Введение к работе
Актуальность темы. Техническое перевооружение промышленности, направленное на создание эффективных и экологически чистых технологий, отвечающих мировым стандартам, вызвало необходимость поиска прогрессивных технических решений при создании новых перспективных электроприводов различного назначения и реконструкции старых.
Сотни технологических процессов в химической, нефтехимической, пищевой, газовой промышленностях, атомной энергетике, биофизике, микробиологии и многих других областях техники должны протекать в изолированных объемах. Причем, в большинстве случаев для их интенсификации требуется применение различного рода перемешивающих устройств, а также наличие в рабочих объемах аппаратов (реакторов) повышенных температуры и давления.
Таким образом, перед проектантами электроприводов для перемешивающих устройств различного рода реакторов стоит проблема передачи механической энергии в изолированные объемы при полной их герметизации. Аналогичная проблема стоит и при проектировании электроприводов для передвижения различных изолированных аппаратов в средах, проникновение которых внутрь аппарата крайне нежелательно. Сюда относятся различного рода подводные плавающие средства, надводные суда и т.д.
Традиционные способы решения указанной проблемы в настоящее время во многих случаях оказались неприемлемыми либо из-за недостаточного уровня герметизации (различного рода уплотнители), либо из-за низких технико-экономических характеристик (экранированные двигатели и электромагнитные муфты). Поэтому вопросы поиска и исследования более эффективных решений проблемы создания герметичных электроприводов не теряют своей актуальности для промышленности.
Применение экранированных магнитных муфт в составе герметичных электроприводов решает проблему абсолютной герметизации как вновь проектируемых, так и действующих аппаратов при незначительных затратах на их реконструкцию (замену уплотнителя муфтой). Поэтому достижение положительных результатов в решении вопросов, связанных с разработкой, исследованием и внедрением герметичных электроприводов на базе муфт с постоянными магнитами, может быть охарактеризовано как решение проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение, полностью соответствующее направлению научно-технического прогресса в области создания перспективных электроприводов для различных отраслей промышленности.
Цель работы. Целью работы является Всестороннее исследование статических и динамических свойств магнитной муфты и системы электропривода в целом, направленное на создание герметичных электроприводов с улучшенными технико-экономическими показателями на базе муфты с постоянными магнитами.
2 Для достижения этой цели необходимо было решить комплекс следующих задач:
-
Разработка и теоретическое обоснование принципов построения математических моделей магнитной муфты и гермопривода, позволяющих связать их энергетические характеристики с основными конструктивными параметрами.
-
Создание совокупности математических моделей и алгоритмов для исследования и расчетов герметичных электроприводов с муфтами на постоянных магнитах.
-
Исследование поведения экранированной магнитной муфты в составе электропривода при синхронном и асинхронном движении нолумуфт, выработка практических рекомендаций для проектирования, а также проведение экспериментальных работ.
-
Техническая реализация разработанных магнитных муфт в виде промышленных образцов и их внедрение.
Научная новизна.
Теоретически доказана и экспериментально подтверждена возможность рассмотрения физических процессов в магнитной муфте на постоянных магнитах без экрана и демпферной клетки, с экраном, с демпферной клеткой с помощью одной общей математической модели, базирующейся на уравнении квазистацнонарного магнитного поля в электропроводных средах, движущихся в магнитном поле, причем решение частных задач получается путем прямой подстановки в решение общей задачи нулевых параметров для тех элементов муфты, которые отсутствуют при рассмотрении.
Теоретические и экспериментальные исследования картины магнитного поля в зазоре и на поверхностях полумуфт и сравнение усилий электромагнитного взаимодействия между полумуфтами при разных картинах поля, привели к выводу о том, что максимальные усилия получаются при распределении нормальной составляющей индукции магнитного поля в зазоре между полумуфтами по закону, близкому к синусоидальному. Поэтому при проектировании муфт на постоянных анизотропных магнитах не следует размещать магниты вплотную друг к другу, как рекомендуют другие исследователи. Оптимальное расстояние между магнитами разноименной полярности по окружности полумуфты лежит в пределах (0,2-0,3)т. Доказано, что применение двухслойного расположения магнитов на одной из полумуфт приводит к увеличению передаваемого момента на величину порядка 20%.
Новизна метода решения полевых задач, поставленных в диссертации, заключается в выборе координатных осей, неподвижных в пространстве и не связанных с какой-либо полумуфтой или экраном, при этом относительное движение полумуфт оказывается равносильным смещению их относительно осей на одинаковое расстояние в разные стороны и картина магнитного поля получается симметричной, что упрощает решение задач и конечные результаты, которые хорошо увязываются с экспериментальными зависимостями.
- Оригинальность полученных автором аналитических зависимостей для рас
чета электромагнитных сил в муфте в их простоте и удобстве использования на
стадии эскизного проектирования, а также в том, что они дают меньшие расхождения с экспериментальными, в особенности в зоне малых зазоров между полумуфтами.
Предложен аналитический метод решения уравнений движения электропривода с магнитной муфтой и исследовано поведение такого привода в динамических режимах. Предложен упрощенный метод расчета пуска магнитной муфты в состаие привода, позволяющий на стадии проектирования согласовать динамические свойства муфты и двигателя с целью обеспечения возможности синхронного запуска.
Получен новый алгоритм для поиска с помощью ЭВМ оптимальных соотношений параметров магнитных муфте постоянными магнитами из ферритов и редкоземельных материалов, использование которого позволило рассчитать параметры и создать серийно-способные конструкции с заданными характеристиками.
Практическая ценность. Научное значение результатов диссертационной работы заключается прежде всего в разработке методов расчета и исследования герметичных электроприводов, построенных с использованием магнитных муфт. Комплексное решение всей совокупности вопросов, составляющих основу проекти -рования электроприводов с магнитными муфтами данного класса намечает перспективу дальнейшего совершенствования методики их проектирования. Решение рассмотренных задач могут быть полезны при анализе процессов в других системах с постоянными магнитами, в которых окажется приемлемой математическая модель, например, в линейных муфтах, системах левитации, магнитных опорах, подвесах, коммутационной аппаратуре трубопроводов агрессивных продуктов и т.д.
Теоретические и экспериментальные исследования, базирующиеся на сформулированных в диссертации научных положениях, позволили получить ряд новых существенных результатов, устанавливающих зависимости между свойствами магнитных муфт в статических и динамических режимах и их параметрами. Такой подход позволяет вести автоматизированный поиск оптимальных соотношений па-^ рамегров магнитных муфт при заданных характеристиках.
Практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты являются научной основой для создания герметичных приводов с магнитными муфтами на постоянных магнитах как цилиндрического, так гг торцевого исполнения модульных конструкций. Обосновано новое направление в проектировании магнитных муфт на базе унифицированной конструкции, армированной стандартными посто -янными магнитами.
Реализация результатов работы. Основные научные положения и результаты исследований внедрены на предприятиях химической промышленности России:
- на ПО "Органический синтез" (г.Казань) герметичными электроприводами с
магнитными муфтами, разработанными при участии автора и под его руководством,
оснащены реакторы двух цехов. Малая серия общим количеством 50 муфт с момен
том 30 кГм и единичные промышленные образцы на моменты 40 и 80 кГм изготов
лены по нашим разработкам Южноуральским заводом тяжелого машиностроения и
экспериментально-производственными мастерскими ЛГА;
в НПО "Пластполимер" (г.Санкт-Петербург) приводами с магнитными муфтами на кольцевых мапіитах оснащены лабораторные реакторы для исследования и моделирования различных технологических процессов (свыше 10 муфт с моментом 0,6 кГм);
техническая документация, содержащая методику расчета муфт и рабочие чертежи базовой конструкции, передана для использования при внедрении организациям различных министерств и ведомств. В том числе предприятия химической, нефтехимической, газовой, машиностроительной, авиационной, биологической, пищевой промышленностей и др., всего свыше тридцати организаций.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЛТА, 1978-1994 гг.; научно-техническом совете НИИ "Домен", 1989 г.; IV Всесоюзной научно-технической конференции НТО им.А.Н.Крылова, 1983 г.; Всесоюзном семинаре по электродинамике при ВНИИПТ, 1987 г.; II Всесоюзной научно-технической конференции "Основные направления совершенствования и создания нового оборудования для медицинской и микробиологической промышленности", 1988 г.; а также в целом ряде организаций, проявивших интерес к результатам работы: техотдел МинХимПрома, УкрНИИХимМаш, ЛенНИИХимМаш, БелМедВиоПром и др. (1979-1992 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 научных статей и получено 10 авторских свидетельств.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка литературы, включающего 153 наименования, 3 приложений. Основная часть работы изложена на 216 страницах машинописного текста. Работа содержит 53 рисунка и 3 таблицы.
Похожие диссертации на Герметичные электроприводы на базе экранированных муфт с постоянными магнитами
