Содержание к диссертации
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 4
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДУЕМОГО ВОПРОСА 18
1.1. Особенности рабочего процесса и функциональная схема ЛМЭП, методика проведения испытаний по снятию реологических характеристик эластомеров 18
1.2. Выбор метода исследования ЛМЭП 34
1.3. Цель и задачи исследований 38
1.4. Выводы 39
ГЛАВА 2. ЧИСЛЕННАЯ ПРОЕКЦИОННО-СЕТОЧНАЯ МОДЕЛЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ЗАДАЧЕ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ЛМЭП ПО МАКСИМУМУ ТЯГОВОГО УСИЛИЯ 41
2.1. Обоснование базовой конструкции ЛМЭП на основе оптимизационного расчета магнитной системы привода по выбранному критерию оптимальности 41
2.2. Выбор расчетной модели ЛМЭП, допущения и граничные условия. Решение краевой задачи для стационарного магнитного поля ЛМЭП в цилиндрической системе координат 65
2.3 Моделирование магнитного поля ЛМЭП при помощи пакета ANSYS 77
2.4, Выводы 86
ГЛАВА 3. ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА ЭЛАСТОМЕРА 88
3.1. Проекционно-сеточный метод решения осесимметричной задачи для напряженно-деформированного состояния опытного образца эластомера з
3.2. Синтез многоконтурной схемы замещения опытного образца эластомера в процессе релаксации напряжения, наблюдаемый при заданной деформации є = const 96
3.3. Исследование релаксационных характеристик опытных образцов эластомеров 107
3.4. Выводы 115
ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЛМЭП 117
4.1. Введение 117
4.2 Математическая модель ЛМЭП с учетом вязкоупругих свойств эластомеров при установившихся колебаниях 118
4.3 Исследование динамических характеристик ЛМЭП 122
4.4. Выводы 132
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 133
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 136
ПРИЛОЖЕНИЯ 1
Введение к работе
Неуклонный рост производства промышленных и потребительских товаров, повышение качества выпускаемой продукции, разнообразие ее ассортимента и конкурентоспособность с другими аналогичными товарами возможны на пути создания, модернизации и использования современных промышленных технологий. Эти технологии объединяет наметившаяся в последнее десятилетие тенденция к усложнению конструкций технических устройств и систем для повышения требований к ним по качеству, экономичности, безопасности, экологичности, расширения функциональных возможностей и других, обусловленная глобальной информатизацией всех сфер производственной деятельности и повсеместным применением компьютерных технологий. Она отражается в постановке вычислительных задач по исследованию и проектированию технических устройств и систем, а также в изменении подходов в формировании принципов их математического моделирования. К числу таких устройств и систем в полной мере относится электрический привод вращательного и возвратно-поступательного движения [1, 2, 10, 12, 30, 60, 77, 94, 118, 123]. Отсутствие в электроприводе возвратно-поступательного движения передаточных и преобразовательных механизмов обеспечивает высокую надежность и эффективность функционирования машин с линейной траекторией движения рабочих органов. Это обстоятельство в свете наметившейся тенденции развития современных промышленных технологий раскрывает новые подходы к решению традиционно сложных для электропривода возвратно-поступательного движения задач, какими являются анализ магнитных систем привода, распределение магнитного поля в рабочем объеме, влияние вихревых токов в массивных магнитопроводах, оптимизация конструкций и исследование оптимальных режимов энергопреобразования привода. Проблемы, связанные с разработкой методов моделирования электромагнитных процессов электрического привода и оптимизации разнообразных конструкций его магнитной системы, рассмотрены в работах Аркадьева В.К., Буля Б.К., Демирчяна К.С., Иванова-Смоленского А.В., Ковалева Ю.З., Копылова И.П., Кудараускаса С.Ю., Курбатова П.А., Львовича А.Ю., Любчика М.А., Москалева В.В., Никитенко А.Г., Овчинникова И.Е., Ряшенцева Н.П., Смелягина А.И., Тамма И.Е, Тозони О.В., Хитерера М. Я., Юринова В. М. и других. Сложность указанных задач для электрического привода возвратно-поступательного движения состоит в том, что электромагнитные процессы, протекающие в приводе, описываются уравнениями Максвелла. Эти уравнения обычно имеют вид дифференциальных уравнений в частных производных относительно векторного магнитного потенциала, векторов напряженности и индукции электрического и магнитного полей. Уравнения Максвелла дополняются начальными и краевыми условиями на внешней границе расчетной схемы привода и условиями сопряжения на внутренних ее границах. При этом решение поставленной краевой задачи может проводиться аналитическими или численными методами. Для большинства конструкций электрического привода возвратно-поступательного движения характерна сложная конфигурация элементов магнитной системы [39, 57, 63, 67, 75, 92, 118, 122]. Отличительными особенностями конструкций магнитной системы привода являются: наличие разомкнутого магнитопровода и постоянных магнитов; число катушек, обтекаемьгх током; рассеяние и выпучивание магнитного потока, обусловленное значительными воздушными зазорами; изменяющийся во времени ход якоря. В связи с этим решение краевой задачи для области моделирования со сложной геометрией и разнородными физическими свойствами требует использования численных методов [25, 28, 35, 88].
Для численного решения уравнений поля хорошо зарекомендовали себя метод разделения переменных, метод интегральных уравнений вторичных источников, конечно-разностные и проекционно-сеточные методы [19, 38, 65, 66, 70, 71, 78, 93, 95, 97, 104, 113]. Примеры решения электротехнических задач по разработке численных моделей полей рассмотрены в работах Бинса К., Галлагера Р., Ильина В.П., Кулона Ж.-Л., Лауренсона П., Мак-Кракена Д., Нори Д., Сегерлинда Л., Сильвестера П., Стренга Г., Тозони О.В., Феррари Р., Фикса Дж, де Фриз Ж. и других.
Решение краевой задачи по расчету поля электрического привода не является самоцелью, она входит составной частью в решение более общей комплексной задачи исследования динамических процессов в приводе, включая вопросы оптимизации геометрии его магнитной системы, удовлетворяющей выбранному критерию оптимальности, и поиска оптимальных режимов энергопреобразования. Применительно к электрическому приводу возвратно-поступательного движения эта комплексная задача имеет существенные отличия от традиционного привода вращательного движения. Эти отличия вызваны органическим слиянием в одно целое электромеханического преобразователя энергии и рабочей машины, что делает этот тип привода специальным по назначению, а работы по его созданию и проектированию, жестко подчиненными требованиям нагрузки.
В данной работе задача создания оптимального линейного магнитоэлектрического привода (ЛМЭП) для испытания вязкоупругих свойств эластомеров является отражением специфических особенностей, связанных с оптимизацией конструкций магнитной системы привода и исследованием его рабочего процесса.
К эластомерам относятся многокомпонентные материалы на основе каучука, имеющие способность к очень большим обратимым деформациям, принимающим значения от 500 до 800 % [73]. Это качество эластомеров является наиболее ценным свойством. Эластомеры легко деформируются под действием относительно небольших напряжений, их модуль упругости низок и принимает значения Е = 14-10 МПа, а коэффициент Пуассона приближается к 0,5. Эластомеры изготавливают на основе натуральных и синтетических каучуков с температурами стеклования ниже 0°С, подвергая их операции вулканизации. Молекулярная структура эластомеров представляет вид объемной сетки с невысокой плотностью поперечных химических связей, благодаря которой эластомеры приобретают способность к быстрым высокопластичным деформациям.
Эластомеры находят широкое использование при производстве автомобильных покрышек, шин, упругих амортизаторов, диффузоров и других изделий. Среди характеристик эластомеров, определяющих качество продукции, являются модули вязкости, упругости и внутреннего трения, обуславливающие гистерезис и тангенс угла механических потерь. Эти параметры в значительной степени отражают релаксационные свойства эластомеров при механических деформациях и прессовых воздействиях, и их определение относится к числу первоочередных экспертных задач.
Расчет характеристик, определяющих релаксационные свойства эластомеров, сопровождается трудоемкостью вычислений, требует использования громоздкого математического аппарата и проводится с привлечением конечно-разностных и проекционно-сеточных методов. В связи с этим на практике экспериментальным методам исследования эластомеров отдается предпочтение. Центральное место в решении этой задачи занимают работы по созданию надежных экспериментальных технических комплексов, обеспечивающих управление силовой нагрузкой, действующей на опытный образец эластомера, не только при статических, но и динамических измерениях реологических характеристик, включая измерения по силе и по деформации, отличающиеся точностью полученных результатов и требуемым диапазоном измерений стандарта испытаний.
Необходимость решения общей комплексной задачи по разработке и созданию линейного электрического привода для испытания вязкоупругих свойств эластомеров неоднократно подчеркивалась в решениях международных научно-технических конференций «Новые информационные технологии», «Динамика систем, механизмов и машин», Всероссийских научно технических конференциях «Методы и средства измерений физических величин», «Наука. Технологии. Инновации (НТИ -2003)».
