Введение к работе
Актуалъпость
Электромеханические элементы систем управлення (ЗСУ) находят широкое применение практически во всех отраслях техники и чаще всего используются в качестве исполнительных механизмов и датчиков параметров физических величин. Они отличаются простотой конструкции, высокой надежностью, малой энергией, затрачиваемой на управление. В системах управления ЭСУ используются для передачи крутящего момента, остановки и подтормаживания механизмов, создания крутильных колебаний и т.п. В амортизационных системах стыковочных механизмов космических аппаратов демпфирующие электромеханические элементы применяются для гашения кинетической энергии стыкующихся космических аппаратов.
Конструктивно электромеханические малоинерциошше элементы - тормоза, демпферы, муфты - представляют собой индукционные устройства, подвижные части которых выполняются в виде полого цилиндра, конуса, диска или ленты и являются вторичной системой с распределенными параметрами. При выборе конструктивного исполнения подвижной части учитываются предъявляемые к элементу требования со стороны системы управления, в том числе крутящий или демпфирующий момент. Значительный интерес представляют элементы, имеющие подвижные части сложной геометрии, состоящие из дисковой, цилиндрической и конической зон или пластин, а также выполненные в виде спиральной пружины. Такие элементы, наряду с другими достоинствами, присущими ЭСУ с подвижной частью простой геометрической формы, обладают хорошей встраиваемостью, улучшенными массогабарит-ными показателями и возможностью получения в одном элементе нескольких механических характеристик.
В то же время теория и практика элементов со сложной геометрией ротора являются общими по отношению к теории элементов дисково-
"I
го, цилиндрического и конического исполнения, т.е. теория последних является частным случаем общей теории ЭСУ.
Результаты исследования элекгромагнатных процессов в ЭСУ со сложной геометрией подвижной части представляют интерес и для анализа электромагнитных явлений в других физических объектах, имеющих сложную вторичную систему, например, в оболочках экранированных электрических машин, в тонких оболочках летательных аппаратов при их движении в магнитном поле и т.д.
В настоящее время в отечественной и зарубежной литературе имеется ряд работ, посвященных теоретическому и экспериментальному исследованию электромеханических элементов с распределенными параметрами подвижной части, имеющей форму полого цилиндра, диска, или конуса.
В то же время, научных публикаций, посвященных исследованию элементов со сложной геометрией подвижной части, включающей дисковую, цилиндрическую и коническую зоны, имеется небольшое количество. В них рассмотрены только отдельные вопросы расчета. Хотя электромагнитные процессы во многом аналогичны явлениям, происходящим в МГД-машинах, экранированных микродвигателях, исследованию которых посвящено большое количество публикаций, результаты их также не могут быть непосредственно использованы при исследовании, расчетах и проектировании ЭСУ. Это обусловлено наличием существенных конструктивных отличий, которые в свою очередь, влияют на краевые явления, на распределение токов и интенсивность электромагнитных процессов.
Совершенствование электромеханических демпферов, тормозов и муфт, а также создание новых высокоэффективных элементов с электромагнитным управлением невозможно без общей теории ЭСУ со сложной подвижной частью, определяющей закономерности электромагнитных процессов с учетом сложной геометрии и физических
свойств материала подвижной части, интенсивности электромагнитных процессов. Поэтому разработка общей теории высокоэффективных конструкций ЭСУ со сложной геометрией подвижной части является
актуальной научной проблемой.
Основания для выполнения работы
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с:
-
Постановлением Совета Министров СССР № 322 от 27.12.1978 г. и приказом MB и ССО РСФСР № 20 от 6.04.1979 г.;
-
научно-техническими программами АН РБ "Перспективные технологии машиностроения, приборостроения" и "Энергетика ресурсосбережения";
-
тематическим планом ЕЗН, финансируемого из средств Федерального бюджета Млнобразованием РФ.
Поддерживалась грантами АН РБ в 1994 и 1995 годах, комплексным планом НИОКР АК «Транснефть» Минтопэнерго РФ.
Цель и задачи работы - теоретическое обобщение, развитие теории и разработка научно обоснованных технических решений, совокупность которых позволила бы осуществить решение научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение - создание электромеханических элементов систем управления со сложной геометрией подвижной части.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие основные задачи.
В Разработка совокупности математических моделей, позволяющих проводить исследование и расчет стационарных и динамических режимов ЭСУ со сложной геометрией подвижной части, совершающей вращательное, возвратно-поступательное, или колебательное движение.
В Исследование особенностей стационарных и динамических электромагнитных процессов в ЭСУ со сложной геометрией ротора, параметры которого распределены в пространстве.
Оптимизация геометрических соотношений в роторах сложной геометрической формы и оценка влияния зон с различной геометрией на выходные характеристики.
И Создание теоретических основ для разработки ЭСУ нового подкласса, который характеризуется признаками: спиральная пружина с током н колебательное движение в однородном магнитном поле.
В Исследование электромагнитных процессов в ЭСУ с коротко-замкнутым контуром и подвижной частью, совершающей возвратно-поступательное движение, и развитие теории проектирования таких элементов.
В Разработка испытательных стендов, новых конструкции ЭСУ, выполнение экспериментальных исследований. Внедрение результатов теоретических и экспериментальных исследований и новых образцов ЭСУ в серийное производство и учебный процесс.
Методы исследований. Теоретические исследования проведены методом математического моделирования электромагнитных процессов с использованием уравнений математической физики для стационарных и динамических режимов ЭСУ, применен метод "двух реакций" и метод Релея-Ритца. При вычислении использованы пакеты прикладных программ "Matematica" и "Math-CAD".
Экспериментальные исследования ЭСУ проведены на специально разработанных стендах.
На защиту выносятся.
-
Совокупность математических моделей ЭСУ со сложной геометрией вращающейся подвижной части с распределенными параметрами, позволяющие исследование стационарных и динамических режимов.
-
Результаты теоретических исследований ЭСУ с помощью математических моделей, которые позволили установить закономерности влияния различных зон вращающейся части на выходные характеристики.
-
Математическая модель ЭСУ с возвратно-поступательным движе-
5 ниєм подвижной части и результаты исследования влияния короткоза-мыкающего контура на выходные характеристики.
-
Математическая модель и конструктивная схема нового подкласса ЭСУ, характерной особенностью которого является наличие подвижной части, выполненной в форме электропроводящей спиральной пружины, находящейся в магнитном поле при работе в качестве двигателя, управляемого электропривода и в режиме первичного преобразователя.
-
Разработанные и серийно внедренные в промышленность новые ЭСУ с улучшенными массогабаритными и динамическими показателями.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней развита теорій ЭСУ со сложной геометрией подвижной частя, параметры которой распределены в пространстве.
Установлены закономерности распределения напряженности вторичного магнитного поля, плотности вихревых токов, а также значения элекгромапгитных сил и моментов в зависимости от геометрии ротора, интенсивности электромагнитных процессов, которые позволяют проводить разработку ЭСУ с требуемыми выходными характеристиками.
Создан новый подкласс ЭСУ с подвижной частью в виде электропроводящей спиральной пружины и исследованы технические возможности типовых конструктивных решений.
Установлены зависимости, характеризующие взаимодействие переменного магнитного поля и спиральной пружиной с током, что дает возможность проводить разработки указанных ЭСУ, работающих как в режиме импульсного микродвигателя, так и в режиме первичного измерительного преобразователя.
Получены аналитические выражения для расчета выходных характеристик элементов с линейной подвижной частью, которые позволяют проводить разработку ЭСУ с повышенной чувствительностью.
Практическая ценность результатов работы состоит в том, что
установленные закономерности, выводы, рекомендации по проектированию позволяют выполнить проектирование ЭСУ с улучшенными, по сравнению с существующими, динамическими характеристиками и уменьшенными массогабаритными показателями.
Разработаны охранно- и конкурентно способные образцы высокоэффективных ЭСУ, защищенные авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ, которые внедрены в серийное производство.
Достоверность научных выводов подтверзкдена экспериментальными исследованиями, исследованием частных случаев разработанной обобщенной модели и сравнением с результатами работ других авторов, полученным для частных случаев.
Внедрение результатов работы. Научные положения диссертационной работы, а также результаты теоретических, экспериментальных исследований и практические разработки внедрены в следующих организациях:
-
Государственный ракетный центр "КБ им. Академика В.П. Макеева " - внедрены управляемые электромагнитные тормозные и демпфирующие устройства для специальных динамических испытаний систем изделия для создания изменяющихся во времени перегрузок, действующих на разделяющиеся элементы.
-
Уфимское агрегатное производственное объединение (УАПО). -внедрены в серийное производство индукционные элементы систем управления приводами.
-
Московский завод "Машиноагшарат" - результаты исследований использованы при разработке демпфирующих элементов для систем управления амортизаторами стыковочных устройств космических аппаратов.
-
Урало-Сибирские магистральные нефтепроводы им. Д.А. Черняева - внедрены взрывозащищенные двигатели для систем управления электромеханическими приводами запорной арматуры магистральных
7 нефтепроводов.
5. УГАТУ - элементы теории ЭСУ со сложной подвижной частью используются в учебном процессе.
Апробация работы Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 29 конференциях, семинарах, совещаниях:
"Теория информационных систем управления с распределенными параметрами" - Всесоюзный симпозиум, Уфа, 1976; "Электромагнитные методы контроля качества изделий" - Ш Всесоюзная конференция, Куйбышев, 1978; "Современные методы неразру-шаюшего контроля и их метрологическое обеспечение" - 5-ая научно-техническая конференция, Ижевск. 1984; "Автоматизация и механизация производственных процессов" - Республиканская научно-практическая конференция, Уфа, 1984; "Проблемы внедрения достижений научно-технического прогресса в области автоматизации производственных процессов" - Ресігубликанская научная конференция, Уфа, 1985; "Современные методы неразрушающего контроля и их метрологическое обеспечение" - 6-ая научно-техническая конференция, Свердловск, 1985; "Современные методы неразрушающего контроля и их метрологическое обеспечение" - 7-ая Уральская научно-техническая конференция, Устинов, 1986; "Совершенствование электрооборудования и средств автоматизации технологических процессов" - 1-ая, Дальневосточная научно-техническая конференция, Комсомольск-на-Амуре. 1986; "Проблемы внедрения достижений научно-технического прогресса в области автоматизации и механизации производственных процессов" - Республиканская научно-техническая конференция, Уфа, 1986; "Теория и практика разработки и внедрения средств автоматизации и роботизации технологических и производственных процессов" - IV Республиканская научно-техническая конференция, Уфа, 1987; "Теория и практика разработки средств автоматизации и роботизации технологических и производст-
8 венных процессов" - V Республиканская научно-техническая конференция, Уфа, 1989; "Перспективы использования энергии нетрадиционных источников" - Всесоюзное научно-техническое совещание, Дубки, 1990; "Датчики и средства первичной обработки информации" - Региональная научно-техническая конференция, Курган, 1990; "Проблемы повышения качества электроэнергии" - Региональная научно-техническая конференция, Астрахань, 1991; "Микроэлектроника в машиностроении" - Всесоюзная научная конференция, Ульяновск, 1992; "Научно-технические проблемы энергомашшостроения и пути их решения" - Республиканская научно-техническая конференция, С.-Петербург, 1992; 1-ая Международная конференция, по электромеханике и электротехнологии, МКЭЭ-94, Суздаль, 1994; "Датчики н преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" "Датчик-95" - VII Всероссийская научно-техническая конференция, Гурзуф. 1995г; 1-ая Международная конференция по автоматизированному электроприводу, "AED-95" С- Петербург, 1995г.: "Роль технической диагностики в обеспечении промышленной безопасности" - Республиканская научно-техническая конференция, Уфа, 1995; "Научно-технические проблемы космонавтики и ракетостроения" - Международная научно-техническая конференция, г. Калининград Московской обл., 1996; "Датчики и преобразователи информационных систем измерения, контроля и управления - VIII научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов, Гурзуф, 1996; II Международная конференция по электромеханике и электротехнологии, МКЭЭ-96, Крым, 1996; "Проблемы промышленных электромеханических систем и перспективы их развития" - научно-техническая конференция с международным участием, Ульяновск, 1996; "Техническая диагностика в промышленности", П Всероссийская научно-техническая конференция - Уфа, 1996; "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления", Датчик -97 - IX научно-техническая конференция с участием зарубежных спе-
9 циалистов, Гурзуф, 1997; "The Third International Conference on New Energy Systems and Conversions" - Kazan, 1997; "Электромеханические комплексы автономных объектов" - научно-техническая конференция ЭКАО-97, Москва, 1997; "Новые методы, технические средства и технологии получения измерительной информации" - Всероссийская научно-техническая конференция, Уфа, 1997.
Публикации по теме диссертации и личный вклад диссеута-ната.
По теме диссертации опубликовано 82 научных труда, в том числе - монография (8,6 печатных листов), учебное пособие (5 печатных листов), 23 статьи и 22 изобретения.
Структура диссертации. Диссертация состоит га введения, шести глаз, списка литературы из 282 наименований, заключения и 5 приложений, общим объемом 344 страницы. В работе содержатся 305 рисунков, б таблиц.
