CC BY
18
УДК 674.055.621.54(035)
В. Н. Гаранин, ассистент (БГТУ);
Д. А. Ревяко, студент (БГТУ)
ИССЛЕДДОВАНИЕ ЗАТРАТ МОЩНОСТИ НА ХОЛОСТОЙ ХОД В ПРИВОДЕ МЕХАНИЗМА РЕЗАНИЯ СТАНКА UNIMAT 23 EL
Определены затраты мощности привода двигателя механизма резания станка Unimat 23 EL, рассмотрены и изучены методы и анализ полученных результатов, а также предлагается способ усовершенствования проектирования.
The definition of expenses capacity on idling of a drive of the mechanism of cutting machine Unimat 23 EL settlement and skilled methods and the analysis of the received results, and also offers on improvement of a considered design procedure.
Введение. Современные дереворежущие станки являются высокопроизводительным оборудованием. Рост производительности деревообрабатывающих станков сопровождается увеличением частоты вращения инструмента. Это ведет к увеличению затрат мощности, не связанных с резанием.
Мощность, расходуемая приводом резания на обработку заготовки, включает в себя:
- мощность на резание;
- мощность холостого хода.
Мощность холостого хода затрачивается источником энергии на вращение привода при отсутствии отдельной нагрузки. Эта мощность затрачивается в основном:
1) на работу сил трения в опорах, возникающих под действием:
- веса движущихся частей;
- предварительного натяжения ременной передачи и натяга подшипников;
- различного рода перекоса валов в подшипниках, являющихся результатом неизбежных отклонений при изготовлении и сборке деталей привода, центробежных сил, возникающих из-за дисбаланса быстровращающих-ся частей;
- динамических нагрузок, возникающих из-за ошибок изготовления элементов привода;
2) работу сил трения, возникающих в уплотнениях подшипников и других элементов;
3) аэродинамические потери;
4) работу сил трения в зубчатых колесах, возникающих вследствие ошибок изготовления и других причин;
5) переливание масла в масляной ванне.
В данной работе исследуем влияние частоты вращения элементов привода на мощность холостого хода, для чего применяем методику расчета мощности холостого хода для металлорежущих станков, поскольку для деревообрабатывающих станков соответствующей точной методики не существует.
Основная часть. Экспериментальной установкой служит четырехсторонний продольно-
фрезерный станок проходного типа ЬГшша! 23 БЬ, предназначенный для четырехстороннего строгания и продольного профилирования, а также для исследования процесса плоского и профильного фрезерования. На производстве станок используется для получения погонажных изделий (доска, вагонка и др.).
Станок состоит из шкафа управления и станка, где на чугунной литой станине установлены два вертикальных, три горизонтальных и один универсальный фрезерные шпиндели.
Для определения мощности холостого хода в данной работе используем привод правого вертикального шпинделя. Закрепление инструмента на валу правого вертикального шпинделя производится с помощью системы И8К.
Рис. 1. Внешний вид привода правого вертикального фрезерного шпинделя станка Ьтша! 23 БЬ
Частота вращения правого вертикального шпинделя регулируется частотным преобразователем, использование которого с помощью специального оборудования позволяет измерить мощность холостого хода для различных частот вращения. Расчетная схема привода правого вертикального фрезеного шпинделя станка Шта! 23 БЬ представлена на рис. 2.
Рис. 2. Расчетная схема привода правого вертикального фрезерного шпинделя станка итша! 23 БЬ
Определим мощность холостого хода для различных частот вращения шпинделя расчетным методом согласно [1]. Результаты расчетов сводим в табл. 1.
Мощность холостого хода шпинделя Рхш, кВт, определяется по формуле (согласно [1]):
Рхш _ к-£шп • • n/106,
(1)
где кц - коэффициент, характеризующий сложность конструкции элементов привода и качество изготовления (принимаем кц 5, так как согласно [1] для более простых конструкций принимают кц = 3, для более сложных - кц = 6);
кшп - коэффициент, учитывающий потери на трение в шпиндельном узле (кшп = 1,5 для подшипников качения согласно [1]); dШIÍ - диаметр шпинделя механизма резания в передней опоре, мм (принимаем dШIÍ = 50 мм [2]; п - частота вращения шпинделя, мин-1 (значения п приведены в табл. 1).
Скорость ремня зубчатоременной передачи Ур, м/с, определяется по формуле
V _ nd3n р _ 60000'
(2)
где d3 - диаметр ведомого шкива ременной передачи, мм.
Коэффициент Сор, необходимый для определения мощности холостого хода зубчаторе-менной передачи, определяется по формуле (согласно [1]):
c0p _ 0,1(*зб+£4VpVb),
(3)
где к3 = 1,6, к4 = 0,4 - согласно табл. 2 для модуля зуба т = 5 мм и ширины ремня Ь = 20 мм.
Мощность холостого хода зубчатоременной передачи Рхр, кВт, определяется по формуле (согласно [1]):
Р _ C • 7 • V •
хр ор Э ур
\
j_
d2 + d2
2 "3 У
(4)
где ZЭ - число ремней зубчатоременной передачи (ХЭ) = 1); d3 - диаметр ведущего шкива ременной передачи, мм = 200 мм).
Мощность холостого хода привода , кВт, определяется по формуле (согласно [1]):
Р расч _ р + р xx хш хр *
(5)
Таблица 1
Результаты расчетов мощности холостого хода для различных частот вращения шпинделя
4
Частота вращения шпинделя п, мин1 Мощность холостого хода шпинделя Рхш, кВт Скорость ремня зубчатоременной передачи ¥р, м/с Коэффициент С ^op Мощность холостого хода зубчатоременной передачи Рхр, кВт Мощность холостого хода привода РГч, кВт
1 000 0,375 4,71 80,13167 0,056031 0,431031
2 000 0,75 9,42 90,26334 0,12623 0,87623
4 000 1,5 18,84 110,5267 0,309135 1,809135
6 000 2,25 28,26 130,79 0,548715 2,798715
8 000 3 37,68 151,0533 0,84497 3,84497
10 000 3,75 47,1 171,3167 1,1979 4,9479
12 000 4,5 56,52 191,58 1,607505 6,107505
Таблица 2
Значения коэффициентов к3 и к4 для разных значений модуля зуба ремня зубчатой передачи
т 1 1,5 2 3 4 5
к3 0,4 0,9 2,3 4,0 21 35
к4 0,63 0,95 1,45 1,9 2,21 4,81
По результатам расчетов строим график за-
висимости Р,
Р, кВт
расч _
I(и) (рис. 3).
рР1"
^ # # / ^ # '
Рис. 3. График зависимости РХХсч = I (и)
По рис. 3 видно, что с увеличением частоты вращения шпинделя и мощность холостого хода РГ увеличивается.
Определим мощность холостого хода для различных частот вращения шпинделя экспериментальным методом с помощью персонального компьютера, подключенного к приводу станка. Результаты измерений заносим в табл. 3.
Таблица 3
Результаты измерений мощности холостого хода
На рис. 4 видно, что с увеличением частоты вращения шпинделя и мощность холостого хода
Ропыт
хх увеличивается.
Сопоставляем графики РХ>хсч = I (и) и РХ™т = = I (и) (представляем их на рис. 5).
Р, кВт
6 5 1
2 1 О
рдсч
р опыт
^ ^ ^ ^ # ^ ^ / у / и, мин-
Рис. 5. Графики зависимостей Р^4 = I (и) и Р^ = I (и)
На рис. 5 видно, что значения РХХ'сч и РХХ™ для соответствующих частот вращения шпинделя и значительно различаются.
Отклонение мощности холостого хода, полученной расчетным методом, от мощности холостого хода Ж (полученной опытным методом), определяем по формуле
Ж = -
р расч _ р о
опыт хх
-100%.
(6)
Результаты расчетов заносим в табл. 4.
Таблица 4
Результаты расчетов отклонения Ж, %
Частота вращения шпинделя и, мин-1 Мощность холостого хода привода Р™, кВт
1 000 0,07
2 000 0,14
4 000 0,37
6 000 0,74
8 000 1,28
10 000 1,43
12 000 1,63
Частота вращения шпинделя и, мин-1 Отклонение Ж, %
1 000 515,758
2 000 525,8785
4 000 388,9554
6 000 278,2047
8 000 200,3883
10 000 246,007
12 000 274,6936
По данным таблицы 3 строим график зависимости Р^ = I (и) (рис. 4).
# / ^ # и, Рис. 4. График зависимости РХХ™ = I (и)
По данным табл. 4 строим график зависимости Ж=Ки) (рис. 6).
Ж, %
/ # / / / /
Рис. 6. График зависимости Ж=_Ди)
и, мин
В данной работе использовалась методика расчета мощности холостого хода для металлорежущих станков, рабочие частоты вращения элементов приводов которых значительно меньше, чем частоты вращения элементов привода правого вертикального фрезерного шпинделя станка Ьшта! 23 БЬ (рассматриваемой экспериментальной установки). Поэтому можно было бы предположить, что чем меньше частота вращения п, тем меньше должно быть отклонение Ж. Однако из рис. 6 видно, что максимального значения Ж ~ 515...525% в рассматриваемом диапазоне частот отклонение достигает при п ~ 1000.2200 мин1; при увеличении частоты вращения (п ~ 8000 мин1) отклонение уменьшается до Ж ~ 200%. Следовательно, нельзя полагать, что основной причиной расхождения являются низкие частоты вращения металлорежущих станков, на которые рассчитана рассматриваемая методика определения мощности холостого хода.
К причине возникновения расхождений можно отнести возможную неточность коэффициентов кц, кпш, к3, к4, примерное принятие значения коэффициента кц из определенного интервала, а также возможное несоответствие применяемых для расчета зависимостей дереворежущим станкам.
Для анализа несоответствия расчетной и экспериментальной мощностей выполним аппроксимацию графиков зависимостей РХХ°ч = /(п) и Рх71т = / (п). Чтобы упростить анализ, делаем допущение - принимаем линейный тип линии тренда. Результаты аппроксимации графиков зависимостей Ррасч = /(п) и РХХпыт = /(п) представлены на рис. 7 и 8 соответственно.
7 т Р, кВт
Рис. 7. Результаты аппроксимации графика зависимости РХХсч = / (п)
Для РХХсч = /(п) величина достоверности аппроксимации В2 составила В2 = 0,9983, уравнение линии тренда имеет вид
Для РХХ™ = /(п) величина достоверности аппроксимации В2 составила В2 = 0,977, уравнение линии тренда имеет вид
уопыт = 0,1583n - 165.
(8)
2 P, кВт 1,8 1,6 1,4
= 0,1583n - 165
Рис. 8. Результаты аппроксимации графика зависимости РХХ™ = / (п)
В обоих случаях величины достоверности аппроксимации В2 примерно равны единице, что говорит о небольшой погрешности принятого допущения.
Введем коэффициент К, равный отношению зависимостей (7) и (8). После преобразований получим
K = 3,261+325,365/(0,158n-165).
(9)
Ура.
, = 0,5162n - 212,7.
(7)
Согласно зависимости (9), при увеличении частоты вращения шпинделя п коэффициент К стремится к 3,261, при уменьшении - к 5,233.
Заключение. Рассматриваемая методика расчета мощности холостого хода неприменима к приводу станка Ьшта! 23 БЬ вследствие больших расхождений расчетных и опытных значений мощности холостого хода (Ж ~ 515.525%); методика нуждается в доработке (корректировке используемых при расчете коэффициентов, формул). Для сравнения опытных и экспериментальных данных предложено ввести коэффициент К, который позволяет приблизить расчетные данные к экспериментальным показателям мощности холостого хода привода механизма резания станка Ьшта! 23 БЬ.
Литература
1. Проектирование металлорежущих станков и станочных систем: справочник-учебник: в 3 т. / А. С. Проников [и др.]; под. общ. ред. А. С. Про-никова. - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана: Машиностроение, 1994. - Т. I: Проектирование станков. - 444 с.
2. Ьшта! 23 Б, Ьшта! 23 БЬ, Ну^ота! 23/2000, Ну^ота! 23 С /1000: руководство по эксплуатации.
Поступила 24.03.2011
