gototopgototop

"Научный аспект №2-2019" - Технические науки

Проектировочный расчет привода подъемного звена манипулятора

Яременко Андрей Михайлович – студент Балтийского государственного технического университета им. Д.Ф. Устинова «ВОЕНМЕХ».

Миронов Матвей Максимович – студент Балтийского государственного технического университета им. Д.Ф. Устинова «ВОЕНМЕХ».

Матвеева Елизавета Сергеевна – студент Балтийского государственного технического университета им. Д.Ф. Устинова «ВОЕНМЕХ».

Научный руководитель Савельев Борис Николаевич – кандидат технических наук, доцент Балтийского государственного технического университета им. Д.Ф. Устинова «ВОЕНМЕХ».

Аннотация: Работа посвящена проектировочному расчету привода подъемного звена манипулятора погрузчика. Произведены расчеты динамической модели, произведен подбор двигателя по заданным характеристикам, а также приведено подробное описание готового привода.

Ключевые слова: Контроллер, привод, погрузчик, электродвигатель, тросовая передача.

Введение. В соответствии с техническим заданием выполняется проектировочный расчет двигателя и редуктора для электропривода подъемного звена манипулятора. Основой для проектировочного расчёта является кинематическая схема привода, которая задана в техническом задании. Привод осуществляется коллекторным электродвигателем постоянного тока и тросовой передачей. Для разгрузки электродвигателя применяется противовес. В результате выполнения расчетов должен быть выбран оптимальный двигатель и редуктор для электропривода подъемного звена манипулятора.

Постановка задачи. Рассчитать и спроектировать электропривод подъёмника для поднятия груза весом image001 на высоту image002 за время image003 с последующим опусканием ненагруженного подъёмника весом image004. Горизонтальные перемещения подъёмника предотвращаются трением о направляющие, уравновешивающим инерционные силы, обусловленные качкой. Расчётное горизонтальное ускорение качки image005 (см. Таблица 1).

Таблица 1. Исходные данные.

Вес груза image006

image007

Вес платформы image008

image009

Высота подъёма image010

image011

Ускорение горизонтальной качки image012

image013

Время подъёма image014

image015

Допустимое отклонение времени подъёма image016

image017

Проектировочный расчет. На рисунке 1 представлена кинематическая схема погрузчика.

Безымянный

Рисунок 1. Кинематическая схема подъемного звена манипулятора.

Выбор диаметра каната. Выбор диаметра каната определяется по формуле:

 

image019,

(1)

где image020– наибольшее допускаемое растягивающее усилие,

image021 – разрывное усилие каната в целом, по данным ГОСТа 3067-88,

image022 – наименьшее допускаемое значение коэффициента запаса прочности.

 

image023.

(2)

По данным ГОСТа 3067-88 для грузовых подъемников принимается image024

По приложению I выбираем image025 при расчетном пределе прочности проволоки при растяжении, равном 180 кгс/мм2=17.65 МПа

Тогда наибольшее допускаемое растягивающее усилие:

image026.

По ГОСТ 3067-88 принятой разрывной силе соответствует диаметр каната image027 м.

Определение размеров блоков и барабанов. Диаметр барабана определяется по формуле [1, c. 6]:

 

image028,

(3)

где:

image029 – коэффициент, зависящий от скорости движения подъемника.

Для грузовых подъемников, двигающихся со скоростью до 1,5 image030

image031, тогда:

image032=124·image033 м.

Принимаем диаметр блока image034 и наименьший диаметр грузового барабана image035.

Определение диаметра оси блока. Нагрузкой на ось блока является равнодействующая натяжений обеих ветвей троса. Её наибольшее значение равно image036. Согласно третьей теории прочности, допускаемое нормальное напряжение равно удвоенному значению допускаемого касательного напряжения, следовательно:

 

image037

(4)

откуда получаем:

 

image038.

(5)

 

Выбирая материал для оси блока – сталь, для которой
image039, находим наименьший диаметр оси:

 

image040 м.

Принимаем диаметр оси image041 м.

Определение КПД блока.

image042

Рисунок 2.

Обозначим через image043 и image044 натяжения ветвей троса и через image045 – угол охвата блока (смотреть рисунок 2), запишем уравнение моментов:

 

image046

(6)

где image047 – движущий момент;

image048 – момент нагрузки;

image049 – момент силы трения;

image050 – коэффициент трения.

Тогда получим силу, действующую на ось блока:

 

image051.

(7)

Подставляя (5) в (4), поделив обе части уравнения (4) на image047 и принимая во внимание, что отношение натяжения image044 – набегающей ветви каната к натяжению image043 – сбегающей ветви есть КПД блока [1, c.7], которое обозначим image052, т.е. image053, получим:

image054.

Перенесём image052 влево и возведём в квадрат.

Перенесём все члены влево и приведём подобные.

Пренебрегая величиной image055ввиду её малости, получим:

image056.

При выводе формулы не была учтена сила, необходимая для преодоления жёсткости каната, т.е. для его сгибания и разгибания. Величину этой силы в практических расчётах можно принимать для проволочных канатов image057. С учётом потерь на жёсткость каната, расчетная формула для КПД блока принимет вид:

 

image058

(8)

Принимая коэффициент трения для стали по стали image059, по формуле image060 находим КПД блока (угол охвата принимаем image061.

image062

Принимая КПД грузового барабана равным КПД блока image063, найдем КПД тросовой передачи от лифта к грузовому барабану (без учёта потерь в направляющих, которые будут учтены при выборе веса противовеса):

 

image064.

(9)

КПД тросовой передачи от противовеса к грузовому барабану:

 

image065.

(10)

Связь веса противовеса и диаметров грузового барабана. Необходимо вывести уравнения, ограничивающие выбор параметров веса противовеса, радиусов грузовых барабанов image066 и величины мощности image067, подводимой к приводу. Выбирать величины image068 будем из условия, чтобы статический момент при подъёме image069 был равен статическому моменту image070 при опускании платформы.

Из схемы (рисунок 1) видно, что результирующий статически момент, приложенный к грузовому барабану при подъёме платформы:

 

image071,

(11)

а результирующий статический момент, при отпускании платформы:

 

image072,

(12)

где image073 – трение в направляющих лифта;

image074 – трение в направляющих противовеса;

image075 – ускорение свободного падения;

image059 – коэффициент трения качения роликов подъёмника о направляющие.

Обозначив image076, получим image077 и image078. Исходя из условия image079, получим:

image080.

Не определяя пока вес противовеса, вычислим вспомогательную величину image081:

 

image082

(13)

Исходя из заданной величины расчётного горизонтального ускорения качки image083 находим image084:

 

image085

(14)

По формуле image086 определим величину image081:

image087

Ускорение платформы и мощность двигателя. Выбор двигателя и редуктора.

Рассчитаем линейное ускорение платформы:

 

image088.

(15)

С учетом допустимых перегрузок электрического двигателя принимаем коэффициент перегрузки двигателя [1, c. 13] image089 , находим:

 

image090,

(16)

 

image091,

(17)

 

image092.

(18)

Скорость установившегося движения платформы:

 

image093,

(19)

image094 – отношения времени торможения к времени разгона.

В большинстве случаев image095, тогда:

image096.

Мощность на валу редуктора:

 

image097,

(20)

image098.

Таблица 2. Вспомогательная таблица.

e

w

image099

image100

image101

image102

image103

0,6

3,01

2,13

0,76

0,87

0,83

0,114

0,7

2,86

2,24

0,65

0,81

0,89

0,116

0,8

2,72

2,36

0,53

0,73

0,97

0,120

0,9

2,60

2,46

0,43

0,66

1,04

0,123

1,0

2,48

2,58

0,31

0,56

1,14

0,129

Выбираем:

 

image104.

(21)

Тогда:

 

image105.

(22)

Ориентировочно принимая КПД редуктора image106, определим мощность на валу двигателя:

 

image107,

(23)

image108≥ 176 Вт.

Предварительно выберем двигатель. По каталогу MAXON [2, c.133]: RE50, 200 Вт (код 370354). Из предложенных вариантов двигателей по скорости выбираем максимальную - 5950 об/мин.

image109

Рисунок 3. Паспортные данные двигателя.

Выбираем по каталогу MAXON редуктор GP 52 С с параметрами:

Число оборотов n>6000об/мин и передаточным числом image110=43

После выбора редуктора корректируем радиус барабана лифта image111 из условия:

image112,

image113.

Условие не выполняется. Можно изменить image111 и принять его равным 0,075м, тогда:

image114.

Условие выполняется.

Проверяем выбранный двигатель:

1) image115,

image116.

Условие выполняется.

2) image117,

 

image118,

(24)

image119.

Условие выполняется.

Находим вес противовеса:

 

image120,

(25)

откуда:

image121.

Разработка функциональной схемы системы управления привода подъемного звена манипулятора. Функциональная схема привода представлена на рисунке 4.

image122

Рисунок 4. Функциональная схема СУ подъемника.

Основными функциональными звеньями являются:

ЗУ- задающее устройство, К- контроллер, ИД – исполнительный двигатель, Р- редуктор, Б- барабан, ТП - тросовая передача, Т- тормоз, Э- энкодер, ОУ- объект управления.

Выбор управляющей аппаратуры привода звена манипулятора. Выбираем по каталогу Maxon Motors совместимую с двигателем аппаратуру.

При выборе контроллера необходимо учитывать максимальный выходной ток. Выходном током контроллера является входной ток якоря двигателя.

В расчётах мы принимали величину перегрузки: k=3

Номинальный ток якоря выбранного двигателя: image123=10.5 А

Максимальный ток контроллера должен не превышать величину: image124

image125

Рисунок 5. Характеристики контроллера.

По данному параметру подходит контроллер EPOS 4 70/15

Также в каталоге Maxon Motors к двигателю RE50 рекомендуется следующая аппаратура:

image126

Рисунок 6. Рекомендуемый энкодер.

image127

Рисунок 7. Рекомендуемый тормоз.

Выводы:

В ходе выполнения расчетов были получены данные для выбора двигателя и подходящей к нему аппаратуры (редуктора, контроллера, тормоза, энкодера) из каталога Maxon Motors. Была рассмотрена схема построения привода манипулятора, основанная на этой аппаратуре, а также была составлена функциональная схема для данной сборки.

Данная схема построения привода манипулятора приводит к необходимому результату, а также двигатель не перегревается и не выходит из строя.

Список литературы

  1. С.А. Эсмедляев «Расчёт электропривода подъёмника: Методические указания по курсовому проектированию». — Л.: ЛМИ, 1983. — 59 с.
  2. Каталог Maxon Motor 2017-2018 г.
  3. ГОСТ 3067-88. Канаты стальные типа ТК конструкции 6х19.
  4. Технические таблицы «Таблица коэффициентов трения скольжения» [электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: https://tehtab.ru/guide/guidephysics/frication/frictionofslicing/ (дата обращения 05.5.2019).
  5. Герман-Галкин С.Г., Кардонов Г.А. «Электрические Машины. Лабораторные работы на ПК». — СПб.: Корона-принт, 2003 — 256 c.

Интересная статья? Поделись ей с другими:

Внимание, откроется в новом окне. PDFПечатьE-mail

Отправить статью

...

Форма оплаты

Номер статьи, присвоенный редакцией
Количество страниц в статье
Количество экземпляров журнала
Доставка: РФСНГ
Скидка (%)
Заказать свидетельство о публикации
1. Стоимость публикации каждой страницы статьи составляет 200 рублей.
2. Стоимость каждого экземпляра журнала, включая его изготовление и доставку, составляет 300 рублей для России и 600 рублей для стран СНГ.
3. Стоимость печатного свидетельства о публикации составляет 100 рублей

Реквизиты для оплаты через банк