Содержание к диссертации
Введение
1 Классификация и анализ электрогидравлических регулирующих эле ментов в системах управления 8
1.1. Обзор и классификация электрогидравлических регулирующих элементов в системах управления 8
1.2. Требования, предъявляемые к современным регулирующим элементам и основные параметры гидрофицированных технологических приводов 13
1.3. Постановка задачи исследования 18
2 Физические основы электрогидравлического регулирующего элемента с магнитожидкостным сенсором для системы автоматического управления гидрофицированным технологическим оборудованием 21
2.1. Характеристики, классификация и параметры современных МЖ 21
2.2. Характеристики, классификация и параметры современных упругих оболочек 35
2.3. Классификация способов и устройств синтеза электромагнитных полей для магнитожидкостных преобразователей 49
2.4. Постановка задачи построения расчетной модели ЭГРУ МЖС в потоке рабочей жидкости 53
2.5. Выводы 62
3 Теоретические исследования электрогидравлического регулирующего устройства с магнитожидкостным сенсором 64
3.1. Теоретические характеристики электрогидравлического регулирующе го устройства с магнитожидкостным сенсором 64
3.1.1. Обоснование геометрии проточной части по коэффициенту гидравлического сопротивления 64
3.1.2. Расчет упругих оболочек с МЖ 82
3.1.3. Расчет электромагнитных синтезаторов магнитного поля 91
3.1.4. Расчет теоретической статической характеристики ЭГРУ МЖС 104
3.1.5. Расчет теоретической динамической характеристики ЭГРУ МЖС 115
3.2. Векторная энергетика ЭГРУ МЖС 117
3.3. Выводы 130
4 Экспериментальные исследования электрогидравлического регулирующего устройства с магнитожидкостным сенсором 132
4.1. Экспериментальные статические и динамические характеристики 132
4.1.1. Конструкция электрогидравлического регулирующего устройства с магнитожидкостным сенсором 132
4.1.2. Экспериментальный стенд для снятия статических и динамических характеристик 134
4.1.3. Экспериментальные статические характеристики ЭГРУ МЖС в сухой и мокрой камере 137
4.1.4. Экспериментальные динамические характеристики ЭГРУ МЖС 149
4.2. Надежностные характеристики ЭГРУ МЖС 156
4.3. Выводы 162
5 Система автоматического управления гидроприводом технологического станка на базе ЭГРУ МЖС 163
5.1. Схема САУ гидроприводом токарного станка 163
5.2. Расчет САУ гидропривода с ЭГРУ МЖС 168
5.3. МП управление с учетом обратных связей по расходу и плотности рабочей жидкости 172
5.4. Расчет гидравлического контура гидрофицированного технологического оборудования с учетом ограничения по мощности источников питания 179
5.5. Инженерный расчет ЭГРУ МЖС и синтезатора магнитного поля 193
Заключение 196
Список литературы 198
- Требования, предъявляемые к современным регулирующим элементам и основные параметры гидрофицированных технологических приводов
- Постановка задачи построения расчетной модели ЭГРУ МЖС в потоке рабочей жидкости
- Обоснование геометрии проточной части по коэффициенту гидравлического сопротивления
- Экспериментальный стенд для снятия статических и динамических характеристик
Введение к работе
Автоматизация производственных процессов является важнейшим фактором повышения производительности труда и улучшения качественных показателей производимой продукции. Основными качественными показателями машиностроительных технологий являются точность и качество обработки, надежность технологического оборудования, снижение энергетических затрат на единицу производимой продукции. Одним из путей решения этих задач является разработка и совершенствование электрогидравлических систем управления технологическими процессами. Такие системы управления гидрофицированным технологическим оборудованием характеризуются высокой стабильностью параметров технологического процесса как в стационарных, так и в динамических переходных процессах (мощности, усилия, скорости, ускорения). Важнейшим направлением совершенствования гидрофицированного технологического оборудования является оснащение станочных гидроприводов новыми элементами, обладающими улучшенными эксплуатационными показателями (пониженные требования к степени очистки рабочих жидкостей, уменьшение энергетических потерь в гидросистемах, расширение функциональных возможностей гидрофицированного оборудования за счет дальнейшего расширения номенклатуры элементной базы).
Для решения этих задач проводятся научные исследования в некоторых принципиально новых направлениях (пульсирующие гидроприводы, электрогидравлическая флюидика, пъезокерамические преобразователи, магнитострикционные явления, электровязкие жидкости, магнитные жидкости). Использование новых физических явлений при построении электрогидравлических регуляторов расхода должно быть направлено на решение задач совершенствования станочного и технологического гидропривода: сокращение времени набора давления при регулировании; уменьшение объема утечек рабочей жидкости; уменьшение угловой и линейной погрешностей позиционирования; увеличение частоты переключения; уменьшение площадей технологических сопел с увеличением максимального градиента континуального вектора Умова силового потока по сечению технологического сопла; расширение спектра генерируемых гидравлических колебаний; возможность коррекции регулирования расхода в зависимости от температуры, плотности и вязкости технологических жидкостей; уменьшение габаритов и массы.
Гидрофицированное технологическое оборудование требует совершенствования и в таких отраслях как нефтехимическая, пищевая, фармацевтическая, энергетическая. Основная задача, которая требует решения в первую очередь - это получение заданного профиля скоростей рабочих жидкостей на выходе технологического сопла: программное поверхностно-объемное охлаждение, разрушение образцов различных пород, интенсификация перемешивания и эмульгирование несмешивающихся жидкостей, прецизионное струйное дозирование. Развитию различных направлений автоматизации САУ гидрофицированным технологическим оборудованием посвящены работы отечественных и зарубежных ученых Н.С. Гамынина, В.Л. Сосонкина, О.Н. Трифонова, И.М. Крассова, В.А. Лещенко, В.А. Хохлова, Д.Н. Попова, А.А. Денисова, B.C. Нагорного, И.Л. Повх, Т.М. Башты, Ю.И. Чупракова, Т.А. Сырицина, Й.Й. Беязова, Р. Моля, Ю. Иринга. Поиск новых решений активно продолжается и по сей день.
Именно поэтому перспективной и актуальной является задача совершенствования гидрофицированных технологических приводов на базе новых электрогидравлических регуляторов расхода и, в частности, с использованием магнитных жидкостей.
Целью данной диссертационной работы является создание и исследование САУ гидроприводом технологического оборудования с пониженными энергозатратами и, в частности, САУ для подачи инструмента токарного патронно-центрового полуавтомата с ЧПУ мод. 1725 МФЗ с использованием электрогидравлического регулирующего устройства с магнитожидкостным сенсором. Изменение плотности и расхода рабочей жидкости в гидравлическом контуре подачи инструмента токарного патронно-центрового полуавтомата приводит к изменению временных диаграмм обработки деталей: уменьшение плотности рабочей жидкости на 10 % приводит к увеличению времени смены инструмента на 5-7 %, а уменьшение скорости рабочей жидкости на 10 % приводит к увеличению времени смены инструмента на 3-5 % /21, 22, 62, 84,143/. Для стабилизации плотности и расхода рабочей жидкости необходимы САУ с двумя обратными связями - по плотности и расходу рабочей жидкости. Подобная задача должна решаться для класса станков токарно-фрезерной группы /143/, у которых технологический процесс содержит частые циклы смены инструмента, занимающие до 25 % времени всего технологического процесса обработки. Учитывая нелинейную, в общем случае, зависимость скорости подачи инструмента класса станков токарно-фрезерной группы от плотности и расхода рабочей жидкости гидропривода /143/, использование микропроцессорного контроллера для целей управления и коррекции является предопределенным.
Для решения поставленной задачи необходимо:
- доказать возможность использования электрогидравлических регулирующих устройств с магнитожидкостным сенсорами в гидрофицированным технологических приводах;
- сформулировать требования к элементам САУ гидрофицированным технологических приводов: упруго оболочечным сенсорам, магнитным жидкостям, к статическим и динамическим характеристикам регулирующих устройств на «сухой» и «мокрой» камерах, индукторам управляющих магнитных полей; - провести теоретические и экспериментальные исследования электрогидравлических регулирующих устройств (ЭГРУ) с упруго оболочечными магнитожидкост-ными сенсорами как новых элементов САУ гидрофицированным технологических приводов;
- наметить пути дальнейшего совершенствования САУ гидрофицированных технологических приводов с ЭГРУ и предложить конкретные примеры их применения при автоматизации машиностроительных технологических гидроприводов;
- дать методику инженерного расчета САУ гидрофицированным технологических приводов с ЭГРУ.
Научные и практические результаты работы использованы в плановых госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работах за 2000 - 2003 г.г., выполняемых на кафедрах «Управление и информатика в технических системах» Ба-лаковского института техники, технологии и управления СГТУ и «Автоматизация технологических процессов» СГТУ под руководством д.т.н., профессора, Косырева СП.
Разработанная система рекомендована к внедрению на промышленных предприятиях г.г. Балакова, Ростова.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
Международных научных конференциях «Современные проблемы электрогидродинамики и электрофизики жидких диэлектриков» (г. Санкт - Петербург, 1994 г., 1996 г., 1998 г., 2000 г., 2003 г.);
Международной научной конференции «Предмет, объекты и проблемы энергетики векторного взаимодействия потоков в распределенных системах» (г. Балаково, 1997 г.);
Конференции молодых специалистов электроэнергетики (г. Москва, 2000 г.);
Российской научной конференции «Математические и условно-логические модели объектов для векторно-энергетического управления» (г. Балаково, 1998 г.);
Российских научных конференциях «Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах» (г. Балаково, 1999 г., 2000 г., 2001 г, 2002 г.);
Международной конференции молодых ученых и студентов (г. Самара, 2001 г.);
Международных научно-практических конференциях «Системный анализ в проектировании и управлении» (г. Санкт - Петербург, 2002, 2003 г. г.);
- научных семинарах кафедр «Управление и информатика в технических системах» Балаковского института техники, технологии и управления СГТУ и «Автоматизация технологических процессов» СГТУ в 2000 - 2003 г.г.;
- городских научно-технических конференциях (г. Балаково 2000 - 2003 г.г.); По результатам проведенных исследований опубликовано 27 работ, получено положительное решение о выдаче патента на способ регулирования расхода.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 209 страниц основного машинописного текста, ПО рисунков, 27 таблиц, библиографический список из 192 наименований, 10 приложений.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Математический критерий крутизны управления проточной частью электрогидравлического регулирующего устройства.
2. Математические модели статических и динамических характеристик ЭГРУ в распределенных параметрах как элемента системы автоматического управления гид-рофицированным технологическим оборудованием.
3. Экспериментальные статические и динамические характеристики ЭГРУ.
4. Цифровая САУ гидроприводом технологического станка с ЭГРУ в прямой связи и преобразователями расхода и плотности на основе магнитножидкостных сенсоров в цепи обратной связи.
5. Инженерный расчет ЭГРУ и элементов гидравлического контура гидрофи-цированного технологического оборудования на его основе, а также рекомендации по использованию ЭГРУ в различных отраслях науки и техники.
Требования, предъявляемые к современным регулирующим элементам и основные параметры гидрофицированных технологических приводов
Регулирующие элементы изменяют давление, расход и направление потока рабочей жидкости путем частичного открытия рабочего проходного сечения /143/. К таким элементам относятся различные клапаны давления, ограничивающие, поддерживающие или регулирующие давление в гидросистеме за счет дросселирования проходящего через них потока рабочей среды; дроссели и регуляторы потока, поддерживающие заданный расход рабочей среды, а также дросселирующие гидрораспределители, обеспечивающие изменение расхода и направления потока рабочей среды в нескольких линиях одновременно в соответствии с изменением внешнего управляющего воздействия. Клапаны давления: по характеру регулирования клапаны давления делятся на напорные клапаны, которые могут использоваться в качестве предохранительных или переливных клапанов, редукционные и клапаны разности давления. Существуют также комбинированные элементы, которые могут выполнять в гидросистемах одновременно функции редукционного и переливного клапанов (в зависимости от направления потока), редукционного клапана и реле давления. Для обеспечения постоянства скорости независимо от нагрузки необходимо иметь постоянный перепад давления на дросселирующей щели, причем этот перепад должен быть небольшим для получения минимальных расходов при минимально допустимой площади проходного сечения дросселирующей щели. Указанным условиям удовлетворяют регуляторы потока, которые представляют собой комбинацию дросселя с регулятором, поддерживающим постоянный перепад давления 0,2-0,25 МПа на дросселирующей щели. Для уменьшения степени зависимости установленного расхода от температуры масла кромки дросселирующей щели аппаратов выполняются острыми. Основные параметры дросселей и регуляторов потока: диаметр условного прохода 10-32 мм; расход масла (максимальный - 20-160; минимальный - 0,06-0,25) л/мин; рабочее давление (максимальное 6,3-20; минимальное при расходе 100 % максимального - 0,2-0,8) МПа; перепад давления в дросселе не менее 0,2 МПа; время набора давления не более 1-1,5 с; расход масла через полностью закрытый дроссель при максимальном рабочем давлении 20-120 см /мин; утечка масла из дренажного отверстия не более 40 см /мин; масса 2,6 - 15,5 кг. Основные параметры электрогидравлических поворотных следящих приводов: рабочий объем гидродвигателя на угол поворота 270 - 400 - 630 см3; максимальная скорость поворота выходного вала - 100-120 %; максимальный потребляемый расход масла - 15 - 17 л/мин; номинальное давление - 6,3 - 12,5 МПа; максимальный реактивный момент, действующий на места крепления привода - 500 -2000 Нм; максимально допустимый момент инерции нагрузки - 16 - 140 кг м ; максимальная угловая погрешность позиционирования (при температуре масла 50-55 С) -±5-±10 мин. В высокоавтоматизированных станках с ЧПУ с электрогидравлическими следящими и адаптивными системами управления находят применение электрогидравлические комплектные сервоприводы, позволяющие получить диапазон регулирования скоростей 1 : 1000; стабильную скорость, не зависящую от силы резания, трения и температуры масла; высокое качество обрабатываемой поверхности; повышенную стойкость инструмента; точность позиционирования до нескольких микрон и сокращение времени переналадки, причем за счет широкого использования внутренних обратных связей удается добиться оптимального регулирования технологических процессов в пределах установленной мощности. Продолжают совершенствоваться электрогидравлические приводы на базе новых электрогидравлических регулирующих устройств. Уже созданы ЭГРУ третьего поколения на частоту до 16 кГц, позволяющие, при линейной дискрете 0,01 мм увеличить скорость холостого хода рабочих органов до 9,6 м/мин без увеличения мощности питающей насосной установки благодаря наличию двухрежимного гидромотора. В координатно-расточных станках гидроприводы применяются в основном для вспомогательных целей, однако опыт фирмы Dixi (Швейцария) свидетельствует о том, что возможности гидропривода еще недостаточно используются. Термостабилизация жидкости в гидроприводе и системе смазки с точностью ± 1 С позволила фирме достичь точности позиционирования ± 1 мкм по трем координатам с помощью линейного гидропривода при шабреных чугунных направляющих скольжения на крестовом столе и вертикальной стойке, причем точность поворота стола составляет 2—3 . В приводах подачи электроэрозионных станков предъявляются наивысшие требования к чувствительности и быстродействию следящей системы. Необходимость стабильного удержания электрода в рабочей зоне, которая в ряде случаев не превышает 0,01 мм, его плавного перемещения со средней скоростью до нескольких сотых долей миллиметра в минуту и практически мгновенной реакции привода на возникновение короткого замыкания требуют применения специальных электрогидравлических следящих приводов, которые используются для большинства копировально-прошивочных электроэрозионных станков. Дальнейшее совершенствование приводов направлено на улучшение их эксплуатационных характеристик. В электрохимических станках в целях повышения точности внедряется импульсно-циклический метод обработки, при котором электроды сводятся до механического контакта, затем разводятся на величину рабочего зазора (0,02-0,03 мм), и через межэлектродный промежуток пропускается импульс тока, после чего электроды разводятся на 0,1-0,2 мм одновременно с эффективной промывкой межэлектродного промежутка. Указанный цикл повторяется с частотой до 3-4 Гц в условиях, когда действующая на электрод-инструмент нагрузка может достигать 100 кН вследствие высокого давления (до 2 МПа) прокачиваемого электролита. Промышленные роботы - новая обширная область использования гидроприводов. По оценкам ведущих иностранных фирм, гидроприводами оснащаются более 50 % роботов, выпускаемых в мире. Гидроприводы промышленных роботов должны обеспечивать скорости перемещения рабочих органов до 1-1,5 м/с или 180%, точность позиционирования в пределах 0,1-1 мм, высокое быстродействие, оптимизированные разгон и торможение, малые массы и габариты, достаточно высокий КПД, надежность, долговечность и безопасность в работе.
При выборе типа, конструкции и размеров ЭГРУ и для работы его в конкретных условиях необходимо учитывать/135/:
1) характер регулируемой среды (газ, жидкость, пар), ее состав и рабочие параметры (давление, температуру, плотность, вязкость);
2) максимальный и минимальный расходы регулируемой среды, проходящей через клапанное или заслоночное устройство;
3) максимально и минимально возможные перепады давления на регулирующем или перекрывающем органе;
4) крайнее положение, которое должен занять регулирующий орган (открыто, закрыто) при аварийном отключении сигнала (командного давления воздуха), подаваемого к приводу устройства или при выходе из строя самого привода;
5) конструкция перекрывающего или регулирующего органа должна быть рассчитана на максимальное рабочее давление и на максимальную (минимальную) рабочую температуру регулируемой среды;
6) материалы основных деталей перекрывающего или регулирующего органа должны быть химически стойкими к агрессивным воздействиям со стороны протекаемой среды;
Постановка задачи построения расчетной модели ЭГРУ МЖС в потоке рабочей жидкости
Наиболее широкое распространение в автоматизированных системах находят гидравлические управляющие устройства. Их совершенствование идет по пути улучшения характеристик и параметров отдельных элементов, что позволяет увеличить ресурс работы, уменьшить массу, повысить мощность управляющих устройств и тем самым снизить энерго- и материалоемкость производства. Литературные данные (порядка 20% периодических публикаций), показывают, что это может быть достигнуто путем реализации новых систем, конструкций и методов расчета.
Одной из актуальных задач в настоящее время является создание управляющих устройств с приводами минимальной мощности и повышенной надежности. Эти вопросы нашли прямое отражение в настоящей работе, где на примере рассмотрения широко используемых гидравлических управляющих устройств показаны пути и способы их совершенствования. Спроектировать гидравлическую систему означает: выбрать ее принципиальную и конструктивную схемы; установить оптимальные рабочие и конструктивные параметры системы; произвести необходимые расчеты ее геометрических и эксплуатационных характеристик; выбрать и обосновать конструктивные схемы ее отдельных элементов и рассчитать их на прочность.
Как известно, универсальных рекомендаций для выбора типа гидросхем не существует. В каждом конкретном случае исходят из учета главных факторов, определяющих преимущества того или иного варианта системы. Наша задача состоит в том, чтобы правильно оценить основные факторы, проанализировать их влияние на тот или иной вариант гидросхемы и на основании такого анализа выбрать схему, которая имела бы преимущества перед другими.
Выбор конструктивной схемы системы и элементов автоматики обычно производится с учетом имеющихся теоретических и экспериментальных материалов и данных статистики, а также с учетом обеспечения высокой надежности ее работы и минимальной массы. Конструкция гидросистемы должна иметь по возможности минимальное количество деталей. Там, где это возможно, необходимо использовать ранее разработанные и проверенные элементы автоматики. При разработке гидравлической схемы особое внимание обращают на обеспечение высокой надежности ее работы при всех возможных неблагоприятных условиях. Анализ существующих гидросистем по уровню надежности, ресурсу, эксплуатационным характеристикам и экономическим факторам показывает, что проектирование систем с учетом их непрерывного упрощения позволяет достичь высокой надежности системы.
В нашем случае, расчетная модель электрогидравлического регулирующего устройства базируется на физических принципах электромагнитного и гидродинамического полей и состоит из четырех расчетных блоков: а) электромагнитный синтезатор; б) деформация магнитожидкостного сенсора; в) изменение гидравлического сопротивления проточной части; г) гидравлический контур с регулирующим элементом и последовательно включенной нагрузкой.
Первый расчетный блок. Расчет электромагнитного синтезатора основывается на расчете электромагнитного поля. Электромагнитное поле можно представить в ви де системы фундаментальных уравнений электродинамики, называемых уравнениями Максвелла в неподвижных средах. Этих уравнений четыре. В интегральной форме система уравнений Максвелла имеет следующий вид: dt где p - объемная плотность сторонних за-Рис. 2.11. Электромагнитный синте- рядов, j - плотность тока проводимости, затор В дифференциальной форме уравнения Максвелла выглядят следующим обра зом: дБ АхЕ = —— ,AD = p, (2.35) at dD dt ДВ = 0. (2.36) AxH = j + Значение уравнений Максвелла в дифференциальной форме не только в том, что они выражают основные законы электромагнитного поля, но и в том, что путем их решения (интегрирования) могут быть найдены сами поля Е и В. Если же поля стационарны (E=const и B=const), то уравнения Максвелла распадаются на две группы независимых уравнений. В этом случае электрическое и магнитное поля независимы друг от друга, что и позволит нам рассчитать управляющее магнитное поле. Т.о. при расчете электромагнитного синтезатора, на входе данного расчетного блока мы имеем параметры самого синтезатора и напряжение, подаваемое на него, а на выходе магнитную индукцию, характеризующую магнитное поле, в каждой его точке. Численно магнитная индукция определяется по механической силе, действующей на один движущийся заряд, элемент объема с заданной плотностью тока в нем, либо на элемент проводника с током. Второй расчетный блок. Он состоит из двух частей: расчет силы взаимодействия МЖ с магнитным полем и расчет деформации упругооболочечного сенсора под действием силы магнитного давления. Первая часть связана с расчетами движения МЖ в магнитном поле. Основной механизм взаимодействия магнитной жидкости с магнитным полем (обмен импульсом) учитывается введением объемной магнитной силы в уравнение движения. Уравнения движения МЖ в тензорном виде /23/:
(2.38) Последние 2 слагаемых в правой части (2.38) описывают взаимодействие МЖ с магнитным полем. Первое определяет силу взаимодействия токов проводимости с полем. Второе слагаемое p.0MVH определяется взаимодействием магнитного момента среды с неоднородным внешним полем. Обе силы одного порядка и равноправны в гидродинамике МЖ. При р=103 кг/м3; g = 10 м/с2 градиент давления сил тяжести равен 104 н/м3. Магнитостатическая сила при М 50 кА/м и VH 106 А/м2 (что соответствует
средним значениям намагниченности жидкостей и умеренным значениям неоднородности поля) обеспечивает градиент давления 5x104 Н/м3. Такой же градиент давления вызывает магнитодинамическая сила в поле с индукцией В 1 Тл при плотности тока 5 А/см2. Уравнение неразрывности:
Обоснование геометрии проточной части по коэффициенту гидравлического сопротивления
Для эффективного и минимально избыточного энергетически управления проточной частью ЭГРУ необходимо выбрать критерий, который бы позволил обоснованно выбирать конфигурацию и размеры поперечного сечения проточной части. Для выбора геометрии проточной части ЭГРУ был впервые предложен принципиально новый критерий /171-173/. Магнитожидкостный сенсор представляет собой регулирующее устройство, расположенное в проточной части и изменяющее проходное сечение и, соответственно, гидравлическое сопротивление. Как известно /88/, коэффициент гидравлического сопротивления патрубка круглого сечения ,к может быть найден из уравнения Дарси-Вейсбаха: где ln,dn - длина и диаметр патрубка соответственно, м; Ар - перепад давления на пртрубке, Па; р - плотность жидкости, кг/м3. Т.е. в терминах теории автоматического управления коэффициент гидравлического сопротивления любого участка гидравлической цепи есть отношение перепада давления на участке цепи, получающееся при протекании через участок некоего скоростного напора к этому скоростному напору:
Расчетные формулы и номограммы , для различных местных гидравлических сопротивлений и гидравлических регулирующих и соединительных устройств приведены в /88/. Задача разработки эффективного по энергетике и динамике электрогидравлического устройства сводится к выбору проточной части, при которой бы минимальное геометрическое перемещение магнитожидкостного сенсора (а, соответственно, и минимально энергетически избыточное управление сенсором) приводило бы к максимальному изменению гидравлического сопротивления. С этой целью автором были изначально были выбраны наиболее распространенные сечения проточных частей регулирующих устройств, у которых определялась чувствительность гидравлического сопротивления по изменению поперечного сечения (за счет магнитожидкожид-костного сенсора) /171-173/. При расчете коэффициента гидравлического сопротивления каналов различного сечения учитываются следующие расчетные параметры: режим течения - ламинарный; температура - 0С t 40С; скорость потока - 0,1 м/с и 1,0 м/с; площадь сечения -0,00005 м2 F 0,0004 м2.
Магнитные поля применяются в самых разнообразных областях науки и техники. Вопросам расчета и проектирования магнитных систем посвящено большое число книг и монографий. Однако большое разнообразие магнитных систем по назначению, размерам, напряженностям поля, источникам питания, требованиям к качеству поля приводят к различным особенностям при их расчете и проектировании. Поэтому про 92 блемы оптимального расчета и проектирования магнитных систем остаются весьма актуальными.
Можно выделить две основные задачи расчета магнитного поля: 1) расчет поля при заданных токах - задача анализа магнитного поля (МП); 2) нахождение токов и их распределения в пространстве для создания магнитного поля в заданной рабочей области - задача синтеза МП. Первая задача, задача анализа поля, теоретически полностью решается на основе закона Био-Савара, хотя здесь существуют чисто практические трудности, связанные с программной реализацией, а также с аналитическими расчетами. Вторая задача, задача синтеза заданного магнитного поля не может быть решена в общем виде. Кроме того, ее решение не однозначно, поскольку эта задача относится к числу некорректных задач. Исследование проблем, связанных с синтезом заданного магнитного поля, весьма актуально для многих физических и технических приложений.
По определению магнитное поле - сила, которая действует на проводники с током, заставляя их либо притягиваться, либо отталкиваться друг от друга. Кроме того, магнитное поле наглядно проявляется при втягивании ферромагнитного стержня в катушку. В любом из этих случаев для расчетов системы более интересно не непосредственно магнитное поля, а та сила, с которой магнитное поле действует на предмет, находящийся в нем.
Расчет электромагнитного синтезатора основывается на расчете электромагнитного поля. Электромагнитное поле можно представить в виде системы фундаментальных уравнений электродинамики, называемых уравнениями Максвелла в неподвижных средах. Этих уравнений четыре. В дифференциальной форме уравнения Максвелла выглядят следующим образом:
Смысл уравнений Максвелла в дифференциальной форме не только в том, что они выражают основные законы электромагнитного поля, но и в том, что путем их решения (интегрирования) могут быть найдены сами поля Е и В. Если же поля стационарны (E=const и B=const), то уравнения Максвелла распадаются на две группы независимых уравнений. В этом случае электрическое и магнитное поля независимы друг от друга, что и позволяет рассчитывать постоянное магнитное поле.
Для расчета осесимметричной катушки, конструкция которой показана на рис. 3.36, понадобятся такие параметры катушки как U-напряжение, подаваемое на катушку, R-сопротивление катушки, Wl-число витков в одном слое, S-число слоев, D-диаметр провода, цо - магнитная проницаемость вакуума, М - намагниченность среды (магнитной жидкости в МЖ сенсоре), а также параметры, указанные на рис. 3.36.
Параметры магнитных полей рассчитывают различными методами /6, 65, 95, 98, 119, 163/. Для нахождения параметров поля вне сечения катушки с током (в точках Q, расположенных за пределами области принадлежности точек М) расчет можно выполнять с помощью
RB, RH функциональной границы поперечного сечения S катушки зависят от z; осевые координаты Ьь Ьг соответствуют габаритным точкам сечения (рис. 3.37,а). При другой постановке задачи радиусы RB, RH соответствуют габаритным точкам, а координаты Ьь Ьг функционально зависят от г. Для катушек с прямоугольным сечением обозначения размеров и координат показаны на рис. 3.37,6. Плотность тока может функционально распределяться по сечению катушки. Некоторые зависимости J(p=J(p(rM,zM) указаны в /11, 119/. Во многих случаях среднюю по сечению катушки плотность тока J,, =IBco/S можно принимать постоянной (1в,ю—ток и число витков катушки).
Экспериментальный стенд для снятия статических и динамических характеристик
Для снятия статических и динамических характеристик регулирующего элемента был разработан и изготовлен гидростенд, схема которого приведена на рис. 4.5.
Рабочая жидкость (вода, минеральное масло) находится в емкости 5, где при помощи датчика температуры 4 измеряется ее температура, а при помощи терморегулятора 3 она поддерживается на заданном уровне. При включении электродвигателя 1, приводящего в работу насос 2, рабочая жидкость начинает поступать в гидросистему через вентиль НІ, который регулирует давление на входе магнитножидкостного регулирующего устройства при закрытом сливном вентиле Н2. Давление на входе и выходе регулятора потока фиксируется манометрами Ml и М2 соответственно, на сливном кране манометром МЗ. Таким образом, жидкость по трубопроводу поступает на вход регулятора потока. Изменение площади поперечного сечения проточной части обусловлено изменением формы регулирующего элемента 7 (РЭ), которое обеспечивается подачей напряжения на управляющую обмотку 8 (порядка 2-5 В) от управляющего источника питания 9. Величина напряжения контролируется вольтметром 6. Из регулятора потока рабочая жидкость по трубопроводу поступает в измерительную емкость 10, где и определяется объем рабочей жидкости, протекающей через регулятор потока. При открытом вентиле Н2 рабочая жидкость поступает и в измерительную емкость 10, где также определяет ее объем.
При проведении эксперимента на вышеупомянутом гидростенде менялись три параметра Р-давление (0,006МПа - 0,008МПа), U-напряжение (0-5 В) и t-температура (18С-40С).
Для проведения экспериментов на ДК ЭГРУ МЖС был разработан гидростенд представленный на рисунке 4.6.
Рабочая жидкость, используемая в эксперименте, находится в емкости 5, где при помощи датчика температуры 4 измеряется ее температура. При включении электродвигателя 1, приводящего в работу насос 2, рабочая жидкость начинает поступать в гидросистему через вентиль HI, который регулирует давление на входе двухканаль-ного ЭГРУ МЖС, при закрытом сливном вентиле Н2. Давление на входе фиксируется манометром М2, на сливном кране манометром Ml. Ограниченный таким образом объем жидкости по трубопроводу поступает на вход регулятора потока. Входящий в ЭГРУ поток жидкости разделяется на два. Изменение площади сечения проточной части каждого из каналов, обусловлено изменением формы регулирующего элемента 7 (ЭГРУ), которое обеспечивается подачей напряжения на управляющие обмотки 7 (порядка 2-5В) от синтезатора магнитного поля (СМП) 9. Управляющие напряжения подаются на каждую обмотку отдельно (каналы К1 и К2). Величины напряжений на обмотках контролируется вольтметрами VI и V2. Из регулятора потока рабочая жидкость по двум трубопроводам поступает в измерительные емкости 10 и 11, где и определяется объем рабочей жидкости, протекающей через каждый выходной канал ЭГРУ. При открытом вентиле Н2 рабочая жидкость поступает и в измерительную емкость 6, где также определяет ее объем. Давления на каждом из выходных каналов контролируются манометрами МЗ и М4. Время заполнения емкостей контролировалось секундомером.
