Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор современного состояния метрологического обеспечения микромеханических инерциальных датчиков. Постановка задачи исследования .9
1.1 Анализ режимов работы микромеханических инерциальных датчиков 9
1.2 Обзор существующих методов и средств оценки динамических характеристик микромеханических инерциальных датчиков 16
1.3 Выбор схемы построения стенда 21
1.4 Выводы к главе 1 и постановка задачи исследования 30
Глава 2 Анализ механической и электромагнитной систем стенда 32
2.1 Постановка задачи исследования 32
2.2 Анализ механической системы стенда
2.2.1 Анализ влияния длины кулисы на АЧХ стенда 33
2.2.2 Анализ влияния способа расположения катушек управления на АЧХ стенда ...36
2.2.3 Анализ погрешностей механической системы стенда 39
2.3 Исследование электромагнитной системы стенда 45
2.3.1 Метод исследования 45
2.3.2 Анализ влияния диаметра сердечника на значение индукции
в воздушном зазоре 55
2.3.3 Анализ влияния ширины и длины зазора на АЧХ стенда 56
2.3.4 Анализ тяговой характеристики электромагнитного привода стенда 62
2.4 Выводы к главе 2 64
Глава 3 Анализ и синтез системы управления стенда 65
3.1 Постановка задачи исследования 65
3.2 Выбор схемы управления 66
3.3 Разработка структуры системы управления стенда 74
3.4 Аналитическое исследование электромеханической системы стенда 16
3.5 Моделирование работы электромеханической системы стенда в Simulink 80
3.6 Разработка модели системы автоматического управления стенда 92
3.7 Аналитическое исследование модели системы управления совместно
с моделью электромеханической системы стенда 97
3.8 Выводы к главе 3 102
Глава 4. Разработка конструкции и аттестация опытного образца стенда 103
4.1 Постановка задачи 103
4.2 Проектирование и расчет электромагнитного привода стенда 103
4.3 Анализ температурных режимов работы стенда 108
4.4 Программно-аппаратная реализация системы управления стенда 119
4.5 Расчет погрешности стенда 124
4.6 Аттестация стенда 125
4.7 Динамическая калибровка микромеханического гироскопа на стенде 135
4.8 Метод расчета стенда 139
4.9 Выводы к главе 4 141
Заключение 146
Список сокращений и условных обозначений 145
Список литературы
- Обзор существующих методов и средств оценки динамических характеристик микромеханических инерциальных датчиков
- Анализ влияния способа расположения катушек управления на АЧХ стенда
- Аналитическое исследование электромеханической системы стенда
- Программно-аппаратная реализация системы управления стенда
Введение к работе
Актуальность темы
В последнее десятилетие в различных областях науки и техники активно используются микроэлектромеханические датчики и устройства, характеризующиеся малыми массой, габаритами, а также низкой стоимостью. Среди таких устройств выделяется класс микромеханических инерциальных датчиков, включающий широко применяемые микромеханические гироскопы (ММГ) и акселерометры (ММА). Системами стабилизации изображения на ММА оснащаются системы управления движением автомобиля, фото- и видеокамеры, планшетные компьютеры, игрушки. Применение таких датчиков в военной технике позволило создавать системы управления беспилотными летательными аппаратами, стабилизировать движение наземных и морских роботов, управлять траекторией полета различных видов боеприпасов. Для управления вращающимся по крену высокодинамичным объектом необходимы ММГ и ММА, работающие в широком диапазоне частот. В России разрабатываются подобные микродатчики, для оценки частотных характеристик которых необходимо специализированное оборудование, с требуемой точностью воспроизводящее переменную угловую скорость в заданном диапазоне частот. Средства контроля частотных характеристик таких датчиков выпускаются в основном зарубежными производителями и их поставки в Россию ограничены.
На данный момент разработаны различные методы и средства оценки частотных характеристик акселерометров. Не решена задача создания стендов для оценки частотных характеристик микрогироскопов в полосе частот более 100 Гц, отчасти это объясняется тем, что подобная информация требуется только при создании малогабаритных систем на микромеханических датчиках, применяемых в высокодинамичных объектах.
В связи с отсутствием рабочих средств задания угловой скорости нарушается про- слеживаемость от эталона угловой скорости до выпускаемых промышленностью датчиков. Необходимость создания рабочих средств для обеспечения прослеживаемости в данной области подтверждает актуальность поставленной в диссертации задачи разработки испытательного оборудования для оценки частотных характеристик ММГ и создания метода расчета подобного оборудования.
Целью диссертационной работы является разработка метода расчета конструкции и погрешности стенда для оценки частотных характеристик микрогироскопов, воспроизводящего угловое колебательное движение поворотной платформы путем преобразования возвратно-поступательного движения силового преобразователя на основе электромагнитов, а также создание стенда на основе предложенного метода.
Задачи диссертационной работы:
анализ режимов работы микромеханических инерциальных датчиков и обзор существующих методов и средств оценки их динамических характеристик;
выбор кинематической схемы стенда, проектирование и исследование характеристик его механической и электромагнитной систем;
моделирование работы электромеханической системы стенда;
разработка алгоритмов и модели системы управления;
отработка системы управления на модели электромеханической системе стенда;
программно-аппаратная реализация системы управления стенда;
создание температурной модели стенда;
расчет погрешности стенда;
разработка метода расчета стенда;
проведение работ, связанных с аттестацией стенда и его опытной эксплуатацией.
Научная новизна работы заключается в создании метода расчета стенда для оценки частотных характеристик микрогироскопов, позволяющего спроектировать стенд с заранее заданными характеристиками. Оригинальными являются:
совокупность приемов расчета и выбора параметров механической, электромагнитной систем и системы управления стенда;
система автоматического управления стенда, созданная на основе синтеза ПИ-регулятора;
модель электромеханической системы испытательного стенда, уточненная путем введения экспериментальных характеристик стенда;
температурная модель стенда.
Теоретическая значимость работы заключается в разработке: метода расчета стенда, представляющего собой совокупность приемов расчета и выбора параметров его механической и электромагнитной систем, системы управления, а также расчета погрешности стенда; модели функционирования стенда, основанной на введении в расчетную модель экспериментальных характеристик стенда; температурной модели стенда, созданной на основе анализа его конструкции и конвекционных потоков.
Практическая значимость работы заключается в том, что теоретические исследования доведены до создания методик практических расчетов, позволяющих проектировать стенды с подобной кинематической схемой на основе заданных характеристик. Результаты работы нашли практическое применение при создании стенда, эксплуатируемого в ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»» и создаваемого по заказу ОАО «Авангард».
Методы исследований. В работе использовались основные положения математики, теоретической механики, теории расчета электромагнитных цепей, теории тепловых расчетов и теории автоматического управления. Математическое моделирование, расчеты и обработка результатов экспериментальных исследований выполнены с помощью ПЭВМ и программных продуктов MS Excel, Matlab Simulink, PRO/Engineer, Elcut и CFdesign на базе численных методов.
Основные положения, выносимые на защиту
модель электромеханической системы испытательного стенда;
алгоритмы системы управления испытательного стенда;
метод расчета испытательного стенда;
методика аттестации испытательного стенда.
Достоверность полученных результатов подтверждается использованием обоснованных методов исследований и сходимостью расчетных и экспериментальных характеристик опытного образца стенда.
Апробация полученных результатов. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на ХХ Международной научно-технической конференции «Экстремальная робототехника. Нано- микро- и макророботы» (2009), ХП конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (2010), 2-м Международном симпозиуме «Механические измерения и испытания» (2010), XIX Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (2010), 3-й Всероссийской научно-технической конференции «Измерения и испытания в судостроении и смежных отраслях» (2010), Международном научно-техническом семинаре «Робототехника. Взгляд в будущее»
-
-
, ХШ конференции молодых ученых «Навигация и управление движением»
-
, XIV конференции молодых ученых «Навигация и управление движением»
-
, 4-й Всероссийской научно-технической конференции «Измерения и испытания в судостроении и смежных отраслях» (2012).
По теме диссертации опубликовано 5 статей, 4 из которых в рецензируемых журналах.
На основании материалов работы спроектирован, изготовлен и аттестован опытный образец испытательного стенда для динамической калибровки микромеханических датчиков.
Обзор существующих методов и средств оценки динамических характеристик микромеханических инерциальных датчиков
Высокая точность подобных снарядов достигается за счет комплексирова-ния GPS и инерциальной систем управления, а также высокочастотной стабилизацией полета снаряда при помощи ММД [36]. Угловая скорость вращения снаряда достигает 500 об/с [32], а частота колебаний снаряда доходит до 120 Гц. В последнее время, появилась тенденция к созданию снарядов с развязанной от вращения головной частью (рисунок 8). В головной части устанавливается микромеханическая БИНС и генератор для питания системы управления.
На основе анализа применения ММД можно сделать вывод о том, что при управлении движением или стабилизации высокодинамичного объекта важными характеристиками ММД являются полоса рабочих частот и диапазон измерений. В таблице 3 приведены диапазоны амплитуд и частот угловых скоростей и линейных ускорений, воздействующих на вход ММД при различных применениях.
Очевидно, что для разработки, производства и сертификации ММД, предназначенных для использования в подобных системах необходимо оценивать их динамические характеристики. По признаку полноты описания свойств динамические характеристики разделяются на полные и частные. Под полной понимается динамическая характеристика, однозначно определяющая изменение выходного сигнала средства измерений при любом изменении во времени информативного параметра входного сигнала или влияющей величины. Под частной понимают динамическую характеристику, представляющую собой параметр или функционал полной динамической характеристики средства измерений.
К полным характеристикам относятся дифференциальное уравнение, импульсная характеристика, переходная характеристика, передаточная функция и совокупность амплитудно- и фазочастотной характеристик.
К частным характеристикам относятся отдельные параметры полных динамических характеристик и характеристики, не отражающие полностью динамические свойства средств измерений, но необходимые для выполнения измерений с требуемой точностью. Для нормирования динамических характеристик средств измерений используется одна из полных и необходимое количество частных.
Наиболее распространенными являются амлитудно-частотная и фазочастотная характеристики (ФЧХ). Их совокупность позволяет получить адекватную оценку быстродействия ММД с целью определения его пригодности для решения конкретной задачи. При определении полных динамических характеристик предпочтительными являются прямые методы. При этом на вход средства измерений подается испытательный сигнал, позволяющий непосредственно по выходному сигналу определить искомую характеристику.
Для возможности корректной оценки АЧХ, на вход ММГ и ММА необходимо воздействовать соответственно угловой скоростью и линейным ускорением фиксированной амплитуды в некотором диапазоне частот.
Таким образом, для оценки частотных характеристик ММД необходимо использовать специализированные испытательные стенды, воспроизводящие соответственно переменные угловые скорости и линейные ускорения в заданном диапазоне частот. Кроме того, в виду возможности функционирования ММД в условиях повышенной и пониженной температуры, испытательное оборудование должно обеспечивать возможность создания указанных условий при проведении оценки динамических характеристик ММД.
Для динамической калибровки ММА традиционно применяются вибростенды, воспроизводящие линейные высокочастотные перемещения относительно одной или нескольких взаимоперпендикулярных осей.
На рисунке 9 приведен общий вид линейки вибростендов малой мощности одного из ведущих производителей оборудования для виброиспытаний ТША (Германия) [58]. В основу функционирования линейных вибростендов положен электродинамический принцип взаимодействия подвижной катушки с током и постоянного магнитного поля, создаваемого магнитом из редкоземельных металлов. При испытании малогабаритных датчиков указанные стенды способны воспроизводить линейное ускорение до lOOg с частотой до 18 кГц относительно горизонтальной и вертикальной оси.
Лидирующую позицию на рынке испытательных стендов, воспроизводящих переменные угловые скорости, занимает зарубежная фирма Acutronic (Швейцария) [47].
Стенд Acutronic АСІ 120S. Общий вид Не смотря на то, что согласно спецификации на данный стенд полоса пропускания составляет 150 Гц, производитель не рекомендует использовать данное оборудование в режиме воспроизведения синусоидальных колебаний ввиду наличия неравномерного износа колец подшипников.
Для определения возможности применения стенда AC1120S для решения поставленных задач, были проведены исследования его предельных динамических характеристик. Испытания проводились при помощи доплеровского лазерного виброметра Ometron VQ-500-D-V, принцип работы которого основан на детектировании доплеровского сдвига частоты в излучении, рассеянном поверхностью объекта с последующей обработкой.
При оценке параметров угловых колебаний платформы стенда, измеренная виброметром линейная скорость пересчитывалась в угловую в соответствии с масштабным коэффициентом виброметра. К основным характеристикам виброметра относятся диапазон скоростей - до 500 мм/с, частотный диапазон от 0,2 до 25000 Гц, точность калибровки - 1%.
Анализ влияния способа расположения катушек управления на АЧХ стенда
Отметим, что моделирование проводится при условии, что силовые линии электромагнита распределены равномерно. Указанные условия правомерно принять в связи с тем, что исследуемый электромагнитный привод представляет собой тело вращения конечных размеров и имеет ось симметрии. По этой причине для исследования электромагнитного привода может быть использована программа двухмерного моделирования Elcut, а не одна из программ трехмерного моделирования. Время решения задачи в программе двухмерного моделирования на порядок меньше чем в программе трехмерного моделирования. Это имеет немаловажное значение при исследовании изменения величины на некотором интервале с большим количеством итераций расчета.
Суть метода конечных элементов состоит в том, что любую непрерывную величину (температура, давление, магнитное поле и т.п.) можно аппроксимировать дискретной моделью, которая строится на множестве кусочно-непрерывных функций, определенных на конечном числе подобластей. Кусочно-непрерывные функции определяются с помощью значений непрерывной величины в конечном числе точек рассматриваемой области.
В общем случае, непрерывная величина заранее неизвестна, а задача сводится к определению значения этой величины в некоторых внутренних точках области. Построение дискретной модели непрерывной функции производится следующим образом: — в рассматриваемой области фиксируется конечное число точек. Эти точки называются узловыми точками; - значение непрерывной величины в каждой узловой точке считается пере менной, которая должна быть определена; — область определения непрерывной величины разбивается на конечное число подобластей, называемых элементами. Эти элементы имеют общие узловые точки и в совокупности аппроксимируют форму области. Чаще всего рас сматриваются элементы в форме треугольника и четырехугольника; - непрерывная величина аппроксимируется на каждом элементе полиномом, который определяется с помощью узловых значений этой величины. На рисунке 26 приведена осесимметричная геометрическая модель исследуемого электромагнитного привода с сеткой конечных элементов, выполненная в программе Elcut.
В Elcut осесимметричные задачи решаются в цилиндрической системе координат zrQ. Цилиндрические координаты представляют собой совокупность полярных координат гЭ и оси z, совпадающей с осью симметрии электромагнитного привода. В связи с наличием осевой симметрии физические свойства и источники поля предполагаются не зависящими от угловой координаты G.
Геометрическая конфигурация задачи в Elcut определяется как набор подобластей, представляющих собой многоугольники произвольной формы — блоки. Каждой подобласти присваивается определенный набор физических свойств. Отметим, что метод конечных элементов позволяет рассчитывать модели с различными свойствами смежных блоков. В связи с этим, метод применим к телам, составленным из нескольких материалов. При моделировании электромагнитного привода это необходимо для задания свойств магнитопровода, проводников с током, воздуха, различных немагнитных сред и т.п.
Кроме того, при использовании МКЭ имеется возможность разбивки исследуемой области на элементы различных размеров. Это позволяет, в случае необходимости, укрупнить или измельчить сеть разбиения области на элементы. Качество разбиения на конечные элементы определяется опытом решения подобных задач и информацией о распределении окончательных значений исследуемой величины. Уменьшение размера элемента приводит к повышению достоверности результата, однако, вычислительная работа возрастает. С целью сокращения времени расчета и получения более адекватной картины поля, размер элемента целесообразно увеличить там, где результат практически постоянен и уменьшить в областях с большими градиентами, где ожидаемый результат может сильно изменяться. При решении задач вычисления индукции постоянного магнитного поля, шаг сетки целесообразно уменьшить в области выхода силовых линий с поверхности магнитопровода и увеличить непосредственно в магнитопроводе. Предполагается, что в случае выбора шага дискретизации на порядок меньше размеров исследуемой области, достоверность результатов будет достаточной для получения адекватной оценки взаимных зависимостей параметров электромагнитного привода. На рисунке 26 видно, что размер элемента существенно уменьшен в области воздушного зазора электромагнита и увеличен в остальной части геометрической модели электромагнитного привода.
Очевидно, что расчет значений индукции и построение картины поля производится в некоторой ограниченной области. Определение области расчета производится путем введения граничного условия. Так как магнитное поле является кусочно-ограниченной непрерывной функцией, целесообразно ввести нулевое граничное условие Дирихле. Таким образом, на границе области расчета задается нулевое значение нормальной составляющей индукции, что обуславливает полное затухание поля. Так как исследуемый электромагнит представляет собой замкнутую магнитную систему, область расчета принимается достаточной для оценки искривления поля вблизи воздушного зазора. Таким образом, исследования электромагнитного привода проводятся методом конечно-элементного анализа на геометрической модели, выполненной в программном комплексе Elcut (рисунок 26). При этом для каждого блока модели задаются начальные условия расчета. Так, для магнитопровода задается кривая намагничивания ферромагнитного материала, определяющая его магнитную проницаемость в зависимости от напряженности магнитного поля. Для материала магнитопровода задаются параметры сортовой электротехнической стали 21850 по ГОСТ 11036-75. Для КУ и КН задается относительная магнитная проницаемость проводника// и плотность тока j. При моделировании в качестве проводника КУ и КН принимается медный провод (ця=1). Плотность тока в КУу ку принимается 6 А/мм2, плотность тока в КН/кн принимается 4 А/мм2. Для немагнитных сред задается значение относительной магнитной проницаемости. Для воздуха — Мвозд І [4]. Указанные значения при исследованиях электромагнитного привода не изменяются.
Аналитическое исследование электромеханической системы стенда
Из приведенной зависимости следует, что разомкнутая электромеханическая система стенда представляет собой колебательное звено с частотой собственных колебаний 20 Гц и имеет спад частотной характеристики 20 дБ/дек.
Момент инерции реальных объектов сложной формы обычно определяется методом крутильных колебаний. Реализация данного метода для экспериментальной оценки момента инерции подвижной части стенда ввиду наличия конструктивных особенностей затруднительна. В связи с этим при моделировании электромеханической системы стенда принимается приведенный момент инерции привода J, определенный по трехмерной модели, выполненной в САПР PRO/Engineer 5.0 и приведенной в разделе 2.2.1:
Для определения коэффициента привода по моменту и по э. д. с. при подаче на катушки управления тока силой 1 А было измерено значение силы линейного привода и рассчитано значение момента на валу платформы стенда. Конструктивно коэффициенты привода по моменту и по э. д. с. численно равны и составляют 2,13 —:— Экспериментально определенный приведенный момент трения под с А вижной части составляет 0,00013 Н м. После проведенных исследований электромеханической системы стенда представляется возможным приступить к синтезу системы автоматического управления, обеспечивающей воспроизведение угловой скорости с допустимой погрешностью при условиях температурного дрейфа параметров электромагнитного привода, момента трения и наличия возмущающих воздействий.
Определение параметров структурных элементов системы управления стенда и ее предварительную настройку предлагается проводить на математической модели его электромеханической системы. Функционирование электромеханической системы стенда описывается следующим уравнением:
Следует отметить, что индуктивность катушек управления зависит от степени насыщения сердечника и находится в нелинейной зависимости от частоты воспроизводимых колебаний. Коэффициенты привода по моменту и э. д. с. могут быть оценены лишь приближенно вследствие наличия полей рассеяния. Момент сопротивления также является функцией нескольких переменных и зависит от нагрева деталей, типа смазки, особенностей подшипниковых узлов и воздушного демпфирования. Кроме того, анализ АЧХ электромеханической системы стенда показал наличие резонанса на частоте 20 Гц. Ввиду отсутствия в системе механической жесткости, частота собственных колебаний электромеханической системы обусловлена электромагнитной жесткостью привода стенда. В связи с этим, данная модель является приближенной и требует уточнения. Для решения данной задачи предлагается использовать подход, сущность которого заключается в дополнении теоретической модели данными, полученными из эксперимента. Очевидно, что значения параметров стенда, полученные опытным путем, позволят максимально приблизить характеристики математической модели к характеристикам стенда. К таким параметрам могут быть отнесены активное и реактивное сопротивление катушек управления, момент трения и инерционная масса подвижной части, коэффициенты привода по моменту и по э. д. с, частотная характеристика усилительного тракта и т.п. Параметры, полученные экспериментальным путем, целесообразно ввести в математическую модель. В случае отличия расчетной и экспериментальной характеристик электромеханической системы, модель дополняется корректирующей функцией. Таким образом, реакция модели объекта на задающее воздействие приводится в соответствие с реакцией реального объекта.
Подобный подход позволяет промоделировать работу системы управления на математической модели объекта управления, что позволит избежать выхода из строя узлов электромеханической системы стенда вследствие неверной настройки ее параметров. Так, в разрабатываемом стенде превышение допустимого значения силы тока в катушках управления приведет к их перегреву и выходу из строя. В виду конструктивных ограничений, несоответствие силы тока в катушках управления частоте воспроизводимых колебаний приведет к механическому контакту катушек управления с упорами стенда, что недопустимо.
Для математического описания реальная система разделяется на элементы, а также составляются уравнения, описывающие изменение их состояния во времени. На практике весьма широко используют представление элементов их передаточными функциями, что позволяет составлять математические модели в виде наглядных структурных схем. Далее рассмотрим последовательно элементы электромеханической системы стенда.
Катушка индуктивности без ферромагнитного сердечника относится к классу позиционных звеньев и представляет собой апериодическое звено первого по 83 рядка, имеющее спад 20 дБ/дек начиная с граничной частоты, обусловленной значением электромагнитной постоянной времени.
Однако, так как катушки управления электромагнитного привода стенда имеют ферромагнитный сердечник, их индуктивность определяется не только геометрическими параметрами, а зависит от проводимости пути замыкания создаваемого магнитного потока (рисунок 50).
Очевидно, что существенное различие расчетной и экспериментальной характеристик не позволяет использовать приведенную модель катушек управления в модели электромеханической системы стенда. Уточнение расчетной характеристики может быть произведено путем введения корректирующей функции.
На основании экспериментальной и расчетной характеристик стенда рассчитана корректирующая функция, график которой приведен на рисунке 52. Аппроксимация проведена в программном обеспечении MS Excel с применением функции добавления линии тренда полиномом третьего порядка, уравнение которого имеет вид:
Программно-аппаратная реализация системы управления стенда
При этом перенос теплоты осуществляется одновременным действием теплопроводности и конвекции. По природе возникновения различают естественную и вынужденную конвекцию. Естественная конвекция происходит вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц в гравитационном поле. Возникновение и интенсивность естественной конвекции определяется тепловыми условиями процесса и зависят от рода частиц, разности температур, напряженности гравитационного поля и объема пространства, в котором протекает процесс. Вынужденной называется конвекция, возникающая под действием посторонних возбудителей, например вентилятора и пр. Очевидно, что наряду с вынужденным движением одновременно может развиваться и свободное. Интенсивность конвективного теплообмена характеризуется коэффициентом теплоотдачи а. Коэффициент теплоотдачи можно определить как количество теплоты, отдаваемое в единицу времени единицей поверхности при разности температур между поверхностью и воздухом, равной одному градусу.
Тепловым излучением называется явление переноса теплоты в виде электромагнитных волн с двойным взаимным превращением — тепловой энергии в лучистую и обратно. Световые и инфракрасные лучи (длина волны Л от 0,5 до 800 мкм) называются тепловыми, а процесс их распространения тепловым излучением. При изучении явлений теплового излучения всегда правомерно проводить аналогию со световым излучением. Тепловое излучение присуще всем телам, и каждое из них излучает энергию в окружающее пространство. Очевидно, что каждое тело не только непрерывно излучает, но и поглощает лучистую энергию. Часть лучистой энергии, поглощенной телом превращается в тепловую. Энергия, отраженная и прошедшая сквозь тело поглощается другими телами и также превращается в тепловую. В результате этих явлений и осуществляется процесс лучистого теплообмена. Количество отдаваемой или воспринимаемой теплоты определяется разностью между количествами излучаемой и поглощаемой телом лучистой энергии. Такая разность отлична от нуля, в случае, если температура тел, участвующих во взаимном обмене лучистой энергией, различна. При одинаковой по температуре этих тел вся система находится в тепловом равновесии: все тела системы излучают и поглощают, но приход лучистой энергии равен ее расходу. Интенсивность теплового излучения характеризуется степенью черноты є.
В действительности элементарные виды теплообмена не обособлены и в чистом виде практически не встречаются. На отдельных этапах прохождения теплоты виды теплообмена могут находиться в самом различном сочетании.
Основными источниками нагрева в разрабатываемом испытательном стенде являются КУ и КН электромагнитного привода. Следует отметить, что для создания силы привода, достаточной для воспроизведения угловых скоростей в диапазоне частот до 120 Гц требуются КУ и КН большой мощности. Очевидно, что при увеличении мощности катушки, увеличивается мощность тепловыделения и температура ее нагрева. В связи с этим, необходимо проведение теплового расчета стенда с целью: - определения температуры нагрева катушек управления и катушек намагничивания для обеспечения допустимой температуры нагрева изоляции; - определения температуры нагрева магнитопроводов электромагнитного привода для исключения возможности заклинивания в зазоре подвижной КУ, изменения магнитных свойств материала вследствие температурного расширения и обеспечения безопасности при работе со стендом; - определения температуры нагрева корпуса стенда для обеспечения безопасности при работе со стендом. Проведение теплового расчета связано с решением следующих задач: - выбор и обоснование метода теплового расчета; - определение источников тепла и выделяемой ими мощности; - определение коэффициентов теплопроводности материалов деталей стенда; - определение коэффициентов конвекции наружных поверхностей; - определение степени черноты деталей стенда; - анализ движения тепловых потоков с целью создания эффективной системы вентиляции.
Для получения адекватной картины теплового поля стенда расчет температурных режимов целесообразно проводить в объемной постановке задачи, что может быть выполнено при помощи трехмерной САПР, основанной на методе конечно-элементного анализа. Предлагается использование программного продукта Cfdesign 10, как в полной мере соответствующего поставленной задаче и наиболее доступного для проведения тепловых расчетов в трехмерной постановке задачи.
С целью обоснования возможности применения программного продукта CFdesign для расчета температурных режимов стенда, сравним результаты расчета типовой задачи при помощи известных расчетных соотношений методом элементарных балансов и методом конечных элементов в CFdesign.
Похожие диссертации на Разработка и исследование стенда для динамической калибровки микромеханических инерциальных датчиков
-
