Двигатели пневматических ручных машин.

Т2. ДВИГАТЕЛИ РУЧНЫХ МАШИН

 

Ключевые слова и понятия: удельная мощность (2.1), поршневые двигатели (2.2), турбинные двигатели (2.3), ротационные двигатели (2.4), шестеренные двигатели (2.5), преобразователь тока (2.6)

 

 

ВХОДНАЯ ИНФОРМАЦИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

Приступая к изучению данной темы, ВАМ необходимо восстановить в памяти (или восполнить) знания из прошлых периодов обучения: с курса «Деталей машин»: понятияудельная мощность (2.1).

 

СОДЕРЖАНИЕ ТЕМЫ

Классификация двигателей ручных машин.

Электропривод ручных машин.

Двигатели пневматических ручных машин.

2.3. Шестеренные двигатели.

2.4. Поршневые двигатели.

Ротационные двигатели

2.6. Турбинные двигатели.

Преобразователи тока.

2.9. Штепсельные coeдинения

2.10. Подсоединительный кабель.

 

Классификация двигателей ручных машин.

Электрические ручные машины (1.1) (РМ) приводятся в действие электрическими двигателями. Приводом электромеханических РМ служат:

- однофазные коллекторные двигатели, включаемые в осветительную сеть нормальной частоты (50 ГЦ) и напряжением 220 В;

- асинхронные 3-х фазные с короткозамкнутым ротором нормальной частоты (50 Гц) и повышенной (240 Гц) частоты и напряжением 220 и 36 В.

Для привода фугальных электрических РМ используют однофазные магниты с возвратно-поступательным движением якоря.

Преимущественное распространение получили (до 70%) однофазные коллекторные двигатели с двойной изоляцией мощностью 120…1150 Вт, частотой вращения якоря 200…300 1/с. Они характеризуются высокой удельной мощностью (2.1), способностью выдерживать кратковременные перегрузки, нечувствительностью к колебаниям напряжения в питающей электросети, невысоким уровнем пускового тока.

Пневматические (1.3)РМ приводятся в действие двигателем, работающим от сжатого воздуха. В пневматических РМ вращательного действия применяются в основном поршневые (2.2), турбинные (2.3), ротационные (2.4) и шестеренные (2.5) двигатели.

Данные пневмодвигателей РМ:

- поршневые – N = 0,4…4 кВт, частота вращения 7,5…38 1/с

- турбинные – N до 0,4 кВт, частота вращения до 350 1/с

- ротационные – N = 0,18…2,6 кВт, частота вращения до 350 1/с

- шестеренные – N = 0,2 и выше.

Для пневматических РМ ударного действия (отбойных, клепальных молотков и др.) применяют поршневые двигатели со свободным движением поршня.

 

 

Электропривод ручных машин.

 

Ручные электрические (1.2) машины приводятся в действие электродвигателем. Электродвигатели питаются электрическим током, который поступает от электросети. Электрический ток используется как постоянный, так и переменный с промышленной частотой 50 Гц. С целью уменьшения массы машины применяется ток повышенной частоты – 200 Гц. Используемое напряжение электрического тока 220 и 36 В.

Классификация электродвигателей. По роду питаемого электрического тока электродвигатели делятся на универсальные однофазные коллекторные, работающие от постоянного и переменного тока нормальной частоты (50 Гц) и короткозамкнутые одно- и трёхфазные.

Короткозамкнутые однофазные двигатели не применяются в ручных машинах из-за большой массы и низких пусковых качеств. Применяются короткозамкнутые 3-х фазные двигатели, работающие от переменного тока нормальной и повышенной частоты. При этом масса машины с короткозамкнутым электродвигателем, работающим на переменном токе нормальной частоты, в 3 раза больше массы машины с короткозамкнутым электродвигателем, работающем на токе повышенной частоты при одинаковой мощности. Наименьшую массу имеет машина с коллекторным двигателем, работающим на однофазном переменном токе повышенной частоты (200..300 об/с).

Наибольшее распространение в ручных машинах получили асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором.

Электродвигатели имеют 2 основных режима работы:

- повторно-кратковременный,

- продолжительный.

Повторно-кратковременным называется такой режим, при котором работа двигателя чередуется с остановками продолжительностью не более 10 мин. Если двигатель в течение 10 минут периода работает 4 мин, а 6 мин. Стоит, то двигатель работает в повторно-кратковременном режиме и имеет продолжительность включения ПВ 40%. Число ПВ является характеристикой режима работы электродвигателей.

Продолжительным называется такой режим, когда электродвигатель может работать без остановок, т.к. температура его обмоток не превышает допустимую за счет охлаждающего воздуха.

Двигатели пневматических ручных машин.

Представляют собой переносное устройство, имеющее пневматический привод, который преобразует энергию сжатого воздуха в механическую работу, производимую рабочим органом. Управление машиной и все необходимые технологические процессы осуществляются оператором вручную, поэтому требуются, чтобы пневматические машины были безопасными, надежными в работе и имели по возможности меньшие габариты и массу.

Хотя адиабатический КПД пневмодвигателей довольно высок (55…65%), но с учетом компрессорных установок, потерь давления и утечек воздуха в воздухопроводах общий КПД ручных пневмомашин равен 7…11%, что значительно меньше, чем у электрических.

Пневматические (1.3) машины требуют дорогостоящих компрессионных установок, воздухопроводной сети, работа машин вызывает повышенный шум, отдачу и вибрацию. Но наряду с перечисленными недостатками пневматические ручные машины имеют существенные преимущества: безопасность, надежность и безотказность в работе, нечувствительность к перегрузкам, способность работать в тяжелых условиях (сырость, запыленность), значительно упрощается привод рабочего органа с поступательным характером движения, меньшие габариты и вес, относительная простота конструкции, сравнительно низкая стоимость.

Особенно широко используются пневматические машины ударного и ударно-вращательного действия.

2.3. Шестеренные двигатели.

 

Шестеренные пневматические двигатели изготовляются с прямыми, косыми и шевронными зубьями.

Двигатели с прямыми зубьями работают без расширения сжатого воздуха и могут реверсироваться переменой направления подачи сжатого воздуха или посредством редуктора.

Двигатели с косыми зубьями (с большим углом наклона), а также двигатели с шевронными зубьями работают с расширением сжатого воздуха. Реверс этих двигателей осуществляется как правило посредством редуктора.

Двигатели с косыми зубьями имеют значительные преимущества по сравнению с прямозубыми двигателями, т.к. менее чувствительны к погрешностям монтажа, имеют больший коэффициент перекрытия зубьев, более низкое удельное давление на боковую поверхность и меньшие размеры (при равной мощности).

Двигатели с шевронными зубьями работают с расширением сжатого воздуха, в связи с чем имеют высокий КПД и не имеют осевого давления.

Шестеренные двигатели (2.5) просты по конструкции, допускают некоторую перегрузку, имеют меньшие размеры по сравнению с поршневыми двигателями. Существенными недостатками этих двигателей является: большой шум, большой общий вес и повышенный расход воздуха на 1 кВт мощности. Обычно отбор мощности производится с одного вала ротора, а второй ротор передает мощность первому. Эффективная мощность двигателя, роторы которых имеют одинаковое число зубьев (кВт)

где  - среднее теоретическое индикаторное давление,

,

P₁, Р₂ - соответственно давление сжатого воздуха навсасе и выхлопе,

f - площадь впадины;

l_p- длина ротора;

 - относительная величина вредного пространства;

Z - число зубьев ротора;

п_н - частота вращения;

 - КПД механический.

Полезный расход сжатого воздуха

где l - работа совершаемая 1 кг воздуха.

При работе двигателя с полным наполнением:

Действительный расход воздуха, учитывая коэф. утечек η_у,

2.4. Поршневые двигатели.

Поршневые двигатели (2.2) эти двигатели имеют ряд преимуществ по сравнению с другими пневматическими двигателями:

- допускается перегруз;

- простота управления;

- малая утечка сжатого воздуха;

- легко реверсируется изменением направления движения поступающего сжатого воздуха.

Недостатки:

- имеют большие габаритные размеры;

- сравнительно тихоходы.

Эффективная мощность поршневого двигателя

где D, S - диаметр цилиндра и ход поршня;

 Z₁ - число цилиндров;

п – частота вращения;

 - теоретическое индикаторное давление;

 η_мех - КПД механический.

Полезный расход воздуха

l - работа совершаемая 1 кг воздуха.

Действительный расход воздуха

где η_у - коэффициент утечек.

 

Ротационные двигатели

 

Относятся к объемным типам двигателей и работают с частичным расширением сжатого воздуха. В качестве рабочего органа эти двигатели имеют пластины переменного сечения.

Достоинства:

- малый вес и габариты;

- высокая безопасность;

- способность работать с перегрузками;

- простота устройства.

Недостатки:

- большой шум при работе;

- наивыгоднейший режим работы лежит в зоне высоких частот вращения, что вызывает большое трение лопаток о статор, приводящее к быстрому износу лопаток и снижению механического КПД;

- большой расход смазки.

Мощность развиваемая двигателем (кВт):

где А - работа, совершаемая лопаткой за 1 оборот ротора;

  п - частота вращения ротора;

  z - число лопаток в роторе двигателя.

Теоретическая мощность ротационного двигателя

где  - теоретическое индикаторное давление;

V_max - максимальный объем межлопатного пространства;

λ_у – коэффициент сужения, учитывает уменьшение полезной площади камеры за счет толщины лопаток;

ζ- относительная величина вредного пространства;

п – частота вращения;

Полезный расход воздуха:

Действительный расход воздуха

 

Турбинные двигатели.

Отличаются от объемных тем, что преобразовывают кинетическую энергию сжатого воздуха непосредственно в механическую работу.

В турбинных пневмодвигателях сжатый воздух входит в суживающиеся сопла с косым срезом с начальным давлением P₁, затем расширяясь до P₂ воздух с большей скоростью выходит на лопатки ротора. Обтекая лопатки, сжатый воздух отдает часть энергии ротору двигателя.

В турбинных пневмодвигателях (2.3) используется активный принцип, т.е. расширение воздуха полностью происходит в сопле. Эти двигатели обычно выполняются одноступенчатыми, т.е. с одним рабочим колесом и чаще с одним венцом рабочих лопаток.

Турбинные двигатели целесообразно применять там, где требуется большая частота вращения, а нагрузка на двигатель и скоростной режим постоянны.

Достоинства:

• минимальный вес на единицу мощности двигателя;

• малые габаритные размеры;

• возможность иметь на базе одного размера двигателя, двигатели разной мощности посредством установки различного количества сопел, что сократит число типов двигателей для эксплуатационных целей;

• большие скорости рабочего колеса, что позволяет соединять вал двигателя непосредственно с валом исполнительного механизма (без редуктора).

Недостатки:

- низкий КПД при малых мощностях;

- сложность реверсирования;

- понижение КПД при резком изменении режима работы двигателя;

- невозможность работы на низких частотах вращения.

Мощность, подводимая к двигателю со сжатым воздухом при адиабатическом расширении, кВт:

где G - секундный расход весового количества воздуха через сопло;

 L_ад - работа 1 кг воздуха при адиабатическом расширении.

Количество воздуха, которое будет расходоваться двигателем, кг/с

 

Преобразователи тока.

Преобразователь тока (2.6) выпускаются мощностью от 0,6 до 4 кВ*А.

Преобразователь состоит из статора, ротора, верхнего и нижнего щитов. Щиты и статор стянуты между собой центральной осью, на которой вращается ротор машины. Для переноски преобразователя имеется рым-болт.

В пазах статора расположены 2 обмотки: первичная — для подключения к сети частотой 50 Гц и вторичная - для получения повышенной частоты 200 Гц. Первичная обмотка - 2-х полюсная, вторичная 8-ми полюсная.

При подключении первичной обмотки к сети образуется вращающееся электромагнитное поле: ротор начинает вращаться и во вторичной обмотке статора образуется ток частотой 200 Гц. При нагрузке ротор преобразователя вращается синхронно с магнитным полем и повышенная частота переменного тока остается постоянной.

Преобразователь тока ИЭ-9401 переносной двухмашинный асинхронный позволяет преобразовать 3-хфазный переменный ток промышленной частоты напряжением 380/220 В в 3-х фазный переменный ток частотой 200 Гц, напряжением 36В.

Преобразователь состоит из 2-х полюсного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и 6- полюсного асинхронного генератора с фазным ротором.

При подключении преобразователя к сети ток поступает в статор двигателя и через щётки и коллектор к ротору генератора. При поступлении тока в статор двигателя его ротор начинает вращаться, а вместе с ним и ротор генератора. Подведенный к ротору генератора ток частотой 50 Гц создает в его обмотке вращающееся магнитное поле, которое индуктирует в обмотке статора генератора ток частотой 200 Гц. Обмотка статора генератора выведена на клемную панель, к которой подключается ручная электромашина.

Преобразователь рассчитан на длительный режим работы. Включать машину можно после того, как преобразователь наберет номинальную частоту вращения.

Преобразователь тока ИЭ-9402 отличается от преобразователя ИЭ-9401 закрытым исполнением и вторичным напряжением 220 В.

Конденсаторный преобразователь позволяет включать в однофазную сеть промышленной частоты напряжением 220 В машины с 3-х фазным электродвигателем мощностью 375…800 Вт, в котором обмотка статора соединена «звездой».

Конденсаторный преобразователь состоит из металлического шкафа, в котором смонтированы 4 конденсатора типа МБГ-МН ёмкостью 8 мкФ каждый, пакетного переключателя с ручкой типа ЛК-2-10-Н2 и колодки штепсельной 3-х фазной розетки.

Переключатель имеет 3 положения для переключения ручных машин с двигателем различной мощности:

- 375...510 Вт

- 520…600 Вт

- 760…800 Вт

Для безопасного пользования преобразователя и электромашиной их необходимо заземлять через клемму заземления, которая должна быть соединена с приводом основного заземления. Включив электромашину через преобразователь, ей 1 .. 1.5 мин дают поработать вхолостую.

Частота вращения ротора высокочастотного двигателя

где f – частота питающего тока, Гц;

Р - число пар полюсов в обмотке статора.

Высокая частота вращения вала ротора позволяет уменьшить габаритные размеры и массу двигателя и машины, несмотря на наличие редуктора. Так, сверлильная ручная машина с трехфазным асинхронным электродвигателем нормальной частоты имеет удельную мощность (2.1) 20…40 Вт/кг, с коллекторным двигателем 30…65 Вт/кг, а с высокочастотным 50…110 Вт/кг.

Для питания высокочастотного двигателя необходимо преобразовать промышленную частоту 50 Гц в 200 Гц. Эту функцию выполняет преобразователь тока. Преобразователь может не только изменять частоту тока, но и снизить напряжение с 380/220 до 36 В, что обеспечивает безопасную эксплуатацию электромашин в любых условиях.