Проблемы машиностроения и надежности машин, 2023, № 1, стр. 108-112

Одним из возможных путей повышения эффективности функционирования сложных систем является метод когерентной работы отдельных элементов системы. В настоящее время основные работы по обеспечению когерентной работы компонентов сложных систем сосредоточены в области электроэнергетических систем [1–7].

На основе сравнения работы отдельных компонентов сложных систем и определения их когерентности разрабатываются методы контроля технического состояния механических систем [8, 9].

Когерентная работа компонентов оборудования добывающих и обрабатывающих систем практически не рассматривается.

Вопросы когерентной работы машиностроительного оборудования рассмотрены лишь компанией Форд в части когерентной работы металлообрабатывающих центров, оснащенных большим количеством режущего инструмента [10].

Основу механического обрабатывающего оборудования составляют станки, содержащие в своем составе генераторы и потребители механической мощности. Синхронизация их работы в части выработки и потребления механической мощности является одним из путей повышения эффективности материалообрабатывающего оборудования.

Настоящая статья содержит научно-техническое обоснование повышения эффективности материалорежущих станков за счет когерентной работы источника и потребителя механической мощности.

В качестве источника механической мощности в механическом материалообрабатывающем оборудовании применяются асинхронные и синхронные электрические машины. Вал электрического двигателя посредством механической передачи или напрямую соединяется с режущим инструментом. Далее в настоящей статье будем исходить из условия прямого соединения вала приводного электродвигателя с механическим режущим инструментом.

Из курса электротехники хорошо известна угловая характеристика синхронного двигателя (рис. 1).

Рис. 1.

Угловая характеристика синхронного электродвигателя: М – крутящий момент, развиваемый на валу электродвигателя; М_н – номинальный крутящий момент; М_макс – максимальный крутящий момент; Θ – угол поворота вала двигателя.

В монографии Ю.Н. Внукова [11] представлена форма колебаний силы резания (потребного крутящего момента) для условия неравномерного фрезерования с выходом соседних зубьев фрезы из зацепления с деталью (рис. 2).

Рис. 2.

График колебаний силы резания при неравномерном фрезеровании: Р – усилие резания; Т_z – период зубцовой частоты фрезы; t_рез – время резания; t_х.х. – время холостого хода.

Для случая, когда один зуб фрезы выходит из зацепления, а второй сразу входит, время холостого хода будет стремиться к нулю, а колебания силы резания будут стремиться к положительному синусоидальному закону.

Сравнивая графики, представленные на рис. 1, 2 можно заметить, что генерация крутящего момента электродвигателем и потребление крутящего момента фрезой совпадают по форме. При полном совпадении по фазе колебаний генерируемого и потребляемого крутящего момента при прямом приводе режущего инструмента металлорежущего станка можно достигнуть его когерентной работы. Естественным условием работоспособности механизма является превышение или равенство по амплитуде генерируемого крутящего момента и затрачиваемого на резание материала. Также важным условием является равенство количества полюсов приводного электродвигателя количеству режущих зубьев фрезы.

С целью выявления влияния разницы положения по углу поворота максимумов кривой генерации и потребления крутящего момента на величину суммарного доступного крутящего момента в жестко сцепленной системе вращающихся масс “вал приводного двигателя–фреза” выполним математическое моделирование. Для целей моделирования будем считать, что закон изменения генерируемого и потребного крутящего момента осуществляется по синусоидальному закону. А генерируемый крутящий момент полностью расходуется на компенсацию потребного крутящего момента в режиме когерентности. Результаты моделирования представлены на рис. 3.

Рис. 3.

Влияние разницы положения по углу поворота максимумов кривой генерации и потребления крутящего момента на величину суммарного доступного крутящего момента: 1 – при угле 0°; 2 – при угле 45°; 3 – при угле 90°; 4 – при угле 135°.

При совпадении максимума генерации и потребления крутящего момента (рис. 3) достигается наиболее стабильный режим работы с колебаниями доступного крутящего момента близкого к минимуму. Наиболее неравномерный режим работы приводного электродвигателя достигается, когда максимум генерации и максимум потребления крутящего момента сдвинуты по отношению друг к другу на угол 90°.

Любое отклонение максимума генерируемого крутящего момента приводит к знакопеременности доступного крутящего момента в смоделированной системе.

Уход в минус доступного крутящего момента для приводного электродвигателя будет означать увеличение скольжения и, как следствие, потерю коэффициента полезного действия в течение примерно 180° угла поворота ротора приводного электродвигателя.

Выводы. 1. Повышение эффективности работы материалорежущего оборудования возможно путем обеспечения оптимального положения между валом приводного электродвигателя и жестко связанного с ним напрямую режущего инструмента. 2. Оптимальное взаимное положение вала приводного электродвигателя и режущего инструмента можно достигнуть при совмещении максимумов генерируемого и потребляемого крутящего момента. 3. Любое отклонение взаимного положения максимума генерируемого и минимума потребляемого крутящего момента приводит к знакопеременным колебаниям крутящего момента в системе вращающихся масс “вал приводного электродвигателя–режущий инструмент”. 4. Недостаток генерируемого крутящего момента для преодоления потребного крутящего момента ведет к увеличению скольжения приводного электродвигателя и локальному снижению коэффициента полезного действия в течение примерно 180 градусов угла поворота вала приводного электродвигателя.