Энергосберегающий многодвигательный мотор-шпиндель

УДК 621.313

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ МНОГОДВИГАТЕЛЬНЫЙ МОТОР-ШПИНДЕЛЬ

О.Ю. МАРКИН, К.А. САМОТИН, Н.Г. БАЖЕНОВ, Ю.С. МАРКИН Казанский государственный энергетический университет

Цель работы — снизить потребление электроэнергии промышленными предприятиями путем применения частотно регулируемого привода. Описан предложенный мотор-шпиндель, состоящий из трех частотно регулируемых электродвигателей, с возможностью одновременного и последовательного по времени их включения и выключения, а также использования пуско-наладочного оборудования одного электродвигателя для регулирования режимов работы всех электродвигателей.

Ключевые слова: энергосбережение, электропривод, металлорежущие станки.

Долгое время станкостроительная промышленность нашей страны выпускала металлорежущие станки с приводами, выполненными на основе обычных асинхронных электродвигателей с ременными передачами и с механическими коробками скоростей, например токарные станки 1К62, 16К20, 1А665 и др. [1]. Одних зубчатых колес в приводе главного движения таких станков доходит до 26 штук при одновременной работе пяти - шести пар колес. Потери на трение в приводах этих станков составляют 20 - 25%. Следовательно одна четвертая часть потребляемой энергии затрачивается впустую. Так, при мощности электродвигателей в станках 1К62 и 16К20, равной 10 кВт, 2,5 кВт постоянно расходуется на преодоление трения. Кроме того, возникает производственный шум от механических коробок скоростей, отрицательно влияющий на здоровье обслуживающего персонала. Велики затраты и на изготовление такого количества зубчатых колес.

Для устранения отмеченного недостатка металлорежущих станков в нашей стране [2] и за границей начали разрабатывать и внедрять в производство мотор-шпиндели, имеющие один электродвигатель. Например, фирма 8Ю1 [3] разработала ряд подобных шпинделей: высокомоментные шпиндели, высокоскоростные фрезерные, для механообрабатывающих центров, шлифовальные, на магнитных подшипниках, шпиндели с газовыми подшипниками и т. д. Для оценки эффективности предлагаемых мотор-шпинделей целесообразно рассмотреть технические характеристики некоторых из них. В табл. 1, например, приведены характеристики высокомоментных шпинделей фирмы 8Ю\

Таблица 1

Характеристика высокомоментных шпинделей

Модель Ном. скорость Макс. скорость Режим 81 Режим 86

Мощность Вращающий момент Мощность Вращающий момент

об/мин об/мин кВт Нм кВт Нм

ТСМ 250 1500 10000 11,0 70 10,1 64

ТСМ 290 1500 10000 26 165 23,6 146

ТСМ 270 500 6000 29,0 550 23,6 450

ТСМ 480 500 4000 48,8 930 39,3 750

© О.Ю. Маркин, К.А Самотин, Н.Г. Баженов, Ю.С. Маркин Проблемы энергетики, 2010, № 9-10

Интересны характеристики и высокоскоростных фрезерных шпинделей, приведенные в табл. 2.

Таблица 2

Характеристика высокоскоростных фрезерных шпинделей

Модель Ном. скорость Макс. скорость Режим 81 Режим 86

Мощность Вращающий момент Мощность Вращающий момент

об/мин об/мин кВт Нм кВт Нм

Н8М 120 15000 42000 9,1 5,8 7 4,4

Н8М 150 30000 10000 24,7 7,8 19 6,0

Н8М 170 5870 24000 24,7 40,1 19 30,8

Н8М 230 6000 18000 46,8 74,3 36 57,1

ШМ 260 12000 27000 91 72,2 70 55,6

И, наконец, в табл. 3 представлены характеристики шпинделей для механообрабатывающих центров.

Таблица 3

Характеристика шпинделей для механообрабатывающих центров

Модель Ном. скорость Макс. скорость Режим 81 Режим 86

Мощность Вращающий момент Мощность Вращающий момент

об/мин об/мин кВт Нм кВт Нм

МСМ 170 9000 24000 28,6 30,3 22 23,3

МСМ 180 8000 30000 27,3 32,5 21 25

МСМ 200 6450 25000 31,2 46,1 24 35,4

МСМ 220 5300 20000 54,6 98,1 42 75,5

МСМ 230 10000 24000 52 49,5 40 38,1

МСМ 240 4400 16000 59,8 129,4 46 99,6

МСМ 270 12000 15000 93,6 74,3 72 57,1

МСМ 290 2300 12000 72,8 301,4 56 231,9

МСМ 320 1700 8000 84,5 473,4 65 364,1

Обзор перечисленных мотор-шпинделей показывает, что выпускаемая фирмой 8Ю1 продукция отличается разнообразием и предназначена для удовлетворения различных потребностей производителей новой техники в виде: скоростных режимов, развиваемых крутящих моментов, потребляемой мощности и т. д. У всех перечисленных мотор-шпинделей имеется один единственный недостаток,

заключающийся в том, что они имеют только один

электрический двигатель. Один двигатель не позволяет более полно использовать затрачиваемую мощность при осуществлении различных по тяжести обрабатывающих операций. На рис. 1 представлена механическая характеристика шпинделя для механообрабатывающих центров, подтверждающая этот вывод.

Вращающий момент Мощность

Вращающий 1 момент /1 Мощность >ч л

X

Режим 5*6 - Режим

Номинальнан скорость Макс, скорость

Рис. 1. Механическая характеристика мотор-шпинделя обрабатывающего центра

Для устранения отмеченного недостатка авторами предложен мотор-шпиндель, принципиальная схема которого показана на рис. 2.

-А-

.............. 11111......1!11| ............1

и ..........1 п ...........|||

5 6 7

Рис. 2. Принципиальная схема мотор-шпинделя с тремя электрическими двигателями

Привод главного движения металлорежущего станка устроен следующим образом. Он состоит из шпинделя 1, установленного в подшипниках 2 и 3, трех

роторов 4, жестко закрепленных на

Мощность при

Номинальная скор. Максим скор.

— двиг. № 1 = - двиг. № 2 ¡- двиг, № 3

шпинделе 1, и трех статоров 5, жестко установленных внутри корпуса 6 привода и имеющих охладительные ребра 7, расположенные по всему периметру. Шпиндель 1 снабжен крыльчаткой 8, обдувающей охладительные ребра электродвигателей при их работе.

Привод работает следующим образом. Например, в токарном станке необходимо осуществить обдирочную операцию заготовки на значительную глубину. Для этой операции необходима мощность всех трех электродвигателей, поэтому

одновременно включают все три электродвигателя. Характеристика изменения мощности привода для этого случая представлена на рис. 3. Как видно из графика, крутизна общего наклонного участка

значительно выше, чем у каждого из двигателей в отдельности.

Рис. 3. Мощностная характеристика мотор-шпинделя

На рис. 4 показана характеристика изменения вращающего момента трех электродвигателей. В мотор-шпинделях этого типа могут быть применены как асинхронные, так и синхронные быстродействующие электродвигатели с водяным охлаждением. Двигатели, кроме того, могут быть оборудованы датчиками угла поворота, температуры и положения для реализации векторного управления. В качестве опор таких шпинделей, в зависимости от требуемой скорости вращения, можно применять цельностальные и гибридные керамические подшипники.

Вращающий момент

Номинальные Максим, скорости скорости

__. двигатель № I

____- двигатель Ла 2

----------- двигатель Лг 3

_- -суммарный момент

Далее, согласно, технологической карте, следует черновая обработка детали на некоторую глубину. На ее осуществление достаточно мощности двух электродвигателей, в связи с этим один из двигателей отключают. Мощностная характеристика двух двигателей представлена на рис. 5, а на рис. 6 - характеристика изменения моментов. Очевидно, что в этом случае экономят почти одну треть электроэнергии. Однако при расчете подобных шпинделей надо помнить о том, что их моменты инерции не изменяются. Более того, при обработке крупных деталей к моменту инерции шпинделя необходимо добавлять момент инерции обрабатываемой детали. Учитывая опыт производителей однодвигательных мотор-шпинделей [3], можно утверждать, что для токарных станков нужны высокомоментные шпиндели, обеспечивающие работу с большими силами резания при высокой

Рис. 4. Характеристика вращающего момента трех электродвигателей

производительности и хорошем качестве обрабатываемых поверхностей. Всем этим условиям отвечает предлагаемый мотор-шпиндель. Он обеспечит работу шпинделя до 10000 мин"1 с возможным «разгоном» до 16000 мин"1.

Мощность

Вращающий момент

Номинальные Максим, скорости скорости

- двигатель № I = - двигатель № 2 ^тт^ш - суммарный график

V

Номинальные Максим, скорости скорости

- - двигатель Л» I — — -двигатель №2

— - суммарный [ рафик

Рис. 5. Изменение суммарной мощности Рис. 6. Изменение суммарного момента

двух двигателей двух двигателей

И, наконец, необходимо осуществить чистовое точение на достаточно малую глубину. Для этой операции достаточна мощность одного электродвигателя, следовательно, отключают еще один электродвигатель, и для осуществления чистового точения используют примерно одну треть общей мощности

электропривода. Характеристика привода с одним электродвигателем представлена на рис. 1.

Такой режим работы описанного мотор-шпинделя соответствует технологии обработки длинных труб.

Большой интерес для энергетиков представляет синхронизация высоковольтного привода с промышленной сетью, в том числе, и предложенного многодвигательного мотор-шпинделя. Это позволяет использовать один привод для пуска и регулирования движения многодвигательного привода [4], т. е. совместить плавный пуск и управление группы двигателей в одном системном решении.

Отечественные производители [2] разрабатывают приводы на базе двигателей серии АИР, но в совокупности с механической передачей. На валу двигателей устанавливают фотоимпульсные датчики угла поворота. В приводах могут применяться различные типы асинхронных двигателей, датчиков скорости и положения. Для настройки на конкретный двигатель в системе управления предусмотрен режим автоматического определения параметров двигателя и самонастройки привода. Такие приводы полностью обеспечивают работу современных металлорежущих станков с ЧПУ и имеют следующие функции:

• регулирование интенсивности разгона и торможения,

• регулирование величины ограничения момента,

• режим переключения механической передачи,

• режим ориентации шпинделя,

• задание скорости, положения или момента.

На основе изложенного, можно утверждать, что у предложенного мотор-шпинделя имеются большие перспективы применения в станках с ЧПУ, поскольку заранее составляется программа наиболее рационального использования мощности привода, состоящего из трех электродвигателей, которая реализуется автоматически. Налицо дополнительная экономия электрической энергии.

Выводы

1. Механические характеристики привода стали разнообразнее, т. е. динамичнее, что связано с возможностью одновременного и последовательного включения и выключения электродвигателей.

2. При одновременной работе электродвигателей возрастает крутизна линейной части их мощностной характеристики.

3. Появилась возможность более широкого маневрирования мощностью электродвигателей с целью экономии потребляемой электроэнергии в зависимости от вида выполняемых станком металлорежущих операций.

4. Для токарных станков нужны высокомоментные шпиндели, обеспечивающие работу с большими силами резания при высокой производительности и хорошем качестве обрабатываемых поверхностей. Всем этим условиям отвечает предлагаемый мотор-шпиндель. Он обеспечит работу шпинделя до 10000 мин-1 с возможным «разгоном» до 16000 мин-1. Использование предлагаемого мотор-шпинделя в совокупности с регулированием его работой с помощью одного из двигателей создаст дополнительную экономию электрической энергии промышленными предприятиями.

Summary

The purpose of this work is to reduce energy usage in industrial environment with frequency regulated drive. Described below is a motor-spindle which consists of three frequency regulated electro drives with simultaneous and sequential ability, depending whether drive is running or turned off. It also includes utilization of starting setting of equipment with single electro drive to regulate work mode of all electro drives.

Key words: energy saving, electric drive, metal-cutting lathe.

Литература

1. Денежный П.М., Стискин Г.М., Тхор И.Е. Токарное дело: Учеб. для средних профтехучилищ. Изд. 2-е перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1976. 240 с.

2. НТЦ Приводная техника: Презентация компании. Рязань: НТЦ ПТ, 2004. 44 с.

3. Соколов П.А. Шпиндели фирмы 8КЕ - неизвестное во всемирно известном: Новые решения для станкостроителей. Ежемесячная газета «Новости приводной техники», № 5 (37), май 2004. С. 6.

4. Патент РФ № 45665. МПК В 23 Б 9/00. Привод металлорежущего станка // Маркин О.Ю., Маркин Ю.С. и др. Опубл. 27.05.2005. Бюл. № 15.

5. Микоша Л.Ю. Частотно-регулируемый привод (ЧРП) для управления асинхронными и синхронными двигателями как инструмент повышения эффективности ТЭС. Сб.: Энергетика и нефтехимический комплекс Татарстана в начале ХХ1 века. Казань: Изд-во центра экспертиз и анализа, 2005. С. 64-69.

Поступила в редакцию 07 мая 2010 г.

Маркин Олег Юрьевич - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений» (ЭХП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-927-4030995. Е-шаИ: о^шагкт62@ша11. ги.

Самотин Кирилл Александрович - аспирант кафедры «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений» (ЭХП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-904-6628368. Е-шаИ: ЫгШ.8.а@ша11. ги.

Баженов Николай Георгиевич - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электрический транспорт» (ЭТ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-904-7158375.

Маркин Юрий Сергеевич - д-р техн. наук, профессор кафедры «Механика» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-43-28