instr'12

instr'12, Remonty

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
//-->Zbigniew WasiakĆw i c z e n i e nr 4 (9, 12)POMIAR STRAT MOCY PRZY PRACY BEZ OBCIĄśENIAI OGÓLNEJ SPRAWNOŚCI MASZYNYCelemćwiczeniajest poznanie przyczyn występowania strat mocy w wielostopniowymnapędzie maszyny oraz sposobu pomiaru strat mocy przy pracy bez obciąŜenia i ogólnejsprawności obrabiarki na przykładzie tokarki.1. WprowadzenieJednym z sygnałów diagnostycznych, niosącym wiele informacji o stanie maszyny, jestwartość mocy traconej w łańcuchu kinematycznym napędu jej ruchów, przede wszystkim zaśw napędzie ruchu głównego. Wartość ta zaleŜy od długości łańcucha kinematycznego, a więcod rodzaju i liczby ogniw wchodzących w jego skład. Dla poszczególnych egzemplarzy danejmaszyny wartość tych strat będzie zaleŜeć równieŜ od jakości montaŜu, warunków pracy istopnia zuŜycia jej ogniw. Niezbędna jest zatem okresowa kontrola tych strat, w pierwszymrzędzie po wykonaniu maszyny, a takŜe po remontach i przy okazji wykonywania jej przeglą-du. Wzrost mocy traconej w łańcuchu kinematycznym napędu wrzeciona moŜeświadczyćowadliwym montaŜu maszyny, niewłaściwych warunkach jej smarowania i wreszcie o stopniujej zuŜycia.2.Źródłastrat mocy w obrabiarkach - bilans energetycznyMoc pobierana przez silnik obrabiarki przy pracy bez obciąŜenia jest sumą wszystkichstrat powstających w łańcuchu kinematycznym jej napędu. Jest ona niezbędna do podtrzyma-nia ruchu maszyny nieobciąŜonej siłami skrawania. Podczas pracy obrabiarki obciąŜonej mocuŜyteczna na wrzecionie będzie zatem, wskutek strat w napędzie, mniejsza od mocy pobiera-nej z sieci przez jej silnik. Straty powstające w napędzie wrzeciona odzwierciedla równieŜwspółczynnik ogólnej sprawności obrabiarki.Głównymiźródłamistrat mocy w obrabiarkach są ogniwa występujące na drodze odźró-dła napędu do zespołu wykonawczego - wrzeciona. Są to najczęściej zespoły występujące wniemal kaŜdej obrabiarce, a mianowicie: silnik, przekładnie pasowe i zębate, sprzęgła i ha-mulce, łoŜyska oraz wszystkie elementy wirujące. W przypadku innych obrabiarek mogą tobyć na przykład mechanizmy korbowe (dłutownice), jarzmowe (strugarki) oraz zespoły wy-stępujące najczęściej w napędzie posuwu:śruba-nakrętka,koło zębate-zębatka, prowadniceitp. Ponadto pobierana z sieci moc jest zuŜywana na napęd zespołów pomocniczych, takich2jak pompa oleju, pompa chłodziwa, transporter wiórów, magazyn narzędziowy, urządzenia doautomatycznej wymiany narzędzi, zmieniacz palet, a takŜe na oświetlenie miejsca pracy, na-pęd ruchu posuwowego i ruchów pomocniczych (np. obrót głowicy narzędziowej), zasilanieukładu sterowania, podświetlenie elementów obsługi itd.Źródłemnapędu ruchu głównego w obrabiarkach są silniki elektryczne, głównie: klatko-we, trójfazowe silniki asynchroniczne prądu zmiennego lub silniki bocznikowe prądu stałego.W maszynach starszego typu stosowano przede wszystkim silniki asynchroniczne, w obra-biarkach sterowanych numerycznie, z uwagi na łatwą zmianę prędkości obrotowej, były toczęsto silniki prądu stałego. Obecnie następuje powrót do stosowania silników asynchronicz-nych zasilanych prądem o regulowanej częstotliwości.Straty mocy w silniku asynchronicznym to przede wszystkim straty w uzwojeniu stojana(straty w miedzi) i wirnika (straty wŜelazie)oraz straty mechaniczne w ułoŜyskowaniu wir-nika i napędzie wentylatora chłodzącego silnik. Straty mechaniczne i wŜelaziesą praktycznieniezaleŜne od obciąŜenia. MoŜna je obliczyć na podstawie mocy znamionowej silnika orazjego sprawności katalogowej. Przykładowo dla asynchronicznych silników klatkowych prąduzmiennego straty mocy moŜna obliczyć z empirycznej zaleŜności (nie pamiętać tego wzoru):∆Ns=Nzn2η20,75 - 0,0075(0,75η+25)+1−k,100 (1)w której: - „Nzn” i „k” - moc znamionowa w [W], oraz współczynnik obciąŜenia,- „η” - sprawność silnika wyraŜona w %.ObciąŜenie znamionowe Nzn(moc znamionowa) silnika jest to największa moc jakąmoŜna pobierać z silnika, teoretycznie w nieskończenie długim okresie pracy, bez obawy jegozniszczenia (przegrzania) w danych warunkach. Sprawność silnika asynchronicznego zmieniasię wraz ze współczynnikiem „k” jego obciąŜenia. Przez współczynnik ten rozumie się stosu-nek mocy rzeczywistej Nrz, pobieranej z wału silnika do jego mocy znamionowej Nzn. War-tość współczynnika „η” sprawności silnika asynchronicznego w zaleŜności od współczynnikaobciąŜenia „k” przedstawia wykres na rys.1. Sprawność ta, jak widać, jest mała przy małymobciąŜeniu silnika, osiąga maksimum przy k≈0,75, i wtedy suma strat mechanicznych i stratwŜelaziejest równa stratom w miedzi, przy wyŜszych obciąŜeniach sprawność maleje. PrzyduŜym przeciąŜeniu silnika spada ona do zera, a silnik ulega zatrzymaniu. Zakreskowany ob-szar na rys. 1 ogranicza zmiany współczynnika sprawności dla róŜnorodnych typów i wielko-ścisilników, stosowanych w obrabiarkach.3W przypadku bocznikowych silni-ków prądu stałego straty składają się zczterech części, co zapisano poniŜszązaleŜnością:∆Pc=∆Pm+∆PFe+∆Pf+∆Pobc-∆PFe- straty wŜelazie,-∆Pf- straty wzbudzenia,Rys.1. ZaleŜność współczynnika sprawności silnikaasynchronicznego od współczynnika jegoobciąŜenia-∆Pobc- straty od obciąŜenia.Suma strat mechanicznych (∆Pm) istrat wŜelazie(∆PFe) nazywa się stra-(2),gdzie: -∆Pm- straty mechaniczne,tami bez obciąŜenia. Dochodzą do tego, pominięte we wzorze (2), straty dielektryczne i inne,niezaleŜne od prądu obciąŜenia, ale są one niewielkie. Straty mechaniczne są spowodowanetarciem w łoŜyskach, tarciem szczotek o komutator, tarciem wirnika o powietrze oraz stratamiwentylacyjnymi. Straty wŜelaziesą sumą strat na histerezę magnetyczną i na prądy wirowe.Są one proporcjonalne do kwadratu indukcji magnetycznej „B”. Wreszcie straty wzbudzeniasą proporcjonalne do iloczynu rezystancji w obwodzie wzbudzenia i do kwadratu prąduwzbudzenia.Straty wzbudzenia, zaleŜne od obciąŜenia, to straty w uzwojeniu stojana∆Pti na szczot-kach∆Pszcz, przy czym: -∆Pt=ItRt......................................................................... (3)2-∆Pszcz=Iteszcz.................................................................. (4)- It, Rt- prąd płynący w obwodzie twornika i rezystancja obwodu twornika,- eszcz- spadek napięcia na szczotkach.W obrabiarkach stosuje się, do przenoszenia napędu, przekładnie pasowe: z pasem klino-wym, pasem płaskim, a ostatnio coraz częściej i to głównie w obrabiarkach NC, przekładniepasowe z pasem zębatym.W przekładniach pasowych występują straty mocy spowodowane głównie przeginaniempasów na kołach pasowych, histerezą odkształceń materiału pasa, a w przypadku przekładni osprzęŜeniu ciernym (z pasem klinowym i z pasem płaskim) takŜe wskutek nieuniknionego po-ślizgupasów. Poślizg ten, zwany poślizgiem spręŜystym, jest nieunikniony w wyniku róŜnejwartości sił działających w cięgnie czynnym i w cięgnie biernym pasa. Jego wartość nie prze-kracza zwykle 1-2%. W przypadku przeciąŜenia przekładni pasowej o sprzęŜeniu ciernym pas4moŜeślizgaćsię całą objętością po kole pasowym (poślizg niespręŜysty – stan awaryjny), cowiąŜe się z szybkim jego zuŜywaniem się.W celu zmniejszenia strat w przekładni pasowej zaleca się stosować przełoŜenia 1:1, atakŜe unika się stosowania pasów o duŜej wysokości, zastępując je większą liczbą pasówcienkich (mniejsze straty przeginania). O wartości mocy traconej w przekładni pasowej decy-dują teŜśrednicekół pasowych oraz wła-ściwydobór napięcia pasów, a w przekład-niach wielopasowych dodatkowo odchyłkiprzełoŜeń poszczególnych kół pasowych.Ponadto wpływ na wartość traconej mocymają inne cechy geometryczne np. kąt opa-sania koła, własności mechaniczne stoso-wanych pasów oraz właściwy montaŜprzekładni. Przykład zaleŜności współ-czynnika sprawności od najwaŜniejszychparametrów przekładni z pasem klinowymRys.2. ZaleŜność sprawności przekładni pasowejz pasem klinowym od stosunkuśrednicy- stosunkuśrednicykół pasowych do wy-kół pasowych do wysokości pasa.sokości pasa pokazano na rys.2.Średniąwartość współczynnika sprawności zaznaczono liniąkreskową, rozrzut zaś wynika z róŜnych sił napięcia pasa i róŜnych cech (mechanicznych,geometrycznych) przekładni.Przekładnie zębate naleŜą do ogniw występujących niemal w kaŜdym złoŜonym napędziemaszyny. Są to ogniwa o wysokiej sprawności, zatem występujące w nich straty mocy nie sąduŜe. Przyczyną występowania strat mocy w przekładniach zębatych są poślizgi międzyzęb-ne, praca odkształceń bocznych powierzchni zębów oraz straty hydrodynamiczne wynikającez obecności czynnika smarującego. Ich wartość zaleŜy od współczynnika tarcia materiału kół,chropowatości powierzchni zębów, lepkości czynnika smarującego, ilości i sposobu podawa-nia go do zazębienia, prędkości obwodowej kół, szerokości wieńca, przełoŜenia, stopnia po-krycia, prędkości poślizgu oraz od rodzaju przekładni. WaŜnym czynnikiem jest tu równieŜrodzaj i właściwy montaŜ przekładni zębatej.W napędzie ruchu głównego obrabiarek stosuje się najczęściej sprzęgła stałe i rozłączneoraz hamulce. Straty mocy w sprzęgłach stałych są tylko wynikiem tarcia bryły sprzęgła ootaczające je medium. W hamulcach i sprzęgłach rozłącznych mają one wielorakie przyczynyi zaleŜą od tego czy sprzęgło pracuje załączone czy teŜ rozłączone. W przypadku załączonychsprzęgieł wielopłytkowych włączanych mechanicznie straty mocy wynikają z tarcia w me-5chanizmie włączającym (łoŜysko oporowe i prowadnice widełek). Dla sprzęgieł rozłączonych(praca bez obciąŜenia) przyczyną strat, (oprócz mechanizmu włączającego) będzie przypad-kowe ocieranie płytek o siebie (wskutek niewywaŜenia, błędów wykonania) oraz tarcie hy-drodynamiczne w warstwie oleju oraz między olejem a płytkami. Inna zasada włączaniasprzęgieł wielopłytkowych elektromagnetycznych sprawia,Ŝedla załączonego sprzęgła stratynastępują w cewce wytwarzającej pole magnetyczne, zaś dla sprzęgieł rozłączonych straty tewynikają, podobnie jak w sprzęgłach włączanych mechanicznie, z tarcia pomiędzy płytkamioraz pomiędzy płytkami a olejem. W przypadku elektromagnetycznych sprzęgieł wielopłyt-kowych występuje zjawisko magnetyzmu szczątkowego. W pracy sprzęgła objawia się onotym,Ŝepomimo wyłączenia dopływu prądu do cewki elektromagnesu płytki są dalej dociska-ne do siebie w wyniku magnetycznej histerezy materiału sprzęgła. Często w takich przypad-kach (sprzęgłowe nawrotnice w obrabiarkach) część zewnętrzna i wewnętrzna sprzęgła musząobracać się w przeciwnych kierunkach, co zwiększa ilość traconej w nich mocy. Szczególnywpływ na wartość mocy traconej w sprzęgłach wielopłytkowych, pracujących bez obciąŜenia,ma ilość oleju i sposób jego doprowadzania do sprzęgieł. Unikać naleŜy odśrodkowego sma-rowania sprzęgieł. Straty mocy mogą wtedy wzrosnąć nawet dwudziestokrotnie w stosunkudo przypadku smarowania przez polewanie olejem. Ponadto w sprzęgłach rozłącznych i whamulcach powstają straty w czasie ich załączania i rozłączania. Są to jednak stany krótko-trwałe i złoŜone, zatem nie będą tutaj rozwaŜane.Straty mocy w łoŜyskach tocznych są wynikiem tarcia tocznego iślizgowegoelementówtocznych o bieŜnie i o koszyk oraz tarcia hydrodynamicznego. Ten ostatni czynnik ma domi-nujące znaczenie w przypadku łoŜysk o duŜych gabarytach, pracujących z wysokimi prędko-ściamiobrotowymi. Do takich naleŜą właśnie łoŜyska wrzecionowe. O wartości strat mocy włoŜysku rozstrzyga jego konstrukcja, wielkość, prędkość obrotowa, obciąŜenie, ilość i lepkośćczynnika smarującego. Określić je moŜna przybliŜoną zaleŜnością:n∆Nµ=(Mh+M1)9,55, W(5)w której :Mh- hydrodynamiczny moment tarcia, w Nm, równyMh=10,66⋅f(106⋅�½⋅n)2/3⋅d3,mM1- moment tarcia, w Nm, pochodzący od obciąŜenia, określony wzorem: M1=fp·P·dm.W powyŜszych wzorach oznaczono:n - prędkość obrotowa łoŜyska, w obr/min,f- współczynnik zaleŜny od rodzaju łoŜyska i sposobu jego smarowania,�½- lepkość kinematyczna oleju, zaleŜna od jego temperatury, w cSt (m2/s), [ Pobierz całość w formacie PDF ]