A főorsók nyomában II. – Hajtás problémák

„Melyik a legjobb szerszámgép?” Sokszor hallhatja az ember ezt a kérdést. Manapság sok gyártó vonultatja fel széles szerszámgép palettáját. Különböző gépváz, főorsó, vezetékezési- és hajtásrendszer kialakítások lelhetőek fel ma a piacon. Vannak gyártók, akiknek a termék kínálatuk a lehetséges konstrukciós megoldások szinte mindegyikét lefedi. Vannak, akik egy adott kialakításra esküsznek. De kinek van igaza? A következő írásomban egy szemszögből szeretném megvizsgálni a fent említett kérdést, a főorsó kialakítások szemszögéből.

Hajtás problémák

Fordulatszám probléma

A főorsó teljesítmény határait nem a főorsó motorok teljesítménye és fordulatszáma korlátozza le, bármekkora teljesítményű, fordulatú motor építhető. A technikai korlátok mechanikai okokra vezethetőek vissza. Általában egy főorsó kialakítás áll egy főorsó hajtó motorból és egy tengelyből, mely a főorsóházban csapágyazva van, ehhez kerül rögzítésre a szerszámbefogó megmunkáló központoknál, a tokmány eszterga központoknál. Ideális esetben a főorsó teljes konstrukciós kialakítása az ideális forgástengely körül forog. Ebben az esetben a főorsó hajtó motornak csak a gyorsítási, lassítási ciklusokban kell munkát végeznie, illetve a belső súrlódásokat kell legyőznie. Valójában soha nincs teljesen középen. A főorsó tengely mindig kiegyensúlyozatlan állapotban van, statikusan (a forgó test szimmetria tengelye adott távolságra kitér az ideális forgástengelytől) és dinamikusan (a forgó test szimmetria tengelye szögben áll az ideális forgástengelytől) kiegyensúlyozatlan (lásd 3.ábra). Az ideális tengely jelen esetben a motor tengelye. A kiegyensúlyozatlanságok növelik a csapágy reakció erőket. Továbbá, ha kis távolságra kitér a forgó test tengelye az ideális tengelytől, forgatásához sokkal nagyobb nyomatékra van szükség, mivel az excentricitás növeli a test tehetetlenségi nyomatékát. Minél nagyobb az excentricitás, a testre ható centrfugális erő is annál nagyobb.

A tényleges főorsó konstrukciók legnagyobb kihívása, mennyire tudják középen tartani a megmunkáló központok esetén a főorsó tengelyt, vele együtt a szerszámbefogót és a szerszámot, esztergák esetén a főorsó tengelyt, vele együtt a tokmányt és a munkadarabot. A főorsó tengely excentricitásának műszaki okai vannak: a főorsóház kimunkált illesztő felületeinek mindig lesz egy tűrésen belüli méret hibája, a főorsó motor tengelyének excentricitása, a tengelykapcsoló hibája, szerszámbefogók és a szerszámok excentricitási hibája. Ezen hibák kiküszöbölésének technológiai és gazdasági korlátai vannak: ha nagyon pontosan le tudnánk gyártani ezeket a szerkezeti elemeket, vajon mennyibe kerülnének. Így az észszerűség és a gazdaságosság határain belül a szerszámgépgyártók saját tűréseiken belül gyártják le alkatrészeiket, mellyel próbálják kordában tartani a főorsók hibáját.

Nyomaték probléma

Ha az elérhető fordulatszámot akarjuk növelni, a megoldás kézenfekvő: a főorsó konstrukció tömegét és tehetetlenségi nyomatékát kell csökkenteni. Általánosan elmondható, hogy ha egy főorsót nagyobb fordulatszámon akarunk forgatni a szerkezeti méreteit csökkenteni, kell. Pl. 8 colos tokmányt körülbelül 4000 – 4500 ford./percen tudunk hajtani, viszont 6 colos tokmányt akár 6000 ford./percen tudunk forgatni; egy 12 000 ford./perces megmunkáló központ főorsó tengelye általában 100-140 mm átmérőjű, ezzel szemben egy 20 000 ford./perces főorsó tengelye 70-90 mm. A karcsúbb mértetekkel csökkentve lett a főorsó tehetetlensége. Viszont a technológiai folyamatokhoz gyakran nagy nyomatékok szükségesek, mely csavaró és hajlító igénybevételnek teszik ki a főorsó tengelyt, melyeket a karcsú kialakítások szilárdságtanilag nem bírják ki.

Teljesítmény probléma

Egy adott teljesítmény mellett, ha növelni akarjuk a fordulatszámot, akkor a nyomaték mindig csökken, és fordítva. A motorok üzemi viselkedését a fordulatszám-nyomatékgörbe alapján írhatjuk le. A motor indításához szükséges elérni egy adott indítási nyomatékot, mely a súrlódások legyőzéséhez és a motor és hozzá kapcsolt elemek tehetetlensége ellenében felgyorsítja a mechanikai rendszert. Aszinkron motoroknál ahol a motor a legnagyobb nyomatékot adja le, azt hívjuk billenési nyomatéknak (lásd 4. ábra), az ez alatti fordulatszám tartományban a motor hajtása instabil. Minden időpillanatban a motor lead egy adott teljesítményt, mely a szögsebesség és a nyomaték szorzata, ha az adott munkapontot elmozdítjuk egy nagyobb fordulatú tartományban, a nyomaték visszaesik.

Hasonló az üzemi viselkedése a szinkron motoroknak is, bár más jellegű a jelleggörbéje.  Erre a megoldás a teljesítmény növelése lenne, nagyobb motor beépítése?

A motorok tekercselésein hő keletkezik. Bármilyen testen, melynek elektromos ellenállása van és elektromos áram halad át rajta, az rajta áthaladó áram teljesítményével megegyező nagyságú hő keletkezik mindig. Vagyis minél nagyobb teljesítményt akarunk elérni, annál nagyobb tekercselésre van szükség, ami fajlagosan több veszteséget jelent. Így a motorok teljesítményeinek gazdaságossági korlátai vannak.

A tekercselések anyagainak villamos ellenállása függ a hőmérséklettől. Minél magasabb a hőmérséklet, annál nagyobb az ellenállása. Így a tekercselések folyamatosan hőt adnak le, melyek növelik az ellenállást, így a motor által ténylegesen leadható teljesítmény (tengely teljesítmény) csökken (lásd 5. ábra).

Szerző:Juhász Miklós

Képek forrása:
[1] support.automation.siemens.com
[2] get.bme.hu
[3] avermark.com