Глава 27. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СБОРОЧНЫЕ ЕДИНИЦЫ И МЕХАНИЗМЫ ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ
Для осуществления движений в рабочих машинах существует три вида механизмов: двигательные, передаточные и исполнительные. Двигательный механизм в виде электро-, гидро-, пневмо- или другого привода снабжает двигательной энергией рабочую машину. Передаточный механизм служит для передачи энергии от двигательного механизма к исполнительному с помощью механических, гидравлических, пневматических или других передач.
Исполнительный механизм осуществляет перемещение тех элементов машины, которые выполняют основные и вспомогательные движения, необходимые для выполнения рабочего процесса.
Современная машина имеет ряд механизмов потока информации, осуществляющих управление, контроль или регулирование процесса. Они либо управляются человеком, либо работают без его участия (автоматические машины).
В машину входят также самостоятельные элементы: станина, устройства безопасности, опорные элементы и т.д. Совместно с рассмотренными выше механизмами они образуют так называемые функциональные механизмы и сборочные единицы машин, основными из которых являются: механизмы резания, подачи, базирования, вспомогательных движений, двигательные, передаточные, регулирующие и безопасности.
Двигательные механизмы
Электрический привод включает электродвигатель, аппаратуру управления и передаточные элементы, связывающие электродвигатель с передаточным механизмом, а при отсутствии последнего — непосредственно с рабочими органами машины.Электродвигатель — универсальный механизм, поэтому его применяют во всех функциональных механизмах (главного движения, подачи и др.), и компактный, поэтому его можно устанавливать вблизи рабочих органов. Электрический привод может быть нерегулируемым — с постоянной скоростью передаваемого движения — и регулируемым — со ступенчатым и бесступенчатым регулированием скорости.
Основной частью нерегулируемого электропривода являются асинхронные электродвигатели трехфазного тока. В деревообрабатывающем оборудовании применяют преимущественно асинхронные короткозамкнутые электродвигатели переменного тока единой серии 4А мощностью 0,06...400 кВт с высотой оси вращения 50... 355 мм. В зависимости от мощности КПД этих двигателей изменяется в интервале 50...94,5 %. Чем меньше мощность, тем меньше КПД.
П ри установке быстроходных рабочих органов непосредственно на валы двигателей применяют специальные электродвигатели с удлиненным ротором серии 4АД, мощностью 0,25...7,5 кВт с синхронной частотой вращения 300; 3600; 6000; 12000 и 18 000 мин-1.
Регулируемый электропривод применяется в деревообрабатывающем оборудовании преимущественно в механизмах подачи. По характеру регулирования различают приводы со ступенчатым и бесступенчатым изменением скорости.
При работе приводов механизмов подачи и вспомогательных устройств требуется снижение частоты вращения выходного вала по сравнению с частотой вращения вала электродвигателя. В этом случае двигатели заменяют моторами-редукторами, а для регулируемого по скорости привода используют моторы-вариаторы-редукторы и роторные гидромоторы. Эти приводы (рис. 62) компактны и удобны в эксплуатации. Моторы-редукторы компонуются из стандартных фланцевых электродвигателей и редукторов на лапах или с фланцем, которые могут быть цилиндрического, планетарного или волнового типов. Моторы-вариаторы-редукторы включают еще дополнительное промежуточное звено — клиноременный вариатор, что позволяет регулировать величину скорости.
При использовании комбинированных электроприводов от двигателей мощностью 0,25...22 кВт с частотой вращения 700...2900 мин-1 крутящий момент на выходном валу составляет Мкр = 90...4000 Нм, частота вращения п = 7...450 мин-1.
Гидродвигатели — это машины для преобразования энергии потока жидкости в механическую энергию вращательного или поступательного движения рабочего органа. Гидродвигатели с неограниченным ходом называют гидромоторами, а с ограниченным ходом — гидроцилиндрами. Первые предназначены для придания рабочему органу вращательного движения. Они могут быть низкомоментными (быстроходными) и высокомоментными (тихоходными). Быстроходные гидромоторы характеризуются малым отношением крутящего момента Мкр и частоты вращения п: Мкр/п = = 0,001... 1 Н -м/мин-1. Для тихоходных это отношение достигает 20 000 Н-м/мин-1.
В гидроприводах вращательного движения поворотных устройств агрегатных станков и автоматических линий, а также в приводах вращения ходовых винтов силовых узлов применяют шестеренные МНШ, аксиально-поршневые Г15-2 и аксиально-радиальные МР-Ф гидромоторы.
Технические характеристики гидромоторов
МНШ | Г15-2 | |
Расход масла, кг/мин | 12...64 | 11 ...153 |
Частота вращения, мин-"1 | 300... 1600 | 1300...2400 |
Крутящий момент, Н м | 50... 70 | 10 ...140 |
Эффективная мощность, кВт | 9,5... 14 | 0,8...14 |
Объемный КПД | 0,9...0,98 | 0,9...0,98 |
Потребляемая мощность, кВт, насосов всех типов может быть определена по формуле
где р — давление в системе, МПа; Q — расход жидкости, л/мин.
Эффективная (отдаваемая) мощность, кВт:
где ?0 — объемный КПД гидромотора.
Необходимая производительность насоса, подающего масло к гидромотору, определяется по формуле
где q — удельный расход масла гидромотора, см3/об.
В станках и автоматических линиях, выпускаемых в России, широко применяются нерегулируемые аксиально-поршневые гидромоторы Г15-2 (рис. 63). Масло насосом подается в одну из полостей 11 и через окна 12 крышки-распределителя 6 поступает в цилиндры 7, расположенные в блоке 5, под поршни 8. Давление от поршней через толкатели 10 передается на наклонный радиально-упорный шарикоподшипник 2, на котором возникает тангенциальная составляющая силы, под действием которой начинает вращаться барабан 9, придавая вращательное движение выходному валу 1. Блок цилиндров 5 получает вращение от барабана 9 через поводок 4 и прижимается к крышке-распределителю 6 пружиной 3. Изменение направления вращения вала осуществляется изменением направления подачи масла в полости 11 крышки-распределителя 6.
Для преобразования энергии потока жидкости в механическую энергию возвратно-поступательного или возвратно-поворотного движения выходного звена применяют силовые гидроцилиндры к качестве двигателей ограниченного хода.
Гидроцилиндры (рис. 64) могут быть одно- и двустороннего действия с высоким объемным КПД (?0 = 0,98...0,99). При подборе гидроцилиндра задаются усилием на штоке и по рабочему давлению в трубопроводе на основании уравнения F = pS определяют размеры поперечного сечения цилиндра, пренебрегая давлением в сливной части. В этой формуле S — величина активной площади поршня. У гидроцилиндров двустороннего действия с односторонним штоком или различными по площади поперечного сечения штоками движения в противоположных направлениях будут осуществляться с различными скоростями. Отношение диаметра штока к диаметру цилиндра выбирается конструктивно и изменяется в широких пределах: dшт/D = 0,2... 0,7.
П ри небольших перемещениях, но с большими усилиями, применяют мембранные (диафрагменные) гидроцилиндры. Активная площадь в таких конструкциях приближенно определяется по формуле
где D — диаметр заделки мембраны; d — диаметр жесткого диска.
Силовые гидроцилиндры характеризуются рядом показателей, которые рассчитываются по следующим формулам.
Расход жидкости Q, л/мин, при заданной скорости поступательного движения vs, м/мин, и рабочей площади поршня S, см2:
Рабочая площадь поршня S, см2, при диаметрах, мм, цилиндра D, штока dшm, плунжераDпл:
для противоштоковой полости
для штоковой полости
для плунжерного цилиндра
Развиваемое усилие F, Н, при разности давлений в полостях нагнетания и слива Ар,МПа:
Мощность Р, кВт:
В гидросистемах деревообрабатывающих станков гидронасосы создают давление до 6,5 МПа, а в системах гидравлических прессов до 40 МПа. Для обеспечения равномерности хода поршня в штоковой полости цилиндра создают давление 0,3... 0,5 МПа дросселированием или установкой подпорного клапана на сливной части.
Наряду с гидравлическими приводами широко распространены пневматические. По принципу действия они практически не отличаются от гидравлических, но конструкции элементов системы вследствие отличия физических свойств воздуха от свойств жидкости имеют особенности. Давление в производственных пневмосистемах составляет обычно 0,4... 1,0 МПа.
В конструкциях деревообрабатывающих станков и автоматических линий наиболее широко применяются поршневые и диафрагменные пневматические двигатели. Поршневые пневмодвигатели имеют цилиндр, шток и поршень, но их конструкция несколько проще, чем у гидравлических двигателей, так как меньше рабочее давление в системе.
Типовой пневмопривод изображен на рис. 65. Поршень 1 перемещается в рабочем цилиндре 2 под действием сжатого воздуха, поступающего попеременно в обе полости цилиндра из магистрали через распределитель 6. В конце хода заданной величины, что определяется положением выключателей, кулачок 3 штока нажимает на рычаг одного из выключателей 4 или 5 системы управления распределителя. В положении, изображенном на рис. 65, а, поршень перемещается вправо, приводя в рабочее положение выключатель 5. Когда он займет крайнее правое положение, переключится выключатель 4. Сигнал в виде давления сжатого воздуха поступит на вход распределителя 6, и золотник переместится в правое положение. Сжатый воздух из магистрали через распределитель поступит в правую полость цилиндра 2, и поршень 1переместится влево. В конце обратного хода кулачок на штоке нажмет на конечный выключатель 5, золотник переключится — и цикл повторяется.
В механизмах, где не требуется больших перемещений, широко распространены диафрагменные пневмодвигатели (рис. 65, б) с плоской и тарельчатой мембраной. Двигатель состоит из разъемного корпуса 5, в котором размещается мембрана 1,изготовленная из эластичного резинотканевого материала. При подаче сжатого воздуха через распределитель 4 и штуцер 3 мембрана прогибается и, воздействуя на диск 2,перемещает шток 7 на величину хода S. Обратный ход мембраны происходит под действием пружины 6. В зависимости от диаметра и вида мембраны ход штока с сохранением на нем величины усилия составляет 10...30 мм. Усилие F наштоке в конце его хода можно определить по формуле
где D и d — диаметры соответственно мембраны и диска, мм; р — давление сжатого воздуха в магистрали, МПа; Fnp — сила пружины в конце хода штока, Н.