Como posso calcular a força de rotação e o motor HP necessários para levantar uma folha 5lb de uma posição horizontal para uma posição vertical de uma extremidade?

Question

Como posso calcular a força de rotação e o motor HP necessários para levantar uma folha 5lb de uma posição horizontal para uma posição vertical de uma extremidade?

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Basicamente, preciso saber o seguinte:

Como faço para calcular a força de rotação ao longo de um ponto de apoio? Existe uma equação?
Qual é o peso de um objeto 5 lb no ponto de apoio se o ponto de apoio estiver localizado em Ponto A (Estou assumindo Ponto A está localizado na metade do caminho entre o clipe preso à portagem e o eixo conectado ao motor. (Veja o diagrama B.)
Qual é a unidade de medida para "força"? Newtons?
Como posso conectar o "força"medida em uma equação para encontrar potência (HP)? Qual é a equação?
Quanta potência (HP) é necessária em um motor para executar esta função?
Se eu prolongar o clipe que segura o portão 5 lb, para que ele se estenda para mais perto do centro do portão, ele moverá o ponto de apoio e, finalmente, diminuirá a carga de trabalho do motor? (Veja o diagrama D.)

Desenhei uma imagem muito fácil de ler no Photoshop. Tenho uma idéia para algo que quero fazer em casa e preciso saber qual tamanho de motor usar.

Atenção: A folha NÃO precisa parar o veículo. O veículo existe apenas para facilitar a compreensão da função. Pense nisso de maneira semelhante a um elevador que você paga para pagar uma taxa de estacionamento em uma garagem.

Diagrama A: Desenho

Diagrama B: este é o ponto de apoio?

Diagrama C: Dimensões

Diagrama D: este é o novo ponto de apoio se o clipe for estendido?

Diagrama E: Fator de Tempo - Quanto Tempo Leva para Levantar

ps quando desenhei os diagramas, cometi um pequeno erro. O eixo de rotação não está ao redor do ponto inicial A. Para esclarecer, o eixo de rotação está, de fato, como você provavelmente suspeitou, ao redor do eixo diretamente conectado ao motor. Nos meus diagramas, o contorno pontilhado do movimento do portão é colocado ao longo do eixo incorreto. Espero que isso não o incomode muito.

Aqui está um eixo fixo de rotação:

Diagrama F: Eixo de rotação corrigido

Notas adicionais:

Espero que o motor possa ser do tipo à prova de falhas e, nesse caso, se a carga exceder uma certa quantidade (como se algo pesado fosse colocado no portão), que, em vez de queimar o motor, ele desligasse se tentasse ligar em.
Também deve ser capaz de funcionar em sentido inverso (abaixe o portão). O período de tempo pode ser mais lento para diminuí-lo, segundos de 3 a 5, talvez.
Redução da caixa de velocidades a ser aplicada e perda de eficiência da caixa de velocidades? Desconhecido, Aberto a sugestões
Que tipo de motor você planeja usar? Aberto a sugestões
Como você planeja parar na vertical? Espero que uma combinação de gravidade e motor faça o truque.
Esta é uma operação que você planeja executar vezes 2 ou 3 ou mil vezes 2 a 3? Pelas minhas estimativas, ele será usado entre as vezes 1 e 10 por dia. Mesmo nos tempos 20 por dia, o que dificilmente excederá os tempos 20 em um dia, os anos 20 x 365 dias x 50 serão uma vida útil agradável. Operações 365000 seria um cenário de caso razoável.

ATUALIZAR:
GRUPO DE MATERIAL DE FÍSICA ABAIXO:

Com base na citação da Wikipedia a seguir, parece que, para medir a potência necessária, também preciso calcular o torque (τ) e o momento angular (ω) porque os cálculos abaixo assumem que o torque e o momento angular são conhecidos.

Fonte da Wikipedia - Cavalos-força

A fórmula para determinar a potência parece ser: primeira fórmula - a fórmula para determinar a potência parece ser esta

e o resultado final será na forma de: segunda fórmula - o resultado final será na forma de onde "x" é a variável desconhecida (diga-me se estou errado).

If torque and angular speed are known, using a coherent system of units (such as SI), the power may be calculated using the relationship;

P = τω where P is power, τ is torque, and ω is angular speed. When using other units or if the speed is in revolutions per unit time rather than radians, a conversion factor has to be included. When torque is in pound-foot units, rotational speed (f) is in rpm and power is required in horsepower: The constant 5252 is the rounded value of (33,000 ft·lbf/min)/(2π rad/rev).

When torque is in inch pounds:

The constant 63,025 is the rounded value of (33,000 ft·lbf/min) x (12 in/ft)/(2π rad/rev).

Observação: O número 33,000 (e, portanto, o 5252) existe porque: 1 hp = 33,000 ft-lbf / min.
Estou assumindo que isso significa que o número 5252 é para 1 [Email protegido] (me diga se estou errado).

Por uma questão de clareza, nas equações acima, pelo que posso ver:

Torque τ = τ (ft • lbf) e
Momento angular ω = f (rpm)

Portanto, é lógico que eu também devo encontrar Torque (τ) e Momento Angular (ω) e conheça suas fórmulas:

Torque (τ):

De acordo com a Wikipedia em Torque,

Fórmula de torque

where:

τ is the torque vector and τ is the magnitude of the torque,
r is the displacement vector (a vector from the point from which torque is measured to the point where force is applied),
F is the force vector,
× denotes the cross product,
θ is the angle between the force vector and the lever arm vector.

Não sei calcular r, F, semou θ.

Momento Angular (ω):

De acordo com a Wikipedia em Velocidade rotacional, Fórmula de velocidade de rotação

where , is angular speed in degrees per second.

For example, a stepper motor might turn exactly one complete revolution each second. Its angular speed is 360 degrees per second (360°/s), or 2π radians per second (2π rad/s), while the rotational speed is 60 rpm.

instalação formação motor elétrico engenharia portões

por usuário diy 22.09.2014 / 08:32

2 respostas

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Depois de corrigir o seu eixo de rotação, deve ser óbvio que a idéia de prolongar o "clipe" não mudará nada em relação à força necessária para elevar a aba. Na verdade, isso poderia piorar as coisas se o clipe mais longo acrescentasse mais peso a toda a montagem.

A força necessária para elevar a aba é medida em algumas unidades, como libras-pé (ft-lb). No seu caso, o peso da aba e do mecanismo de conexão é distribuído ao longo da distância, de modo que as fórmulas reais para calcular isso se tornem integrais para resolver. Você pode fazer uma enorme simplificação e supor que seu peso esteja na distância máxima do braço da alavanca e que isso tenha muitas coisas projetadas, mas isso torna a análise muito mais simples. Portanto, suponha que você tenha as libras 5 de aba + talvez a libra 1 para as ligações, de modo que o total de libras 6. Assuma um braço de alavanca da pior das hipóteses de dois pés. Isso significa que, para uma análise simples, você precisaria de um recurso de torque em 2 'x 6lb = 12 ft-lb. Esse torque pode ser traduzido diretamente para as unidades usadas pela combinação motor / caixa de velocidades.

Alguns comentários gerais sobre o design.

1) Se o projeto geral, como mostrado, for viável, acho que você desejaria pelo menos dois, se não três pontos de montagem, para prender a aba ao eixo.

2) Você gostaria de fazer todo o possível para deixar a borda da dobradiça da aba o mais próxima possível do eixo.

3) No momento, você deve começar a planejar algum tipo de mecanismo de limite para controlar a faixa de deslocamento para cima e para baixo da aba. Isso pode variar de interruptores de limite diretos a paradas físicas e detecção de aumento de carga no motor quando as paradas são atingidas.

4) Esse tipo de projeto exige uma caixa de engrenagens de algum tipo para aumentar a vantagem mecânica dada ao motor. Um acionamento por engrenagem helicoidal pode multiplicar muito o torque em um único estágio da engrenagem. Um arranjo de engrenagens retas pode levar várias etapas de engrenagem para manter as coisas em um volume de tamanho realista.

5) Outro motivo pelo qual você precisa de uma caixa de velocidades é reduzir a velocidade do motor para uma velocidade de movimento realista para a aba. Nos segundos 2-3 da aba operando nos graus de operação 90, você pode ver que, para um motor que pode querer operar com, por exemplo, a 1750 RPM, você precisará de algumas engrenagens. A rotação do 1750 para alguns motores de corrente alternada é de ~ 30 rotações por segundo. O retalho é a revolução 1 / 4 em segundos 3, portanto corresponde à rotação 1 em segundos 12 (1 / 12 rotação por segundo). A relação de transmissão para reduzir essa velocidade é 30 * 12 = 360 para 1.

Agora, conhecendo seu requisito de torque em 12 ft-lb, você pode estimar que precisa de um motor de aproximadamente 1 / 360 desse torque ou de cerca de 0.033 ft-lb no motor. Imagine que as caixas de engrenagens têm algumas perdas de torque apenas para operar, então talvez um motor de 0.05 -> 0.07 ft-lb.

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A resposta de @ Michael explicou como fazer os números. (Acrescento apenas que a força necessária atua como cosseno, o torque necessário é maior quando você começa a levantar até cair para 0 quando a placa está na vertical)

Vou explicar como reduzir a força necessária;

Se você adicionar uma engrenagem de redução 12: 1, o torque necessário será 1 / 12 do que você precisa sem a engrenagem de redução. (o mesmo com qualquer outra engrenagem de redução)

No entanto, você pode adicionar alguma ajuda mecânica para mover a placa, por exemplo, adicionando um guincho que levanta um peso à medida que a placa cai e desce novamente quando é levantada. Isso adiciona um torque constante que ajudará o motor.

Você também pode usar uma mola (uma mola de torção ou convencional usando o sistema de guincho descrito acima) que auxilia o motor. Isso adicionará um torque que reduz linearmente à medida que a placa é elevada. Com alguns ajustes finos, você pode fazer com que os estados para baixo e para cima sejam estáveis (não é necessária força do motor para manter a placa).