 |
У нагруженного двигателя частота вращения ротора не совпадает с частотой вращения магнитного поля статора
|
|
|
|
Методические указания
Выбор электродвигателя и энерго-кинематический расчет привода
Для практических занятий и выполнения курсового проекта по дисциплине
«Детали машин и основы конструирования»
Тольятти 2004 г.
Э нерго-кинематический расчет привода
Выбор кинематической схемы привода и редуктора в частности (если она не задана заданием на проектирование), разбивка общего передаточного числа между отдельными передачами предполагает множество решений. Например, применение двухступенчатых редукторов позволяет исключить одну или две открытые передачи. Существенное увеличение передаточного числа дает одноступенчатый червячный редуктор. Редукторы с планетарными передачами также имеют большое передаточное число и незначительные габариты. Однако при принятии решения о выборе схемы редуктора или привода в целом необходимо учитывать не только габариты передач, но и ряд других факторов: экономичность, надежность, технологичность при производстве, сборке и в эксплуатации.
1. ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ.
Методические указания охватывают круг вопросов, связанных с энерго-кинематическим расчетом приводов, кинематическая схема которых предусматривает передачу вращения от электродвигателя через открытую передачу или муфту к редуктору и далее через муфту или открытую передачу, предназначенную для присоединения привода к валу исполнительного механизма.
Определение требуемой мощности электродвигателя
Выполнение проекта следует начинать с выбора электродвигателя по каталогам, где приведены паспортные данные на выпускаемые промышленностью электродвигатели. Для этого необходимо определить требуемую (расчетную) мощность электродвигателя для проектируемого привода. В общем случае после определения требуемой мощности электродвигатель проверяют на нагрев. Однако если привод предназначен для машин эксплуатируемых при постоянных или близких к ним нагрузках, необходимость в таких расчетах отпадает.
|
|
|
Требуемую (расчетную) мощность электродвигателя РР определяется на основе задания на проектирование. Обычно в задании на проектирование могут указываться следующие исходные данные, относящиеся либо к выходному валу привода, либо к рабочему валу механизма:
- мощность на выходном валу привода РВВ - кВт, (Вт);
- частота вращения выходного вала привода nВВ - об/мин;
- циклограмма нагружения или типовой режим нагружения, условия эксплуатации;
- вращающий момент на выходном валу привода Т - Н*м;
- угловая 
(рад/с) или окружная скорость V - м/с;
- тяговое усилие F - (H), диаметр звездочки цепной передачи (dЗВ) или барабана транспортера (dБ) и т. д.
Частота вращения выходного вала (если она не задана) определится по одной из следующих формул.
- Если задана окружная скорость и диаметр звездочки цепной передачи (dЗВ) или барабана транспортера (dБ) и т. д.
nВВ=60000*V/p*dЗВ(dБ);
Если задана угловая (рад/с) скорость
nBB=30ω/π
Исходя, из задания на проектирование требуемую мощность на выходном валу привода можно определить по одной из следующих формул:
РВВ=РВВ (кВт); РВВ=ТВВ*w (Вт); РВВ=F*V (Вт); РВВ=Т*n/9550 (кВт)
При решении учебных задач по дисциплине(Детали машин и о сновы конструирования)рекомендуется ориентироваться на применение короткозамкнутых асинхронных электродвигателей переменного тока общепромышленного назначения единой серии 4А основного исполнения по ГОСТ 19523-81.
У асинхронных электродвигателей различают: nС – синхронную частоту вращения ротора (при отсутствии нагрузки) и nАС - асинхронную или номинальную частоту вращения ротора. Синхронная частота вращения, т.е. частота вращения магнитного поля, зависит от частоты тока f и числа пар полюсов р:
|
|
|
nС=60f/p.
У нагруженного двигателя частота вращения ротора не совпадает с частотой вращения магнитного поля статора
nАС=nC(1-S),
где S-скольжение: S= (nС - nАС)/ nС.
Трехфазные асинхронные электродвигатели изготовляют с числом пар полюсов от 1 до 6. При промышленной частоте тока 50 Hz, синхронная частота вращения зависит от числа пар полюсов:
nС=3000/Р.
Отсюда ряд синхронных частот вращения ротора электродвигателя:
3000, 1500, 1000, 750, 600 и 500 мин-1.
Тихоходные двигатели имеют большие габариты, массу и стоимость. Поэтому электродвигатели с nС=750мин-1 и менее следует применять только в технически обоснованных случаях. Наиболее часто в приводах общего назначения используют асинхронныедвигатели счастотой вращения (синхронной) 3000 и 1500 мин-1. Технические данные электродвигателей серии 4А указаны в ГОСТ 19523-81.
Установлена следующая структура обозначения двигателей серии 4А общего назначения:
__________________________
4А 1 2 3 4 5 6 УЗ
¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾
где 4 - порядковый номер серии;
А - род двигателя (асинхронный);
1 - исполнение двигателя по способу защиты от окружающей среды: Н – защищенный от попадания частиц и капель и имеющие предохранение от прикосновения к вращающимся частям, находящихся под током, отсутствие данного знака означает закрытые, обдуваемые. Их применяют для приводов общего назначения и в механизмах, к пусковым характеристикам которых не предъявляют особых требований;
2 - исполнение двигателя по материалу станины и щитов (А - станина и щиты алюминиевые, X - станина алюминиевая, щиты чугунные, отсутствие знаков означает, что станина и щиты чугунные или стальные);
3 - высота оси вращения (две или три цифры);
4 - условная длина станины (S, М или L);
5 - длина сердечника статора (А или В) отсутствие данного знака означает одну длину в установочном размере;
6 – число пар полюсов (1, 2, 3, 4, 5, 6);
УЗ - климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ15150 - 69.
Электродвигатели 4АР с повышенным пусковым моментом ГОСТ 20818-75 применяют для привода механизмов, имеющих повышенную пусковую нагрузку.
|
|
|
Для выбора необходимого типоразмера электродвигателя предварительно определяются требуемые значения его номинальной мощности и частоты вращения.
Требуемая (расчетная) мощность электродвигателя:
P 
,
где hПР - ориентировочное (расчетное) значение КПД привода
hПР=h1*h2*h3*…*hК * h 
,
где h1,…, hК - частные значения КПД передач привода;
h -КПД пары подшипников, m – число пар подшипников привода.
Ориентировочные значения КПД передач и элементов привода указаны в таблице №1
Таблица 1. Значения КПД передач и элементов привода
| Вид передачи | КПД |
| Зубчатые передачи редуктора (закрытые) | |
| цилиндрическими колесами | 0,96 … 0,98 |
| коническими колесами | 0,95 … 0,97 |
| Червячная передача при числе заходов червяка | |
| Z1 = 1 | 0,70 … 0,80 |
| Z1 = 2 | 0,75 … 0,85 |
| Z1 = 4 | 0,80 … 0,90 |
| Зубчатая открытая | 0,95 … 0,96 |
| Планетарная передача | |
| одноступенчатая | 0,90 … 0,95 |
| двухступенчатая | 0,85 … 0,90 |
| Цепная передача | 0,92 … 0,96 |
| Ременная передача | 0,94 … 0,96 |
| Муфта соединительная | 0,995 |
| Подшипники качения (одна пара) | 0,995 |
Примечание. В курсовом проектировании рекомендуется значения КПД принимать по максимальным значениям.
По рассчитанной мощности двигателя, как правило, выбирается асинхронный электродвигатель трехфазного тока (для постоянных или близких к ним 
нагрузках) по условию РЭД 
РР, где РЭД - паспортная мощность электродвигателя.
Требуемая (расчетная) частота вращениявала электродвигателя, исходя из кинематической схемы привода:
n 
nВВ*UПР,
где nВВ - заданное номинальное значение частоты вращения выходного вала привода или ведущего вала исполнительного механизма;
UПР - ориентировочное (расчетное) значение передаточного числа привода:
UПР=U1*U2*U3*…UК,
где U1,…UK - передаточные числа передач привода.
Рекомендуемые значения передаточных чисел механических передач приведены в табл.2
Таблица 2. Рекомендуемые значения передаточных чисел механических передач
| Тип передачи | Передаточное число U |
| Зубчатая цилиндрическая | 3 … 5 |
| Зубчатая коническая | 2 …4 |
| Червячная передача при числе заходов червяка | |
| Z1 = 1 | 30 … 60 |
| Z1 = 2 | 16 … 30 |
| Z1 = 4 | 8 … 16 |
| Цепная | 1,5 …2,4 |
| Ременная | 2 … 4 |
По таблице 3 в зависимости от ранее вычисленных 
и n подбирается электродвигатель по условию: чтобы номинальная (асинхронная) частота вращения двигателя n 
как можно точнее соответствовала расчетной частоте n (можно просто принятьближайшую), а номинальная мощность PЭД была не меньше расчетной Р . При постоянном режиме нагружения допускается перегруз электродвигателядо 8%.
|
|
|
3. Двигатели закрытые, обдуваемые, единой серии 4А
(тип/асинхронная частота вращения, об/мин)
| Мощность | Синхронная частота вращения, об/мин | |||
| Р кВт | ||||
| 0,55 | 63В2/2960 | 71А4/1390 | 71B6/900 | 80B8/700 |
| 0,75 | 71А2/2840 | 71В4/1390 | 80A6/915 | 90L8/700 |
| 1,1 | 71В2/2810 | 80А4/1420 | 80B6/920 | 90LB8/700 |
| 1,5 | 80А2/2850 | 80В4/1415 | 90L6/935 | 100L8/700 |
| 2,2 | 80В2/2850 | 90L4/1425 | 100L6/950 | 112MA8/700 |
| 90L2/2840 | 100S4/1435 | 112M6/955 | 112MB8/700 | |
| 100S2/2880 | 100L4/1430 | 112M6/950 | 132S8/720 | |
| 5,5 | 100L2/2880 | 112M4/1445 | 132S6/965 | 132M8/720 |
| 7,5 | 112М2/2900 | 132S2/1455 | 132M6/970 | 160S8/730 |
| 132М2/2900 | 132M4/1460 | 160S6/975 | 160M8/730 | |
| 160S2/2940 | 160S4/1465 | 160M6/975 | 180M8/730 | |
| 18,5 | 160М2/2940 | 160M4/1465 | 180M6/975 | 200M8/735 |
| 180S2/2945 | 180S4/1470 | 200M6/970 | 200L8/730 | |
| 180М2/2945 | 180M4/1470 | 200L6/980 | 225M8/735 | |
| 200М2/2945 | 200M4/1475 | 225M6/980 | 250S8/740 | |
| 200L2/2945 | 200L4/1475 | 250S6/985 | 250M8/740 | |
| 225М2/2945 | 225M4/1480 | 250M6/985 | 280S8/735 | |
| 250S2/2960 | 250S4/1480 | 280S6/980 | 280M8/735 | |
| 250М2/2960 | 250M4/1480 | 280M6/980 | 315S8/735 | |
| 280S2/2940 | 280S4/1465 | 315S6/980 | 315M8/735 |
ПРИМЕЧАНИЯ: 1. Во втором и последующих столбцах таблицы обозначен типа двигателя, после косой черты указана асинхронная частота вращения электродвигателя (n ).
Пример условного обозначения асинхронного электродвигателя закрытого обдуваемого со станиной и щитами из чугуна, с высотой оси вращения 71 мм, длиной сердечника статора А, двухполюсного, климатического исполнения У, категории размещения 3.
Электродвигатель 4А. 71А. 2. УЗ ГОСТ 19523-81
В табл. 4 приведены основные размеры электродвигателей серии 4А ГОСТ 19523-74.
Таблица 4. Двигатели. Основные размеры (мм).
 |
| Тип | Число полюсов | Установочно-присоединительные размеры, мм | Габаритные размеры, мм | |||||||||
| d1 | d10 | l1 | l10 | l31 | b10 | h | h10 | d30 | l30 | h31 | ||
| 4А 71А,В | 2,4,6,8 | |||||||||||
| 4А 80А | 2,4,6,8 | |||||||||||
| 4А 80В | 2,4,6,8 | |||||||||||
| 4А 90L | 2,4,6,8 | |||||||||||
| 4А 100S | 2,4,6,8 | |||||||||||
| 4А 100L | 2,4,6,8 | |||||||||||
| 4А 112M | 2,4,6,8 | |||||||||||
| 4А 132S | 2,4,6,8 | |||||||||||
| 4А 132M | 2,4,6,8 | |||||||||||
| 4А 160S | ||||||||||||
| 4А 160S | 4,6,8 | |||||||||||
| 4А 160M | ||||||||||||
| 4А 160M | 4,6,8 | |||||||||||
| 4А 180S | ||||||||||||
| 4А 180S | 4,6,8 | |||||||||||
| 4А 180M | ||||||||||||
| 4А 180M | 4,6,8 | |||||||||||
| 4А 200M | ||||||||||||
| 4А 200M | 4,6,8 | |||||||||||
| 4А 200L | ||||||||||||
| 4А 200L | 4,6,8 | |||||||||||
| 4А 225M | ||||||||||||
| 4А 225M | 4,6,8 | |||||||||||
| 4А 250S | ||||||||||||
| 4А 250S | 4,6,8 | |||||||||||
| 4А 250M | ||||||||||||
| 4А 250M | 4,6,8 |
|
|
|
Энерго-кинематический расчет привода
Так как значение номинальной частоты вращения вала выбранного электродвигателя n может отличаться от исходного расчетного n , то ранее принятые передаточные числа передач привода требуют корректировки.
Фактическое общее передаточное число привода:
U 
Переразбиваем фактическое передаточное число привода по передачам с учетом рекомендаций и стандартного ряда на передаточные числа. Корректировка проводится в следующей последовательности:
1. Назначаем с учетом рекомендаций (табл.2) и стандартного ряда передаточные числа (табл.5) передаточное число открытой передачи U1.
2. Определяем передаточное число редуктора (остальных передач)
.
3. Разбиваем (с учетом рекомендаций табл.2, стандартного ряда табл. 5) и рекомендаций табл. 6. передаточное число редуктора (остальных передач) между быстроходной и тихоходной ступенями с учетом кинематической схемы редуктора.
Таблица 5. Стандартные значения U
| 1 ряд | 1,25 | 1,6 | 2,0 | 2,5 | 3,15 | 4,0 | 5,0 | 6,3 | ||
| 2 ряд | 1,12 | 1,4 | 1,8 | 2,24 | 2,8 | 3,55 | 4,5 | 5,6 | 7,1 |
Примечания. 1. Ряд можно продлить, умножив его на 10.
2. Передаточные числа из стандартного ряда назначают для редукторов и передач, выпускаемых массово или серийно.
Определяем фактическое передаточное число привода с учетом назначенных (стандартных) передаточных чисел передач привода:
U 
U 
…U 
4. Определяем фактическую частоту вращения выходного вала привода:
Определим погрешность частоты вращения выходного вала привода и сравним с допускаемой при двух передачах Dn=3%, при трех - Dn=5%, при четырех передачах 6%
nMAX (1)
Если данное условие (1) не выполняется, следует изменить, в пределах рекомендаций, передаточные числа одной или нескольких передач. При выполнении условия (1) переходим к следующему этапу расчета.
5. Определяем частоты вращения валов привода:
-асинхронной частоте вращения вала электродвигателя, об/мин
об/мин
об/мин и так далее до последнего (выходного) вала привода.
Определяем вращающие моменты на валах привода:
, Н*м,
, Н*м,
, Н*м и так далее до последнего (выходного) вала привода. Рассчитанные крутящие моменты частоты вращения валов целесообразно оформить в виде таблицы.
Сводная таблица крутящих моментов и частот вращения валов привода
| вал | I | II | III | IV | V |
| n, об/мин. | |||||
| T, Н*м |
Таблица 6. Рекомендации по разбивке передаточного числа между ступенями
редукторов различных кинематических схем
| Редуктор | Схема | Передаточное число | |
| Иб (И1) | ИТ (И2) | ||
| Двухступенчатый по развернутой схеме Двухступенчатый с раздвоенной быстроходной ступенью | 
| Иред./Ит | 
|
| Двухступенчатый соосный |
| Иред./Ит | 
|
| Коническо-цилиндрический | 
| Иред./Ит | 
|
| Цилиндрическо-червячный Червячно-цилиндрический |
| 2...3,15 8min | 
2,5…3,15
|
| Планетарный двухступенчатый Иред.£25 25< Иред.£63 Иред.>63 | Иред./6,3 | Иред./4 6,3 0,1 Иред. |
Пример№1
|
|
|
