Регулированием

(трудоемкость – 2 часа)

При проектировании приводов главного движения станков желательно обеспечивать постоянство передаваемой мощности по всему диапазону регулирования частоты вращения шпинделя.

Однако, в этом случае крутящий момент в приводе , определяющий размеры всех элементов привода, будет наи­большим при , что приводит к увеличению габаритных размеров и стоимости привода. Кроме того, большое число статистических данных по обследованию фактической загрузки станков общего назначения показывает, что в нижней четверти диапазона регулирования полная мощность не используется. Поэтому для станков общего назначения целесообразно применять привод с комбинированным регулированием, когда до условной расчетной частоты

(1)

обеспечивается регулирование с постоянным моментом в диа­пазоне (рис. 1), а выше регулирование с постоянной мощностью в диапазоне . При этом значение максимального крутящего момента, по которому ведут силовой расчет приво­да, существенно снижается.

Используемые в приводах главного движения для работы в бесступенчато-регулируемом по скорости режиме двигатели постоянного тока с тиристорными системами регулирования и асинхронные электродвигатели для частотного регулирования имеют двухзонное бесступенчатое регулирование: в диапазоне от номинальной () до максимальной () частоты вращения двигатель работает с постоянной мощностью, а при частоте вращения ниже — с постоянным моментом.

Рис. 1. Изменение мощности и крутящего момента при различных частотах вращения шпинделя

Рис. 2. Характеристики электродвигателя с двухзонным регулированием

Если построить графики мощности и момента двигателя, обеспечивающего двухзонное регулирование (рис. 2), то в координатах соответственно , и , график мощности на участке постоянного момента будет изображаться отрезком прямой с угловым коэффициентом , направленной к началу координат, а график момента на участке постоянной мощности будет являться отрезком гиперболы, имеющей - асимптотами оси координат, а параметром — произведение .

Так как диапазон частот вращения двигателя велик, то для удобства графического представления мощности и момента двигателя для оси абсцисс (частота вращения двигателя) используется логарифмическая шкала. При этом наклонные участки графиков мощности будут представляться участками экспонент. То же относится и к характеристикам привода, приведенным к шпинделю (пунктирные линии на рис. 1 и 2).

Назовем отношение диапазоном регулирования двигателя при постоянной мощности и обозначим через , а отношение — диапазоном регулирования на шпинделе при постоянной мощности и обозначим через (см. рис. 1).

Если имеем , то можно использовать привод главного движения с постоянным передаточным отношением кинематической цепи. В этом случае механическая характеристика, получаемая на шпинделе (, ), повторяет с точностью до потерь и в масштабе передаточного отношения характеристику двигателя.

Однако, если существующие двигатели обладают недостаточно широким диапазоном регулирования ( ), то в привод шпинделя приходится включать устройства, позволяющие ступенчато изменять передаточное отношение привода (коробки передач, ременные передачи со сменными шкивами и др.).

Рис. 3. Привод главного движения с коробкой скоростей и двигателем бесступенчатого регулирования скорости: а — кинематическая схема; б — график частот враще­ния; в — диаграмма мощности

В этом случае механическая характеристика привода (рис. 3, в) будет отличаться от характеристики двигателя наличием нескольких ветвей (по числу ступеней привода). Причем каждая ветвь будет состоять из двух участков — участка постоянной мощности и участка постоянного момента. При выборе двигателя необходимо принимать во внимание значения эффективной мощности на шпинделе при выполнении необходимых технологических операций во всем диапазоне измене­ния частот вращения. По полученной при этом максимальной, эффективной мощности определяется потребная мощность двигателя

,

по которой выбирается типоразмер двигателя.

При этом на выбор двигателя влияют два противоположно направленных фактора: потребность снизить вес и габариты двигателя склоняют выбор в сторону двигателя с возможно меньшей мощностью (обеспечивающей реализацию заданных технологических режимов), но приводит к увеличению числа ступеней привода, потребность же упростить конструкцию и кинематику, уменьшить вес и габариты привода может быть удовлетворена только за счет увеличения мощности, а, следо­вательно, веса и габаритов двигателя, что дает возможность увеличить значение (рис. 4). Выбор двигателя дол­жен производиться при разумном сочетании этих требований.

Как правило, возможное увеличение мощности выбираемого двигателя с целью упрощения конструкции привода не превышает 30…40% мощности, требуемой для выполнения технологических режимов.

В случае использования в приводе главного движения ко­робки скоростей имеем

, (2)

где — диапазон регулирования коробки скоростей, т.е. ко­робку скоростей можно рассматривать как переборную груп­пу, расширяющую диапазон регулирования привода, и тогда

.

Рис. 4. Расширение диапазона при использовании двигателя увеличенной мощности

Учитывая, что при бесступенчатом регулировании , не­обходимо, чтобы . Учитывая, что при ступенчатом регулировании , получаем

и, окончательно, учитывая (2),

. (3)

Выражение (14) позволяет определить число ступеней ко­робки скоростей:

. (4)

Если значение является целым, то концы участков постоянной мощности последовательных ступеней на графике мощности привода сопрягаются между собой. В этом случае на рис. 3, в совпадают точки и ; и . Если после вычисления по формуле (4) его значение округляется в большую сторону, то имеет место перекрытие диапазонов (см. рис. 3), т.е. , где и — частоты вращения шпинделя, соответствующие точкам и соответственно; — точки, соответствующие максимальной используемой частоте вращения двигателя ; — точки, соответствующие номинальной частоте вращения двигателя .

Если после вычисления по формуле (4) его значение с целью сокращения числа ступеней привода округляется в меньшую сторону, то получаем незначительные разрывы (рис. 4) вследствие переключения коробки на следующую ступень при частоте вращения двигателя меньше номинальной. При этом двигатель работает в зоне постоянного момента (снижающейся мощности).

Обозначив , с учетом формулы (3) получим

или

,

откуда

. (5)

Задав допустимое значение и округлив рассчитанное по формуле (5) значение до ближайшего большего целого числа, получим минимальное необходимое число ступеней.

Допустимое значение получаем из следующих соображений. Зная, что в диапазоне мощность изменяется пропорционально частоте вращения двигателя, найдем, что относительное падение мощности при уменьшении частоты вращения двигателя от до составит

.

Отсюда

.

Аналогичная зависимость связывает перепад с . Если ограничить падение мощности (момента) 20% ( = 0, 2), то допустимое значение составит 1, 25.

Необходимо помнить, что упрощение механической части привода за счет возникновения разрывов в характеристиках возможно, если технологические операции, осуществляемые в средней части диапазона, не требуют полной мощности, либо их возможно осуществить на заниженных режимах обработки без существенного снижения производительности.

Тема 4.1. ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ (ШУ)

(трудоемкость – 2 часа)