2.8.4 Энергетический расчет

Энергетический расчет сводится к определению мощности электродвигателя. Соответствующие рекомендации приводятся в учебной и научно-технической литературе. При расчете необходимо учитывать, кроме всех затрат энергии на полезную работу, также и потери различного рода (на сопротивление, на нагрев, на преодоление динамических нагрузок и т. д.).

По сумме всех затрат энергии определяется потребляемая мощность, в соответствии с которой по справочным материалам подбирается электродвигатель (надо указать его тип и характеристику, марку, частоту вращения вала).

Такой расчет проектируемой конструкции выполняют с целью выбора ее привода, определения его характеристик, обеспечивающих работоспособность и надежность конструкции с учетом потребного количества энергии. Расход по­требной энергии зависит от скорости движения рабочего органа и значения результирующей силы, приложенной к нему при работе устройства. Результирующая сила складывается из многих сил, возникающих при работе технологической машины.

Силы сопротивления - это технологические силы, на преодоление которых затрачивается работа, необходимая для выполнения технологического процесса. Значение этих сил за­висит от физико-механических свойств обрабатываемой среды, скорости и температурных режимов обработки, производитель­ности машины, материала и формы рабочих органов и т. п. Пра­вильно вычислить технологические силы чрезвычайно важно, так как от того, насколько точно будут соответствовать их исход­ные значения, принимаемые при расчетах, истинным нагрузкам при работе машины зависит качество ее функционирования. Обычно технологические силы определяют экспериментальным или расчетным путем на этапах предварительных исследований и проектирования конструкции и выдают конструктору в качестве исходных данных.

Силы непроизводственного сопротивле­ния - это силы, на преодоление которых затрачивается допол­нительная работа сверх той, которая необходима для преодоления полезного сопротивления. В основном непроизводственные силы связаны с преодолением сил трения в кинематических парах при перемещении жидких, сыпучих и газообразных сред.

Динамические силы - силы инерции, возникающие при движении элементов конструкции с ускорением. Их значение зависит от ускорения и массы подвижных деталей конструкции. Силы непроизводственного сопротивления и динамические силы обычно рассчитывают при конструировании устройства.

Все указанные силы во время работы конструкции, как прави­ло, не остаются постоянными. За определенный промежуток ра­боты (цикл) меняются их направление и величина. Поэтому очень важно установить тот момент времени, в который элементы кон­струкции оказываются нагруженными наибольшим суммарным усилием, на которое затем и выполняют энергетический и проч­ностной расчеты.

Чтобы вычислить наибольшую суммарную нагрузку, использу­ют принцип Даламбера, сущность которого состоит в том, что к определенному звену механизма прикладывают все силы (стати­ческие и динамические). С учетом их значений и направления для полученной системы сил составляют уравнения равновесия, ре­шая которые находят равнодействующую силу в данный момент работы конструкции. Зная равнодействующие силы для несколь­ких таких моментов, выбирают из них наибольшую.

Кроме того, следует учитывать, что во многих технологических машинах, перерабатывающих сельскохозяйственное сырье, пуско­вые нагрузки могут намного превысить номинальные силы, вы­численные для установившегося режима работы машины.

Поэтому значения номинальных сил необходимо умножить на поправочные коэффициенты, учитывающие особенности техно­логического процесса и физико-механических свойств обрабаты­ваемой среды. Определенную таким образом наибольшую силу принимают в качестве исходной результирующей силы, которая служит основой для энергетического и прочностного расчетов конструкции.

Расчет потребной мощности предусматривает вычисление по­требного количества энергии на ведущем валу устройства и на валу электродвигателя. Мощность на ведущем валу (кВт) определяют по формуле

N_вд = N_ро, (2.10)

где N_ро - мощность, потребляемая рабочим органом, кВт.

Структура формул для расчета мощности, потребляемой рабо­чими органами, зависит от характера их движения. Если рабочий орган совершает вращательное движение, то мощность (кВт) определяют по формуле

N_po= Pω_pR· 10^-3, (2.11)

где Р - результирующая сила, Н;

ω_p - угловая скорость рабочего органа, с^-1;

R - радиус приложения силы, м.

При поступательном движении рабочего органа мощность (кВт) определяют по формуле

N_po=Pv · 10^-3, (2.12)

где v - скорость линейного перемещения рабочего органа, м/с.

Часто в машинах кинематическая структура разветвляется для привода нескольких рабочих органов или транспортирующих устройств, в этих случаях мощности для их привода суммируются на валу, на котором начинает разветвляться кинематическая структура.

После определения потребной мощности на ведущих валах отдельных рабочих органов суммируют их значения и определяют потребную мощность электродвигателя (кВт) с учетом КПД пере­дач привода по формуле

N_эд = ΣN_вд/η_пр. (2.13)

При последовательном соединении передач общий КПД равен произведению частичных КПД, например

η = η_з η_ч η_ц. (2.14)

Значения КПД механических передач зависят от их вида и при­водятся в справочной технической литературе. КПД некоторых механических передач приведены в таблице 2.3.

Мощности (кВт), передаваемые валами, часто характеризуют величинами вращающих моментов, необходимых для преодоления сил

N = М_вр ω· 10^-3 (2.15)

или

N = М_вр (πn/30) · 10^-3, (2.16)

где М_вр - вращающий момент на валу, Н·м;

ω - угловая скорость, с^-1;

n - часто­та вращения вала, мин^-1.

Таблица 2.3 – Примерные КПД некоторых механических передач

Тип передачи	Обозначение	В масляной ванне	Открытая
Зубчатая передача	ηз	0,95 - 0,97	0,93 - 0,94
Червячная передача с цилиндрическим червяком при числе заходов червяка	ηч
I заход		0,70 – 0,75	0,50
II захода		0,75 - 0,82	0,60
III – IV захода		0,87 - 0,92	-
Цепная передача	ηц	0,94 - 0,97	0,90
Фрикционная передача	ηф	0,90 - 0,96	0,70 - 0,88
Ременная передача	ηр	-	0,88 - 0,94
Для одной опоры с подшипником качения	ηпк	-	0,99 - 0,995
Для опоры с подшипником скольжения	ηпс	-	0,98 - 0,99

Вычислив требуемую мощность электродвигателя, подбирают его типоразмер. Поскольку для рассчитываемого привода могут быть выбраны двигатели с разными значениями частоты враще­ния вала и соответственно различные передаточные механизмы, то рассматривают несколько вариантов кинематической структу­ры привода. Оптимальным признают вариант, отвечающий конк­ретным требованиям конструктивного исполнения и условиям эк­сплуатации проектируемой машины. При этом надо учитывать, что с повышением частоты вращения уменьшаются масса и габа­ритные размеры двигателя, снижается его стоимость, но при этом уменьшается ресурс, поэтому для привода общего назначения, если нет специальных указаний, предпочтительны двигатели с ча­стотой вращения 1500 или 1000 мин^-1.