УДК 621.06-83
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ ПРИВОДА
ГЛАВНОГО ДВИЖЕНИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
Ю. С. ЧЁСОВ, канд. техн. наук, доцент,
С. В. ПТИЦЫН, доцент,
Е. А. ЗВЕРЕВ, канд. техн. наук, доцент,
В. О. СУХАРЕВ, магистрант,
М. С. ЦЫБЕНКО, магистрант,
(НГТУ, г. Новосибирск)
– 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20,
Новосибирский государственный технический университет,
e-mail: *****@***ru
Приведена методика измерения потерь мощности привода главного движения токарно-винторезного станка и расчета коэффициента полезного действия. С этой целью вместо применяемого на лабораторной работе аппаратурного комплекса стрелочного типа предлагается использование аналогово-цифрового преобразователя с комплектом датчиков для измерения необходимых параметров для передачи результатов на ЭВМ. Это позволит повысить точность и достоверность измерений, а также существенно снизить трудоемкость обработки результатов.
Ключевые слова: методика измерения, мощность привода, потери холостого хода, нагрузочные потери, эффективная мощность, коэффициент полезного действия.
Введение
Максимально эффективное использование подводимой к станку мощности при реализации технологического процесса обработки деталей является одним из важнейших требований, предъявляемых к станочному оборудованию. Очевидно, что некоторая часть мощности при передаче движения от электродвигателя к исполнительному органу неизбежно теряется, так как затрачивается на преодоление сил трения в кинематических парах приводов и сил сопротивления среды, превращаясь в конечном итоге в теплоту. Оставшаяся же часть мощности расходуется на выполнение полезной работы. Эта доля механической энергии учитывается коэффициентом полезного действия – КПД привода. Наряду с другими технико-экономическими показателями станочного оборудования он характеризует уровень технического совершенства конструкции, надежность, качество изготовления и сборки узлов станка. Кроме того, коэффициент отражает и экономичность обработки на данном станке, поскольку энергозатраты впрямую сказываются на себестоимости выпускаемой продукции.
Определение КПД расчетным путем с достаточной для практики точностью не представляется возможным, поскольку суммарные потери мощности и ее составляющие не являются постоянной стабильными, а существенным образом зависит от многих факторов часто случайного характера. Особенно сильно при прочих равных условиях на его значение влияет режим резания и техническое состояние оборудования. Существующие же рекомендации по величине КПД могут быть использованы лишь на начальной стадии проектирования нового станка. Поэтому для определения фактической величины КПД объект подвергают энергетическим испытаниям во всем диапазоне рабочих скоростей и нагрузок.
При оценке качества конструкции энергетическим испытаниям подлежат в обязательном порядке образцы нового оборудования, а также выборочно серийно выпускаемые. Такая проверка дает ценную информацию о работоспособности оборудования, поэтому ее целесообразно осуществлять периодически в процессе эксплуатации станка, а также после его ремонта.
Измерение мощности привода главного движения токарно-винторезного станка модели 1А62 при помощи аппаратурного комплекса модели К506 производится при выполнении работы "Энергетический баланс привода металлорежущего оборудования" [1] в лаборатории кафедры проектирования технологических машин.
Целью настоящей работы является модернизация методики измерения потерь мощности и автоматизация расчета КПД.
Методика определения потерь мощности
Потребляемая из сети мощность электродвигателя расходуется на совершение полезной работы и на работу по преодолению различных видов трения. В соответствии с законом сохранения и преобразования энергии уравнение баланса мощности привода главного движения (ПГД) в общем случае имеет вид [1-3]
, (1)
где 
– мощность на валу электродвигателя (
– мощность, потребляемая двигателем из сети; 
– потери мощности в двигателе); 
– потери мощности при холостом ходе привода (без резания); 
– нагрузочные потери (дополнительные потери мощности при работе привода под нагрузкой); 
- мощность, затрачиваемая на движение подачи; 
– эффективная (полезная) мощность резания.
Структура энергетического баланса ПГД в графическом изображении показана на рис. 1.
В зависимости от природы образования потери мощности на электродвигателе подразделяются на электрические, магнитные и механические.
Под потерями холостого хода подразумевается та часть мощности, которая затрачивается на вращение шпинделя ПГД при отсутствии какой-либо нагрузки на рабочем органе. Подводимая от электродвигателя механическая энергия в этом случае расходуется на преодоление сил вредного сопротивления. Применительно к коробке скоростей к ним следует отнести силы трения во всех подвижных соединениях: зубчатых и ременных передачах, подшипниках и уплотнениях опор валов и шпинделя, между дисками расцепленных фрикционных муфт и находящимся там маслом, а также сил сопротивления окружающей среды, которыми для быстро вращающихся элементов являются воздух и смазочный материал. Эта часть механической энергии в конечном итоге неизбежно превращается в тепловую со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Величина потерь мощности при холостом ходе составляет значительную долю мощности ПГД и существенным образом зависит от конструктивной сложности, а также качества изготовления и сборки передач коробки скоростей.
Большое влияние на потери также оказывает частота вращения шпинделя. Связь между этими параметрами не линейна, что особенно заметно при высоких скоростях. Это объясняется тем, что часть потерь мощности возрастает пропорционально квадрату скорости. К ним относятся, в частности, потери на трение из-за дисбаланса вращающихся деталей, между дисками расцепленных фрикционных муфт, аэро - и гидродинамические потери.
Под нагрузочными потерями понимается расход мощности, затрачиваемый на преодоление дополнительных сил трения, возникающих в силовых элементах привода при резании (при передаче полезной мощности). Увеличение сил сопротивления по сравнению с холостым ходом вызвано интенсификацией процессов трения во всех кинематических парах в связи с ростом контактных давлений в соединениях, проскальзыванием в ременной передаче и между дисками фрикционных муфт, появлением деформаций элементов привода, например валов.
Понятно, что дополнительный расход мощности во многом определяется режимом резания. При приложении нагрузки выше номинальной деформации звеньев кинематических цепей могут стать столь значительными, что будут способны нарушить условия нормальной работы передач с соответствующим резким повышением сил трения в подшипниках, зубчатых и других передачах.
Оценка составляющих потерь мощности и ее полезной части производится посредством фактического КПД
. (2)
Методика проведения исследований
Модернизация существующей методики заключается в замене аппаратно-измерительного комплекса стрелочного типа модели К506 на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с комплектом датчиков (рис. 2).
В соответствии с предлагаемой методикой все необходимые параметры измерений, снимаемые применительно к коробке скоростей 1: частота вращения шпинделя (от датчика 3), потребляемая из сети мощность – датчик 5, нагрузочный момент на шпинделе, развиваемый тормозом 2 (фиксируется датчиком 4) поступает на аналого-цифровой преоразователь 6, информация от которого с целью расчета потерь холостого хода, нагрузочных потерь, эффективной мощности и КПД по зависимостям [1] передается на компьютер 7.
Выводы
Реализация изложенной методики позволит существенно снизить трудоемкость процессов измерения и расчета составляющих потерь мощности и КПД, автоматизировать процесс вычисления и построения необходимых для анализа графических зависимостей, а также заметно повысить точность и достоверность результатов.
Список литературы
1. Энергетический баланс привода металлорежущего оборудования : метод. указания / , . – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1994. – 22 с.
2. Кинематический расчет привода главного движения металлорежущих станков : учеб. пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2013. – 80 с.
3. Конструирование металлорежущих станков. – М.: Машиностроение, 1977. – 392 с.
Technique for measuring of the power of main drive of machine tools
Chesov Yu. S. 1, Ph. D. (Engineering), Associate Professor, e-mail: *****@***ru
Ptitsyn S. V. 1, Associate Professor, e-mail:
Zverev E. A. 1, Ph. D. (Engineering), Associate Professor, e-mail: *****@***ru
Suharev V. O. 1, student, e-mail: *****@***ru
Tsybenko M. S. 1, student, e-mail: *****@***ru
1 Novosibirsk State Technical University, 20 Prospect K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation
Abstract
The technique of measuring of power loss of main drive of turning lathe and calculation of efficiency is considered. For this purpose instead of used for lab equipment complex dial gauge proposes the use of analog-to-digital converter with a set of sensors to measure the necessary parameters for the transmission of results on a computer. For this purpose the use of analog-to-digital converter with sensors to measure the necessary parameters for the transmission of results on the computer is offered instead of complex hardware pointer type that is used for laboratory work. This will improve the accuracy and reliability of measurements, as well as significantly reduce the complexity of data processing
Keywords: technique of measuring; drive power; no-load losses; load losses; effective power; coefficient of efficiency.
