Расчет и конструирование многоскоростных станочных приводов

3. МЕТОДЫ УЛУЧШЕНИЯ КИНЕМАТИКИ КОРОБОК СКОРОСТЕЙ

3.1. Применение связанных колес

Связанными называют зубчатые колеса, которые принадлежат двум смежным группам передач, т. е. работают как ведущими, так и ведомыми. Их применение позволяет сократить количество зуб- чатых колес и осевые габариты коробок скоростей. Кинематиче- ский расчет односвязанных механизмов практически не отличается от расчета простой множительной структуры.

Рис. 4. Кинематическая схема и графики частот вращения коробки со связанным колесом

Задача расчета односвязанных механизмов состоит в определении числа зубьев связанного колеса и суммы чисел зубьев второй группы таким образом, чтобы радиальные габариты привода были наименьшими. Этому условию соответствует такой вариант связывания, при котором произведение передаточных отношений связанных передач равно единице, т. е. когда связанное колесо в первой группе передач участвует в уменьшении частоты вращения на определенную величину, а во второй группе — в увеличении частоты на ту же величину (рис. 4). Применение двух и более связанных колес требует специальных методов расчета и не всегда обеспечивает изменение скоростей по геометрическому ряду.

21

3.2. Привод с двухскоростным электродвигателем

Для упрощения конструкции коробок скоростей и уменьшения их габаритов широко применяют двухскоростные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором, отношение синхронных частот вращения которых равно 2. Такой электродвигатель можно рассматривать как электрическую множительную группу из двух передач, диапазон регулирования которой

Rý 2 xý ,

где — знаменатель ряда частот вращения шпинделя; õý — характеристика электрогруппы,

xý lg2. lg

Таким образом, каждому стандартному знаменателю соответствует определенное значение õý:

22

знаменателя ряда и числа скоростей. Как правило, электрогруппа является первой переборной и ей должна предшествовать механи- ческая основная группа.

Пример. Построить структурную сетку для привода с двухскоростным электродвигателем при z = 12 и = 1,25. Для = 1,25 характеристика õý = 3, поэтому структурная формула имеет вид

z = zý zê = 22 31 23 = 12.

Таким образом, 12 скоростей получим с помощью двухскоростного электродвигателя и механической коробки на 6 скоростей, причем электродвигатель выполняет роль первой переборной группы. По принятой формуле строим структурную сетку (рис. 5).

3.3. Структуры с измененными характеристиками групповых передач

Нередко при расчете обычной множительной структуры характеристика последней переборной группы имеет такое значение, при котором диапазон регулирования этой группы оказывается больше допустимого. В таких случаях для сохранения принятой структуры искусственно уменьшают характеристику последней переборной группы до допустимых значений, либо уменьшают характеристики в двух группах (рис. 6).

Рис. 6. Структуры с измененными характеристиками в последней и двух групповых передачах

Искусственное уменьшение характеристик групп ведет к уменьшению числа ступеней скорости за счет совпадения ряда скоростей и сокращению общего диапазона регулирования. Чтобы сохранить заданное число скоростей и требуемый диапазон регулирования, необходимо расчетное число скоростей увеличить на ко-

23

ненные схемы соединения двух структур представлены на рис. 8. Верхнюю область регулирова-

ния частот вращения шпинделя получают при помощи основной

структуры zo и передают движение на шпиндель через зубчатую передачу 1–2 (рис. 8, à) или че- рез муфту Ì (ðèñ. 8, á). Нижнюю

область регулирования обеспечивают последовательным соединением основной zo и дополнительной zä структур соединительной передачей.

На рис. 9 показана кинематическая схема коробки скоростей со сложенной структурой, на рис. 10 — ее структурная сетка и график частот вращения.

Рис. 9. Кинематическая схема коробки со сложенной структурой

Группы колес ða è ðâ образуют основную структуру zo = ða·ðâ. Они сообщают вращение полому валу III.

Дальнейшая передача движения шпинделю осуществляется либо с помощью муфты, либо через перебор.

Общее число ступеней скорости:

z = ða·ðâ(1 + ðñ·ðd).

В нашем примере ða = 3; ðâ = 2, ðñ = 1; ðd = 1, поэтому z = 3·2·(1 + 1·1) = 12.

25

Рис. 10. Структурная сетка и график частот вращения для сложенной коробки скоростей

Сложенные структуры обладают рядом достоинств: обеспечи- вают большое число ступеней скорости при широком диапазоне регулирования; высокие скорости вращения передаются короткими кинематическими цепями, что уменьшает потери мощности и повышает КПД. Количество вариантов сложенных структур может быть очень большим.

В общем случае оптимальным является вариант, который при заданном числе ступеней скорости имеет: большее число скоростей, получаемых по короткой кинематической цепи; наименьшее количество деталей (зубчатых колес, валов, муфт); меньшие диапазоны регулирования групп передач. Для винторезных станков оптимальным является вариант, при котором большее число скоростей получается по длинной кинематической цепи (через перебор), так как в этом случае расширяются возможности нарезания резьб с увеличенным шагом.

3.5. Приводы с бесступенчатым регулированием

Бесступенчатое регулирование в силу ряда преимуществ (повышенная производительность вследствие максимального использования режущей способности инструментов, возможность плавного изменения скорости на ходу станка, удобство дистанционного управления) широко применяется в современных металлорежущих станках, особенно в станках с ЧПУ. Для этой цели применяют регулируемые электродвигатели, иногда фрикционные вариаторы.

26

В качестве двигателей главного привода применяют электродвигатели постоянного тока с тиристорными системами регулирования и асинхронные двигатели с преобразователями частоты. Использование преобразователей частоты в настоящее время развивается опережающими темпами. Изменение момента Ì и мощности N на валу электродвигателя в процессе его регулирования показано на рис. 11.

Рис. 11. Зависимость момента и мощности электродвигателя от частоты его вращения

Как видно из рис. 11, регулируемый электродвигатель обеспе- чивает два диапазона регулирования. Первый (RÌ) характеризуется постоянством крутящего момента в диапазоне частот вращения двигателя от ný min äî ný íîì, второй (RN) — постоянством мощности в диапазоне частот вращения от ný íîì äî ný max. Под номинальной частотой вращения электродвигателя ný íîì понимается частота, от которой его можно регулировать без снижения мощности.

Регулирование электродвигателя с постоянным моментом осуществляется в значительном диапазоне, а диапазон регулирования с постоянной мощностью невелик и составляет RN = 2…12. Он не обеспечивает требуемого диапазона частот вращения шпинделя станка, равного 100…250. Поэтому применяют комбинированные приводы, в которых вместе с регулируемыми электродвигателями используется простая коробка скоростей на 2…4 ступени, которую можно рассматривать как переборную группу, расширяющую диапазон частот вращения шпинделя при постоянной мощности, а также общий диапазон регулирования [2, 4, 6]. При этом изменение

27

частоты вращения шпинделя с постоянным моментом осуществляется на нижней ступени коробки скоростей за счет соответствующего диапазона электродвигателя RÌ.

Общий диапазон регулирования привода Rï = Rý·Rêîð = RM·RN·z–1,

ãäå Rý — диапазон регулирования электродвигателя; Rêîð — диапазон регулирования коробки скоростей; RM — диапазон регулирования электродвигателя с постоянным моментом; RN — диапазон регулирования электродвигателя с постоянной мощностью; z — число скоростей коробки; — знаменатель геометрического ряда, обеспечиваемого коробкой скоростей.

При расчете комбинированного бесступенчатого привода нужно определить число скоростей коробки и знаменатель ее ряда. Согласно рекомендациям по выбору частоты вращения шпинделя при силовых расчетах (подробнее см. с. 44) для токарных станков принимают R M Rn14 , à Rêîð Rn34 .

Диапазон регулирования коробки скоростей равен RN·z–1. Для лучшего использования возможностей двигателя принимаютRN, и, чтобы избежать разрыва ряда частот вращения шпинделя при переключениях коробки, выбирают = (0,94 0,97)RN. Тогда Rêîð = z, а число скоростей коробки

z = lg Rêîð/lg .

Найденное число скоростей округляют, а знаменатель ряда уточняют, выдерживая значение mñò , ãäå ñò — стандартный знаменатель, а m — целое число.

Пример. Рассчитать бесступенчатый привод главного движения токарного станка по исходным данным:

–диапазон регулирования привода Rï = 250;

–наибольшая частота вращения шпинделя 2500 1/мин;

RM = 2501/4 = 3,98, Rêîð = 2503/4 = 62,8. Примем знаменатель ряда

28

с учетом диапазона регулирования электродвигателя с постоянной мощностью: RN = ný max/ný íîì = 3500/1000 = 3,5. Принимаем = = 0,95·RN = 0,95·3,5 = 3,32.

Расчетное число скоростей коробки z = lg 62,8/lg 3,32 = 3,45 округляем до 4. Выбираем структурную формулу коробки z = 1·21·22 = 4.

Уточняем знаменатель ряда частот вращения коробки с учетом числа ее скоростей:

zRêîð 462,8 2,815 1,43 2,8.

Уточняем диапазоны регулирования привода:

Rêîð = 4 = 2,84 = 61,5; RM = Rï/Rêîð = 250/61,5 = 4,06.

Для построения графика частот вращения (рис. 12) определим характерные частоты вращения шпинделя, являющиеся членами геометрического ряда, округляя их до стандартных значений. Для рассматриваемого примера характерные значения частот вращения равны: 10; 40; 112; 315; 900; 2500 1/мин.

29