Thiết kế hệ truyền động 1 chiều cho động cơ quay chi tiết máy mài tròn

Các loại máy cắt gọt kim loại là đặc trưng cho ngành cơ khí chế tạo máy, gia công kim loại… Nó đóng một vai trò to lớn trong lĩnh vực sản xuất của nền kinh tế, cơ khí hóa có liên quan chặt chẽ tới điện khí hóa và tự động hóa. Dưới tác động của khoa học kỹ thuật hiện đại với các loại máy móc nói chung, đối với các loại máy cắt gọt kim loại nói riêng ngày càng được cho phép đơn giản hơn về kết cấu cơ khí của máy và giảm nhẹ cường độ lao động. Máy cắt gọt kim loại được dùng để gia công các chi tiết kim loại bằng cách hớt các lớp kim loại thừa, để sau khi gia công các chi tiết có hình dáng gần đúng với yêu cầu (gia công thô) hoặc thỏa mãn hoàn toàn yêu cầu đặt hàng với độ chính xác nhất định về kích thước và độ bóng cần thiết của bề mặt gia công

LỜI NÓI ĐẦU

Các loại máy cắt gọt kim loại là đặc trưng cho ngành cơ khí chế tạo máy, giacông kim loại… Nó đóng một vai trò to lớn trong lĩnh vực sản xuất của nền kinh tế, cơkhí hóa có liên quan chặt chẽ tới điện khí hóa và tự động hóa Dưới tác động của khoahọc kỹ thuật hiện đại với các loại máy móc nói chung, đối với các loại máy cắt gọt kimloại nói riêng ngày càng được cho phép đơn giản hơn về kết cấu cơ khí của máy và giảmnhẹ cường độ lao động Máy cắt gọt kim loại được dùng để gia công các chi tiết kim loạibằng cách hớt các lớp kim loại thừa, để sau khi gia công các chi tiết có hình dáng gầnđúng với yêu cầu (gia công thô) hoặc thỏa mãn hoàn toàn yêu cầu đặt hàng với độ chínhxác nhất định về kích thước và độ bóng cần thiết của bề mặt gia công (gia công tinh).Nội dung của đồ án này em xin trình bày về“Thiết kế hệ truyền động 1 chiều cho động cơ quay chi tiết máy mài tròn’’ Đây là máy gia công kim loại rất thôngdụng trong sản xuất công nghiệp hiện nay

Chương 1 Đặc điểm công nghệ và yêu cầu truyền động của

máy mài tròn 1.1 Khái niệm chung về máy cắt kim loại

1.1.1 Khái niệm chung

Máy cắt kim loại được dùng để gia công các chi tiết kim loại bằng cách cắt hớt cáclớp kim loại thừa, để sau khi gia công chi tiết có hình dáng gần đúng yêu cầu (gia côngthô) hoặc thỏa mãn hoàn toàn yêu cầu đặt hàng với độ chính xác nhất định về kích thước

và độ bóng cần thiết của bề mặt gia công (gia công tinh)

1.1.2 Phân loại máy cắt kim loại

- Tùy thuộc vào quá trình công nghệ đặc trưng bởi phương pháp gia công, dạng dao,đặt tính chuyển động…, các máy cắt được chia thành các máy cơ bản: tiện, phay,bào, khoan – doa, mài và các nhóm máy khác như gia công rang, ren vít,…

- Theo đặc điểm của quá trình sản xuất, có thể chia thành các máy vạn năng, chuyêndùng và đặc biệt

- Theo kích thước và trọng lượng chi tiết gia công trên máy, có thể chia máy cắt kimloại thành các máy bình thường, máy cỡ lớn, các máy cỡ nặng và các máy rấtnặng

- Theo độ chính xác gia công, có thể chia thành máy có độ chính xác bình thường,cao và rất cao

1.1.3 Các chuyển động trên máy cắt kim loại

Trên máy cắt kim loại có hai loại chuyển động chủ yếu: chuyển động cơ bản vàchuyển động phụ

Chuyển động cơ bản là sự di chuyển tương đối của dao cắt so với phôi để đảm bảoquá trình cắt gọt Chuyển động này lại chia ra: chuyển động chính và chuyển động ăndao Các chuyển động chính, ăn dao có thể là chuyển động quay hoặc chuyển chuyểnđộng tịnh tiến của dao hoặc phôi

- Chuyển động chính (chuyển động làm việc) là chuyển động đưa dao cắt ăn vào chitiết

- Chuyển động ăn dao là các chuyển động xê dịch của lưỡi dao hoặc phôi để tạo ramột lớp phoi mới

Chuyển động phụ là những chuyển động không liên quan trực tiếp đến quá trìnhcắt gọt, cần thiết khi chuẩn bị gia công, hiệu chỉnh máy… Ví dụ: di chuyển thanh daohoặc phôi, nâng hạ xà của máy bào giường,…

1.2 Đặc điểm công nghệ máy mài tròn

Máy mài có hai loại chính: máy mài tròn và máy mài phẳng Ngoài ra còn có cácloại máy khác như: máy mài vô tâm, máy mài rãnh, máy mài cắt, máy mài răng…Thường trên máy mài có ụ chi tiết hoặc bàn để kẹp chi tiết và ụ đá mài, trên đó có trụcchính với đá mài Cả hai ụ đều đặt trên bệ máy

Máy mài tròn có hai loại: máy mài tròn ngoài và máy mài tròn trong Trên máymài tròn có các loại chuyển động sau:

- Chuyển động chính là chuyển động quay của đá mài

- Chuyển động ăn dao là di chuyển tịnh tiến của ụ đá dọc trục (ăn dao dọc trục) hoặc

di chuyển tịnh tiến theo hướng ngang trục (ăn dao ngang) hoặc chuyển động quaycủa chi tiết (ăn dao vòng)

- Chuyển động phụ là di chuyển nhanh của ụ đá hoặc chi tiết…

Hình 1.2 Sơ đồ gia công chi tiết trên máy mài tròn.

1.3 Đặc điểm về truyền động điện và trang bị điện của máy mài tròn

1.3.1 Truyền động chính

Thông thường máy không yêu cầu điều chỉnh tốc độ nên sử dụng động cơ khôngđồng bộ rô to lồng sóc Ở các máy mài cỡ nặng, để duy trì tốc độ cắt là không đổi khimòn đá hay kích thước chi tiết gia công thay đổi, thường sử dụng truyền động động cơ cóphạm vi điều chỉnh tốc độ là D = (2 ÷ 4)/1 với công suất không đổi

Ở máy mài trung bình và nhỏ v = (50 ÷ 80) m/s nên đá mài có đường kính lớn thìtốc độ quay đá khoảng 1000 vg/ph Ở những máy có đường kính nhỏ, tốc độ đá rất cao,động cơ truyền động là các động cơ đặc biệt, đá mài gắn trên trục động cơ, động cơ cótốc độ (24000 ÷ 48000) vg/ph, hoặc có thể lên tới (150000 ÷ 200000) vg/ph Nguồn củađộng cơ là các bộ biến tần, có thể là các máy phát tần số cao (BBT quay), hoặc là các bộbiến tần tĩnh (BBT bằng thyristor)

1.3.2 Truyền động ăn dao

Ở máy cỡ nhỏ, truyền động quay chi tiết dùng động cơ không đồng bộ nhiều cấptốc độ (điều chỉnh số đôi cực p) với D = (2 ÷ 4)/1 Ở các máy lớn thì dùng hệ thống bộbiến đổi – động cơ điện một chiều (BBĐ – ĐM), hệ KĐT – ĐM có D = 10/1 với điềuchỉnh điện áp phần ứng

Truyền động ăn dao dọc của bàn máy mài tròn cỡ lớn thực hiện theo hệ BBĐ –

Chương 2 Thiết kế mạch động lực 2.1 Phân tích đặc tính và nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều

2.1.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Hình 2.1 Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cấu tạo hai phần riêng biệt:

- Phần cảm (phần tĩnh): gồm các cuộn dây kích từ sinh ra từ thông Φ

- Phần ứng (phần quay): nối với điện áp lưới qua vành góp và chổi than

Tác động giữa từ thông Φ và dòng điện phần ứng Iư tạo nên momen quay của động

cơ Khi động cơ quay các thanh dẫn phần ứng cắt qua từ thông Φ tạo nên sức điện động

Eư.

Đặc điểm của động cơ điện một chiều:

- Ưu điểm: động cơ điện một chiều có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điệntrong những trường hợp khác nhau Ưu điểm nổi bật nhất của nó là điều chỉnh tốc

độ dễ dàng với khả năng chịu quá tải lớn, dải điều chỉnh rộng Cấu trúc mạch lực,mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời đạt chất lượng cao hơn động cơ đồng bộ

- Nhược điểm: hoạt động kém tin cậy vì thường hư hỏng trong quá trình vận hànhnên cần bảo dưỡng thường xuyên Ngoài ra tia lửa điện phát sinh trên cổ góc chổithan gây nguy hiểm trong môi trường dễ cháy nổ

2.1.2 Đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Đặc tính của động cơ điện một chiều gồm có đặc tính cơ và đặc tính cơ điện

Hình 2.2 Sơ đồ thay thế của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

Từ sơ đồ thay thế ta có phương trình cân bằng điện áp:

r cf – điện trở cuộn cực từ phụ, (Ω).).

r b – điện trở cuộn bù, (Ω).)

r ct – điện trở tiếp xúc giữa chổi điện và phiến góp, (Ω).)

Sức điện động E ư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:

E ư=K Φ ω (2-1)Với Φ: từ thông kích từ dưới một cực từ (Wb)

ω: tốc độ góc, (rad/s)

K= p N

2 πaa: hệ số cấu tạo của động cơTrong đó: p – số đôi cực từ chính

N – số thanh dẫn tác của cuộn dây phần ứng dưới một mặt cực từ

a – số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứngNếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút):

Phương trình (2-4) là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từđộc lập.

2.1.3 Ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ

 Ảnh hưởng của điện áp phần ứng (U ư)

Giả sử Φ=Φ đm và điện trở phụ R f=0

Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm so với U đm: U ư ≤ U đm

Tốc độ động cơ khi không tải: ω 0 x= U x

KΦ đm.Khi U ư giảm thì ω0 cũng giảm theo.

Vậy khi thay đổi điện áp (giảm áp) thì momen mở máy và dòng khởi động động

cơ giảm và tốc độ động cơ cũng giảm

 Ảnh hưởng của từ thông Φ

Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ I kt

Khi từ thông thay đổi thì:

Dòng điện ngắn mạch: I NM=U đm

R ư không đổi

Momen mở máy: M MM=KΦ I NM thay đổi

Vậy khi từ thông giảm thì độ cứng đặc tính cơ giảm đi

2.1.4 Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều

Hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều là:

- Điều chỉnh điện áp cho phần ứng động cơ

- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ

Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiềubao giờ cũng cần có bộ biến đổi Có 4 loại bộ biến đổi chính thường được sử dụng:

- Bộ biến đổi máy điện: gồm động cơ sơ cấp kéo máy phát điện một chiều hoặc máyđiện khuếch đại (MĐKĐ)

- Bộ biến đổi điện từ: khuếch đại từ (KĐT)

- Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: thyristor (CLT)

- Bộ biến đổi xung áp một chiều: thyristor hoặc transistor (BBĐXA)

Tương ứng ta có các hệ truyền động:

- Hệ truyền động máy phát – động cơ (F – Đ)

- Hệ truyền động khuếch đại từ – động cơ (KĐT – Đ)

- Hệ truyền động chỉnh lưu thyristor – động cơ (T – Đ)

- Hệ truyền động xung áp – động cơ (XA – Đ)

 Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng:

Để điều chỉnh điệp áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như máyphát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển… Các thiết bị nguồn này

có chức năng biến năng lượng xoay chiều thành một chiều có sức điện động E b điềuchỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển U đk Vì là nguồn có công suất hữu hạn so với động cơnên các bộ biến đổi này có điện trở trong R b khác không

Hình 2.3 Sơ điều khối nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ.

Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng khôngđổi, còn tốc độ không tải lý tưởng thì tùy thuộc vào giá trị điện áp điều khiển U đk của hệthống, do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là ưu việt

Để xác định dải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chặnbởi đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức và từ thông cũng được giữ ở giá trị địnhmức Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và vềmomen tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là:

Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị ω 0 max, M đm, K Mlà xác định, vì vậy phạm

vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng β Khi điều chỉnh điện ápphần ứng động cơ bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứnggấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ Do đó có thể tính sơ bộ được:

ω 0 max |β|/M đm

K M−1 ≤ 10

Vì thế tải có đặc tính momen không đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnh tốc độ cũngkhông vượt quá 10

Hình 2.4 Đồ thị quan hệ giữa moman tải và tốc độ.

Đồ thị hình 2.4 mô tả quan hệ giữa hiệu suất và tốc độ làm việc trong các trường hợpđặc tính tải khác nhau Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng động cơ làrất thích hợp trong trường hợp momen tải là hằng số trong toàn dải điều chỉnh Cũng thấyrằng không nên nối them điện trở phụ vào mạch phần ứng vì như vậy sẽ làm giảm đáng

kể hiệu suất của hệ

2.2 Nguyên lý điều khiển hệ chỉnh lưu – động cơ (T – Đ)

Trong hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển – động cơ một chiều, bộ biến đổi

là các mạch chỉnh lưu điều khiển có sức điện động E đ phụ thuộc vào giá trị của pha xungđiều khiển (góc điều khiển) Chỉnh lưu có thể dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phầnứng hoặc dòng điện kích thích động cơ

2.2.1 Hệ chỉnh lưu thyristor

Hiện nay người ta sử dụng rộng rãi bộ biến đổi van điều khiển để biến đổi nănglượng điện xoay chiều thành điện một chiều để cung cấp cho động cơ điện một chiều.Tốc độ động cơ điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp chỉnh lưu, tức là thay đổi góc mở αcủa thyristor

Ưu điểm nổi bật của hệ truyền động T – Đ là tác động nhanh không gây ồn ào và

dễ tự động hóa do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất cao Điều đó rất thuậntiện cho việc thiết lập hệ thống tự động, điều chỉnh nhiều vùng để nâng cao chất lượngđặc tính tĩnh và đặc tính động của hệ thống

Trong phạm vi đồ án này, em sử dụng bộ chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiểnkhông đảo chiều quay (sử dụng bộ chỉnh lưu 6 thyristor) cấp điện cho động cơ truyềnđộng quay chi tiết máy mài tròn như hình 2.6

2.2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển

b Nguyên lý làm việc:

Giả sử Ld = ∞ điện áp phía thứ cấp u2 = √2 U2 .sin ω t với góc điều khiển α Xét mạch đang làm việc ở chế độ xác lập Khi van dẫn sụt áp trên nó bằng 0.

Trước thời điểm ω t= v1 cặp van T1 và T3 dẫn điện khi đó ta có:

uT2 = uT3 = 0; utải = - u2 ; uT1 = uT4 = u2; iT2 = iT3 = itải ; iT1 = iT4 = 0.Đến thời điểm ω t=

v1 cấp xung điều khiển mở cặp van T1 và T4 lúc này cặp van T1 và T4 sẽ dẫn điện, cặp van T1 và T3 bị phân cực ngược nên không dẫn điện, khi đó ta có: uT1 = uT4 = 0;

utải = u2; uT2 = uT3 = - u2; iT1= iT4= itải; iT2 = iT3 = 0.

Đến thời điểm ω t = , u2 = 0 có xu hướng âm dần và - u2 = 0 có xu hướng dương dần Tuy nhiên điện áp nguồn lúc này tác động ngược chiều với chiều dẫn dòng của dòng điện qua tải, cho nên suất điện động cảm ứng do Ld tạo ra cho cặp van T1 và T4 tiếp tục dẫn điện, còn cặp van T1 và T3 chưa dẫn do chưa có xung điều khiển kích mở Lúc này ta có: uT1= uT4= 0; utải = u2 < 0; uT2 = uT3 = - u2 > 0; iT1 =

iT4= itải; iT2 = iT3= 0.

Đến thời điểm ω t =+ α phát xung điều khiển mở cặp van T2 và T3, lúc này cặp van T2 và T3 sẽ dẫn điện còn cặp van T1 và T4 bị phân cực ngược nên không dẫn điện Ta có: uT2= uT3 = 0; uT1 = uT4 = u2 < 0; utải = - u2; iT2 = iT3 = itải; iT1=

iT4= 0.

Đến thời điểm ω t =2, u2= 0 và có xu hướng dương dần, còn - u2 = 0 có

xu hướng âm dần, tuy nhiên cặp van T2 và T3 sẽ tiếp tục dẫn do suất điện động của cuộn cảm tải tạo ra để chống lại sự biến thiên của dòng điện Cặp van T1 và T4

chưa dẫn điện do chưa có xung điều khiển kích mở ta có:

uT2= uT3 = 0; uT1 = uT4= u2 > 0; utải = - u2; iT2 = iT3 = itải; iT1= iT4= 0.

Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự như trên.

c Giản đồ dòng điện, điện áp:

Dòng điện trung bình qua Thyristor:

2.3 Xác định thông số của động cơ truyền động

-Momen cực đại Mmax = 30(Nm)

-Tốc độ quay chi tiết n=33÷330 (vg/ph)

• Phạm vi điều chỉnh Wmax và Wmin

ωmin = i.ωcmin = 3 33.2 πa60 = 10.362(rad/s)

ωmax = i.ωcmax = 3 330.2 πa60 = 103.62(rad/s)

Dải điều chỉnh tốc độ D= ωmax ωmin = 10:1

Pmax = 1ŋ Mđm.ωcmax = 30.330.2 πa60.0 8 = 1.3 (kw)

Ta chọn động cơ πa41 có thông số sau :

- Điện cảm mạch phần ứng động cơ:

Lư= γ

60.U đm 2πa p.n đm I đm =

0.25.60 2202.3,14 2.1000 9,3 = 0,028(H) Trong đó: γ = 0,25 là hệ số lấy cho động cơ có cuộn bù

2.3.1 Chọn máy biến áp (MBA) chỉnh lưu:

Trong các thiết bị chỉnh lưu người ta dung MBA để tạo ra điện áp thích hợp, tạo ra

số pha cần thiết, cách ly phụ tải với lưới điện, cải thiện dòng điện sơ cấp hạn chế dòng ngắn mạch.

Để chọn MBA chỉnh lưu dựa vào sức điện động thứ cấp, điện áp sơ cấp và công suất tính toán cần thiết.Điện áp sơ cấp lấy theo điện áp lưới, sức điện động và công suất được tính toán từ điện áp và dòng điện chỉnh lưu.

Chọn MBA 1 pha làm mát tự nhiên bằng không khí

Điện áp ra sơ cấp MBA: U1= 220 (V)

Thông số khi chỉnh lưu: U d = 220 (V), I d = 9,3 (A)

Điện áp thứ cấp MBA là:

Phương trình cân bằng điện áp khi có tải:

Trong đó:

αmin = 100 là góc dự trữ khi có suy giảm điện áp lưới

ΔUU V = 1,7 (V) sụt áp trên Thyristor:

ΔUU dn = 0 sụt áp trên dây nối

ΔUU BA=ΔUU r+ ΔUU X là sụt áp trên điện trỏ và điện kháng MBA

Thông thường: ΔUU BA = (5 ¿ 10)%. U d

Ta chọn: ΔUU BA = 6%. U d = 6(V).

Từ phương trình cân bằng điện áp khi có tải ta có:

U d 0=U d+2 ΔUU V+ ΔUU dn+ΔUU BA

S ba : Công suất biểu kiến của MBA

k s = 1,23: hệ số công suất đối với cầu chỉnh lưu 1 pha điều khiển hoàn toàn.

Điện áp pha thứ cấp MBA là:

I2= k2.Id= 1,2 9,3= 11,16 (A) (Với cầu chỉnh lưu 1 pha điều khiển hoàn toàn k2= 1,2)

Dòng điện hiệu dụng sơ cấp MBA là:

I1= U 2 U 1.I2=258,73.11,16220 =13,12(A).

Vậy tham số máy biến áp cần có là:

- Công suất máy biến áp: S ba =2,66 (kVA)

- Điện áp sơ cấp máy biến áp: U1 = 220 (V)

- Dòng điện sơ cấp: I1 = 13,12 (A)

- Điện áp thứ cấp máy biến áp: U2 = 258,73 (V)

U2 =258,73: điện áp thứ cấp máy biến áp

Knvan= √2 là hệ số điện áp tải đối với cầu chỉnh lưu 1 pha điều khiển

hoàn toàn

Điện áp ngược của van cần chọn là:

Trong đó: KdtU =1,8 là hệ số dự trữ điện áp

Dòng điện làm việc hiệu dụng của van:

Id= Iđm= 9,3 (A)

Ilv= Ihd = Khd Id=

1

√2 .9,3 = 6,57(A) Trong đó:

Các thông số của thyristor:

- Điện áp điều khiển: U đk = 1,4 (V)

- Dòng qua van: I đk = 150 (mA)

2.3.3 Tính chọn cuộn kháng lọc

Mục đích của việc tính toán bọ lọc là xác định các trị số cần thiết của điện cảm lọc sao cho thỏa mãn hệ số đập mạch cho trước đồng thời hiệu chỉnh để có kích thước vừa phải.

Hình 2.7 Lọc điện cảm

Tính giá trị điện cảm

α=α min=10°

U dmax=U d 0.cosαmin

Khiα=α max

U dmin=U d 0.cosα max

¿>cosα max=U dmin