Глава 1. Кинематические схемы механической части электропривода. Типовые нагрузки

Механическая часть электропривода включает в себя все связанные движущиеся массы: двигателя (ротор, якорь), передаточного устройства (редуктор, муфта, шестерённая клеть, универсальные шпиндели и т.д.), исполнительного механизма производственной машины (прокатные валки, барабаны летучих ножниц, намоточно-размоточные устройства, ролики рольгангов, рабочее колесо вентилятора и т.п.).

На рис. 1.1 приведен пример обобщенной механической части электропривода.

Рис. 1.1. Обобщенная механическая часть

К ротору (якорю) двигателя с моментом инерции приложен электромагнитный момент , под действием которого рабочий механизм (нагрузка) с моментом инерции и моментом сопротивления , приведённым к валу двигателя (к одной скорости), приводится в движение.

Непосредственное представление о движущихся инерционных массах и механических связях между ними даёт кинематическая схема электропривода [1].

Несмотря на большое многообразие конкретных электроприводов, они обладают общими особенностями, которые можно установить, рассмотрев ряд характерных примеров. Для количественной характеристики нагрузки используется механическая характеристика механизма. Она представляет собой зависимость силы, момента от скорости , . Для получения общих выводов воспользуемся зависимостью [2]

, (1.1)

где – момент сопротивления механизма, соответствующий текущей скорости ;

– момент механических потерь в движущихся частях механизма;

– момент сопротивления при номинальной скорости ;

– показатель степени.

Ниже приводится на примерах классификация электромеханических систем по виду механической характеристики производственного механизма .

Центробежный вентилятор. Кинематическая схема дана на рис. 1.2. Возможны два варианта: редукторный и безредукторный электропривод.

Рис. 1.2. Кинематическая схема электропривода вентилятора

В безредукторном приводе все элементы кинематической схемы вращаются с одинаковой угловой скоростью , в редукторном – колесо вентилятора вращается со скоростью , где – передаточное число редуктора.

Зависимость момента сопротивления механизма от скорости вентилятора определяется формулой (1.2) и представлена на рис. 1.2.

, (1.2)

где – номинальный момент вентилятора, соответствующий его номинальной (паспортной) рабочей скорости ;

– момент механических потерь на трение в подшипниках рабочего колеса вентилятора.

При момент сопротивления пропорционален квадрату скорости, а потребляемая мощность примерно пропорциональна кубу скорости. К таким механизмам относятся так же насосы, дымососы, центрифуги, турбовоздуходувки, гребные установки судов. Это так называемые механизмы с вентиляторным моментом нагрузки с .

Электропривод механизмов с зависимостью

, (1.3)

где – коэффициент пропорциональности.

Такой зависимостью обладают диссипативные силы и моменты вязкого трения, возникающие при деформации упругих тел (валов при их скручивании, пружин, канатов и т.д.). Зависимость механизмов с вязким трением дана на рис. 1.3, a.

Рис. 1.3. Механизмы с

Характеристику типа рис. 1.3, в имеет механизм привода генератора постоянного тока с независимым возбуждением, нагруженным на внешнее сопротивление (схема на рис. 1.3, б).

У большой группы механизмов момент нагрузки практически не зависит от скорости, т.е. , , . Такой характеристикой обладают большинство механизмов прокатных цехов (прокатные клети, рольганги, толкатели, нажимные устройства, слитковозы, транспортёры и т.д.), подъёмные механизмы лебёдок, кранов, лифтов, шахтных подъёмных машин, металлорежущих станков и т.д.

На рис. 1.4 представлена кинематическая схема электропривода валков прокатной клети стана горячей прокатки и схема сил по определению момента.

Рис. 1.4. Кинематическая схема группового электропривода валков прокатного стана (а) и схема к определению момента прокатки (б), зависимость

Момент, необходимый для вращения валков при простой прокатке [3]

, , (1.4)

где – полное давление металла на валок, ;

– плечо равнодействующих сил.

Или

, (1.5)

где – отношение плеча равнодействующих сил давления к длине хорды (при горячей прокатке ; при холодной ).

Полное давление на валок можно определить как

, (1.6)

где – среднее удельное давление металла на валок, ;

– поверхность соприкосновения металла с одним валком, .

Величина среднего удельного давления зависит от многих факторов (химического состава металла, температуры, величины обжатия , толщины полосы, скорости прокатки, коэффициента трения и т.п.).

При определении широко используется формула А. И. Целикова

, (1.7)

где , ;

– предел текучести металла, ;

;

– диаметр рабочего валка, ;

;

– при горячей прокатке на стальных валках;

– при горячей прокатке на чугунных валках;

– температура металла, .

Соотношение , входящее в уравнение (1.6), находится как

. (1.8)

В уравнении (1.5) представляет собой не действительную поверхность соприкосновения с валком, а её проекцию на плоскость, нормальную равнодействующей давления , проходящей через середину хорды дуги захвата.

, (1.9)

где – средняя ширина металла.

Так как при этом , то с учетом , получим

; (1.10)

, (1.11)

где – радиус валка, .

Момент, необходимый для привода валков прокатного стана

, (1.12)

где – момент прокатки, требуемый для преодоления сил деформации металла и сил трения между валками и металлом;

– момент добавочных сил трения в подшипниках рабочих валков и в передаточных устройствах;

– момент холостого хода;

– динамический момент, требующийся для преодоления сил инерции.

Момент добавочных сил трения

, (1.13)

где – момент от сил трения в подшипниках валков, ;

– диаметр шейки валков, ;

– коэффициент трения в подшипниках валков;

второй член в уравнении (1.12) – момент трения в передаточном устройстве стана;

– к.п.д. передаточного устройства;

– передаточное число.

Момент холостого хода в расчетах принимается от номинального момента прокатного двигателя.

Динамический момент, который возникает в периоды изменения скорости (пуск, торможение, наброс и сброс нагрузки), определяется как

, (1.14)

где – суммарный момент инерции, приведённый к валу двигателя, ;

– ускорение (замедление скорости), .

На рис.1.4, в приводится механическая характеристика механической части прокатного стана типа сухого трения при .

Другой разновидностью механизмов с (, ) являются подъёмные механизмы лебёдок, кранов, лифтов и шахтных машин. На рис. 1.5, а приведена кинематическая схема одноконцевой подъёмной лебёдки.

Рис.1.5. Кинематическая схема одноконцевой подъёмной лебёдки

На схеме двигатель с механическим тормозом на валу через редуктор вращает барабан , который через полиспаст поднимает или опускает крюковую подвеску весом . Суммарная полезная нагрузка лебёдки определяется силой тяжести поднимаемого груза и крюковой подвески . Эта сила направлена всегда в сторону опускания груза и не зависит от скорости перемещения. Зависимость приведена на рис. 1.5, б.

К механизмам с нагрузкой, не зависящей от скорости, относятся и механизмы подач металлорежущих станков при постоянстве подачи (токарные, продольно строгальные и.т.п.).

Некоторые токарные, расточные, фрезерные и другие металлорежущие станки, намоточно-размоточные механизмы бумагоделательной, кабельной и металлургической промышленности обладают нелинейной механической характеристикой, у которых момент сопротивления изменяется обратно пропорционально скорости, а мощность, потребляемая механизмом, остаётся постоянной. В этом случае , а уравнение механической характеристики принимает вид

. (1.15)

На рис.1.6, а приведена кинематическая схема механизма моталки стана холодной прокатки. При постоянстве натяжения и линейной скорости движения полосы момент на валу механизма определяется в соответствии с соотношением (рис.1.6, б)

, (1.16)

где – диаметр рулона, ;

– момент трения в подшипниках барабана моталки.

Рис.1.6. Кинематическая схема электропривода моталки (а) и зависимость при , (б)

У большой группы производственных механизмов момент нагрузки зависит от углового положения вала . Это кривошипно-шатунные механизмы: поршневые насосы и компрессоры, нефтяные насосы-качалки, механизм качания кристаллизатора машин непрерывного литья заготовок, прессы, ножницы и т.п.

На рис.1.7. приведена кинематическая схема механизма качания кристаллизатора (а) и график результирующего момента (б) на валу эксцентрика (в безредукторном приводе – на валу двигателя).

Рис.1.7. Кинематическая схема механизма качания кристаллизатора и зависимость момента нагрузки

Механизм качания кристаллизатора [4] представляет собой сварную С-образную раму (6), опирающуюся на параллелограмное устройство, состоящее из ведущего (5) и кинематического (9) рычагов. Привод механизма качания состоит из эксцентрикового вала (3), шатуна (4), муфты (2) и электродвигателя (1). Эксцентриковый вал сменный с эксцентриситетом 2, 4, 6 мм. Частота качаний кристаллизатора 2 Гц. Зависимость при частоте качания 2 Гц представлена на рис. 1.7, б.

Рассмотренные нагрузки механизмов по характеру можно классифицировать на реактивные и активные.

Реактивные моменты (силы) возникают в производственных механизмах как реакция на движение; они всегда препятствуют движению, сами вызвать движение не могут и меняют свой знак при перемене направления вращения (рис. 1.8, а).

Рис.1.8. Моменты сопротивления реактивные (а) и активные (б)

Активные моменты (потенциальные) (рис. 1.8, б) характеризуются неизменностью их направления при изменении знака скорости рабочего органа механизма и сами могут вызвать движение. Это механизмы, у которых основная составляющая момента (усилия) определяется силой тяжести перемещаемых грузов.

Знание нагрузок на рабочем органе механизма в различные временные периоды позволяет рассчитать и построить так называемую нагрузочную диаграмму механизма , которая является основой для построения нагрузочной диаграммы электропривода с отражением изменения скорости и угла поворота вала двигателя .