Электропривод ножниц с наклонным ножом

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Техническое задание

Радиус кривошипа, м R=0.125

Длина шатуна, м l=1.2

Перекрытие ножей, м h₀=15

Зазор между ножами, мм h_з=110

Угол наклона ножа, град ?=4?16`

Момент инерции механизма, приведённый к валу, кг·м² J_М=0.45

Передаточное число редуктора, i=37

Толщина разрезаемого металла, мм h=10

Число резов в минуту z=4

2. Расчёт и построение зависимости М_с=f(?)

Усилие, прикладываемое к ножу в течение всего процесса резания:

где ? - временное сопротивление резанию, для металлургической стали ?=500 Н/мм²; S - мгновенное перерезаемое сечение, испытывающее усилие среза (рисунок 1-б).

Тогда:

При достаточной ширине листа усилие на ноже в течение половины цикла резания или полуоборота кривошипа неизменно. Однако, двигатель должен преодолевать момент, определяемый тангенциальным усилием F_T на окружности кривошипа. Это же усилие, напротив, изменяется в широких пределах:

Где ? - угловой путь механизма (рисунок 2).

Так как угол ? слишком мал, пренебрежем его значением:

Рисунок 2 - Определение тангенциального ускорения

Статический момент на валу кривошипа:

Статический момент, который будет преодолевать двигатель:

где М_с0 - момент холостого хода, составляющий 7-10% от максимальной статической нагрузки, - КПД передачи (0.7-0.8).

Тогда:

где

Рисунок 3 - Зависимость статического момента от угла поворота вала кривошипа М_с=f(?)

3. Определение предварительной мощности двигателя и выбор его по каталогу

Для построения упрощённой нагрузочной диаграммы M_c=f(t) необходимо найти соотношение между углом ? и линейным перемещением ножа.

Угловая скорость кривошипа при установившемся движении для заданной скорости двигателя:

Зададимся скоростью вращения двигателя: n_дв=500 об/мин, тогда:

Средняя скорость кривошипа за полный его оборот, 1/с:

Тогда время работы кривошипа составит, с:

Скорость перемещения ножа:

Перемещение ножа:

Рисунок 4 - Зависимости скорости v_H, и перемещения ножа L_H от времени

Пользуясь графиком L_H(t) определяем время перемещения ножа на расстояние h₃-h=110-10=100 мм: t₁=0.83 c.

Время цикла, с:

Время паузы, с:

Относительная продолжительность включения:



Рисунок 5 - Упрощённая нагрузочная диаграмма механизма ножниц

Для предварительного выбора мощности двигателя воспользуемся методом эквивалентного момента, для чего кривую М_с(t) разбиваем на участки и заменяем ступенчатым ломаным графиком.

Эквивалентный момент согласно упрощённой нагрузочной диаграмме составит, Н·м:

Расчётный номинальный момент из условия перегрузочной способности, Н·м:

Расчётную мощность двигателя определяем по большему значению момента, т.е. по эквивалентному:

При определении ПВ предполагалось, что нагрузка прикладывается к двигателю в течении времени работы: t_p=7.4 с, в действительности время приложения ударной нагрузки составляет 2.8 с (рисунок 5). Тогда продолжительность нагрузки составит:

При пересчёте мощности на ПВ=40%:

С учётом динамических перегрузок, которые будет преодолевать двигатель при пуске и торможении, следует увеличить мощность двигателя на 30-40%, Таким образом, потребная мощность двигателя составит, кВт:

Выбираем краново-металлургический двигатель постоянного тока последовательного возбуждения серии Д ПВ=40%:

Тип двигателя: Д-818; Р_н=106 кВт, n_H=500 об/мин, U_H=440 В, I_H⁼265 A, r_П=0.0148 Ом, r_я=0.026 Ом, J=26.5 кг·м².

4. Расчёт сопротивлений пускового реостата

Для двигателей последовательного возбуждения невозможно выразить математически естественные характеристики двигателя, так как поток полюсов не постоянен и зависит не только от тока последовательной обмотки, являющейся общей с якорем, но и от магнитной системы, которая насыщаясь, нарушает пропорциональность между потоком и током. Поэтому при построении характеристик пользуются универсальными характеристиками.

Коэффициент пропорциональности между ЭДС и скоростью при номинальных параметрах, В·с:

Номинальный момент двигателя, Н·м:

Таблица 1 - Универсальная и естественная характеристики двигателя

i	?	µ	I, A	?, 1/c	M, H·м
0.27	2.4	0.14	71.55	125.664	304.105
0.4	1.7	0.26	106	89.012	564.766
0.6	1.27	0.48	159	66.497	1043.42
0.8	1.09	0.74	212	57.072	1607
1	1	1	265	52.36	2172.56
1.2	0.9	1.3	318	47.124	2824.66
1.6	0.8	1.9	424	41.888	4127.963
2	0.74	2.55	530	38.746	5539.458

Примем значение пускового тока, А:



Суммарное сопротивление цепи двигателя при пуске, включая сопротивление якоря, Ом:

Зададимся током переключения из условия:

Для этого тока определяем скорость вращения ?_и при полностью введённом сопротивлении пускового реостата R_пр

Для значений токов I₁ и I₂ обозначим на естественной характеристике точки e, f, а на искусственной характеристике при полностью введённом сопротивлении R_пр точки a, b. Через точки e-f и a-b проводим прямые до пересечения их в точке t. Проведя луч из точки t, строим пусковую характеристику c-d (рисунок 2).

Определяем сопротивление пускового реостата, Ом:

Сопротивления ступеней пускового реостата составят, Ом:



Учитывая массогабаритные показатели, а также условия безопасности, выбираем блок резисторов с литыми плоскими резисторными элементами типа RC3:

R₁=0.35 Ом R₂=0.16 Ом;

Рисунок 6 - Пусковая диаграмма электропривода

5. Выбор способа торможения и расчёт соответствующей характеристики

В качестве рабочего торможения используется динамическое торможение с независимым возбуждением. Следует заметить, этот режим экономичен, надёжен и применяется для точной остановки электропривода. Имеет достаточно простую схему включения и обладает плавностью торможения.

Динамическим торможением двигателя называется его генераторный режим, при котором механическая энергия преобразуется в электрическую и расходуется в замкнутом контуре, электрически не связанном с сетью.

При этом методе получается постоянный магнитный поток двигателя в процессе всего периода торможения. Для точной остановки ножниц в исходном положении обычно предусматривается наряду с электрическим механическое торможение с помощью электромагнитных короткоходовых тормозов, выполняющих работу торможения лишь в области малых скоростей.

Для обеспечения номинального магнитного потока ток возбуждения должен быть равен номинальному, а обмотка возбуждения подключена к сети через добавочное сопротивление:

Начальный тормозной ток:

Так как торможение будет происходить с номинальной нагрузкой М_сmin=443.817 Н·м, то начальная скорость торможения составит: ?_нач=95.187 1/с.

Для ограничения начального тормозного тока до принятой величины необходимо, чтобы полное сопротивление цепи якоря составляло:



Величина тормозного сопротивления, Ом:

Рисунок 7 - Электромеханическая характеристика при динамическом торможении с независимым возбуждением

6. Построение кривых скорости, тока и момента двигателя в функции времени при пуске и торможении методом конечных приращений и методом Савинкова

Перестроим пусковые характеристики ?=f(I), в механические. Для этого построим вспомогательную кривую с_еФ=(Е/?)_е=f(I), пользуясь естественной электромеханической характеристикой.

Таблица 2 - Расчёт кривой с_еФ=(Е/?)_е=f(I)

Iв, А	?, 1/с	Е, В	(Е/?)е, В·с	M, H·м
71.55	125.664	437.081	3.478	248.864
106	89.012	435.675	4.895	518.825
159	66.497	433.513	6.519	1037.103
212	57.072	431.35	7.558	1602.103
265	52.36	429.198	8.197	2172.265
318	47.124	427.026	9.062	2882.654
424	41.888	422.701	10.091	4279.854
530	38.746	418.376	10.798	5723.555

Рисунок 8 - Вспомогательная кривая (Е/?)_е=f(I)

Пользуясь полученной кривой строим пусковые механические характеристики:

Для расчётов переходных процессов при пуске воспользуемся методом конечных приращений. Для этого, зависимость ?=f(M) разбиваем на ряд участков приращения скорости ??_х, на каждом их которых, момент принимаем постоянным и равным среднему значению и определяем приращение времени:



Рисунок 9 - Механические пусковые характеристики двигателя

Определяем приращение пути для нахождения времени перехода привода в режим приёма нагрузки:

Результаты расчётов сведены в таблицу 3:

По кривой ?(t) (рисунок 11) для ?=2.01 находим уточнённое время вхождения ножа в металл, т.е. начало режима приёма нагрузки (t₁?1.2). При этом двигатель разгоняется до скорости ?₁=95 1/с, а момент достигнет величины 750 Н·м. Полученные величины скорости, пути и момента являются начальными значениями для режима приёма нагрузки или режима резания.



Рисунок 10 - К расчёту переходных процессов при пуске методом пропорций

Таблица 3 - Расчёт переходного процесса электропривода ножниц

№ участка	Скорость, 1/с	Приращение скорости, 1/с	Момент, Н·м	Время, с
	мин	макс	ср		мин	макс	ср	За рассматриваемый период	От начала пуска
1	0	9	4.5	9	5050	6516	5783	0.054	0.054
2	9	18	13.5	9	3550	5050	4300	0.074	0.128
3	18	25	21.5	7	2460	3550	3005	0.087	0.215
4	30.5	36	33.3	5.5	4450	6516	5483	0.035	0.25
5	36	44	40	8	2460	4450	3455	0.084	0.334
6	44	52	48	8	3600	6516	5058	0.055	0.389
7	52	59	55.5	7	2250	3600	2925	0.09	0.479
8	59	65	62	6	1450	2250	1850	0.135	0.614
9	65	75	70	10	1000	1450	1225	0.406	1.02
10	75	82	78.5	7	800	1000	900	0.487	1.507
11	82	90	86	8	600	800	700	0.991	2.498
12	90	98	94	8	500	600	550	2.392	4.89

Переходные процессы при набросе нагрузки рассчитаем методом Савинкова. В основу этого метода положено постоянство приращения времени, поэтому принимаем ?t=0.2 с=const. Тогда динамический момент определяется:

где с₁=J_?/?t=31.75/0.2=158.75 (кг·м²)/с.

Угловой путь вала кривошипа при этом будет равен:

где с₂=?t/i=0.2/37=0.0054;

Результаты расчёта представлены на рисунке 12.

Переходные процессы при торможении можно рассчитать аналитическим методом по формулам:

где Т_М - электромеханическая постоянная времени:

М_с и ?_с - установившиеся значения момента и скорости на соответствующих ступенях пуска, М_нач и ?_нач - начальные значения скорости и момента;

Время переходного процесса, с:

Тогда:

Рисунок 13 - Переходной процесс момента при динамическом торможении



Рисунок 14 - Переходной процесс скорости при динамическом торможении

7. Полная нагрузочная диаграмма электропривода

Полная нагрузочная диаграмма электропривода представлена на рисунке 15.

Для проверки выбранного двигателя на нагрев необходимо пересчитать нагрузочную диаграмму М=f(t) в диаграмму токов I=f(t), пользуясь зависимостями ?=f(t) и ?=f(I). На рисунке 16 представлена нагрузочная диаграмма токов за период полного оборота вала кривошипа.

Разбивая нагрузочную диаграмму на ряд участков, действительную кривую I=f(t) заменяем ступенчатой ломанной линией. Для каждого значения определяем среднеквадратичное значение тока. Полученные результаты используются при вычислении эквивалентного тока двигателя в течение одного цикла. Тогда значение эквивалентного тока можно вычислить по формуле:

где I_nэ - среднеквадратичное значение тока на каждом участке, t_n - время участка, ?` - коэффициент, учитывающий ухудшение охлаждения двигателя. Для двигателя постоянного тока ?`?0.75.

По нагрузочной диаграмме определяем фактическую продолжительность включения:

Перерасчёт значения эквивалентного тока:



Номинальный ток двигателя I_H=265 А, следовательно в тепловом отношении двигатель выбран правильно I_Э<I_H.

8. Количество кинетической энергии, отдаваемой маховыми массами на вал привода в моменты реза и запасаемой в периоды холостого хода

Количество кинетической энергии запасаемой при ускорении, кДж:

Количество кинетической энергии отдаваемой при замедлении, кДж:

При пуске, кДж:

При динамическом торможении, кДж:

9. Определение потерь энергии при пуске и торможении

Потери при пуске состоят из трёх составляющих, соответствующих пусковым ступеням, Вт:

Потери при торможении, Вт:

10. Рекомендации по снижению потерь электроэнергии

В электроприводе, где время переходных процессов занимает значительное время в цикле, потери оказывают значительное воздействие на энергетику электропривода. Уменьшение потерь может привести к росту КПД двигателя. Для уменьшения потерь следует уменьшить суммарный момент инерции. Этого можно достичь следующими способами:

· Применением малоинерционных двигателей, имеющие пониженный момент инерции якоря (повышенное отношение длины якоря к его диаметру)

· Заменой одного двигателя двумя, имеющими половинную номинальную мощность заменяемого двигателя.

11. Структурная схема электропривода. Исследование реакции системы на скачок управляющего и возмущающего воздействий

Размещено на http://www.allbest.ru/

-

Рисунок 17 - Структурная схема электропривода с линейной механической характеристикой

В общем виде электромеханическую систему с жёсткими обратными связями можно описать уравнениями:

где М_с - статический момент, Н·м; ? - статическая жёсткость системы, Н·м·с, Т_Э - электромагнитная постоянная времени, с;

Индуктивность якорной цепи двигателя, Гн:

Электромагнитная постоянная времени, с:



Коэффициент, определяемый конструктивными параметрами двигателя:

Модуль статической жёсткости линеаризованной механической характеристики:

где к_ф=?Ф/?I=0.06·10^-3, Вб/А.

Электромеханическая постоянная времени, с:

Суммарная постоянная времени обмотки возбуждения, с

Электромагнитная постоянная времени якорной цепи двигателя, с:

Соотношение постоянных времени:

Корни характеристического уравнения

Переходная функция при скачке задания:

Зависимость ?(t) при задающем воздействии

Определим значение допустимого по перегрузочной способности двигателя скачка управляющего воздействия ?₀ при М_С=0.

Найдём производную скорости по времени:

Время, при котором производная скорости достигает максимума, найдем из условия равенства нулю второй производной скорости:

Отсюда находим время максимума производной скорости t_MAX=1.398 c.

Максимум производной при этом составит:

Допустимый по перегрузочной способности момент двигателя: М=6516.62, Н·м.

Подставив в уравнение движения электропривода М_с=0, М=6516.62 и

получим:

6516.62=

Закон изменения момента двигателя:



Рисунок 18 - Переходной процесс скорости при подаче управляющего воздействия

Рисунок 19 - Переходной процесс момента при подаче управляющего воздействия

Заключение

резание двигатель савинков электропривод

В данном курсовом проекте спроектирован электропривод ножниц с наклонным ножом. В качестве привода выбран двигатель постоянного тока последовательного возбуждения.

По результатам построения полной нагрузочной диаграммы и расчёта эквивалентного тока, можно сделать заключение о пригодности выбранного двигателя в тепловом отношении.

Список источников

1. Андреев В.П., Основы электропривода. / В.П. Андреев, Ю.А. Сабинин - М.: Госэнергоиздат, 1963. - 749 с.

2. Вешеневский С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе. / С.Н. Вешеневский - М.: Энергия, 1977. - 432 с.

3. Сим Б.М. Выбор мощности электроприводов производственных механизмов: Учебн. пособие. / Б.М. Сим - Комсомольск-на-Амуре: Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун-т, 1997. - 127 с.

4. Сим Б.М. Теория электропривода в примерах и расчётах: Учебн. пособие./ Б.М. Сим - Комсомольск-на-Амуре: Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун-т, 1998. - 137 с.

5. Сим Б.М. Теория электропривода: Курс лекций: Учебн. пособие. / Б.М. Сим - Комсомольск-на-Амуре: Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун-т, 2006. - 187 с.

Размещено на Allbest.ru