Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ электротехничеких устройств для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя .
1.1. Основные элементы электротехнического комплекса
1.2. Общие вопросы использования нагревательных устройств:
1.3. Классификация электронагревательных устройств
1.4. Электронагревательныеустройства трансформаторного типа.
1.5. Электронагревательные устройства с вращающимися нагревательными элементами.
1.6. Сравнение технико-экономических показателей: теплогенерирующих устройств. .
1.7. Выводы
2. Теоретические основы и процессы преобразования энергии в теплогенерирующем электромеханическом преобразователе
2.1. Устройство и принцип действия
2.2. Электромагнитные процессы в исполнительном элементе ЭТК ...
2.3. Преобразование мощности в ТЭМП;
2.4. Механическая характеристика.
2.5. Математическая модель ТЭМП как обобщенного электромеханического преобразователя
2.6. Математическая модель тепловых параметров ТЭМП
2.7. Выводы
3. Моделирование и анализ тепловых и гидравлических процессов
3.1. Методы моделирования тепловых процессов 98
3.2. Анализ магнитного поля переменных токов 100
3.3. Моделирование электромагнитных и тепловых процессов 105
3.4. Анализ стационарного температурного поля 107
3.5. Анализ электромагнитных и тепловых процессов при наличии внутренних ферромагнитных элементов 119
3.6. Определение механических напряжений 128
3.7. Выводы 130
4. Исследование систем управления электротехническими устройствами для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя 131
4.1. Общие положения 131
4.2. Функциональная схема субоптимального ЭТК 138
4.2.1. Математическая модель объекта управления 141
4.2.2. Математическая модель измерений 142
4.2.3. Синтез системы управления на основе аналитического подхода 143
4.2.4. Синтез оптимального фильтра 146
4.3. Синтез детерминированного оптимального регулятора с использованием нечетких систем 159
4.4. Анализ и синтез систем управления ЭТУ 162 (
4.4.1. Синтез цифрового регулятора подчиненной структуры 162
4.4.2. Синтез регуляторов с настройкой на технический оптимум.. 166
4.4.3. Синтез регуляторов с настройкой на симметричный оптимум 169
4.4.4. Синтез регулятора с настройкой на технический и симметричный оптимум 171
4.5. Анализ и синтез нечетких систем управления ЭТУ 173
4.5.г.Синтезнечеткогорегулятора в пакете Simulink 173
4.5.2. Синтез HP no-алгоритму вывода Сугено - Мамдани 177
4.5.3.- Пример синтеза субоптимальной системы управления ЭТК 179
4.6. Анализ интегральных характеристик 181
4.7. Выводы 185
Технология изготовления элементов ЭТК 187
5.1. Общие положения 187
5.2. Изготовление исполнительного модуля 187
5.2.1. Общие вопросы технологии изготовления подшипниковых узлов на основе антифрикционных самосмазывающихся материалов 187
5.2.2. Разработка конструкции статора ТЭМП с применением полимерных композитных материалов 202
5.2.3. Технология изготовления деталей и сборки покрытия 205
5.2.4. Исследование физико-механических и триботехнических
характеристик материалов 208
5.3. Установка неподвижного нагревательного элемента 214
5.4. Контроль и испытания обмотки 215
5.5. Изготовление вращающегося нагревательного элемента 216
5.6. Сборка исполнительного модуля 217
5.7. Выводы 217
Определение показателей надежности электротехнического устройства 220
6.1. Общие вопросы надежности 220
6.2. Условия эксплуатации и характер износа изоляции обмоток ТЭМП 222
6.3. Методы испытаний и оценка надежности обмоток ТЭМП 232
6.4. Математические модели дефектообразования в изоляции обмоток при воздействии основных эксплуатационных нагрузок... 238
6.5;Методика экспериментального определения дефектности систем, изоляции обмотокгучитывающая механизмы образования дефектов. .. 243
6.6: Исследование-процессадефектообразования в изоляции обмоток при одновременномшоздействии температурыэд;вибраций.. 251
6.7.Исследование процесса дефектообразованияв изоляци обмоток при воздействии температуры и влажности. 256
6.8. Влияние исходного качества изоляции и конструктивных,параметров обмоток на дефектообразование в изоляции: 260
6.9: Выводы. 267
7. Экспериментальные исследования ЭЖ.. 269
7.1. Задачиэкспериментальных,исследований. Автоматизация» испытаний: 269
7.2. Обоснование методов и средств измерений 270
7.3 Анализ экспериментальных результатов. 274
7.4. Выводы.. ... 288
Заключение 290
- Основные элементы электротехнического комплекса
- Электромагнитные процессы в исполнительном элементе ЭТК
- Синтез системы управления на основе аналитического подхода
- Общие вопросы технологии изготовления подшипниковых узлов на основе антифрикционных самосмазывающихся материалов
Введение к работе
Актуальность проблемы: работа направлена на решение проблемы экономичного обеспечения заданных температурных условий на пассажирском железнодорожном транспорте за счет разработки и применения объектов и технологий, обеспечивающих эффективное использование энергетических ресурсов и снижение потерь при их передаче потребителям в соответствии с Энергетической стратегией России на период до 2030 года, предусматривающей повышение энергетической и экологической эффективности отечественной энергетики и реализацию программ и мероприятий Федерального закона Российской Федерации "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности".
Актуальность рассматриваемых в работе вопросов подтверждается выбором направлений «Энергосбережение и энергосберегающие технологии» и «Создание энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии» в качестве приоритетных направлений развития науки и техники, направленных на производство и повышение эффективности генерирования, передачи и использования тепловой энергии, как одной из наиболее важных и сложных задач при создании специального энергетического оборудования - электротехнических устройств транспортного назначения и систем управления генерацией тепловой энергией и транспортированием теплоносителя, обеспечивающих не только возможность экономичного и точного поддержания заданных эксплуатационных показателей, но и отвечающих современным требованиям электробезопасности, надежности и технологичности.
Сравнительный анализ существующих типов исполнительных устройств, являющихся источниками тепловой энергии показал, что предпочтительными для автономных теплоснабжающих установок являются устройства, преобразующие электрическую энергию и характеризующиеся экологической чистотой, безопасностью, относительно низкими капитальными затратами, отсутствием необходимости в использовании протяженных тепломагистралей (а следовательно, низкими теплопотерями), мобильностью и т.д. Наиболее распространенные установки, выполненные на основе трубчатых нагревательных элементов, электронагреватели с открытыми тепловыделяющими элементами и устройства трансформаторного типа имеют низкий коэффициент теплоотдачи и небольшую площадь теплоотдающей поверхности. Сказанное привело к созданию электронагревательных устройств, не только лишенных отмеченных недостатков и обладающих высокими регулировочными характеристиками, но и совмещающими в себе функции генерирования тепловой энергии и транспортирования теплоносителя - теплогенерирующих электромеханических преобразователей (ТЭМП). Отсутствие на тот момент теоретических основ проектирования ТЭМП и систем управления электротехническими устройствами на их основе (ЭТУ) также предопределило актуальность темы исследования.
Объект исследования: электротехническое оборудование систем отопления пассажирского железнодорожного транспорта.
Предмет исследования: проблема энергетически эффективного, безопасного и надежного теплоснабжения транспортных систем.
Цель работы: решение крупной научно-технической проблемы экономичного обеспечения заданных температурных условий на пассажирском железнодорожном транспорте за счет создания энергетического оборудования на основе управляемых электротехнических устройств, обеспечивающих эффективную генерацию тепловой энергии и транспортирование теплоносителя.
В соответствии с целью в работе ставятся следующие задачи:
- анализ существующих и перспективных исполнительных электротехнических устройств для экономичного обеспечения заданных температурных условий посредством преобразования электрической энергии в тепловую и перемещения теплоносителя в транспортных системах;
- анализ электромагнитных, тепловых и гидравлических процессов в ЭТУ с использованием ТЭМП и на этой основе разработка принципов конструирования исполнительных элементов устройств, обеспечивающих эффективную генерацию тепловой энергии и транспортирование теплоносителя, создание теории и методики их проектирования и определение обобщенных энергетических показателей данного электротехнического устройства;
- исследование рабочих характеристик ЭТУ аналитическими, численными и экспериментальными методами и формирование на этой основе базы знаний, адекватно описывающей процессы в ТЭМП при генерации тепловой энергии и транспортировании теплоносителя как объекте управления (ОУ);
- анализ систем управления электротехническими устройствами для генерации тепловой энергии и/или транспортирования теплоносителя, обоснование и разработка метода экономичного управления тепловым процессом (ТП) и алгоритмов его реализации, обеспечивающих субоптимальное управление ЭТУ с заданными температурой, производительностью или давлением;
- разработка и реализация процесса изготовления исполнительных элементов, обеспечивающих требования безопасности, надежности и технологичности ЭТУ;
- обоснование и разработка метода определения показателей надежности ЭТУ на основе ТЭМП с учетом конструкторско-технологических и эксплуатационных факторов транспортных систем;
- разработка рекомендаций по проектированию, конструированию, производству, внедрению и эксплуатации электротехнических перекачивающих устройств на основе электромеханических теплогенерирующих преобразователей на железнодорожном транспорте.
Методы исследований включают аналитические и численные методы расчета электромагнитных и тепловых полей, теорию электрических цепей, теорию обобщенного электромеханического преобразователя энергии, теплофизику, гидравлику, теорию подобия, теорию планирования эксперимента, физическое, математическое и численное моделирование, современные методы, способы и средства экспериментальных исследований. В качестве основных математических средств использованы методы математического анализа, вычислительная математика, математический аппарат теории нечетких множеств, теории вейвлетов, дискретной математики, методы математического программирования. Использовались пакеты ELCUT, FEMLAB, Comsol Multiphysics, NASTRAN, Matlab и MathCAD, с целью автоматизации процесса проектирования аппаратного обеспечения использован пакет MAX+PLUS II 10.1 BASELINE, для измерений - PowerGraph 2.1.
Достоверность результатов подтверждается как использованием апробированных теоретических положений и математического аппарата, так и согласованными результатами вычислительных и натурных физических экспериментов, проведенных с применением стандартизованных методов испытаний на современном оборудовании.
Научная новизна заключается в решении сложной научно-технической проблемы экономичного обеспечения заданных температурных условий на пассажирском железнодорожном транспорте за счет разработки и исследования электротехнических комплексов, объединяющих исполнительные устройства и системы управления генерацией тепловой энергии и транспортированием теплоносителя.
Научную новизну составляют:
теоретические способы учета особенностей преобразования электрической энергии в тепловую и механическую в теплогенерирующем электромеханическом преобразователе, являющимся исполнительным элементом ЭТУ, обеспечивающего экономичную генерацию тепловой энергии и транспортирование теплоносителя с заданными температурой, производительностью или давлением;
теоретически обоснованные принципы конструирования и на их основе новые конструкции исполнительных элементов, совмещающих функции генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя, реализованные в виде теплогенерирующих электромеханических преобразователей энергии с короткозамкнутыми вторичными обмотками, характеризующиеся высокой степенью электробезопасности и надежности;
новые математические модели электромагнитных, тепловых и гидравлических процессов, позволяющие проектировать и исследовать электротехнические перекачивающие устройства с учетом особенностей конструкции исполнительных элементов;
субоптимальная система управления (ССУ) электротехническими устройствами для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя и способ ее построения на основе принципа разделения, в соответствии с которым ССУ синтезируется в виде последовательно соединенных оптимального нелинейного фильтра (ОНФ) и детерминированного оптимального регулятора (ДОР), обеспечивающих требуемые показатели качества управления температурой в условиях пассажирского железнодорожного транспорта;
способ и технология изготовления элементов электротехнических устройств для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя применительно к объектам транспортного назначения, повышающие структурную надежность ЭТУ;
метод определения показателей надежности устройств для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя на этапе проектирования с учетом конструкторско-технологических и эксплуатационных факторов транспортных систем.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Теоретические способы учета особенностей преобразования электрической энергии в тепловую и механическую и методика расчета электромагнитных, тепловых, гидравлических процессов и размерных соотношений исполнительного элемента электротехнических устройств для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя.
2. Принципы конструирования исполнительных элементов, совмещающих функции генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя, реализованные в виде теплогенерирующих электромеханических преобразователей энергии с короткозамкнутыми вторичными обмотками, и их практические реализации для железнодорожного транспорта.
3.Комплекс программно-реализованных математических моделей для расчета, проектирования и исследования электромагнитных, тепловых, и гидравлических процессов, в том числе, основанная на знаниях математическая модель управляемого электротехнического устройства для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя.
4. Способ управления и алгоритмы синтеза субоптимального управления на основе принципа разделения, в соответствии с которым ССУ строится из последовательно соединенных оптимального нелинейного фильтра и детерминированного оптимального регулятора, обеспечивающих требуемые показатели качества управления и заданные температуру, производительность или давление при эксплуатации в условиях пассажирского железнодорожного транспорта.
5. Способ и технология изготовления исполнительных элементов электротехнических устройств для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя, обеспечивающие повышение надежности и безопасности их работы на железнодорожном транспорте.
6. Метод определения показателей надежности устройств для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя с учетом конструкторско-технологических и эксплуатационных факторов транспортных систем на этапе их проектирования.
7. Результаты теоретических и экспериментальных исследований и выработанные на их основе рекомендации по использованию и эксплуатации электротехнических перекачивающих устройств, обеспечивающие экономичное поддержание заданной температуры применительно к пассажирскому железнодорожному транспорту.
Практическая ценность работы заключается в решении крупной научно-технической проблемы экономичного обеспечения заданных температурных условий на пассажирском железнодорожном транспорте за счет создания нового электротехнического оборудования, отвечающего современным требованиям безопасности и экологичности; разработке и исследовании новых конструкций исполнительных элементов, совмещающих функции нагрева и перемещения теплоносителя и обеспечивающих возможность эффективного управления ЭТУ; создании методик и алгоритмов электромагнитных, тепловых и гидравлических расчетов и их реализации с использованием пакетов современных прикладных программ при проектировании и исследовании предложенных устройств; разработке теоретических положений и практических рекомендаций по выбору размерных соотношений при проектировании, конструировании, производстве и эксплуатации электротехнических устройств для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя различной мощности и производительности для пассажирского железнодорожного транспорта.
Апробация работы: основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на семинарах кафедры «Теоретические основы электротехники» ПГУПС, семинаре кафедры «Электроэнергетика, техника высоких напряжений» Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, Дальневосточных региональных научно-практических конференциях «Совершенствование электрооборудования и средств автоматизации технологических процессов промышленных предприятий», г. Комсомольск-на-Амуре, 1989 г., 1992 г., 1995 г.; Международном научно-техническом симпозиуме «Наукоемкие технологии и проблемы их внедрения на машиностроительных и металлургических предприятиях Дальнего Востока, 1994 г., 1999 г., 3-й Международной конференции (NЕSSC'97), г. Казань, 1997 г., Международной научной конференции «Синергетика. Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях: материалы», г. Комсомольск-на-Амуре, 2000 г., Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», г.Томск, 2001 г., третьей Международной конференции «Электрическая изоляция», г. Санкт-Петербург, 2002 г., Международной научной конференции «Нелинейная динамика и прикладная синергетика», г.Комсомольск-на-Амуре, 2002 г., Дальневосточном инновационном форуме «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов», г. Хабаровск, 2003 г., Международной научно-технической конференции «Пути и технологии экономии и повышения использования энергетических ресурсов региона», г. Комсомольск-на-Амуре, 2003 г., XI Международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Москва, 2005 г., Международной научно-технической конференции «Электроэнергия и будущее цивилизации», Томск, 2004 г., Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и пути решения инвестиционной и инновационной политики на предприятиях Хабаровского края. Технопарки, инновационные центры», г. Комсомольск-на-Амуре, 2004 г., XI Международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии», г. Томск, 2005 г., Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности инвестиционной и инновационной деятельности в дальневосточном регионе и странах АТР», г. Комсомольск-на-Амуре, 2005 г., третьей Международной научно-практической конференции «Энергосберегающие и природоохранные технологии», г. Улан – Удэ, 2005 г., XXXI Дальневосточной математической школе-семинаре им. академика Е.В. Золотова, г. Владивосток, 2006 г., XI Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах», г.Санкт-Петербург, 2007 г., Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии и материалы. Инновации и инвестиции в промышленности Дальнего Востока», г. Комсомольск-на-Амуре, 2007 г., II Всероссийской научно-практической конференции "Актуальные проблемы управления техническими, информационными, социально-экономическими и транспортными системами", г. Санкт-Петербург, 2007 г., пятой Международной научно-практической конференции «Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование. Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», г. Санкт-Петербург, 2008 г., XVIII Международной конференции по электрическим машинам, г. Виламура, Португалия, 2008 г., научно-технических семинарах электротехнического факультета Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета, 1984-2009 г., Тихоокеанского государственного политехнического университета, г. Хабаровск, 2008 г., Пятом Международном симпозиуме «Электрификация, инновационные технологии, скоростное и высокоскоростное движение на железнодорожном транспорте», г.Санкт-Петербург, 2009 г.
Реализация работы осуществлена в рамках НИР, выполненной по заказу министерства экономического развития и внешних связей Хабаровского края, межвузовской региональной научно-технической программы «Научно-технические и социально-экономические проблемы развития дальневосточного региона России («Дальний Восток России») по проекту «Совершенствование преобразователей энергии, бытового и промышленного электрооборудования, направленное на применение и освоение производства предприятиями Дальневосточного региона»; НИР 15-И-20 по теме «Создание опытного образца теплогенератора на основе электромеханического преобразователя», выполненной на кафедре электромеханики ГОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет». Результаты работы использованы при расчете и проектировании перспективных систем электроотопления пассажирских вагонов в ОАО «Октябрьский вагоноремонтный завод» и ООО «НИИЭФА - ЭНЕРГО». Основные положения диссертационной работы используются в учебном процессе (специальности 140601 «Электромеханика» и 150408 «Бытовые машины и приборы») при изучении дисциплин «Испытания, эксплуатация и ремонт электромагнитных устройств и электромагнитных преобразователей» «Проектирование бытовых машин и приборов», «Надежность бытовых машин и приборов», «Основы научных исследований», при проведении практических занятий по указанным курсам, курсовом и дипломном проектировании. Опытный образец исполнительного элемента ЭТУ для генерации и транспортирования тепловой энергии экспонировался и отмечен серебряной медалью на XVI Выставке-конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» (г.Санкт-Петербург, 10–12 марта 2010 г.).
Личный вклад: заключается в разработке основных аспектов теории электротехнических устройств, предназначенных для преобразования электрической энергии в тепловую и механическую; принципов конструирования исполнительных элементов с совмещенными функциями генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя; математических моделей электромагнитных, тепловых и гидравлических процессов; системы управления ЭТУ, обеспечивающей экономичное поддержание заданных эксплуатационных параметров; технологии изготовления элементов ЭТУ; метода определения показателей надежности рассматриваемых устройств при проектировании с учетом эксплуатационных факторов, характерных транспортным системам; разработке и реализации программы и методики для комплексных испытаний ЭТУ.
Публикации: основные положения диссертации опубликованы в 90 печатных работах, в том числе 15 в изданиях из списка, рекомендованного ВАК и 1 монографии. Новизна разработок подтверждается 27 патентами и свидетельствами на изобретения и полезные модели.
Структура и объем работы. Диссертационная работа включает введение, 7 глав, заключение и список использованных источников; изложена на 363 страницах машинописного текста, в том числе 29 таблиц, 115 рисунков, 247 наименований источников и 18 приложений.
Основные элементы электротехнического комплекса
Международном научно-техническом симпозиуме «Наукоемкие технологии и проблемы их внедрения- на машиностроительных и металлургических предприятиях Дальнего Востока, 1994 г., 1999 г., 3-й Международной конференции (NESSC97), г. Казань, 1997 г., Международной научной конференции «Синергетика. Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях: материалы», г. Комсомольск-на-Амуре, 2000 г., Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», г. Томск, 2001 г., третьей Международной конференции «Электрическая изоляция», г. Санкт-Петербург, 2002 г., Международной научной конференции «Нелинейная динамика и при-кладная синергетика», г.Комсомольск-на-Амуре, 2002 г., Дальневосточном инновационном форуме «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов», г. Хабаровск, 2003 г., Международной научно-технической конференции «Пути и технологии экономии и повышения использования энергетических ресурсов региона», г. Комсомольск-на-Амуре, 2003 г., XI Международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Москва, 2005 г., Международной научно-технической конференции «Электроэнергия и будущее цивилизации», Томск, 2004 г., Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и пути решения инвестиционной и инновационной политики на предприятиях Хабаровского края. Технопарки, инновационные центры», г. Комсомольск-на-Амуре, 2004 г., XI Международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии», г. Томск, 2005 г., Международной научно-практической конференции «По вышение эффективности инвестиционной и инновационной деятельности в дальневосточном регионе и странах АТР», г. Комсомольск-на-Амуре, 2005 г., третьей Международной научно-практической конференции «Энергосберегающие и природоохранные технологии», г. Улан - Удэ, 2005 г., XXXI Дальневосточной математической школе-семинаре им. академика Е.В.Золотова, г. Владивосток, 2006 г., XI Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах», г. Санкт-Петербург,
2007 г., Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии и материалы. Инновации и инвестиции в промышленности Дальнего Востока», г. Комсомольск-на-Амуре, 2007 г., II Всероссийской научно-практической конференции "Актуальные проблемы управления техническими, информационными, социально-экономическими и транспортными системами", г. Санкт-Петербург, 2007 г., пятой Международной научно-практической конференции «Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование. Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», г. Санкт-Петербург,
2008 г., XVIII Международной конференции по электрическим машинам, г. Виламура, Португалия, 2008 г., научно-технических семинарах электротехнического факультета Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета, 1984-2008г., Тихоокеанского государственного политехнического университета, г. Хабаровск, 2008 г., Пятом Международном симпозиуме «Электрификация, инновационные технологии, скоростное и высокоскоростное движение на железнодорожном транспорте», г.Санкт-Петербург, 2009 г.
РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ осуществлена в рамках НИР, выполненной по заказу Министерства экономического развития и внешних связей Хабаровского края (государственный контракт от 18 апреля 2007 года), межвузовской региональной научно-технической программы «Научно технические и социально-экономические проблемы развития дальневосточного региона России («Дальний Восток России») по проекту «Совершенствование преобразователей энергии, бытового и промышленного электрооборудования; направленное на применение и освоение производства предприятиями Дальневосточного региона»; НИР 15-И-20 по теме «Создание опытного образца теплогенератора на основе электромеханического преобразователя» и ряда госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских тем, выполняемых на кафедре электромеханики ГОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет». Результаты работы использованы при расчете и проектировании перспективных систем электроотопления пассажирских вагонов в ОАО «Октябрьский электровагоноремонтный завод» и ООО «НИИЭФА - ЭНЕРГО». Основные положения диссертационной работы используются в учебном процессе (специальности 140601 «Электромеханика» и 150408 «Бытовые машины и приборы») при изучении дисциплин «Испытания, эксплуатация и ремонт электромагнитных устройств и электромагнитных преобразователей» «Проектирование бытовых машин и приборов», «Надежность бытовых машин и приборов», «Основы научных исследований», при проведении практических занятий по указанным курсам, курсовом и дипломном проектировании. Опытный образец ЭТУ для генерации тепловой?энергии и транспортирования теплоносителя экспонировался и отмечен серебряной медалью на XVI Выставке-конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» (г.Санкт-Петербург, 10-12 марта 2010 г.). ПУБЛИКАЦИИ. По результатам исследований, отраженных в диссертационной работе, опубликована 1 монография, 3 учебных пособия, 48 научных работ, 27 патентов и свидетельств на изобретения, полезные модели и регистрацию программ, 6 тезисов докладов, 5 отчетов о НИР. СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, библиографического списка из 247 наимено ваний и 18 приложений. Она содержит 363 страницы машинописного текста, 29 таблиц и 115 рисунков.
В диссертации использованы некоторые результаты исследований, выполненных и опубликованных совместно с Л. Н. Амосовой.
Автор выражает глубокую благодарность всему коллективу кафедры «Теоретические основы электротехники» Петербургского государственного университета путей сообщения за постоянную помощь и поддержку при выполнении данной работы, а также инженерно-техническим работникам Тихоокеанского государственного университета (г. Хабаровск), способствовавшим созданию и освоению производства опытных образцов электротехнических перекачивающих устройств на основе электромеханических теплогенерирующих преобразователей.
Электромагнитные процессы в исполнительном элементе ЭТК
Нагревательные элементы трансформаторного типа, принципиально отличаются от обычных, применяемых в электронагревательных приборах. Они представляют собой трансформатор с вторичной обмоткой, выполненной в виде короткозамкнутого витка, и могут быть подразделены по типу индуктора- на тороидальные, стержневые, пространственные, с вращающимся магнитным полем; по взаимному расположению индуктора и вторичной обмотки - с расположением индуктора внутри вторичной обмотки, с расположением индуктора снаружи вторичной обмотки, с вторичной обмоткой с вынесенной нагрузкой; по исполнению вторичной обмотки - с цилиндрической, кольцевой, объемной, трубчатой, ленточной, волнообразной, гребенчатой. Результаты разработки и исследований электронагревательных устройств трансформаторного типа наиболее полно рассмотрены в работах [52-57, 100-102].
Простейший нагревательный элемент трансформаторного типа содержит магнитопровод с двумя обмотками. К его недостаткам следует отнести низкие, по сравнению с резистивными нагревателями, массо габаритные показатели. Однако следует учитывать, что масса и размеры нагревательного элемента обычно составляют не основную часть массы и размеров всего электронагревательного устройства. Поэтому указанный недостаток нагревательных элементов трансформаторного типа, в большинстве случаев, не является определяющим фактором.
В то же время отсутствие электрической связи между первичной и вторичной обмотками позволяет обеспечить второй класс по электробезопасности. Дополнительная изоляция между обмотками и сердечником из современных композиционных материалов (многослойные ламинаты) позволяет повысить электрическую прочность нагревателя» до 4 кВ, а устойчивость к нагреву - до температуры 500 С. В таких устройствах практически нет элементов, подверженных износу и реальный срок службы определяется только долговечностью первичной обмотки. Таким1 образом, описанный нагревательный элемент имеет высокие показатели по надежности и электробезопасности при эксплуатации, но его существенным недостатком является низкий коэффициент теплоотдачи. Конструктивные решения нагревателей трансформаторного типа, приведены в [54, 102]. Теория электронагревательных устройств трансформаторного типа рассмотрена в работе [102], а основные примеры конструктивных исполнений устройств приведены в приложении 2.
Анализ характеристик отечественных и зарубежных электроводонагревателей, приведенных в приложении 3 показывает, что однофазные нагревательные элементы трансформаторного типа могут быть сконструированы на основе тороидальных шихтованных магнитных систем, позволяющих существенно уменьшить магнитное поле рассеяния, а также избежать стыковых соединений участков магнитной системы, следовательно, уменьшить потери, величину намагничивающего тока, повысить КПД и коэффициент мощности нагревательного элемента.
Вшромышленных условиях и при больших мощностях используются трехфазные электронагревательные элементы, сконструированные на основе плоских стержневых шихтованных магнитопроводов, широко применяемых в-трехфазных силовых трансформаторах. Магнитопровод с первичной, обмоткой образуют индуктор нагревательного элемента, аналогичный индуктору трехфазного силового трансформатора. Поэтому при расчете и проектировании индуктора применимы рекомендации, выработанные для силовых трансформаторов. Один из вариантов электронагревательного устройства трансформаторного типа с пространственной магнитной системой (рис. 1.4) имеет магнитопровод, стержни 1 которого расположены в одной плоскости под углом 120 относительно друг друга и охвачены кольцевым ярмом 2 [102]. На стержнях размещена трехфазная первичная обмотка 3.
Короткозамкнутая вторичная обмотка выполнена в виде трубок 4, предназначенных для прохождения нагреваемой жидкости, которые накоротког замкнуты, на" концах дисками 5. Трубки размещены между стержнями магнитопровода параллельно оси магнитной системы. Вторичная обмотка вместе с оболочкой 6 создает герметичную камеру.
Выше уже отмечено, что основной недостаток электронагревателей трансформаторного типа - низкий коэффициент теплоотдачи с нагреваемой поверхности и соответственно невысокая эффективность, обусловленная тем, что передача тепловой энергии теплоносителю осуществляется в основном за счет естественного теплообмена или требует внешнего источника механической энергии (например, насоса, вентилятора, напорного устройства и т.п.). Особенностью рассмотренных конструкций нагревательных элементов является относительно- напряженный тепловой" режим работы, обусловленный малой площадью теплоотдающей поверхности и низкой скоростью конвекционных потоков. Ограничение скорости конвекционных потоков нагревательной среды происходит вследствие вихреоб-разования в жидкости. Принципиально увеличить коэффициент теплоотдачи можно только за-счет обеспечения-вынужденного теплообмена, что и привело к разработке электронагревательных устройств с вращающимися нагревательными элементами (без дополнительных приводных устройств)1 в виде короткозамкнутых обмоток, характеризующихся повышенными коэффициентом теплоотдачи, теплопроизводительностью и обладающих широкими регулировочными свойствами.
Синтез системы управления на основе аналитического подхода
Моделирование тепловых процессов как отмечено выше, непосредственно связано с определением электромагнитных параметров и размерных соотношений; ТЭМП, которые при предварительных расчетах и в инженерной практике могут быть реализованы, по методикам, используемым для традиционных электромеханических.преобразователей в связи с их. конструктивной общностью [136]. Методика; применяемая при проектировании электромеханических преобразователей, предусматривающая, нескольких последовательных этапов расчета, позволяет определить электромагнитные, тепловые нагрузки; размерные соотношения и включает: - задание основных характеристик: номинальной, мощности-частоты питающего напряжения, количества пар полюсов, номинального линейного напряжения, количества; фаз первичной обмотки, температуры, производительности, давления; - выбор главных размеров: предварительного" задания высоты вращения, наружного диаметра ТЭМП,.расчет внутреннего диаметра ТЭМП,; расчет полюсного деления, получение расчетной мощности, предварительное задание электромагнитных нагрузок (линейной нагрузки, индукции), расчет длины воздушного зазора, проверка отношения длины воздушного зазора к полюсному делению; - определение количества пазов статора и сечения провода первич- " ной обмотки: определение предельных значений зубцового деления статора, расчет числа пазов статора, расчет числа пазов на полюс и фазу, расчет зубцового деления, расчет номинального тока статора, расчет предварительного числа эффективных проводников в пазу, числа витков в фазе обмотки, получение окончательного значения линейной нагрузки, определение обмоточного коэффициента, расчет магнитного потока, индукции в воздушном зазоре, .проверка значений индукции и линейной нагрузки,. предварительный расчет плотности тока в обмотке статора, расчет сечения эффективного проводника, окончательный расчет плотности тока; - расчет размеров зубцовой зоны статора: определение предварительных значений индукции в зубцах и ярме, расчет ширины, зубца, .расчет высоты ярма, расчет размеров паза в штампе, расчет площади корпусной. изоляции в пазу, расчет коэффициента заполнения паза; - расчет нагревательных элементов и величины воздушного зазора: определение толщины НЭ, расчет воздушного зазора с учетом размеров НЭ, расчет внешнего диаметра-ВЭ» с учетом размеров НЭ; расчет длины-ВЭ, расчет тока ВЭ, расчет сечения крыльчатки ВЭ; - расчет намагничивающего тока: расчет значений индукций в статоре и ВЭ, расчет магнитных напряжений, расчет коэффициента воздушного зазора, расчет коэффициента насыщения магнитной цепи, расчет намагничивающего тока, проверка полученных значений; - определение параметров рабочего режима: расчет удельного сопротивления материалов обмоток статора, НЭ и ВЭ в зависимости от расчетной температуры, расчет геометрических размеров обмотки статора, расчет активного сопротивления фазы обмотки статора, расчет индуктивного сопротивления фазы обмотки статора, расчет производительности ВЭ; - расчет тепловой мощности НЭ: определение длины лобовой части, вычисление удельной электрической проводимости при расчетной температуре, расчет длины активной части, расчет тепловой мощности НЭ; - расчет температуры НЭ: определение коэффициента теплоотдачи и теплопроводности нагреваемого теплоносителя при расчетной температуре, определение плотности нагреваемого теплоносителя, задание удельной теплоемкости нагреваемого теплоносителя, расчет гидравлического радиуса сечения канала, расчет температуры НЭ. Расчет проводится с использованием современных средств автоматизированного проектирования [49, 58, 98, 124]. Методика расчета тепловой мощности ТЭМП и температуры реализована программно в среде Visual Basic и защищена свидетельством о регистрации программы. В приложении 7 отображены начальные и конечные формы программы расчета температуры НЭ. Начало кода программы приведено в приложении 8. Скорость теплоносителя в расчете принимается заданной. При этом приняты допущения об осесимметричности температурного поля, что обосновывается симметричностью конструкции; кусочной однородности области исследования, независимости коэффициентов теплопроводности материалов и мощности источников тепла от температуры. На внутренней поверхности нагревательного элемента справедливы граничные условия конвективной теплоотдачи теплоносителю где /х, 1у- направляющие косинусы внешней нормали к граничной поверхности; кто - коэффициент теплоотдачи; 0 - температура. Так как неподвижныи нагревательный элемент выполнен из изотропного материала, то рассматриваемое граничное условие записывается в виде
Следует отметить, что даже при предварительных расчетах пренебрежение процессом конвекции в рассматриваемой модели приводит к аномально высоким температурам нагреваемого теплоносителя (для воды — порядка 155 С), что показано на рис. 3.4 в виде распределения температуры по оси симметрии устройства без учета конвекции и подтверждено экспериментально. Поэтому при проектировании ЭТУ для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя основной проблемой является учет конвективного теплообмена между НЭ и теплоносителем.
Общие вопросы технологии изготовления подшипниковых узлов на основе антифрикционных самосмазывающихся материалов
Научные основы создания, исследования и использование антифрикционных, в том числе самосмазывающихся материалов, заложены трудах-В.А. Белого, В.В. Коршака, P.M. Матвиевского, И.М. Федорченко, И.А. Грибовой, Т.В. Єагалаева, А.П. Семенова, Ю.Н. Васильева, А.К. Погосяна, Б.Д. Воронкова, Г.И. Трояновской, Д.К. Ланкастера, Е.Р. Брейтуэйта и др.
В работах В.А. Белого, А.И. Свириденко, В.Г. Савкина и других рассмотрены физико-химические, технологические и конструкционные принципы создания полимерных и металлополимерных материалов и узлов, их физико-механические и эксплуатационные свойства. Оптимизация состава композиционных материалов, обоснование и выбор наполнителей, изучение триботехнических характеристик полимерных материалов- выполнены в трудах А.К. Погосяна, Г.В. Сагалаева, Н.Л Шембель, А.Д. Курициной, Н.П. Истоминой, В.К. Крыжановского.
Вопросы обеспечения работоспособности тяжело нагруженных узлов сухого трения с применением твердых слоистых смазок, изучение особенностей их трения и износа на воздухе и в вакууме отражено в исследованиях В.Э Вайнштейна, Г.И. Трояновской, Л.И. Сентюрихиной, P.M. Матвеевского, Е.Р. Брейтуэйта и др. В работах А.П. Семенова, Ю.Э. Савинского, Н.П. Истомина обобщен опыт производства и применения металлофторопластовых подшипников. В монографии И.М. Федорченко и Л.И: Пугиной обобщены данные по составам, технологии изготовления и триботехниче-ским свойствам полученных материалов антифрикционного назначения. Различные виды износостойких и антифрикционных покрытий для-работы. в режиме самосмазывания описаны в работах А.А. Кутькова, И.И. Мали-кова и др. Проблемам создания АСП - пластиков на основе высокомолекулярных соединений с улучшенными характеристиками термо- и теплостойкости посвящены труды В.В. Коршака, И.А. Грибовой, А.П. Краснова, А.В. Виноградова и др. В работах Б.Д. Воронкова, А.Н. Раевского, А.В. Чичинадзе обобщен опыт по исследованию, конструированию и» расчету подшипников скольжения, уплотнений, работающих без смазки, а также в агрессивных средах и при анормальных температурах.
В последние годы антифрикционное материаловедение интенсивно развивается в направлении разработки композиционных полимерных материалов с повышенной самосмазываемостью, предназначенных для работы с ограниченной смазкой или без введения смазки. Широко исследуется, и растет использование в практике таких материалов, как наполненные фторопласты, металлополимеры, металлофторопластовые слоистые конструкции, конструкционные фенопласты, акрилаты, эпоксиды, полиимиды, графитопласты, углеграфитовые композиции, антифрикционные волокни-ты, твердые смазочные покрытия, АСП - пластики, упругие материалы, имеющие сложную гетерогенную композиционную структуру.
В настоящее время самосмазывающиеся подшипники скольжения находят все большее применение в таких узлах машин и механизмов, где создание масляной пленки между трущимися поверхностями невозможно или затруднено, жидкая и пластичная смазка не являются эффективными при защите от трения и износа или присутствие смазки нежелательно по конструктивным соображениям. По ряду показателей трения и изнашивания композиты, например, металлополимерные, значительно превосходят традиционные конструкционные металлические материалы. Такие свойства материалов, как работоспособность без введения? смазочного материала; вьісокаяі несущая1 способность, статическая и динамическая- грузоподъем-, ность, быстрая прирабатываемость, антизадирная стойкость, износоустойчивость,, как; со смазкой; таю; и без смазки, температурная- устойчивость,. сравнительно? низкий коэффициент трения; демпфирующая способность, удовлетворительные: акустические: и вибрационные характеристики;, экономичность делают перспективнымшх использование при раб6тевтяжело нагруженных узлах машин и оборудования.
Применение таких подшипников позволяет уменьшить число точекг смазки, а также увеличить периодичность смазывания при техническом? обслуживании;,сократить расход смазочных материалов; уменьшить расход цветных металлов.на? изготовление подшипников скольжения; заменить подшипники качения в некоторых узлах машин; снизить - трудоемкость изготовления: деталейv благодаря применению малоотходных илш безотходных: прогрессивных технологий; уменьшить трудоемкость технического обслуживания? и; ремонта „машині и оборудования; повысить; износостойкость .и, надежность узлов трения; уменьшить, шум: и вибрации ВІ машинах;: упростить-и облегчить конструкции, уменьшить стоимость,, металлоемкость имассу машин; повысить качество выпускаемой продукции и уменьшить, брак, связанный с износом и простоями оборудования в. ремонте; расширить диапазон эксплуатационных режимов.
Самосмазывающиеся - подшипники отвечают требованиям высокой нагрузочной способности в широком диапазоне температур, высокой износостойкости и низкого коэффициента трения, хорошей прирабатываемо-сти, низкой восприимчивости к влагонасыщению и изменению размеров в следствие температурных деформаций, хорошей теплопроводности и коррозионной стойкости, способности к поглощению инородных тел.
Особенно интенсивно развивается в последние годы класс полимерных композиционных материалов. В качестве базовых исходных компонентов для создания полимерного композиционного материала, используемого для капсулирования обмотки, применяется эпоксидно-диановая смола ЭД-20 или ЭД-Г6, фторопласт-4, рубленное стекловолокно. В практике машиностроения кроме этого применяются углеграфитовые волокна -грален, УНК-5000, эвлон, фторопласт Ф-4 НТД, дисульфид молибдена, гранулы капролона, минеральное и касторовое масла [62].
Композиционные материалы - искусственные полифазные материалы. В них различают матрицу (связующее) и наполнители - материалы включения, имеющие границу раздела и различный структурный состав: По форме строения молекул и состоящих из них звеньев полимеры разделяют на линейные, разветвленные и сетчатые. Строение макромолекул полимеров формирует их термопластичность и термореактивность. Термопластичные полимеры, или термопласты, к которым относится фторопласт 4, состоят из макромолекул, соединенных между собой физическими связями. При нагревании,термопластов до температуры плавления физические связи исчезают, а химические (ковалентные) - сохраняются, а, следовательно, сохраняется химическое строение полимера. При полимеризации и затвердевании расплава физические связи и физические свойства восстанавливаются.
Термореактивные полимеры состоят из макромолекул, соединенных поперечными ковалентными, то есть химическими связями. Вследствие необратимости такой сетчатой структуры нагревание этих полимеров приводит к разрушению пространственной сетки и деструкции.
