Особенности передаточных механизмов

Передаточные механизмы, обеспечивающие передачу движения от М к ИО, разделяются на ПМ линейных и круговых движений. Наиболее характерными ПМ линейных движений являются винтовые, реечные, тросовые, цепные;
ПМ круговых движений — зубчатые цилиндрические и конические, червячные, планетарные, волновые. Тип ПМ выбирают, исходя из сложности его конструкции, КПД, люфта, размеров и массы, свойств самоторможения, жесткости, удобства компоновки, технологичности, долговечности, стоимости. Рассмотрим устройство и особенности применения ПМ, наиболее распространенных в системах управления движением механизмов.
Передаточные механизмы линейных движений. Передача «винт —гайка скольжения» служит для преобразования вращательного движения в поступательное, а в отдельных случаях для преобразования поступательного движения во вращательное. Достоинствами передачи являются: простота конструкции, компактность, высокая надежность, плавность, бесшумность, обеспечение медленных перемещений с большой точностью, большой выигрыш в силе. Недостатки — повышенный износ резьбы вследствие большого трения, низкий КПД, наличие люфтов.
Передача «винт —гайка качения» предназначена для преобразования вращательного движения в поступательное и, наоборот, поступательного движения во вращательное. По сравнению с предыдущей передачей она характеризуется значительно большим КПД, меньшим износом, большей точностью хода, повышенной долговечностью. Между рабочими поверхностями гайки 7 и винта 4 передачи помещены стальные шарики 3. Скорость перемещения шариков отличается от скорости ведущего и ведомого звеньев, поэтому для обеспечения непрерывной циркуляции шариков концы рабочей части резьбы соединены возвратным каналом 2.
Во всех случаях, когда требуемые перемещения исполнительного органа (ИО) машины по вертикальным и наклонным траекториям достаточно велики (десятки, сотни и даже тысячи метров) наиболее простым и универсальным механизмом перемещения является подъемная или тяговая лебедка, предназначенная для передачи усилий от привода к ИО с помощью подъемного или тягового каната соответствующей длины. По принципу работы лебедки подразделяются на одно- и двухконцевые, а по конструкции органа навивки каната — на барабанные и лебедки с канатоведущими шкивами.
Одноконцевые лебедки являются неуравновешенными подъемными механизмами.
Поэтому при отсутствии потерь на трение двигатель рассматриваемой лебедки в статическом режиме при подъеме работал бы в двигательном режиме, а при спуске — в тормозном. В реальном механизме имеются потери трения, обусловливающие наличие реактивного момента М^, который всегда препятствует движению, изменяя свое направление (знак) при изменении направления движения. Суммарный приведенный к валу двигателя статический момент является алгебраической суммой момента Л/ф, обусловленного весом перемещаемого груза, и момента потерь М.
В случае перемещения достаточно тяжелых грузов моменты потерь при расчетах статических нагрузок могут быть учтены с помощью соответствующих значений общего КПД механизма.
При легком грузозахватывающем устройстве возможно соотношение Мгро < М'тф, при котором потери трения в механизме преодолеваются совместно моментом от веса грузозахватывающего устройства и движущим моментом двигателя (силовой спуск). В этом случае понятие КПД не имеет физического смысла, и расчет значения M'cl2 необходимо вести по формуле.
Соотношения определяют пределы изменения нагрузки двигателя в различных режимах работы одно-концевой лебедки. Для каждого направления пределы изменения статической нагрузки тем больше, чем относительно легче грузозахватывающее устройство. Характер статической нагрузки двигателя несимметричен при разных направлениях его вращения.
Определение статических нагрузок является важным этапом проектирования электропривода. Оно необходимо для построения нагрузочной диаграммы, выбора мощности двигателя и проверки его по нагреванию. Характер нагрузок и пределы их изменения в значительной степени определяют режимы работы и выбор схемы электропривода.
Динамические нагрузки электропривода одноконцевой подъемной лебедки связаны с необходимостью пусков, реверсов и торможений. При заданном ускорении едоп, которое обычно ограничено технологическими условиями, динамический момент двигателя где Jz — суммарный приведенный к валу двигателя момент инерции, включающий в себя момент инерции ротора двигателя и приведенный момент инерции всех вращательно и поступательно движущихся частей установки.
При рабочей скорости лебедки vp < 2 м/с основную долю в моменте Jz составляет момент инерции двигателя: Jz = (1,2... 1,6)/дв. Для более быстроходных установок влияние приведенных масс механизма более значительно.
Рассмотренные одноконцевые лебедки являются неуравновешенными механизмами, нагрузка привода которых определяется суммой весов всех поднимаемых частей — каната, захватывающего приспособления и полезного груза. Такие механизмы постоянно совершают дополнительную работу по подъему захватывающего устройства. При спуске двигатель должен тормозить не только опускающийся полезный груз, но и балластный груз G0. Эти факторы приводят к завышению мощности электродвигателя тем более значительному, чем больше вес грузозахватывающего устройства, а также к соответствующему увеличению расхода энергии на единицу полезного груза.
В стационарных подъемных установках этот недостаток устраняется использованием двухкон-цевых подъемных лебедок. Если установка обслуживает только два уровня, вес подъемного сосуда уравновешивается весом второго такого же подъемного сосуда. При этом достигается также увеличение производительности установки примерно вдвое, так как операция подъема груза совмещается со спуском пустого подъемного сосуда.
Если установка должна обслуживать несколько уровней, например этажей многоэтажного здания, подобное совмещение невозможно. В этих случаях вместо второго подъемного сосуда навешивается балластный контргруз — противовес.
Влияние коэффициента уравновешивания а на требуемую мощность двигателя можно оценить с помощью среднего квадрати-ческого момента нагрузки Мск, задавшись определенным циклом работы. Примем, например, что цикл состоит из подъема номинального груза и спуска пустой кабины.
Из формулы следует, что при а = 0 момент Мск больше, чем при а = 0,5, в 1,41 раза. Требуемая мощность двигателя при одинаковом среднем значении момента минимальна при равномерной (постоянной) нагрузке. Оптимальное значение а зависит от параметров цикла работы и потерь на трение в установке. С учетом этого принимаемый при проектировании коэффициент уравновешивания для разных установок а = 0,4...0,6.
При большой высоте подъема Н на статический момент в соответствии с формулой оказывает значительное влияние неуравновешенный вес подъемного каната, который изменяется в функции координаты х и нарушает достигаемую выбором а = аопт равномерность нагрузки. В результате требуемая мощность двигателя увеличивается. Поэтому при большой высоте подъема обычно применяют уравновешивание веса подъемного каната с помощью компенсационного (уравновешивающего) каната УК. Для таких установок формулы применимы при любой высоте подъема.
Из формул видно, что при а = 0,5 максимальные и минимальные нагрузки по значению и характеру одинаковы при любом направлении движения. Об этом можно судить по представленным на рис. примерным зависимостям при а = 0,5. Возможные пределы изменения нагрузок двухконцевой подъемной лебедки при а = 0,5 и достаточно высоком КПД представлены в координатах со, Мна рис. Сравнивая соответствующие графики, можно заключить, что нагрузки двухкон-цевых подъемных лебедок изменяются в более широких пределах и симметричны при разных направлениях движения механизма. Соответственно при проектировании таких установок используются симметричные схемы электропривода.
При расчете двухконцевых подъемных лебедок, в которых вместо противовеса используется второй подъемный сосуд, можно пользоваться полученными выше соотношениями, полагая а = 0.
Динамические нагрузки двухконцевых подъемных установок определяются суммарным приведенным моментом инерции установки и допустимым ускорением.
Так как мощность двигателя определяется разностью концевых нагрузок, а момент инерции связан с суммой их масс, особенностью двухконцевых подъемных лебедок является большой момент инерции механизма, превышающий в 2...5 раз момент инерции двигателя.
При небольшом моменте инерции механизма динамический момент в основном обусловлен ускорением ротора двигателя и нагружает передачи механизма незначительно. Иные условия складываются в электроприводах инерционных механизмов. Здесь основной нагрузкой передач является динамическая нагрузка, обусловленная массой элементов поворотной платформы, движущихся с ускорением. Передача динамических усилий вызывает дополнительные потери в редукторе, которые в расчетах желательно учитывать, если динамические нагрузки передач соизмеримы со статическими или превышают их.
Статические нагрузки механизмов, работающих на открытом воздухе. Эти нагрузки могут существенно изменяться при наличии уклона или воздействия ветра. В общем случае сила сопротивления движению для механизма передвижения может быть представлена в виде алгебраической суммы.
Уклон и ветровая нагрузка в значительной степени расширяют пределы изменения нагрузок и изменяют их характер. При наличии уклона нагрузка становится несимметричной. Ветровая нагрузка может иметь любое направление, и при большой парусности пределы изменения статической нагрузки могут охватывать как двигательный, так и тормозной режимы. Для механизмов поворота статический момент, обусловленный ветром, при постоянной силе ветра зависит от угла поворота платформы.