Электромеханические вибрационные элементы систем управления (развитие теории, разработка и исследование) Саттаров, Роберт Радилович

Введение к работе

Актуальность. Практически во всех отраслях промышленности для существенного повышения интенсивности и эффективности технологических процессов, например, гранулирования, сушки, растворения и т.д., в настоящее время используется вибрация. Вместе с тем в ряде случаев вибрация приводит к вредным воздействиям, как на технологические процессы, так и на человека. Поэтому следует обеспечивать контроль и при необходимости снижение уровня вибрации. В системах управления (СУ) для возбуждения вибраций, их гашения или измерения могут быть использованы технические устройства с различным принципом действия, однако наиболее перспективно применение электромеханических элементов СУ, которые обладают простотой, высокой надежностью и универсальностью.

В СУ вибрационными и колебательными механизмами и устройствами широко используются электромеханические вращающиеся преобразователи совместно с механическими, обеспечивающими преобразование вращательного движение в возвратно-поступательное, и наоборот. Растет область применения электромеханических вибрационных элементов (ЭМВЭ) без промежуточных преобразований, что существенно повышает качество и эффективность технологических процессов, снижает энергопотребление и повышает экологичность производства.

В нашей стране и за рубежом интерес к разработке вибрационных электромеханических элементов продолжает расти. Среди ученых- исследователей этого направления можно назвать Москвитина А.И., Laithwaite E.R., Ряшенцева Н.П., Ходжаева К.Ш., Свечарника Д.В., Соколова М.М., Овчинникова И.Е., Веселовского О.Н., Лопухину Е.М., Коняева А.Ю., Сарапулова Ф.Н., Boldea I., Nasar S.A., Хитерера М.Я., Шымчака П. и др. Благодаря их усилиям создано большое количество разнообразных электромеханических преобразователей с колебательным движением, используемых в СУ вибрационными устройствами и процессами.

Рост области применения регулируемых вибрационных процессов и увеличение их интенсивности приводит к повышению требований к исполнительным элементам - демпфирующим элементам (ДЭ) и вибровозбудительным элементам (ВВЭ). Для удовлетворения повышенных требований к ЭМВЭ необходимо разрабатывать новые высокоэффективные элементы с улучшенными техническими характеристиками и уменьшенными массогабаритными показателями.

ЭМВЭ работают в установившихся периодических и динамических режимах, а их вторичная система имеет сложную структуру и геометрию, что приводит к ярко выраженным краевым эффектам. Поэтому при анализе и проектировании ЭМВЭ использование положений известной теории вращающихся и линейных электромеханических преобразователей не всегда обеспечивает требуемую точность.

Следовательно, развитие общей теории ЭМВЭ с целью разработки на её основе новых конструкций вибрационных элементов систем управления и совершенствование существующих является актуальной научно-технической проблемой.

Основание для выполнения работы. Диссертационная работа выполнена на кафедре «Электромеханика» Уфимского государственного авиационного технического университета в рамках:

тематического плана научно-исследовательских работ (2006-2008 гг.) по заданию Федерального агентства по образованию, по теме «Исследование электрофизических и электромеханических процессов в системах электрооборудования авиационно-космической техники»;

проекта «Исследование процессов энергопреобразования в электромеханических колебательных системах с распределенной вторичной средой» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» Министерства образования и науки РФ и Федерального агентства по образованию.

госбюджетных НИР:

математическое моделирование и исследование электромеханических систем и элементов для автономных объектов (2002 - 2005 г.);

исследование электрофизических процессов в перспективных элементах и системах электрооборудования авиационной космической технике (2003 - 2008 г.);

хоздоговорных НИР:

исследование и разработка перспективной системы зажигания с микропроцессорным управлением для снегоходов типа «Буран», «Тайга» (2003 г., тема АП-ЭМ-09-03-ХГ);

разработка конструкторской документации, изготовление опытного образца испытательного стенда для авиационных стартер-генераторов ГС-12, ГС-12ТО (2004 г., тема АП-ЭМ-02-04-ХГ);

исследование и разработка асинхронных двигателей АИМ-А56, 63, 71, 80, 100 с уменьшенными массогабаритными показателями (2004 г., тема АП-ЭМ- 10-04-ХГ);

разработка стенда для экспериментальных исследований и испытаний приводов электротранспорта (2005 г., тема АП-ЭМ-21-05-ХГ);

разработка программируемой микропроцессорной системы зажигания для снегохода «Рысь» взамен БСЗ-2, снегохода «Буран» и «Тайга» взамен БСЗ-4 (2006 г., тема АП-ЭМ-06-06-ХГ);

разработка двигателей с высотой оси вращения 71 и 80 мм для атомных электростанций (2006 г., тема АП-ЭМ-07-06-ХГ);

исследование, разработка и внедрение системы защиты ВЛ от гололедообразования (2006 г., тема АП-ЭМ-17-06-ХГ).

Цель работы - теоретическое обобщение, развитие теории и разработка новых научно обоснованных технических решений электромеханических элементов систем управления, используемых для возбуждения и гашения вибраций.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие основные задачи:

1. 1. Разработка совокупности математических моделей индукционных демпфирующих элементов (ИДЭ) с вторичной системой сложной структуры, учитывающих взаимосвязанные электромагнитные и механические процессы в установившихся периодических и динамических режимах.

   2. Разработка обобщенной математической модели, теоретическое и экспериментальное исследования ИДЭ с вторичной системой, содержащей произвольное количество активных и неактивных зон различной геометрии.

   3. Создание теоретических основ для разработки и использования электромагнитных вибровозбудительных элементов (ЭВВЭ) нового класса, отличительными признаками которых является возбуждение от прямолинейного проводника с током и колебательное движение в переменном магнитном поле.

   4. Разработка новых научно обоснованных конструктивных схем электромеханических демпфирующих и вибровозбудительных элементов.

   5. Внедрение результатов теоретических и экспериментальных исследований и новых образцов ЭМВЭ в промышленность и учебный процесс. Разработка методов расчета и проектирования ЭМВЭ для систем управления.

   Методы исследований. В качестве методологической базы работы использовались методы теории колебаний, методы теории электрических и магнитных цепей, теории систем автоматического управления, аналитические и численные методы математической физики, методы экспериментального исследования, методы имитационного моделирования на ЭВМ. В работе использовались теория электромеханического преобразования энергии и управления электротехническими системами, методы математического и физического моделирования. Анализ электромагнитных процессов и выходных характеристик элементов выполнен с помощью комбинированного подхода, сочетающего теорию поля и теорию цепей. При разработке программного обеспечения и моделирования на ЭВМ использованы языки высокого уровня (C+, VBA), пакеты прикладных программ Mathematica, MathCAD, ELCUT.

   На защиту выносятся:

   1. 5. 1. Совокупность математических моделей установившихся периодических и динамических режимов ЭМВЭ, отражающих взаимное влияние механической и электромагнитной подсистем ЭМВЭ.

         2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований ИДЭ, которые позволили установить закономерности влияния параметров и скорости движения вторичной системы на выходные характеристики.

         3. Обобщенная математическая модель ИДЭ с вторичной системой сложной геометрии с произвольным количеством активных и неактивных зон и результаты ее исследования.

         4. Математические модели и конструктивные схемы нового класса ЭВВЭ, отличительной особенностью которых является возбуждение от электромагнитного поля проводника с током и колебательное движение в переменном магнитном поле.

         5. Разработанные технические решения, реализованные и внедренные высокоэффективные ЭМВЭ и результаты исследований их характеристик.

         Научная новизна работы заключается в следующем:

         1. Разработана обобщенная математическая модель ИДЭ со вторичной системой сложной геометрии, отличающаяся тем, что в ней учитывается произвольное количество активных и неактивных зон различной геометрии, и позволяющая установить зависимости плотностей вихревых токов, электромагнитных сил и моментов от геометрических параметров и интенсивности электромагнитных процессов, а также разработать ИДЭ с требуемыми выходными характеристиками.

         2. Разработана оригинальная математическая модель ИДЭ с вторичной системой сложной структуры, позволяющая определить влияние геометрии и структуры вторичной системы на характеристики ДЭ.

         3. Развита теория периодических установившихся и динамических режимов ИДЭ, впервые определены закономерности изменения напряженности магнитного поля, плотности вихревых токов, электромагнитной силы и момента при периодическом изменении скорости движения вторичной системы.

         4. Создан новый класс ЭВВЭ с возбуждением от электромагнитного поля прямолинейного проводника с током и исследованы его технические возможности; установлены зависимости магнитных потоков, электромагнитных сил и параметров колебаний от геометрии магнитной системы, что дает возможность разработки ЭВВЭ для различных вибрационных устройств.

         5. Получены новые технические решения электромеханических вибрационных элементов для возбуждения и гашения механических колебаний (Патенты РФ №2247464, №2251196, №3309505, №2361352, 2363003, №2365022, №2409881, №2402142).

         Практическая ценность результатов работы состоит в следующем:

         6. Применение совокупности полученных в работе результатов позволяет разработать и создать ЭМВЭ, которые обеспечивают требуемое качество периодических режимов и имеют большую надежность и уменьшенные массогабаритные показатели.

         7. Разработанные методы и алгоритмы, реализованное программное обеспечение для расчета основных характеристик и параметров ЭМВЭ, а также разработанные инженерные методики их проектирования, позволяют повысить качество и скорость их проектирования.

         8. Разработанные конструкции ЭМВЭ с существенно улучшенными показателями, защищенные патентами РФ, позволяют расширить область применения и повысить эффективность СУ вибрационными процессами.

         Достоверность и обоснованность научных положений, результатов и выводов работы подтверждается корректностью поставленных задач; обоснованностью принятых допущений и адекватностью математических моделей и методов, используемых при исследовании; строгостью выполненных математических преобразований; точностью показаний поверенных измерительных приборов и результатами экспериментальных исследований электромеханических вибрационных элементов; соответствием результатов анализа ряда частных случаев по разработанным обобщенным моделям известным результатам работ других авторов.

         Внедрение результатов работ. Реализация результатов работы подтверждается их использованием в промышленности и образовании.

         8. 6. Результаты работы внедрены и используются на ОАО Уфимский Завод «Электроаппарат» при проектировании элементов систем управления вибрационными устройствами;

            7. Научные положения и результаты диссертационной работы внедрены и используются ФГУП «Уфимское агрегатное производственное объединение» при разработке специальных электромеханических преобразователей и технологий для авиационной промышленности.

            8. Полученные теоретические результаты, разработанные экспериментальные установки используются в учебном процессе при изучении ряда дисциплин, а также в курсовом и дипломном проектировании при подготовке специалистов по направлению 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии».

            Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались более чем на 25 конференциях и симпозиумах: научно- технической конференции «Электротехнические комплексы автономных объектов ЭКАО-97» (Москва, 1997); научно-технической конференции «Новые методы, технические средства и технологии получения измерительной информации» (Уфа, 1997); Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Информационные и кибернетические системы управления и их элементы» (Уфа, 1997); международной научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем управления, контроля и управления» (Гурзуф, 1998, 2000); международной конференции «Aircraft engineering prospects» (Берлин, 1998); международной конференции «Электромеханика и электротехнологии» (Клязьма, 1998); международной научно-технической конференции «Проблемы нефтегазового комплекса России» (Уфа, 1998); международной молодежной научно-технической конференции «Интеллектуальные системы управления и обработки информации» (Уфа, 1999); всероссийский электротехнический конгресс с международным участием «На рубеже веков: итоги и перспективы» (Москва, 1999); второй международной научно-технической конференции Регионального Уральского отделения АИН РФ (Екатеринбург, 2000); международной научно- технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (Х Бенардосовские чтения) (Иваново, 2001); Российского национального симпозиума по энергетике (Казань, 2001); научно-технической конференции «Пилотируемая космонавтика: Становление, проблемы, перспективы (к 40-летию полета Ю.А.Гагарина в космос)» (Уфа, 2001); научно- практической конференции «Энергоэффективная экономика. Проблемы, задачи, перспективы научно-технического развития. Опыт внедрения в РБ» (Уфа, 2004); XV Всероссийской научно-методической конференции «Актуальные проблемы качества образования и пути их решения в контексте европейских и мировых тенденций» (Уфа-Москва, 2005); Всероссийская научная конференция «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ - 2007» (Астрахань, 2007); XIII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2007); 10^th International Workshop on Computer Science and Information Technologies (CSIT-2008) (Antalya, Turkey, 2008); 15-я Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2009); II Всероссийская научно-техническая конференция «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий», (Уфа, 2009); IV всероссийская зимняя школа-семинар аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы в науке и технике (Уфа, 2009); XVI Симпозиум «Динамика виброударных (сильно нелинейных) систем «DYVIS-2009»» (Москва-Звенигород, 2009); 11^th International Workshop on Computer Science and Information Technologies (CSIT-2009) (Crete, Greece, 2009); Международная научная конференция «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСИНТЕХ-2010» (Астрахань, 2010); IV Международной научно-технической конференция «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы» (Екатеринбург, 2011); 12th International Workshop on Computer Science and Information Technologies (CSIT-2010).

            За проведенные работы автором получены молодежная государственная премия Республики Башкортостан в области науки и техники за 2008 г., а также премия «Новая генерация» МЭИ(ТУ) (2008 г.). Под руководством автора реализуются два проекта по программе У.М.Н.И.К.

            Работа обсуждена и получила одобрение на расширенном заседании кафедры электромеханики УГАТУ.

            Публикации по теме диссертации. Основные теоретические положения, выводы и результаты по теме диссертации опубликованы в 73 работах, в том числе: 19 статей, опубликованных в изданиях перечня ВАК, 11 патентов РФ на изобретения и полезные модели, три свидетельства на регистрацию программ, две монографии и одно учебное пособие.

            Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, списка литературы из 221 наименования, заключения и приложений, общим объемом 336 страниц. В работе содержится 106 рисунков, 2 таблицы.

            Похожие диссертации на Электромеханические вибрационные элементы систем управления (развитие теории, разработка и исследование)

            

            Элементы и устройства повышения устойчивости электроакустических систем (развитие теории, исследования и разработка)Шишкина Анна Федоровна

            

            Элементы и устройства стабилизации мощности измерительных генераторов с колебательным контуром : развитие теории, исследования и разработкаЮмагулов, Николай Иванович

            Преобразователи фазового сдвига : Принципы построения, развитие теории, исслед., разраб.Сапельников, Валерий Михайлович

            

            Измерительные генераторы малой заданной электрической мощности (Развитие теории, исследования и разработка) Демин Алексей Юрьевич

            

            Импульсные измерительные генераторы с автокоррекцией мощности : развитие теории, исследования и разработкаОрлов Алексей Вениаминович

            Разработка и исследование элементов систем управления на основе электронно-лучевой оптикиФатьянова, Наталья Георгиевна

            

            РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ, РЕАЛИЗУЮЩИХ АВТОНОМНЫЕ РЕЖИМЫ НАВИГАЦИИ ДЛЯ МАЛОГАБАРИТНЫХ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВБутов Павел Александрович

            

            Разработка и исследование электромеханических фазовых многоустойчивых элементов систем управления Мавлянов Шавкат Ахмаджанович

            Исследование и разработка элементов и устройств для систем фонемного декодирования речиПмаков, Виктор Рахимович

            

            Исследование, разработка и внедрение элементов и узлов систем автоматизации процесса измерения длины движущегося прокатаДзагания, Тамаз Багратович