Выбор электродвигателя и энерго-кинематический расчет привода

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Министерство образования Российской федерации

Тольяттинский Государственный университет

Кафедра «Детали машин»

Методические указания

Выбор электродвигателя и энерго-кинематический расчет привода

Для практических занятий и выполнения курсового проекта по дисциплине «Детали машин и основы конструирования»

Тольятти 2004 г.

Энерго-кинематический расчет привода

Выбор кинематической схемы привода и редуктора в частности (если она не задана заданием на проектирование), разбивка общего передаточного числа между отдельными передачами предполагает множество решений. Например, применение двухступенчатых редукторов позволяет исключить одну или две открытые передачи. Существенное увеличение передаточного числа дает одноступенчатый червячный редуктор. Редукторы с планетарными передачами также имеют большое передаточное число и незначительные габариты. Однако при принятии решения о выборе схемы редуктора или привода в целом необходимо учитывать не только габариты передач, но и ряд других факторов: экономичность, надежность, технологичность при производстве, сборке и в эксплуатации.

1. ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Методические указания охватывают круг вопросов, связанных с энерго-кинематическим расчетом приводов, кинематическая схема которых предусматривает передачу вращения от электродвигателя через открытую передачу или муфту к редуктору и далее через муфту или открытую передачу, предназначенную для присоединения привода к валу исполнительного механизма.

Определение требуемой мощности электродвигателя

Выполнение проекта следует начинать с выбора электродвигателя по каталогам, где приведены паспортные данные на выпускаемые промышленностью электродвигатели. Для этого необходимо определить требуемую (расчетную) мощность электродвигателя для проектируемого привода. В общем случае после определения требуемой мощности электродвигатель проверяют на нагрев. Однако если привод предназначен для машин эксплуатируемых при постоянных или близких к ним нагрузках, необходимость в таких расчетах отпадает.

Требуемую (расчетную) мощность электродвигателя РР определяется на основе задания на проектирование. Обычно в задании на проектирование могут указываться следующие исходные данные, относящиеся либо к выходному валу привода, либо к рабочему валу механизма:

- мощность на выходном валу привода РВВ - кВт, (Вт);

- частота вращения выходного вала привода nВВ - об/мин;

- циклограмма нагружения или типовой режим нагружения, условия эксплуатации;

- вращающий момент на выходном валу привода Т - Н*м;

- угловая (рад/с) или окружная скорость V - м/с;

- тяговое усилие F - (H), диаметр звездочки цепной передачи (dЗВ) или барабана транспортера (dБ) и т. д.

Частота вращения выходного вала (если она не задана) определится по одной из следующих формул.

Если задана окружная скорость и диаметр звездочки цепной передачи (dЗВ) или барабана транспортера (dБ) и т. д.

nВВ=60000*V/*dЗВ(dБ);

Если задана угловая (рад/с) скорость

nBB=30щ/р

Исходя, из задания на проектирование требуемую мощность на выходном валу привода можно определить по одной из следующих формул:

РВВ=РВВ (кВт); РВВ=ТВВ* (Вт); РВВ=F*V (Вт); РВВ=Т*n/9550 (кВт)

При решении учебных задач по дисциплине (Детали машин и основы конструирования) рекомендуется ориентироваться на применение короткозамкнутых асинхронных электродвигателей переменного тока общепромышленного назначения единой серии 4А основного исполнения по ГОСТ 19523-81.

У асинхронных электродвигателей различают: nС - синхронную частоту вращения ротора (при отсутствии нагрузки) и nАС - асинхронную или номинальную частоту вращения ротора. Синхронная частота вращения, т.е. частота вращения магнитного поля, зависит от частоты тока f и числа пар полюсов р:

nС=60f/p.

У нагруженного двигателя частота вращения ротора не совпадает с частотой вращения магнитного поля статора

nАС=nC(1-S),

где S-скольжение:

S= (nС - nАС)/ nС.

Трехфазные асинхронные электродвигатели изготовляют с числом пар полюсов от 1 до 6. При промышленной частоте тока 50 Hz, синхронная частота вращения зависит от числа пар полюсов:

nС=3000/Р.

Отсюда ряд синхронных частот вращения ротора электродвигателя:

3000, 1500, 1000, 750, 600 и 500 мин-1.

Тихоходные двигатели имеют большие габариты, массу и стоимость. Поэтому электродвигатели с nС=750мин-1 и менее следует применять только в технически обоснованных случаях. Наиболее часто в приводах общего назначения используют асинхронные двигатели с частотой вращения (синхронной) 3000 и 1500 мин-1. Технические данные электродвигателей серии 4А указаны в ГОСТ 19523-81.

Установлена следующая структура обозначения двигателей серии 4А общего назначения:

----------------__________________________

4А ---1 2 3 4 5 6 УЗ

где 4 - порядковый номер серии;

А - род двигателя (асинхронный);

1 - исполнение двигателя по способу защиты от окружающей среды: Н - защищенный от попадания частиц и капель и имеющие предохранение от прикосновения к вращающимся частям, находящихся под током, отсутствие данного знака означает закрытые, обдуваемые. Их применяют для приводов общего назначения и в механизмах, к пусковым характеристикам которых не предъявляют особых требований;

2 - исполнение двигателя по материалу станины и щитов (А - станина и щиты алюминиевые, X - станина алюминиевая, щиты чугунные, отсутствие знаков означает, что станина и щиты чугунные или стальные);

3 - высота оси вращения (две или три цифры);

4 - условная длина станины (S, М или L);

5 - длина сердечника статора (А или В) отсутствие данного знака означает одну длину в установочном размере;

6 - число пар полюсов (1, 2, 3, 4, 5, 6);

УЗ - климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ 15150-69.

Электродвигатели 4АР с повышенным пусковым моментом ГОСТ 20818-75 применяют для привода механизмов, имеющих повышенную пусковую нагрузку.

Для выбора необходимого типоразмера электродвигателя предварительно определяются требуемые значения его номинальной мощности и частоты вращения.

Требуемая (расчетная) мощность электродвигателя:

P,

где ПР - ориентировочное (расчетное) значение КПД привода

ПР=1*2*3*…*К*,

где 1,…, К - частные значения КПД передач привода;

- КПД пары подшипников, m - число пар подшипников привода.

Ориентировочные значения КПД передач и элементов привода указаны в таблице №1

Таблица 1. Значения КПД передач и элементов привода

Вид передачи	КПД
Зубчатые передачи редуктора (закрытые)
цилиндрическими колесами	0,96 … 0,98
коническими колесами	0,95 … 0,97
Червячная передача при числе заходов червяка
Z1 = 1	0,70 … 0,80
Z1 = 2	0,75 … 0,85
Z1 = 4	0,80 … 0,90
Зубчатая открытая	0,95 … 0,96
Планетарная передача
одноступенчатая	0,90 … 0,95
двухступенчатая	0,85 … 0,90
Цепная передача	0,92 … 0,96
Ременная передача	0,94 … 0,96
Муфта соединительная	0,995
Подшипники качения (одна пара)	0,995

Примечание. В курсовом проектировании рекомендуется значения КПД принимать по максимальным значениям.

По рассчитанной мощности двигателя, как правило, выбирается асинхронный электродвигатель трехфазного тока (для постоянных или близких к ним нагрузках) по условию РЭД РР, где РЭД - паспортная мощность электродвигателя.

Требуемая (расчетная) частота вращения вала электродвигателя, исходя из кинематической схемы привода:

nnВВ*UПР,

где nВВ - заданное номинальное значение частоты вращения выходного вала привода или ведущего вала исполнительного механизма;

UПР - ориентировочное (расчетное) значение передаточного числа привода:

UПР=U1*U2*U3*…UК,

где U1,…UK - передаточные числа передач привода.

Рекомендуемые значения передаточных чисел механических передач приведены в табл. 2

Таблица 2. Рекомендуемые значения передаточных чисел механических передач

Тип передачи	Передаточное число U
Зубчатая цилиндрическая	3 … 5
Зубчатая коническая	2 …4
Червячная передача при числе заходов червяка
Z1 = 1	30 … 60
Z1 = 2	16 … 30
Z1 = 4	8 … 16
Цепная	1,5 …2,4
Ременная	2 … 4

По таблице 3 в зависимости от ранее вычисленных и n подбирается электродвигатель по условию: чтобы номинальная (асинхронная) частота вращения двигателя n как можно точнее соответствовала расчетной частоте n (можно просто принять ближайшую), а номинальная мощность PЭД была не меньше расчетной Р. При постоянном режиме нагружения допускается перегруз электродвигателя до 8%.

3. Двигатели закрытые, обдуваемые, единой серии 4А(тип/асинхронная частота вращения, об/мин)

Мощность	Синхронная частота вращения, об/мин
Р кВт	3000	1500	1000	750
0,55	63В2/2960	71А4/1390	71B6/900	80B8/700
0,75	71А2/2840	71В4/1390	80A6/915	90L8/700
1,1	71В2/2810	80А4/1420	80B6/920	90LB8/700
1,5	80А2/2850	80В4/1415	90L6/935	100L8/700
2,2	80В2/2850	90L4/1425	100L6/950	112MA8/700
3	90L2/2840	100S4/1435	112M6/955	112MB8/700
4	100S2/2880	100L4/1430	112M6/950	132S8/720
5,5	100L2/2880	112M4/1445	132S6/965	132M8/720
7,5	112М2/2900	132S2/1455	132M6/970	160S8/730
11	132М2/2900	132M4/1460	160S6/975	160M8/730
15	160S2/2940	160S4/1465	160M6/975	180M8/730
18,5	160М2/2940	160M4/1465	180M6/975	200M8/735
22	180S2/2945	180S4/1470	200M6/970	200L8/730
30	180М2/2945	180M4/1470	200L6/980	225M8/735
37	200М2/2945	200M4/1475	225M6/980	250S8/740
45	200L2/2945	200L4/1475	250S6/985	250M8/740
55	225М2/2945	225M4/1480	250M6/985	280S8/735
75	250S2/2960	250S4/1480	280S6/980	280M8/735
90	250М2/2960	250M4/1480	280M6/980	315S8/735
110	280S2/2940	280S4/1465	315S6/980	315M8/735

ПРИМЕЧАНИЯ: 1. Во втором и последующих столбцах таблицы обозначен типа двигателя, после косой черты указана асинхронная частота вращения электродвигателя (n).

Пример условного обозначения асинхронного электродвигателя закрытого обдуваемого со станиной и щитами из чугуна, с высотой оси вращения 71 мм, длиной сердечника статора А, двухполюсного, климатического исполнения У, категории размещения 3.

Электродвигатель 4А. 71А. 2. УЗ ГОСТ 19523-81

В табл. 4 приведены основные размеры электродвигателей серии 4А ГОСТ 19523-74.

Таблица 4. Двигатели. Основные размеры (мм)

Тип	Число полюсов	Установочно-присоединительные размеры, мм	Габаритные размеры, мм
		d1	d10	l1	l10	l31	b10	h	h10	d30	l30	h31
4А 71А,В	2,4,6,8	19	7	40	90	45	112	71	9	170	285	203
4А 80А	2,4,6,8	22	10	50	100	50	125	80	10	186	300	218
4А 80В	2,4,6,8	22	10	50	100	50	125	80	10	186	320	218
4А 90L	2,4,6,8	24	10	50	125	56	140	90	11	208	350	243
4А 100S	2,4,6,8	28	12	60	112	63	160	100	12	235	362	263
4А 100L	2,4,6,8	28	12	60	140	63	160	100	12	235	392	263
4А 112M	2,4,6,8	32	12	80	140	70	190	112	12	260	452	310
4А 132S	2,4,6,8	38	12	80	140	89	216	132	13	302	480	350
4А 132M	2,4,6,8	38	12	80	178	89	216	132	13	302	530	350
4А 160S	2	42	15	110	178	108	254	160	18	358	624	430
4А 160S	4,6,8	48	15	110	178	108	254	160	18	358	624	430
4А 160M	2	42	15	110	210	108	254	160	18	358	667	430
4А 160M	4,6,8	48	15	110	210	108	254	160	18	358	667	430
4А 180S	2	48	15	110	203	121	279	180	20	410	662	470
4А 180S	4,6,8	55	15	110	203	121	279	180	20	410	662	470
4А 180M	2	48	15	110	241	121	279	180	20	410	720	470
4А 180M	4,6,8	55	15	110	241	121	279	180	20	410	720	470
4А 200M	2	60	19	140	267	133	318	200	20	450	760	535
4А 200M	4,6,8	60	19	140	267	133	318	200	20	450	790	535
4А 200L	2	55	19	110	305	133	318	200	20	450	800	535
4А 200L	4,6,8	60	19	110	305	133	318	200	20	450	830	535
4А 225M	2	55	19	110	311	149	356	225	20	494	810	575
4А 225M	4,6,8	65	19	140	311	149	356	225	20	494	840	575
4А 250S	2	65	24	140	311	168	406	250	20	554	915	640
4А 250S	4,6,8	75	24	140	311	168	406	250	20	554	915	640
4А 250M	2	65	24	140	349	168	406	250	20	554	955	640
4А 250M	4,6,8	75	24	140	349	168	406	250	20	554	955	640

Энерго-кинематический расчет привода

Так как значение номинальной частоты вращения вала выбранного электродвигателя n может отличаться от исходного расчетного n, то ранее принятые передаточные числа передач привода требуют корректировки.

Фактическое общее передаточное число привода

U

Переразбиваем фактическое передаточное число привода по передачам с учетом рекомендаций и стандартного ряда на передаточные числа. Корректировка проводится в следующей последовательности:

1. Назначаем с учетом рекомендаций (табл.2) и стандартного ряда передаточные числа (табл.5) передаточное число открытой передачи U1.

2. Определяем передаточное число редуктора (остальных передач)

.

Разбиваем (с учетом рекомендаций табл.2, стандартного ряда табл. 5) и рекомендаций табл. 6. передаточное число редуктора (остальных передач) между быстроходной и тихоходной ступенями с учетом кинематической схемы редуктора.

Таблица 5. Стандартные значения U

1 ряд	1	1,25	1,6	2,0	2,5	3,15	4,0	5,0	6,3	8
2 ряд	1,12	1,4	1,8	2,24	2,8	3,55	4,5	5,6	7,1	9

Примечания. 1. Ряд можно продлить, умножив его на 10.

Передаточные числа из стандартного ряда назначают для редукторов и передач, выпускаемых массово или серийно.

Определяем фактическое передаточное число привода с учетом назначенных (стандартных) передаточных чисел передач привода:

UU…U

4. Определяем фактическую частоту вращения выходного вала привода:

Определим погрешность частоты вращения выходного вала привода и сравним с допускаемой при двух передачах n=3%, при трех - n=5%, при четырех передачах 6%

nMAX (1)

Если данное условие (1) не выполняется, следует изменить, в пределах рекомендаций, передаточные числа одной или нескольких передач. При выполнении условия (1) переходим к следующему этапу расчета.

5. Определяем частоты вращения валов привода:

-асинхронной частоте вращения вала электродвигателя, об/мин

 об/мин

об/мин и так далее до последнего (выходного) вала привода.

Определяем вращающие моменты на валах привода:

, Н*м,

, Н*м,

, Н*м и так далее до последнего (выходного) вала привода. Рассчитанные крутящие моменты частоты вращения валов целесообразно оформить в виде таблицы.

Сводная таблица крутящих моментов и частот вращения валов привода

вал	I	II	III	IV	V
n, об/мин.
T, Н*м

Таблица 6. Рекомендации по разбивке передаточного числа между ступенями редукторов различных кинематических схем

Редуктор	Схема	Передаточное число
		Иб (И1)	ИТ (И2)
Двухступенчатый по развернутой схеме Двухступенчатый с раздвоенной быстроходной ступенью		Иред./Ит
Двухступенчатый соосный		Иред./Ит
Коническо-цилиндрический		Иред./Ит
Цилиндрическо-червячный Червячно-цилиндрический		2...3,15 8min	2,5…3,15
Планетарный двухступенчатый Иред.25 25< Иред.63 Иред.>63		4 Иред./6,3 10	Иред./4 6,3 0,1 Иред.

Пример № 1

Пример энерго-кинематического расчета привода

Кинематическая схема привода и исходные данные для расчета

Мощность на выходном валу:

РВВ=22кВт.

Частота вращения выходного вала: nВВ=27 об/мин.

Нагрузка постоянная.

Срок службы t=25000 часов.

1-клиноременная передача

2-червячная передача

3-цилиндрическая косозубая

передача

4-открытая коническая передача

Передачи 2 и 3 закрытые

ЭД - электродвигатель



I. Выбор параметров передач и элементов привода

1 Назначаем КПД () передач и элементов (подшипников) привода:

клиноременная передача --0,96

червячная передача при числе заходов червяка Z=4 -- 0,9

передача редуктора цилиндрическими зубчатыми колесами -- 0,98

открытая передача коническими зубчатыми колесами -- 0,97

подшипники качения (одна пара) -- 0,99

2 Определяем ориентировочное (расчетное) значение КПД привода:

, где m -- число пар подшипников качения в приводе

В данной схеме m=4

Задаемся передаточными числами (U) передач привода:

клиноременная передача -- U1=2

червячная передача при числе заходов червяка Z=4 -- U2=10

зубчатая цилиндрическая передача -- U3=3

открытая зубчатая коническая передача -- U4=2

Определяем передаточное число привода:



Определяем расчетную мощность электродвигателя:

Определяем потребную частоту вращения вала электродвигателя:

Выбираем электродвигатель с учетом данных полученных в п.2 и 3:

марка электродвигателя --4А 180М2

Определяем фактическое передаточное число привода:

Разбиваем фактическое передаточное число привода на передаточные числа передач привода с учетом рекомендаций и стандартного ряда на передаточные числа:

примем передаточное число клиноременной передачи -- Uст1=1,8

передаточное число на остальные передачи определится по формуле

60,55

примем передаточное число червячной передачи при числе заходов червяка

 Z=4 Uст2=10,0

передаточное число на остальные передачи определится по формуле

6,05

примем передаточное число зубчатой цилиндрической передачи-- Uст3=3,15

передаточное число на зубчатую коническую передачу определится по формуле

109/1.8 . 10 .3,15 =1,92

примем передаточное число на зубчатую коническую передачу Uст4=2

Определяем фактическое передаточное число привода с учетом передаточных чисел принятых в п.6:

Определяем фактическую частоту вращения выходного вала привода:

об/мин

Определим погрешность и сравним с допускаемой в 6%



Условие выполняется, переходим к следующему этапу расчета.

Определяем частоты вращения валов привода:

2945об/мин

об/мин

об/мин

об/мин

об/мин

Определяем вращающие моменты на валах привода:

90,3 Н*м

154,5 Н*м

1376,4 Н*м

4207 Н*м

8080 Н*м

Сводная таблица вращающих моментов и частот вращения валов привода

вал	I	II	III	IV	V
n, об/мин.	2945	1636,11	163,611	51,94	25,97
T, Нм	90,3	154,5	1376,4	4207	8080

Пример энерго-кинематического расчета привода, рассмотренный выше рекомендован для студентов очно-заочной и заочной формы обучения при решении задач на практических занятиях выполнении контрольной работы.

Пример №2

Энерго - кинематический расчет привода.

Кинематическая схема привода и исходные данные для расчета

1. Выбор параметров передач привода:

1. Определяем КПД () передач и элементов (подшипников) привода:

-Клиноременная передача

-Передача редуктора цилиндрическими зубчатыми колесами

-Передача редуктора цилиндрическими зубчатыми колесами

-Подшипники качения (три пары)

2. Определяем КПД привода - ():

- число пар подшипников.

В данной схеме m=3.

3. Задаемся передаточными числами передач привода:

- Клиноременная передача - U1 = 2

- Зубчатая цилиндрическая передача (быстроходная) - U2 = 4

- Зубчатая цилиндрическая передача (тихоходная) - U3 = 3

4. Определяем передаточное число привода -:

2. Определяем расчётную мощность электродвигателя -:

- заданное номинальное значение мощности на выходном валу привода, кВт.

3. Определяем расчётную частоту вращения вала электродвигателя - :

nэд = nвв . Uпр = 57 . 24 = 1368

- заданное номинальное значение частоты вращения на выходном валу привода, об/мин.

4. Выбираем электродвигатель в зависимости от вычисленных величин и :

Марка электродвигателя 112M4/1445 , мощностью и асинхронной частотой вращения

5. Определим фактическое передаточное число привода :

6. Разбиваем фактическое передаточное число привода на передаточные числа элементов привода с учётом стандартного ряда на передаточные числа:

- клиноременная передача

Определим передаточное число редуктора с учетом кинематической схемы привода:

Тихоходная цилиндрическая зубчатая передача:

Быстроходная цилиндрическая зубчатая передача:

Округляем полученные значения до стандартных передаточных чисел:

UТ = = 3,15;

7.Определим фактическое передаточное число привода с учетом принятых передаточных чисел:

8. Определяем фактическую частоту вращения выходного вала привода: привод электродвигатель цилиндрический передача

Определяем отклонение фактической частоты вращения выходного вала от заданного:

(условие выполняется)

9. Определяем частоты вращения по валам привода:

10. Определяем крутящие моменты по валам привода:

Результаты расчётов в 9 и 10 пунктах сведём в таблицу:

Вал	1	2	3	4
, ( )	30,567	58,394	227,762	699,584
, ()	1445	722,5	180,625	57,341

Пример №3

Выбор ЭД и энерго-кинематический расчет привода

Исходные данные:

ЭД-электродвигатель

1- клиноременная передача

2 - закрытая передача коническими зубчатыми колесами

3 - передача редуктора цилиндрическими зубчатыми колесами

Передачи 2 и 3 закрытые

Мощность на выходном валу:

РВВ=3,8 кВт.

Частота вращения выходного вала: nВВ=36.

Нагрузка постоянная.

Срок службы t = 28000 часов.

Кп = 1,6 коэффициент перегрузки.

I. Выбор параметров передач и элементов привода

1. Назначяем КПД () передач и элементов (подшипников) привода:

клиноременная передача --0,96

закрытая передача коническими зубчатыми колесами -- 0,97

передача редуктора цилиндрическими зубчатыми колесами -- 0,98

подшипники качения (одна пара) -- 0,995

2. Определяем ориентировочное (расчетное) значение КПД привода:

, где m -- число пар подшипников качения в приводе

В данной схеме m=3

Задаемся передаточными числами (U) передач привода:

клиноременная передача -- U1=3

закрытая зубчатая коническая передача -- U2=3

зубчатая цилиндрическая передача -- U3=4

Определяем передаточное число привода:



Определяем расчетную мощность электродвигателя:

Определяем потребную частоту вращения вала электродвигателя:

Выбираем электродвигатель с учетом данных полученных в п.2 и 3 :

марка электродвигателя --4А 112М4

Определяем фактическое передаточное число привода:

Разбиваем фактическое передаточное число привода на передаточные числа передач привода с учетом рекомендаций и стандартного ряда на передаточные числа:

примем передаточное число клиноременной передачи -- Uст1=3,15

передаточное число на остальные передачи определится по формуле

12,74

передаточное число зубчатой цилиндрической передачи

Uт==3,93

примем передаточное число зубчатой цилиндрической передачи-- Uст3=4

передаточное число на зубчатую коническую передачу определится по формуле

3,2

примем передаточное число на зубчатую коническую передачу Uст2=3,15

Определяем фактическое передаточное число привода с учетом передаточных чисел принятых в п.6:

Определяем фактическую частоту вращения выходного вала привода:

об/мин

Определим погрешность и сравним с допускаемой в 5%

Условие выполняется, переходим к следующему этапу расчета.

Определяем частоты вращения валов привода:

1445об/мин

об/мин

об/мин

об/мин

Определяем вращающие моменты на валах привода:

27.94 Н*м

84.07 Н*м

255.59 Н*м

996.9 Н*м

Сводная таблица вращающих моментов и частот вращения валов привода

вал	I	II	III	IV
n, об/мин.	1445	458.73	145.63	36.41
T, Нм	27.94	84.07	255.59	996.9

Размещено на Allbest.ru