Электромагнитный привод винтового пресса с фрикционым соединением маховика с винтом

2. Изотермическая пневмоформовка анизотропных высокопрочных листовых материалов / С.С. Яковлев [и др.]. М.: Машиностроение, 2009. 352 с.

S. Larin

THE TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF DOME-SHAPED DETAILS FORMING PROCESS FROM ANISOTROPIC MATERIALS IN THE MODE OFSHORT-DURATED CREEPING CONDITIONS

The results of theoretical investigations of technological parameters of isothermal pneumatic forming of dome-shaped details from anisotropic materials in the mode of short-durated creeping conditions are given.

Key words: anisotropy, hemispherical details, pneumatic forming, creeping, damageability, failure.

Получено 07.06.11

УДК 621.979.134

Б. А. Степанов, канд. техн. наук, проф.,

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИВОД ВИНТОВОГО ПРЕССА С ФРИКЦИОНЫМ СОЕДИНЕНИЕМ МАХОВИКА С ВИНТОМ

Рассмотрена конструкция винтового пресса с двухмаховичным электромагнитным приводом. Для расчета пресса разработана математическая модель привода, основанная на преобразованных уравнениях синхронного двигателя.Определена оптимальная механическая характеристика ЭМС, обеспечивающая наиболее экономичный режим работы привода.

Ключевые слова: кузнечно-штамповочное оборудование, винтовые прессы, электромагнитная муфта скольжения.

Винтовые прессы классифицируются в зависимости от конструктивного исполнения привода маховика: с механическим, электрическим безредукторным и гидравлическим передаточными механизмами. В соответствии с типом привода винтовые прессы имеют названия: винтовые фрикционные, электровинтовые (дугостаторные) и гидровинтовые прессы. Наибольшее применение в промышленности получили двухдисковые винтовые фрикционные прессы, привод которых образует двухмаховичную систему. Электродвигатель подпитывает энергией приводные диски, которые выполняют роль маховика-накопителя, при этом он не реверсируется и работает в оптимальном режиме.

Рассмотрим двухмаховичный электромагнитный привод, в котором связь маховиков осуществляется посредством электромагнитной муфты скольжения (ЭМС), которую называют также индукционной муфтой. ЭМС является электрической машиной, предназначенной для передачи электро-

магнитным полем вращающего момента от ведущего вала к ведомому. Муфта состоит из двух основных элементов: индуктора и якоря, каждый из которых может служить как ведущей, так и ведомой частью. Индуктор включает в себя катушку, питаемую постоянным током, называемым током возбуждения. Необходимым условием возникновения вращающего или тормозящего момента является разница в угловых скоростях якоря № и индуктора №, или скольжение £ = (№ - №2)/ № [1].

На рис. 1 представлена конструктивная схема винтового пресса с двухмаховичным электромагнитным приводом [2]. Двухмаховичную систему образуют ведущий маховик 12 (маховик-накопитель), связанный ременной передачей 13 с приводным электродвигателем 14, и ведомый маховик (рабочий маховик 9, установленный на верхнем конце винта 5 с возможностью вращения).

В рабочий маховик встроена однодисковая фрикционная муфта, образованная ведомым диском 7, насаженным на конец винта 5, который сцепляется посредством фрикционных вставок 8 с рабочим маховиком 9, и подвижного диска 11, установленного с возможностью перемещения вдоль оси винта от гидроцилиндра 10, также установленного на рабочем маховике 9. Рабочий маховик и маховик-накопитель образуют электромагнитную муфту скольжения, при этом рабочий маховик служит массивным якорем, маховик-накопитель - индуктором, на внутренней поверхности которого смонтированы обмотки возбуждения 15, питаемые с помощью скользящих колец постоянным током.

В исходном состоянии маховик-накопитель разогнан до номинальной угловой скорости; электромагнитная муфта скольжения включена, вследствие чего рабочий маховик также вращается с номинальным числом оборотов. Фрикционная муфта отключена; винт 5 с фрикционным диском 7 заторможен. При включении пресса винт 5 растормаживается и включается фрикционная муфта путем подачи жидкости высокого давления в гидроцилиндр 10. Момент инерции винта и жестко связанного с ним ведомого диска по сравнению с моментом инерции рабочего маховика невелик, вследствие чего разгон винта и сочлененного с ним ползуна осуществляется на небольшом пути ползуна, после чего угловая скорость винта остается постоянной до момента начала штамповки. В процессе штамповки происходит потеря угловой скорости рабочего маховика вследствие перехода кинетической энергии маховика в энергию формоизменения поковки. Деформирование заготовки осуществляется также и под действием момента ЭМС, который возникает вследствие уменьшения скорости якоря и возрастает с увеличением скольжения. После окончания деформирования муфта отключается и винт отсоединяется от маховика, при этом число оборотов маховика может упасть до нуля (максимальная энергоемкость деформирования поковки), или маховик продолжает вращение (энергоемкость де-

формирования поковки меньше эффективной энергии маховика). Возврат ползуна в исходное положение производится двумя цилиндрами с питанием либо от гидроаккумулятора, либо от воздушного ресивера. Маховики (накопитель и рабочий) восстанавливают маховик-накопитель от электродвигателя главного привода, а рабочий маховик - от ЭМС. Цикл рабочего хода заканчивается при достижении маховиком-накопителем и рабочим маховиком номинальных скоростей, при этом ползун занимает исходное положение.

Рис.1. Конструктивная схема двухмаховичного привода винтового с фрикционным соединением винта с маховиком

В основу математической модели двухмаховичного электромагнитного привода положено уравнение вращающего момента, которое описывает естественно-механическую характеристику муфты: зависимость передаваемого вращающего момента от скольжения при постоянном токе возбуждения.

Часто электромагнитную муфту скольжения называют асинхронной. Асинхронные муфты с массивным якорем принципиально не отличаются от асинхронных электродвигателей с массивным ротором, т.к. они основаны на взаимодействии вихревых токов, наведенных в массивных ферромагнитных телах при их перемещении относительно магнитного поля, с результирующим магнитным полем. Если в последнем вращающееся

поле создается переменными токами, поступающими из сети, то в ЭМС вращающееся поле создается вращающимся якорем.

Для анализа переходных процессов асинхронного двигателя используют систему уравнений, которая учитывает как кинетическую энергию ротора, так и электромагнитную энергию обмоток статора и ротора [3]. Асинхронный двигатель представляет собой систему магнитосвязанных обмоток, расположенных на статоре и роторе. При вращении ротора взаимное положение между обмотками трех фаз статора и трех фаз ротора непрерывно изменяется, соответственно изменяется и взаимная индуктивность между ними. Полная система уравнений асинхронного двигателя, записанная относительно реальных разных значений переменных, содержит 14 уравнений при 14 неизвестных (6 токов, 6 потокосцеплений, электромагнитный момент и угловая скорость). Такая полная система не имеет аналитического решения, даже при использовании ЭВМ решение этой системы оказывается затруднительным.

При анализе дифференциальных уравнений асинхронного двигателя электромеханиками были найдены такие формулы замены переменных, называемые формулами преобразования, с помощью которых уравнения асинхронного двигателя, записанные относительно разных величин токов и потокосцеплений, могут быть преобразованы к системе нелинейных уравнений с постоянными коэффициентами. Преобразованные уравнения асинхронного двигателя используются в различных формах в зависимости от решаемой задачи. Установлено, что одна из наиболее простых форм записи преобразованных уравнений асинхронного двигателя получается в синхронной системе координат [4].

В качестве аналога ЭМС может быть использована трехфазная асинхронная машина с вращающимися статором и ротором. На рис.2, а изображена схема включения такой машины: две обмотки статора асинхронной машины подключены к источнику постоянного напряжения и п , а три обмотки ротора подключены к добавочным резисторам Яд . Автором

разработано математическое описание такой схемы, где асинхронная машина имеет вращающийся статор, включенный в схему, аналогичную схеме динамического торможения асинхронного двигателя. Аналог ЭМС, представленный на рис. 2, б, описывается следующей системой уравнений в синхронной системе координат:

йі л/3

^_-Ц -ш2 )• р • - х; • +х; • к, -«

Р1

Мм _ 3 р-^ 2 - К; .^Р2);

2 а*Ь„

аЦ _ 1

л і

йї

Аю

2 _

йі 3~

(Мі - Мм) :

где ^а 2 - потокосцепление ротора асинхронной машины по оси а; и ^р2 - потокосцепления статора и ротора асинхронной машины по оси Р; Ю, - механическая скорость статора асинхронной машины; Ю2 и Р - механическая скорость и число пар полюсов ротора асинхронной машины.

Коэффициенты уравнений системы выражаются через параметры Т-образной схемы замещения асинхронной машины (рис. 2, б) с помощью следующих формул:

ь _Со +С, . ь _Со -С2 .

К _ М о .

К8 ь ?

К _ М 0

К _ ь

х _ ъ

Х; ь

Ю.

а_ 1 - К - К; _ 1

х * _—

а

х'_х;

/V;

а

Разработанная математическая модель аналога ЭМС апробирована на примере винтового пресса усилием 4 МН с эффективной энергией подвижных масс 40 кДж для стандартного пресса и повышенной эффективной энергией 80 кДж.

Принята следующая методика математического моделирования. Для всех режимов разгона рабочего маховика винтового пресса принято время полного перемещения ползуна приблизительно 1 секунда, при этом максимальная угловая скорость рабочего маховика должна иметь величину 28,5 рад/с, что соответствует эффективной энергии 40 кДж. Задаваясь начальной угловой скоростью статора Ю1Я =30 с-1 исследовалось влияние на КПД хода разгона напряжения обмоток иП и числа пар полюсов ротора Р для различных значений момента инерции статора 31. Для выполнения

условия 1р =1с и ТЭФ =40 кДж каждому значению 31 соответствует значе-

/

ние сопротивления Г2.

Рис. 2. Схемы включения асинхронной машины с вращающимся статором и ротором

Конечные результаты исследования изображены в виде графиков (рис. 3, 4) целевой обобщенной функции (КПД хода разгона) в зависимости от параметров управления: начальной угловой скорости статора ю и его момента инерции Jl. При угловой скорости со^ =30 рад/с заданный разгон ротора можно осуществить при Jl = 400 Нмс2, Р= 4, Vп = 45 В, = = 0,21 Ом. Эти параметры и можно принять как оптимальные, т.к. они обеспечивают максимальный КПД хода разгона Т| = 50,7 %.

0.2 0.4 0.6 0.8 32

Рис. 3. Графики изменения электромагнитного момента в зависимости от скольжения ротора

К.П.Д. (%| -----------------------

54----------------------------

52 —--------------------------

1240

50 Ч4>—-------1355----------

48 ________1290 Тз25 ~~ Ммтах=1370

_ Ммтах=1750 ч.

46 ---------------------------

1750 Г~

44-----------------------1755 -

42 --------------------------- 2

0 200 400 600 800 1000 ^[Нмс*]

Рис. 4. Графики изменения КПД хода разгона п в зависимости

от момента инерции Jl

Представленная методика расчета двухмаховичного электромагнитного привода, основанная на аналогии ЭМС и трехфазной асинхронной машины с вращающимися статором и ротором, позволяет наиболее точно определить характер изменения электромагнитного момента ММ в зависимости от скольжения ротора £2 . Полученная действительная механическая характеристика ЭМС Мм=Мм (£2), учитывающая электромагнитные переходные процессы, аппроксимируется с высокой точностью многочленом 5й степени:

Мм (£2) = Мтах(а + Ь • £ + с • £2 - а • £23 + е • £24 - / • £|),

где а, Ь, с, а, е, / - коэффициенты, определяющие форму механической характеристики.

В результате проведенного исследования установлены следующие оптимальные параметры привода: для пресса с ТЭФ =40 кДж - У1=50 Нмс2,

Р =2, иП =45 В, г2 =0,36 Ом; при этих параметрах ^=50,4%; для пресса с Т ЭФ =80 кДж - ,/1=400 Нмс2, Р =2, и П =45 В, г2 =0,18 Ом, при этих параметрах ^=47 %. Приведенные данные показывают, что увеличение эффективной энергии пресса приводит к снижению КПД привода на 6,7 %.

Список литературы

1. Щетинин Т. А. Электромагнитные муфты скольжения. М.: Энер-гоиздат, 1985, 272 с.

2. Винтовой пресс: пат. 2193971 Рос. Федерация. В30В 1/18.

3. Чиликин М.Р. Основы автоматизированного электропривода. М.: Энергия, 1974, 568 с.

1240 355

Ммта X II и) о

1290 1325

Митах =1750 ч

17 50 ' - — 1755 -

4. Электромагнитные переходные процессы в асинхронном электроприводе / М.М. Сохолов [и др.]. М.: Энергия, 1987, 201 с.

B. Stepanov

ELECTROMAGNETIC DRIVE GEAR OF THE SCREW PRESS WITH FRICTION JOINT OF THE FLYWHEEL WITH THE SCREW

The design of a screw press with double-flywheel an electromagnetic drive gear is considered. The mathematical model of the drive gear based on the transformed equations and the synchronous engine is developed for press calculation. The optimum mechanical characteristic EMS providing the most economic mode of behavior of a drive gear is defined.

Key words: forge-presses the equipment, screw the press, an electromagnetic muff of

slippage.

Получено 07.06.11

УДК 621.9.044

В.В. Любимов, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой,

(4872) 35-26-81, lvv@tsu.tula.ru,

О.Е. Грачев, асп., grachevoleg@list.ru

ЭЛЕКТРОФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ 12Х18Н10Т С ПРИМЕНЕНИЕМ НЕТВЕРДОТЕЛЬНОГО КАТОДА

Проанализированы характеристики импульсного плазменного канала, созданного импульсами лазерного излучения, с точки зрения его применимости в качестве катода-инструмента в электрофизико-химической обработке. Проведены экспериментальные исследования электрофизико-химического формообразования образцов из нержавеющей стали 12Х18Н10Т с применением плазменного катода. Произведен анализ обработанных образцов, даны рекомендации по оптимизации процесса обработки.

Ключевые слова: электрофизико-химическая обработка, нетвердотельный электрод-инструмент, импульсный плазменный канал.

Введение. В машиностроении, приборостроении к деталям машин и механизмов предъявляются все большие требования по точности, качеству поверхности, долговечности. Это требует совершенствования методов обработки материалов. Современное инструментальное оснащение подавляющего большинства традиционных методов обработки и технологические схемы обработки должны удовлетворять определенным требованиям по жесткости, производительности, точности обработки, что в ряде случаев является весьма трудной задачей.

Традиционно применяемые в различных методах обработки материалов твердотельные инструменты имеют ограничения по минимальным размерам и прочности. В процессе обработки данные инструменты подвергаются износу, что снижает точность и увеличивает время обработки, повышает себестоимость обрабатываемых деталей. Вместе с тем существует ряд электрофизико-химических методов обработки, в которых использу-