Автоматизация шлифовального процесса путем разработки автоматической системы управления регулируемым натягом

В общем случае существует оптимальное решение данной задачи рис.2.17, 2.18. Опттимум получается пересичением плоскостей нагрузок с введением верхних и нижних ограничений по допустимым нагрузкам на подшипник.

Полученные соотношения могут быть использованны для расчета оптимальных условий натяга в высокоскоростных шпиндельных узлах а также приделы их регулирования в зависимости от режимов резния.

2.4 Расчет шпиндельного узла

На основании исходных параметров опоры шпиндельного узла выполнены на подшипниках качения.

2.4.1 Выбор компоновочной схемы

На основании требований к точности обработки и скоростных параметров выбираем схемы узла Рис. 2.19. Данная схема является высокоскоростной и при этом имеет большую радиальную жесткость.

Рис. 2.19 компоновачная схема

В мотор-шпинделях, где расстояние между обмотками статора и валом ротора должны быть постоянными во избежание нагрева и обгорания обмоток, поэтому величина радиальной жесткости крайне важна. Предполагается использовать в опорах комплекты дуплексных подшипников 46216 и 46218.

2.4.2 Определение компоновочной схемы

, (2.11)

На основании эскизного проекта, технологических расчетов режимов и методических данных приводим значения параметров проектируемого шпиндельного узла:

Максимальная частота вращения шпинделя - 4000 об/мин.

Тип смазки - пластичная ЦИАТИМ-202. Для заданной точности станка допустимая температура наружнего кольца- 35С0

Класс точности подшипника- 3

Предварительный натяг-легкий, средний.

Угол контакта - 26 град.

Диаметр передного конца шпинделя dk = 120.00мм.

Диаметр межопорной части шпинделя dm = 90.00мм.

Диаметр заднего конца шпинделя dз = 80.00 мм.

Длинна переднего конца шпинделя a =100.00 мм.

Межопорное расстояние b= 350.00мм.

2.4.3 Расчет жесткости опор ШУ

Расчет опор для шпиндельного узла, предназначенного для шлиф процесса основывается на силах, действующих на круг во время обработки. Для получения поверхности с шероховатостью Rz=0.63 подшипники и посадочные места, отвечающие за жесткость опор должны иметь следующие параметры.

При этом рекомендуемый преднатяг при посадке должен составлять -3-2 мкм.

Осевая жесткость подшипников выбранной серии j0=25 кгс/мкм, но так как монтаж на быстроходные опоры идет по схеме “Т” осевая жесткость увеличивается на 20% и составляет j0=30 кгс/мкм

Рекомендуемая сила преднатяга для сдвоенных подшипниках в опорах равна А0=90 кГс

Общая поддатливасть подшипника равна:

=0.4*3=1, (2.12)

где

R0- радиальная поддатливасть;

K- биение.

По зависимости осевого смещения подшипника от схемы монтажа определим возможное осевое смещение - оно составит 6 мкм. Эта величина максимально возможного смещения в шпиндельном узле при рассчитанном процессе резания. Радиальная величина нагрузки - Рz= 5000. Н

Передняя и задняя опоры состоят из подшипников одного типа и серии:

Таблица2.2

обозначение	d	D	B	T	C	C0	nпред,пласт	М, кг
46216	90	160	30	30	111000	76200	4300	1,68

Число тел качения в подшипнике z= 14, угол контакта = 26 град

Сила преднатяга подшипника А0=900Н, осевая сила 500Н

Радиальная жесткость опор составляет 735470 Н/мм

Осевая жесткость опор 318898 Н/мм, что соответствует табличным значениям. По этим значениям радиальная жесткость шпиндельного узла равна 384049.72 Н/мм.

2.4.4 Расчет электрических параметров шпиндельного узла

Проектируемый шпиндельный узел может выполнять не только операции связанные с шлифованием, предполагается использовать его в приводах ГПМ, снижая их массу и повышая их гибкость. Поэтому параметры должны удовлетворять широкому спектру требований по силе резания, моменту и скорости вращения с неизменными параметрами жесткости и устойчивости работы.

Электрический привод рассчитывается исходя из требуемой номинальной мощности и напряжения питающей сети:

Pн=10 кВт,

Uн=380 В.

Номинальная частота f=50 Гц.

По этим параметрам выбираем асинхронный двигатель с коротко замкнутым ротором 4А132М2 на основании которого и проектируем шпиндельный узел.1

Номинальный (фазнай) ток I =21 A.

Номинальная скорость n=4000 об/мин.

- угловая скорость вращения ротора АД; 400

Номинальный момент

M==. (2.13)

Момент инерции J=0.09 кгм2

Индуктивность рассеяния статора ls =4310-4 Гн

Индуктивность рассеяния ротора lr =5110-4 Гн

Взаимная индуктивность статора и ротора Lm= 0.1045 Гн

Число пар полюсов 2n=3

КПД =88%, cos=0.9

Отношение 7.5. Отношение 1.7, 2.8

Активное сопротивление статора rc=0,45 Ом.

Активное сопротивление ротора rр=0,7 Ом.

Величина вектора потокосцепления ротора

, (2.14)

где

- обобщенные векторы, соответственно, тока, потокосцепления статора;

- обобщенный вектор потокосцепления ротора;

Lm - взаимная индуктивность статора и ротора;

- индуктивность рассеяния, соответственно, статора и ротора.

==19*(0,1+51*10-4)+19*0,1=3,8.

2.4.5 Расчет теплового параметра шпиндельного узла

Шпиндельным узлам, работающим на больших скоростях, к которым предъявляются высокие требования по точности и жесткости, необходим эффективный тепло отвод. Асинхронный двигатель имеет коэффициент полезного действия равный з=88%, то есть потери мощности, подаваемой на обмотки, составляет 10%. Эта мощность расходуется на потери в роторе и трение. Если первый показатель нельзя изменить, так как увеличение проводимости материала ротора повлечет изменение остальных показателей системы, включая стоимость узла, то второй параметр можно контролировать величиной объема СОЖ в системе. Отвод температуры из шпиндельной бабки производится за счет прокачки жидкости, отводящую на себя излишнюю температуру через технологические отверстия в корпусе у передней и задней опоры. Объем жидкости, циркулирующей через систему, рассчитывают по формуле:

(2.15)

где

Q - количество отводящегося тепла за время Дt;(кДж/мин)

qm - расход охлаждающей жидкости; (кг/мин)

Cm - удельная теплота охлаждающей жидкости;(кДж/кг*с0)

ДT - приращение температуры.С0

Ротор, как и статор, в процессе работы также нагреваются, что может привести к обугливанию поверхностей и, как следствие, снижению мощности двигателя, что не допустимо. Охлаждение их также предусмотрено и производится с отдельного ввода. Жидкость, проходя через пазы муфты статора, предотвращает его перегревание.

(2.16)

qm=72/1.9*10=4 л/мин

2.4.6 Определение напряжений и перемещений в вале ротора

Вал узла и установленный на нем ротор составляют неразъемную систему для обеспечения передачи вращающего момента. Роторные пластины, жестко установленные на втулке, устанавливаются на вал с натягом Д=0.034мм. Это достигается нагревом втулки на 190 С0,что приведет к объемному расширению на 40мкм. При остывании между цилиндрами возникает контактное напряжение pk. При посадке внешний радиус внутреннего цилиндра сократится, и точки цилиндра на контактной поверхности получат отрицательное смещение.

(2.17)

где

E - коэффициент упругости первого рода (Па);

а - внутренний диаметр вала (мм.);

b- внешний диаметр ротора (мм.);

c- внутренний диаметр ротора (мм.).

Картина распределения напряжений в сопряженных цилиндрах показана рисунке 2.20.

Рис. 2.20

Таким образом, в результате посадки оба цилиндра будут работать как одно целое и в (составном цилиндре) возникнут напряжения взаимодействия. Если внутренний радиус вала мал, то посадка труб по соотношению (2.17) дает почти двукратное снижение эквивалентного напряжения в контактных зонах. В дальнейшем при нагрузке ротора моментом, контактное давление не допустит прокручивания и пластической деформации, если рабочее давление не превышает давление предварительного обжатия. Проектируемый шпиндельный узел (исходя из требований предъявляемых к двигателю) способен развить момент до 100 Н*м, при требуемых в режимах резания 23 Н*м. Рассчитаем критический момент, при a=50 мм., b=173 мм, c=72 мм, h=140 мм:

(2.18)

где

P - сила приложенная к валу;

f- коэффициент трения;

h- ширина ротора.

Это удовлетворяет требованиям, предъявляемым к жесткости соединения с запасом в 10 раз. Натяг вала и ротора соответствует посадке П6.

3. Система управления

3.1 Электрический привод с асинхронным двигателем

ЭП с трехфазным асинхронным двигателем (АД) является самым массовым видом привода в промышленности, коммунальном и сельском хозяйстве. Такое положение определяется простотой изготовления и эксплуатации АД, их меньшими по сравнению с двигателями постоянного тока массой, габаритами и стоимостью, надежностью в работе.

В основную общепромышленную серию 4А входят двигатели на мощности от 0,06 до-400 кВт с высотами осей вращения от 50 до 355 мм, которые выпускаются в самых различных модификациях и конструктивных исполнениях: с. повышенными пусковым моментом и скольжением; с фазным ротором; встраиваемые; малошумные; со встроенной температурной защитой; с электромагнитным тормозом; с подшипниками скольжения; химострйкие. АД различаются также по климатическому исполнению и категории размещения. Для комплектации ЭП большой мощности выпускаются АД серий АН-2 (мощностью до 2000 кВт), АВ (мощностью до 8000кВт), ДАЗО (мощностью до 1250кВт) и ряд других.

Для ЭП крановых механизмов производятся специализированные АД серии MTF (с фазным ротором) и MTKF (с короткозамкнутым ротором), а для рабочих машин и Механизмов металлургического производства--серии МТН (с фазным ротором) и МТКН (с короткозамкнутым ротором). В составе этих серий выпускаются и многоскоростные АД. Двигатели указанных серий отличаются повышенной механической прочностью, большими пусковыми моментами при сравнительно небольших пусковых токах, хорошими динамическими показателями. Крановые и металлургические АД новой серии 4МТ отличаются улучшенными технико-экономическими показателями работы, расширенной шкалой мощностей, более высоким уровнем стандартизации.

Основной областью применения АД вплоть до недавнего времени являлся нерегулируемый ЭП. В последние годы в связи с разработкой и Серийным выпуском электротехнической промышленностью тиристорных преобразователей частоты и напряжения стали создаваться регулируемые асинхронные ЭП с характеристиками, не уступающими по своим показателям ЭП постоянного тока. Применение таких ЭП в,силу определенных преимуществ АД представляет собой прогрессивную тенденцию развития автоматизированных ЭП не только в нашей стране, но и за рубежом.

С разработкой и освоением серийного производства мощных силовых полупроводниковых приборов появилась возможность широкого применения мощных преобразователей частоты (ПЧ) для питания обмоток высоковольтных АД. Таким образом, появилась возможность создания регулируемых по скорости мощных высоковольтных асинхронных электроприводов.

Известно, что механические и динамические характеристики, энергетические показатели АД в частотно-регулируемом электроприводе определяются: принятым законом частотного управления, способом частотного управления, алгоритмической и аппаратной реализацией автоматической системы регулирования (АСР) электропривода.

Несмотря на большое количество разработанных и исследованных структур АСР для низковольтных электроприводов, применение их для мощных высоковольтных электроприводов не представляется возможным. Это связано с особенностями высоковольтного электропривода, а именно:

значительным усложнением непосредственного измерения параметров электропривода;

условием минимальной асимметрии питающих токов, вытекающей из требования к повышенной энергетике электропривода;

применением трехфазного двух обмоточного АД, питающегося от двухсекционного преобразователя частоты, вытекающим из условия улучшенных энергетических, регулировочных свойств и способа наращивания выходной мощности.

Кроме перечисленных особенностей необходимо отметить, что значительная часть высоковольтных АД рассчитана на высокие скорости вращения (6000 об/мин и выше), что исключает возможность применения вращающихся на валу АД датчиков.

Таким образом, на основании анализа приведенных законов, способов, технических устройств частотного управления асинхронными электроприводами, можно сделать следующие выводы.

Для мощных электроприводов механизмов, работающих с постоянным моментом сопротивления на валу целесообразно применение закона частотного управления с постоянством потокосцепления ротора, отличающегося наивысшей перегрузочной способностью и обеспечивающего наилучшие динамические свойства двигателя.

Для мощных электроприводов механизмов, благодаря своим высоким энергетическим показателем и простоте технической реализации целесообразно использовать закон частотного управления по минимуму потерь.

Для наращивания мощности электропривода и одновременного повышения его энергетических показателей, используются трехфазные одно-обмоточные двигатели с пространственным сдвигом между трехфазными статорными обмотками, питающимися от трехфазного преобразователя частоты токами (напряжениями) с фазовым сдвигом в 60 эл.град.

Известные в настоящее время технические устройства для частотного управления асинхронным электроприводом в полной мере не отвечают требованиям, предъявляемым к мощному высоковольтному электроприводу и им присущи следующие недостатки:

ограниченная низкоскоростными электроприводами область применения, необходимость изготовления специальной машины или переделка серийной, применение специальных устройств для механического сочленения валов, невозможность применения в запыленных и агрессивных средах, что обусловлено наличием датчиков на валу и внутри машины;

высокая сложность технической реализации, обусловленная наличием сложных технических устройств: координатного преобразования, фильтров, фазовращателей, функциональных преобразователей, блоков коррекции мгновенного значения частоты;

наличие большого числа датчиков, осуществляющих высоковольтную гальваническую развязку;

невысокая надежность, что обусловлено наличием датчиков на валу и внутри машины, высокой сложностью технической реализации блоков АСР, датчиков, осуществляющих высоковольтную гальваническую развязку.

3.2 Техническое описание системы

В основе описания АД при переменной частоте питающей сети лежит общая теория электрических машин.

Основой этого служат уравнения, составленные в фазовых координатах. Особенностью АД является совокупность магнитосвязанных цепей с коэффициентами само- и взаимоиндукции, периодически изменяющимися в функции угла поворота ротора относительно статора. В зависимости от степени насыщения магнитной системы машины, эти коэффициенты могут зависеть еще и от токов во всех обмотках. При записи уравнений в фазовых координатах получают систему дифференциальных уравнений высокого порядка (в трехфазной системе координат число уравнений равно 14) с переменными коэффициентами. Пользоваться такой системой для исследования электромеханических процессов, происходящих в АД не представляется возможным в связи с громоздкостью, наличием переменных коэффициентов, нелинейностью. Дальнейшее упрощение и преобразование исходной системы уравнений основывается на следующем общем методе. При этом уравнения в фазовых координатах преобразуются к уравнениям, выраженным через обобщенные (результирующие) векторы, вводится система относительных единиц для токов, напряжений, потокосцепления, скоростей вращения, частот, моментов, активных, индуктивных сопротивлений. Введение системы относительных единиц упрощает вид уравнений, а выражение переменных через результирующие векторы приводит к виду дифференциальных уравнений, при котором коэффициенты дифференциальных уравнений ненасыщенной машины являются постоянными величинами. Для насыщенной машины необходимо вводить зависимость величин этих коэффициентов от магнитного состояния машины.

После указанных преобразований получают систему дифференциальных уравнений шестого порядка с постоянными коэффициентами, что значительно упрощает описание АД и делает возможным использование этой системы для исследования электромеханических процессов, протекающих в АД. Дальнейшее преобразование полученной системы уравнений сводится к переводу векторов, входящих в уравнение, в различные системы координат (в зависимости от цели решаемой задачи).

При математическом описании АД принят ряд допущений, соответствующих идеализированному представлению АД:

фазные обмотки симметричны, одинаковы, воздушный зазор по все окружности ротора одинаков;

не учитываются потери в стали, а также высшие гармоники магнитодвижущей силы и рабочего потока;

параметры АД постоянны и не зависят от токов в обмотках АД;

Цель проекта сводится к разработке автоматической системы регулирования частоты тока, поступающего на обмотки статора асинхронного электропривода и напряжения питания на базе автономного мостового инвертора тока с трехфазным одно-обмоточным двигателем. При этом автоматическое изменение электрических параметров регулирует механические силы, действующие на привод.

3.3 Анализ существующих средств автоматизации

высокая сложность технической реализации, обусловленная наличием сложных технических устройств: координатного преобразования, векторных фильтров, фазовращателей, функциональных преобразователей, блоков коррекции мгновенного значения частоты;