Определение передаточного числа редуктора.

Введение

Курсовое проектирование является важным этапом изучение курса “Теория электропривода” и предлагает законченным освоение курсов теоретических основ электротехники, теории автоматического управления и электрических машин.

Целью курсовой работы является приобретение навыков в разработке, применение известных методов расчета и проектирование приводов производственных механизмов, которые бы обеспечивали высокую производительность, имели бы. Необходимо, прежде всего, уяснить технологические особенности работы механизма: величину и характер изменения статического момента, плавность и пределы регулирования скорости, частоту и условия пусков и торможений, требования к статическим и динамическим режимам и т.д., что позволит выбрать целесообразный тип и рациональную мощность привода, обеспечивающего высокую производительность производственного механизма, его надежность и долговечность, минимальные массогабаритные показатели и энергозатраты, а также возможность комплексной автоматизации данного производственного процесса.

В курсовой работе предусматривается разработка электропривода по системе генератор-двигатель с асинхронным приводом двигателем с фазным ротором для одного из общепромышленных механизмов циклического действия. Выбор такой системы электропривода обусловлен учебными задачами - закрепление знаний по курсу “Теория электропривода”.

Задание на курсовую работу

Задачей курсовой работы является разработка разомкнутой системы реверсивного электропривода производственного механизма, выбор и расчет его силовых элементов, расчет и построение нагрузочных диаграмм и тахограммы, статических и динамических характеристик, кривых переходного процессов и проверка двигателя по нагреву.

На рис. 1.1 приведена кинематическая схема механизма наклонного подъемника, электропривод которого надлежит разработать.

Рисунок 1.1 – Кинематическая схема механизма наклонного подъемника

Наклонный подъемник состоит из тележки 1, перемещающейся по рельсовому пути, уложенному под углом α к горизонтали. Тележка совершает челночное движение по перемещению груза из нижнего положения (из точки А или А’) в верхнее положение (в точку С) на расстояние ℓ или ℓ’. После разгрузки в верхнем положении тележка порожней возвращается в нижнее положении, где проводится ее загрузка, а за тем цикл повторяется.

Перемещение тележки осуществляется при помощи троса 5 (система кинематических связей, для упрощения ее изображения, приведена на рисунке 1.1 схематично), наматываемого на барабан 2, который сочленяется через редуктор 3 с двигателем 4. Для улучшения режима работы двигателя, к барабану, через трос 5, присоединяется противовес 6. При остановках в нижнем и верхнем положениях тележка удерживается с помощью электромагнитных тормозов. В общем случае предлагается, что при пуске двигателя его растормаживание происходит мгновенно в момент времени, когда электромагнитный момент двигателя Мg сравняется со статическим моментом Мс.

Цикл работы подъемника состоит из следующих этапов. Из нижнего положения, точка А (А'), загруженная тележка, разогнавшись, осуществляет движение с постоянной рабочей скоростью V_раб. После прохождения тележкой расстояния ℓ’’ (ℓ’ + ℓ’') подается сигнал на снижение напряжения питания обмотки возбуждения генератора и двигатель переключается работать на новую статическую характеристику с меньшей угловой скоростью, а тележка, притормозив под действием статических сил сопротивления, переходит на движение с ползучей скоростью V_полз. Затем отключается возбуждение генератора и тележка, под действием сил сопротивления, останавливается в точке С с последующим наложением тормозов (сигнал на срабатывание тормозов может поступать от датчиков перемещения тележки). В аварийном случае, когда тележка не останавливается в предельном положении, сигнал от концевых выключателей вызывает накладывание тормозов еще до ее остановки. После остановки тележка разгружается и затем, разогнавшись до рабочей скорости V_раб, двигается вниз до отметки, отстоящей от точки С на расстояние ℓ’’, после чего снижается напряжение питания обмотки возбуждения генератора и двигатель переключается работать на новую статическую характеристику с меньшей угловой скоростью, а тележка, притормозив под действием статических сил сопротивления, переходит на движение с ползучей скоростью. Остановка тележки в точке А (A') происходит аналогично остановке в точке С. Затем тележка загружается и на этом очередной цикл заканчивается.

Ходовая часть тележки, к.п.д. редуктора и барабана характеризуется следующими величинами:

1) диаметр колеса тележки

2) диаметр цапфы колеса

3) коэффициент трения качения колеса по рельсу

4) коэффициент трения скольжения в подшипниках колес ;

5) коэффициент, учитывающий сопротивление движению колеса от трения его реборды о рельс, от трения на торцевых частях ступицы и т.д. ;

6) к.п.д. редуктора ;

7) к.п.д. барабана .

Массогабаритные и скоростные показатели транспортного средства:

1) масса тележки m_т = 60, кг;

2) масса груза m_г = 240, кг;

3) масса противовеса m_пр = 115, кг;

4) рабочая скорость тележки V_раб = 0,6, м/с;

5) ползучая скорость тележки V_полз = 0,05, м/с;

6) допустимое ускорение тележки а_доп = 0,66, м/с^2;

7) момент инерции барабана J_б = 4, кгм²;

8) диаметр барабана D_б = 0,36, м;

9) угол наклона пути α = 40, град.

Показатели работы транспортного средства и транспортного пути:

1) время загрузки t_з = 10, с;

2) время разгрузки t_р = 8, с;

3) длина пути движения между точками А и С ℓ = 10, м;

4) длина пути движения между точками А и A' ℓ' = 1,5, м;

5) длина пути разгона и движения груженой тележки с V_раб ℓ'' = 9, м;

6) длина пути разгона и движения порожней тележки с V_раб ℓ''' = 9,2, м.

В качестве электропривода используется система генератор-двигатель постоянного тока независимого возбуждения (Г-Д) с приводным асинхронным двигателем с фазным ротором.

При выполнении курсовой работы необходимо:

1. привести кинематическую схему механизма наклонного подъемника и в соответствии с вариантом записать его показатели;

2. определить величины моментов сопротивления относительно вала барабана для обоих направлений движений тележки;

3. определить предварительную мощность электрических машин системы с учетом ПВ% и рациональное передаточное число редуктора;

4. рассчитать и построить тахограмму и нагрузочные диаграммы , электропривода с учетом динамических нагрузок и при условии постоянства ускорений в периоды переходных процессов;

5. проверить предварительно выбранный двигатель по мощности, используя методы эквивалентных (средних) величин, и по перегрузочной способности. Представить принципиальную схему электропривода;

6. рассчитать и построить статические механические (электромеханические) характеристики для всех режимов работы привода: для груженой и порожней тележки при работе с и ;

7. рассчитать и построить графики переходных процессов электропривода:

, и для всех участков, а также динамическую механическую

характеристику ;

8. проверить двигатель по нагреву с учетом реальных переходных процессов;

9. рассчитать и выбрать пусковые резисторы приводного асинхронного двигателя.

Определение сил и моментов.

Поскольку передаточное число редуктора неизвестно и его еще предстоит определить с учетом действующих сил, то целесообразно рассчитать мощность на валу барабана 2 (рис. 2.1), являющегося последним кинематическим звеном производственного механизма пред редуктором и насаженном на его выходном валу. Учитывая технологические особенности работы производственного механизма за период цикла (различия в скоростях и направления движения, масс грузовой тележки), тахограмма и нагрузочные диаграммы будут представлять собой ломаные графики с отрезками, расположенными по разные стороны от оси абсцисс (оси времени) и на разном от нее удалении. Учитывая сказанное, необходимо определить силы и моменты на соответствующих интервалах движения тележки.

Рисунок 2.1 – Силы и моменты, действующие на производственный механизм при различных направлениях движения тележки.

Величина и направление момента на барабане:

, (2.1)

где - результирующая реактивной и активной сил, Н;

- сила сопротивления от реактивной статической нагрузки, Н;

- коэффициент сопротивления движению, зависящий от коэффициентов трения качания по рельсу ,м, трения скольжения в подшипниках колес и коэффициента к, учитывающего трения реборды колеса о рельс, торцевых частей ступицы и т.д.;

- радиус цапфы колеса, м ;

- диаметр колеса, м ;

- нормальная составляющая от веса тележки (при движении вверх , а при движение вниз , Н);

- тангенциальная составляющая от веса тележки , Н;

- вес (сила тяжести) противовеса, Н;

- радиус барабана, м;

Движение вверх:

- угловая скорость барабана,

где V-скорость движения тележки, ;

- мощность на барабане при подъеме.

Движение вниз:

- мощность на барабане при спуске.

Предварительный расчет мощности электродвигателя.

Для точного расчета и выбора электродвигателя необходимо иметь тахограмму и нагрузочную диаграмму двигателя. Нагрузочная диаграмма определяется не только статическими, нагрузками, но и передаточным числом редуктора, выбор которого связан с параметрами двигателя, а так же динамическими нагрузками, которые в значительной мере зависят от инерционных масс системы электропривода, в том числе и от момента инерции двигателя. При этих условиях нагрузочная диаграмма двигателя построена быть не может. Поэтому необходимо предварительно выбрать двигатель с учетом ПВ% по средним эквивалентным значениям мощности статической нагрузки, с последующей проверкой его по условиям нагрева и допустимого значения максимального момента.

Рисунок 3.1 – Упрощенная нагрузочная диаграмма механизма

Оси пронумеровать

Предварительный выбор двигателя может быть выполнен на основании расчета среднего или эквивалентного значения статической мощности за время в пределах цикла:

(3.1)

(3.2)

где - коэффициент, учитывающий отличие динамической нагрузочной диаграммы двигателя от статической.

– статические мощности на валу двигателя с учетом к.п.д. редуктора и барабана при движении тележки вверх и вниз.

Мощность двигателя с учетом ПВ%

Заключение

В данном курсовом проекте была разработана схема электропривода производственного механизма передвижения тележки.

В ходе проектирования был выбран двигатель, генератор и асинхронный двигатель, в качестве приводного. Для данного привода была построена тахограмма и нагрузочные диаграммы, двигатель бы проверен по перегрузочной способности с учетом нагрева и переходных процессов. Проверка показала, что данный двигатель соответствует предъявляемым требованиям.

Список используемой литературы

1. «Методические указания к курсовой работе»,

под редакцией Н.С. Бурянина, Д.Ф. Зенков 1988г.

2. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. “Теория электропривода” ,

М. Энергоиздательство 1981г.

3. Вешеневский С.Н. “Характеристики двигателей в электроприводе”

М. Энергия 1977г.

4. Романов М.Н. «Методические указания по правилам оформления отчетов по лабораторным работам и расчетно-пояснительных записок для курсовых проектов», Новосибирск 1994г.

Введение

Курсовое проектирование является важным этапом изучение курса “Теория электропривода” и предлагает законченным освоение курсов теоретических основ электротехники, теории автоматического управления и электрических машин.

Целью курсовой работы является приобретение навыков в разработке, применение известных методов расчета и проектирование приводов производственных механизмов, которые бы обеспечивали высокую производительность, имели бы. Необходимо, прежде всего, уяснить технологические особенности работы механизма: величину и характер изменения статического момента, плавность и пределы регулирования скорости, частоту и условия пусков и торможений, требования к статическим и динамическим режимам и т.д., что позволит выбрать целесообразный тип и рациональную мощность привода, обеспечивающего высокую производительность производственного механизма, его надежность и долговечность, минимальные массогабаритные показатели и энергозатраты, а также возможность комплексной автоматизации данного производственного процесса.

В курсовой работе предусматривается разработка электропривода по системе генератор-двигатель с асинхронным приводом двигателем с фазным ротором для одного из общепромышленных механизмов циклического действия. Выбор такой системы электропривода обусловлен учебными задачами - закрепление знаний по курсу “Теория электропривода”.

Задание на курсовую работу

Задачей курсовой работы является разработка разомкнутой системы реверсивного электропривода производственного механизма, выбор и расчет его силовых элементов, расчет и построение нагрузочных диаграмм и тахограммы, статических и динамических характеристик, кривых переходного процессов и проверка двигателя по нагреву.

На рис. 1.1 приведена кинематическая схема механизма наклонного подъемника, электропривод которого надлежит разработать.

Рисунок 1.1 – Кинематическая схема механизма наклонного подъемника

Наклонный подъемник состоит из тележки 1, перемещающейся по рельсовому пути, уложенному под углом α к горизонтали. Тележка совершает челночное движение по перемещению груза из нижнего положения (из точки А или А’) в верхнее положение (в точку С) на расстояние ℓ или ℓ’. После разгрузки в верхнем положении тележка порожней возвращается в нижнее положении, где проводится ее загрузка, а за тем цикл повторяется.

Перемещение тележки осуществляется при помощи троса 5 (система кинематических связей, для упрощения ее изображения, приведена на рисунке 1.1 схематично), наматываемого на барабан 2, который сочленяется через редуктор 3 с двигателем 4. Для улучшения режима работы двигателя, к барабану, через трос 5, присоединяется противовес 6. При остановках в нижнем и верхнем положениях тележка удерживается с помощью электромагнитных тормозов. В общем случае предлагается, что при пуске двигателя его растормаживание происходит мгновенно в момент времени, когда электромагнитный момент двигателя Мg сравняется со статическим моментом Мс.

Цикл работы подъемника состоит из следующих этапов. Из нижнего положения, точка А (А'), загруженная тележка, разогнавшись, осуществляет движение с постоянной рабочей скоростью V_раб. После прохождения тележкой расстояния ℓ’’ (ℓ’ + ℓ’') подается сигнал на снижение напряжения питания обмотки возбуждения генератора и двигатель переключается работать на новую статическую характеристику с меньшей угловой скоростью, а тележка, притормозив под действием статических сил сопротивления, переходит на движение с ползучей скоростью V_полз. Затем отключается возбуждение генератора и тележка, под действием сил сопротивления, останавливается в точке С с последующим наложением тормозов (сигнал на срабатывание тормозов может поступать от датчиков перемещения тележки). В аварийном случае, когда тележка не останавливается в предельном положении, сигнал от концевых выключателей вызывает накладывание тормозов еще до ее остановки. После остановки тележка разгружается и затем, разогнавшись до рабочей скорости V_раб, двигается вниз до отметки, отстоящей от точки С на расстояние ℓ’’, после чего снижается напряжение питания обмотки возбуждения генератора и двигатель переключается работать на новую статическую характеристику с меньшей угловой скоростью, а тележка, притормозив под действием статических сил сопротивления, переходит на движение с ползучей скоростью. Остановка тележки в точке А (A') происходит аналогично остановке в точке С. Затем тележка загружается и на этом очередной цикл заканчивается.

Ходовая часть тележки, к.п.д. редуктора и барабана характеризуется следующими величинами:

1) диаметр колеса тележки

2) диаметр цапфы колеса

3) коэффициент трения качения колеса по рельсу

4) коэффициент трения скольжения в подшипниках колес ;

5) коэффициент, учитывающий сопротивление движению колеса от трения его реборды о рельс, от трения на торцевых частях ступицы и т.д. ;

6) к.п.д. редуктора ;

7) к.п.д. барабана .

Массогабаритные и скоростные показатели транспортного средства:

1) масса тележки m_т = 60, кг;

2) масса груза m_г = 240, кг;

3) масса противовеса m_пр = 115, кг;

4) рабочая скорость тележки V_раб = 0,6, м/с;

5) ползучая скорость тележки V_полз = 0,05, м/с;

6) допустимое ускорение тележки а_доп = 0,66, м/с^2;

7) момент инерции барабана J_б = 4, кгм²;

8) диаметр барабана D_б = 0,36, м;

9) угол наклона пути α = 40, град.

Показатели работы транспортного средства и транспортного пути:

1) время загрузки t_з = 10, с;

2) время разгрузки t_р = 8, с;

3) длина пути движения между точками А и С ℓ = 10, м;

4) длина пути движения между точками А и A' ℓ' = 1,5, м;

5) длина пути разгона и движения груженой тележки с V_раб ℓ'' = 9, м;

6) длина пути разгона и движения порожней тележки с V_раб ℓ''' = 9,2, м.

В качестве электропривода используется система генератор-двигатель постоянного тока независимого возбуждения (Г-Д) с приводным асинхронным двигателем с фазным ротором.

При выполнении курсовой работы необходимо:

1. привести кинематическую схему механизма наклонного подъемника и в соответствии с вариантом записать его показатели;

2. определить величины моментов сопротивления относительно вала барабана для обоих направлений движений тележки;

3. определить предварительную мощность электрических машин системы с учетом ПВ% и рациональное передаточное число редуктора;

4. рассчитать и построить тахограмму и нагрузочные диаграммы , электропривода с учетом динамических нагрузок и при условии постоянства ускорений в периоды переходных процессов;

5. проверить предварительно выбранный двигатель по мощности, используя методы эквивалентных (средних) величин, и по перегрузочной способности. Представить принципиальную схему электропривода;

6. рассчитать и построить статические механические (электромеханические) характеристики для всех режимов работы привода: для груженой и порожней тележки при работе с и ;

7. рассчитать и построить графики переходных процессов электропривода:

, и для всех участков, а также динамическую механическую

характеристику ;

8. проверить двигатель по нагреву с учетом реальных переходных процессов;

9. рассчитать и выбрать пусковые резисторы приводного асинхронного двигателя.

Определение сил и моментов.

Поскольку передаточное число редуктора неизвестно и его еще предстоит определить с учетом действующих сил, то целесообразно рассчитать мощность на валу барабана 2 (рис. 2.1), являющегося последним кинематическим звеном производственного механизма пред редуктором и насаженном на его выходном валу. Учитывая технологические особенности работы производственного механизма за период цикла (различия в скоростях и направления движения, масс грузовой тележки), тахограмма и нагрузочные диаграммы будут представлять собой ломаные графики с отрезками, расположенными по разные стороны от оси абсцисс (оси времени) и на разном от нее удалении. Учитывая сказанное, необходимо определить силы и моменты на соответствующих интервалах движения тележки.

Рисунок 2.1 – Силы и моменты, действующие на производственный механизм при различных направлениях движения тележки.

Величина и направление момента на барабане:

, (2.1)

где - результирующая реактивной и активной сил, Н;

- сила сопротивления от реактивной статической нагрузки, Н;

- коэффициент сопротивления движению, зависящий от коэффициентов трения качания по рельсу ,м, трения скольжения в подшипниках колес и коэффициента к, учитывающего трения реборды колеса о рельс, торцевых частей ступицы и т.д.;

- радиус цапфы колеса, м ;

- диаметр колеса, м ;

- нормальная составляющая от веса тележки (при движении вверх , а при движение вниз , Н);

- тангенциальная составляющая от веса тележки , Н;

- вес (сила тяжести) противовеса, Н;

- радиус барабана, м;

Движение вверх:

- угловая скорость барабана,

где V-скорость движения тележки, ;

- мощность на барабане при подъеме.

Движение вниз:

- мощность на барабане при спуске.

Предварительный расчет мощности электродвигателя.

Для точного расчета и выбора электродвигателя необходимо иметь тахограмму и нагрузочную диаграмму двигателя. Нагрузочная диаграмма определяется не только статическими, нагрузками, но и передаточным числом редуктора, выбор которого связан с параметрами двигателя, а так же динамическими нагрузками, которые в значительной мере зависят от инерционных масс системы электропривода, в том числе и от момента инерции двигателя. При этих условиях нагрузочная диаграмма двигателя построена быть не может. Поэтому необходимо предварительно выбрать двигатель с учетом ПВ% по средним эквивалентным значениям мощности статической нагрузки, с последующей проверкой его по условиям нагрева и допустимого значения максимального момента.

Рисунок 3.1 – Упрощенная нагрузочная диаграмма механизма

Оси пронумеровать

Предварительный выбор двигателя может быть выполнен на основании расчета среднего или эквивалентного значения статической мощности за время в пределах цикла:

(3.1)

(3.2)

где - коэффициент, учитывающий отличие динамической нагрузочной диаграммы двигателя от статической.

– статические мощности на валу двигателя с учетом к.п.д. редуктора и барабана при движении тележки вверх и вниз.

Мощность двигателя с учетом ПВ%

Определение передаточного числа редуктора.

Из таблицы приложений выбираем три двигателя серии “П”, мощностью наиболее близкой к, полученной в предыдущем пункте, предварительной мощности двигателя:

Таблица 4.1

Двигатели постоянного тока сери “П” продолжительного режима, защищенные, с самовентиляцией, 220В, возбуждение независимое

Тип двигателя	Номинальная мощность Рном	Номинальная частота вращения nном	Номинальный ток якоря Iн	Сопротивление обмотки якоря и доп. полюсов Zя+Zдп	Число активных проводников якоря	Сопротивление независимой обмотки Zв	Число витков независимой обмотки на полюс Wнх	Номинальный ток независимой обмотки Iвн	Номинальный магнитный поток на полюс Фн	Номинальный кпд ηн	Момент инерции якоря J
	кВт	Об/мин.	А	Ом		Ом		А	мВб	%	кгм2
П21	0,7		4,3	6,75				0,3	3,1	73,6	0,042
П31	0,7		2,9	9,48				0,29	5,2		0,09
П32	0,7		4,2	4,98				0,31	8,1		0,116

Выбираем двигатель, руководствуясь следующими данными:

, (4.1)

где - передаточное число редуктора;

- номинальная угловая скорость.

П21: ; ;

.

П31: ; ;

.

П32: ; ;

.

Руководствуясь требованием , выбираем двигатель серии П32.

Для дальнейших расчетов выбираем ближайшее меньшее стандартное передаточное число редуктора и его тип РМ-500: .

Рассчитываем мощность генератора:

В качестве генератора будем использовать двигатель типа:

Таблица 4.2

Двигатели постоянного тока сери “П” продолжительного режима, защищенные, с самовентиляцией, 220В, возбуждение независимое

Тип двигателя	Номинальная мощность Рном	Номинальная частота вращения nном	Номинальный ток якоря Iн	Сопротивление обмотки якоря и доп. полюсов Zя+Zдп	Число активных проводников якоря	Сопротивление независимой обмотки Zв	Число витков независимой обмотки на полюс Wнх	Номинальный ток независимой обмотки Iвн	Номинальный магнитный поток на полюс Фн	Номинальный кпд ηн	Момент инерции якоря J
	кВт	Об/мин.	А	Ом		Ом		А	мВб	%	кгм2
П42	1.5		9,75	2,92				0,69	5,1	74,1	0,18

Рассчитываем мощность АД:

Здесь всю формулу расшифровать

В качестве гонного двигателя используем асинхронный двигатель серии МТН с фазным ротором:

Таблица 4.3

Металлургические двигатели серии МТН с фазным ротором 380/220В, ПВ%=100%

Тип двигателя	Мощность на валу Р2Н	Номинальная частота вращения nном	Номинальный ток ротора Iрн	ЭДС между кольцами неподвижного разомкнутого ротора Ер.р.	Номинальный момент Мн, Нм	Критический момент Мкр	Момент инерции ротора J	Номинальное скольжение Sн	Критическое скольжение Sкр	Сопротивление фазы ротора Zр	Номинальный кпд ηн
	кВт	Об/мин.	А	В	Нм	Нм	кгм2	%	%	Ом	%
МТН 111-6			8,5		20,3		0,0488	0,06	0,7	0,717

5. Построение тахограммы и нагрузочных диаграмм.

Тахограмма представляет собой зависимость на интервале цикла. Для построения тахограммы необходимо определить интервалы времени работы двигателя в каждом режиме:

Подъём:

1 интервал - время разгона двигателя и длина участка пути:

2 интервал - время работы двигателя с , соответствующей рабочей скорости перемещения тележки , и длина участка пути:

3 интервал - время перехода от до и длина участка пути:

4 интервал - время работы двигателя с , соответствующей «ползучей» скорости перемещения тележки , и длина участка пути:

где - определяется на пятом интервале из условия, что после отключения напряжения обмотки возбуждения генератора остановка произойдет в конечной точке при замедлении под действием статических сил сопротивления.

5 интервал - время замедления скорости тележки до “0” и длина участка пути:

где - замедление тележки под действием статических сил сопротивления после отключения напряжения обмотки возбуждения генератора , считая условно, что при этом и соответственно становится мгновенно равным нулю;

- момент статических сил сопротивления, приведенный к валу двигателя;

- момент инерции системы производственный механизм- двигатель, приведенный к валу двигателя;

- момент инерции произведенного механизма, приведенный к валу барабана.

6 интервал - время разгрузки:

Аналогично рассчитывается интервалы второй половины цикла. При этом время разгона двигателя и длина пути на спуске равны этим значениям на подъеме:

Спуск:

7 интервал:

8 интервал:

9 интервал:

10 интервал: