Введение к работе
Актуальность темы исследования. Неотъемлемой частью технологического процесса современного предприятия нефтегазовой отрасли являются обширные сети трубопроводов (СТ) магистрального и местного назначения, применяемых при транспортировке различных компонентов (нефти, химических реагентов, кислот). Нарушение целостности трубопроводов и, как следствие этого, протечка транспортируемых по ним вегцеств, может стать причиной значительных экономических убытков и экологических аварий. В связи с этим возникает необходимость в диагностике и ремонте СТ.
Наименее затратным способом для выполнения данных задач является использование электротехнических трубоходных комплексов (ЭТК). Современные ЭТК обладают рядом недостатков, которые ограничивают их практическое применение: сложность обеспечения линейного перемещения с фиксированной частотой и длиной шага, обеспечения подъема либо спуска по вертикальным поверхностям, сложность создания больших тяговых усилий и моментов.
Для решения подобных недостатков применяют ЭТК на основе линейного шагового двигателя (ЛШД), что позволит увеличить не только тяговые характеристики и момент, но и минимизировать массогабаритные показатели ЭТК, а следовательно, повысить их эффективность. Таким образом, предлагаемые и наїучно обоснованные, в данной работе, технические решения по созданию ЭТК, в частности, по применению в качестве привода, системы из электромагнитного приводного элемента (HP), имеющего сложную форму рабочих поверхностей и систему рычагов, позволяющих существенно повысить целый ряд технико-экономических показателей, что приводит также и к повышению конкурентоспособности данного типа ЭТК на рынке.
Степень разработанности темы исследования. Вопросами разработки трубоходных комплексов и электромагнитных линейных приводов занимались
B. Г. Градецкий, В. Г. Чащухин, И. Н. Егоров, А. П. Моисеев, К. Ю. Щукин,
И. Г. Ефимов, А. В. Соловьев, Б. Г. Любарский, В. В. Жарский, А. Л. Башкиров,
А. Н. Гранкин и др.
Заметный вклад в развитие теории проектирования электромагнитных приводов внесли А. Г. Сливинская, М. А. Любчик, Л. Б. Ганзбург, К. С. Демирчлн,
C. X. Щучинский, А. А. Чунихин, А. В. Гордон, В. П. Миловзоров, Б. В Клименко,
Б. К. Буль, П. В. Алексеев, В. Н. Шоффа, Ф. А. Реднов, В. И. Рожков, Ю. К. Ершов,
Л. И. Батищев, А. Г. Никитенко, Е. И. Байда, Н. В. Руссова, А. А. Чепелюк и др.
Вместе с тем проведенный обзор конструктивных схем исполнения электротехнических трубоходных комплексов, линейных шаговых двигателей и их электромагнитных приводных элементов показывает, что уровень развития данных комплексов недостаточный, в следствии чего ограничивается их область применения в связи с недостаточно проработанными теоретическим и экспериментальными исследованиями.
Цель и задачи работы. Целью работы является исследование и разработка электротехнического трубоходного комплекса на основе линейного шагового двигателя.
Исходя из цели работы, для её достижения были определены и решены следующие задачи:
-
Разработка и исследование оригинальной конструктивной схемы приводных элементов электротехнического трубоходного комплекса и вывод основных уравнений, определяющих его параметры, способных обеспечить максимальное тяговое усилие с учетом эксплуатационных характеристик и нагрузок, возникающих в процессе работы.
-
Анализ установившихся и переходных процессов в приводном элементе и их зависимости от параметров привода на основе разработанной имитационной модели и принципиальной схемы электротехнического трубоходного комплекса.
-
Исследование характеристик электротехнического трубоходного комплекса и шагового двигателя на основе разработанной компоновочной схемы.
-
Экспериментальная проверка теоретических положений, полученных расчетным путем и имитационным моделированием.
Научной новизной работы являются:
-
Уравнения основных электромагнитных и выходных характеристик ПР, выведенные при исследовании разработанной конструктивной схемы.
-
Имитационная модель и принципиальная схема ЭТК, учитывающие параметры ПР, варьирующиеся в широких пределах.
-
Зависимости статических и динамических тяговых характеристик и моментов ПР, зависящих от геометрических; параметров рабочих поверхностей статора и подвижного элемента (ПЭ).
Компоновочная схема электротехнического трубоходного комплекса на основе линейного шагового двигателя, использующего систему из электромагнитного приводного элемента, имеющего сложную форму рабочих поверхностей и систему рычагов, обеспечивающих существенное увеличение электромагнитных моментов приводных элементов.
Теоретическая и практическая значимость работы
-
Оригинальные конструкции ЛШД и ЭТК и разработанное программное обеспечение, позволяющие повысить и сократить сроки проектирования ПР.
-
Алгоритм расчета приводов ЭТК, позволяющих определять рациональные соотношения геометрических параметров рабочих поверхностей. Полученные значения геометрических параметров рабочих поверхностей статора и подвижного элемента могут быть использованы при проектировании приводов ЭТК.
-
Экспериментальная электромагнитная установка и методики экспериментальных исследований могут использоваться при определении параметров приводов, ЛШД и ЭТК в процессе производства и эксплуатации.
Практическая ценность результатов работы подтверждается актом внедрения результатов в учебный процесс кафедры электромеханики УГАТУ.
Методология и методы исследований. Для решения поставленных задач и достижения намеченной цели использованы аналитические методы исследования магнитного поля, методы теории дифференциального и интегрального исчисления математического моделирование на ПК с использованием пакетов, Matlab, Mathcad, Electronics Workbench компьютерного моделирования магнитного поля и сил методом конечных элементов в программном комплексе Ansys, с использованием программного комплекса SolidWorks для создания твердотельных трехмерных моделей, имитационного моделирования на ПК в среде MatlabSimulink, обработка экспериментальных данных и данных компьютерного моделирования - пакет SplineTool программного комплекса Matlab.
Положения, выносимые на защиту:
-
Основные уравнения электромагнитных и выходных характеристик приводных элементов.
-
Имитационная модель и принципиальная схема электротехнического трубо-ходного комплекса на основе линейного шагового двигателя.
-
Результаты исследований динамических характеристик привода электротехнического трубоходного комплекса, полученные для различных конфигураций рабочего зазора посредством компьютерного моделирования методом конечных элементов в программном комплексе Ansys.
-
Результаты экспериментальных исследований, зависимости динамических характеристик приводов с различной конфигурацией рабочего зазора, полученные экспериментальным путем, на разработанной имитационной модели и принципиаль-
ной схемы, а также результаты исследований распределения магнитной индукции по рабочему зазору приводного элемента и времени его срабатывания
Степень достоверности и апробация работы подтверждается корректным использованием математических методов, научных положений и принятых допущений, а также результатами экспериментальных исследований образца привода электротехнического трубоходного комплекса на основе линейного шагового двигателя.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-технических конференциях.
Международной молодежной научной конференции «XXXIV Гагаринские чтения» (Москва: МАТИ, 2011 г.); Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» (Уфа: 2012 г.); XII Международной научно-практической конференции «Научная дискуссия: инновации в современном мире», 2013; Межвузовской научно-практической конференции «Электротехнические комплексы и системы» (Уфа, 2011 г.); Наука и современность - 2013. XXIV Международной научно-практической конференции (Новосибирск, 2013 г,); VII Всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (Уфа, 2012 г.); XVIII конференции аспирантов и молодых ученых «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2012 г.); IV Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки и техники» (Уфа, 2012 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 печатных работ, из которых 2 работы - в изданиях из перечня ВАК, получено 2 патента РФ на изобретение и 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, содержит 152 страниц машинописного текста, библиографический список из 119 наименований.
