НАУЧНИ ТРУДОВЕ НА РУСЕНСКИЯ УНИВЕРСИТЕТ , том 52, серия 2 Прогнозиране на консумираната мощност на главни преводи на стругове с ЦПУ чрез симулац

Препис

1 Прогнозиране консумирата мощност главни преводи стругове с ЦПУ чрез симулационно моделиране Петър Ангелов, Красимир Иванов Power Consumption Forecast of CNC Lathe Main Drives by Computer Simulations: This paper presents an approach for forecast and investigation of the mechanical power consumption of CNC Lathe Main Drives using 3D-modeling and digital prototyping. Key words: CNC Lathe Main drives, Power Consumption, Digital prototyping. ВЪВЕДЕНИЕ Повишаването енергийта ефективност металорежещите машини (ММ) и в частност машините с ЦПУ се търси основно в две соки. Едта е свърза с маляване консумирата електрическа енергия в процеса експлоатация чрез съставяне оптимални планове [6, 7, 9, 10], а другата със създаване енергийно-ефективни ММ чрез проектиране и производство енергоспестяващи възли и системи за тях [14]. В [11] са предложени някои основни принципи за изграждане структурата енергийно-ефективни ММ, които позволяват чрез дефиниране производствета програма и технологичните процеси, за които е предзче машита, да се извършва избор кинематич структура, подходящи компоненти, системи за управление и степен автоматизация. В [8] е предложен подход за симулиране консумацията електрическа енергия чрез моделиране взаимодействието между компонентите ММ, като е отделено внимание основно охладителта система. Както е известно, един от енергоемките възли ММ е главният превод. Липсата данни за мощността за задвижване празен ход, както и за допълнителните загуби мощност, затруднява точното определяне мощността задвижващия електродвигател в процеса проектиране. Затова мощността двигателя й-често се избира в зависимост от необходимата максимал мощност рязане и ориентировъчно приета стойност за к.п.д. превода или по алогия с изпълнени конструкции. Количествено установяване консумирата мощност досега е извършвано чрез експериментални енергийни изследвания ММ [2, 3, 4] като изследователите са се ориентирали към измерване мощността консумирата електрическа енергия при установен режим работа. Този подход не дава възможност да се разграничат механичните разходи мощност от електрическите в главния превод и неговата система за управление. Освен това в литературата липсват опитни данни за разпределение разходите мощност между механизмите главния превод, както и данни за консумирата мощност в периода ускоряване превода. Не е известно и изменението електрическите загуби мощност. Трудностите при определяне необходимата мощност за задвижване главния превод при традиционните методи проектиране са свързани с определянето масовите и инерционните характеристики детайлите при ранните стадии проектиране. Използването CAD-системи и 3D-Solid моделиране позволява в процеса проектиране да се разполага с такива данни, което от своя стра дава възможност за изследване движението механични системи чрез компютърни симулации. В стоящата работа се предлага един подход за прогнозиране и изследване механичта мощност за задвижване главни преводи стругове с ЦПУ чрез използване 3D-Solid модел превода и изследване неговото движение с помощта софтуер за кинематичен и димичен ализ. Като пример е взет

2 главният превод струг с ЦПУ СТ161, за който се разполага с експериментални данни за мощността консумирата електрическа енергия при струговане [2]. 3DSolid моделът е разработен в среда SolidWorks 2012, а изследванията са проведени с пакета SolidWorks Motion [5]. УСЛОВИЯ НА МОДЕЛИРАНЕТО На базата конструкторска документация е създаден геометричният 3D-Solid модел главния превод спометия по-горе струг с ЦПУ. Главният превод струга СТ161 се състои от вретен кутия (фиг.1), задвижва от регулируем електродвигател посредством предавка с поликлинов ремък. Вретеното, заедно с монтираните него детайли, с изключение вретенните лагери, е моделирано като един детайл с оглед маляване обема пресмятанията и съкращаване времето за симулации. За търкалящите лагери са използвани геометрични модели от библиотеката Toolbox SolidWorks. В модела вретента кутия като сглобе единица, с помощта ограничения за сглобяване, са отнети пет степени свобода вретеното и е осигуре само ед ротация около собствета му ос. На базата геометричния модел, чрез пакета SolidWorks Motion, е създаден кинематичен и димичен модел главния превод за изследване неговото движение. В димичния модел, вретенните опори се Фиг.1. 3D-Solid модел вретен моделират като елaстични опори с триене кутия струг с ЦПУ СТ161 чрез елементи от типа контакт между лагерите и вретента кутия. Приета е корави едноредовите радиалноаксиални сачмени лагери в предта опора j = 8 DaN/μm, а двуредния ролков лагер в задта опора j = 70 DaN/μm [1]. За всички лагери е зададен максимален коефициент демпфиране h = 40 N.s/m [15] и степенен показател за определяне демпфиращата сила n = 1,5 [13]. Димичният коефициент триене в лагерите е приет по препоръки SKF: за едноредните сачмени радиално-аксиални лагери μ = 0,0015, а за двуредния ролков лагер - μ = 0,0011 [12]. С ремъчта шайба в задния край вретеното се свързва двигател за въртеливо движение (фиг.2), който, като резултат от симулациите, се търси консумирата мощност при различни честоти въртене и различно товарване. g За отчитане влиянието собственото тегло подвижните детайли в модела се Pec включва и действието гравитация с ускорение g = 9,80665 m/s2 [13]. Фиг.2. Моделиране електродвигател и гравитация

3 Предният край вретеното се товарва с компонентите силата рязане (фиг.3). Главта сила рязане Fc се определя по формулата: Ff Fc Fc = C Fc. a pxfc. f Fp y Fc.vcnFc където a p е дълбочита рязане,mm; f - подаване, mm/rev; vc - скорост рязане, m/min; Mc x Fc, y Fc, n Fc - степенни показатели, а изчислета мощност рязане по формулата: Pc = Фиг.3. Моделиране работното товарване Fc.Vc, kw Прието е нормалта сила рязане Fр да е 40% от главта сила (Fp = 0,4.Fc), а силата подаване Ff 20% от главта сила (Ff = 0,2.Fc). Симулационното моделиране е проведено с помощта матрицата планиране опитите, използва при експерименталното изследване посочения главен превод. Главта сила рязане е определе в точките от факторното пространство, прието за провеждане «диаголните» експерименти, проведени чрез вариране с дълбочита рязане, подаването и скоростта рязане [2]. За целите дигиталния експеримент главта сила рязане се заменя с дима (съсредоточе сила, миваща през оста вретеното и въртящ момент). При всеки опит се симулира работата главния превод в продължение 5 сек., от които първите две секунди са за ускоряване вретеното празен ход до честотата въртене за съответния опит, а осталите три за работа под действие силите рязане. РЕЗУЛТАТИ ОТ ИЗСЛЕДВАНЕТО С помощта пакета SolidWorks Motion е изследва необходимата механич мощност за задвижване вретеното при различни сили рязане и различни честоти въртене. На фиг.4 е показано изменението прогнозирата механич мощност главния превод Рпр в зависимост от товарването при различни честоти въртене. С увеличаване изчислета мощност рязане Рси, прогнозирата мощност Фиг.4. Зависимости Pпр=f (Pcи) при различни главния превод раства, като честоти въртене остава виги по-голяма от

4 изчислета поради отчитането механичните загуби от триене в лагерите. При това зависимостите са близки до линейни. С увеличаване скоростта рязане прогнозирата мощност също раства. На фиг.5 е показано изменението относителния дял механичните загуби в зависимост от мощността рязане при различни честоти въртене. С растване мощността рязане относителният дял механичните загуби малява т.е., к.п.д. превода се увеличава. Фиг.5. Относителен дял механичните загуби в На фиг.6 е показано зависимост от мощността рязане при различни изменението прогнозичестоти въртене рата мощност в зависимост от производителността формообразуване (MRR) при различни честоти въртене. Резултатите показват, че при ед и съща скорост рязане прогнозирата мощност раства с увеличаване производителността. Разликата между прогнозираните стойности за мощността, представени чрез линии и изчислените стойности за мощността рязане, представени чрез точки, раства с увеличаване скоростта рязане. На фиг.7. е показано изменението прогнозирата Фиг.6. Зависимости Pпр=f (MRR) при различни мощност в зависимост от честочестоти въртене тата въртене при различни мощности рязане. При ед и съща изчисле мощност рязане, с увеличаване честотата въртене прогнозирата мощност главния превод раства, като тази тенденция е по-ясно изразе при по-малките мощности рязане. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Получените резултати показват, че изложеният подход може да се използва при проектирането главни преводи за ММ с ЦПУ. Той дава Фиг.7. Зависимости Pпр=f (n) при различни мощности

5 възможност чрез виртуално прототипиране да се получава информация за мощността за задвижване главния превод като се отчитат и допълнител-ните загуби мощност с достатъч за практиката точност. Това позволява да се извършва и по-обоснован избор електродвигател за задвижване главните преводи като се взема предвид не само работното товарване, а и димиката превода. ЛИТЕРАТУРА [1] Велчев, С. Металорежещи машини, част 1. Русе, Печ. База Русенски университет, [2] Велчев, С., Колев, И., Иванов Кр., Ненов Г. Изследване мощността консумирата електрическа енергия при струговане. // Науч. Тр. РУ «А. Кънчев», Русе, т.51, серия 2, 2012, [3] Енчев, П. Енергетични изследвания металорежещи машини. // Науч. Тр. На ВТУ «А. Кънчев», Русе, т.хххv, серия 1, 1994, [4] Колев, И., Иванов, К., Ненов, Г., Гечевски, С. Изследване коефициента полезно действие системата главен превод стругове с ЦПУ.// Науч. Тр. На Русенски университет, Русе, т.50, серия 2, 2011, [5] Cosmos Motion. User s guide, [6] Dietmair, A., Verl, A. A generic energy consumption model for decision making and energy efficiency optimization in manufacturing. Int. Journal of sustainable engineering, vol. 2, 2, June 2009, [7] Dietmair, A., Verl, A. Energy Consumption forcasting and optimization for Tool Machines. Modern Machinery Science Journal, March, 2009, [8] Eisele, C., Schrems, S., Abele, E. Energy Efficient Machine Tools through Simulation in the Design Process. Proceedings of the 18th CIPR International Conference on Life Cycle Engineering. Technical University of Braunschweig, May 2011, [9] Heinzl, B., Dorn, Cr., Dimitriou, A. Object-oriented Modelling of Machine Tools for Energy Efficiency Analysis in Production. Vienna University of Technology, [10] Herrmann, Ch., Thiede, S. Process chain simulation to foster energy efficiency in manufacturing. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. Vol 1, 2009, [11] Neugebauer, R., Wabner, M., Rentzsch, H., Ihlenfeld, S. Structure principles of energy efficient machine tools. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. Vol 4, 2011, [12] SKF. General Catalogue. School Edition, [13] SolidWorks On-line help Motion Studies. [14] Sulitka, M., Novotny, L., Sleda, J., Strakos, P., Hudes, J., Smalik, J., Vlach, P. Machine Tool Leightweight design and advanced control Techniques. MM Science Journal, October, 2008, [15] Wensing, J. On the dynamics of ball bearings. PhD Thesis. University of Twente, Enschede, The Netherlands, December, За контакти: Доц. д-р Петър Ангелов, катедра ТММРМ, Русенски университет А. Кънчев, тел.: , е-mail: pangelov@uni-ruse.bg Доц. д-р Красимир Иванов, катедра ТММРМ, Русенски университет А. Кънчев, тел.: , е-mail: kivanov@uni-ruse.bg Докладът е рецензиран