Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

МОДЕРНИЗАЦИЯ ПРИВОДА ПОДАЧИ ПРОДОЛЬНО-СТРОГАЛЬНОГО СТАНКА

Дымов И.С. 1 Гурова Е.Г. 1 Котин Д.А. 1 Макаров С.В. 1
1 ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет»
В статье рассмотрена методика расчетов и обоснования мощности электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением и передаточного числа механизма, передающего и преобразующего крутящий момент, с одной или более механическими передачами. Рассмотрен способ расчета силовой части электропривода подачи продольно-строгального станка. В настоящее время распространение получила система широтно-импульсный преобразователь – двигатель на базе современных полупроводниковых приборов. Особое значение приобретает модернизация находящихся в эксплуатации станков. Установлено, что автоматизация на существующих станках отдельных переходов, операций или наиболее часто встречающихся циклов может дать существенный эффект в отношении повышения производительности и облегчения обслуживания станка. Предложена модернизированная схема привода подачи. В работе приводятся результаты имитационного моделирования. Установлено, что использование широтно-импульсного преобразователя не влияет на качество технологического процесса.
привод подачи
продольно-строгальный станок
широтно-импульсный преобразователь
транзистор
электродвигатель
1. Автоматическое управление электроприводами. Часть 1. Регулирование координат электроприводов постоянного тока: учеб. пособие / В.В. Панкратов. – Новосибирск: Издательство НГТУ, 2013. – 215 с.
2. Автоматизированный электропривод: учеб. пособие / Г.М. Симаков. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010. – 135 с.
3. Редукторы и мотор – редукторы общемашиностроительного применения: Справочник / Л.С. Бойко, А.З. Высоцкий, Э.Н. Галиченко и др. – М.: Машиностроение, 1984. – 247 с.
4. Справочник по электрическим машинам. В 2 т. / под общ. ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова. Т. 1. – М.: Энергоатомиздат, 1988 – 456 с.
5. Теория электропривода / И.Д. Абакумов. – Новосибирск: НГТУ, 2008 – 72 с.

В настоящее время все мероприятия по усовершенствованию металлорежущих станков напрямую связаны с развитием автоматизированного электропривода. Ранее применение находил электропривод по системе генератор – двигатель. Однако система генератор – двигатель является сравнительно сложной, дорогой и имеет низкий КПД. Замена в ряде случаев преобразователя системы генератор – двигатель полупроводниковым преобразователем, несомненно, целесообразна, т.к. при этом повышается КПД привода, уменьшаются его вес и габарит, повышается быстродействие привода. Особое значение приобретает модернизация уже находящихся в эксплуатации станков. В связи с этим автоматизация на существующих станках отдельных переходов, операций или наиболее часто встречающихся циклов может дать существенный эффект в отношении повышения производительности и облегчения обслуживания станка.

Цель исследования – разработка транзисторного электропривода подачи суппортов продольно-строгального станка.

Задачи:

  1. Рассчитать и обосновать двигатель постоянного тока с независимым возбуждением (ДПТНВ) и передаточное число редуктора.
  2. Рассчитать и обосновать элементную базу силовой части системы широтно-импульсный преобразователь – двигатель постоянного тока с независимым возбуждением (ШИП-ДПТНВ).
  3. Синтезировать двухзонную систему подчиненного регулирования системы ШИП-ДПТНВ.

Материалы и методы исследования

Предметом исследования является использование системы ШИП-ДПТНВ в приводе подачи продольно-строгального станка.

Результаты исследования и их обсуждение

Продольно-строгальный станок – металлообрабатывающий станок для обработки плоских и линейчатых поверхностей резцом. Предмет совершает прямолинейное рабочее движение, проходя под неподвижным резцом, который при окончании рабочего хода несколько сдвигается на сторону (движение подачи) для снятия следующей стружки.

Тахограмма и нагрузочная диаграмма механизма главного движения без учета динамических нагрузок представлены на рис. 1.

pic_17.tif

Рис. 1. Тахограмма и нагрузочная диаграмма механизма главного движения

Как вертикальные, так и боковые суппорты имеют самостоятельные коробки подач и индивидуальные электродвигатели. Электродвигатели коробок подач и главного движения сблокированы с таким расчетом, что при холостом движении главного двигателя, когда стол совершает обратное нерабочее движение, электродвигатели коробок подач совершают рабочее движение, т.е. движение подач.

В исследовании рассматривается наиболее тяжелый режим работы, когда суппорт нужно перенести из одного крайнего положения траверсы в другой. Тахограмма и нагрузочная диаграмма горизонтальной подачи суппортов по траверсе без учета динамических нагрузок представлены на рис. 2.

С помощью нагрузочной диаграммы возможно найти среднеквадратичное (эквивалентное по условиям нагрева) значение статической мощности, соответствующее реальному (обусловленному технологией) значению продолжительности включения электродвигателя по следующей формуле:

dymov001.wmf (1)

где ωпод – скорость подачи, с–1; Мпод.р, Мпод.т, Мпод.раб – моменты разгона, торможения и рабочей скорости, Нм; tпод.р, tпод.т, tпод.раб, tобр – время разгона, торможения, движения на рабочей скорости и обратного хода, с.

pic_18.tif

Риc. 2. Тахограмма и нагрузочная диаграмма горизонтальной подачи суппортов по траверсе при одном двойном ходе c учетом динамических нагрузок

Расчётную мощность двигателя в этом случае можно найти как

dymov002.wmf (2)

где Кз = 1,1 – коэффициент запаса мощности при расчете с учетом динамических нагрузок; ηмех – КПД механизма (пары «рейка – колесо»); ПВст % – стандартная продолжительность включения.

Суммарный момент инерции возможно найти по формуле из [5]:

dymov003.wmf (3)

где JΣ – суммарный момент инерции привода.

Требуемое передаточное число редуктора определяется по формуле

dymov004.wmf (4)

С учетом формул (3) и (4) выбирается электродвигатель общепромышленной серии 2П по [4], исходя из условия минимума произведения (dymov005.wmf), а также редуктор по [3].

Для проверки двигателя на перегрузочную способность воспользуемся следующей формулой:

dymov006.wmf (5)

где dymov007.wmf – номинальный момент электродвигателя. (6)

Для проверки двигателя по нагреву можно использовать метод эквивалентных моментов, при этом должно выполняться следующее условие:

dymov008.wmf (7)

Функциональная схема системы ШИП-ДПТНВ с возможностью регулирования напряжения на обмотке возбуждения предоставлена на рис. 3.

pic_19.tif

Рис. 3. Функциональная двухзонная схема системы ШИП-ДПТНВ

Расчет силовой части ведется по полученным данным двигателя и передаточного числа редуктора.

Трансформатор в управляемом вентильном электроприводе необходим для согласования напряжения сети с напряжением двигателя. Трансформатор выбирается по коэффициенту трансформации и типовой мощности.

Коэффициент трансформации трансформатора определяется как

dymov009.wmf (8)

Типовая мощность трансформатора

dymov010.wmf (9)

где q – коэффициент схемы.

Выбор и проверка тиристоров, принятых к установке в преобразователе, производится по трем параметрам: по среднему току, максимальному амплитудному значению напряжения на тиристоре и ударному току внутреннего короткого замыкания.

Среднее значение тока, протекающего через тиристор, А:

dymov011.wmf (10)

где Iдоп – допустимый ток двигателя для общепромышленной серии машин.

Максимальное амплитудное напряжение на тиристоре, В:

dymov012.wmf (11)

где kзн = 1,3...1,5 – коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможность перенапряжений на тиристорах; U – линейное действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Ударный ток внутреннего короткого замыкания находится по формуле, А:

dymov013.wmf (12)

Выпрямленное напряжение сглаживается емкостным фильтром. Емкость фильтра Cф дополнительно выполняет следующие функции: накопителя энергии, возвращаемой электродвигателем в тормозном режиме, реактивной проводимости в цепи обратного тока и компенсатора индуктивного сопротивления трансформатора.

Емкость конденсатора фильтра с учетом перегрузки равна, Ф:

dymov014.wmf (13)

Напряжение конденсатора фильтра, В:

dymov015.wmf (14)

где kз = 1,3...1,5 – коэффициент запаса по напряжению.

Выбор транзисторов производится по следующим параметрам: по максимальному току перехода эмиттер-коллектор в открытом состоянии через транзистор и по максимальному напряжению перехода эмиттер-коллектор транзистора.

Максимальный ток якоря, приведенный к классификационным параметрам транзистора, А:

dymov016.wmf (15)

где kси = 3 – коэффициент инвертирования; kохл = 1...2, 5 – коэффициент, учитывающий условия охлаждения; kз.шим = 1, 2 – коэффициент запаса на ШИМ пульсации.

Максимальное напряжение, которое прикладывается к транзистору во время его запирания, В:

dymov017.wmf (16)

где kзн = 1,3 – коэффициент, учитывающий перенапряжение.

Для транзисторного электропривода с ШИП важным параметром является оптимальная частота коммутации, которая может быть вычислена по формуле

dymov018.wmf (17)

где kf = 0,332 – коэффициент пропорциональности; t+ , t – время нарастания и спада коллекторного тока транзистора, мкс.

Для того чтобы удостовериться в правильности выбора электродвигателя и полупроводникового преобразователя, воспроизведем работу электропривода согласно тахограмме и нагрузочной диаграмме привода подачи в программе Simulink Matlab.

Структурная схема электропривода, составленная с помощью программы Simulink Matlab, представлена на рис. 4.

Рассмотрим наиболее интересующий переходный процесс – по скорости, который представлен на рис. 5.

pic_20.tif

Рис. 4. Структурная схема электропривода подачи в Simulink Matlab

pic_21.tif

Рис. 5. Переходный процесс по скорости электропривода подачи

Результаты имитационного моделирования доказали, что переходный процесс по скорости полностью повторяет ранее рассмотренную тахограмму привода подачи продольно-строгального станка (рис. 2).

Заключение

  1. Предложена методика расчета требуемой мощности двигателя и передаточного числа редуктора.
  2. Рассчитана элементная база силовой части электропривода.
  3. Произведен расчет замкнутой системы регулирования скорости, с обратной связью по току, скорости, магнитному потоку и ЭДС, а также были рассчитаны регуляторы по каждому из контуров.

Рецензенты:

Аносов В.Н., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой электропривода и автоматизации промышленных установок (ЭАПУ), НГТУ, г. Новосибирск;

Алиферов А.И., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой автоматизированных электротехнологических установок (АЭТУ), НГТУ, г. Новосибирск.

Работа поступила в редакцию 05.08.2014.


Библиографическая ссылка

Дымов И.С., Гурова Е.Г., Котин Д.А., Макаров С.В. МОДЕРНИЗАЦИЯ ПРИВОДА ПОДАЧИ ПРОДОЛЬНО-СТРОГАЛЬНОГО СТАНКА // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9-7. – С. 1430-1435;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=35079 (дата обращения: 05.12.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074