Примеры проектирования приводов

ГЛАВНОГО ДВИЖЕНИЯ

МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

Пример 1. Требуется проанализировать кинематическую схему привода главного движения консольно-фрезерного станка на предмет её усовершенствования (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Кинематическая схема привода главного движения станка

Основой анализа является график частот вращения шпинделя.

По кинематической схеме строится график частот вращения (рис. 4.2).

Из графика видно, что в рассматриваемой кинематической схеме используется конструктивный вариант схемы с одним связанным колесом (колесо z = 38), зубчатое колесо z = 16 имеет корригированные зубья, а пара колес 82:38 дает несколько завышенную частоту вращения по сравнению с нормативными значениями, что приводит к дополнительному нагрузочному моменту на ведущем валу. Применение ускоряющих передач приводит к увеличению вращающего момента на ведущем валу во столько раз, во сколько увеличивается частота вращения ведомого вала. Таких передач в схеме две. Исправить недостатки в схеме можно путем изменения передаточных отношений в зубчатых колесах в пределах 1/4 ≤ i ≤ 2 и изменением суммы зубьев в колесах между валами. На рис. 4.3 дан новый график частот вращения, позволяющий устранить некоторые отмеченные недостатки, при этом число зубчатых колес сократилось за счет применения двух связанных колес. Кинематическая схема к данному графику приведена на рис. 4.4.

Рис. 4.2. График частот вращения привода главного движения	Рис. 4.3. График частот вращения привода с двумя связанными колесами

Рис. 4.4. Кинематическая схема привода с двумя связанными колесами

Кроме того, целесообразно сменить электродвигатель в данном приводе, взяв двигатель той же мощности, но с большей номинальной частотой вращения и меньшей массой. Для рассматриваемого примера это будет электродвигатель АИР132 М 2 с N = 11кВт, n = 2915 мин^-1 (см. табл. П17). График частот вращения приведен на рис. 4.5. Числа зубьев на колесах подобраны так, что получаемые на шпинделе фактические частоты вращения отличаются от нормализованных значений менее 2% при нормативе 2,5 %. Окружные скорости зубчатых колес также не превышают нормативных значений.

Рис. 4.5. График частот вращения привода главного движения

с электродвигателем модели АИР132 М 2

Сравним между собой полученные варианты кинематических схем с исходным вариантом (рис. 4.1) по габаритным и силовым характеристикам. О силовых возможностях привода будем судить по максимальному крутящему моменту на шпинделе, по которому ведется силовой расчет элементов привода. В данном случае, это момент на шпинделе при частоте его вращения 100 мин^-1, как расчетной частоте, соответствующей 1/3 общего интервала регулирования шпинделя.

Об относительных изменениях габаритных размеров коробки скоростей можно судить по изменениям расстояния между крайними колесами в кинематических схемах и изменению суммы межосевых расстояний между валами, поскольку в рассматриваемом станке все валы располагаются в одной вертикальной плоскости.

По всем трем кинематическим схемам на основе графиков частот вращения шпинделя (рис. 4.2, рис. 4.3, рис. 4.5) были произведены расчеты по выявлению числовых значений крутящих моментов М на валах, модулей m зубчатых колес, суммы зубьев колес Σ z и межосевых расстояний А между валами I…V. Результаты расчетов приведены в табл. 4.1.

Итоговые цифры таблицы позволяют констатировать следующее:

1. Крутящие моменты на шпинделе во всех трех вариантах конструктивного исполнения коробок скоростей практически одинаковые на одних и тех же частотах вращения шпинделя.

2. Крутящие моменты на первых трех валах в приводах по вариантам 2 и 3 примерно в 1,5 раза меньше, чем в исходном варианте, что потенциально допускает использование колес на этих валах с меньшим модулем.

3. По условиям сцепляемости подвижных зубчатых блоков модули у всех зубчатых колес приходится назначать одинаковыми, за исключением первой пары. Численное значение модуля определяет пара колес на выходном валу редуктора.

4. Редукторы с двумя «связанными» колесами увеличивают межцентровое расстояние между I и V валами на 12…14% по сравнению с исходным вариантом, то есть высота редуктора стала несколько больше. Ширина редуктора осталась неизменной, несмотря на сокращение общего числа зубчатых колес в редукторе на единицу (было 17 колес, стало 16). Окончательный вывод можно сделать только после подробной конструкторской проработки чертежей коробки скоростей, однако, предварительный итог – предпочтение следует отдать варианту 3.

Таблица 4.1

Параметры трех вариантов коробок скоростей

№ валов

Вариант 1 (рис. 4.2)

Вариант 2 (рис. 4.3)

Вариант 3 (рис. 4.5)

Σ z

М, Н∙м

m, мм

А, мм

Σ z

М, Н∙м

m, мм

А, мм

Σ z

М, Н∙м

m, мм

А, мм

I-II

88,5

2,5

87,5

II-III

III-IV

IV-V

Σ А

612,5

599,5

Пример 2. Требуется разработать кинематическую схему привода главного движения к токарному универсальному станку по следующим данным: n _ШП = 8…2000 мин^-1 – интервал частот вращения шпинделя; N = 11 кВт – мощность электродвигателя привода главного движения; M _{ШП max}= 1270 Нм – максимальный момент на шпинделе.

Решение задачи начнем с выбора знаменателя геометрического ряда φ и установления числа скоростей z в приводе станка. По табл. П2 устанавливаем число частот вращения z, задавшись знаменателем ряда φ. Известно, что в универсальных токарных станках чаще всего используются привода c φ = 1,26 и φ = 1,41:

· для φ = 1,26 геометрический ряд частот вращения шпинделя состоит из следующих чисел: n = 8; 10; 12,5; 16; 20; 25; 31,5; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 315; 400; 500; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 2000. Откуда z = 25;

· для φ = 1,41 – n = 8; 11,2; 16; 22,4; 31,5; 45; 63; 90; 125; 180; 250; 355; 500; 710; 1000; 1400; 2000, и z = 17.

Числа скоростей z = 17 и 25 нельзя представить в виде произведения двойных и тройных блоков. Воспользуемся ближайшим большим числовым значением z, примем z = 18 = 3·3·2 и z = 27 = 3·3·3. При этом графики частот вращения необходимо будет строить с совпадением частот, чтобы получить необходимые численные значения z = 17 и 25. Причем в обоих случаях графики будут со сложенной структурой, поскольку характеристики у последних блоков с простой множительной структурой будут превышать допустимые значения. Структура приводов будет выглядеть следующим образом:

z = 18 = 3[1]·3[3]·(1 + 1), z = 27 = 3[1]·3[3]·(1 + 2[9]).

Графики частот вращения и кинематические схемы приводов с такими структурами представлены на рис. 4.6 и рис. 4.7, где источником движения является асинхронный электродвигатель типа АИРМ132 М 4 мощностью N = 11 кВт с номинальной частотой вращения n = 1455 мин^-1.

А)

Б)

Рис. 4.6. Привод главного движения на 17 скоростей:

а - график частот вращения; б - кинематическая схема

А)

Б)

Рис. 4.7. Привод главного движения на 25 скоростей:

а - график частот вращения; б - кинематическая схема

Графические материалы на этих рисунках наглядно демонстрируют развитую механическую составляющую приводов с нерегулируемым асинхронным электродвигателем. Причем с уменьшением числового значения знаменателя ряда φ происходит усложнение механической части привода. Вместе с тем общеизвестно что, чем меньше числовые значения φ, тем проще обеспечить необходимые режимы резания на станке согласно технологическому процессу обработки детали. С этой точки зрения предпочтительнее использовать в приводах главного движения регулируемые электродвигатели.

а)	б)

Рис. 4.8. Графики частот вращения привода с регулируемым электродвигателем АИРМ132 М 4:

а - с диапазоном регулирования шпинделя с постоянной мощностью, равным D_N = 12,5;

б - с диапазоном D_N = 6,3

Для рассматриваемого примера проанализируем конструкции коробок скоростей в зависимости от типа применяемого регулируемого электродвигателя. О сложности механического редуктора будем судить по графикам частот вращения. На рис. 4.8 – 4.10 представлены такие графики. Зоны регулирования шпинделя с постоянной мощностью у них разные и зависят, в основном, от интервала регулирования самого электродвигателя с постоянной мощностью при одинаковых вариантах структур механического редуктора. Наименьшей зоной регулирования обладает привод, в котором используется обычный асинхронный электродвигатель с частотным регулированием. Наибольшая зона принадлежит приводу, где источником движения служит высокомоментный электродвигатель постоянного тока. Однако наиболее перспективным приводом является привод с регулируемым электродвигателем переменного тока модели 1 PH 7107 - 2 NF по следующим соображениям:

· во-первых, масса самого электродвигателя меньше массы электродвигателя постоянного тока в 2,5 раза, следовательно, и весь привод будет более легким;

· во-вторых, диапазон регулирования привода можно расширить в область более высоких частот вращения, так как верхняя допустимая граница частот вращения двигателя может быть поднята с n = 5071 мин^-1 (по графику на рис. 4.10) до n = 6500 мин^-1 (по паспорту двигателя). Следовательно, открывается возможность применения более прогрессивного режущего инструмента;

· в-третьих, регулируемый электродвигатель переменного тока позволяет иметь разную мощность при разных частотах вращения, что удобно в технологическом плане.

а)	б)

Рис. 4.9. Графики частот вращения привода с регулируемым электродвигателем 4ПФ160 S:

а - с тремя зубчатыми колесами; б - с двумя зубчатыми колесами

В задании на проектирование привода оговорен максимальный момент на шпинделе, который должен быть не менее 1270 Нм. По графикам частот вращения можно выявить максимальные значения крутящих моментов. В приводах со ступенчатым регулированием частоты вращения шпинделя максимальный момент рассчитывается по условной частоте, определяемой по выражению:

.

Принимаем n _P = 40 мин^-1.

Максимальный момент в приводе главного движения на 17 скоростей (рис. 4.6) составит M _max = 1940 Нм на частоте вращения шпинделя n _ШП = 45 мин^-1, в приводе на 25 скоростей – M _max = 1980 Нм на частоте n _ШП = 40 мин^-1.

а)	б)

Рис. 4.10. Графики частот вращения привода с регулируемым электродвигателем 1 PH 7107-2 NF со структурами: а - z = 2·2; б - z = 1 + 1·1

В приводах с регулируемыми электродвигателями максимальный момент на шпинделе рассчитывается по нижней кинематической цепочке при номинальной частоте вращения электродвигателя. Для приводов с графиками частот вращения на рис. 4.8 максимальные моменты имеют разные числовые значения. График частот вращения шпинделя по рис. 4.8, а обеспечивает максимальный момент M _max = 585 Нм на частоте вращения шпинделя n _ШП = 160 мин^-1, а график на рис. 4.8, б имеет M _max = 268 Нм на частоте вращения n _ШП = 315 мин^-1.

Для двух вариантов приводов с графиками по рис. 4.9 максимальный момент на шпинделе одинаков и равен M _max = 2390 Нм на частоте вращения n _ШП = 40 мин^-1.

Графики частот вращения на рис. 4.10 также обеспечивают разные максимальные крутящие моменты на шпинделе. График по рис. 4.10, а дает M _max = 1920 Нм на частоте вращения шпинделя n _ШП = 54 мин^-1, а привод с графиком по рис. 4.10, б имеет M _max = 572 Нм на частоте n _ШП = 175 мин^-1.

Таким образом, те привода, которые дают максимальные крутящие моменты на шпинделе ниже поставленных условиями задачи из рассмотрения должны быть исключены.

Пример 3. Разработка конструкции привода главного движения по технической характеристике вертикального обрабатывающего центра, приведенной в проспекте на этот станок.

Исходными данными для решения этой технической задачи являются следующие данные, взятые из проспекта на станок:

· n _ШП= 60…8000 мин^-1 - интервал частот вращения шпинделя;

· N _ДВ = 5,5/7,5 кВт - мощность двигателя привода главного движения:

номинальная / максимальная - 30 мин, кВт;

· XYOZC_V - структурная формула компоновки станка с шириной стола 320 мм;

· область применения: обработка корпусных деталей, деталей штампов и пресс-форм и других подобных деталей массой не более 150 кг в условиях мелкосерийного производства.

Задача решается в следующей последовательности:

Дата добавления: 2015-07-17