УП Множительные и сложенные структуры. Александра Сергеевна Глинка множительные и сложенные структуры приводов главного движения и подач металлорежущих станков электронное учебное пособие
 Скачать 4.66 Mb.
|
|
2.2. Построение структурных сеток Для построения структурной сетки прежде всего изображается исходная сетка, которая имеет 1) столько горизонтальных линий, сколько валов во множительной структуре 2) столько вертикальных линий, сколько частот вращения имеет шпиндель станка. Горизонтальные линии сетки располагаются на равном расстоянии (без масштаба, на простой шкале) и обозначаются теми же знаками, что и валы на кинематической схеме множительной структуры (коробки скоростей. Вертикальные линии сетки, обозначающие частоты вращения, также располагаются на равных расстояниях, но по логарифмической шкале. Для наглядности на шкале частот вращения записываются не lnn, а абсолютные значения n. Построение структурной сетки рассмотрим на примере Z = 3 1 ·2 3 ·2 6 = 12. Для облегчения построения справа от исходной сетки, в пространстве между валами, проставляем количество передач соответствующей группы с характеристикой данной группы рис. 2.3). Рис. 2.3. Структурная сетка 17 Вал II имеет 3 частоты вращения, поэтому из полученной точки проводим луча симметрично так, чтобы расстояние между их концами было равно логарифму характеристики группы, расположенной между валами I и II. Каждый луч обозначает конкретную передачу. Затем из каждой точки вала II проводим по 2 луча так, чтобы концы их отстояли друг от друга навалу на расстоянии равном 3lgφ, так как характеристика данной группы х = 3. Навалу получим 6 частот вращения. Параллельные лучи обозначают одни и те же передачи. Последняя переборная группа строится аналогично предыдущим. Структурная сетка позволяет графическим путем найти наилучший вариант переключения передач, соответствующий их минимальным габаритам, а также является вспомогательным инструментом для построения графика частот вращения. На рис. 2.4 изображена структурная сетка для множительной структуры Z = 3 4 ·2 2 ·2 В представленной структуре изменен порядок переключения групп передач. Это обстоятельство сказалось на изменении отношений передаточных отношений, причем в сторону их ухудшения. пе Рис. 2.4. Структурная сетка Между I и II валами теперь располагается группа с отношением передаточных отношений = φ 8 , в предыдущем варианте переключения 18 = Габариты этой группы существенно увеличились. Реализация рассматриваемого варианта переключения привела бык созданию коробки скоростей неприемлемых размеров. Благоприятным вариантом переключения сточки зрения габаритов передач следует считать тот, который представлен на рис. 2.3. По структурной сетке можно определить 1. Число частот вращения на каждом валу множительной структуры коробки скоростей. 2. Число групп передач в структуре и порядок их конструктивного расположения. Число передач в каждой группе. 4. Характеристики групп передач. 5. Диапазон регулирования передаточных отношений в каждой группе передач. Например, в основной группе (рис. 2.3) lgR = 2lgφ, или R = φ 2 ; впервой переборной группе lgR = 3lgφ, или R = φ 3 ; во второй переборной группе lgR = 6lgφ, или R = Диапазон регулирования частот вращения шпинделя определяется как расстояние между крайними точками на последнем валу коробки скоростей. Для нашего случая lgR n = 11 lgφ, или R n = φ 11 2.3. Построение графика частот вращения График частот вращения служит для определения частных и общих передаточных отношений. Для его построения должны быть известны 1) знаменатель геометрического ряда частот вращения φ; 2) частоты вращения шпинделя от n 1 = n max до n z = n max ; 3) частота вращения приводного электродвигателя э 4) кинематическая схема коробки скоростей, включая одиночные передачи (зубчатые, ременные передачи. В качестве примера для построения графика частоты вращения возьмем вариант (рис. 2.3) Z = 1·3 1 ·2 3 ·2 6 , добавив гибкую связь (ременную передачу) между электродвигателем и валом I. Порядок построения графика частот вращения 1. Строят исходную сетку графика также, как и исходную сетку для структурной сетки, однако количество вертикальных линий может быть больше числа частот вращения шпинделя. Это необходимо, чтобы частота вращения электродвигателя располагалась в пределах исходной сетки (рис. 2.5). 19 Рис. 2.5. График частот вращения Перед валом I изображают Овал электродвигателя. 2. Наносят значения частот вращения на последний вал (на шпинделе) коробки скоростей, выбранные по ГОСТ 8032-56 Предпочтительные ряды частот вращения. Допустим, в примере задано n min = n 1 = 14 мин n max = n 12 = 630 мин φ = 1,41; э 750 мин 3. На линию вала электродвигателя наносят значения частот вращения приводного электродвигателя. 4. Ременной (во фрезерных, сверлильных и др. станках зубчатой) передачей вписывают частоту вращения электродвигателя вряд частот вращения шпинделя. В нашем случае это точка в пересечении вала I и частоты n = 630 мин 5. Определяют общее минимальное передаточное отношение коробки скоростей I min , выразив его через знаменатель геометрической прогрессии φ: 6. Общее минимальное передаточное отношение I min разбивают на частные минимальные отношения i min каждой группы передач, помня при этом, 20 что , а также, что частные минимальные передаточные отношения отвала к последнему валу должны уменьшаться На графике частот вращения частные минимальные передаточные отношения изображаются в виде лучей, проходящих через 3 и 4 клетки влево понижающие передаточные отношения. 7. В соответствии со структурной сеткой (рис. 2.3) производят окончательное построение графика частот вращения. 8. По графику (рис. 2.5) определяют все передаточные отношения: в основной группе P a : впервой переборной группе P b : во второй переборной группе P c : Общее максимальное передаточное отношение коробки скоростей 21 Вариант построенного графика частот вращения не является единственным сточки зрения радиальных размеров коробки скоростей. Хотя на стадии кинематического расчета невозможно найти наилучший кинематический и конструктивный вариант, но отказаться от большинства как непригодных можно, если руководствоваться следующими рекомендациями 1. Размеры зубчатых колеси привода в целом будут минимальными, если разница в числе зубьев колес в группах будет наименьшей. Этому требованию удовлетворяет основная группа, в которой число зубьев в паре колес отличается враз. Поэтому целесообразно выбирать конструктивный вариант, в котором бы основная группа имела наибольшее число передач, те. Однако в случае установки на первом валу коробки скоростей дополнительных механизмов в виде муфт реверса или тормозных устройств на нем не следует располагать более двух зубчатых колес, так как при этом существенно возрастают осевые размеры коробки (например, вместо Z = 3 1 ·2 3 ·2 6 надо принять Z = 2 1 ·3 2 ·2 6 ). 3. Конструктивный вариант привода должен соответствовать кинематическому, те. характеристики групп передач должны возрастать от первого вала к шпинделю (Х < Х < Х < … < Х. 4. Минимальные частные передаточные отношения в группах должны уменьшаться по мере приближения к шпинделю, достигая предельной величины в последней переборной группе i a min ˃ i b min ˃ i c min … ˃ i m min ≥ |i min |. Выполнение этого условия позволяет поднять уровень минимальных частот вращения промежуточных валов в область более высоких частот вращения, тем самым уменьшить величины передаваемых крутящих моментов, это будет способствовать уменьшению радиальных размеров валов и зубчатых колес. Чем выше частота вращения вала n i , тем меньше крутящий момент М кр.i , диаметр вала (из условий прочности) и модуль зубчатых колес, расположенных на этом валу. 5. На шпинделе станка не рекомендуется устанавливать более двух зубчатых колес, так как это приводит к излишней деформации шпинделя. С этой же целью зубчатые колеса на шпинделе необходимо устанавливать ближе к его передней опоре. 6. Для уменьшения номенклатуры зубчатых колес необходимо стремиться к симметричному расположению лучей на графике частот вращения 22 хотя бы для одной группы (i min · i max = 1). Чем «симметричнее» группа, тем меньше ее размеры. 7. Необходимо избегать повышающих передач в группе, передающей вращение на шпиндель, так как в этом случае ведомое колесо нужно иметь как можно бóльших размеров из-за большого диаметра шпинделя, который рассчитывается не из условия прочности, а жесткости. Ведущее колесо может получиться неприемлемых размеров. 2.4. Множительные структуры с наложением частот вращения При проектировании коробок скоростей наиболее ступеней в последней переборной группе передач получаются недопустимо большие значения , при которых коробка не конструируется. Современные универсальные станки для широкого диапазона использования должны иметь развитые коробки скоростей. Например, токарно-винторезный станок модели К имеет Z = 22. Для того чтобы проектируемая коробка могла осуществить заданное число (Z ) ступеней, применяют метод улучшения кинематики за счет частичного совпадения (наложения) некоторой части частот вращения шпинделя. Пусть поставлена задача спроектировать коробку нас. Даже для лучшего варианта переключения Z = 3 1 ·3 3 ·2 9 в последней переборной группе что значительно больше допустимого. Однако путем искусственного уменьшения характеристик групп передач можно создать желаемую структуру, если ее разработать на число ступеней, большее, чем Z , на некоторую величину наложенных ступеней ∆Z: Z’= Z + ∆Z, и тогда Z = Z’– ∆Z. Наложение частот вращения обычно делают в последней переборной группе. Характеристика группы, в которой происходит наложение частот вращения, рассчитывается по формуле X = P a ·P b ·P c …– ∆Z. (2.14) Диапазон регулирования в этой группе (где P z – число передач в последней переборной группе. При разработке коробок скоростей с наложением частот вращения необходимо иметь минимальное число передач в последней переборной группе (P z = 2) и стремиться к минимальному числу наложенных частот вращения. 23 Для нашего случая характеристика последней переборной группы x = 3·2·2 – 6 = 6, а диапазон регулирования R = φ (2–1)·3·2·2 – 6 = φ 6 = 1.41 6 = 8 = |R|. Разработанная коробка скоростей по габаритам укладывается в допустимые пределы. Структурная сетка для структурной формулы Z = 3 1 ·2 3 ·2 6 ·2 6 – 6 = 18 показана на рис. 2.6. Рис. 2.6. Структурная сетка График частот вращения строится по аналогии с графиком обычной множительной структуры. 2.5. Множительные структуры с ломаным (неравномерным) геометрическим рядом Обследование обширного количества универсальных станков показало, что большую часть рабочего времени они эксплуатируются на средних частотах вращения шпинделя. Исходя из экономической целесообразности использования станочного оборудования в коробках скоростей стали применять ломаные геометрические ряды частот вращения, задействуя в средней части диапазона регулирования R n малое значение знаменателя ряда φ 2 , а по краям большое значение φ 1 . При этом обязательно должно быть выполнено условие Особенности кинематического расчета подобных структур покажем на конкретном примере. 24 Пусть задано Z = P a ·P b ·P c ; φ 1 = 1,58 и φ 2 = 1,26; диапазон регулирования частот вращения шпинделя R n = 80. Определяем число ступеней коробки скоростей при меньшем φ 2 = 1,26: Число ступеней со знаменателем ряда φ 1 = 1,58: где R – допускаемый диапазон регулирования передаточных отношений в группах. Характеристика последней переборной группы Р с : Структурную формулу можно записать в таком виде Z = 3 1 ·2 3 ·2 4,5 = 12. Построение структурных сеток и графиков частот вращения ведут при меньших значениях φ 2 , а, учитывая, что lg φ 1 = 2lg φ 2 , окончательно структурная формула будет выглядеть так Z = 3 2 ·2 6 ·2 9 = 12 (рис. 2.7). Рис. 2.7. Структурная сетка Так, для рассматриваемого случая с ломаным рядом диапазон регулирования будет , а для равномерной структуры диапазон регулирования был бы 25 Структуры с ломаным рядом позволяют притом же числе валов и передач существенно расширить диапазон регулирования частот вращения, что является важным для универсальных станков. 2.6. Множительные структуры с регулируемыми электродвигателями переменного тока Для уменьшения габаритов коробок скоростей с сохранением диапазона регулирования частот вращения в станкостроении находят применение двух- и реже трехскоростные электродвигатели переменного тока. При этом непрерывный геометрический ряд частот вращения шпинделя будет обеспечиваться только тогда, когда частоты вращения вала электродвигателя при переключении пар полюсов будут изменяться в два раза (n эл. = 750/1500, 1500/3000, 750/1500/3000 мин. Механическая часть коробки скоростей существенно упрощается, так как регулируемый электродвигатель принимает на себя роль одной механической группы передач. При кинематических расчетах регулируемый электродвигатель принимается в качестве первой переборной группы, а в качестве основной – механическая группа с числом передач, зависящих от значения знаменателя ряда φ. При переключении частот вращения основная группа подготавливает удвоение частот вращения, а удвоение осуществляет электродвигатель переключением на вторую, более высокую, скорость. Например, проектируется коробка скоростей с φ = 1,41, удвоение ряда будет подготовлено в том случае, если вначале будем переключать группу передач с двумя передачами на одной частоте вращения вала электродвигателя, при этом на шпинделе получим n 1 , n 2 . Частоту вращения n 3 = 2n 1 получим переключением электродвигателя на более высокую скорость, в то время как основная группа вернется в исходное положение. Далее, переключая основную группу, получаем n 4 , n 5 и т. д. Структурная формула для этого случая будет иметь вид Z = P a ·P эл. = 2 1 ·2 2 = 4. Характеристика переборных групп передач определяется, как ив обычной множительной структуре. При использовании в коробках скоростей φ = 1,26 удвоение значения члена ряда частот вращения наступает на четвертом члене, следовательно, в качестве основной группы необходимо принять P a = 3. И структурная формула будет иметь такой вид Z = P a ·P эл. = 3 1 ·2 3 = 6. 26 Недостаток множительных структур с регулируемыми электродвигателями заключается в том, что они задают жесткий структурный и кинематический вариант, часто нецелесообразный сточки зрения габаритов передач. Например, требуется спроектировать коробку скоростей (Z =18; φ =1,26) с двухскоростным электродвигателем. Структурная формула для этого случая Z = 3 1 ·2 3 ·3 6 = 18. Диапазон регулирования передаточных отношений в последней переборной группе R = φ (3–1)·3·2 = 1,26 12 = 16, что больше допустимого. На рис. 2.8 представлена упрощенная кинематическая схема и структурная сетка для множительной структуры с регулируемым электродвигателем переменного тока со структурной формулой Z = 3 1 ·2 эл. ·2 6 = 12. Рис. 2.8. Упрощенная кинематическая схема и структурная сетка На рис. 2.9 показана упрощенная кинематическая схема для сложенной структуры с регулируемым электродвигателем переменного тока Z = 3 1 ·2 эл. ·1+3 1 ·2 эл. ·1·2 6 ·1 = 18. Рис. 2.9. Упрощенная кинематическая схема 27 На рис. 2.10 изображена структурная сетка для этой структуры Рис. 2.10. Структурная сетка Как следует из рисунков, применение регулируемых электродвигателей переменного тока может привести к упрощению кинематики привода главного движения (сравните рис. 2.3, рис. 2.8 ирис) и уменьшению габаритов коробки скоростей. 2.7. Множительные структуры с регулируемыми электродвигателями постоянного тока В станках с ЧПУ и многооперационных станках нашли применение регулируемые электродвигатели постоянного тока с механической коробкой скоростей на 2, 3, 4 ступени. Общий диапазон регулирования таких структур будет R n = R эл.· R мех . (2.16) Предположим, что в структурах имеется коробка скоростей на Z ступеней с соответствующим числом общих передаточных отношений I 1 , I 2 , Тогда посредством I 1 можно получить на шпинделе непрерывный ряд частот вращения от n 1 до n 1 R эл. за счет регулирования скорости электродвигателя. На передаточном отношении I 2 получается непрерывный ряд частот вращения от доили в общем виде I 1 → , I 2 → , I 3 → , I 3 → 28 Отсюда . (2.17) Число механических ступеней коробки скоростей (2.18) Число электрических ступеней двигателя , (2.19) где r – диапазон регулирования электродвигателя. Пример. Задано R n = 32 и r = 2. Тогда Коробка на четыре ступени может состоять из двух групп М = P 1 ·P 2 = 2·2 = 4. Особенность дальнейшего кинематического расчета заключается в том, что ряд бесступенчатый, и для него φ = 1. На структурных сетках расстояние между вертикальными линиями будет lgφ = lg1 = 0. Для выхода из этого положения зададим произвольное стандартное значение φ, например φ = 1,26, и построим структурную сетку для ступенчатого регулирования. Определим число электрических ступеней двигателя по формуле (2.19): Общее число ступеней привода станка Z = Z Э ·Z М = Э P 1 ·P 2 = 4·2·2 = 16. Рис. 2.11. Упрощенная кинематическая схема и структурная сетка 29 На рис. 2.11 изображена упрощенная кинематическая схема коробки скоростей на Z = 16 ступеней с регулируемым двигателем постоянного тока и структурная сетка. Электродвигатель при кинематических расчетах принимается в качестве основной группы с характеристикой х =1. Построение графика начинают с отметкой навалу точками значения частот вращения n 01 –n 04 , создаваемых двигателем. А далее построение продолжают таким же методом, как и при ступенчатом регулировании. Кроме валов коробки скоростей (I, II, III), на рис. 2.11 добавлен условный «электровал», передающий четырехступенчатым «электроблоком» вращение первому валу коробки (n 01–04 ). Добавочное построение к структурной сетке позволяет более наглядно представить общую взаимосвязь всех без исключения групп передач, входящих в состав привода. |