Zbigniew Wasiak
Ć w i c z e n i e nr 4 (9, 12)
POMIAR STRAT MOCY PRZY PRACY BEZ OBCI
śENIA
I OGÓLNEJ SPRAWNOŚCI MASZYNY
Celem ćwiczenia jest poznanie przyczyn występowania strat mocy w wielostopniowym
napędzie maszyny oraz sposobu pomiaru strat mocy przy pracy bez obcią\
enia i ogólnej
sprawności obrabiarki na przykładzie tokarki.
1. Wprowadzenie
Jednym z sygnałów diagnostycznych, niosącym wiele informacji o stanie maszyny, jest
wartość mocy traconej w łańcuchu kinematycznym napędu jej ruchów, przede wszystkim zaś
w napędzie ruchu głównego. Wartość ta zale\
y od długości łańcucha kinematycznego, a więc
od rodzaju i liczby ogniw wchodzących w jego skład. Dla poszczególnych egzemplarzy danej
maszyny wartość tych strat będzie zale\
eć równie\
od jakości monta\
u, warunków pracy i
stopnia zu\
ycia jej ogniw. Niezbędna jest zatem okresowa kontrola tych strat, w pierwszym
rzędzie po wykonaniu maszyny, a tak\
e po remontach i przy okazji wykonywania jej przeglÄ…-
du. Wzrost mocy traconej w łańcuchu kinematycznym napędu wrzeciona mo\
e świadczyć o
wadliwym monta\
u maszyny, niewłaściwych warunkach jej smarowania i wreszcie o stopniu
jej zu\
ycia.
2. y
ródła strat mocy w obrabiarkach - bilans energetyczny
Moc pobierana przez silnik obrabiarki przy pracy bez obciÄ…\
enia jest sumÄ… wszystkich
strat powstających w łańcuchu kinematycznym jej napędu. Jest ona niezbędna do podtrzyma-
nia ruchu maszyny nieobciÄ…\
onej siłami skrawania. Podczas pracy obrabiarki obcią\
onej moc
u\
yteczna na wrzecionie będzie zatem, wskutek strat w napędzie, mniejsza od mocy pobiera-
nej z sieci przez jej silnik. Straty powstające w napędzie wrzeciona odzwierciedla równie\

współczynnik ogólnej sprawności obrabiarki.
Głównymi z
ródłami strat mocy w obrabiarkach są ogniwa występujące na drodze od z
ró-
dła napędu do zespołu wykonawczego - wrzeciona. Są to najczęściej zespoły występujące w
niemal ka\
dej obrabiarce, a mianowicie: silnik, przekładnie pasowe i zębate, sprzęgła i ha-
mulce, Å‚o\
yska oraz wszystkie elementy wirujÄ…ce. W przypadku innych obrabiarek mogÄ… to
być na przykład mechanizmy korbowe (dłutownice), jarzmowe (strugarki) oraz zespoły wy-
stępujące najczęściej w napędzie posuwu: śruba-nakrętka, koło zębate-zębatka, prowadnice
itp. Ponadto pobierana z sieci moc jest zu\
ywana na napęd zespołów pomocniczych, takich
 2
jak pompa oleju, pompa chłodziwa, transporter wiórów, magazyn narzędziowy, urządzenia do
automatycznej wymiany narzędzi, zmieniacz palet, a tak\
e na oświetlenie miejsca pracy, na-
pęd ruchu posuwowego i ruchów pomocniczych (np. obrót głowicy narzędziowej), zasilanie
układu sterowania, podświetlenie elementów obsługi itd.
y
ródłem napędu ruchu głównego w obrabiarkach są silniki elektryczne, głównie: klatko-
we, trójfazowe silniki asynchroniczne prądu zmiennego lub silniki bocznikowe prądu stałego.
W maszynach starszego typu stosowano przede wszystkim silniki asynchroniczne, w obra-
biarkach sterowanych numerycznie, z uwagi na łatwą zmianę prędkości obrotowej, były to
często silniki prądu stałego. Obecnie następuje powrót do stosowania silników asynchronicz-
nych zasilanych prądem o regulowanej częstotliwości.
Straty mocy w silniku asynchronicznym to przede wszystkim straty w uzwojeniu stojana
(straty w miedzi) i wirnika (straty w \
elazie) oraz straty mechaniczne w uło\
yskowaniu wir-
nika i napędzie wentylatora chłodzącego silnik. Straty mechaniczne i w \
elazie sÄ… praktycznie
niezale\
ne od obciÄ…\
enia. Mo\
na je obliczyć na podstawie mocy znamionowej silnika oraz
jego sprawności katalogowej. Przykładowo dla asynchronicznych silników klatkowych prądu
zmiennego straty mocy mo\
na obliczyć z empirycznej zale\
ności (nie pamiętać tego wzoru):
Nzn îÅ‚
ëÅ‚1- · Å‚Å‚
öÅ‚
"Ns = , (1)
( )
ïÅ‚0,75- 0,0075 0,75· + 25 + ìÅ‚ 100÷Å‚ k2 śł
íÅ‚ Å‚Å‚
2
ðÅ‚ ûÅ‚
w której: -  Nzn i  k - moc znamionowa w [W], oraz współczynnik obcią\
enia,
-  · - sprawność silnika wyra\
ona w %.
ObciÄ…\
enie znamionowe Nzn (moc znamionowa) silnika jest to największa moc jaką
mo\
na pobierać z silnika, teoretycznie w nieskończenie długim okresie pracy, bez obawy jego
zniszczenia (przegrzania) w danych warunkach. Sprawność silnika asynchronicznego zmienia
się wraz ze współczynnikiem  k jego obcią\
enia. Przez współczynnik ten rozumie się stosu-
nek mocy rzeczywistej Nrz , pobieranej z wału silnika do jego mocy znamionowej Nzn. War-
tość współczynnika  · sprawnoÅ›ci silnika asynchronicznego w zale\
ności od współczynnika
obciÄ…\
enia  k przedstawia wykres na rys.1. Sprawność ta, jak widać, jest mała przy małym
obciÄ…\
eniu silnika, osiÄ…ga maksimum przy kH"0,75, i wtedy suma strat mechanicznych i strat
w \
elazie jest równa stratom w miedzi, przy wy\
szych obciÄ…\
eniach sprawność maleje. Przy
du\
ym przeciÄ…\
eniu silnika spada ona do zera, a silnik ulega zatrzymaniu. Zakreskowany ob-
szar na rys. 1 ogranicza zmiany współczynnika sprawności dla ró\
norodnych typów i wielko-
ści silników, stosowanych w obrabiarkach.
 3
W przypadku bocznikowych silni-
ków prądu stałego straty składają się z
czterech części, co zapisano poni\
szÄ…
zale\
nością:
"Pc = "Pm + "PFe + "Pf + "Pobc (2),
gdzie: - "Pm - straty mechaniczne,
- "PFe - straty w \
elazie,
- "Pf - straty wzbudzenia,
- "Pobc - straty od obciÄ…\
enia.
Rys.1. Zale\
ność współczynnika sprawności silnika
asynchronicznego od współczynnika jego
Suma strat mechanicznych ("Pm) i
obciÄ…\
enia
strat w \
elazie ("PFe) nazywa siÄ™ stra-
tami bez obciÄ…\
enia. Dochodzą do tego, pominięte we wzorze (2), straty dielektryczne i inne,
niezale\
ne od prÄ…du obciÄ…\
enia, ale sÄ… one niewielkie. Straty mechaniczne sÄ… spowodowane
tarciem w Å‚o\
yskach, tarciem szczotek o komutator, tarciem wirnika o powietrze oraz stratami
wentylacyjnymi. Straty w \
elazie sÄ… sumÄ… strat na histerezÄ™ magnetycznÄ… i na prÄ…dy wirowe.
SÄ… one proporcjonalne do kwadratu indukcji magnetycznej  B . Wreszcie straty wzbudzenia
sÄ… proporcjonalne do iloczynu rezystancji w obwodzie wzbudzenia i do kwadratu prÄ…du
wzbudzenia.
Straty wzbudzenia, zale\
ne od obciÄ…\
enia, to straty w uzwojeniu stojana "Pt i na szczot-
kach "Pszcz, przy czym: - "Pt = I2Rt .........................................................................(3)
t
- "Pszcz = It eszcz ..................................................................(4)
- It , Rt - prąd płynący w obwodzie twornika i rezystancja obwodu twornika,
- eszcz - spadek napięcia na szczotkach.
W obrabiarkach stosuje się, do przenoszenia napędu, przekładnie pasowe: z pasem klino-
wym, pasem płaskim, a ostatnio coraz częściej i to głównie w obrabiarkach NC, przekładnie
pasowe z pasem zębatym.
W przekładniach pasowych występują straty mocy spowodowane głównie przeginaniem
pasów na kołach pasowych, histerezą odkształceń materiału pasa, a w przypadku przekładni o
sprzÄ™\
eniu ciernym (z pasem klinowym i z pasem płaskim) tak\
e wskutek nieuniknionego po-
ślizgu pasów. Poślizg ten, zwany poślizgiem sprę\
ystym, jest nieunikniony w wyniku ró\
nej
wartości sił działających w cięgnie czynnym i w cięgnie biernym pasa. Jego wartość nie prze-
kracza zwykle 1-2%. W przypadku przeciÄ…\
enia przekładni pasowej o sprzę\
eniu ciernym pas
 4
mo\
e ślizgać się całą objętością po kole pasowym (poślizg niesprę\
ysty  stan awaryjny), co
wiÄ…\
e siÄ™ z szybkim jego zu\
ywaniem siÄ™.
W celu zmniejszenia strat w przekładni pasowej zaleca się stosować przeło\
enia 1:1, a
tak\
e unika się stosowania pasów o du\
ej wysokości, zastępując je większą liczbą pasów
cienkich (mniejsze straty przeginania). O wartości mocy traconej w przekładni pasowej decy-
dujÄ… te\
średnice kół pasowych oraz wła-
ściwy dobór napięcia pasów, a w przekład-
niach wielopasowych dodatkowo odchyłki
przeło\
eń poszczególnych kół pasowych.
Ponadto wpływ na wartość traconej mocy
majÄ… inne cechy geometryczne np. kÄ…t opa-
sania koła, własności mechaniczne stoso-
wanych pasów oraz właściwy monta\

przekładni. Przykład zale\
ności współ-
czynnika sprawności od najwa\
niejszych
Rys.2. Zale\
ność sprawności przekładni pasowej
parametrów przekładni z pasem klinowym
z pasem klinowym od stosunku średnicy
- stosunku średnicy kół pasowych do wy-
kół pasowych do wysokości pasa.
sokości pasa pokazano na rys.2. Średnią wartość współczynnika sprawności zaznaczono linią
kreskową, rozrzut zaś wynika z ró\
nych sił napięcia pasa i ró\
nych cech (mechanicznych,
geometrycznych) przekładni.
Przekładnie zębate nale\
ą do ogniw występujących niemal w ka\
dym zło\
onym napędzie
maszyny. Są to ogniwa o wysokiej sprawności, zatem występujące w nich straty mocy nie są
du\
e. Przyczyną występowania strat mocy w przekładniach zębatych są poślizgi międzyzęb-
ne, praca odkształceń bocznych powierzchni zębów oraz straty hydrodynamiczne wynikające
z obecności czynnika smarującego. Ich wartość zale\
y od współczynnika tarcia materiału kół,
chropowatości powierzchni zębów, lepkości czynnika smarującego, ilości i sposobu podawa-
nia go do zazębienia, prędkości obwodowej kół, szerokości wieńca, przeło\
enia, stopnia po-
krycia, prędkości poślizgu oraz od rodzaju przekładni. Wa\
nym czynnikiem jest tu równie\

rodzaj i właściwy monta\
przekładni zębatej.
W napędzie ruchu głównego obrabiarek stosuje się najczęściej sprzęgła stałe i rozłączne
oraz hamulce. Straty mocy w sprzęgłach stałych są tylko wynikiem tarcia bryły sprzęgła o
otaczające je medium. W hamulcach i sprzęgłach rozłącznych mają one wielorakie przyczyny
i zale\
ą od tego czy sprzęgło pracuje załączone czy te\
rozłączone. W przypadku załączonych
sprzęgieł wielopłytkowych włączanych mechanicznie straty mocy wynikają z tarcia w me-
 5
chanizmie włączającym (ło\
ysko oporowe i prowadnice widełek). Dla sprzęgieł rozłączonych
(praca bez obciÄ…\
enia) przyczyną strat, (oprócz mechanizmu włączającego) będzie przypad-
kowe ocieranie płytek o siebie (wskutek niewywa\
enia, błędów wykonania) oraz tarcie hy-
drodynamiczne w warstwie oleju oraz między olejem a płytkami. Inna zasada włączania
sprzęgieł wielopłytkowych elektromagnetycznych sprawia, \
e dla załączonego sprzęgła straty
następują w cewce wytwarzającej pole magnetyczne, zaś dla sprzęgieł rozłączonych straty te
wynikają, podobnie jak w sprzęgłach włączanych mechanicznie, z tarcia pomiędzy płytkami
oraz pomiędzy płytkami a olejem. W przypadku elektromagnetycznych sprzęgieł wielopłyt-
kowych występuje zjawisko magnetyzmu szczątkowego. W pracy sprzęgła objawia się ono
tym, \
e pomimo wyłączenia dopływu prądu do cewki elektromagnesu płytki są dalej dociska-
ne do siebie w wyniku magnetycznej histerezy materiału sprzęgła. Często w takich przypad-
kach (sprzęgłowe nawrotnice w obrabiarkach) część zewnętrzna i wewnętrzna sprzęgła muszą
obracać się w przeciwnych kierunkach, co zwiększa ilość traconej w nich mocy. Szczególny
wpływ na wartość mocy traconej w sprzęgłach wielopłytkowych, pracujących bez obcią\
enia,
ma ilość oleju i sposób jego doprowadzania do sprzęgieł. Unikać nale\
y odśrodkowego sma-
rowania sprzęgieł. Straty mocy mogą wtedy wzrosnąć nawet dwudziestokrotnie w stosunku
do przypadku smarowania przez polewanie olejem. Ponadto w sprzęgłach rozłącznych i w
hamulcach powstają straty w czasie ich załączania i rozłączania. Są to jednak stany krótko-
trwałe i zło\
one, zatem nie będą tutaj rozwa\
ane.
Straty mocy w Å‚o\
yskach tocznych są wynikiem tarcia tocznego i ślizgowego elementów
tocznych o bie\
nie i o koszyk oraz tarcia hydrodynamicznego. Ten ostatni czynnik ma domi-
nujÄ…ce znaczenie w przypadku Å‚o\
ysk o du\
ych gabarytach, pracujących z wysokimi prędko-
ściami obrotowymi. Do takich nale\
ą właśnie ło\
yska wrzecionowe. O wartości strat mocy w
Å‚o\
ysku rozstrzyga jego konstrukcja, wielkość, prędkość obrotowa, obcią\
enie, ilość i lepkość
czynnika smarującego. Określić je mo\
na przybli\
onÄ… zale\
nością:
n
"Nµ = (Mh + M1) , W
(5)
9,55
w której :
Mh - hydrodynamiczny moment tarcia, w Nm, równy Mh = 10,66Å" f0(106 Å"½ Å" n)2/3 Å"d3 ,
m
M1 - moment tarcia, w Nm, pochodzÄ…cy od obciÄ…\
enia, okreÅ›lony wzorem: M1=fp·P0·dm .
W powy\
szych wzorach oznaczono:
n - prędkość obrotowa ło\
yska, w obr/min,
f0 - współczynnik zale\
ny od rodzaju Å‚o\
yska i sposobu jego smarowania,
½ - lepkość kinematyczna oleju, zale\
na od jego temperatury, w cSt (m2/s),
 6
dm - średnia średnica ło\
yska, w m,
fp - współczynnik zale\
ny od nośności i obcią\
enia Å‚o\
yska,
P0 - obciÄ…\
enie Å‚o\
yska w N.
Ponadto przyczyną strat mocy w napędzie ruchu głównego są wszystkie elementy wirują-
ce, a wartość tych strat zale\
y od wymiarów, kształtu i prędkości obrotowej tych elementów.
Mogą tu występować równie\
inne ogniwa, nie omówione powy\
ej. Nale\
y pamiętać tak\
e o
urządzeniach pomocniczych, które choć nie uczestniczą w przenoszeniu ruchu od silnika do
zespołu roboczego (np. wrzeciona), to mogą być przyczyną znacznych strat mocy i obni\
enia
sprawności maszyny.
Ogólnie straty mocy w łańcuchu ruchu głównego zale\
ą od wielu czynników, takich jak:
liczba i rodzaj ogniw, ich prędkość obrotowa, dokładność wykonania wzajemnie współpracu-
jących elementów, dokładność monta\
u, rodzaj pasowań, sposób smarowania i ilość czynnika
smarujÄ…cego, temperatura pracy maszyny i inne. W przypadku prostych ogniw kinematycz-
nych straty te rosną wraz ze wzrostem prędkości obrotowej ogniwa. Nie mo\
na jednak od-
nieść tej zale\
ności do mechanizmów zło\
onych, składających się z większej liczby ogniw
prostych. Wynika to przede wszystkim z ró\
nej prędkości wirowania poszczególnych wałków
i przekładni pośrednich, występujących pomiędzy silnikiem i wrzecionem.
Wynikiem strat występujących w układzie napędowym jest to, \
e część mocy elektrycznej
Nel jest rozpraszana w maszynie i do wykorzystania pozostaje tylko pozostała część jako moc
efektywna. Uogólniając pojęcie strat mocy przyjmuje się dla rozwa\
ań teoretycznych, \
e na
moc elektryczną, pobieraną przez silnik napędowy z sieci, składa się moc efektywna, w przy-
padku obrabiarek niezbędna do prowadzenia procesu skrawania, straty w silniku i straty w u-
kładzie napędowym. Straty te rozbija się na dwa składniki, a mianowicie: straty mocy przy
pracy bez obciÄ…\
enia i dodatkowe straty wynikajÄ…ce z obciÄ…\
enia maszyny. Pierwsze sÄ… nieza-
le\
ne od obciÄ…\
enia, drugie zaÅ› wzrastajÄ… liniowo wraz z obciÄ…\
eniem. Moc elektrycznÄ… mo\
-
na zapisać zatem jako sumę pięciu składników:
Nel = (Nls + Nld) + (Nl + Nd) + Nef , (6)
przy czym przyjęto oznaczenia:
- Nls - moc zu\
ywana na pracÄ™ silnika bez obciÄ…\
enia,
- Nld - dodatkowe straty w silniku obciÄ…\
onym (są to głównie straty elektryczne),
- Nl - moc zu\
ywana na pokonanie oporów ruchu obrabiarki przy pracy bez obcią\
enia,
- Nd - dodatkowe straty w mechanizmach obrabiarki obciÄ…\
onej, wzrastajÄ… one wraz z
obciÄ…\
eniem,
- Nef - efektywna moc obrabiarki.
 7
Straty mocy w poszczególnych ogniwach napędu wrzeciona dobrze obrazuje bilans ener-
getyczny (wykres Sankey'a). Przykładowo bilans ten dla głównego napędu tokarki TUR-50
przy prędkości wrzeciona nWR= 1800 obr/min przedstawia rys.3. Napęd tej tokarki składa się
z dwubiegowego silnika asynchronicznego
o mocy znamionowej Nzn = 6 lub 11 kW,
dziewięciostopniowego reduktora z na-
wrotnicą, przekładni pasowej, przekładni
(dwójka na trzech wałkach) we wrzecien-
niku oraz z wrzeciona. Wykres pokazuje
ilościowy i procentowy rozpływ mocy po-
bieranej z sieci przez silnik na poszczegól-
ne ogniwa napędu maszyny przy pracy bez
jej obciÄ…\
enia. Na szczególną uwagę zasłu-
Rys.3. Bilans strat energetycznych napędu głów-
nego tokarki TUR-50 przy pracy bez obciÄ…-
guje znaczny, bo wynoszÄ…cy prawie 50%,
\
enia (wykres Sankey a).
pobór mocy przez ło\
yska wrzecionowe.
3. Warunki prowadzenia pomiarów
Wyznaczanie strat mocy przy pracy bez obciÄ…\
enia i ogólnej sprawności obrabiarki jest
przedmiotem, aktualnej do dziś, polskiej normy PN-66/M-55606. Podano w niej ogólne warun-
ki pomiaru, a to: nale\
y stosować watomierze klasy 0,5 lub 0,1, przekładniki napięciowe i prą-
dowe klasy 0,5, woltomierze i amperomierze klasy 0,5 lub 0,1. Zakresy pomiarowe tych przy-
rządów dobierać tak, by wychylenie wskazówki w czasie pomiaru znajdowało się od połowy
do pełnego zakresu pomiarowego. Norma podaje równie\
warunki przygotowania obrabiarki
do pomiaru. Pomiary powinno prowadzić się na obrabiarce całkowicie zmontowanej, ustawio-
nej w sposób trwały na podło\
u, podłączonej do sieci i mającej odpowiednie zapasy smarów w
miejscach podlegajÄ…cych smarowaniu. Na wrzecionie nale\
y pozostawić tylko wyposa\
enie
zamocowane na nim na stałe. W protokole nale\
y podać ponadto jakie mechanizmy dodatkowe
są napędzane przez silnik napędowy układu kinematycznego napędu wrzecion, np. pompa sma-
rownicza, pompa chłodzenia, skrzynka posuwu (jeśli nie mo\
na jej odłączyć) i inne.
Pomiary nale\
y prowadzić w warunkach cieplnych, odpowiadających normalnej pracy
badanej obrabiarki. Sposób osiągnięcia równowagi cieplnej określa producent obrabiarki.
Uwa\
a siÄ™, \
e obrabiarka osiągnęła równowagę cieplną, jeśli zmiana temperatury oleju w
punkcie charakterystycznym (najczęściej przedni węzeł ło\
yskowy wrzeciona), lub zmiana
poboru mocy nie przekracza 2% w ciągu ostatnich 15 minut pracy. Norma podaje równie\
za-
 8
le\
ności niezbędne do wyznaczania momentu obcią\
ajÄ…cego wrzeciono, mocy efektywnej i
elektrycznej, oraz sprawności. Podano w niej tak\
e kolejność przeprowadzania pomiarów,
przykładowe protokoły z pomiarów w postaci tabel wyników oraz wykresów ułatwiających
analizę i porównywanie otrzymanych wyników.
Do pomiaru mocy pobieranej przez silnik asynchroniczny, zarówno przy obcią\
eniu
wrzeciona obrabiarki, jak i przy pracy bez obciÄ…\
enia stosuje się jeden, dwa (układ Aron a)
lub trzy watomierze. Przy stosowaniu jednego watomierza zakłada się równomierne obcią\
e-
nie wszystkich faz, mierzy siÄ™ wtedy moc pobieranÄ…
z jednej z faz a uzyskany wynik nale\
y pomno\
yć
przez 3. W przypadku nierównomiernego obcią\
enia
faz wynik pomiaru mo\
e być obarczony du\
ym błę-
dem. Schemat układu pomiarowego pokazuje rys.4a.
Nale\
y przestrzegać zasady, \
e watomierze włącza
się pomiędzy bezpieczniki  B i styczniki  ST elek-
trycznego układu zasilania obrabiarki. Cewkę prą-
dowÄ… watomierza (oznaczonÄ… liniÄ… Å‚amanÄ… grubÄ…)
włącza się szeregowo w wybraną fazę np.  R , zaś
cewkę napięciową (linia łamana cienka) pomiędzy tę
fazę i przewód zerowy. Wspomniana norma nie za-
Rys.4. Schematy połączeń watomierzy dla
leca stosowania takiego sposobu pomiaru mocy.
pomiaru mocy: a) jednym wato-
mierzem, b) w układzie Aron a, c)
Mo\
e on słu\
yć tylko do pomiarów wstępnych i
trzema watomierzami
orientacyjnych.
Układ Aron a wykorzystuje, do pomiaru mocy pobieranej przez silnik, dwa watomierze.
Schemat ich połączenia pokazuje rys. 4b. Cewki prądowe watomierzy W1 i W2 włącza się
szeregowo w dwie wybrane fazy układu zasilania (np. R i S na rys.4b), zaś cewki napięciowe
odpowiednio pomiędzy te fazy (R i S) oraz trzecią fazę (T), w którą nie włączono cewki prą-
dowej. Przewód zerowy, w przypadku tego pomiaru jest niewykorzystany. Całkowita moc
pobierana przez silnik jest wtedy sumą mocy wskazywanych przez obydwa watomierze. Jeśli
jeden z watomierzy wskazuje moc ujemnÄ… to nale\
y zmienić kierunek przepływu prądu przez
jego cewkę prądową, odczytać wskazanie tego watomierza i dodać do wskazania watomierza
drugiego, ale ze znakiem ujemnym.
Układ z trzema watomierzami (rys. 4c) wymaga dostępu do przewodu zerowego. Jest on
trzykrotnym powieleniem układu z rys. 4a. Ka\
dy z watomierzy mierzy wtedy moc pobieranÄ…
z jednej fazy a moc całkowita jest sumą wskazań ka\
dego z nich.
 9
Aby dokonać odczytu mocy z watomierzy nale\
y wyznaczyć  stałą ka\
dego z nich. Sta-
ła ta jest stosunkiem iloczynu zakresu pomiarowego cewek prądowej i napięciowej przez
liczbę działek na skali watomierza. Zakresy pomiarowe cewek nale\
y odczytać z watomierzy.
Nale\
y pamiętać, \
e w czasie rozruchu maszyny silnik pobiera znacznie większy prąd ni\

w czasie pracy ustalonej. Aby nie uszkodzić watomierzy nale\
y, w czasie rozruchu i hamo-
wania, zbocznikować cewki prądowe watomierzy, zabezpieczając je przed przecią\
eniem.
Zwykle watomierze posiadają, umieszczone na pulpicie, przełączniki lub kołki słu\
Ä…ce do
bocznikowania cewek prÄ…dowych.
4. Wyznaczanie strat mocy przy pracy bez obciÄ…\
enia
Straty mocy napędu ruchu głównego przy pracy obrabiarki bez obcią\
enia są równe
mocy pobieranej z sieci przez silnik napędu ruchu głównego, gdy obrabiarka nie wyko-
nuje \
adnej pracy u\
ytecznej. Z definicji tej korzysta siÄ™ przy wyznaczaniu strat mocy
napędu bez obcią\
enia. Pomiar taki jest powszechnie wykorzystywany do oceny maszyny,
poniewa\
jest prosty w wykonaniu i dostarcza wielu obiektywnych informacji o jej jakości.
Pomiar strat mocy przy pracy bez obciÄ…\
enia prowadzi siÄ™ dla ka\
dej prędkości obroto-
wej w kolejności od najni\
szej do najwy\
szej, przy czym odczytu wskazań dokonuje się po
60s od osiągnięcia przez wrzeciono ustalonej prędkości obrotowej na danym stopniu. Prędko-
ści nominalne nWR i zmierzone moce "N zapisuje
siÄ™ w protokole pomiarowym, a na ich podstawie
sporzÄ…dza siÄ™ wykres "N=f(nWR). Pomiary nale\
y
wykonać dla obu prędkości obrotowych silnika
napędowego. Przykład wykresu uzyskanego z
pomiarów na tokarce TUD-50, o mocy znamio-
Rys.5. Przykład zale\
ności strat mocy bez
nowej silnika 4 lub 6,7kW, przedstawia rys.5. Aby
obciÄ…\
enia od prędkości obrotowej
wrzeciona tokarki TUD-50
wyjaśnić przyczynę niemonotonicznego przebiegu
zmian strat mocy wraz ze wzrostem prędkości obrotowej wrzeciona nale\
y prześledzić sche-
mat kinematyczny i wykres prędkości zamieszczone na rys.6.
Napęd z dwubiegowego silnika asynchronicznego o prędkości nominalnej 710 lub 1440
obr/min (wejście napędu zaznaczono na rys.6a strzałką) jest przenoszony w reduktorze przez
nawrotnicę sprzęgłową z kołami zębatymi (sprzęgła L i P oraz koła zębate z1, z2 bądz
z1a, z1b,
z2a), następnie przez trójkę przesuwną (z3 - z4 lub z5 - z6 lub z7 - z8) oraz przez trójkę )z9 - z10
lub z4 - z13 lub z11 - z12) do przekładni pasowej D1 - D2. Z przekładni tej napęd wchodzi do
 10
wrzeciennika, gdzie umieszczono
dwójkę na trzech wałkach dającą
przeło\
enie 1:1 (koła z14 - z15 i z16 -
z17) lub przeło\
enie 1:8 (koła z18 - z16
i z19 - z20).
W sumie na wrzecionie mo\
na
uzyskać 36 prędkości w zakresie od
18 do 1800 obr/min, stopniowanych
według ciągu geometrycznego o ilo-
Rys.6. Schemat kinematyczny i wykres prędkości
razie 1,26. Tylko trzy najni\
sze i trzy
układu kinematycznego tokarek TUD-50 i
najwy\
sze prędkości mo\
na uzyskać
TUR-50
odpowiednio tylko z I-go lub z II-go biegu silnika, pozostałe mo\
na uzyskać zarówno z I-go
jak i drugiego biegu (prędkości obrotowej) silnika. Zatem wrzeciono posiada 21 ró\
nych
prędkości, bowiem 15 prędkości uzyskać mo\
na dwoma drogami (z obu biegów silnika). Na
podstawie przedstawionego w części a) rys.6 schematu kinematycznego i podanej w części c)
liczby zębów kół mo\
na sporządzić wykres przeło\
eń, podany w części b). Pokazuje on z ja-
kimi prędkościami obrotowymi mogą wirować wałki i inne ogniwa układu napędowego oraz
jakÄ… drogÄ… mo\
na uzyskać na wrzecionie wybraną prędkość obrotową. Wynika z niego, \
e
wraz ze wzrostem prędkości obrotowej wrzeciona od 18 do 112 obr/min (I-szy bieg silnika)
oraz od 35,5 do 224 obr/min (II-gi bieg silnika) rosną prędkości obrotowe ogniw pośrednich
napędu wrzeciona. Te najwy\
sze prędkości (112 lub 224 obr/min) wrzeciona, uzyskuje się
przy przeło\
eniu 1:8 we wrzecienniku, i przy najwy\
szych prędkościach wielu ogniw pośred-
niczących (np. przekładni pasowej). Stąd na wykresie na rys.5 prędkościom 112 i 224 obr/min
odpowiadajÄ… du\
e wartości strat mocy. Kolejne, o 1 stopień wy\
sze prędkości obrotowe
wrzeciona, a mianowicie 140 obr/min z pierwszego biegu silnika oraz 280 z drugiego biegu,
uzyskuje się przy skrajnie ró\
nej drodze przeniesienia napędu. Przeło\
enie we wrzecienniku
wynosi wtedy 1:1, a wszystkie ogniwa pośrednie (w tym równie\
przekładnia pasowa) wirują
teraz z najni\
szymi prędkościami obrotowymi. Powoduje to w efekcie zmniejszenie strat mo-
cy w całym napędzie. Stąd na wykresie z rys.5 gwałtowny spadek strat mocy i brak monoto-
niczności w przebiegu wykresu. Dalszy wzrost prędkości obrotowej wrzeciona uzyskuje się
przy stopniowym podwy\
szaniu prędkości wirowania ogniw pośrednich układu napędowego,
czemu odpowiada dalszy wzrost strat mocy. Objaśnienie przebiegu linii wykresu pokazanego
przykładowo na rys.5 wymaga ka\
dorazowo analizy schematu układu napędowego. Analiza
taka jest niezbędna szczególnie w przypadku zło\
onych układów napędowych.
 11
Nale\
y zwrócić uwagę, \
e dla zwiększenia czytelności wykresu z rys.5 na osi prędkości
obrotowych naniesiono skalę logarytmiczną. Korzystając z własności ciągu geometrycznego,
którego wyrazy po zlogarytmowaniu stają się ciągiem arytmetycznym, wystarczy na osi tej
nanieść kreski w równych odstępach od siebie i opisać je kolejnymi prędkościami obrotowy-
mi.
5. Wyznaczanie ogólnej sprawności łańcucha napędu wrzeciona obrabiarki
Ogólną sprawność łańcucha napędu wrzeciona definiuje się jako stosunek mocy efek-
tywnej, niezbędnej do wykonania pracy skrawania, do mocy elektrycznej, pobieranej przez
silnik z sieci. Poniewa\
moc posuwu jest najczęściej ułamkiem procenta mocy ruchu główne-
go przyjmuje się za moc efektywną - moc ruchu głównego, odbieraną z wrzeciona. Wymie-
niona ju\
w pkt.3 norma PN-66/M-55606 podaje tak\
e warunki prowadzenia pomiarów ogól-
nej sprawności układów kinematycznych napędów wrzecion. Dla obcią\
enia obrabiarki mocÄ…
efektywną i zmierzenia wartości tej mocy obcią\
a siÄ™ wrzeciono momentem hamujÄ…cym,
wywieranym przez hamulec oraz mierzy się prędkość obrotową wrzeciona. Moc efektywną
oblicza siÄ™ ze wzoru:
Mh Å" nWR
Ne = [kW], w którym (7)
9550
Mh - moment hamujÄ…cy w [Nm], wywierany na wrzeciono,
nWR - prędkość obrotowa w [obr/min] wrzeciona przy danym obcią\
eniu.
Moc elektrycznÄ… Nel, pobieranÄ… z sieci, wyznacza siÄ™, w przypadku silnika asynchronicz-
nego, za pomocą dwu watomierzy (układ Aron a), w przypadku zaś silnika prądu stałego za
pomocą amperomierza i woltomierza. Sprawność układu napędowego wynosi:
Ne
· = · 100%. (8)
Nel
Wyznaczanie ogólnej sprawności układu napędu wrzeciona zostanie przeprowadzone dla
tokarki TUR-50, której wrzeciono jest napędzane silnikiem asynchronicznym dwubiegowym
o prędkościach nominalnych 1440 lub 710 obr/min oraz mocach znamionowych 11 kW lub 6
kW. Pomiaru mocy elektrycznej będzie się dokonywać układem dwu watomierzy. Do obcią-
\
ania wrzeciona momentem zastosowano w tym przypadku hamulec indukcyjny (p. rys.7),
który, zasilany poprzez zasilacz stabilizowany, umo\
liwia uzyskanie momentu hamujÄ…cego w
zakresie od Mh=Mmin do Mmax. Do pomiaru tego momentu stosuje siÄ™ momentomierz tenso-
metryczy, zaś odczytu wartości momentu dokonuje się na woltomierzu pomiarowym. Mo\
na
te\
wyznaczyć moment hamujący w sposób przybli\
ony, na podstawie wielkości prądu pły-
nÄ…cego z zasilacza stabilizowanego przez cewki hamulca, mno\
ąc jego wartość prądu przez
 12
stałą 34Nm/A (niutonometry na amper). Do
pomiaru rzeczywistej prędkości obrotowej
nale\
y stosować obrotomierz (multitacho-
metr cyfrowy). Obrabiarka powinna być
przygotowana do pomiaru zgodnie z opisem
w pkt.3 i w stanie cieplnie ustalonym.
Sprawność nale\
y wyznaczyć dla kilku
wskazanych prędkości wrzeciona obrabiar-
ki, obciÄ…\
ajÄ…c jÄ… w ka\
dym przypadku kil-
Rys.7. Stanowisko do pomiaru efektywnej mocy
obrabiarki
koma wartościami momentu hamującego.
6. Opracowanie wyników pomiarów
Podstawą do opracowania wyników pomiarów są prawidłowo wypełnione tabele, które
zawiera arkusz sprawozdania. Opierając się na uzyskanych wartościach liczbowych nale\
y:
- dokonać pomiarów i obliczyć straty mocy przy pracy obrabiarki bez obcią\
enia dla
wszystkich prędkości obrotowych jej wrzeciona,
n=560
- obliczyć moc elektryczną pobieraną przez silnik ob-
%
710 obr/min
rabiarki obciÄ…\
onej i moc efektywną oraz określić
ogólną sprawność obrabiarki,
- wykonać wykresy strat mocy obrabiarki przy pracy
bez obciÄ…\
enia w układzie "N=f(nWR), przykład wy-
kresu podano na rys.5,
kW
el
Rys.8. Przykład zale\
ności ogólnej
- sporządzić wykres ogólnej sprawności obrabiarki w
sprawności obrabiarki od
funkcji mocy efektywnej według przykładu z rys.8,
mocy efektywnej
- omówić uzyskane zale\
ności i podać wnioski z ćwiczenia.
Poni\
ej znajduje się wzór sprawozdania. Proszę zapoznać się z jego zawartością.
Dalej podano zestaw pytań kontrolnych do ćwiczenia.
instr 4.doc
POLITECHNIKA WROCA
AWSKA ImiÄ™ i Nazwisko . . . . . . . . . . . . . . . .
I n s t y t u t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Technologii Maszyn i Automatyzacji Studia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rok . . . . . . . Grupa lab. . . . . . . . . .
Data ćwiczenia . . . . . . . . . . . . . . . .
Ć w i c z e n i e nr 12 (4, 9)
POMIAR STRAT MOCY PRZY PRACY BEZ OBCI
śENIA
I OGÓLNEJ SPRAWNOŚCI MASZYNY
1. Wykaz aparatury pomiarowej
1. Watomierz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2. Obrotomierz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3. Tokarka TUD-40 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2. Tabele wyników pomiarów
2.1. Pomiar strat mocy obrabiarki przy pracy bez obciÄ…\
enia
I bieg silnika (nzn=710 obr/min) II bieg silnika (nzn=1440 obr/min)
Lp. nWR nWR
"N [W] "N [W]
stała c działki i 3*c*i stała c działki i 3*c*i
obr/min W/dz dz W obr/min W/dz dz W
1. 18 35,5
2. 22,4 45
3. 28 56
4. 35,5 71
5. 45 90
6. 56 112
7. 71 140
8. 90 180
9. 112 224
10. 140 280
11. 180 355
12. 224 450
13. 280 560
14. 355 710
15. 450 900
16. 560 1120
17. 710 1400
18. 900 1800
 2
2.2 Pomiar ogólnej sprawności obrabiarki
Pomiar mocy elektrycznej Nel [kW] Moc efektywna Nef
·0
Lp. nWR N1 [W] N2 [W] stała Prąd M Nef
" N
M·nWR
stała L.dz. stała L.dz.
Nef
c*i c*i 1000 C I C*I
9550
obr/min c i c i Nel
W/dz dz W W/dz dz W kW Nm/A A Nm kW %
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
1. Rodzaj obrabiarki: tokarka uniwersalna. . ., 2. Typ i wielkość: TUR-50 . . . . . . . . . . . . .,
3. Nr fabryczny i rok budowy . . . . . . . . . . . . . ., 4. Producent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5. Silnik napędowy: typ silnika . . . . . . . . . . . . . , nr fabryczny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ,
moc znamionowa . . . . . . . . . . . . . . . ., znamionowa prędkość obrotowa . . . . . . . . . . . . . . . . ,
6. Liczba godz. u\
ytk. obrabiarki . . . . . . . . . . . . , ogółem od ostat. remontu . . . . . . . . . . . . .,
7. Elektryczne przyrzÄ…dy pomiarowe: watomierz - typ/firma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ,
amperomierz - typ/firma. . . . . . . . . . . . . . . . , woltomierz - typ/firma. . . . . . . . . . . . . . . . . . .,
8. Temperatura otoczenia . . . . . . . . . . . . , 9. Data pomiaru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ,
10. Pomiaru dokonał . . . . . . . . . . . . . . . ., 11. Napęd mechanizmów . . . . . . . . . . . . . . . . . .
zn
zn
n = . . . . . .obr/min
n = . . . . . .obr/min
zn
zn
n = . . . . . .obr/min
n = . . . . . .obr/min
zn
n = . . . . . .obr/min
 3
3. Zale\
ność strat mocy przy pracy bez obcią\
enia obrabiarki od prędkości obrotowej wrzeciona
2
kW
1,5
1
0,5
prędkość obrotowa wrzeciona nWR
18 28 45 71 112 180 280 450 710 1120 1800 obr/min
4. Zale\
ność ogólnej sprawności obrabiarki od obcią\
enia efektywnego
75
%
50
25
moc efektywna obrabiarki
1 2 3 4 kW 5
5. Wnioski
spr 4.doc
straty mocy
"
N
sprwno
ść
ogólna
 4
Pytania kontrolne do ćwiczenia
1. Wymienić główne z
ródła strat mocy w obrabiarce.
2. Przyczyny występowania strat mocy w silnikach asynchronicznych. Sprawność silnika.
3. Przyczyny strat mocy w bocznikowych silnikach prądu stałego.
4. Dlaczego w przekładniach pasowych występują straty mocy?
5. Przyczyny strat mocy w przekładniach zębatych.
6. Przyczyny strat mocy w elektromagnetycznych sprzęgłach wielopłytkowych.
7. y
ródła strat mocy w ło\
yskach tocznych.
8. Co obrazuje bilans energetyczny (wykres Sankey a) napędu obrabiarki.
9. Jak nale\
y przygotować obrabiarkę do pomiaru strat mocy i sprawności?
10. Zasada pomiaru mocy pobieranej przez silnik asynchroniczny. Przyrządy, połączenie cewek.
11. Co to są straty mocy układu napędowego przy pracy bez obcią\
enia obrabiarki?
12. Dlaczego zale\
ność "N=f(n) na przebieg nie monotoniczny?
13. Jak wyznacza się ogólną sprawność obrabiarki?