Расчет и выбор электропривода токарно-винторезного станка модели 16К20П

• Введение
• 1. Общая часть
• 1.1 Тип станка, его основные технические данные
• 1.2 Кинематическая схема, назначение приводов
• 1.3 Циклограмма (последовательность операций), режим работы главного привода
• 2. Расчет статических нагрузок, выбор электропривода
• 2.1 Расчет мощности электродвигателя главного привода
• 2.2 Расчет статических нагрузок, выбор электропривода
• 2.3 Выбор рода тока и напряжения и типа двигателя
• 2.4 Расчет механических характеристик выбранного двигателя, проверка двигателя
• 2.5 Анализ электропривода и системы управления им (достоинства и недостатки)
• 3. Расчет и выбор проводов и аппаратуры
• 3.1 Выбор проводов и питающих кабелей
• 3.2 Выбор защитной аппаратуры и аппаратуры управления
• 4. Специальная часть
• 4.1 Выбор преобразователя частоты, расчет характеристик двигателя
• 4.2 Выбор двигателя постоянного тока и тиристорного преобразователя
• 4.3 Определение параметров трансформатора, тиристоров, реактора
• 4.4 Расчёт механических характеристик двигателя
• 5. Электрические схемы
• 5.1 Описание работы схемы управления
• Заключение
• Список литературы

Электромашиностроение как составная часть электротехнической промышленности в области стандартизации базируется на нормах и правилах, принятых для всей электротехники и зафиксированных в соответствующих общих для всей электротехники стандартах. К таким общим стандартам относятся, например, стандарты, устанавливающие параметры электроэнергии, условия эксплуатации электрических машин в части воздействия факторов внешней среды, требования к маркировке и упаковке, классификацию изоляционных конструкций по нагревостойкости и т. д. Во второй половине XIХ в. качество американских станков было уже достаточно высоким. Станки выпускались серийно, причем вводилась полная взаимозаменяемость деталей и блоков, выпускаемых одной фирмой. При поломке детали достаточно было выписать с завода аналогичную и заменить сломанную деталь на целую без всякой подгонки.

Во второй половине XIХ в. были введены элементы, обеспечивающие полную механизацию обработки — блок автоматической подачи по обеим координатам, совершенную систему крепления резца и детали. Режимы резания и подач изменялись быстро и без значительных усилий. В токарных станках имелись элементы автоматики — автоматический останов станка при достижении определенного размера, система автоматического регулирования скорости лобового точения и т. д.

Однако основным достижением американского станкостроения было не развитие традиционного токарного станка, а создание его модификации — револьверного станка. В связи с необходимостью изготовления нового стрелкового оружия

После изобретения и успешного применения быстрорежущей стали, а затем и твердых сплавов появились быстроходные мощные станки современной конструкции. Эти станки имеют массивные станины и снабжены коробками скоростей, позволяющими быструю перемену чисел оборотов обрабатываемого изделия, и более совершенными коробками подач. На рис. 6 показан наиболее совершенный токарно-винторезный станок модель 1620, изготовляемый заводом «Красный пролетарий» .

В настоящее время на производстве применяются усовершенствованные многофункциональные станки, также станки типа 16К20, и ДИП 100, ДИП 200, ДИП 300, ДИП 400, ДИП 500, ДИП 800, ДИП 1000.

Таким образом, до появления современного токарного станка был пройден тяжелый путь от древних времен, когда использовались станки с применением ручной физической силы, до сегодняшнего момента, когда применяются полностью или частично автоматизированные станки, имеющие большую производительность и меньшие затраты рабочей силы.

станок токарный винторезный электродвигатель

1. Общая часть

1.1 Тип станка, его основные технические данные

Токарно-винторезный станок модели 16К20П предназначен для выполнения разнообразных токарных работ: обтачивания и растачивания цилиндрических и конических поверхностей, нарезания наружных и внутренних метрических, дюймовых, модульных и питчевых резьб, а также сверления, зенкерования, развертывания, и т. п. Отклонение от цилиндричности 7 мкм, конусности 20 мкм на длине 300 мм, отклонение от прямолинейности торцевой поверхности на диаметре 300 мм — 16 мкм.

Таблица 1 — Технические данные

1.2 Кинематическая схема, назначение приводов

Привод вращения шпинделя (главное движение). От электродвигателя М через клиноременную передачу и коробку скоростей с передвижными скользящими блоками шпиндель получает различные «прямые» частоты вращения при включении фрикционной муфты (главного фрикциона Ml) влево. При включении муфты Ml вправо через промежуточные (паразитные) передачи и осуществляется изменение направления вращения и шпиндель получает 12 «обратных» частот вращения в пределах 19.1900 мин" 1.

Кинематическая цепь привода главного движения представляется следующим образом:

Здесь в скобках записаны номера валов привода, и в промежутках — возможные передаточные отношения между ними при соответствующих позициях зубчатых блоков. Частоты вращения шпинделя 500 и 630 мин-1 повторяются дважды (перекрытие), что и определяет наличие 22, а не 24 скоростей. Торможение коробки осуществляется с помощью ленточного тормоза Т, расположенного на ступице колеса Z — 60 на валу Ш. Привод подачи служит для получения продольной и поперечной подач суппорта от ходового валика XVIII, нарезания резьб при вращении ходового винта XVII. Движение механизму подачи передается либо от шпинделя VI, как показано на схеме, либо, для увеличения подачи (или шага нарезаемой резьбы) в 2, В и 32 раза, через звено увеличение шага:

Далее с вала VII вращение через реверсивный механизм (правое вращение передача 30/45, левое — передачи 30/25*24/45 передается на вал VIII и через гитару сменных колес на вал IX коробки подач с передвижными зубчатыми блоками. При нарезании метрических и дюймовых резьб, а также для получения механических подач от ходового валика устанавливается гитара при нарезании модульных и питчевых резьб,

С вала IX коробки подач движения может передавать по двум кинематическим цепям. При включении зубчатых муфт М3, М4 и М5 и выключенной муфте М2 нарезается метрическая или модульная резьба либо вращается ходовой валик при включении муфты М6.

При отключении муфты М2, М3 и М4 при включенной муфте М5 нарезаются дюемовые или питчевая резьба.

М1-главный двигатель

Рисунок 1 — Кинематическая схема

1.3 Циклограмма (последовательность операций), режим работы главного привода

Схема станка предусматривает возможность работы в следующих режимах:

— нарезание различных видов резьб;

— токарная обработка детали методом резания;

— наладочный.

Наладочный режим станка:

В наладочном режиме производится подготовка станка к работе в рабочем режиме.

Токарная обработка методом резания:

1. Установка заготовки на станке.

2. Установка инструмента.

3. Выбор частоты вращения шпинделя.

4. Включение привода вращения шпинделя

5. Включение насоса охлаждения, включение привода быстрого хода.

6. Выключение привода быстрого хода и включение рабочей подачи.

7. Обработка заготовки

8. Отвод инструмента

9. Выключение привода вращения шпинделя.

10. Выключение привода насоса охлаждения.

Главный привод работает в повторно кратковременном режиме

2. Расчет статических нагрузок, выбор электропривода

2.1 Расчет мощности электродвигателя главного привода

C_v, K_v, m, x, y — коэффициенты и показатели степени, зависящие от свойств обрабатываемого материала, резца, вида обработки, определяются по [5];

Выбираем по справочнику коэффициенты и показатели степени:

Сталь жаропрочная 12Х18Н9Т, НВ 141;

Т=30 (мин);

s=1,3 (мм/об);

C_v=350;

x=0,15;

m=0, 20;

y=0,35;

t=3мм;

V_z=

(м/мин);

Усиление резания. Н

F_z=

F_z= (Н)

Где, x, y, n? коэффициенты и показатели степени, зависящие от свойств обрабатываемого материала, резца, вида обработки, определяются по [5];

=300

=1

X=1

y=0,75

n=-0,15

Мощность резания, кВт

(кВт)

По найденному значению скорости резания по формуле рассчитывается частота вращения шпинделя, об/мин.

(об/мин).

Где D-диаметр обрабатываемого изделия, D=45 мм

Машинное время (время обработки), мин

(мин)

Мощность на валу двигателя, работающего в повторно-кратковременном режиме определяется по формуле (кВт):

(кВт)

Двигатель выбирается по условию:

P_дв?P_экв

Рисунок 2 - нагрузочная диаграмма главного привода

2.2 Расчет статических нагрузок, выбор электропривода

Одним из основных вопросов электрооборудования является выбор типа электропривода.

На этот выбор оказывает влияние ряд факторов:

1. Диапазон и плавность регулирования скорости;

2. Характер нагрузки привода;

3. Частота включения привода;

4. Соотношение периодов машинного и вспомогательного времени работы;

5. Энергетические показатели работы привода: КПД и коэффициент мощности;

6. Надежность привода, простота его обслуживания и наладки;

1. Регулировки скорости шпинделя и диапазон скорости шпинделя 12,5−1600;

2. Характер нагрузки привода — повторно-кратковременный;

3. Частота включения привода — средняя;

4. Т_м? Т_всп.;

5. Высокий КПД;

6. Надежен, прост в обслуживании и наладки.

К системе управления станком предъявляются следующие требования:

1. Безопасность и удобство управления — достигается расположением органов управления в легкодоступных местах;

2. Быстрота управления, т. е. на операцию управления должно затрачиваться тем меньше времени, чем чаще она производится;

3. Точность управления, которая устанавливается в зависимости от назначения системы и выполняемой ею функции.

2.3 Выбор рода тока и напряжения и типа двигателя

Для питания токарно-винторезного станка модели 16К20П используется трехфазный переменный ток напряжением 380 В.

Напряжение цепи управления — 110 В;

Напряжение местного освещения — 24 В;

Тип двигателя — асинхронный с короткозамкнутым ротором серии 4А.

Для выбранного двигателя из справочника выписываются паспортные данные:

Типоразмер двигателя — 4А132М4У3;

Номинальная мощность, Р_Н — 11 кВт;

Синхронная частота вращения, n_{о -} 1500 об/мин;

Номинальное скольжение, S_{Н -} 2,8%;

Номинальный КПД, — 87,5%;

Номинальный коэффициент мощности, cos — 0,87;

Кратность максимального момента, К₁ () — 2,2;

Кратность пускового момента, К_{2 (}) — 2;

Кратность минимального момента, К_{3 (}) — 1.6;

Кратность пускового тока, К₄ () — 7,5.

2.4 Расчет механических характеристик выбранного двигателя, проверка двигателя

Номинальная частота вращения, об/мин

n_ном=

(об/мин);

Номинальная скорость, рад/с

щ_ном=

(рад/с);

Номинальный момент двигателя, Нм

;

(Нм)

Максимальный момент двигателя, Нм

(Нм);

Значение пускового момента, Нм

(Нм);

Критическое скольжение

;

Уравнение механической характеристики имеет вид:

(Н);

(Н);

(Н);

(Н);

(Н);

Угловая скорость, рад/с

где = - скорость идеального холостого хода, рад/с;

(рад/с);

(рад/с);

(рад/с);

(рад/с);

(рад/с);

(рад/с);

Задаваясь значением S в пределах, рассчитываются зависимости М= f (S), = f (S).

Таблица 2 — Параметры естественной характеристики двигателя.

Проверка М_{с макс}?0.8ЧМ_макс, 76,999?0,8Ч158,58, 76,999?126,864

М_смакс=, М_смакс=

2.5 Анализ электропривода и системы управления им (достоинства и недостатки)

Электроприводом называют электромеханическую систему, состоящую из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств, предназначенную для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением.

По руду тока применяется электропривод переменного тока.

На станке установлен электропривод с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором. Они надежны, просты в эксплуатации, дешевы. Обладают высокими энергетическими показателями. Недостатком таких двигателей является сложность регулирования частоты вращения.

3. Расчет и выбор проводов и аппаратуры

3.1 Выбор проводов и питающих кабелей

Сечение проводов и кабелей для напряжения до 1000 В по условию нагрева определяется по справочнику в зависимости от расчетного значения длительно допустимой токовой нагрузки из соотношения:

где I_дл — ток расчетной длительной нагрузки;

I_ном — номинальный ток, для электроприемников, имеющих в установке одиночный асинхронный двигатель.

(А)

Выбираем провод ПВ 3 4 (12,5) с I_доп = 25 А.

3.2 Выбор защитной аппаратуры и аппаратуры управления

В качестве защитной аппаратуры применяются автоматический выключатель, тепловое реле — для защиты от перегрузок.

Номинальный ток комбинированного расцепителя автоматического включателя:

(А)

Ток срабатывания комбинированного расцепителя автоматического выключателя:

(А)

По справочнику выбирается автоматический выключатель с параметрами:

Тип автоматического выключателя: АЕ2046

Номинальный ток нагревательного элемента теплового реле:

(А)

По справочнику выбирается тепловое реле с параметрами:

;

диапазон несрабатывания тока (0.75 — 1.25) I_н.

Тип теплового реле: РТЛ. В качестве аппаратуры управления применяется магнитный пускатель. Номинальный ток пускателя: I_н=40А

С учетом аппарата защиты перевыбираем провод ПВ3 4 (1×40)

4. Специальная часть

Целью специальной части является модернизация электрооборудования главного привода. Предлагается два возможных варианта:

1 Установка преобразователя частоты для питания асинхронного двигателя главного привода

2 Замена асинхронного двигателя на двигатель постоянного тока с упрощенной коробкой скоростей.

4.1 Выбор преобразователя частоты, расчет характеристик двигателя

Наиболее перспективным способом регулирования скорости асинхронного двигателя является регулирование изменением частоты подводимого напряжения с помощью преобразователя частоты, который состоит из выпрямителя, преобразующего переменное напряжение в постоянное, инвертора, преобразующего постоянное напряжение в переменное, и блоков управления выпрямителя и инвертора.

При этом изменяется скорость холостого хода, т.к.. Для того, чтобы при изменении частоты максимальный момент двигателя оставался постоянным, необходимо также изменять напряжение, так чтобы соблюдался закон управления .

Таблица 3: Изменение скорости холостого хода при изменении частоты

4.2 Выбор двигателя постоянного тока и тиристорного преобразователя

По мощности и частоте вращения двигателя главного привода выбирается ДПТ из условия

Тип двигателя — 2ПФ180LУХЛ4;

Номинальная мощность Р_Н — 11 кВт;

Номинальное напряжение U_Н — 220 В;

Номинальная частота вращения n_н — 2200 об/мин;

Сопротивление якоря R_{Я -} 0,065 Ом;

Сопротивление добавочных полюсов R _{Д.П. -} 0,044 Ом;

Сопротивление возбуждения R_{В -} 174/40,2 Ом;

Номинальный КПД — 89%;

Индуктивность цепи якоря L_{Я -} 2,6мГн.

Исходя из мощности двигателя, и отсутствия реверса главного привода станка — в данном приводе используется трехфазная мостовая не реверсивная схема тиристорного преобразователя.

4.3 Определение параметров трансформатора, тиристоров, реактора

Трансформатор выбирается на основе расчетных вторичных напряжения и тока, а также расчетной мощности.

Расчетное значение вторичного фазного напряжения трансформатора, В

где K_U — 0,427;

U_d - напряжение преобразователя при угле открывания тиристоров = 0, принимается равным номинальному напряжению питания двигателя;

K_С = 1,05 — 1,1 — коэффициент учета колебания напряжения сети на 10%;

K = 1,05 — 1,1 — коэффициент, учитывающий неполное открывание вентилей при максимальном сигнале управления;

K_R = 1,05 — коэффициент, учитывающий падение напряжения в трансформаторах и вентилях.

(В);

Расчетное значение тока фазы вторичной обмотки трансформатора, А

;

I_2ф=0,8151,0556,18=48,08 (A);

где K_i = 0,815;

K_ф = 1,05 — 1,1 — коэффициент формы анодного тока;

I_d — выпрямленный ток, равный номинальному току двигателя I_дн (А);

(A); (A);

Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора, А

где — коэффициент трансформации трансформатора.

; ;

Расчетная типовая мощность трансформатора, В•А

где K_S - 1,05;

;

По полученным данным выбирается трансформатор с номинальными параметрами:

S_н S_тр; U_2фн U_2ф; I_2фн I_2ф

Выбираем трансформатор по справочнику.

Тиристоры выбираются по среднему значению тока через вентиль с учетом увеличения тока двигателя в переходных режимах и по максимальному значению обратного напряжения.

Среднее значение тока через тиристор с учетом того, что тиристор в трехфазных схемах открыт треть периода, А

где K_З = (2 — 2,5) — коэффициент запаса по току;

K_ох = 1 при принудительном охлаждении со стандартным радиатором.

Максимальная величина обратного напряжения, В

где K_ЗU = (1,5 — 1,8) — коэффициент запаса по напряжению;

K_Uобр =1,05;

;

По каталогу выбираются тиристоры с номинальными данными

Iдоп Iср; Uобр. доп Uобр. макс

Индуктивность цепи выпрямленного тока из условия сглаживания пульсаций, Гн

где k — номер гармоники, для управляемых преобразователей, k =1;

p — число пульсаций, для трехфазной мостовой p = 6;

p_1% — допустимое действующее значение основной гармоники тока, принимается (2 — 15) в зависимости от мощности привода;

U_dnm — амплитудные значения гармонических составляющих выпрямленного напряжения.

Для первой гармоники и минимального рабочего угла = 300 при мостовой схеме .

Требуемая величина индуктивности сглаживающего реактора, Гн

где L_УР — индуктивность уравнительного реактора (учитывается только при не насыщающихся реакторах);

L_ДВ — индуктивность двигателя, Гн

;

где = (0,15 — 0,25) — для компенсированных машин;

p — число пар полюсов двигателя, р=2;

4.4 Расчёт механических характеристик двигателя

Уравнения механической характеристики по скорости имеет вид, рад/с

Номинальная скорость, рад/с

Номинальный момент двигателя, Н•м

;

Для нахождения скорости холостого хода необходимо найти величину, В•с

где — суммарное сопротивление цепи якоря, Ом, приведенное к 75⁰ С.

Скорость холостого хода, рад/с

Уравнения механической характеристики в разомкнутой системе по скорости имеет вид, рад/с

где R_п — сопротивление преобразователя,, (Ом);

Уравнения механической характеристики в замкнутой системе по скорости имеет вид

где: U_зс — задающее напряжение, U_зс = (15−20), (В);

г= - коэффициент передачи обратной связи по скорости;

Для построения характеристик в замкнутой системе выбираем тахогенератор U_{зс макс}=20 В, U_ос=17 В, определяется коэффициент передачи г

г=;

Определяется коэффициент передачи системы, обеспечивающий при данном U_зс скорость холостого хода, как и в разомкнутой системе

По формуле определяется скорость при номинальном моменте, рад/с

(рад/с);

При изменении U_зс меняется скорость холостого хода, жесткость характеристик не меняется.

Таблица 4 — Параметры характеристик двигателя

5. Электрические схемы

5.1 Описание работы схемы управления

Питание на схему подаётся включением автоматического выключателя QF1. Пуск электродвигателя главного привода М1 и гидростанции М4 осуществляется нажатием кнопки SB4 которая замыкает цепь контактора KM1, замыкаются его контакты, переводя его на самопитание. Остановка электродвигателя главного привода М1 осуществляется нажатием кнопки SB3. Управление электродвигателем быстрого перемещения каретки и суппорта М2 осуществляется нажатием толчковой кнопки, встроенной в рукоятку фартука и воздействующей на конечный выключатель SQ8. Пуск и остановка электронасоса охлаждения М3 производится переключателем SB7. Работа электронасоса сблокирована с электродвигателем М1, и выключение его возможно только после замыкания контактов пускателя КМ1. Для ограничения холостого хода электродвигателя главного привода в схеме имеется реле времени КТ3. В средних положениях рукояток включения фрикционной муфты главного привода замыкается нормально закрытый контакт конечного выключателя SQ6 и включается реле времени КТ3, которое через установленную выдержку времени отключит своим контактом электродвигатель главного привода. Автоматический выключатель отключает электроснабжение станка. При открывании кожуха сменных шестерней срабатывает микро переключатель SQ5 отключает электродвигатель главного привода. Путевой выключатель SQ1 смонтирован в шкафу управления, микропереключатель SQ5-на корпусе коробки подач.

Заключение

В курсовом проекте по дисциплине «Электрическое и электромеханическое оборудование» произведен расчёт и выбор электропривода токарно-винторезного станка модели 16К20П, предназначен для выполнения разнообразных токарных работ: обтачивания и растачивания цилиндрических и конических поверхностей, нарезания наружных и внутренних метрических, дюймовых, модульных и питчевых резьб, а также сверления, зенкерования, развертывания, и т. п. В курсовом проекте была рассчитана мощность двигателя главного привода Р_экв = 10,9 кВт.

По данным расчёта и необходимым требованиям выбран двигатель типа 4А132S4У3. Для него рассчитана и построена естественная механическая характеристика, выбран провод ПВ3 4 (12,5), автоматический выключатель АЕ2046, тепловое реле РТЛ, а также аппаратура управления магнитный пускатель ПМЛ 2100.

По мощности и частоте вращения двигателя главного привода был выбран ДПТ типа 2ПФ180LYXЛ4 с Р_ном=11 кВт, n_ном=2200 об/мин, питающийся от трёхфазной мостовой реверсивной схемы тиристорного преобразователя.

Для ДПТ выбран трансформатор на основе расчета вторичных напряжения и тока, а также расчетной мощности, тиристор по среднему значению тока с учетом увеличения тока двигателя в переходных режимах и по максимальному значению обратного напряжения.

Рассчитаны и построены для ДПТ естественная и искусственная механические характеристики в замкнутой и разомкнутой системе.

В 5 пункте рассмотрена работа управления станком, включающая запуск всех двигателей, электромагнитных муфт. Дано функциональное описание назначения конечных выключателей, кнопок, переключателей.

1. Зимин Е. Н. и др. Электрооборудование промышленных предприятий и установок. М.: Энергоиздат, 1981.

2. Коновалова Л. Л., Рожкова Л. Д. Электроснабжение промышленный предприятий и установок. М.: Энергоатомиздат, 1989.

3. Автоматические выключатели общего применения до 630А. Справочник. М.: Информзлектро, 1996.

4. Правила устройства электроустановок. М.: Энергоатомиздат, 2011.

5. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.2/Под ред.А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерекова. М.: Машиностроение, 1986.

6. Справочник по электрическим машинам. В 2-х т. Т.1/Под ред. И. П. Копылова и Б. К. Клокова. М.: Энергоатомиздат, 1988.

7. Электромагнитные пускатели. Справочник. М.: Информэлектр, 1994.

8. Электротехнический справочник. В 3-х т. Т.2 Электротехнические изделия и устройства/Под общ. ред. Профессоров МЭИ (гл. ред. И.Н. Орлов). М.: Энерготоиздат, 1986.