь — высадочный пуансои| с — пуансонодержатель; d — отрезной нож; е — отревная полу* матрица; f—подштамповая плита.

Штамп для работы из прутка показан на фиг 190. Такой принцип работы пригоден в первую очередь для деталей с полукруглой или полупотайной головкой, которые могут высаживаться без заусенца за один переход. Шести- и четырехгранные головки этим способом могут высаживаться только с заусенцем. Нагретый пруток подается

до упора, затем при замыкающем движении полуматриц отрезается требуемая для детали длина заготовки, которая зажимается между полуматрицами. Потом главный ползун осуществляет деформирование, полуматрицы открываются, и готовая деталь удаляется выталкивателем, приводимым от коленчатого вала (фиг. 191).

Фиг. 191. Узел выталкивателя./>

Машины малых размеров предназначены для обработки материала диаметром до 25 мм при работе из прутка; число ходов около 90 в минуту. Наибольшие модели машин построены для размеров прутка диаметром соответственно 38 и 29 мм и имеют число ходов около 75 в минуту. В общем часовая-производительность составляет от 800 до 1800 болтов.

Горизонтально-ковачная машина

В данном курсовом проекте был сконструирован электропривод горизонтально-ковочной машины. В результате выполнения задания был выбран асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором 5АМ280М6е Владимирского электромоторного завода. Т.к. в нашем электроприводе присутствует ударная нагрузка, то в результате понадобилось установка маховика. Вследствие многократных расчетов двигатель. По мощности был выбран верно и загружен на 78.14% по нагреву. Силовая часть полностью обеспечивает динамику электропривода. В данном электроприводе установка преобразователя частоты не понадобилась т.к. скорость электродвигателя практически совпала с расчетной. Данная установка может вполне успешно применяться как в общей промышленности, так и в коммерческих целях.

Основным недостатком обработки деталей резанием является то, что значительное количество материала идет в стружку. При обработке деталей и изделий давлением отходы материалов снижаются, улучшаются свойства обрабатываемых деталей. Для обработки и при изготовлении деталей давлением используются кузнечно-ковочные машины. Кузнечные молоты, предназначены для деформации металла ударом падающих частей.

Наибольшее распространение получили механические молоты с электрическим приводом. В механических молотах ударное действие осуществляется с помощью фрикционного и кривошипного механизма.

Задачей данного курсового проекта является разработка электропривода горизонтально-ковочной машины.

1. Анализ и описание системы «Электропривод – рабочая машина»

1.1 Количественная оценка вектора состояния или тахограмма требуемого процесса движения

Кинематическая схема горизонтально-ковочной машины приведена в приложении А графической части курсового проекта.

Привод горизонтально-ковочной машины должен обеспечивать производительность Q = 3800 поковок в час. Время одного цикла работы:

где: Nn – число ползунов с пуансоном (по кинематической схеме Nn = 4);

Тц = 3600*4/3800 = 3,789 с. (1.2)

Частота вращения коленчатого вала:

n_к = 1/3,789 = 0,2674 об/с. (1.2)

Угловая скорость вращения коленчатого вала:

Угловая скорость электродвигателя:

где: I – передаточное число редуктора;

r_отн – относительное плече крутящего момента.

w_дв = 2,521*16/0,2 = 201,68 рад/с.

Электропривод горизонтально – ковочной машины работает с постоянной скоростью и поэтому не требуется ее регулирования. Тахограмма приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Тахограмма требуемого процесса

1.2 Количественная оценка моментов и сил сопротивления

В момент удара молота о заготовку возникает сила упругого взаимодействия, определяемая по формуле из [1]:

, (1.5)

где: Е – модуль упругости (для стали Е=(2 ¸ 2,1)*10 9 Н/м 2 );

S – поперечное сечение заготовки;

l – длина заготовки;

Dl – абсолютная величина деформации заготовки.

Вид расчётной паковки приведен на рисунке 1.2, в приложении А и в графической части проекта.

Рисунок 1.2 – Вид расчётной паковки

, (1.6)

где: S_нач – начальная величина сечения стержня;

S_кон – конечная величина сечения стержня;

d – начальная величина диаметра стержня заготовки;

D – конечная величина диаметра стержня заготовки.

м 2.

Абсолютная величина деформации заготовки:

, (1.7)

где: h , H – начальная и конечная длины заготовок.

м.

Н.

Статический момент нагрузки в момент удара по [2]:

, (1.8)

где: i – передаточное число редуктора;

r – относительное плечо крутящего момента;

r – радиус кривошипа;

a – угол поворота кривошипа коленвала.

.

Время удара по [2]:

. (1.9)

1.3 Составление расчетной схемы механической части электропривода

Электропривод горизонтально-ковочной машины пускается без нагрузки на валу двигателя.

Исходная расчётная схема приведена на рисунке 1.3, согласно которому:

Jкол – момент инерции колеса;

Jш – момент инерции шестерни редуктора;

Jдв – момент инерции двигателя;

Jмах – момент инерции маховика;

Jмв – момент инерции муфты включения;

Jт – момент инерции механизма торможения;

Jш – момент инерции шестерни редуктора;

Jкр – момент инерции колеса редуктора;

Jкв – момент инерции коленвала;

Jп – момент инерции пуансона.

Cв – жесткость вала;

Срем – жесткость ремня:

Сш – жесткость шатуна.

Рисунок 1.3 – Исходная расчётная схема

Для составления расчетной схемы механизма (то есть для проведения теоретических исследований) реальную механическую часть электропривода заменяем динамически эквивалентной приведенной расчетной схемой, состоящей из сосредоточенных инерционных элементов, соединенных между собой упругими связями, и обладающей таким же энергетическим запасом, как и исходная, реальная система привода.

Рисунок 1.4 – Заданная расчётная схема

Т.к. в исходном задании не оговорены данные по рабочему механизму, то принимаем Jш + Jк + Jт + Jкв + 4 * Jп = Jмех = 0.5 кг×м 3 . Следовательно заданная расчётная схема примет вид представленный на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 – Преобразованная расчётная схема

Определяем момент инерции колеса по формуле по [1]:

, (1.10)

где: g – плотность стали, g = 7.66×10 3 кг×м 3 ;

— ширина ходового колеса, задаемся м.

— диаметр колеса, .

.

Момент инерции маховика рассчитан в пункте 4.1 и равен 150.612 кг×м 3 , момент инерции двигателя равен 3.25 кг×м 3. Зададимся моментом инерции муфты включения равной 50 кг×м 3 . Для уточнения расчетной схемы механизма необходимо привести все моменты инерции к двигателю.

Приведение моментов инерции осуществляется на основании формулы по [1]:

(1.11)

где: – приведенный момент инерции i-го элемента, кг×м 2 ;

– момент инерции i-го элемента;

– передаточное отношение передач, установленных между валом, к которому осуществляется приведение, и валом i-го вращательного элемента.

кг×м 3 (1.12)

кг×м 3 (1.13)

C учетом приведенных моментов инерции приводим расчетную схему к виду:

Рисунок 1.6 – Преобразованная расчётная схема с учетом приведенных моментов инерции

Т.к. с учетом того, что жесткость вала , жесткость ремня С_РЕМНЯ = , можно после всех преобразований механическую часть представить в виде одномассовой расчетной схемы, представленной на рисунке 1.6, согласно которой:

.

Одномассовая расчетная схема также приведена в графической части проекта.

щ

М

М_с

Рисунок 1.7 – Одномассовая расчётная схема

1.4 Построение нагрузочной диаграммы и механической характеристики рабочей машины

Используем рассчитанный в пункте 1.2 статический момент нагрузки в момент удара М_с.уд. , а также временные промежутки действия момента удара и остальной части цикла. Статический момент нагрузки на валу двигателя не в момент удара принимаем 10% М_с.уд. :

По рассчитанным параметрам строим эквивалентный график нагрузочной диаграммы состоящий из двух участков. График нагрузочной диаграммы приведен в графической части проекта и на рисунке 1.9.

Рисунок 1.9 – График нагрузочной диаграммы

2. Анализ и описание системы «ЭП – сеть» и «ЭП – оператор»

2.1 Анализ и описание системы «ЭП – сеть»

Электропривод горизонтально-ковочной машины получает питание от трехфазной сети переменного тока, обладающей свойствами источника напряжения. Величина напряжения сети – 380 В, частота сети – 50 Гц. Вместе с тем, стандартом допускается изменение (колебания) напряжения в сети на 10%, а изменение частоты тока в сети – на 1%. В качестве электропривода горизонтально-ковочной машины, как правило, используется асинхронный привод, поэтому изменение напряжения сети в значительной степени оказывает влияние на работу привода (т. к. момент, развиваемый двигателем, пропорционален квадрату питающего напряжения), что должно быть учтено при выборе двигателя по перегрузочной способности.

При использовании двигателя постоянного тока в качестве привода горизонтально-ковочной машины необходимо согласовать схему выпрямления с требуемым значением выпрямленного напряжения (применением трансформаторной схемы).

2.2 Анализ и описание системы «ЭП – оператор»

Система управления электроприводом горизонтально-ковочной машины строится в зависимости от выполняемых функций и требований технологического процесса.

Как правило, схема управления горизонтально-ковочной машины требует наличие оператора, что предъявляет к схеме ряд требований.

Необходимость обеспечения условий безопасного управления и обслуживания горизонтально-ковочной машины созданием дополнительных блокировок в схемах и применения электроаппаратуры специального исполнения. Например, в схемах управления некоторыми горизонтально-ковочными машинами применяются фотоэлементы, которые осуществляют блокировку, если в рабочую зону попадают посторонние предметы или рука оператора.

3. Выбор принципиальных решений

3.1 Построение механической части привода

Рассматривая нагрузочную диаграмму, находим отношение М_суд /М_{с min} = 10. Момент двигателя должен по форме повторять график нагрузки и его перегрузочная способность должна быть выбрана из условия обеспечения М_{c . max} = М_{c .уд} . Поскольку М_{c . max} >> М_{c . cp} , двигатель будет недоиспользоваться по нагреву и работа его будет сопровождаться колебаниями скорости и резкими толчками момента и тока.

Для устранения нежелательных для двигателя и сети толчков момента и тока, а также установленной мощности в приводе устанавливается маховик, обеспечивающий уменьшение колебаний нагрузки и скорости. Являясь аккумулятором кинетической энергии (Е_кин = =J*щ 2 /2), маховик при повышении нагрузки отдает вследствие снижения скорости часть накопленной при холостом ходе энергии и обеспечивает тем самым выполнение рабочей операции.

3.2 Выбор типа привода

При выборе типа привода необходимо учитывать особенности работы ковочной машины является ударный характер нагрузки на валу, что требует применение маховикового привода. Размер маховика зависит от жесткости механической характеристики привода. Для уменьшения размера маховика требуется увеличение статизма механической характеристики привода. Принимая во внимание особенности работы ковочной машины к электроприводу предъявляются следующие технологические требования:

– высокая перегрузочная способность;

– возможность получения механической характеристики с невысокой жесткостью.

При выборе типа привода необходимо учитывать также стоимостно – экономические показатели.

На основании технологических требований, предъявляемых к электроприводу, с учетом того, что не требуется регулирование угловой скорости, рассмотрим следующие виды электропривода для механизма ковочной машины:

– короткозамкнутый асинхронный двигатель с повышенным скольжением;

– асинхронный двигатель с фазным ротором;

– двигатель постоянного тока, получающий питание от управляемых и неуправляемых преобразователей.

3.3 Выбор способа регулирования координат

В данном электроприводе ковочной машины требуется регулирование угловой скорости. Для двигателей постоянного тока и асинхронного двигателя с фазным ротором должно предусматриваться ограничение по току. Ограничение пускового тока в двигателе постоянного тока осуществляется регулированием напряжения на выходе преобразователя. В асинхронном двигателе с фазным ротором ток регулируется изменением сопротивления в роторе. В короткозамкнутом асинхронном двигателе с повышенным скольжением регулирование угловой скорости будем осуществлять с помощью преобразователя частоты.

3.4 Оценка и сравнение выбранных вариантов

Для выбора окончательного варианта системы электропривода ковочной машины необходимо провести сравнительную оценку для сравнения технических, технологических, экономических характеристик рассматриваемых вариантов. Для оценки и сравнения выбранных вариантов воспользуемся «методом экспертных оценок» по [1].

Выделим наиболее важные характеристики для выбора системы электропривода:

– эксплуатационные годовые расходы;

– простота и надежность системы управления электроприводом;

– критичность привода к снижению напряжения;

Для каждой характеристики определяются показатель качества q_i для каждого из трех вариантов. Для определения важности того или иного показателя вводится весовой коэффициент.

Выбор наилучшего варианта производится определением взвешенной суммы. Лучший вариант имеет наименьшую сумму по [2]:

. (3.1)

Для сравнения вариантов систем электропривода строим оценочную диаграмму (рисунок 3.1). Оценочная диаграмма представлена также и в графической части проекта.

По формуле (3.1) определим взвешенную сумму для каждого варианта:

S1 = 5*5 + 5*5 + 5*5 + 4*4 + 3*5 + 4*4 + 4*2 + 2*5 = 140;

S2 = 5*4 + 5*4 + 5*4 + 4*4 + 3*3 + 4*5 + 4*2 + 2*4 = 121;

S3 = 5*3 + 5*2 + 5*4 + 4*4 + 3*3 + 4*5 + 4*5 + 2*3 = 116.

1 – короткозамкнутый АД с повышенным скольжением;

2 – АД с фазным ротором;

3 – ДПТ, получающий питание от управляемых и неуправляемых преобразователей.

Рисунок 3.1 – Оценочная диаграмма

Таким образом, по наибольшей взвешенной сумме выбираем короткозамкнутым асинхронный двигатель с повышенным скольжением.

4. Расчет силового электропривода

4.1 Расчет параметров и выбор двигателя

Определяем среднеквадратичное значение момента нагрузки по [1]:

, (4.1)

где: М₁ , М₂ – момент на каждом участке графика нагрузочной диаграммы;

t₁ , t₂ – промежутки времени в течение которых прикладываются моменты М₁ , М₂ ;

.

Определим среднее значение момента за цикл работы по [3]:

. (4.2)

.

Расчетный номинальный момент двигателя [1]:

. (4.3)

Н*м .

Условия выбора двигателя ковочной машины:

– по режиму работы (режим работы длительной);

– по скорости (w_дв = w_р.дв = 201,68 рад/с);

– с учетом номинального скольжения (S_ном ³S_н.р );

– по условиям окружающей среды.

Необходимое расчетное скольжение привода [4]:

где: S_{пр.расч} – требуемое номинальное скольжение привода (Sпр.расч. = 0,08¸0,05 по [4] для 15 2 ;

Номинальный момент двигателя по [3]:

, (4.6)

где: Рн – номинальная мощность двигателя, Вт;

w_н – номинальная угловая скорость двигателя, рад/с.

Скорость холостого хода:

w = p*n /30 = 3,14159*3000/30 = 314,159 рад/с. (4.7)

w_н = w *(1 – Sн) = 314,159*(1 – 0,021) = 307,562 рад/с. (4.8)

М_Н = 160000/307,562 = 520,221 Н*м 895,559 Н*м.

Определяем момент инерции привода, требуемый для сглаживания максимального момента по [1]:

, (4.10)

где: b – жесткость механической характеристики;

m_к – кратность максимального момента к номинальному.

Жесткость механической характеристики одного двигателя:

, (4.11)

где: М_Н – момент, развиваемый двумя двигателями;

S_H – номинальное скольжение двигателя;

щ – скорость холостого хода двигателя.

.

А суммарная жесткость механической характеристики:

.

кг*м 2 .

Применяем момент инерции конического редуктора, шкива, редуктора, кривошипно-шатунного механизма приведенного к валу двигателя 0,5*J_дв . Момент инерции маховика, приведенного к валу двигателя:

J’_{маховика} = 136,874 – 2*10 – 0,5*10 = 111,874 кг*м 2 .

Момент инерции маховика найдём по формуле:

J _{маховика} = J’_{маховика} /r 2 , (4.13)

где: r– относительное плечо крутящего момента.

J _{маховика} = J’_{маховика} /r 2 = 111,874/0,2 2 = 2796,85 кг*м 2 .

5. Расчет статических механических и электромеханических характеристик двигателя и привода

5.1 Расчет статических механических характеристик двигателя и привода

Для расчета естественной механической характеристики двигателя воспользуемся формулой Клосса [3]:

электропривод статический механический силовой

, (5.1)

где: М_К – максимальный момент двигателя;

S_К – критическое скольжение.

где: R1 – сопротивление статорной цепи;

R’2 – приведенной сопротивление ротора двигателя.

q = 2*0,056*0,020/0,017 = 0,132;

.

Механическая характеристика двигателя приведена на рисунке 5.1.

Таблица 5.1 – Результаты расчета МХ двигателя

Рисунок 5.1 – Естественная механическая характеристика двигателя

Но, в нашем случае двигатель должен работать на искусственной МХ (т.к. регулируем угловую скорость с помощью преобразователя частоты вниз от номинальной). Т.к. мы регулируем при постоянном моменте (нагрузка – пульсирующая, и можно найти некоторое среднее значение; более того, чем больше маховик (момент инерции маховика), тем более у графика нагрузки будут «сглажены» пики), то искусственная характеристика двигателя будет иметь аналогичный вид (значение момента критического будет неизменным), но скорость идеального холостого хода будет иметь меньшее значение (в соответствии с требуемой скоростью вращения рабочего механизма).

Преобразователь частоты фирмы Omron: 3G3HV – B418K мощностью 185 кВт и на трёхфазное напряжение 400 В.

Рисунок 5.2 – Искусственная механическая характеристика двигателя

5.2 Расчет статических электромеханических характеристик двигателя и привода

Потребляемый двигателем номинальный ток статора по [6]:

, (5.3)

где: U_Н – номинальное напряжение двигателя;

h_Н – номинальный КПД двигателя;

cosj_Н – номинальный коэффициент мощности двигателя.

А.

Определяем относительный ток намагничивания по [6]:

, (5.4)

где: . (5.5)

А.

Тогда определим i_м по (5.4):

.

Определяем i₂ по [6]:

. (5.6)

Формула для расчета электромеханической характеристики I₁ = f(S) – зависимость тока статора от скольжения по [6]:

. (5.7)

.

Таблица 5.2 – Результаты расчета электромеханической характеристики двигателя

Электромеханическая характеристика двигателя приведена на рис. 5.3.

Рисунок 5.3 – Электромеханическая характеристика двигателя

6. Расчет переходных процессов в электроприводе за цикл работы

В диапазоне изменения скольжения S от 0 до S_к механическая характеристика может быть лимитирована, поэтому переходные процессы можно описать системой дифференциальных уравнений из [7]:

(6.1)

где: М, Мс – момент двигателя и нагрузки;

Тэ – электромагнитная постоянная времени;

b – жесткость МХ привода;

J – момент инерции привода.

Электромагнитная постоянная времени:

. (6.2)

с.

Механическая постоянная времени привода по [7]:

где: b – жесткость МХ привода, рассчитанная в пункте (4.1).

Т_М = 136,874/315,412 = 0,434 с.

Т. к. Т_М >> Т_Э , то систему уравнений (6.1) можно заменить на систему, где Т_Э пренебрегаем (Т_Э = 0):

(6.4)

Решение системы уравнений (6.4) даёт искомые зависимости щ = f(t), M = f(t) по [7]:

(6.5)

(6.6)

где: М_УСТ , щ_УСТ – установившиеся значения момента и скорости при t → oo;

М_НАЧ , щ_НАЧ – начальные значения момента и скорости при t = 0.

На первом участке работы:

Из второго уравнения системы (6.4):

рад/с;

Н*м;

рад/с;

(6.7)

На втором участке работы:

Из второго уравнения системы (6.4):

рад/с;

Н*м;

рад/с;

(6.8)

Результаты расчёта переходных процессов проиллюстрированы на рисунках 6.1 и 6.2 – графики изменения скорости и момента, соответственно. Кроме того, некоторые числовые значения расчёта переходных процессов сведены в таблицах 6.1 и 6.2 – результаты расчета переходных процессов на первом и на втором участках, соответственно.

Графики переходных процессов приведены также в графической части проекта.

Рисунок 6.1 – График изменения скорости

Рисунок 6.2 – График изменения момента

Таблица 6.1 – Результаты расчета переходных процессов на первом участке

Таблица 6.2 – Результаты расчета переходных процессов на втором участке

7. Проверка правильности расчета мощности и окончательный выбор двигателя

Проверку правильности расчета и выбор двигателя по нагреву осуществляется методом эквивалентного момента, используя график переходного процесса M(t) по [1]. Произведем разбиение графика M(t) на небольшие прямоугольные участки и определим Mэ:

(7.1)

где: Mi, ti – момент и время работы на i – ом прямоугольном участке;

Тц – время цикла.

Разобьём первый участок на три интервала и определим значения моментов М₁ (t₁ ) по (6.7). Причём t₁ = 0,705/3 = 0,235 с.

Затем разобьём второй участок на четыре интервала и определим значения моментов М₂ (t₂ ) по (6.8). Причём t₂ = (3,789 – 0,705)/4 = 0,771 с.

(7.2)

Тогда, подставляя значение найденное в (7.2), в (7.1), получим:

Таким образом, двигатели привода загружены на:

Т. е. двигатели по мощности выбраны верно и загружены на 82,9% по нагреву.

В ходе выполнения курсового проекта был выбран тип привода и разработан привод горизонтально – ковочной машины.

При выборе типа привода были учтены особенности работы привода:

– ударный тип нагрузки;

– большие колебания нагрузки.

При прямом выборе двигателя мощность должна выбираться из условия обеспечения пикового момента нагрузки М_{с. max} , поэтому двигатель не полностью используется по нагреву.

В качестве привода был выбран маховиковый привод на основе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с повышенным скольжением, что позволяет:

– устранить завышение мощности электродвигателя;

– снизить для двигателя нежелательные толчки и моменты.

Список использованных источников

1. Методические указания по курсовому проектированию по дисциплине «Теория электропривода» часть 1 – Могилев, ММИ 1992 г.

2. Андреев В.П., Сабинин Ю.А. Основы электропривода М. – Л.: Госэнергоиздат, 1863 г.

3. Ключев В.И. Теория электропривода – М.: Энергоатомиздат, 1985 г.

4. Справочник по автоматизированному электроприводу/ под ред. В.А. Елисеева, А.В. Шинянского – М.: Энергоаомиздат, 1983 г.

5. Справочник. Асинхронные двигатели серии 4А/ под ред. А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф и др. – М.: Энергоатомиздат, 1982 г.

6. Методические указания по курсовому проектированию по дисциплине «Теория электропривода» часть 3 – Могилев, ММИ 1992 г.

7. Методические указания по курсовому проектированию по дисциплине «Теория электропривода» часть 5 – Могилев, ММИ 1992 г.