Введение к работе
Актуальность темы. В Российской Федерации и странах СНГ на предприятиях атомной промышленности для повышения безопасности работ, проводимых с малоактивными, среднеактивными и высокоактивными радиоактивными средами, защиты обслуживающего персоната от контакта с этими средами, сохранения чистоты среды в рабочем объеме при проведении ответственных технологических операций необходимы надежные герметичные машины и аппараты. Использование герметичных машин и аппаратов с магнитной муфтой, способной передать вращательное движение (крутящий момент) в замкнутый объем от ведущих частей к ведомым через сплошную немагнитную, неподвижную перегородку (экран) при помощи сил взаимодействия постоянных магнитов ведущей и ведомой полумуфт магнитной муфты дает возможность решить эти задачи.
Применение магнитной муфты позволило создать новое поколение герметичных машин и аппаратов, отвечающих требоватіям сегодняпгаего дня - полная герметичность рабочего обьема и надежная экологическая безопасность.
Надежность в устройствах с магнитной связью повышается за счет: использования материалов магнитов, свойства которых не изменяются в процессе эксплуатации; отсутствия механического контакта между ведущим и ведомым звеньями; исключения возможности перегрузки, так как при превышении расчетной нагрузки на ведомом звене магнитная связь между полумуфтами магнитной муфты разрывается, а после остановки и устранения причины перегрузки может быть восстановлена.
Введение в конструкцию машины упругого элемента в виде магнитной муфты ведет к появлению колебаний ведомого звена машины относительно ведущего. Максимальная амплитуда относительных колебаний этих звеньев не должна превышать определенной угловой величины (максимального угла рассогласования), по достижении которой связь между полумуфтами разрывается, и муфта не передает крутящего момента. В общем случае угол рассогласования определяется действующими з машине крутящими моментами привода (электродвигателя или другого приводного устройства), нагрузки
(сопротивления на ведомом валу) и магнитной муфты, а также моментами инерции вращающихся масс на ведущем и ведомом звеньях машины.
Момент нагрузки на валу электродвигателя определяется потребляемой мощностью и частотой вращения рабочего органа машины или аппарата, и как правило, является заданной величиной. Наиболее сложны переходные процессы в машине с магнитной муфтой, если в качестве приводного электродвигателя используется асинхронный электродвигатель, из-за больших значений пускового момента и нелинейного изменения его при разгоне. Устойчивая работа машины или аппарата с магнитной муфтой и асинхронным электродвигателем может быть обеспечена путем правильного выбора муфты по передающему крутящему моменту.
Цель работы. Получение методики расчета силового взаимодействия (тягового усилия) постоянных магнитов, а на основе этого выполнение расчета крутящего момента, передаваемого магнитной муфтой в определенных габаритах, с использованием различных анизотропных высококоэрцитивных постоянных магнитов; выполнение динамического расчета устойчивости магнитной связи в критический момент разгона машины с учетом действующих моментов асинхронного электродвигателя, нагрузки и моментов инерции вращающихся частей; разработка стандартных рядов магнитных систем для передачи поступательного движения (тягового усилия) и магнитных муфт для передачи вращательного движения (крутящего момента); разработка конструкций различных герметичных машин и аппаратов с магнитной муфтой; создание инженерной методики выбора магнитной муфты для машины и аппарата; подготовка серийного производства по изготовлению герметичных насосов, перемешивающих устройств и магнитных муфт.
Научная новизна. Разработаны математические модели, описывающие динамический процесс в машине с магнитной муфтой и асинхронным элекгродвигателем во время пуска с различными формами представления момента электродвигателя: с учетом влияния электромагнитных переходных процессов в двигателе; с механической характеристикой, рассчитанной по формуле Клосса; с механической характеристикой, построенной по данным, приведенных в каталогах на электродвигатели. Проведено параметрическое исследование математической модели,
описывающей процесс пуска машины с механической характеристикой асинхронного электродвигателя, построенной по каталожным данным, при учете моментов инерции вращающихся частей и действующих моментов. Решена задача определения угла рассогласования полумуфт, предложено математическое выражение для его расчета.
Предложен новый способ определения тягового усилия пары постоянных магнитов и на основе этого выведено уравнение для расчета крутящего момента, передаваемого магнитной муфтой.
Практическая ценность. Создано новое поколение герметичных машин и аппаратов с магнитными муфтами. Разработана инженерная методика расчета магнитных муфт для герметичного оборудования (выбор геометрических размеров магнитной муфты, расчет крутящего момента муфты и температуры нагрева токопроводящето немагнитного экрана, определение максимального угла рассогласования полумуфт в момент разгона машины). Разработаны и внедрены отраслевые стандарты "Устройства магнитные для передачи поступательного движения через перегородку (зазор). Основные параметры и размеры" и "Муфты магнитные. Конструкция и размеры" с оксидно-бариевыми магнитами, а также стандартный ряд цилиндрических магаитных муфт с редкоземельными магнитами для герметичных насосов. Конструкция цилиндрической магнитной муфты защищена патентом Российской Федерации.
Реализация результатов работ в промышленности. Результаты проведенной работы дали возможность: создать герметичные машины и аппараты с магнитными муфтами и начать серийное производство некоторых из видов оборудования, таких как специальных насосов для радиохимических производств, центробежных химических насосов, изготавливаемых СвердНИИхиммашем совместно с Екатеринбургским насосным заводом; разработать методику выбора стандартной магнитной муфты для насоса и передать на Щелковский насосный завод и ВНИИгидромаш с целью создания серийного производства насосов на этих предприятиях; подготовить производственную базу в СвердНИИхиммаше для организации серийного производства перемешивающих устройств для медицинской и биологической промышленности.
Годовой экономический эффект от внедрения семи герметичных перемешивающих
устройств в биологической промышленности за счет повышения стерильности составил 700000 рублей (!978г). От внедрения 15 насосов одного типоразмера в радиохимической промышленности получен экономический эффект 347000 рублей (1983г). Долевое участие автора - 260000 рублей.
В целом по тематике разработано и внедрено более 45 машин различного назначения.
Автор защищает:
1. Основы теории и создание герметичных машин и аппаратов с магнитными
муфтами.
-
Метод определения силы сдвига (тягового усилия) пары постоянных магнитов и крутящего момента, передаваемого магнитной муфтой.
-
Математические модели, описывающие динамические процессы, протекающие в машине с магнитной муфтой и асинхронным электродвигателем во время пуска.
-
Результаты решения математических моделей, описывающих переходные режимы работы машины с магнитной муфтой и асинхронным электродвигателем с различными формами представления момента электродвигателя.
-
Результаты параметрического исследования уравнений движения машины с магнитной муфтой и асинхронным элмсгродвигателем с механической характеристикой (моментом электродвигателя), построенной по каталожным данным.
-
Результаты экспериментальных исследований влияния на угол рассогласования полумуфт магнитной муфты моментов инерции вращающихся частей и действующих крутящих моментов.
7. Практические рекомендации по выбору, расчету магнитных муфт и
конструированию герметичных машин и аппаратов с магнитной муфтой и асинхронным
электродвигателем.
Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на межотраслевом экспертном совете по содействию внедрению научно-технических достижений в ВИМИ (г.Москва 1984 г.), на VIII Всесоюзной научно-технической конференции по постоянным магнитам (г.Новочеркасск, 1986 г.) на X Всесоюзной научно-технической конференции по постоянным магнитам (г.Суздаль, 1991 г.).
Личный вклад автора заключается в определении направлений и постановке задач исследования, в разработке математических моделей, описывающих динамический процесс протекающий при разгоне машины с магнитной муфтой и асинхронным электродвигателем, в проведении параметрических исследований, в разработке новых конструкций герметичного оборудования с магнитными муфтами и методики расчета магнитной муфты, в проведении анализа, обобщении и использовании результатов эксплуатации созданного оборудования на всех стадиях - от научно-исследовательских работ до разработки технической документации и руководящих документов, изготовлении опытных образцов, экспериментальной проверки и внедрения в промышленную эксплуатацию.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 работ, 1 монография, 2 руководящих документа, 7 отчетов о НИР, 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованных источников из 121 наименований, приложения и содержит 272 страницы текста, включая 49 рисунков и 37 таблиц.
