Кинематические схемы механической части электропривода. Типовые нагрузки

Механическая часть электропривода включает в себя все связанные движущиеся массы: двигатель (ротор, якорь), передаточное устройство (редуктор, муфта, шестерённая клеть, универсальные шпиндели и т.д.), исполнительный механизм производственной машины (прокатные валки, барабаны летучих ножниц, намоточно-размоточные устройства, ролики рольгангов, рабочее колесо вентилятора и т.п.).

На рис. 2.1 приведён пример обобщённой механической части электропривода.

Рис. 2.1. Обобщенная механическая часть

К ротору (якорю) двигателя с моментом инерции приложен электромагнитный момент , под действием которого рабочий механизм (нагрузка) с моментом инерции и моментом сопротивления , приведённым к валу двигателя (к одной скорости), приводится в движение.

Непосредственное представление о движущихся инерционных массах и механических связях между ними даёт кинематическая схема электропривода.

Несмотря на большое многообразие конкретных электроприводов, они обладают общими особенностями, которые можно установить, рассмотрев ряд характерных примеров. Для количественной характеристики нагрузки используется механическая характеристика механизма. Она представляет собой зависимость силы, момента от скорости . Для получения общих выводов воспользуемся зависимостью

, (2.1)

где – момент сопротивления механизма, соответствующий текущей скорости ;

- момент механических потерь в движущихся частях механизма;

- момент сопротивления при номинальной скорости ;

n – показатель степени.

Ниже приводится на примерах классификация электромеханических систем по виду механической характеристики производственного механизма .

Центробежный вентилятор. Кинематическая схема дана на рис. 2.2. Возможны два варианта: редукторный и безредукторный электропривод.

В безредукторном приводе все элементы кинематической схемы вращаются с одинаковой угловой скоростью , в редукторном - колесо вентилятора вращается со скоростью , где – передаточное число редуктора.

Зависимость момента сопротивления механизма от скорости вентилятора ( см. рис. 2.2) определяется формулой (2.2)

, (2.2)

где – номинальный момент вентилятора, соответствующий его номинальной (паспортной) рабочей скорости ;

∆ – момент механических потерь на трение в подшипниках рабочего колеса вентилятора.

Рис. 2.2 Кинематическая схема электропривода вентилятора

При n=2 момент сопротивления пропорционален квадрату скорости, а потребляемая мощность примерно пропорциональна кубу скорости. К таким механизмам относятся также насосы, дымососы, центрифуги, турбовоздуходувки, гребные установки судов. Это так называемые механизмы с вентиляторным моментом нагрузки с .

Электропривод механизмов с зависимостью

, (2.3)

где – коэффициент пропорциональности.

Такой зависимостью обладают диссипативные силы и мо­менты вязкого трения, возникающие при деформации упругих тел (валов при их скручивании, пружин, канатов и т.д.). Зависимость механизмов с вязким трением приведена на рис. 2.3,а.

Рис. 2.3. Механизмы с n=1

Характеристику типа рис. 2.3,б имеет механизм привода ге­нератора постоянного тока с независимым возбуждением, нагру­женного на внешнее сопротивление R=const (схема на рис. 2.3,б).

У большой группы механизмов момент нагрузки практически не зависит от скорости, т.е. при . Такой ха­рактеристикой обладает большинство механизмов прокатных це­хов (прокатные клети, рольганги, толкатели, нажимные устройства, слитковозы, транспортёры и т.д.), подъёмные механизмы лебёдок, кранов, лифтов, шахтных подъёмных машин, металлорежущих станков и т.д.

На рис. 2.4 представлена кинематическая схема электропри­вода валков прокатной клети стана и схема сил по определению момента.

Другой разновидностью механизмов с n=0 ( ) являются подъёмные механизмы лебёдок, кранов, лифтов и шахтных машин. На рис. 2.5,а приведена кинематическая схема одноконцевой подъёмной лебёдки.

Рис. 2.4. Кинематическая схема группового электропривода валков прокатного стана (а) и схема к определению момента прокатки (б), зависимость от скорости (в)

Рис. 2.5. Кинематическая схема одноконцевой подъёмной лебёдки

На схеме двигатель Д с механическим тормозом на валу Т вращает барабан Б, который через полиспаст П поднимает или опускает крюковую подвеску КП весом . Суммарная полезная нагрузка лебедки определяется силой тяжести поднимаемого груза и крюковой подвески = + . Эта сила направлена всегда в сторону опускания груза и не зависит от скорости перемещения. Зависимость приведена на рисунке 2,5 б.

К механизмам с нагрузкой, не зависящей от скорости, отно­сятся и механизмы подач металлорежущих станков при постоянст­ве подачи (токарные, продольно строгальные и т.п.).

Некоторые токарные, расточные, фрезерные и другие ме­таллорежущие станки, намоточно-размоточные механизмы бума­годелательной, кабельной и металлургической промышленности обладают нелинейной механической характеристикой, у которых момент сопротивления изменяется обратно пропорционально ско­рости, а мощность, потребляемая механизмом, остаётся постоян­ной. В этом случае n =-1, а уравнение механической характери­стики принимает вид

. (2.4)

На рис.2.6,а приведена кинематическая схема механизма моталки стана холодной прокатки. При постоянстве натяжения T = const и линейной скорости движения полосы V = const мо­мент на валу механизма определяется в соответствии с соотноше­нием (рис.2.6,б)

, (2.5)

где – диаметр рулона, м;

– момент трения в подшипниках барабана моталки.

Рис. 2.6 Кинематическая схема электропривода моталки (а) и зависимость при T= const, V= const (б)

У большой группы производственных механизмов момент нагрузки зависит от углового положения вала . Это кривошипно-шатунные механизмы: поршневые насосы и компрес­соры, нефтяные насосы-качалки, механизм качания кристаллиза­тора машин непрерывного литья заготовок, прессы, ножницы и т.п.

На рис. 2.7 приведена кинематическая схема механизма ка­чания кристаллизатора (а) и график результирующего момента (б) на валу эксцентрика (в безредукторном приводе - на валу двига­теля).

Рис. 2.7. Кинематическая схема механизма качания кристаллизатора и зависимость момента нагрузки

Механизм качания кристаллизатора представляет собой сварную С-образную раму (6), опирающуюся на параллелограмное

устройство, состоящее из ведущего (5) и кинематического (9) ры­чагов. Привод механизма качания состоит из эксцентрикового вала (3), шатуна (4), муфты (2) и электродвигателя (1). Эксцентриковый вал сменный с эксцентриситетом 2, 4, 6 мм. Частота качаний кри­сталлизатора 2 Гц. Зависимость при этой частоте представлена на рис. 2.7,б.

Рассмотренные нагрузки механизмов по характеру можно классифицировать как реактивные и активные.

Реактивные моменты (силы) возникают в производственных механизмах как реакция на движение; они всегда препятствуют движению, сами вызвать движение не могут и меняют свой знак при перемене направления вращения (рис. 2.8,а).

а) б) Рис. 2.8. Моменты сопротивления реактивные (а) и активные (б)

Активные моменты (потенциальные) (рис. 2.8,б) характери­зуются постоянством их направления при изменении знака скоро­сти рабочего органа механизма и сами могут вызвать движение. Это механизмы, у которых основная составляющая момента (уси­лия) определяется силой тяжести перемещаемых грузов.

Знание нагрузок на рабочем органе механизма в различные временные периоды позволяет рассчитать и построить, так назы­ваемую нагрузочную диаграмму механизма , которая является основой для построения нагрузочной диаграммы элек­тропривода с отражением изменения скорости и угла поворота вала двигателя .