ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Для достижения технологической независимости страны необходимо обеспечить значительное развитие ключевых секторов экономики. С начала 2000-х годов государство выделило критически важные, базовые, военные и промышленные технологии в качестве двигателей экономического роста, способствующих созданию современных вооружений и военной техники. Однако после кризиса отечественного станкостроения, произошедшего в начале 1990-х годов, только немногие предприятия сумели приспособиться к новым рыночным условиям. На начальных этапах своего выживания многие из них получали основной доход благодаря модернизации устаревших станков. Хотя отечественная отрасль станкостроения насчитывает более 25 лет, ей не удалось выйти из кризисного состояния. В результате многие предприятия, зависимые от процессов механической обработки, сосредоточились на обновлении своих станков и оборудования.

Актуальность темы

Современные требования к универсальным станкам с ручным управлением свидетельствуют о необходимости модернизации, направленной на создание условий для работы с твердосплавными инструментами в режимах высокой скорости резания. Также важно увеличить срок службы ключевых элементов станков, что, в свою очередь, способствует улучшению точности обработки и повышению производительности горизонтально-фрезерных станков с ручным управлением.

Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Основной целью данной работы является разработка рекомендаций по модернизации привода главного движения горизонтально-фрезерного станка модели 6Н80 на основании анализа его динамических характеристик.

Задачи исследования:

  1. Провести анализ состояния и изучить особенности выбора оптимальной динамической модели привода главного движения;
  2. разработать детализированную динамическую модель привода главного движения;
  3. выполнить моделирование работы привода главного движения для дальнейшего применения на практике.

Анализ методов решения динамических задач

Современный подход к проектированию электрических машин основывается на системной интеграции компонентов и технологий. Электрическая машина рассматривается как часть сложной системы, включающей источники энергии, преобразователи и системы управления, что способствует оптимизации её работы и повышению эффективности всей системы [1].

Системное проектирование акцентирует внимание на взаимодействии электрической машины с её окружением. Например, в электросетях требуется согласование параметров машины с энергосистемой для обеспечения стабильности и надёжности. Это достигается за счёт использования современных методов моделирования, прогнозирования и внедрения интеллектуальных систем управления.

Ключевой задачей в этом контексте является математическое моделирование работы электрических машин в статике и динамике. Это требует как теоретических, так и экспериментальных исследований, направленных на изучение переходных процессов. Математическое моделирование выступает основой для анализа и позволяет исследовать реакции машин на изменения параметров, а также выявлять потенциальные проблемы.

Параллельно с теоретическими исследованиями необходимо проводить эксперименты для проверки моделей. Они учитывают различные эксплуатационные режимы, что позволяет уточнять математические зависимости и корректировать модели на основе сравнения с экспериментальными данными. Результаты таких исследований применимы как для совершенствования существующих моделей, так и для разработки новых высокоэффективных электрических машин.

Переходные процессы в электрических машинах вызваны изменениями напряжения, частоты или нагрузки, а также включением, отключением, реверсом и коротким замыканием. Эти процессы часто происходят одновременно, что требует анализа критических моментов и минимизации излишней сложности. Математическое моделирование позволяет прогнозировать поведение машины и оптимизировать её конструкцию для повышения надёжности и эффективности [2].

Влияние динамических характеристик привода главного движения на качество обработки заготовок

Динамическая система станка представляет собой взаимодействие упругих элементов и основных рабочих процессов, которые взаимно влияют друг на друга. Упругая система (УС) включает компоненты, такие как сам станок, инструмент, крепежные устройства и заготовки. Ключевыми рабочими процессами являются резание, трение и работа приводных двигателей. Эти элементы вместе формируют динамическую систему станка [3].

Рабочие процессы воздействуют на УС преимущественно в виде прикладываемых сил, но также оказывают тепловое влияние. Во-первых, это вызывает деформации элементов конструкции, влияя на взаимное расположение подвижных соединений (например, между резцом и заготовкой). Во-вторых, изменения в УС непосредственно воздействуют на характеристики рабочих процессов, такие как толщина среза, трение и скорость резания. Это, в свою очередь, влияет на силы взаимодействия и количество выделяемого тепла.

Однако взаимное влияние УС и рабочих процессов часто недооценивается, акцентируя внимание только на воздействии рабочих процессов на УС.

В рамках настоящей работы акцент сделан на исследовании динамических характеристик электроприводов, которые требуют детального анализа и углубленного изучения.

Характеристика привода главного движения горизонтально-фрезерного станка модели 6Н80

Горизонтально-фрезерный станок модели 6Н80 широко применялся на территории стран бывшего СССР для выполнения операций по металлообработке.

Станок предназначен для выполнения фрезерных, сверлильных и расточных операций с деталями разнообразной формы и из различных материалов, таких как чугун, сплавы цветных металлов и пластмассы. Его конструктивная жесткость в сочетании с мощным приводом позволяет эффективно использовать режущие инструменты, оснащенные пластинами из быстрорежущей стали, а также из твердых и сверхтвердых материалов. Благодаря этому 6Н80 является универсальным станком для металлообработки.

Кроме того, его конструкция позволяет обрабатывать детали сложной конфигурации за счет широкого выбора инструментов и насадок.

Станок модели 6Н80 известен своей надежностью и простотой в эксплуатации. Регулярное техническое обслуживание и наличие доступных запчастей обеспечивают минимальные простои и снижают затраты на эксплуатацию, что делает его оптимальным выбором для многих производственных процессов.

Внешний вид фрезерного станка модели 6Н80

Рисунок 1 – Внешний вид фрезерного станка модели 6Н80

Для повышения надежности и срока службы механизмов главного привода необходимо обеспечить их плавный запуск и торможение, исключая резкие динамические нагрузки.

Кинематическая схема главного привода фрезерного станка модели 6Н80

Рисунок 2 – Кинематическая схема главного привода фрезерного станка модели 6Н80

Кинематическая схема главного привода горизонтально-фрезерного станка модели 6Н80 представлена на соответствующем рисунке. Шпиндель вращается за счет передачи крутящего момента от асинхронного двигателя через клиноременную передачу и коробку скоростей. Вал II функционирует на постоянной скорости, а вал III приводится в движение путем перемещения зубчатых колес 3–4, 5–6 и 7–8 по шлицевому валу II.

Передаточные шестерни (17, 18 и 13, 14) обеспечивают 12 ступеней скорости на валу IV. Таким образом, система главного привода представляет собой ступенчатое регулирование, что позволяет адаптироваться к различным режимам работы [4].

Описание математической модели на языке моделирования

Приложение Matlab Simulink, используя библиотеку SimPowerSystems, предоставляет виртуальную модель асинхронной машины (АМ), параметры которой задаются в системе СИ. Этот блок, обозначенный как "Машины", основан на математическом описании работы асинхронного двигателя в вращающейся системе координат [5].

Асинхронные машины широко используются в промышленности благодаря своей надежности и простоте конструкции. В Matlab Simulink их модель дает возможность инженерам и исследователям проводить детальный анализ и моделирование работы машины в различных режимах.

Математическая модель включает уравнения, описывающие токи, напряжения и механические характеристики двигателя. Они позволяют изучать статические и динамические состояния системы, обеспечивая точный расчет ключевых параметров.

Виртуальная лаборатория, представленная в работе, моделирует систему электропривода "преобразователь частоты – асинхронный двигатель" (ПЧ–АД). Она разработана для изучения как статических, так и динамических характеристик привода.

Преобразователь частоты – асинхронный двигатель

Рисунок 3 – Преобразователь частоты – асинхронный двигатель

Основные параметры настройки системы:

Преобразователь частоты состоит из трех основных блоков:

  1. Трехфазный выпрямитель, преобразующий переменное напряжение частотой 50 Гц в постоянное напряжение 380 В.
  2. Инвертор, создающий трехфазное синусоидальное напряжение с регулируемой частотой.
  3. Модуль управления (Vector Control), реализующий векторный метод управления инвертором.

Электродвигатели являются основным источником механической энергии для большинства промышленных машин. Внедрение микропроцессоров в управление электроприводами стало важным этапом, позволившим значительно повысить их функциональность и улучшить технико-экономические показатели.

Современные методы регулирования скорости электроприводов способствуют созданию высокопроизводительных станков для массового производства.

В данной работе предложены рекомендации по модернизации привода главного движения фрезерного станка модели 6Н80. Основная цель состоит в использовании частотного преобразователя для управления асинхронным двигателем, что позволяет упростить конструкцию и улучшить динамические характеристики.

Для проверки гипотезы в Matlab Simulink была создана математическая модель электропривода на основе асинхронного двигателя с частотным преобразователем и векторным управлением [6].

Подход к оценке применения частотных преобразователей в асинхронных электроприводах, представленный в работе, подтверждает их эффективность. Это решение снижает затраты на электроэнергию и увеличивает срок службы оборудования.

Анализ математических моделей описания привода главного движения

В последние десятилетия термин «математическое моделирование» стал широко применяться в научной литературе, особенно в областях естественных наук и технологий. Его значение продолжает расти, становясь важнейшим инструментом для проведения исследований. Все крупные успехи в теории электрических машин напрямую связаны с разработкой и использованием математических моделей [7].

Математическая модель представляет собой абстрактное описание изучаемого процесса или объекта, основанное на применении вычислительных методов и современных технологий. В научных работах термин «вычислительный эксперимент» часто используется как синоним математического моделирования, поскольку изучение модели напоминает эксперимент, но проводится в виртуальной среде с помощью вычислительной техники.

Такие модели находят применение в различных областях знаний, включая физику, химию, биологию, экономику и другие дисциплины. Они позволяют исследовать сложные системы, прогнозировать их поведение и улучшать их работу. Создание математической модели начинается с постановки задачи и определения ключевых параметров, влияющих на объект исследования. После этого разрабатываются уравнения, описывающие взаимодействие внутри системы.

Использование вычислительных экспериментов дает ученым возможность получать данные, которые невозможно собрать при обычных физических испытаниях. Это особенно актуально, когда реальные эксперименты слишком затратны или невозможны, например, в таких областях, как космические исследования или экология. Современные технологии, такие как анализ больших данных и алгоритмы машинного обучения, значительно расширяют возможности моделирования. Эти подходы помогают анализировать большие объемы информации и выявлять скрытые закономерности в сложных системах.

Математическое моделирование и вычислительные эксперименты становятся ключевыми инструментами научного прогресса. Они позволяют глубже понять процессы в сложных системах и предоставляют мощные инструменты для разработки инновационных решений. Применение этих методов способствует решению актуальных задач, открывая новые перспективы для исследований и их практического использования.

Исторические подходы к теории преобразования энергии

В истории электромеханики выделяются два основных подхода к теории преобразования энергии. Первый базируется на теории поля, основывающейся на уравнениях Максвелла, второй – на теории электрических цепей, где применяются уравнения Кирхгофа. Современный третий подход представляет собой объединение этих теорий, учитывающее взаимосвязь между токами и магнитными полями.

Этот комбинированный метод формирует теоретическую основу для изучения процессов в электромеханических преобразователях. Он фокусируется на распределении полей в воздушном зазоре устройства и связывает уравнения напряжения с токами и магнитными потоками. Таким образом, комбинированный подход расширяет возможности анализа электромеханических систем, позволяя более точно исследовать их поведение.

Современные перспективы исследования

Интеграция теории поля и теории цепей в рамках единого подхода позволяет более глубоко понять работу электромеханических систем. Это особенно важно для проектирования и оптимизации таких устройств, как электродвигатели и генераторы, где даже малейшие отклонения в расчетах могут существенно повлиять на результат. Взаимодействие электрических и магнитных полей становится ключевым фактором для анализа влияния параметров на общую эффективность работы устройства.

Комбинированный метод дает возможность моделировать динамические процессы, которые происходят в условиях реальной эксплуатации. Например, изменение тока из-за колебаний нагрузки способно существенно повлиять на магнитное поле. Это, в свою очередь, может привести к дополнительным потерям энергии и снижению общей производительности устройства. Исследование этих взаимодействий позволяет глубже понять природу работы электромеханических систем.

Применение комбинированного подхода

Использование новых методов анализа открывает перспективы для создания улучшенных алгоритмов управления и регулирования, которые могут повысить производительность и надежность электромеханических устройств. Более детальный учет взаимодействия токов и магнитных полей способствует разработке более эффективных и долговечных преобразователей энергии.

В данной работе объектом исследования является привод главного движения горизонтально-фрезерного станка модели 6Н80. Привод построен на основе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, поэтому в дальнейшем анализ будет сосредоточен на изучении асинхронных машин.

На рисунке 4 представлена схема обобщенной асинхронной машины. В ее состав входят трехфазные обмотки статора и ротора, которые подключены к симметричным трехфазным источникам напряжения [8].

Схема обобщенной асинхронной машины

Рисунок 4 – Схема обобщенной асинхронной машины

Математическое моделирование такого устройства основывается на широко известных физических принципах. Уравнения, которые описывают равновесие электродвижущей силы (ЭДС) в обмотках статора и ротора, формируются согласно второму закону Кирхгофа.

Для статора:

ф-ла

Для ротора:

ф-ла

В уравнениях (5.1) и (5.2) рассматриваются мгновенные параметры, такие как напряжение и ток, а также потоки магнитного сцепления статора и ротора, включая активные сопротивления обмоток. Обычно в асинхронных двигателях обмотки имеют симметричную конфигурацию, поэтому:

для статорной обмотки: : R_A=R_B=R_C=R_s;

для роторной обмотки:" R_a=R_b=R_c=R_r.

Второй закон, который устанавливает связь между магнитными полями, создаваемыми обмотками, и токами, протекающими в этих обмотках, называется законом Ампера. Согласно этому закону, можно выразить следующие соотношения:

для статора:

ф-ла

для ротора:

ф-ла

Симметричные уравнения, описывающие связи в потоке, демонстрируют, что каждый обмоточный поток зависит от токов всех остальных обмоток, что становится очевидным через взаимную индукцию. В уравнениях (5.3) и (5.4) переменные L_AA , L_BB , L_CC , L_aa , L_bb , L_cc обозначают собственные индуктивности соответствующих обмоток. Остальные компоненты этих уравнений иллюстрируют взаимные индуктивности между указанными обмоткам [6].

Третьим ключевым законом, который служит основой для математического представления асинхронного двигателя, является закон Ньютона, устанавливающий условие равновесия моментов на валу устройства. На основе этого закона можно разработать соответствующее уравнение:

ф-ла

где J- момент инерции на валу машины, (кг·м2);

w_m- угловая скорость машины, (1/рад);

M _н- момент рабочего механизма, приведенный к валу (Н·м).

Четвертым ключевым принципом, лежащим в основе изучения асинхронных устройств, является закон Ленца. Он описывает связь между такими векторными величинами, как моменты, магнитный поток и электрический ток.

ф-ла

Применение этого закона для анализа асинхронной машины сопровождается определенными трудностями. К числу основных проблем можно отнести несовпадения используемых параметров, разницу в коэффициентах связи, а также сложность самих уравнений. Для упрощения математического описания целесообразно использовать метод пространственного вектора, который позволяет существенно сократить систему уравнений, объединяя их в единую систему с векторными переменными.

Метод пространственного вектора дает возможность представлять характеристики асинхронной машины в виде векторов. Это облегчает как их анализ, так и синтез, делая сложные дифференциальные уравнения более обобщенными и наглядными. Благодаря этому методу удается выявить скрытые закономерности между различными электромагнитными величинами, что особенно важно для точного моделирования работы устройства.

Кроме того, метод пространственного вектора помогает устранить неопределенности, возникающие при переходе между различными системами координат. Он создает единую основу для описания состояния машины в пространстве, обеспечивая более полное понимание динамических процессов, происходящих в асинхронной машине.

Векторное управление асинхронным двигателем позволяет не только генерировать гармонические токи и напряжения в фазах, как это делает скалярный метод, но и контролировать магнитный поток двигателя. Это открывает возможности для регулирования взаимодействия магнитных полей статора и ротора, что позволяет оптимизировать крутящий момент на различных частотах. Использование специального канала для управления моментом нагрузки значительно улучшает динамические характеристики электропривода [9].

Ключевая трудность при использовании векторного метода заключается в определении положения оси магнитного поля ротора. Для решения этой задачи можно использовать датчики Холла в электрических приводах или выполнять вычисления, исходя из известных формул, используя мгновенные значения тока, напряжения и скорости вращения ротора [10].

Заключение

В данной работе предложены рекомендации по обновлению главного электропривода фрезерного станка модели 6Н80. Главная цель модернизации заключается в применении частотного преобразователя для эффективного управления двигателем главного привода. Данный способ управления позволяет существенно упростить механическую часть привода и его улучшить динамические характеристики.

По результатам проделанной работы можно сделать однозначный вывод о том, что внедрение современного оборудования в состав привода главного движения станка модели 6Н80, открывает новые технологические перспективы, уменьшает затраты труда в процессе производства, облегчает управление и увеличивают общую надежность механизма.

Можно также сказать, что подход к анализу целесообразности применения частотных преобразователей в различных асинхронных электроприводах, использованный в работе, позволяет качественно оценить необходимость использования частотно-регулируемых электроприводов. Это, в свою очередь, способствует снижению электроэнергетических затрат и продлению срока эксплуатации оборудования и механизмов электропривода

Примечание

Настоящий реферат подготовлен в рамках магистерской работы, которая еще не завершена. Окончание работы планируется в июне 2025 года. Полные материалы и выводы будут доступны после завершения исследования у автора или его научного руководителя.

Список источников

  1. Васильев Б. Ю. Электропривод. Энергетика электропривода. - Вологда: Инфра-Инженерия, 2015. – 268 c.
  2. Ключев В.И. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов: Учебник для ВУЗов / В.И. Ключев, В.М. Терехов. – М.: Энергия, 2018. – 360с.
  3. Волков Д.И. Динамика металлорежущих станков: Конспект лекций. – Рыбинск, 2015. 49 с.
  4. Универсальнофрезерный станок 6Н80: Паспорт. – М.: Металлургия, 1983. – 42 с.
  5. Каримов И.Р. Компьютерное моделирование электропривода переменного тока в среде Matlab // Материалы XII международной научнопрактической конференции «Современные тенденции и инновации в науке и производстве», 26 апреля 2023. – 6 с.
  6. Терехин В.Б. Моделирование систем электропривода в Simulink (Matlab 7.0.1): Учебное пособие. Томск: Изд-тво Томского политехнического университета, 2021. – 293 с.
  7. Анхинюк В.Л. Проектирование систем автоматического управления электроприводами /В.Л. Анхинюк, О.Ф. Опейко. - М.: Высшая школа, 2016. – 395 с.
  8. Аксенов М. И. Моделирование электропривода: Учебное пособие. - М.: Инфра-М, 2014. – 104 c.
  9. Бочонков Б. М. Предельно быстрое управление электрической машиной переменного тока / Б.М. Бочонков, Ю.П. Филюшов /Электротехника, электромеханика и электротехнологии ЭЭЭ - 2009: Материалы четвертой научно – технической конференции с международным участием / под ред. В. В. Панкратова. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2009. - 288с.
  10. Бриц А.В. Частотно регулируемый привод в современных условиях: Научная статья. - Новосибирск: Издательство СФУ, 2019. – 15 с.