Введение к работе
Актуальность темы. Проблема повышения эффективности производственного оборудования вызывает необходимость совершенствования и разработки новых перспективных средств автоматизации, среди которых большую и чрезвычайно ответственную роль играют устройства точной остановки и фиксации валов приводных механизмов. Эти устройства позволяют увеличить надежность и безопасность эксплуатации машин и механизмов, а также поднять производительность и качество их работы за счет уменьшения чистого времени основных и вспомогательных операций и фиксации рабочих органов в точке позиционирования. Такие устройства в настоящее время выполняются в основном в виде электромеханического тормоза, встроенного непосредственно в приводной электродвигатель. Это объясняется тем, что широко известные способы электрического торможения механизмов с электрическим приводом в устройствах точной остановки и фиксации неприемлемы, так как только механическое торможение является единственным способом остановки электродвигателя после прекращения подачи электроэнергии и удержания его вала в заторможенном состоянии. Этот способ позволяет обеспечить большое число торможений в единицу времени при постоянстве тормозного момента, сократить время инерционного выбега и надежно зафиксировать вал электродвигателя при отключении напряжения сети, сократить количество элементов аппаратуры управления. В связи с интенсификацией производства, увеличением скоростей перемещения и частоты торможения рабочих органов, область применения и объемы выпуска приводных электродвигателей с электромеханическими тормозными устройствами (ЭМТУ) постоянно расширяются. Они используются в станкостроении, робототехнике, подъемно-транспортном машиностроении, авиации, легкой промышленности и т.д.
Однако, создание ЭМТУ, полностью обеспечивающих выполнение предъявляемых к ним эксплуатационных требований, в значительной степени сдерживается отсутствием инженерных методик проектирования, построенных на основе математических моделей, адекватно описывающих физические процессы, протекающие в ЭМТУ в различных режимах работы и при различных способах управления.
Сложность задачи аналитического описания функционирования ЭМТУ обусловлена тем, что они являются совмещением двух основных узлов: фрикционного нормально замкнутого тормоза с электромагнитным приводом, выполненным в виде растормаживающего электромагнита, и электронной системы управления (СУ), обеспечивающей подачу на обмотку электромагнита знакопостоянного напряжения, изменяющегося по определенному закону. Вопросы теории и описания рабочих процессов в каждом из этих узлов в отдельности рассмотрены в соответствующей специальной литературе и неизбежно должны быть учтены и использованы при математическом описании ЭМТУ.
БИБЛИОТЕКА CJ О»
Основное функциональное назначение ЭМТУ - торможение и фиксация вала электродвигателя - непосоедственно выполняет фрикционный тормоз, который, таким образом, в зна< и^ффіЛКЦftjf04^ Іеляет технический уровень всего
ЭМТУ. Существует большое количество разновидностей тормозов, различающихся: назначением (стопорные, ограничительные, рабочие, аварийные); принципом действия (автоматические и управляемые); конструктивным исполнением ра-. бочих элементов (колодочные, ленточные, дисковые, конические, рельсовые); характером приводного усилия (нормально замкнутые, нормально разомкнутые, комбинированные). Вопросы конструирования и расчета их узлов трения рассмотрены в работах М.П. Александрова, ОА Ряховского, В.Н. Федосеева, А.Г. Лысякова, И.В. Новожилова, Д.Н. Гаркунова, А.В. Чичинадзе, P.M. Матвеевского, А.Л. Левина, М.М. Б'ородулина, Ф.К. Германчука, Е.В. Зиновьева, И.В. Крагель-ского и др. В этих работах на основе законов триботехники и экспериментальных исследований созданы методики расчета фрикционных пар и процессов торможения, которые зачастую базируются на статистических данных и содержат большое количество эмпирических зависимостей и коэффициентов. Следовательно, полученные результаты не могут быть автоматически применены для ЭМТУ рассматриваемого класса. Поэтому одним из важных аспектов создания высокоэффективных ЭМТУ является: разработка научно обоснованных методов выбора принципиальной.компоновки ЭМТУ в каждом конкретном случае с позиций её влияния на эффективность и работоспособность тормозного электродвигателя в целом; разработка методик проектирования фрикционных узлов, включая выбор материалов и сочетания их в парах трения; создание новых конструкций ЭМТУ для электродвигателей с расширенными функциональными и эксплуатационными возможностями и улучшенными технико-экономическими показателями.
В развитие теории и практики электромагнитов большой вклад внесли О.Б. Брон, Б.К. Буль, Р.А. Агоронянц, М.И. Виттенберг, МА Любчик, АГ. Никитен-ко, И.И. Пеккер, А.В. Гордон, АГ. Сливинская, В.Н. Шоффа, И.С. Таев, Г. Ро-терс, П.В. Сахаров и др. Достаточно полно разработаны методы проведения поверочных расчетов, при которых определяются статические и динамические характеристики по заданным геометрии и обмоточным данным. В меньшей мере развиты методы проектных расчетов электромагнитов, реализующих заданные динамические характеристики и удовлетворяющих определенному критерию оптимальности. Проведенный анализ известных работ показал, что вопросы теории и расчет электромагнитов со встроенным выпрямителем при наличии форсировки исследованы крайне недостаточно. Кроме того, практически полностью отсутствуют работы по расчету электромагнитов, имеющих форсировку за счет пред-включенных элементов, в которых закон изменения напряжения на обмотке зависит от соотношения параметров СУ и самой обмотки. Кроме того, необходимость встраивания ЭМТУ в электродвигатель накладывает определенные ограничения при проектировании растормаживающего электромагнита. Таким образом, известные работы, посвященные теории и проектированию электромагнитов, не отражает всю специфику и особенности растормаживающих электромагнитов ЭМТУ. Поэтому весьма актуальными являются исследования, связанные как с разработкой математических моделей, описывающих процессы, протекающие в растормаживающих электромагнитах в различных режимах работы при питании через различные СУ, так и с разработкой теоретической базы и созданием на ее основе методик проектирования, позволяющих" решать -задачу синтеза параметров
растормаживающего электромагнита с заданными параметрами быстродействия при минимальных массогабаритных показателях и потребляемой мощности.
Наряду с оптимальным синтезом, радикальным средством улучшения технико-экономических показателей ЭМТУ является использование форсированного управления. В настоящее время разработано большое количество схемных решений таких СУ и опубликованы работы, посвященные сравнению различных схемотехнических решений. Однако отсутствие обоснованных рекомендаций по выбору типа СУ при заданных выходных требованиях, а также четкой оценки форсированных способов управления ЭМТУ сдерживает их широкое применение. Актуальной задачей создания оптимальных ЭМТУ является также разработка и исследование новых эффективных СУ, дающих возможность улучшить технические характеристики ЭМТУ и расширить их функциональные возможности.
В процессе эксплуатации тормозных электродвигателей необходимо иметь информацию о том, соответствует ли состояние ЭМТУ требуемому по условиям эксплуатации режиму работы. Это требует применения устройств диагностики состояния тормоза. Однако схемные решения, обеспечивающие бесконтактный контроль срабатывания электромагнитов со встроенными выпрямителями, практически отсутствуют. Это обуславливает актуальность разработки и исследования новых устройств диагностики, позволяющих исключить возможность эксплуатации оборудования с неисправным ЭМТУ и повысить тем самым их надежность, срок службы и безопасность обслуживания.
Публикации, посвященные вопросам теории и исследованию ЭМТУ в целом, практически отсутствуют как в отечественной, так и в зарубежной литературе. В известных работах описаны в основном лишь конечные результаты опытно-конструкторских работ. На практике требуемые выходные показатели обеспечиваются зачастую путем экспериментальной доводки, что требует больших затрат времени и средств на разработку. Недостаточно исследован также вопрос взаимного влияния электродвигателя и ЭМТУ при различных способах управления последнего. Следовательно, исследование статических и динамических режимов работы тормозных устройств для электродвигателей, создание научно обоснованных инженерных методик их проектирования, максимально адаптированных для решения оптимизационных задач, разработка новых конструкций ЭМТУ, систем их управления и устройств диагностики является важной и актуальной задачей.
Цель работы. Основной целью данной работы является комплексное рассмотрение вопросов, посвященных разработке и исследованию математических моделей быстродействующих ЭМТУ с учетом их конструктивных и режимных особенностей, разработка теоретической базы и создание на ее основе методик проектирования, оптимальных ЭМТУ различных типов, обладающих заданным комплексом эксплуатационных свойств, разработка новых конструкций тормозных устройств, схем их управления и устройств диагностики состояния, а также рассмотрение вопросов эксплуатации, выбора и испытаний ЭМТУ. Это позволит создать качественные, высокоэффективные и надежные тормозные модификации электродвигателей со встроенным ЭМТУ.
Залами исследовании. 1. Комплексный анализ известных конструкций и схем управления ЭМТУ и их классификация.
Разработка новых эффективных конструкций ЭМТУ и их СУ с расширенными эксплуатационными возможностями и улучшенными технико-экономическими показателями.
Комплексные экспериментальные исследования работы узлов трения ЭМТУ электродвигателей и разработка предложений по их конструированию.
Разработка рекомендаций по выбору наиболее оптимального конструктивного исполнения ЭМТУ и СУ для конкретных условий применения.
Разработка обобщенных математических моделей переходных и квазиу-становившихся режимов работы ЭМТУ с учетом используемых СУ.
Определение оптимальных геометрических соразмерностей и электромагнитных параметров электромагнитного привода ЭМТУ, обеспечивающих при заданных параметрах быстродействия минимальные массогабаритные показатели и потребляемую мощность.
Разработка методики уточненного расчета динамики ЭМТУ с учетом нелинейных свойств массивного магнитопровода.
Разработка инженерных методик проектирования различных типов ЭМТУ в виде, удобном для решения оптимизационных задач.
' 9. Разработка математических моделей электродвигателей с. встроенными ЭМТУ и исследование влияния наличия тормозного устройства на динамические свойства электродвигателя.
10. Разработка новых устройств диагностики состояния ЭМТУ и контроля нагрева электродвигателя непосредственно в эксплуатационных режимах работы. Методы исследований. В ходе теоретических исследований переходных процессов в электромагнитной системе ЭМТУ использовались методы конечных последовательных интервалов и совместного решения дифференциальных уравнений цепи и поля. При исследовании влияния ЭМТУ на динамические показатели электродвигателей использовалась теория обобщенного электромеханического преобразователя энергии с применением математического аппарата матричного анализа электрических машин. При расчете ЭМТУ с постоянными магнитами использован метод вероятных путей потока. При разработке методик проектирования применен метод синтеза параметров.
Научная новизна работы. 1. Разработаны обобщенные универсальные математические модели расчета переходных процессов, протекающих в ЭМТУ в различных режимах работы при питании через различные типы СУ, разбитые на два класса по условиям формирования закона изменения напряжения на обмотке ЭМТУ u(t). В первый класс входят СУ, содержащие.различные типы управляемых и неуправляемых выпрямителей, в том числе с форсировкой, в которых закон u(t) определяется только собственными параметрами СУ. Во второй класс входят различные СУ с предвключенными элементами, в которых закон u(t) зависит от соотношения параметров СУ и обмотки.
.. 2. Предложена нелинейная модель расчета переходных процессов в ЭМТУ с учетом процесса проникновения электромагнитной волны в сплошной магнито-провод растормаживающего электромагнита.
Разработаны теоретические положения, позволяющие решать задачу синтеза параметров растормаживающего электромагнита, обладающего заданными параметрами быстродействия.
Составлены уравнения и реализующие их алгоритмы расчета переходных процессов, протекающих в асинхронных электродвигателях со встроенным ЭМТУ. Проведены исследования взаимного влияния ЭМТУ и электродвигателя в динамических режимах работы
5. Разработаны новые способы измерения температуры обмоток машин пе
ременного тока без их отключения от сети. ,
Практическая ценность. 1. Разработан и запатентован целый ряд новых оригинальных конструкций ЭМТУ и их СУ,, обладающих высокими технико-экономическими показателями.
Разработаны практические рекомендации по выбору наиболее рационального исполнения ЭМТУ и СУ по исходным требованиям.
Рассмотрены условия работы узлов трения-ЭМТУ и даны рекомендации по выбору конструкции их элементов и типа фрикционных материалов в зависимости от конструктивного исполнения ЭМТУ.
Даны рекомендации по выбору оптимальной величины остаточного воздушного зазора между сопрягаемыми поверхностями якоря и магнитопровода растормаживающего электромагнита.
Разработаны инженерные методики проектирования оптимальных пружинных ЭМТУ и магнитоэлектрических ЭМТУ с постоянными магнитами, обладающих заданным комплексом эксплуатационных показателей.
Исследован эффект форсировки напряжения на обмотке растормаживающего электромагнита при использовании СУ с предвключенной емкостью. Дан анализ влияния величины емкости и обмоточных данных ЭМТУ на время трога-ния якоря.
Даны рекомендации по выбору наиболее оптимальных параметров быстродействия ЭМТУ по условиям минимального влияния на динамические показатели электродвигателя.
8. Предложены и запатентованы пути улучшения выходных показателей
магнитоэлектрических ЭМТУ конструктивным способом.
Разработан и запатентован целый ряд оригинальных бесконтактных устройств диагностики эксплуатационного состояния ЭМТУ, регистрирующих или положение якоря относительно магнитопровода растормаживающего электромагнита, или осуществляющие контроль за фактом движения якоря.
Даны рекомендации по выбору, эксплуатации и испытаниям ЭМТУ.
11. Разработан и запатентован ряд устройств для измерения температуры
обмоток электродвигателей переменного тока без отключения от сети.
Положения, выносимые на защиту. 1. Обобщенные математические модели динамических и квазиустановивпіихся режимов работы ЭМТУ при питании через различные типы систем управления, в том числе с форсировкой.
2. Методика расчета переходных процессов в ЭМТУ с учетом нелинейных свойств массивного магнитопровода растормаживающего электромагнита.
3. Математические зависимости, связывающие динамические показатели
ЭМТУ с его параметрами и геометрическими соотношениями, позволяющие ре
шать задачи минимизации габаритов, потребной мощности и расхода обмоточной
меди, а также улучшения параметров быстродействия конструктивным путем с
учетом способа управления.
Инженерные методики проектирования ЭМТУ различных типов (электромагнитных с тормозными пружинами и магнитоэлектрических с постоянными магнитами), обладающих заданным комплексом эксплуатационных показателей.
Исследование взаимного влияния ЭМТУ и электродвигателя в переходных и квазиустановившихся режимах работы.
Оригинальные конструкции тормозных устройств, схемы их форсированного управления в режимах торможения и растормаживания, бесконтактные устройства диагностики эксплуатационного состояния ЭМТУ, защищенные авторскими свидетельствами и патентами РФ, КР и Кубы.
Новые способы и устройства для теплового контроля тормозных электродвигателей в рабочих режимах, защищенные авторскими свидетельствами.
Реализация результатов. Результаты научных исследований, созданные методики и алгоритмы расчета, практические рекомендации и разработки реализованы на следующих предприятиях и организациях:
1. На Бишкекском машиностроительном заводе в 1986 г. в серийное производство внедрены тормозные высокомоментные двигатели постоянного тока типов ВЭМ-1 и ВЭМ-2 (ТУЗ-13М-86 и ТУЗ-14М-86), причем конструкция схемы управления их ЭМТУ защищена а.с. на изобретение № 1261017 [43]. Здесь же в 1989 г. также в серийное производство была внедрена унифицированная серия малогабаритных ЭМТУ с постоянными магнитами типа ТПМ (ТУЗ-179М-89)для станкостроения и робототехники. Их конструкция защищена а.с. № 1450043 [49]. Они снабжены устройством контроля срабатывания по а.с. № 1684823 [52], а в технологическом процессе их изготовления внедрено устройство для намагничивания постоянных магнитов по а.с. № 1636868 [51].
2. В Кировском филиале агрегатного завода в 1987 г. внедрены модифициро
ванные ЭМТУ для асинхронных двигателей летательных аппаратов, конструкция
СУ которых защищена а.с. № 1282224 [44] и № 1295458 [46].
На Первоуральском трубном заводе, г. Первоуральск в 1988 г. внедрена схема форсировки срабатывания по а.с. № 1282299 [45].
На заводе «Динамо» г. Москва в 1990 г. проведена модернизация тормозов типа ТДП асинхронных двигателей серии МАП для судовых механизмов, а в 1992 г. внедрено устройство контроля их срабатывания по а.с. № 1797099 [57].
5. На Каджи-Сайском электротехническом заводе в АО «КЭТЗ - Преобразо
ватель» в октябре 2001 г. для электроприводов подач токарных станков типа
16К20ФЗС5 с ЧПУ внедрены ЭМТУ, конструкция которых защищена а.с. 1788557
[55], а в феврале 2002 г. внедрены устройства их диагностики, конструкция кото
рых защищена патентами №2115151 РФ [61] и № 273 КР [64]. В ноябре 2002 г. на
электродвигателях привода подачи токарно-винторезных станков модели
1M63F101 установлены безлюфтовые тормоза по патенту КР Х«525 [65].
В ОАО «Соколовско-Сарбайское горно-обогатительное производственное объединение», г. Рудный (Казахстан) в июле 2000 г. на электродвигателях типа AHP100L4 грузоподъемных механизмов установлены тормозные устройства по а.с. №1450043 [49], имеющие устройства для ручного растормаживания. В марте 2001 г. на приводных электродвигателях 4A90L4Y3 шпинделя вертикально-сверлильных станков установлены модернизированные ЭМТУ с устройством контроля режима их работы по а.с. №1797099 [57].
Модернизированные безлюфтовые ЭМТУ внедрены в сентябре 2000г. на прядильно-отделочной фабрике Совместного Кыргызско-Ирландского АООТ «Огл Жибек» на печатной машине «Меканотессиле», предназначенной для набивки рисунков на ткань, а в ноябре 2000г. - на прядильно-ткацкой фабрике АООТ «Текстильщик» на лентосоединительной машине «Textima».
Разработанные вопросы теории и расчета ЭМТУ используются в учебном процессе кафедры «Электромеханика» Кыргызского технического университета им. И. Раззакова по курсу «Проектирование специальных электрических машин», а также при курсовом и дипломном проектировании. .
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и получили одобрение на следующих научно-технических конференциях (НТК): Всесоюзный семинар «Системы управления, следящие приводы и их элементы». Москва, ЦНИИИнформации, 1985 г.; Республиканская НТК «Создание гибких автоматизированных производств». Фрунзе, ФПИ, 1985 г.; Всесоюзная НТК «Состояние и перспективы развития электротехнологии». (Третьи Бенардосовские чтения). Иваново, 1987 г.; II Республиканская НТК «Гибкие автоматизированные производства и промышленные роботы». Фрунзе, ФПИ, 1988 г.; III Всесоюзная НТК «Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов». Паланга, 1988 г.; Всесоюзная НТК «Современные проблемы электромеханики» (к 100-летию изобретения трехфазного асинхронного электродвигателя). Москва, 1989; Всесоюзная НТК «Следящие электроприводы промышленных установок, роботов и манипуляторов». Челябинск, 1989 г.; IV Всесоюзная НТК «Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов». Бишкек, 1991 г.; 3-я Дальневосточная, научно-практическая конференция «Совершенствование электрооборудования и средств автоматизации технологических процессов промышленных предприятий». Комсомольск-на-Амуре, 1992 г.; Международная НТК «Технология и перспективы современного инженерного образования, науки и производства». Бишкек, 1999 г.; Международная НТК «Наука и наукоемкие горные технологии». Бишкек, 2000 г.; Международная НТК «Современные технологии и управление качеством в образовании, науке и производстве». Бишкек, 2001 г.; Международная НТК, посвящ. I съезду Инженеров КР и 10-летию образования Инженерной академии КР. Бишкек, 2001 г.; Международная НТК «Энергосбережение - проблемы, современные технологии и управление». Бишкек, 2003г.
Публикации. Всего по данной тематике опубликовано 79 печатных работ, в том числе 36 авторских свидетельств и патентов на изобретение.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Содержит 18,0 усл. печат. листов (287 стр.), 71 рисунок и 27 таблиц. Список литературы включает 128 наименований.