Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор разработок и перспективы развития технологического оборудования, используемого в целях обработки материалов давлением .. 11
1.1. Современный уровень развития и анализ прессового оборудования малой мощности 11
1.1.1. Современная ситуация и основные показатели прессов, реализованных на базе электродвигателей вращательного движения 11
1.1.2. Современная ситуация и основные показатели прессов, реализованных на базе линейных двигателей 17
1.2. Сравнение показателей существующего прессового оборудования и обоснование выбора типа привода 23
1.2.1. Согласование тяговой характеристики привода с силовой характеристикой обрабатываемого материала 23
1.2.2. Сравнение показателей существующего прессового оборудования по системе объективных критериев 28
Выводы 32
ГЛАВА 2. Выбор базовой конструкции лэмд. вопросы расчета силовых характеристик ЛЭМД, методы релизации 33
2.1. Выбор базовой конструкции ЛЭМД для привода пресса 33
2.2. Пути улучшения удельных силовых показателей ЭМД 39
2.3. Основные подходы к получению силовых характеристик ЛЭМД 42
2.3.1 Расчет статических тяговых характеристик 42
2.3.2 Расчет динамических тяговых характеристик 45
2.4. Методы реализации 48
2.4.1. Применение пакетов вычислительных программ при расчете силовых характеристик ЛЭМД 48
2.4.2. Универсальный программный продукт для расчета ЛЭМД базовой конструкции 50
Выводы 58
ГЛАВА 3. Оптимизация геометрии электромагнитных двигателей на основании исследования статических тяговых характеристик 59
3.1. Постановка задачи 59
3.1.1 Вопросы расчета рациональных соотношений размеров ЭМД... 61
3.1.2 Определение объемов (масс) ЛЭМД 65
3.1.3. Выбор метода и алгоритма оптимального поиска 68
3.2. Выбор рациональных соотношений объемов активных материалов ЛЭМД 70
3.3. Исследование влияния геометрии пресса на формирование статической тяговой характеристики пресса при заданном соотношении меди и стали
3.3.1. Выбор радиуса якоря 76
3.3.2. Выбор значения высоты стопа 78
3.3.3. Выбор рациональных значений высоты дисковой части якоря, высоты полюса и внешнего радиуса магнитопровода 85
3.4. Исследования влияния марки материала пресса на силовые и энергетические параметры 98
Выводы 103
ГЛАВА 4. Инженерная методика расчета лэмд пресса с улучшенными силовыми показателями 104
4.1. Исследование влияния величины и формы питающего напряжения на силовые характеристики ЛЭМД 104
4.2. Создание графоаналитической методики расчета тяговой характеристики ЛЭМД 110
4.3. Инженерная методика расчета рациональных параметров ЛЭМД пресса базовой конструкции с малым ходом якоря 127
4.4. Результаты расчетов ЛЭМД пресса с улучшенными силовыми и энергетическими показателями 131
Выводы 136
Заключение 138
Список литературы 140
- Современная ситуация и основные показатели прессов, реализованных на базе электродвигателей вращательного движения
- Применение пакетов вычислительных программ при расчете силовых характеристик ЛЭМД
- Выбор рациональных соотношений объемов активных материалов ЛЭМД
- Инженерная методика расчета рациональных параметров ЛЭМД пресса базовой конструкции с малым ходом якоря
Введение к работе
В ряде отраслей промышленности при производстве мелких деталей используются технологические процессы обработки материалов давлением, механизация которых осуществляется устройствами и машинами импульсного действия малых мощностей [1,2, 7,23,24, 27,29,106, 123, 124]. В качестве технических средств, реализующих импульсные технологии, широко используются прессы с пневмо-, гидро- и электроприводом, для которых современная методология позволила разработать эффективные методы анализа и синтеза, выявить общие вопросы исследования и проектирования и создать для них единую теорию силовых импульсных систем.
Обширность области применения машин, работающих в импульсном режиме, очевидна, поскольку около половины серийных электродвигателей используется в приводе машин с линейной траекторией рабочих органов при наличии редукторных передач [29]. С развитием технических средств расширяются области применения основных элементов импульсных систем и одновременно повышаются требования к обеспечению необходимых режимов работы, надежности, снижению энергопотребления, массогабаритных и стоимостных показателей, обеспечению простоты управления и удобства в эксплуатации обслуживающим персоналом, ограничения воздействия на окружающую среду. Наиболее полно обеспечивают выполнение данных требований силовые импульсные системы, реализованные на базе линейных электродвигателей различного принципа действия. Они осуществляют непосредственное, без промежуточных звеньев, преобразование электроэнергии в механическую работу, что обусловливает возможность существенного упрощения кинематической схемы, снижение массогабаритных показателей машин, улучшение экологической обстановки, повышение надежности и экономичности данных устройств.
К настоящему времени накоплен большой опыт в решении вопросов теории энергопреобразования, проектирования и практической реализации линейных электрических машин, позволяющих повысить эффективность использования электрической энергии. Значительный вклад в решение этой проблемы внесли П. М. Алабужев, О. Н. Веселовский, В. Н. Гурницкий, В. В. Ивашин, А. В. Львицын, В. И. Малинин, А. Н. Мирошниченко, А. И. Москвитин, Г. К. Ротерс, Н. П. Ряшенцев, Б. Ф. Симонов, М. М. Соколов, Е. М. Тимошенко, А. П. Тронов, Г. Г. Угаров, В. Н. Федонин, А. В. Фролов и другие специалисты. В известных работах [7, 8,24,25,52,53, 54, 70, 98,114] отражены результаты исследования линейных электроприводов, и их практическая реализация. Разработанные конструкции асинхронных, синхронных, индукционно-динамических и электромагнитных линейных машин, включая машины прессового действия, нашли широкое использование в народном хозяйстве.
Процесс дальнейшего развития и совершенствования прессовых машин выявил перспективность использования силовых электромагнитных импульсных систем на основе линейных электромагнитных двигателей (ЛЭМД). Электромагнитные двигатели, по сравнению с другими типами линейных двигателей, наиболее пригодны для привода машин импульсного действия, поскольку они наилучшим образом совмещают приводной двигатель и рабочий орган машины. Сегодня имеется большой опыт использования молотков, перфораторов, насосов, прессового оборудования и различного технологического оборудования бытового назначения, созданного на основе импульсных ЭМД, в строительстве, машиностроении, приборостроении, пищевой, химической промышленности, медицине и т. д. [7, 24, 31, 35, 72, 82, 84, 98, 132, 137], где оно обеспечивает значения полезной энергии в диапазоне от 0,1 до 104 Дж при массога-баритных показателях до 1,5'Ю4 кг. Однако значение такого показателя как удельная полезная работа у лучших в своем классе электромагнитных машин сегодня не превышает 6 Дж/кг, что почти в три раза ниже, чем у аналогичных по назначению устройств с пневмоприводом. Возрастающая необходимость
7 дальнейшего повышения удельных силовых и энергетических показателей требует поиска новых путей, позволяющих при минимальных затратах получить желаемый результат.
Поэтому в настоящей работе основное внимание уделяется повышению удельных силовых и энергетических характеристик за счет выбора рационального типа магнитной системы и режима работы. Предлагаемая инженерная методика расчета машин отличается относительной простотой, гибкостью, универсальностью и позволяет снизить до минимума количество последующих изменений конструкции и связанных с этим дополнительных расчетов.
Цель работы и задачи исследования.
Цель диссертационной работы состоит в улучшении силовых и энергетических характеристик двигателя электромагнитного пресса за счет выбора рационального типа магнитной системы и оптимизации геометрических параметров с учетом особенностей технологического процесса.
Для достижения цели решались следующие основные задачи:
Выполнить анализ современного состояния проблемы и возможных путей ее решения. Обосновать базовую конструкцию двигателя пресса.
Исследовать влияние геометрических соотношений, магнитных свойств элементов конструкции и режима питания двигателя электромагнитного пресса на его удельные силовые характеристики в диапазоне рабочего хода при разной степени насыщения стали.
Разработать систему конструктивных мер по улучшению удельных силовых характеристик.
Разработать инженерную методику расчета двигателя электромагнитного пресса с улучшенными силовыми характеристиками, учитывающую особенности технологического процесса.
8 Методы исследования.
Исследования проводилось с помощью математического моделирования. При создании математической модели и универсального программного комплекса для анализа статических и динамических процессов использовались методы расчета магнитных полей, численные методы решения дифференциальных уравнений. Для расчета удельных силовых, энергетических показателей и поиска рациональных геометрических соотношений автором были разработаны программы в среде MathCAD 13, FEMM 4,0.
Достоверность результатов численного моделирования проверялась путем сопоставления с имеющимися опубликованными данными, полученными экспериментально на физических моделях импульсных линейных электромагнитных двигателей, а также с помощью аналитических расчетов. Аналитические методики расчета базировались на фундаментальных законах и уравнениях электродинамики, теории электромагнитного поля и теории электрических цепей, поиск интегральных соотношений осуществлялся аналитическими методами решения дифференциальных уравнений.
Научная новизна работы:
Исследовано влияние степени насыщения стали магнитопровода на удельные силовые показатели, определены области рациональных соотношений геометрических размеров элементов конструкции ЛЭМД, исходя из максимумов отношений тягового усилия и работы к массе его активных материалов в зависимости от величины хода якоря и степени насыщения стали.
Исследовано влияние магнитных свойств материала магнитопровода ЛЭМД на его удельные силовые показатели, обосновано применение материалов с повышенным порогом насыщения.
Разработана методика расчета статической тяговой характеристики ЛЭМД, которая, в отличие от известных, основана на сочетании аналитического расчета тягового усилия по энергетической формуле с аналитическим рас-
четом распределения магнитного потока по длине магнитопровода с учетом
его нелинейных свойств, что повышает точность расчета усилия. 4. Разработана инженерная методика расчета ЛЭМД пресса базовой конструкции с улучшенными силовыми характеристиками, которая, в отличие от известных, при выборе геометрических соотношений элементов конструкции учитывает особенности технологического процесса.
Основные положения, выносимые на защиту:
Установленная зависимость удельных силовых показателей ЛЭМД от соотношений геометрических размеров элементов его конструкции с максимумом, смещающимся с изменением степени насыщения магнитопровода.
Разработанный комплекс конструктивных мер, обеспечивающий получение максимальных удельных значений силы тяги и работы за счет учета влияния насыщения стали.
Инженерная методика расчета ЛЭМД пресса с улучшенными силовыми показателями.
Практическая ценность работы состоит в том, что
разработан алгоритм реализации инженерной методики расчета ЛЭМД пресса для заданного технологического процесса, включающий в себя определение геометрических размеров элементов конструкции и обмоточных данных катушки, расчет статической тяговой характеристики и удельных показателей с учетом степени насыщения стали;
разработан комплекс программ для ЭВМ, позволяющий вычислять удельные силовые показатели и находить области их рациональных значений в зависимости от величины хода якоря и насыщения стали, рассчитывать статические тяговые характеристики.
10 Публикации. Основные научные результаты и материалы исследований
опубликованы в 9 работах, в том числе 1 статья в журнале, рецензируемом ВАК
для кандидатских диссертаций; 3 статьи в периодических изданиях и 5 работ,
опубликованных в материалах всероссийских и международных конференций.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на II научно-технической конференции с международным участием «Электротехника, электромеханика, электротехнологии ЭЭЭ-2005» 25 октября 2005 г., на всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» 4 декабря 2004 г., 6 декабря 2005 г. и 7 декабря 2006 г.
Реализация результатов работы. Материалы диссертационной работы использованы в отчетах о НИР, проводимой в ГОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет» (НГТУ) по государственному контракту № 02.513.11.3138 (шифр 2007-3-1.3-25-01-486), а также в учебном процессе при подготовке бакалавров, инженеров и магистрантов электромеханического факультета ГОУ ВПО НГТУ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 135 наименований и приложений. Работа содержит 154 страницы основного текста с 45 иллюстрациями и 3 таблицами.
Современная ситуация и основные показатели прессов, реализованных на базе электродвигателей вращательного движения
Прессование является одной из важнейших технологических операций, используемых в машиностроении, приборостроении, пищевой, химической промышленности [1,4, 5, 7, 9 - 20, 31]. Оно представлено на практике широким спектром, как по способам, так и по техническим средствам с использованием различных энергетических принципов.
В настоящее время, как известно, кузнечно-прессовые оборудование реализуется в основном посредством применения пневматического, гидравлического, механического оборудования, приводимого в действие электродвигателями вращательного движения.
Механические прессы. В кривошипных прессах (КП) [1,9] ведомым звеном исполнительного механизма является ползун, а начальным, ведущим звеном - кривошип. Исполнительный механизм, преобразующий вращательное движение кривошипа в возвратно-поступательное движение ползуна, состоит из нескольких звеньев, связанных вращательными или поступательными кинематическими парами. Приводом машины служит индивидуальный электропривод вращательного действия (обычно АД с пускорегулирующей электроаппаратурой). В прессах, где рациональные требования эксплуатации требуют регули 12 рования числа ходов, устанавливают другие виды электроприводов (ДПТ и др.).
Электропривод снабжен маховыми массами, необходимость установки которых определяется неравномерностью потребления энергии в прессе за цикл и большими пиковыми нагрузками.
Привод от электродвигателя к исполнительному кривошипно-шатунному механизму, как правило, состоит из клиноременной (от двигателя к маховику) передачи и нескольких зубчатых передач. Для обеспечения соединения исполнительного механизма с приводом в прессе предусмотрена муфта. Фиксацию ведомой части привода и исполнительного механизма в заданном положении осуществляют тормозом.
Узел управления состоит из электрических, механических, пневматических или гидравлических механизмов, с помощью которых обеспечивается своевременное срабатывание муфты или тормоза. В общем, машина насчиты 13 вает более 10 узлов и несколько сот деталей [1]. Структурная схема кривошипного пресса представлена на Рис. 1.1. В работах различных авторов было указано на такие недостатки кривошипных прессов, как: потребность в частой и обильной смазке, быстрый износ вращающихся узлов из-за наличия длинных кинематических цепей; невыгодный режим работы двигателя с переменной нагрузкой [7]; недоиспользование машины как по усилию, так и по мощности (при рабочем ходе машины недоиспользуется до 40% номинальной энергии маховика (нагрузить кривошипный пресс так, чтобы он был полностью использован, практически можно только в единственном случае, когда на этом прессе обрабатывают деталь, которая полностью требует номинального усилия и запроектированной мощности электропривода) [5, 9]; наличие тяжелого маховика увеличивает трение в подшипниках и снижает КПД, работа в упор ведет к поломке прессов [29]; работа, затрачиваемая во время холостого хода, составляет до 50% потребляемой из сети энергии [1]; необходимость в частом ремонте таких узлов кривошипных прессов как тормоза, муфты включения, подшипники маховика, шатуны, валы, аварийный выход из строя электродвигателей [26]; ограничение скорости обработки материала из-за непостоянства скорости движения ползуна, а, следовательно, и рабочего инструмента на протяжении его хода, что неблагоприятно отражается на качестве изделий (скорость снижается почти втрое в точке встречи инструмента с заготовкой по сравнению с максимальным значением скорости на среднем участке хода и не превышает 0,45 м/с) [1]. К недостаткам также можно отнести сложность регулировки, повышенный уровень шума, вибраций, наличие вредных выбросов и необходимость строгой балансировки вращающихся частей. Все это обусловливает их низкие энергетические показатели, ускоряет износ. Гидравлический пресс (ГП) представляет собой машину-орудие практически статического действия. В общем виде пресс состоит из двух камер, снабженных поршнями (плунжерами) и соединенных трубопроводом. Таким образом, номинальное усилие, развиваемое прессом, зависит от величины площади плунжера и давления жидкости. В состав гидропрессовой установки входят [1]: собственно пресс; рабочая жидкость; источник жидкости высокого давления, питающий пресс - привод; приемники для жидкости - баки; органы управления - распределители, клапаны; трубопровод с соответствующей аппаратурой, соединяющий все указанные элементы в единую систему; электропривод. Структурная схема гидравлического пресса представлена на Рис. 1.2.
Применение пакетов вычислительных программ при расчете силовых характеристик ЛЭМД
Дальнейшее развитие и расширение области применения электромагнитных машин связано с повышением их удельных силовых и энергетических показателей, надежности. Поэтому важно выявить принципиально возможные пути улучшения вышеназванных показателей и определить из них наиболее перспективные.
Авторы [22, 32] выделяют два наиболее перспективных направления решения этих задач. Одним из них является концентрация энергии во времени за счет аккумулирования ее в различных накопительных элементах машин и систем их питания [32, 34, 51, 78]: индуктивных, емкостных, гравитационных, газовых, вакуумных, пружинных - в течение относительно длинного интервала времени между импульсами, после чего производится быстрая локализация энергии в период рабочего хода. Таким путем можно получить импульсную мощность, во много раз превосходящую мощность источника питания. Однако этот путь сложно реализовать в приводе прессов, поскольку они являются ред-косрабатывающими механизмами.
Второй путь - создание гибридных электрических машин, использующих несколько принципов формирования движущих сил (электромагнитный, электродинамический, индукционный и т.д.) и различные рабочие тела в качестве энергоносителей. Реализация последней идеи заключается в совмещении, например, электромагнитного и гидравлического привода, когда линейный электромагнитный двигатель конструктивно объединен одним корпусом с насосом и механизмом линейного гидравлического двигателя. Такая машина будет более компактна и экономична, чем классическая машина с гидроприводом, так как лишена подводящих и отводящих трубопроводов, распределительных и уп-лотнительных устройств. Однако она будет значительно дороже электромагнитного пресса, и ее использование в приводах устройств прессового действия усилием до 100 кН неэффективно. Поэтому наиболее легкореализуемым способом повышения удельных силовых показателей на сегодняшний день остается рационализация геометрических соотношений и режима работы ЭМД.
Известно большое количество работ, посвященных этой проблеме. В частности, научной школой Саратовского ГТУ много внимания уделяется оптимизации режимов энергопреобразования [36, 37, 39, 93]. Работы [36, 37] посвящены нахождению оптимального соотношения электрической, магнитной, механической энергий, участвующих в энергопреобразовании при различных режимах функционирования ЛЭМД в статическом и динамическом режимах работы. При рассмотрении указанных вопросов приняты следующие допущения: магнитопровод ненасыщен, не учитываются электрические потери, потери на гистерезис и вихревые токи. Авторами [37] получено выражение для определения мгновенного КПД энергопреобразования в функции режима работы, т.е. критерием оптимизации является максимальный уровень механической мощности. Использование предложенных соотношений для практических расчетов и оптимизации ЛЭМД прессового оборудования нецелесообразно, т.к. там механическая работа совершается при малом перемещении рабочих органов, когда в значительной степени сказывается насыщение стальных участков магнитопро-вода, и неучет этого фактора приведет к неточности расчета.
В работах [93, 98, 99] оптимизируется соотношение меди и стали ЛЭМД (как основного элемента электромагнитного пресса), а также его относительная длина по так называемому «геометрическому фактору», представляющему по своей сути интегральную работу на единицу массы или объема ЛЭМД. При выводе оптимизационных функций принимается ряд ограничений: во-первых, режим работы ЛЭМД предполагается длительным, что нехарактерно для операций безударного прессования. Во-вторых, в работах [98, 99] принималось, что естественное или принудительное охлаждение ЛЭМД происходит только через его поверхность (что накладывает ограничение на величину тока), хотя нужно отметить, что в [93] делалась попытка оптимизации конструкции переносного ударного инструмента без ограничения плотности тока. В-третьих, для выведения оптимизационной формулы используется ЛЭМД простой цилиндрической структуры без стопа, находится оптимальное соотношение высоты и радиуса цилиндра без учета остальных геометрических параметров. Практическое же использование показало [7], что при выборе основных соотношений геометрических размеров важным параметром является высота стопа.
Кроме того, все существующие инженерные методики при определении геометрических соотношений ЛЭМД руководствуются принятым в теории электрических машин условием о постоянстве магнитного потока по длине силовой линии. Однако электромагнитный двигатель является устройством с переменной структурой, у которого на протяжении рабочего хода изменяется как величина тока (вследствие переходного процесса, время протекания которого соизмеримо со временем рабочего хода), так и величина индукции, и, как следствие, насыщение материала магнитопровода. Когда речь идет об устройствах ударного действия с относительно длинным рабочим ходом, игнорирование насыщения стали приводит к ошибке определения интегральной работы в пределах 10%, и для этих машин им можно пренебречь. Но если рассматривается машина, в которой механическая работа совершается при малом перемещением рабочих органов, например, для операций клеймения или безударного прессования, то ошибка определения интегральной работы достигает 100 %, так как на конечном участке тяговой характеристики электромагнит работает за коленом кривой намагничивания.
Данный факт свидетельствует о том, что существующие инженерные методики для проектирования электромагнитного двигателя пресса, работающего на малых ходах, непригодны. Поэтому требуется проведение ряда дополнительных исследований для нахождения рациональных параметров ЛЭМД и создание новой методики расчета, учитывающей при проектировании особенности технологического процесса.
Выбор рациональных соотношений объемов активных материалов ЛЭМД
Как уже отмечалось, форма кривой намагничивания материала магнито-провода оказывает большое влияние на силовые характеристики электромагнита. Нелинейный характер изменения кривой намагничивания делает невозможным аналитический расчет магнитной цепи без упрощающих допущений. Предпринимались попытки к аналитическому выражению кривой намагничивания [7, 53, 54], однако хорошей точности на всем протяжении хода якоря достичь не удавалось. Многими авторами отмечалось [7, 53, 54, 102], что получить достаточно точный расчет силовой статической характеристики с учетом насыщения можно только при помощи численного моделирования магнитного поля.
Это особенно актуально для электромагнитных устройств прессового действия, где полезная работа совершается при малом перемещении рабочих органов. В области малых воздушных зазоров магнитная система электромагнита насыщена, электромагнит работает при индукции, соответствующей участку колена кривой намагничивания и в непосредственной близости за ним, где основную роль играет магнитное сопротивление ферромагнитных участков магнитной цепи.
Известно [53, 54, 119], что при изготовлении магнитопроводов электромагнитных аппаратов постоянного тока применяются низкоуглеродистые электротехнические стали, кремнистые электротехнические стали, качественные конструкционные стали с содержанием углерода до 0,25%, стальное литье, чу-гуны, специальные железоникелевые и железокобальтовые стали. Однако для электрических аппаратов ввиду их небольшой мощности и отсутствия нагрузки основным критерием выбора материала являются временные критерии (время трогания, время срабатывания). Для электромагнитных прессов основные показатели - силовые. При прессовом характере работы якорь перемещается с малой скоростью, поэтому представляет интерес исследование силовых статических характеристик электромагнитов, изготовленных из материалов с большой магнитной проницаемостью в средних и сильных полях и сравнение их с характеристиками уже изготовленных ЛЭМД.
Как уже было показано (гл.1), наиболее технологичны, просты и удобны для механической обработки и сборки магнитопроводы цилиндрической формы с двумя рабочими зазорами и комбинированным якорем, поэтому для исследований были выбраны ЛЭМД пресса ПЭМ - 0,5, размеры которого приведены в Приложении 1 (Табл. Ш. 1.).
В основу исследований была положена математическая модель ЛЭМД и созданный на ее основе программный математический комплекс (п. 2.3.2.), позволяющий проводить исследования математической модели ЛЭМД с учетом нелинейной характеристики намагничивания материала, при этом погрешность по сравнению с экспериментом не превышает 5%. Также был проведен графоаналитический расчет п. 2.3.3., описывающий явление на качественном уровне.
Для исследований были выбраны следующие марки сталей: качественные конструкционные стали Ст. 10, Ст.20; низкоуглеродистая нелегированная электротехническая сталь 10880; горячекатаная высоколегированная электротехническая сталь марки 1411; железокобальтовый сплав 49КФ. При проведении исследований предполагалось, что магнитопровод целиком изготовлен из материала исследуемой марки. На Рис. 3.21, (а) представлены статические тяговые характеристики пресса с магнитопроводом, изготовленным из исследуемых марок сталей. На Рис. 3.21,(6) представлены удельные статические тяговые характеристики где за F = 1 в каждой точке перемещения принята удельная сила тяги базовой конструкции пресса с магнитопроводом, изготовленным из стали Ст.З. В результате сравнения характеристик, представленных на Рис. 3.21, можно сделать вывод, что на больших воздушных зазорах — 1 при измене нии магнитной проницаемости материала сила изменяется незначительно. На малых воздушных зазорах, как и предполагалось, магнитные свойства материала магнитопровода сильно влияют на величину намагничивающей силы. Ввиду того, что исследуемые материалы имеют разную плотность, было проведено сравнение исследуемых конструкций по удельным силовым показа 101 телям (начальной и конечной силе тяги, интегральной работоспособности на единицу массы пресса). Начальная сила тяги определялась при максимальном 5 . зазоре — = 1, конечная сила тяги - при минимальном технологическом зазоре — = 0,035, интегральная работа определялась как площадь под соответствую-г\ щей кривой тяговой характеристики в диапазоне рабочего хода. Диаграмма удельных значений тяговых сил и интегральной работоспособности по отношению к прессу с магнитопроводом, изготовленным из стали Ст.З., который был принят за 100%, для исследуемых марок материалов магнитопровода представлена на Рис. 3.22.
В результате исследований было установлено, что наилучшими характеристиками при малых рабочих зазорах обладает ЛЭМД, изготовленный из же-лезокобальтового сплава 49КФ. Это объясняется тем, что в средних и сильных магнитных полях этот сплав имеет наибольшую индукцию из всех известных магнитных материалов [53, 54]. При использовании железокобальтового сплава при малых воздушных зазорах заданное тяговое усилие можно получить при меньших габаритах магнитной цепи. Однако существенным недостатком желе-зокобальтовых сплавов является их высокая стоимость вследствие сложности технологического процесса изготовления и значительной стоимости кобальта [53].
Инженерная методика расчета рациональных параметров ЛЭМД пресса базовой конструкции с малым ходом якоря
Анализ полученных зависимостей показал, что при использовании разработанной инженерной методики расчета при совмещении высоких удельных показателей с КПД удается повысить удельные значения максимальной силы тяги и работы в 1,6 раза при сохранении КПД на том же уровне. При использовании инженерной методики расчета и условии получения максимально возможных удельных силовых характеристик удельные значения максимальной силы тяги и работы удается повысить в 3 раза, однако это сопровождается уменьшением КПД в 1,7 раз. С учетом этого наиболее целесообразным рядом мощностей прессовых машин, где возможно допустить повышенные потери энергии ради получения максимальных силовых характеристик, следует считать редкосрабатывающие прессы в диапазоне мощностей до 4- 5 кВт.
Все перечисленное выше позволяет рекомендовать разработанную методику расчета для применения в научной и инженерной практике. 1. Показано, что для получения максимальных удельных значений конечной силы тяги и полезной работы рациональным является прямоугольный импульс напряжения величиной до 1000 В. 2. Разработана графоаналитическая методика расчета тяговой характеристики ЛЭМД базовой конструкции с учетом насыщения, которая позволяет рассчитать ЛЭМД с магнитопроводом, изготовленным из различных материалов и имеющим переменное сечение. Методика основана на сочетании аналитического расчета распределения магнитного потока с учетом нелинейных свойств магнитопровода с аналитическим расчетом тягового усилия по энергетической формуле, что дает выигрыш в точности расчета усилия. 3. Разработана инженерная методика расчета ЛЭМД, где выбор основных геометрических соотношений производится по зависимостям, определенным в главе 3, а расчет тяговой характеристики проводится с учетом магнитных свойств материала магнитопровода. 4. Проведен численный расчет основных динамических характеристик. Получены зависимости: тока, силы, действующей на якорь, перемещения и скорости перемещения якоря - от времени, а также энергетические показатели электромагнита за цикл (интегральная работа, потребляемая энергия и потери). Анализ полученных зависимостей позволяет рекомендовать разработанную методику расчета для применения в научной и инженерной практике.
Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем: На основании проведенного сравнительного анализа машин прессового действия малой мощности и согласования характеристики сопротивления материалов деформациям с тяговой характеристикой привода обосновано применение электромагнитных прессов для выполнения технологических операции типа холодной осадки. Определена базовая конструкция двигателя электромагнитного пресса, представляющая собой короткоходовый ЛЭМД цилиндрического типа с комбинированным якорем, двумя рабочими зазорами и стопом, обладающая гиперболической тяговой характеристикой и лучшими удельными силовыми и энергетическими показателями. Установлено, что в зависимости от степени насыщения участков магнито-провода магнитной системы ЛЭМД удельные значения силы тяги и полезной работы изменяются в широких пределах. Получены зависимости для определения рациональных геометрических соотношений по критерию максимума удельных силовых и энергетических показателей в зависимости от степени насыщения, определяемой особенностями выполняемой технологической операции; даны рекомендации по выбору материала магнитопровода ЛЭМД.
Предложена методика расчета тяговой характеристики ЛЭМД базовой конструкции с учетом насыщения, которая позволяет рассчитать ЛЭМД с маг-нитопроводом, изготовленным из различных материалов и имеющим переменное сечение. Методика основана на сочетании аналитического расчета тягового усилия по энергетической формуле с аналитическим расчетом распределения магнитного потока с учетом нелинейных свойств магнитопровода, что дает выигрыш в точности расчета усилия и возможность анализа влияния отдельных параметров электромагнита на тяговые характеристики. 4. Разработана инженерная методика расчета для ЛЭМД с требуемой технологическим процессом конечной силой тяги и ходом якоря, где основные конструктивные размеры предлагается определять по зависимостям п.2 с учетом особенностей технологического процесса, а расчет статической тяговой характеристики производить по п.З. Использование разработанной методики расчета позволяет снизить до минимума количество последующих изменений конструкции и связанных с этим дополнительных расчетов. 5. Проведена серия расчетов статических и динамических характеристик электромагнитного двигателя пресса с максимальным усилием 10 кН при условии получения максимально возможной удельной конечной силы тяги при ограничении массы и тепловой нагрузки. Показано, что при использовании созданной инженерной методики удается повысить удельную конечную силу тяги и удельную энергию в 1,6 раза при сохранении КПД на том же уровне.
