Расчётные схемы механической части электропривода
Кинематические схемы электроприводов дают представление об идеальных связях между движущимися массами конкретной установки ( см. рис. 2.2-2.8), отражают передачу электромагнитной мощности (момента) от двигателя к рабочему органу механизма. Однако они не отражает того, что:
1. Все элементы при нагружении деформируются, т.е. обладают конечной жесткостью.
2. В общем случае инерционные массы системы движутся с различными скоростями.
3. В элементах механической части имеются зазоры.
Поэтому для анализа условий движения механической части
привода необходимо с помощью кинематической схемы составить расчетную механическую схему, в которой моменты инерции и моменты нагрузки вращающихся элементов, массы и действующие силы поступательно движущихся элементов, зазоры, а также реальные жесткости механических связей заменены эквивалентными величинами, приведёнными к одной и той же расчетной скорости. Обычно приведение схемы осуществляется к угловой скорости двигателя, но возможно к любой скорости.
Условием соответствия приведенной расчетной схемы реальной механической системе является выполнение закона сохранения энергии.
При приведении необходимо обеспечить сохранение потенциальной и кинетической энергии системы, а также элементарной работы всех действующих в системе сил и моментов на всех возможных перемещениях.
Переход к расчетной схеме механической части электропривода рассмотрим на примере кинематической схемы электропривода, приведённой на рис. 2.9, в движении которой присутствуют N вращающихся элементов и К поступательно движущихся масс.
В рассматриваемой кинематической схеме двигатель Д через соединительную муфту СМ1, ряд зубчатых передач ЗП1...ЗПi и соединительную муфту СМ2 приводит во вращение барабан Б, который преобразует вращательное движение в поступательное перемещение ряда связанных масс. В данной схеме рабочим органом является грузозахватное устройство, перемещающее груз с массой . Груз движется со скоростью Vгр и имеет силу тяжести F = FK. Каждый вращательно движущийся элемент обладает моментом инерции и связан с (i +1) -м элементом механической связью, обладающей жесткостью .
. Рис. 2.9. Кинематическая (а) и расчетная (б) схемы механической части электропривода подъёма |
Соответственно каждый поступательно движущийся элемент имеет массу и связан с (j+1)-м элементом механической связью с жесткостью . Для механических связей, деформация которых подчиняется закону Гука, их жесткости можно определить по формулам:
, (2.6)
где – нагрузка упругой механической связи;
и - соответственно деформации упругого элемента при вращательном и поступательном движениях;
, - перемещение (путь).
Приведение момента инерции - го вращающегося элемента, движущегося с угловой скоростью , к скорости вала двигателя осуществляется на основании равенства кинетических энергий этого элемента в приведённой и реальной системах
. (2.7)
Отсюда приведение вращающейся массы можно произвести по формуле
, (2.8)
где – передаточное число от вала приведения к -му валу кинематической схемы.
Для поступательно движущейся массы условие сохранения запаса кинетической энергии
; (2.9)
Откуда
(2.10)
где – радиус приведения j-го поступательно движущегося элемента к скорости приведения .
Приведение вращательных и поступательных перемещений к угловой скорости осуществляется по формулам
; . (2.11)
Приведение жёсткостей упругих механических связей производится на основании равенства запаса потенциальной энергии в -ом (j-ом) упругом приведённом и реальном элементах:
для вращательного элемента
, (2.12)
откуда
, (2.13)
для поступательного движущегося элемента
,
откуда
. (2.14)
Условие равенства элементарной работы момента , действующего на - ом валу, в приведённой схеме и реальной системе запишется
,
откуда
. (2.15)
Аналогично для силы , приложенной к j-ому поступательно движущемуся элементу
,
откуда
. (2.16)
Полученные формулы приведения позволяют при известных параметрах элементов кинематической схемы сделать переход к расчетной приведённой системе. Будем считать заданными силы и моменты, действующие в механической системе (их значение можно рассчитать для конкретных механизмов), а также известными конструктивные размеры и материалы элементов кинематической цепи. Последние данные позволяют с помощью справочной литературы рассчитать их моменты инерций и эквивалентные жесткости.
Например, формулы определения моментов инерции некоторых вращающихся тел приведены в табл. 2.1.
Коэффициенты жесткостей для упругих связей (Нм):
стержня при его растяжении и сжатии
Нм, (2.17)
где – длина стержня, м;
S –площадь поперечного сечения , ;
E – модуль упругости растяжения и сжатия, Па;
вала при его скручивании
, Нм (2.18)
где – длина вала, м;
- момент инерции поперечного сечения вала, ;
R – радиус вала, м;
G – модуль упругости сечения, Па.
Таблица 2.1 Моменты инерции
После приведения к расчетной скорости значений моментов инерций и поступательно движущихся масс, жесткостей, моментов, сил составляется расчетная схема. Для наглядности расчетная схема представляется в виде длинного безинерционного вала, в разных точках которого размещены сосредоточенные массы двигателя , ведущей и ведомой полумуфты, ведущей шестерни , … …
, приведённые массы поступательно движущихся элементов … (рис. 2.9,б).
Представления о моментах инерций дают размеры соответствующих элементов схемы, изображающих массы, а жесткости обратно пропорциональны длине соответствующих отрезков валов.
Для кинематической схемы на рис. 2.9,а приведённая расчётная схема имеет вид, показанный на рис. 2.9,б. Необходимо отметить, что расчетная схема электропривода механизма подъёма с учётом упругих механических связей представляет собой достаточно сложную многомассовую систему. Рассматривая эту схему, можно выделить три наиболее значительные массы – ротор двигателя с моментом инерции , барабан с приведённым моментом инерции и груз . Малые инерционные элементы необходимо добавить к близлежащим большим, а затем определить эквивалентные жёсткости связей между полученными связями по формуле
. (2.19)
На исходной расчётной схеме стрелками показаны приложенные к отдельным массам системы приведённые моменты действующих внешних моментов (сил) . К ротору двигателя приложен электромагнитный момент M и момент потерь .
Можно рассмотреть ряд примеров составления схем и показать, что совершенно разнотипные механизмы приводятся к трём типовым расчётным схемам (рис. 2.10):
1. Трёхмассовая упругая система.
2. Двухмассовая упругая система.
3. Обобщённое жесткое приведённое механическое звено.
Трёхмассовая упругая система при рассмотрении электромеханических систем (ЭМС) автоматизированного электропривода используется в редких случаях, когда возникает необходимость более детального анализа условий движения их механической части (рис. 2.10,а).
ЭМС автоматизированного электропривода с двухмассовой упругой механической частью представляет собой основной объект, изучаемый в теории автоматизированного электропривода (рис. 2.10,б).
Рис. 2.10. Расчетные схемы механической части электропривода |
Обобщенное жесткое приведенное механическое звено электропривода может быть представлено схемой рис. 2.10,в. При использовании этой схемы механические связи получаются абсолютно жесткими и механическая часть представляется эквивалентной массой с моментом инерции , на которую воздействует электромагнитный момент М и суммарный приведенный к валу двигателя момент сопротивлений Мс, включающий все механические потери в системе, в том числе и механические потери в двигателе.
В общем случае суммарный момент инерции может быть определен
, (2.20)
где n и m – число масс установки, соответственно вращающихся и движущихся поступательно.
Если , то
. (2.21)
Суммарный, приведённый к валу двигателя момент сопротивлений можно в общем виде записать
, (2.22)
где q – число вращающихся элементов, к которым приложены моменты потерь , моменты полезной нагрузки ;
p – число поступательно-движущихся элементов с приложенными силами потерь на трение и силами полезной нагрузки .
После приведения всех сил и моментов
, (2.23)
где - суммарный приведённый момент потерь в агрегате, включая момент механических потерь в двигателе;
- суммарный приведённый момент нагрузки.
Формула для определения удобна для использования в тех случаях, когда все действующие в механизме силы и моменты определены. Обычно потери на трение в механизме неизвестны и для их учёта используется КПД механизма
, (2.24)
где - КПД элементов кинематической цепи.
Баланс мощности
,
откуда
, (2.25)
где - общее передаточное число от двигателя к рабочему органу механизма.
При обратной передаче
.
Поступательное движение приводится к вращательному
.
Откуда
. (2.26)
При обратной передаче энергии
. (2.27)
Дата добавления: 2019-02-08; просмотров: 1031;