Введение к работе
Актуальность работы. Расчет мощности электродвигателя для привода станков представляет собой важную и достаточно сложную задачу. Правильно выбранный электродвигатель должен обеспечивать выполнение технологического процесса при наименьшей установленной мощности и эксплуатационных затратах.
Как показывают исследования, проведенные ЭНИМС и автором работы, при работе универсальных металлорежущих станков в среднем 80% времени их работы происходит при использовании мощности главного электропривода 20% от номинальной, 9% - со значениями, меньшими половины номинальной, и только 1-К2% - со значениями, превышающими номинальные. Близкое сходство графиков нагружения, полученных по экспериментальным данным, свидетельствует о существовании, несмотря на различие моделей станков, их типоразмеров и условий эксплуатации, устойчивой статистической закономерности, проявляющейся в уменьшении времени использования мощности по мере увеличения ее значений.
Завышение мощности выбираемого двигателя при проектировании станка связано с тем, что расчет проводят, учитывая возможность работы станка при тяжелых нагрузках. Однако представленные данные показывают, что расчет мощности электродвигателя необходимо выполнять, ориентируясь не на тяжелые режимы нагружения, а на типовые. Анализ возможности работы станка в типовых условиях следует проводить на стадии оценки технологического процесса в условиях производства.
Проблематика определения рациональной величины установленной мощности двигателя главного движения станков заключается в том, что основную часть рабочего времени станок работает в типовых режимах, когда загрузка двигателя по мощности составляет 20-40% от устанавливаемой сегодня мощности двигателя. В то же время технологические возможности станка позволяют выполнять обработку деталей в тяжелых режимах нагружения, при которых требуемый средне-эффективный момент (мощность) будет в 2-3 раза больше. Такие режимы работы являются редкими и в общем балансе рабочего времени не превышают 5%. По существу не было предложено путей разрешения указанного противоречия, сказывающегося на определении рациональной величины мощности двигателя. Поиску таких путей посвящена настоящая работа.
Тенденции развития современных автоматизированных систем разных классов приводят к однозначному выводу: добиться эффективного решения поставленной задачи проектирования и эксплуатации электропривода можно лишь при использовании методов компьютерного моделирования процессов нагружения приводного двигателя.
Учитывая вышеизложенное, целью настоящей диссертационной работы является разработка новой методики расчета и выбора мощности главного электропривода станков, базирующейся на вероятностных характеристик нагрузки и позволяющая уменьшить установленную мощность при проектировании и ремонте станков.
Цель работы определяет следующие задачи исследования:
Статистическое исследование режимов нагружения главных электроприводов металлорежущих станков в промышленности. Расчет вероятностных характеристик процесса нагружения электродвигателей на основе полученных данных.
Разработка теоретически обоснованной математической и компьютерной моделей выбора мощности главного электропривода металлорежущих станков на основе вероятностной оценки режимов нагружения.
Разработка и обоснование математической, а также компьютерной моделей оценки возможности применения технологического режима обработки на конкретном металлорежущем станке на основе расчета перегрузки и перегрева двигателей главного электропривода, включая алгоритм оптимизации параметров технологического процесса.
Разработка и обоснование основных принципов релейной защиты от аварийных режимов электродвигателя, в том числе от перегрузки на основе предложенной тепловой модели двигателя.
Разработка структурной схемы устройства превентивной защиты на основе современной микропроцессорной техники для реализации системы релейной защиты асинхронных электродвигателей с заданными параметрами, предназначенной для выполнения терминальной функции в нормальных и аварийных режимах.
Разработка управляющей программы для устройства защиты на основе алгоритмов ее действия и сравнительный анализ результатов компьютерного моделирования.
Методы исследования. При проведении работы использованы методы математического анализа, теории вероятностей и статистической обработки информации. Теоретические исследования сопровождались разработкой моделей и методик. Создание и отладка программных продуктов осуществлялась с помощью методов объектно-ориентированного и структурного программирования в среде разработки программ Visual C++. Научная новизна:
1. Проведено статистическое исследование режимов нагружения главных элек
троприводов металлорежущих станков в промышленности, позволяющее
осуществить расчет вероятностных характеристик процесса нагружения.
2. Предложены и обоснованы математическая и компьютерная модели, по
зволяющие осуществить выбор оптимальной мощности главного привода
станков и оценить возможности реализации на металлорежущем станке
технологического режима с учетом допустимой перегрузки и перегрева
двигателя в процессе работы.
3. Предложены и обоснованы основные принципы превентивной защиты от
аварийных режимов электродвигателя, в том числе от перегрузки на ос
нове предложенной тепловой модели двигателя.
Практическая ценность работы: 1. Разработана методика выбора оптимальной мощности главного электропривода станков на основе вероятностной оценки режима его нагружения.
Разработана методика проверки соответствия технологического режима нагружения возможностям металлорежущего станка, позволяющая осуществить предварительное прогнозирование условий эксплуатации главного электропривода с целью исключения аварийного прерывания процесса обработки в тяжелых режимах работы.
Реализовано программное обеспечение на основе предложенных методик расчета и анализа установленной мощности электродвигателя.
Предложена структурная схема комплексного устройства защиты электродвигателя от аварийных режимов, которое может быть использовано как в качестве автономного устройства, так и составе системы ЧПУ станка.
Реализован управляющий алгоритм микропроцессорной защиты, позволяющий осуществить превентивную защиту электродвигателя в процессе работы на основе предложенных алгоритмов расчета.
Достоверность полученных результатов подтверждается адекватностью используемых методов математического моделирования, экспериментальными исследованиями и большим объемом статистических исследований.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы в виде методик расчета, моделирования и анализа установленной мощности, а также компьютерных программ внедрены в ООО «Специальное конструкторское бюро - завод тяжелых станков» и ЗАО фирма «Дизельсервис» (г.Коломна).
В работе автор защищает:
Методику выбора мощности электродвигателя, позволяющую осуществить расчет оптимальной мощности главного электропривода металлорежущих станков на основе вероятностной оценки режимов нагружения.
Методику проверки соответствия технологического режима нагружения возможностям металлорежущего станка, позволяющую осуществить предварительное прогнозирование возможности выполнения приводом, выбранным по условиям наиболее вероятностных режимов, редких тяжелых режимов нагружения.
Принципы превентивной микропроцессорной защиты электродвигателя от аварийных режимов, в том числе от перегрузки на основе предложенной и обоснованной тепловой модели двигателя.
Публикация и апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 3 работы и получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. Основные положения, результаты и выводы диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях:
международная научная конференция «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития» (г.Магнитогорск, 14-17 сентября 2004 г.);
научные семинары кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» МГОУ (г.Москва, 2004-2006 гг.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 118 наименований и двух приложений. Основная часть диссертации изложена на 146 страницах, содержит 39 рисунков и 4 таблицы.
