КОМПАКТНАЯ ВАЛЬЦОВОЧНАЯ МАШИНА С МИКРОПРОЦЕССОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Полезная модель относится к обработке металлов давлением и может быть использована для развальцовки механическими роликовыми вальцовками труб в трубных решетках (трубных досках, коллекторах) в теплообменном оборудовании различных областей техники.
Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому техническому результату является вальцовочная машина снабженная индикаторами начала вальцовки и достижение оптимального крутящего момента на валу шпинделя, в виде светодиодов, включенных в цепь питания через контакты автономных микропереключателей патент RU 2100122. Вальцовочная машина имеющая электродвигатель, редуктор, электронное устройство содержащее блок питания, сравнивающее устройство, показывающий прибор, блок ограничения крутящего момента, электрическое дифференцирующее устройство и два пусковых устройства, при этом блок ограничения крутящего момента включает датчик активной мощности, а сравнивающее устройство - переменный резистор, усилитель, резистор и одно из пусковых устройств, причем датчик активной мощности последовательно соединен со сравнивающим устройством, а показывающий прибор соединен параллельно между сравнивающим устройством и датчиком активной мощности, при этом электрическое дифференцирующее устройство присоединено параллельно показывающему прибору и содержит блок дифференцирования, усиления и сравнения и другое пусковое устройство, разрывающее цепь электродвигателя при превышении значения скорости изменения крутящего момента по сравнению с заданной величиной патента РФ №2473409.
Недостатком описанных запатентованных ранее устройств является отсутствие устройств позволяющих точно контролировать величину крутящего момента на приводном валу вальцовочной машины, сложная настройка максимального крутящего момента при вальцевании труб разных диаметров на максимальный крутящий момент. Наличие логических цепей требующих исполнения в громоздких блоках управления. В данных машинах двигатели не позволяющие регулировать частоту вращения привода в широких пределах. Невозможность изготовления приводов машин в компактном исполнении, что затрудняет их использование в труднодоступных местах коллектора или водяной камеры. Как также следует из описания вальцовочных машин, во время выполнения операции закрепления частота вращения веретена вальцовки постоянна и зависит от характеристик электродвигателя и редуктора. В тоже время известно, что в начале цикла вальцевания, по времени составляющем 60-70%, потребляемый момент обычно мал и здесь возможно использование высокой частоты вращения веретена. Поэтому производительность работ и ресурс вальцовок в случае использования известных вальцовочных машин при закреплении теплообменных труб понижены.
Задачей и техническим результатом полезной модели является повышение производительности работ при качественном выполнении операции закрепления теплообменных труб механическими роликовыми вальцовками независимо от конструкции теплообменного аппарата. Расширение сферы применения вальцовочной машины для вальцевания в труднодоступном расположении трубных пучков за счет компактного исполнения в пистолетной компоновке и возможности применения аккумуляторного источника питания.
Технический результат достигается тем, что вальцовочная машина состоит из вальцовочного инструмента (механическая роликовая вальцовка) и приводного электрического механизма оснащенного микропроцессорным управлением и микроконтроллерами управляющими работой бесколлекторного электродвигателя постоянного тока.
Компактная вальцовочная машина состоит из бесколлекторного электродвигателя постоянного тока, планетарного редуктора усиливающего крутящий момент на двигателе, бесконтактного тензодатчика крутящего момента, датчика частоты вращения на выходном валу и электронного блока управления двигателем с задаваемыми параметрами вальцевания (крутящий момент, частота вращения).
Применение бесколлекторного электродвигателя постоянного тока (рис.1) позволяет исключить затраты на эксплуатацию (замена щеток) повысить ресурс и надежность вальцовочной машины по сравнению с существующими аналогами отечественных и зарубежных производителей с коллекторными двигателями. Частота вращения применяемого в вальцовочной машине бесколлекторного электродвигателя постоянного тока может регулироваться бесступенчато от 0-2500 об/мин. Отсутствие потерь энергии (по сравнению с щеточным мотором коллекторного типа) позволяет увеличить крутящий момент до 160 Нм в применяемой машине, по сравнению с существующими аналогами отечественных и зарубежных фирм с максимальными значениями крутящего момента 26-50 Нм одного класса, при этом снижается потребляемый ток и уменьшается нагрев рабочих элементов двигателя.
Используемый в качестве привода бесколлекторный двигатель имеет меньшие габариты по сравнению с имеющимися аналогами вальцовочных машин выполненных с двигателями на переменном токе с частотным преобразователем, соответственно компоновка основных узлов вальцовочной машины и блока управления возможна в компактном корпусе сравнимым по размерам с обычной бытовой дрелью.
Повышение производительности достигается за счет программного управления частотой вращения двигателем, в начале процесса вальцевания трубы развиваемые усилия незначительны, крутящий момент минимален, следовательно возможно увеличение частоты вращения и сокращения времени на вальцевание до возникновения требуемого крутящего момента для раздачи трубы.
Технический результат достигается также тем, что в схему управления приводом включается тензорезисторный бесконтактный датчик (тензорезистор) закрепленный на приводном валу вальцовки, измеряющий непосредственно в процессе вальцевания крутящий момент, данные с тензодатчика анализируют микроконтроллеры управляющие по программе частотой вращения приводного двигателя, направлением вращения (включение реверса). Микроконтроллеры представляют собой блок управления, электронное устройство выполненное в виде платы с расположением на ней электронных компонентов, размещаемая непосредственно в корпусе вальцовочной машины. Кроме электронных компонентов на плате располагаются: клеммы для подключения соединительных проводов линий управления и питания бесколлекторного двигателя, кнопки управления работой машины «старт/стоп», светодиодные индикаторы режима работы устройства.
Блок управления позволяет производить работы в ручном и автоматическом режиме, для переключения режимов на блоке предусмотренна соответствующая кнопка «режим». В ручном режиме управления скорость и ускорение двигателя регулируется потенциометрами, для изменения направления вращения предназначена кнопка «реверс», старт и остановка двигателя производится кнопками «старт/стоп». В автоматическом режиме управление происходит путем подачи команд, от устройства пользователя в виде планшетного персонального компьютера, блоку управления по шине RS-485. Команды формирует процессор персонального компьютера управляемый специально разработанным и установленным программным обеспечением и драйверами.
Конструктивное решение полезной модели изображено на рис.2, где
1 - Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока
2 - Планетарный редуктор
3 - Бесконтактный тензодатчик крутящего момента
4 - Корпус
5 - Патрон для крепления вальцовки
6 - Механическая роликовая вальцовка
7 - Электронный блок управления (микроконтроллеры)
8 - Вальцуемая труба
9 - Трубная доска
Работа вальцовочной машины происходит следующим образом.
Веретено вальцовки вращаясь от привода электродвигателя воздействует на конические ролики расположенные в окнах корпуса вальцовки, под действием силы трения в процессе планетарного вращения роликов и корпуса относительно вращающегося веретена. В процессе обкатывания конических поверхностей роликов и веретена под действием силы трения веретено начинает перемещаться в осевом направлении и своей конической поверхности раздвигает ролики расположенные в окнах корпуса вальцовки в радиальном направлении, которые обкатываясь по внутренней поверхности трубы разжимают ее, увеличивая диаметр. В процессе деформации трубы на валу привода вальцовки растет потребляемый крутящий момент который непрерывно считывается тензодатчиком и анализируется микроконтроллером, при заданных пороговых значениях крутящего момента происходит подача электрических сигналов изменяющих частоту вращения двигателя которая контролируется датчиком частоты вращения, происходит отключение (останов), переключение направления вращения (реверс). Пороговые значения частоты вращения и крутящего момента задаются оператором на панели планшетного компьютера электронного блока управления.
В процессе вальцевания трубы применяется следующий цикл работы:
1) вращение на максимальной частоте до достижения предварительного крутящего момента;
2) вращение на заданной частоте вращения до достижения заданного крутящего момента;
3) останов вращения при достижении рабочего заданного крутящего момента;
4) включение реверса на заданной частоте вращения (освобождение вальцовки из трубы);
5) останов вращения при достижении предварительного заданного крутящего момента.
В процессе работы данный цикл может многократно повторяться.
Управление работой вальцовочной машины может осуществляться как в автоматическом цикле, так и в ручном режиме с включением кнопок:
- «режим» вальцевание в автоматическом режиме по программе (работа по циклу 1-5);
- «старт» прямое вращение (работа по циклу 2-3);
- «реверс» (работа по циклу 4);
- «стоп» останов вращения.
Компактная вальцовочная машина с электроприводом и микропроцессорным управлением работающая по программе обеспечивает повышение производительности работ при качественном выполнении операций по закреплению теплообменных труб механическими роликовыми вальцовками в теплообменных аппаратах различных областей промышленности. Применение бесколлекторного двигателя и датчика крутящего момента позволяет увеличить ресурс работы и мощность вальцовочной машины.