X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

Кривошипные прессы являются основным видом штамповочного оборудования, используемым в автомобильном, сельскохозяйственном машиностроении, приборостроении и других отраслях промышленности[1].1

Чаще всего на одном кривошипном прессе ставится задача производства различных деталей с разной степенью нагрузки на них.

Особенностью конструкции кривошипных прессов является наличие в его приводе маховика, который за счёт расхода своей кинетической энергии покрывает энергетические потребности при выполнении технологической операции. Запас кинетической энергии маховика определяется по формуле , где и – момент инерции и частота вращения маховика соответственно. Однако доля кинетической энергии маховика, используемой для выполнения операции, равная составляет не более 20-30%. Остающаяся часть энергии маховика, составляющая 70-80%, является «энергетическим балластом». Причиной этого является то, что маховик кинематически связан с двигателем главного привода, в качестве которого часто используется асинхронный двигатель, который не допускает значительного уменьшения своей частоты вращения, и, соответственно, частоты вращения маховика. Это вынуждает увеличивать момент инерции маховика, его массу и габаритные размеры. Ограничения максимальной окружной скорости маховика вынуждает обеспечивать его требуемый момент инерции за счёт увеличения ширины маховика, что дополнительно увеличивает его массу. Значительная сила тяжести маховика создает трудности обеспечения надлежащей прочности вала, на котором он устанавливается.

Момент инерции маховика и его масса могут быть уменьшены путём увеличения отдаваемой доли его кинетической энергии. Простое увеличение доли кинетической энергии, отдаваемой маховиком, путём уменьшения минимальной частоты вращения маховика и, соответственно, минимальной частоты вращения двигателя (i - передаточное число передачи «двигатель-маховик»), приводит к недопустимому увеличению скольжения двигателя, к его механической, электрической и тепловой перегрузке, сокращению срока службы. При этом скольжение двигателя, где - частота вращения магнитного поля асинхронного двигателя, - текущее значение частоты вращения ротора двигателя.

Одним из путей преодоления указанных недостатков является применение для питания двигателя главного привода кривошипных прессов напряжения питания изменяемой частоты f. Как известно, частота вращения магнитного поля двигателя , где p– число пар полюсов асинхронного двигателя. Таким образом, изменение частоты питающего напряжения f дает возможность изменять желательным образом частоту вращения магнитного поля двигателя в течение цикла работы пресса. Уменьшение частоты вращения магнитного поля двигателя вслед за уменьшением частоты вращения ротора двигателя позволит практически без ограничений уменьшать и и отдаваемую маховиком долю кинетической энергии. При этом скольжение асинхронного двигателя не превышает допустимого значения. Снижаются токовые и тепловые нагрузки, повышается КПД двигателя, уменьшается потребление электрической энергии.

Принцип действия кривошипного пресса

Кинематическая схема основных узлов кривошипного пресса показана на рисунке 1.

Рисунок 1 - Кинематическая схема кривошипного пресса. 1-ползун; 2-тормоз; 3-маховик; 4-клиноремённая передача; 5-электродвигатель; 6-передаточный вал; 7- малая и большая шестерни; 8-муфта; 9-кривошипный вал; 10-шатун; 11-плита для крепления матрицы штампа.

От электродвигателя 5 посредством клиноременной передачи 4 вращается маховик 3 и промежуточный вал 6. Посредством малой и большой шестерен 7 и муфты 8 с вала 6 вращение передается на кривошипный вал 9, а посредством шатуна 10 ползун 1 совершает возвратно-поступательное движение. Верхняя (подвижная) часть штампа прикрепляется к ползуну 1, а нижняя (неподвижная) часть штампа – к плите для крепления матрицы штампа 11.

Для анализа работы главного электропривода пресса с системой преобразователь частоты - асинхронный двигатель (ПЧ-АД) построим математическую модель в программе MathLab[2].

Рисунок 2 - Модель электропривода пресса с ПЧ-АД

Состав виртуальной установки

источник постоянного напряжения, выполненный на основе блока DCVoltageSource из библиотеки SimPowerSystems/ElectricalSources;

блок PWMGenerator, который реализует режим синусоидальной ШИМ;

блок IGBTInverter,выполненный на основе универсального блока UniversalBridge из библиотеки PowerElectronic,с использованием которого реализован трехфазный мостовой инвертор на IGBT-транзисторах;

блок Three-PhaseResistance , выполненный на основе блока Three-PhaseSeriesRLCBranch, предназначен для создания нейтральной точки, относительно которой измеряются фазные напряжения АИН;

измеритель переменного трехфазного напряжения и тока Three-Phase V-I Measurement из библиотеки SimPowerSystems/Measurements;

два блока VoltageMeasurement предназначены для соединений измерительных блоков библиотеки Simulink с блоками пакета SimPowerSystems;

исследуемую трехфазную асинхронную машину в абсолютных единицах Asynchronous Machine SI Units из библиотеки SimPowerSystems/ Machines;

два блока измерения действующих значений фазного и линейного напряжений статора, выполненные на основе блока RMS из библиотеки SimPowerSystems/ExtraLibrary/Measurements;

блоки Display1 для количественного представления измеренных действующих значений фазного и линейного напряжений соответственно из библиотеки Simulink/Sinks;

два универсальных блока измерения переменных машины MashinesMeasurement1 и MashinesMeasuremen2 из библиотеки SimPowerSystems/ Machines;

Блоки выполненные на основе блока Scope из библиотеки Simulink/Sinks, предназначенные для наблюдения кривых фазного и линейного напряжений, скорости и электромагнитного момента, токов ротора и статора. Характеристики зависимости от времени показаны ниже.

блок измерения действующих значений фазных токов статора, выполненный на основе блока RMS из библиотеки SimPowerSystems/ExtraLibrary/Measurements;

блок XYGraph из библиотеки Simulink/Sinks, предназначенный для наблюдения динамической механической характеристики;

два блока Selector из библиотеки Simulink/SignalRouting, позволяют выбрать для наблюдения один из фазных токов статора и ротора.

блок RepeatingSequenceinterpolated из библиотеки Fixed-pointblockset/Sources, предназначен для задания момента на валу машины[3].

блок Gain из библиотеки Simulink/MathOperation, предназначен для усиления входного сигнала на заданное число.

Результаты моделирования

Двигатель пресса разгоняется за три секунды. В момент времени 3,5 сек. включается муфта и пресс совершает один рабочий ход. Далее муфта отключается и система переходит в установившейся режим для дальнейшей работа.

Рисунок 3 - Временные диаграммы тока, потребляемого автономным инвертором

Рисунок 4 - Временные диаграммы фазного и линейного напряжений[3]

Рисунок 5 - Временные диаграммы угловой скорости и электромагнитного момента

а)

б)

Рисунок 6 - Временные диаграммы фазных токов статора и ротора

а – действующее значение; б – мгновенное значение

Вывод

С помощью предлагаемой модели будет проведен анализ элетромагнитных и электромеханических процессов в переходных и установившихся режимах работы привода.

Литература

А.М. Литвиненко, А.О. Богданов, Ю.И. Еременко Автоматизация изменения скорости подвижных частей прессов с системой дозирования энергии.

Электротехнический справочник в 4 томах. Под редакцией В.Г. Герасимова, А.Ф. Дьякова, Н.Ф. Ильинского, В.А. Лабунцова, В.П. Морозкина, И.Н. Орлова, А.И. Попова, В.А. Строева. Москва: издательство МЭИ, 2004 г.

М. С. Лурье, О. М. Лурье Имитационное моделирование схем преобразовательной техники, сиб. гос. тех. ун-т, Красноярск, 2007. 138с.

Код для цитирования: Скопировать