Введение к работе
Актуальность темы. Современная автоматизация технологических процессов и производственных комплексов основывается на широком использовании приводных систем различного назначения. Функциональное и конструктивное объединение электромеханических преобразователей с энергетическими, механическими и информационными компонентами в мехатрониых системах определяет зависимость эффективности и качества их работы как от алгоритмов и средств управления, так и от технического состояния всех элементов и устройств в течение жизненного цикла изделий.
Проблема рационального использования материальных, энергетических ресурсов приводных систем сформировалась с начала практического использования машин и механизмов и ее актуальность возрастала в процессе развития электромеханики и электропривода, В настоящее время эта проблема приобрела особое значение но следующим причинам. Повышение требований к качеству процессов управления в автоматических системах, сложность условий эксплуатации и высокая цена отказов объектов предполагают многокритериальную оптимизацию их параметров и структуры. Современные программные средства позволяют подробно исследовать на моделях процессы, происходящие в ЭМС при различных режимах. Но для разработки адекватных моделей и проведения с их помощью предварительных исследований необходим достаточный объем априорной и апостериорной информации. Существующие методы оценки отдельных параметров, характеристик элементов и самих ЭМС характеризуют, как правило, физические свойства компонентов и систем в статических или квазистатических режимах и поэтому не всегда обеспечивают требуемую точность и возможность сииергетического подхода при их разработке. Кроме того для учета в исследованиях сложных явлений в МП и демпфирующих свойств компонентов и системы в целом, включая нагрузку, необходимо использовать информативные интегральные оценки, характеризующие физические процессы в МП с учетом зазоров, сия трения, крутильной жесткости всей цепи передачи электромагнитного воздействия, а также инерционности силовой цепи ИД,
В этих условиях сформировалась актуальная нау»иая проблема создания теории и прикладных методов анализа, синтеза и идентификации процессов, влияющих на техническое состояние приводных систем, И управления этими процессами. Однако решение укачанной проблемы в настоящее время сдерживается вследствие:
- отсутствия адекватного подхода к исследованию и проектирова
нию электрических приводных систем с учетом факторов, влияющих на
техническое состояние механической подсистемы в течение всего жиз
ненного цикла;
ограниченных возможностей современных методов идентификации характеристик механических подсистем, определяющих техническое состояние приводов;
отсутствия эффективных для промышленного применения технических решений для идентификации характеристик приводных систем.
Существующее противоречие между практической потребностью повышения эффективности приводных систем, с одной стороны, и ограниченными возможностями современных методов анализа, синтеза и идентификации приводных систем для решения указанной проблемы, с другой стороны, определяют актуальность исследований в данном направлении.
Работа выполнялась в период с 1996 г. по 2006 г. и соответствует п. 2.1.4 «Исследования в области энергосбережения и эффективных элск-тротсхнологий» Перечня приоритетных направлений фундаментальных исследований, утвержденного Правительственной комиссией Российской Федерации по научно-технической политике 21.07,96 г.
Цель и задача работы. Цель работы повышение технического уровня электроприводов и его поддержание па всех лапах жизненного цикла изделий, включая научные исследования, проектирование, испытания и эксплуатацию на основе использования уточненных физических и математических моделей, новых метода и технических средств идентификации характеристик механических подсистем и их элементов.
Для достижения указанной цели сформулирована научная задача: провести исследования процессов в механический подсистеме, влияющих на техническое состояние электрического привода, и разработать теоретические основы, практические алгоритмы и технические средства идентификации характеристик приводных систем в колебательном режиме, обеспечивающие повышение точности н достоверности расчетов.
Решение этой научной задачи предполагает:
- теоретически обосновать развитие и совершенствование колебательного метода испытаний элементов и самих ЭМС ПС и целесообразность разработки и создания новых технических средств его практического воплощения;
->
разработать основы теории ОМС с управляемой «элек-фической пружиной» для реализации нового метода незатухающих колебаний;
выбрать метод решения уравнений динамики КЭМС, разработать соответствующие модели и выполнить на их основе исследовании основных параметров и характеристик КМОС;
- выбрать метод преобразования переменных и энергии в КЭМС и
разработать их ОМЛ;
на основе созданных моделей и ОМА КЭМС разработать новые технические средства для идентификации определяющих параметров и характеристик ПС незатухающим колебательным методом (ПКМ);
выполнить необходимый комплекс экспериментальных исследований для подтверждения целесообразности и достоверности разработанного И КМ для идентификации параметров и характеристик ПС;
- дать анализ современным методам и средствам определения харак
теристик работоспособности подшипниковых узлов ПС и обосновать
выбор комплексного критерия надежное машин, механизмов и самих
11С в динамике -- момента сопротивления вращению.
Выполнению работ по данной тематике способствовала финансовая поддержка Минобразования и науки РФ в виде двух фактов по фундаментальным исследованиям в области технических паук (фанты «Низкочастотный колебательный электропривод» и «Разработка элементов теории резонансных электроприводов периодического движения»),
Методы исследования. /|дя решения сформулированной научной проблемы использованы математические методы классической механики, физики, электротехники, электромеханики, автоматизированного электропривода, теории колебаний, теории эксперимента и обработки данных. Для исследования процессов в приводных системах использовались натурные эксперимента и компьютерное моделирование.
Научная потопа Предложен новый метод незатухающих электромеханических колебаний для исследования, моделирования и идентификации механических подсистем электрических приводов, иозво знющнн повысить эффективность проектирования, разработки, создания, надежность ПС на оспине,
разработанной обобщенной схемы МП, включающей покую композицию механической подсистемы: рочор ИД - согласующее устройство нагрузки;
уточненных моделей МП с интегральной оценкой определяющих щфвмсфон и характеристик МП: крутильной жесткости С!г. эквивалентного коэффициента вязкого зрения (I, параметра демпфирования , инерционности с иконой цени двигателя "і;, МК-, МО- и дисеипатшшых характеристик;
аналитических зависимостей для расчета определяющих технический уровень характеристик ПС, полученных комплексным рассмотрением электрической и механической подсистем;
разработанных технических средств па базе КЭМС, подтвержденных патентами, и позволяющих обеспечить постоянное информационное обеспечение по выявленным обобщенным параметрам МИ;
выявленной перспективности резонансных методов идентификации параметров и характеристик МП различного функционального назначения, подкрепленной конкретными практическими приложениями и основанной на расчетных и экспериментальных данных;
предложенных моделей кинетического трения, являвшихся следствием разработки нового метода незатухающих электромеханических колебаний и его практической реализации КЭМС!;
разработана экспериментальная установка и получены необходимые аналитические выражения для расчета динамических диссипатив-иых характеристик подшипниковых и подвижных механических узлов приводішх систем, подтвердившие научную новизну и перспективность метода в области триботсхнического материаловедения.
Достоверность и обоснованность полученных научных результатов обуславливаются:
- использованием общеизвестных уравнений ішекіронривода, элек
тромеханики, электротехники, теории управления, теории колебаний,
трибологии, а также их соответствием выявленным особенностям ре
альных процессов, протекающих в ЭМ 11С;
-применением проверенных и аттестованных измерительных приборов, действующих стандартов РФ, типовых методик и опыта проведе пия экспериментальных исследований в области иринодных систем и измерительной техники;
- подтверждением расчетных результатов -жепериментильнмми.
Практический ценное п.. Разработанные методы, митематичс ские модели, технические средства, лабораторные установки для идеи тификации параметров, характеристик МП ПС понижают на стадии проектирования обеспечить заданные показатели по статическим, динамическим, энергетическим, надежностным характеристикам, повысить их технический уровень при одновременном сокращении сроков разра ботки мехатроипых модулей и систем; постоянное информационное сопровождение всего жизненного цикла ПС колебательным члекфоме ханичооким методом способствуют уточнению расчетного ресурса, достоверности диагностики технического состояния с целью выбора при филакгаки или ремонт, увеличивая долговечность зкеплуатацмп ivx нических объектов.
Основные положения, защищаемые автором
-
Обобщенная схема МП ПС, включающая новую ее композицию: ротор ИД - согласующее устройство - нагрузка (объект);
-
Полученные расчетные соотношения определяющих параметров, характеристик МП ПС постоянного информационного сопровождения МП;
-
Уточненные модели МП ПС с интегральной оценкой определяющих ее параметров: момента инерции ,/, статической и динамической жёсткости механической характеристики двигателя р.т,р ; крутильной жесткости Си, эквивалентного коэффициента вязкого трения [5„ параметра демпфирования %, а также инерционности силовой цепи двигателя !Г,;
-
Аналитические зависимости для расчета статических и динамических характеристик ПС, полученные комплексным рассмотрением электрической и механической подсистем по сигналу управления и возмущениях на валу ИД и самом объекте;
-
Устойчивость образования компонентов ПС построением МК - и МЭ характеристик по уточненным определяющим параметрам МП в режиме периодического движения;
-
Энергетический метод расчета механических потерь в узлах трения элементов, устройств, всей ПС, интерпретированный принципом баланса мощностей отдельных гармонических, с разработкой элементов теории определения диссипативных характеристик в статических и динамических режимах;
-
Концептуальный подход к разработке НС, основанный на подробном исследовании определяющих параметров, характеристик МП и создании математической модели будущей системы в еипергетнческом аспекте с последующей ее коррекцией для уточнения расчетного ресурса и проведения диагностики состояния системы с цепью выбора профилактики или ремонта;
8, Технические решения, защищенные патентами па разработанные методы создания незатухающих механических колебаний, практические реализации способов управленим IOMC для идентификации параметров и характеристик МП ПС, способствующих поддержанию работоспособности и увеличению экономически и экологически целесообразней долговечности ПС.
Реализация результатов работы. Теоретические результаті»! и практические разработки, в том числе защищенные патентами Российской Федерации, использованы в промышленных системах и устройствах -иісктрої іриводов,
В Научно-исследовательском институте тракторных и комбайновых
двигателей (г. Владимир) использованы методика и аппаратура для проведения ускоренных испытаний деталей двигателей внутреннего сгорания.
компания «Объединенная энергия» (г. Москва) использовала методику идентификации элементов приводных систем горных машин -одноковшовых экскаваторов и буровых станков,
В Научно-исследовательском проектно-технологическом и конструкторском институте электромашиностроения (г. Владимир) использованы методика и устройства идентификации моментов инерции роторов электрических машин.
В ЗАО НПО «Автоматика», г. Владимир использованы методики и технические средства экспериментального определения хараггеристик исполнительных механизмов.
В ОАО «Владимирский ремонтно-механический завод» использованы методики диагностики приводов гидравлических экскаваторов.
Основы теории электропривода колебательного движения, колебательного метода идентификации характеристик механической подсистемы электропривода, модели, структуры и элементы специальных электроприводов включены в программы курсов «Технические средства автоматизации и управления», «Основы теории управления», «Надежность систем управления» для студентов Владимирского государственного университета.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 40 научно-технических конференциях, семинарах и совещаниях, в том числе:
-
Всесоюзном научно-техническом совещании «Автоматизация проектирования в электромашиностроении» (Суздаль, 1989).
-
X Всесоюзной научно-технической конференции «Интеллектуальные электродвигатели и экономия электроэнергии» (Суздаль, 1991),
-
Международных научно-технических конференциях «Состояние и перспективы развития элсктротехнологии (VI и IX Ьсиардосовские чтения)» (Иваново, 1992, 1999).
-
Международной конференции по электромеханике и шекгротсх-иологии, МКЭЭ - 94 (Суздаль, 1994).
-
Всесоюзных научно-технических конференциях «Конверсия, приборостроение, рынок» (Владимир, 1995, 1997).
-
1 - IV Международных научно-технических конференциях «Физика и радиоэлектроника в медицине и биотехнологии» (Владимир, 1994, 1996, 1998, 2000).
-
X научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» ЭППТ-95 (Екатеринбург, 1995).
8. Всесоюзной научно-технической конференции «Датчики и преоб
разователи информации систем ишерсния, контроля и управления
(«Датчик - 95»)» (Крым, 1995).
9. Всероссийской (Владимир, 1994) и Международной (Суз
даль, 1996)
научно-технических конференциях «Конверсия, приборостроение, рынок».
10. 11 Всероссийской научно-технической конференции «Методы и
средства измерений физических величин» (Нижний Новгород, 1997).
П. II и Ш Международных научно-технических конференциях «Управление в технических системах» (Ковров, 1998, 2000).
-
Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы технического управления в региональной энергетике» (Пенза, 1998).
-
XII и XIV Международных научно-технических конференциях «Вычислительная механика и современные прикладные программные системы» (Владимир, 1993; Алушта, 2005).
-
VIII и IX Международных семинарах «Устойчивость и колебания нелинейных систем» (Москва, 2004,2006).
-
Четвертом Международном конгрессе «Машиностроительные технологии 04» (Варна, Болгария, 2004).
-
Шестой и седьмой сессиях Международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы теории точности процессов, машин, приборов и систем» (Санкт-Петербург', 2003, 2005).
-
Международной научной конференции «Дифференциальные уравнения и динамические системы» (Суздаль, 2006).
18. Шестой Международной научно-технической конференции
«Трибологии и надежность» (Санкт-Петербург, 2006).
Публикации. По результатам исследований опубликовано более 50 научных работ, в том числе монография, учебное пособие с грифом У МО Минобразования и получено 12 патентов и авторских свидетельств на изобретения.
ОбъКм работы. Диссертация изложена на 310 с. машинописного текста, содержит введение, семь глав, заключение, список литературы из 203 именований, 4 приложения и иллюстрируется 92 рис.
Похожие диссертации на Исследование, моделирование и идентификация механических подсистем электроприводов: метод незатухающих колебаний
