1 Кинематический расчет механических приводов

1.1 Выбор двигателя

Кинематический расчет электромеханических приводов является основой проектирования машин и заключается в решении следующих задач:

1) выбор электродвигателя (тип, мощность, частота вращения, габариты);

2) определение общего передаточного отношения привода U;

3) разбиение U по ступеням в соответствии с заданной схемой привода;

4) определение мощности, частот вращения и крутящих моментов на валах привода.

Исходными данными для проведения расчета являются: кинематическая схема привода, крутящий момент Т, Нм (силаF, Н) или мощностьN, кВт, частота вращенияn, мин^-1или скорость движенияV, м/с исполнительного органа, график изменения нагрузки в течение цикла работы, коэффициенты полезного действия отдельных элементов.

Характеристики и параметры электродвигателей

Наибольшее распространение в приводах исполнительных органов получили трехфазные асинхронные двигатели, имеющие по сравнению с двигателями других типов более простую конструкцию, меньшую стоимость и более высокую эксплуатационную надежность.

В зависимости от числа пар полюсов электродвигатели массового применения имеют синхронную частоту вращения ротора соответственно n_с = 3000;1500;1000;750 мин^-1.

Условное обозначение электродвигателей включает: порядковый номер серии разработки, вид двигателя (А– асинхронный), исполнение двигателя по способу защиты, высоту оси вращения, условное обозначение длины станины, условное обозначение длины статора, число полюсов, условное обозначение климатического исполнения.

Например, 4А112МА4УЗ – электродвигатель4серии, асинхронный, исполнение – закрытый (послеАотсутствует букваН ), высота оси вращенияh=112 мм, длина станины соответствует обозначениюМ, длина сердечника – условному обозначениюА, число полюсов –4, климатическое исполнениеУЗ – для эксплуатации в условиях умеренного климата.

Определение мощности электродвигателя

Выбор электродвигателя может проводиться по максимальной потребной мощности и по среднеквадратичной мощности. В первом случае расчет приводится по одной из формул в зависимости от исходных данных:

N_{дв.расч.} = (F V) /_общ;N_{дв.расч.} = Тn_т/30_общ

где (расшифровка)

Если нагрузка на двигатель изменяется в течение цикла работы, мощность электродвигателя определяется по среднеквадратичной мощности. Заданный график изменения нагрузки в течение цикла при частоте тихоходного вала привода n_т const представляет собой (построенный в другом масштабе) график изменения мощностиPN. Поэтому расчет среднеквадратичной мощности электродвигателя производится (на основании заданного графика) по следующей зависимости:

N_ср.кв =,

где N₁,N₂,N₃,.... – значения мощности отдельных периодов цикла;

t₁,t₂,t₃,.... – продолжительности этих периодов (в пределах одного цикла).

По расчетной мощности и частоте вращения (ориентировочно определенной по средним значениям передаточных отношений элементов привода) по табл. 1.1 подбираем электродвигатель с мощностью N_эд (кВт), соответствующей условию N_ср.кв< N_эд≤ N_эд.р, и частотой вращения ротора n_эд (мин^-1). При этом следует учитывать следующие рекомендации. Выбор электродвигателя с заниженной мощностью может привести к его перегреву и выходу из строя. Выбор электродвигателя с большим запасом по мощности приводит к дополнительным динамическим нагрузкам элементов привода и к увеличению потерь в энергосистеме.

Таблица 1.1

Асинхронные электродвигатели

№№ двигателя	Тип электродвигателя	Мощность двигателя Nэд,кВт	Частота вращения nдв,мин-1	Tпуск/ Tном	Tmax/ Tном	Масса двигателя, кг
1	4А71А2УЗ	0.75	2840	2	2.2	15.1
2	4А71В2УЗ	1.1	2910	2	2.2	15.1
3	4А80А2УЗ	1.5	2850	2.1	2.6	17.4
4	4А80В2УЗ	2.2	2850	2.1	2.6	20.4
5	4А90L2УЗ	3.0	2840	2.1	2.5	28.7
6	4А100S2УЗ	4.0	2880	2	2.5	36
7	4А100L2УЗ	5.5	2880	2	2.5	42
8	4А112М2УЗ	7.5	2900	2	2.8	56
9	4А132М2УЗ	11.0	2900	1.7	2.8	77
10	4А160S2УЗ	15.0	2940	1.4	2.2	130
11	4А71В4УЗ	0.75	1390	2	2.2	15.1
12	4А90А4УЗ	1.1	1420	2	2.2	17.4
13	4А90В4УЗ	1.5	1415	2	2.2	20.4
14	4А90L4УЗ	2.2	1425	2	2.4	28.7
15	4А100S4УЗ	3.0	1435	2	2.4	36
16	4А100L4УЗ	4.0	1430	2	2.4	42
17	4А112М4УЗ	5.5	1445	2	2.2	56
18	4А132S4УЗ	7.5	1455	2.2	3	77
19	4А132М4УЗ	11.0	1460	2.2	3	93
20	4А160S4УЗ	15.0	1465	1.4	2.3	135
21	4А80А6УЗ	0.75	915	2	2.2	17.5
22	4А80В6УЗ	1.1	920	2	2.2	20.4
23	4А906УЗ	1.5	935	2	2.2	28.7
24	4А1006УЗ	2.2	950	2	2.2	42
25	4А112МА6УЗ	3.0	955	2	2.5	56
26	4А112МВ6УЗ	4.0	960	2	2.5	56
27	4А132S6УЗ	5.5	965	2	2.5	77
28	4А132М6УЗ	7.5	970	2	2.5	93
29	4А160S6УЗ	11.0	975	1.2	2	130
30	4А160М6УЗ	15.0	975	1.2	2	145
31	4А90LА8УЗ	0.75	700	1.6	1.9	28.7
32	4А90LВ8УЗ	1.1	700	1.6	1.9	28.7
33	4А100L8УЗ	1.5	700	1.6	1.9	42
34	4А112МА8УЗ	2.2	700	1.9	2.2	56
35	4А112МВ8УЗ	3.0	700	1.9	2.2	56
36	4А132S8УЗ	4.0	720	1.9	2.6	77
37	4А132М8УЗ	5.5	720	1.9	2.6	93
38	4А160S8УЗ	7.5	730	1.4	2.2	135
39	4А160М8УЗ	11.0	730	1.4	2.2	160
40	4А180М8УЗ	15.0	730	1.2	2	175

При подборе электродвигателя допускается перегрузка до 5… 8 % при постоянной и до10… 12 % при переменной нагрузке.

На рис. 1.1 и в табл. 1.2 и 1.3 приведены основные габаритные, установочные и присоединительные размеры электродвигателей с номинальной мощностью от 0,75 до 15 кВт. Основные размеры электродвигателей исполнения М100(ГОСТ 19523-81).

Рис. б

Рис.1.1.Основные размеры электродвигателей:

а – исполнение 100; б – исполнение 200

Таблица 1.2

Основные размеры электродвигателей исполнения М100(ГОСТ 19523-81)

Тип двигателя	Число полюсов	L30	H31	D30	D1	L1	D10	L10	B10	H10	H
4А71А,В	2,4,6,8	285	201	170	19	40	7	90	112	9	71
4А80А	2,4,6,8	300	218	186	22	50	10	100	125	10	80
4А80В	2,4,6,8	320	218	186	22	50	10	100	125	10	80
4А90L	2,4,6,8	350	243	208	24	50	10	125	140	11	90
4А100S	2,4,6,8	362	363	235	28	60	12	112	60	12	100
4А100L	2,4,6,8	392	263	235	28	60	12	140	160	12	100
4А112М	2,4,6,8	452	310	260	32	80	12	140	190	12	112
4А132S	2,4,6,8	480	350	302	38	80	12	140	210	13	132
4А132М	2,4,6,8	530	350	302	38	80	12	178	216	13	132
4А160S	2	624	430	358	42	110	15	178	254	18	160
4А160S	4,6,8	624	430	358	48	110	15	178	254	18	160
4А160М	2	667	430	358	42	110	15	270	254	18	160
4А160М	4,6,8	667	430	358	48	110	15	210	254	18	160
4А180М	2	702	470	410	48	110	15	241	279	20	180
4А180М	4,6,8	702	470	410	55	110	15	241	279	20	180
4А180S	2	662	470	410	48	110	15	203	279	20	180
4А180S	4,6,8	662	470	410	55	110	15	203	279	20	180

Таблица 1.3

Основные размеры электродвигателей исполнения М200(ГОСТ 19523-81)

Тип двигателя	Число полю- сов	D24	L20	L21	L31	D20	D22	D25	B1	H1	H5
4А71А,В	2,4,6,8	200	3.5	10	45	165	12	130	6	6	21.5
4А80А	2,4,6,8	200	3.5	10	45	165	12	130	6	6	24.5
4А80В	2,4,6,8	200	3.5	10	50	165	12	130	6	6	24.5
4А90L	2,4,6,8	250	4	12	56	215	15	180	8	7	27
4А100S	2,4,6,8	250	4	14	63	215	15	180	8	7	31
4А100L	2,4,6,8	250	4	14	63	215	15	180	8	7	31
4А112М	2,4,6,8	300	4	16	70	265	15	230	8	7	35
4А132S	2,4,6,8	350	5	18	89	300	19	250	10	8	41
4А132М	2,4,6,8	350	5	18	89	300	19	250	10	8	41
4А160М,S	2,4,6,8	350	5	15	108	300	19	250	12	8	45
4А180М,S	2,4,6,8	400	5	18	121	350	19	300	16	10	59

Примечание.РазмерыL0 и B0 определяютсяL0 =L10+4D10;B0 =B10+5D10.

Определение КПД и оценка передаточного отношения привода

В общем случае коэффициент полезного действия привода равен произведению КПД отдельных элементов _общ =_м1 _п1_ред_п2_м2, где_м1,_м2 – КПД муфт;_п1,_п2 – КПД передач (ременная, цепная, фрикционная и т.д.), установленных перед и/или за редуктором;_ред =₁₂₃..._n– КПДn-ступенчатого зубчатого редуктора.

Примечания:КПД передач даны с учетом потерь энергии в опорах валов (КПД подшипников качения дополнительно не учитывать). После окончательного выбора параметров червячной передачи ее КПД подлежит уточнению.

Общее передаточное отношение привода при компоновке его из нескольких передач определяется по формуле U = U_вх U_ред U_вых, где U_вх ,U_вых – передаточные отношения передач (табл.1.5); U_ред = U₁U₂U₃...U_n – передаточное отношение редуктора.

Эти формулы допускают многовариантность решения, что связано с возможностью выбора передаточных отношений U передач в довольно широких пределах. Практическую рациональность решения оценивают по пропорциональности конструкции в целом, ее габаритам, стоимости и т.п. Обычно конструктор рассматривает и сравнивает несколько вариантов.

Для определения частоты вращения вала электродвигателя предварительно рассчитываем частоту вращения вала рабочего органа (если она отсутствует в исходных данных) по одной из следующих формул: n_т = (60V)/(  D_б); n_т = (60V)/(  D_зв),

где D_зв = (Z_зв p_зв)/– приближенное значение диаметра звездочки, м.

Таблица 1.4

Средние значения КПД передач

Тип	Значение КПД передач
Передачи	в масле	открытая
Зубчатая цилиндрическая	0.96 – 0.98	0.91 – 0.95
Зубчатая коническая	0.95 – 0.97	0.90 – 0.94
Планетарная одноступенчатая	0.96 – 0.98	–
Планетарная двухступенчатая	0.92 – 0.96	–
Червячная при Z=1	0.70 – 0.80	0.40 – 0.45
Червячная при Z=2	0.75 – 0.85	0.40 – 0.45
Червячная при Z=4	0.80 – 0.90	0.40 – 0.45
Цепная	0.94 – 0.98	0.90 – 0.95
Ременная с плоским ремнем	–	0.94 – 0.97
Ременная с клиновым ремнем	–	0.94 – 0.96
Волновая	0.80 – 0.92	–