Електромеханічний привід виконуючого механізму

Міністерство освіти і науки України

Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка

Електромеханічний факультет

Кафедра обладнання нафтових та газових промислів

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

з дисципліни:

“Основи конструювання механічної частини електроприводів”

на тему:

“Запропонувати електромеханічний привід виконуючого механізму”

Варіант №6

Вступ

В цій РПЗ приведені деякі розрахунки електромеханічного приводу ланцюгового транспортера.

Ланцюговий транспортер це — машина неперервної дії для переміщення кускових або штучних вантажів, яка широко застосовується при механізації та автоматизації промислових процесів в різних галузях народного господарства.

Ланцюговий транспортер (рис.1) виконаний у вигляді двох зірочок: ведучої 1 та веденої 2, через які перекинуто транспортерний ланцюг 3. Ведена зірочка має натяжний пристрій гвинтового типу 4. Тяговим та вантажонесучим органом у ланцюгового транспортера є ланцюг 3 та напрямлячі-опори 5, які розташовані як під верхньою, так і під нижньою гілками ланцюга. Швидкість руху ланцюга коливається від 1 до 8 м/с в залежності від виду транспортуємого вантажу та умов експлуатації.

Проектуємий електропривід буде передавати обертовий рух ведучій зірочці 1.

Транспортні пристрої забезпечують неперервність технологічних процесів, тому до них застосовують особливі вимоги по надійності та довговічності. У зв’язку з цим оптимальним приводом для ланцюгового транспортера буде електричний привід з асинхронним електродвигуном змінного струму, який має суттєву перевагу у порівнянні з іншими видами приводів (гідравлічним та пневматичним).

Приводи з асинхронними двигунами широко розповсюджені в робототехнічних та технологічних комплексах. Це пояснюється тим, що асинхронні двигуни мають просту конструкцію, надійні в експлуатації, дешевші, значно легші та менші за розмірами від електричних двигунів іншого типу.

Рис. 1. Кінематична схема стрічкового транспортера:

1 — зірочка ведуча,

2 — зірочка ведена,

3 — ланцюг транспортний,

4 — пристрій натяжний,

5 — направляючі,

6 –– станина.

Враховуючи викладене вважаємо, що основною метою цього проекту є розробка такої конструкції передаточного механізму електроприводу, яка б відповідала всім вимогам, що ставляться в технічному завданні.

Для успішного вирішення поставленої задачі в проектуємому передаточному механізмі необхідно використати якомога більше число серійно виготовляємих складових частин, що мають гарантовану заводом-виробником надійність та довговічність.

1. Опис будови та принципу дії електроприводу

В результаті техніко-економічного аналізу (див. розділ 4) вибрано кінематичну схему розробляємого електроприводу (рис.2).

Електропривід включає двигун М, який за допомогою пружної втулочно-пальцевої муфти МУВП з’єднаний з вхідним валом черв’ячного редуктора Ч250. На вихідний вал черв’ячного редуктора насаджено зірочку Z1, яка за допомогою втулочно-роликового ланцюга Ц з’єднана з веденою зірочкою Z2, що закріплена на валу ведучої зірочки ланцюгового транспортера. Ланцюгова передача має натяжний ролик НР.

Електродвигун з черв’ячним редуктором змонтовані на окремій рамі, тобто виконані у вигляді самостійного блоку, який розташований під холостою гілкою стрічкового транспортера. Така компоновка електропривода відповідає принципам блочно-модульної побудови машин, дозволяє вписатися в габарити ланцюгового транспортера та дає можливість зручного обслуговування складових частин електропривода при експлуатації.

Технічна характеристика електропривода

Номінальний обертовий момент на вихідному валу, Нм —6180;

Частота обертання вихідного вала, об/хв — 17;

Електродвигун — АИР160S6У3, Р = 11,0 кВт, n = 970 об/хв;

Редуктор — Ч-250-50-19,4-51-У3, Твих = 4120 Нм при nб = 1000 об/хв;

Габаритні розміри, мм довжина —1312, ширина —648, висота —760;

Маса, кг ~600.

Рис.2. Кінематична схема електроприводу ланцюгового транспортера:

2. Попередній вибір електродвигуна

Визначаємо корисну потужність, яка необхідна для привода стрічкового транспортера, за формулою:

Ркор = Ткор, (1)

де Ткор — середній момент корисного опору на ведучому барабані за графіком навантаження, Нм;

— кутова швидкість ведучої зірочки, с-1.

Враховуючи характер навантаження (див. рис. 2 в технічному завданні)

Ткор = (Тх 0,5t + 0,8Тх0,5 t)/(0,5 t +0,5 t)=0,9Т=0,9х3750=3375 Нм.

де Т — діючий момент корисного опору на ведучому барабані —3750 Нм, який заданий;

t — час дії навантаження, хв.

= p n/30=pх 17/30=1,78 1/с.

де n — частота обертання ведучої зірочки 17 об/хв по завданню.

Підставивши отримані значення Ткор та в рівняння (1), отримаємо:

Ркор = 3375 х1,78= 6007,5 Вт

Необхідну потужність елкктродвигуна визначаємо за формулою:

Рнеобх = к Ркор /, (2)

де к — коефіцієнт запасу, величина якого згідно даних [1] коливається від 1,1 до 1,2; приймаємо 1,1;

Ркор = 6007, 5 Вт;

— коефіцієнт корисної дії передаточного механізму, склад якого невідомий; тому попередньо приймаємо = 0,7.

Тоді

Рнеобх = 1,1 х6007,5 /0,7 = 9440,35 Вт

Номінальну потужність Рном встановлюємого електродвигуна визначаємо по каталогу [2] виходячи із співвідношення:

Рном Рнеобх

Враховуючи, що електродвигуни змінного струму по масі на 50% легші та вимагають в 4,5 рази менших витрат міді у порівнянні з електродвигунами постійного струму [2], мають більш високу ступінь захисту, а також у зв’язку з умовами роботи стрічкового транспортера та вимогами технічного завдання, в проектуємому електроприводі орієнтуємося на застосування трифазних асинхронних електродвигунів змінного струму з короткозамкнутим ротором, як найбільш простих, надійних та дешевих.

В електроприводі, що ми проектуємо можуть бути використані асинхронні електродвигуни, технічні показники яких наведені в таблиці 1.

Таблиця 1.Технічні показники електродвигунів, що призначені для використання в електроприводі.

Р — номінальна потужність двигуна,

n — асинхронна частота обертання вала,

L, B, H — довжина, ширина та висота двигуна,

db — приєднувальний діаметр вала,

lb — довжина приєднувальної частини вала,

Тпуск/Тном і Тмакс/Тном — відношення пускового та максимального моментів до номінального моменту, що розвиває двигун,

m D2 — маховий момент ротора двигуна,

— коефіцієнт корисної дії.

3. Компоновка кінематичної схеми електропривода

Попередньо вибрані до встановлення два типи двигунів з синхронними частотами обертання валів1000, 1500 об/хв визначають дві можливих варіанти кінематичних схем передаточного механізму.

Визначаємо для кожного варіанта передаточне відношення по формулі:

і = nдв/nЗ, (3)

деnдв — асинхронна частота обертання якоря двигуна, об/хв,

n — частота обертання ведучої зірочки ланцюгового транспортера, об/хв, і результати розрахунків зводимо в таблицю 2.

Таблиця 2. Передаточні відношення передаточних механізмів

електроприводу для різних двигунів

Далі визначаємо передаточне відношення передаточного механізму електропривода транспортера за умови мінімального часу пуску. Розрахунок ведемо згідно слідуючої таблиці 3, враховуючи, що момент інерції ротора двигуна пропорційний його маховому моменту.

Таблиця 3.Динамічні характеристики електроприводів

Наведені розрахунки свідчать про те, що при мінімальному часі пуску оптимальним буде електропривід з двигуном АИР132М4У3, так як він має найменший добуток m D2 i2. Цей двигун має (див. табл. 1) найменшу масу серед розглянутих двигунів. Як видно з таблиці 1, із підвищенням частоти обертання якоря маса двигуна та його габаритні розміри зменшуються, знижується ціна, а ККД збільшується. Але робочий ресурс також зменшується.

Враховуючи викладене, для розробки компоновочних схем електропривода, зупинимося на електродвигунах АИР132М4У3 та АИР160S6У3

Розробляючи кінематичні схеми передаточних механізмів, враховуємо також вимоги найменших габаритних розмірів і можливість вписатися в габаритні розміри ланцюгового транспортера. Звісно, найбільш зручним буде електропривід, який буде розташований під ланцюговим транспортером. Така умова потребує застосування в якості останнього ланцюга електропривода механічної передачі з гнучким зв’язком. Для тихохідних механізмів (транспортерів і конвейєрів), що має місце в нашому випадку, рекомендують ланцюгові передачі, на якій ми й зупинимося [3].

Орієнтуючись на ці обмеження, компонуємо кінематичні схеми електроприводу з вибраним двигуном. В якості складових частин використовуємо якомога більше серійно випускаємих механічних редукторів, муфт, гнучких зв’язків і т.д., так як тільки в цьому разі ми можемо досягти найбільш економічного рішення, найбільшої довговічності та надійності приводу.

Таблиця 4. Перелік складових частин електроприводів та розбиття передаточного числа

4. Вибір електродвигуна та аналіз кінематичних схем електроприводу

Уточнюємо коефіцієнти корисної дії кожного варіанта, основуючись на тому, що складові частини електропривода мають слідуючі значення ККД згідно [2].

Черв’ячний редуктор Ч320, і = 80чр = 0,83

Черв’ячний редуктор Ч250, і = 50чр = 0,82

Муфта пружна МУВПм = 0,99

Ланцюгова передачалп = 0,95

Тоді, відповідно до варіантів загальний ККД передаточного механізму буде рівний:

1 — 1 = мчрлп = 0,99 х 0,83 х 0,95 = 0,78

2 — 2 = мчрлп = 0,99 х 0,82 х 0,95 = 0,77

Тепер, маючи уточнене значення ККД та величину корисної потужності, визначаємо по відомій формулі (2) необхідну потужність електродвигуна для кожного варіанта

1 — Рнеобх1 = к Ркор/1 = 1,1 х 6007,5 х /0,78 = 8472,1 Вт

2 — Рнеобх2 = к Ркор/2 = 1,1 х 6007,5 х /0,77 = 8582,1 Вт

Основуючись на уточнених розрахунках необхідної потужності та виконуючи умову

РномРнеобх,

для кожного варіанта приймаємо слідуючі асинхронні електродвигун змінного струму

1 варіант АИР132М4У3Р = 11,0 кВт,

n = 1450 об/хв;

2 варіант АИР160S6У3 Р = 11,0 кВт,

n = 970 об/хв

Таблиця 6. Результати розрахунків коефіцієнта якості електроприводів

Результати приведених розрахунків свідчать про те, що найбільш прийнятним по коефіцієнтам якості є перший варіант,але через його велику масу і велику громіздкість компоновки перевагу віддаємо другому варіанту.

5. Теплова перевірка вибраного двигуна

Теплову перевірку двигуна проводимо за методом еквівалентних моментів [4], рахуючи, що між струмом та моментом вибраного двигуна існує прямопропорційна залежність.

Визначаємо величину еквівалентного моменту корисного опору на ведучому барабані стрічкового транспортера за формулою:

(5)

де Т1 — момент корисного опору на ведучій зірочці на протязі часу

t1 = 0,5t рівний діючому моменту Т, Нм,

Т2 — момент корисного опору на ведучій зірочці на протязі часу

t2 = 0,5t рівний 0,8 діючого момента Т, Нм,

Т — діючий момент корисного опору по завданню 3750 Нм.

Після підстановки значень в формулу (5) отримуємо

=Ц0,82ТІ=0,9Т=0,9х3750=3375 Нм.

Приводимо еквівалентний момент корисного опору до валу двигуна, використовуючи співвідношення

деТекв — приведений до валу двигуна еквівалентний момент корисного опору, Нм,

u — передаточне число передаточного механізму приводу рівне 57,

м — ККД передаточного механізму 0,77.

Тоді Текв =/uhм=3375/57х0,77=76,896 Нм.

Номінальний момент, що розвиває двигун, рівний

,

деР — номінальна потужність двигуна 11000 Вт,

— номінальна кутова швидкість усталеного руху якоря двигуна

wном=pn/30=3,14х970/30=101,53 1/с.

Таким чином

Тном=Р/wном =11000/101,53=108,34 Нм.

Так як номінальний момент, розвиваємий двигуном Тном більше еквівалентного моменту навантаження Текв, тобто

Тном > Текв,

то двигун не буде перегріватися.

Вибраний двигун допускає короткочасне перевантаження при пуску Тпуск/Тном = 2, що більше ніж по завданню Тпуск = 1,8Т.

Виконання двигуна по способу монтажу М100, тобто на лапах, по ступеню захисту ІР44, тобто закритий з зовнішнім обдувом від власного вентилятора. Двигун може працювати при температурі навколишнього повітря від -40 до +40 оС.

6. Визначення динамічних показників

Для уточнення пускового моменту та розрахунку динамічної міцності обертаючихся деталей приводу, визначаємо момент сил інерції, який необхідно перебороти двигуну при пуску, за методикою, яка викладена в [5].

Ті = Іпрe, (6)

де Іпр — приведений до вала двигуна момент інерції складових частин виконавчого механізму і приводу, кгм2,

e — кутове прискорення вала двигуна, с-2.

Приведений до вала двигуна момент інерції визначаємо за формулою:

Іпр = Ідв + (7)

де Ідв — момент інерції якоря двигуна та муфти по даним [2] складає 0,12+ 0,32= 0,44 кгм2,

Ізір — момент інерції стальної зірочки (= 7800 кг/м3), шириною а = 0,02 м.

Діаметр зірочки Z/t=10/125:

Ізір=mrІ/2=(r/2)a(pDІ/4)(D/2)= pDІ DІra/32=0,409 кгмІ

Будемо вважати, що грузонесучий ланцюг та маса вантажу, яка на ньому знаходиться зосереджена на ободі зірочки, тоді момент інерції ланцюга з вантажем буде рівний

Іланц = mланцrзір2 = mланц(D/2)2,

mланц=F/g; F=Т/( D/2)=2Т/ D; mланц =2Т/ g D=2х3750/9,81х0,405=1890 кг

D — зовнішній діаметр ведучої зірочки ланцюгового транспортера,

Таким чином Іланц =1890х(0,405/2)І=77,5 кгмІ.

Іпр = 0,44 +(4х0,409+77,5)/50І = 0,472 кгм2.

Для обчислення кутового прискорення визначаємо час пуску двигуна tп за формулою:

(8)

де Іпр — приведений до вала двигуна момент інерції 0,472 кгм2,

ном — номінальна кутова швидкість якоря двигуна

wном=pn/30=3,14х970/30=101,53 1/с.

Тп — пусковий момент двигуна, рівний двом номінальним моментам Тном по даним [2].

Тп = 2Тном = 2Р/wном =22000/101,53=218,68 Нм.

Тоді

tп = 0,472х101,53/216,68 = 0,22 с

Середнє кутове прискорення

e=wном / tп = 461,5 с–2.

Підставляючи отримані значення в формулу (6), отримуємо що

Тu = 0,472х461,5= 217,82 Нм,

менше пускового моменту, розвиваємого двигуном Тп = 218, 68 Нм.

Враховуючи, що процес розгону якоря двигуна від поч = 0 до ном = 101,53 с-1 можна вважати завершеним за час 2/3 tп, так як на протязі цього часу кутова швидкість двигуна досягає 0,9 ном, визначимо максимально можливий момент сил інерції на валу двигуна і порівняємо його з максимальним моментом, короткочасно розвиваємий двигуном

eмах = 0,9хwном /(2/3 tп)= 623 с-2

Тоді

Тu макс = 0,472х623= 139,68 Нм

По даним [2] двигун допускає короткочасне перевантаження

Тмакс = 2,2 Тном = 2,2х108,34= 238,34 Нм

Враховуючи отримані результати, коли Тu макс <Тмакс, слід в інструкції по експлуатації на ланцюговий транспортер вказати обмеження на увімкнення електроприводу

“ Ланцюговий транспортер можна запускати з навантаженням ”, але щоб уникнути аварійної ситуації практично завжди його запускають без навантаження.

7. Розрахунки на довговічність

Аналізуючи проведені в розділах 5 і 6 розрахунки, необхідно відмітити наступне.

На протязі 0,5 часу циклу t ведуча зірочка ланцюгового транспортера повинна розвивати обертовий момент

Тзір(0,5t) = 3750 Нм,

а на протязі часу 0,5t момент

Тзір(0,5t) = 0,8х4250 = 3000 Нм.

Встановлений в приводі двигун АИР160S6У3 потужністю Р = 11000 Вт при номінальній кутовій швидкості ном = 101,53 с-1 розвиває номінальний момент Тном = 108,34 Нм, що на ведучій зірочці ланцюгового транспортера складе

Тзір(ном) = Тномu= 108,34х57х0,77= 4755 Нм

Таким чином на протязі 0,5t часу цикла перевантаження двигуна складе

n = 3750/4755=0,79,тобто перенавантаження не буде.

Перевірка двигуна за умови нагріву та перевантажувальній здатності дала позитивні результати, тому вважаємо, що момент корисного опору Тзір(0,5t) = 3750 Нм, діючий на протязі 0,5 часу циклу t, не буде давати негативного впливу на працездатність двигуна на протязі необхідного строку служби стрічкового транспортера Lріч = 8 років по завданню, чого не можна стверджувати про черв’ячний редуктор моделі Ч250, встановлений у приводі.

Враховуючи викладене, необхідно виконати розрахунки на довговічність черв’ячної пари, а також валів редуктора.

7.1 Визначення довговічності черв’ячної пари

У відповідності з даними [2] черв’ячний редуктор Ч250 з передаточним числом u = 50 може передавати наступні обертові моменти Тчр:

при частоті обертання швидкохідного вала nш = 1000 об/хв Тчр(1000) = 4120 Нм з ККД = 0,82;

при частоті обертання швидкохідного вала nш = 750 об/хв Тчр(750) = 4820 Нм з ККД =0,81.

Шляхом інтерполірування визначаємо, що при nб = 970 об/хв, що відповідає номінальній частоті обертання вала привідного електродвигуна, черв’ячний редуктор здатний передавати момент Тчр(970) = 4204 Нм з ККД 0,819.

Таким чином перевантаження черв’ячного редуктора на протязі 0,5 часу циклу t складе

nчр =

де Тзір(0,5 t) = 3750 Нм;

ланц — ККД ланцюгової передачі 0,95;

Тчр(970) = 4204 Нм.

nчр = 3750/(0,95х4204)= 0,938

Для черв’ячного редуктора перевантаження не має.У відповідності з даними [7] використаний черв’ячний редуктор Ч250 з u = 50 має наступне співвідношення основних параметрів:

міжосьова відстань aw = 250 мм,

передаточне число u = 50,

число зубців черв’ячного колеса Z2= 50,

число заходів черв’яка Z1 = 1,

осьовий модуль m = 8 мм,

коефіцієнт діаметра черв’яка q = 20,

коефіцієнт зміщення черв’яка х = 0.

Визначаємо діючі контактні напруження на зубцях колеса за формулою джерела [9] на протязі першого та другого періодів циклу:

(9)

де Z2 = 50; q = 20; aw = 250 мм;

Т2 — обертовий момент на вихідному валі редуктора, має два значення при ККД ланцюгової передачі ланц = 0,95.

На протязі 0,5 часу циклу t

Т2(0,5 t) = Тзір(0,5t)/ ланц =3750/0,95=3947,36 Нм

і на протязі 0,5 часу циклу t

Т2(0,5 t) = Тзір(0,5t)/ ланц = 3000/0,95=3157,29 Нм

Кн — коефіцієнт розрахункового навантаження при якісно виготовленій передачі та коловій швидкості колеса V2 < 3 м/с, що має місце у нашому випадку

(V2 = pd 2 n 2 /60х1000=0,406 м/с),

приймають рівним одиниці.

Тоді

sн(0,5t) =(5400/(50/20))Ц( ((50/20 )+1)/250) іх3947,36х1,2=246,25 МПа

sн(0,5t) =220,25 МПа.

Загальне число циклів зміни