4. Разработка привода главного движения

Для определения нагрузки двигателя необходимо определить режимы резания, т.е. скорость, усилие и мощность резания, для наиболее тяжелого режима обработки.

Каждый вид обработки характеризуется оптимальными значениями скоростей, усилий и мощностей, зависящих от материала детали, материала и геометрии режущего инструмента, которые определяются по эмпирическим формулам или по специальным картам технологических нормативов. Например, при точении оптимальная скорость резания

(4.1)

где С_V – коэффициент, характеризующий обрабатываемый материал и материал резца, а также вид токарной обработки (при обработке стали и чугуна твердосплавными резцами С_V = 40–260, резцами из быстрорежущей стали С_V = 18–54);

Т – стойкость резца (время работы его между двумя соседними заточками), для токарных работ Т = 60–180 мин;

t – глубина резания, измеряемая расстоянием между обрабатываемой и обработанной поверхностями (для черной обработки t = 3–30 мм, при чистовой t = 0,1–2 мм);

S – подача, представляющая собой перемещение резца, приходящегося на один оборот изделия (при черновой обработке S = 0,4–2 мм/об, при чистовой S = 0,1–0,4 мм/об);

m, Х_V и Y_V – показатели степени, зависящие от свойств обрабатываемого металла, материала резца и вида обработки.

В процессе снятия стружки резцом возникает усилие, приложенное под некоторым углом к режущей кромке инструмента, которое можно представить в виде трех составляющих: F_z – тангенциальное усилие или усилие резания; F_y – радиальное усилие, создающее давление на суппорт; F_r – осевое усилие или усилие подачи, преодолеваемое механизмом подачи.

Для расчета усилия резания F_z, Н, используются эмпирическая формула

F_z = 9,81C_Ft^xFS^vFvⁿk, (4.2)

где C_F – коэффициент, характеризующий обрабатываемый материал, материал резца и вид токарной обработки (при обработке стали твердосплавным резцом C_F = 208, при обработке серого чугуна C_F = 92);

k – произведение поправочных коэффициентов.

Карта обработки представлена на рис. 4.1, циклограмма – на рис. 4.2, механическая характеристика – на рис. 4.3.

4.1. Естественные характеристики двигателя независимого возбуждения

Каталожными данными двигателя независимого возбуждения являются номинальные данные:

U_н – номинальное напряжение на якоре, В;

P_н – номинальная мощность на валу, кВт;

I_н – номинальный ток якорной цепи, А;

n_н – номинальная частота вращения, мин^–1,

n_макс – максимальная допускаемая частота вращения, мин^–1;

М_макс – максимальный вращающий момент, кГм;

J_дв – момент инерции якоря, кгм² (или GD² = J_дв – маховый момент).

В каталогах некоторых серий двигателей (в частности, краново-металлурги-ческой серии Д) и справочниках приводятся:

2р_п – число полюсов;

N – число активных проводников якоря;

Рис. 4.1. Карта обработки

Рис. 4.2. Циклограмма

2а – число параллельных ветвей якоря;

r_оя – сопротивление обмотки якоря, Ом;

r_дп – сопротивление обмотки добавочных полюсов, Ом;

_вп – число витков параллельной обмотки на полюс;

r_ов – сопротивление параллельной обмотки, Ом;

Ф_н – номинальный магнитный поток на полюс, мкс,

а также характеристики намагничивания двигателей Ф = f(F) и рабочие характеристики – каталожные зависимости от тока якоря I, частоты вращения n = f(I), момента на валу М_в = f(I), мощности на валу P_в = f(I) и коэффициента полезного действия η = f(I).

Рис. 4.3. Механическая характеристика

Необходимо отметить, что для дальнейших расчетов частоты вращения n и момента каталожные данные М нужно пересчитать в единицах измерения системы СИ:

, (4.3)

M = 9,81М, кгм. (4.4)

Механические характеристики двигателя независимого возбуждения прямолинейны и представляются формулой

. (4.5)

Для естественной механической характеристики напряжение равно номинальному: U = U_н, поток равен номинальному: Ф = Ф_н, сопротивление якорной цепи равно внутреннему (невыключаемому):

R = r_оя + r_дп + r_ко = r_я, (4.6)

. (4.7)

При отсутствии данных по сопротивлению якорной цепи величина r_я может быть приближенно определена из условия равенства постоянных и переменных потерь в номинальном режиме по формуле

. (4.8)

Произведение кФ_н также можно определить через каталожные данные:

. (4.9)

Естественная механическая характеристика строится по двум точкам (ω_н, М_н) и (ω_он, М=0).

Скорость идеального холостого хода ω_он определяется по формуле

. (4.10)

Электромагнитный момент двигатель развивает при нормальной частоте вращения ω_н

. (4.11)

Необходимо отметить, что механические характеристики двигателей ω = f(M) строятся в зависимости от электромагнитного момента

М = М_в + М_х.                                                 (4.12)

Момент потерь холостого хода часто принимают постоянным:

М_х = М_хн,

и определяют по каталожным данным номинального режима:

М_хн = М_н – М_вн, (4.13)

где М_вн – номинальный момент на валу двигателя,

. (4.14)

Естественная электромеханическая характеристика ω = f(I) определяется соотношением и строится также по двум точкам (ω_н, I_н) и (ω_он, I = 0):

. (4.15)

Часто в рамках автоматизированного электропривода используются характеристики, построенные в относительных единицах (о.е.). Для перехода к о.е. назначаются базовые величины, за которые обычно принимаются номинальные значения:

U_б =U_н, I_б =I_н, Ф_б =Ф_н,

и за базовую частоту вращения ω_б =ω_он.

Базовые значения других переменных определяются через базовые значения основных переменных:

М_б = М_н = ; (4.16)

Е_б = Е_н = ; (4.17)

R_б = R_н = . (4.18)

Естественные механическая и электромеханическая характеристики в о.е. совпадают

; (4.19)

; (4.20)

(4.21)

и строятся по точкам ( = 1, = 0) и ( = 1 – , = 1).

Использование изображения характеристик в о.е. позволит в дальнейшем легко строить искусственные характеристики и определять параметры схем включения.