Виброизолирующее устройство с нулевой жёсткостью транспортных средств

Колинченко Артём

Виброизолирующее устройство с нулевой жёсткостью транспортных средств

В данном дипломном проекте рассмотрено виброизолирующее устройство с нулевой жесткостью транспортных средств. Рассмотрены принципы действия различных видов корректоров жесткости и системы их перестройки. Рассмотрено использование электромагнитов постоянного и переменного тока в компенсаторах жесткости. Рассчитаны тяговые характеристики электромагнитов переменного и постоянного тока. Получена зависимость мощности электромагнитного корректора жесткости от межполюсного расстояния электромагнитов. Осуществлен расчет электромагнита постоянного тока.

Электротехника

Исследования

Вуз: Независимое исследование (нет вуза)

ID: 56e3b6d55f1be72897000082

UUID: b0241e00-d8bb-0133-a786-525400003e20

Язык: Русский

Опубликовано: почти 9 лет назад

Просмотры: 108

12.66

Колинченко Артём

Комментировать 1

Рецензировать 0

Скачать - 0 байт

Поделиться работой

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра «Электротехнических комплексов» (полное название кафедры) ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА БАКАЛАВРА Колинченко Артема Олеговича (фамилия, имя, отчество автора – студента-выпускника) Виброизолирующее устройство с нулевой жесткостью транспортных средств (тема работы) Направление подготовки 140600 – Электротехника, электромеханика и электротехнологии (код и наименование направления подготовки бакалавра) Автор Руководитель Колинченко А.О. Гурова Е.Г. (фамилия, И., О.) ФМА, ЭМ-95 (фамилия, И., О.) к.т.н., доцент кафедры ЭТК (факультет, группа) (уч. степень, уч. звание) (подпись, дата) (подпись, дата) Новосибирск, 2013 г. 1

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра «Электротехнических комплексов» (полное название кафедры) УТВЕРЖДАЮ Зав. кафедрой Щуров Н.И. (фамилия, И., О.) (подпись, дата) ЗАДАНИЕ НА ВЫПУСКНУЮ КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ БАКАЛАВРА студенту Колинченко Артему Олеговичу (фамилия, имя, отчество) Направление подготовки 140600–Электротехника,электромеханика и электротехнологии (код и наименование направления подготовки бакалавра) Мехатроники и автоматизации (факультет) Тема: Виброизолирующее устройство с нулевой жесткостью транспортных средств (полное название темы выпускной квалификационной работы бакалавра) Исходные данные (или цель работы) 1. Основы теории виброизоляции 2. Виды корректоров жесткости 3. Использование электромагнитов постоянного и переменного тока в компенсаторахжесткости Структурные части работы 1. Расчет тяговых характеристик электромагнитов постоянного и переменного тока 2. Расчет мощности компенсатора жесткости от межполюсного расстояния 2

3. Моделирование виброзащитного устройства 4. Приложение 1 – Расчет электромагнита постоянного тока План-график выполнения работы № п/п 1 2 3 4 5 Планируемые сроки выполнения Наименование этапа 1 Выбор темы, определение цели и задач работы 25.04.12 – 30.04.12 wОбзор и анализ существующих видов корректоров жесткости Расчет тяговых характеристик электромагнитов постоянного и переменного тока, расчет мощности 3 компенсатора жесткости от межполюсного расстояния и расчет электромагнита постоянного тока 4 Моделирование виброзащитного устройства 01.05.12 – 13.05.12 14.05.12 – 30.05.12 31.05.12 – 03.06.12 5 Оформление ВКРБ и представление к защите 04.06.12 – 11.06.12 Задание согласовано и принято к исполнению. Студент Руководитель Колинченко А.О. Гурова Е.Г. (фамилия, И., О.) (фамилия, И., О.) ФМА, ЭМ-95 к.т.н., доцент кафедры ЭТК (факультет, группа) (уч. степень, уч. звание) (подпись, дата) (подпись, дата) Тема утверждена приказом по НГТУ № __ от «__» __ ___ 2013 г. (подпись секретаря экзаменационной комиссии по защите ВКР, дата) Петрова А.А (фамилия, имя, отчество секретаря экзаменационной комиссии по защите ВКР) 3

УДК: [] Аннотация В данном дипломном проекте рассмотрено виброизолирующее устройство с нулевой жесткостью транспортных средств. Рассмотрены принципы действия различных видов корректоров жесткости и системы их перестройки. Рассмотрено использование электромагнитов постоянного и переменного тока в компенсаторах жесткости. Рассчитаны тяговые характеристики электромагнитов переменного и постоянного тока. Получена зависимость мощности межполюсного электромагнитного расстояния корректора электромагнитов. Осуществлен электромагнита постоянного тока. Стр. , рис. , табл. , библ. , наименование 4 жесткости от расчет

Содержание: Введение......................................................................................................... 6 Основы теории виброизоляции .................................................................. 8 Виды корректоров жесткости .................................................................... 12 Использование электромагнитов постоянного и переменного тока в компенсаторах жесткости..................................................................................... 19 Расчет тяговых характеристик электромагнитов постоянного и переменного тока................................................................................................... 29 Расчет зависимости мощности электромагнитного компенсатора жесткости от межполюсного расстояния ........................................................... 36 Моделирование виброзащитного устройства .......................................... 40 Заключение .................................................................................................. 50 Список использованных источников ........................................................ 51 Приложение 1 – Расчет электромагнита постоянного тока.................... 53 5

Введение Наблюдаемая в последние десятилетия тенденция уменьшения веса конструкций увеличении различных мощности транспортных их средств, энергетических при одновременном установок, приводит к значительному росту уровней вибрации на этих транспортных средств. Вредное воздействие производственных вибраций заключается в том, что они, распространяясь, разрушают машины, сооружения и конструкции, нарушают технологический процесс и искажают показания контрольноизмерительной аппаратуры. Особенно вредно вибрация влияет на организм человека. Наиболее сильное влияние вибрации ощутимо на судне, где основными источниками вибрации являются судовые энергетические установки (главный двигатель и дизель-генераторы), гребной винт, валопровод и некоторые производственные механизмы. В настоящее время существует множество способов уменьшение вибрации – это динамическое уравновешивание двигателей, применение динамических гасителей колебаний, активные виброзащитные системы с дополнительным распространенным источником вибрации способом уменьшения и так далее. передаваемой от Наиболее судовых двигателей вибрации является установка этих двигателей на виброизоляторы. Виброизоляторы (как правило, резинометаллические) имеют простую конструкцию, достаточно надежны и практически не требуют обслуживания. Однако существующие современным требованиям пассивные виброизоляторы виброизоляции. не отвечают Наиболее перспективными методом снижения уровней вибраций на судах является применение виброизолирующих устройств с плавающим участком нулевой жесткости. Этот тип устройств наиболее полно отвечает требованиям идеальной виброизоляции. Целью данной работы является разработка виброизолирующего устройства с нулевой жесткостью транспортных средств, способных 6

обеспечить эффективную виброизоляцию не только на низких, но и на средних частотах, а также непосредственно виброзащитного устройства. 7 само моделирование

1 Основы теории виброизоляции Под воздействием вибрации в организме человека наблюдается изменение сердечной деятельности, нервной системы, спазм сосудов, изменения в суставах, приводящие к ограничению их подвижности. Долгое воздействие вибраций приводит профессиональному заболеванию - вибрационной болезни. Как известно, существует устойчивая связь между размерами корпуса судна и размерами двигателя и устранение собственных частот корпуса от вынуждающих частот двигателя очень сложно. Сегодня решение проблемы вибрации одна из основных задач в науке и практике транспорта. Все строящиеся и многие модернизируемые транспортные средства проходят проверку вибрационной и шумовой активности. Немалую долю внимания уделяется системам снижения вибрации и шума. Кроме того, методы проектирования предусматривают существенное снижение вибрации уже на стадии технического задания. За счѐт специального расположения помещений, рационального выбора конструкции корпуса и толщины листов обшивки удаѐтся существенно снизить шум и вибрацию. Особое место в решении проблемы вибрации занимает применение виброизолирующих устройств. Эти мероприятия гарантируют устойчивое снижение шума и вибрации до уровня близкого к санитарным нормам. Из всех существующих на сегодняшний день методов снижения уровней вибраций наиболее перспективным является применение виброизолирующих устройств с плавающим участком нулевой жѐсткости. При ограниченных значениях виброизолирующего хода подвески Н и при заданном диапазоне изменения усилий от Pmax до Pmin, передаваемых от защищаемого объекта вибрирующему, силовые характеристики виброизолирующих устройств, обеспечивающих идеальную виброизоляцию, представляют собой бесконечное множество отрезков прямых, равных по 8

длине размаху колебаний, параллельных оси абсцисс и расположенных своими серединами на отрезке АВ прямой, наклоненной к оси абсцисс под углом. В итоге, получается, что тангенс этого угла равен жесткости подвески, как показано на рисунке 1. Рисунок 1 – Силовая характеристика перестраивающего виброизолирующего механизма Условия идеальной виброизоляции имеют вид: Fx + Fnx + Fтx + Fux = 0; Fy + Fny + Fтy + Fuy = 0; Fz + Fnz + Ftz + Fuz = 0; (1.1) Mx(F) + Mx(Fn) + Mx(Fт) + Mx(Fu) = 0; My(F) + My(Fn) + My(Fт) + My(Fu) = 0; Mz(F) + Mz(Fn) + Mz(Fт) + Mz(Fu) = 0. гдеF – возмущающие силы (силы, передаваемые через защищаемый объект вибрирующему). К ним относятся силы инерции, действующие на двигатель 9

внутреннего сгорания при изменении направления движения транспортного средства. Скорость изменения таких сил много меньше скорости возмущающих сил, вызывающих колебания вибрирующего объекта; Fn - силы упруго взаимодействия вибрирующего и защищаемого объектов. Эти силы передаются через подвеску и зависят от еѐ свойств; FT - силы трения элементов подвески; Fи силы - инерции промежуточных звеньев, соединяющих вибрирующий и защищаемый объекты; FX, FY, FZ - сумма проекций на ось 0x, 0y и 0z сил, действующих на защищаемый объект; MX(F), MY(F), MZ(F) - сумма моментов сил, действующих на защищаемый объект, относительно осей 0x, 0y и 0z. Система уравнений – общая, а любое из слагаемых этой системы может отсутствовать, за исключением членов, содержащих F. Объясняется это тем, что при F = 0 отпадает надобность в виброизоляции защищаемого объекта, т.к. нет необходимости контакта с источником вибрации. Для идеальной виброизоляции защищаемого объекта желательно, чтобы силы инерции промежуточных звеньев, и диссипативные силы FT отсутствовали, а силы упругого взаимодействия вибрирующего и защищаемого объектов и моменты этих сил относительно всех осей координат уравновешивали в любой момент времени моменты и силы, передаваемый через защищаемый объект вибрирующему. При ограниченных значениях виброизолирующего хода подвески, а также при заданном Fmin(максимальные передаваемых характеристики от и диапазоне изменения минимальные защищаемого значения объекта виброизолирующих усилий к от возмущающих вибрирующему, механизмов, до Fmax сил), силовые обеспечивающих идеальную виброизоляцию , представляют собой бесконечное число отрезков прямых , равных по длине 2А ( размах колебаний, где А– амплитуда колебаний вибрирующего объекта), 10 параллельных оси абсцисс и

расположенных своими серединами на отрезке АВ прямой, которая наклонена к оси абсцисс под углом. Тангенс такого угла равен жесткости подвески. По сути, перемещение вибрирующего объекта, которое является допустимым, относительно защищаемого, нельзя принимать близким к 2А, иначе в этом случае жесткость будет стремиться к бесконечности. Также и в ином варианте, нельзя брать Н (виброизолирующий ход подвески), который будет значительно превышать 2А, иначе при этом резко растут габариты упругих элементов и вследствиебольшинство машин с такими подвесками становятся непригодными к эксплуатации. Для того, чтобы получить участок силовой характеристики с нулевой жѐсткостью, необходимо включить параллельно к упругому элементу корректор жѐсткости с падающей силовой характеристикой. На рисунке 1.2 изображена суммарная характеристика виброизолятора с компенсатором жѐсткости: 1- упругого элемента; 2компенсатора жѐсткости; 3- виброизолятора. Из этого рисунка видно, что изменяя жесткость компенсатора, мы можем получить любую желаемую жѐсткость виброизолятора. Рисунок 1.2 - Суммарная характеристика виброизолятора с компенсатором жѐсткости: 1 - упругий элемент; 2- компенсатор жѐсткости; 3- виброизолятор. 11

Для обеспечения так называемого «плавания» участка нулевой жесткости при изменении статической составляющей внешней нагрузки компенсатор снабжается специальной системой перестройки, отслеживающей относительное положение вибрирующего и защищаемого объектов и удерживающей рабочие элементы компенсатора в зоне их рабочих перемещений. Строго говоря, под корректором жесткости понимают собственно компенсатор, обеспечивающий падающую силовую характеристику и систему перестройки. Из-за того, что система перестройки зачастую может быть различной сложности, то виброизолятор с данным корректором жесткости представляет собой не что иное, как так называемый виброизолирующий механизм. В данных виброизоляторах параллельно упругим элементам включают так называемые компенсаторы, имеющие падающие силовые характеристики (то есть отрицательный коэффициент жесткости) и позволяющие снизить суммарную жесткость подвески вплоть до нуля. Вывод: В связи с вышесказанным на сегодняшний день следует считать наиболее перспективным методом снижения вибрации – применение виброизолирующих механизмов с плавающим участком нулевой жесткости. 2 Виды корректоров жесткости В предыдущем разделе сделан вывод о том, что самым эффективным методом является применение виброизолирующих механизмов, которые состоят из упругих элементов и компенсаторов или корректоров жѐсткости. По сути, примером корректора жѐсткости является поджатая с двух торцов балка, которая обеспечивает «перещѐлкивание» 12 при прохождении

нейтрального положения. Но нелинейность силовой характеристики такого компенсатора и сложность регулирования еѐ наклона ограничивают его использование. Получение заданного вида силовой характеристики позволяет компенсатор жѐсткости в виде нелинейного профиля и упругих элементов, между которыми установлены тела качения, его кинематическая схема показана на рисунке 2.1. Компенсаторвключается между вибрирующим и защищаемым объектом параллельно упругому элементу. Непосредственно сам упругий элемент на схеме не показан. В этом случае тела качения поджаты к нелинейному профилю упругими элементами, к примеру, рессорами и при колебаниях вибрирующего объекта тела качения перекатываются по профилю. В этом случае продольная составляющая усилия, передаваемая рессорами через шарики на защищаемый объект, меняет свою величину при изменении относительного положения вибрирующего и защищаемого объектов и при прохождении телами качения положения неустойчивого равновесия это усилие меняет свой знак. В дальнейшем за счѐт этого, обеспечивается падающая силовая характеристика компенсатора, которая оказывает корректирующее воздействие на вид силовой характеристики виброизолятора в целом. Получение любого вида силовой характеристики компенсатора жѐсткости можно изменением формы нелинейного профиля и сил упругости рессора. Наиболее известна конструкция компенсатора жѐсткости, в котором усилие с рессор компенсатора передаѐтся на защищаемый (или вибрирующий) объект не через тела качения и нелинейный профиль, а через призматический нож. Схема такого виброизолятора с компенсатором жѐсткости показана на рисунке 2.1. 13

Рисунок 2.1 - Компенсатор жесткости с призматическими ножами Между вибрирующим 1 и защищаемым 2 объектамивключается виброизолирующий механизм. Этот механизм содержит пружину 3, которая является основным упругим элементов и параллельный ей компенсатор жесткости. Компенсатор содержит закреплѐнные на защищаемом объекте 2 рессоры 4, усилия которых через призматические ножи 5 передаются на ползунки 6, зафиксированные силами трения на штоке 7 вибрирующего объекта 1. Ход ползунков 6, ограниченный упорами, которые установлены на защищаемомобъекте 2, равен размаху колебаний 2А вибрирующего объекта. Проще говоря, рассматриваемый компенсатор представляет собой призматические ножи и рессоры. Упоры и ползунки представляют собой систему перестройки компенсатора на изменяющуюся внешнюю нагрузку. Жѐсткость его рессор определяет угол наклона силовой характеристики компенсатора, а вид характеристики – положением точек защемления рессор на вибрирующем объекте. Рассматриваемый виброизолятор, кроме простоты конструкции обладает ещѐ одним весомым достоинством – возможность значительно увеличить его жѐсткость при незначительном повышении 14

энергоѐмкости его упругих элементов. То есть это достигается мультипликацией его усилий за счѐт рычажных или гидравлических мультипликаторов. Компенсатор жесткости, содержащий призматические ножи, ползунки и амортизационные элементы, кинематически связанные между собой, отличающийся тем, что, с целью увеличения виброизоляции между объектами при одновременном уменьшении нагрузок на лезвиях призматических ножей, он снабжен установленным между объектами гидроамортизатором, в котором установлен дополнительный поршень, связанный с призматическими ножами.Изобретение относится к судостроению, в частности к компенсаторам жесткости для установки судовых энергетических установок. Что касается непосредственно самой цели– это обеспечение возможности компенсации жесткости нелинейного упругого элемента при различных нагрузках, действующих между защищаемым и вибрирующим элементами. Компенсатор жесткости включается между вибрирующим и защищаемым объектами, параллельно упругому элементу, и содержит рессоры, закрепленные на объекте, и механизм перестройки, выполненный в виде ползунков, установленных на рессорах, и возможностью проскальзывания и связанных через призматические ножи со штоком объекта, и ограничителей хода и, закрепленных на объекте. Рессоры являются непосредственно направляющими для ползунков. При постоянном значении нагрузки, и с размахом призматические ножи совершают качательные движения вокруг точек контакта их со штоком. При этом ползунки не достигают до ограничителей хода. При увеличении нагрузки упругий элемент начинает сжиматься и объект со штоком и ограничителями, перемещается вниз. При первом же движении в цикле колебаний объекта вверх ползунки входят в соприкосновение с ограничителями хода и вынуждены проскользнуть по рессорам. При движении в этом же цикле колебаний объекта вниз ползунки опять сцепляются силами трения с 15

рессорами, и устройство продолжает оказывать компенсирующее воздействие на жесткость подвески. В [1] указано, что наиболее эффективным и полно отвечающим требованиям идеальной виброизоляции следует считать электромагнитный компенсатор жесткости. Рисунок 2.2 - Виброизолирующая подвеска с электромагнитным компенсатором жесткости Электромагнитный компенсатор жесткости выполнен в виде двух встречно включенных электромагнитов и обладает рядом преимуществ над механическими корректорами жесткости. Электромагнитный компенсатор жесткости [1], схема которого приведена на рисунке 2.2, обеспечивает падающую силовую характеристику за счет двух встречно включенных электромагнитов. Компенсатор включается параллельно упругому элементу 3 и представляет собой два встречно включенных электромагнита, жестко 16

закрепленных на защищаемом объекте 2, общий якорь 10 которых жестко связан с вибрирующим объектом 1. Сила тяги каждого электромагнита направлена на уменьшение воздушного зазора между ярмом 5 (4)электромагнита и его якорем 10. Поэтому два встречно включенных электромагнита являются неустойчивым элементом, имеющим падающую силовую характеристику. Наклон этой характеристики, то есть, жесткость компенсатора, зависит от величины напряжения, приложенного к катушкам 6, 7 электромагнитов. Регулятор напряжения 9 и датчик положения 12 обеспечивают перестройку компенсатора на изменяющуюся внешнюю нагрузку. При постоянной нагрузке на вибрирующем объекте 1 (рисунок 2.2), движок 13 задающего органа 12 занимает вполне определенное положение. Такой0компенсатор0жѐсткости0не0содержит0взаимодействующие0части, следовательно, у него отсутствуют силы трения и износ деталей. У корректора исключены силы инерции, потому что отсутствуют промежуточные подвижные массы. У такого компенсатора есть одна из самых важных особенностей и состоит она в том, что он обладает быстродействующей системой перестройки перераспределяющей напряжение на электромагнитах при изменении нагрузки. Описанная выше особенность, позволяет сформировать рабочие характеристики компенсатора жѐсткости и в целом всей виброзащитной системы, что в дальнейшем исключает резонансные режимы при переходных процессах, обусловленных изменением нагрузки, обеспечивает нулевую жѐсткость и расширяет диапазон рабочих частот вибросистемы. Для того чтобы в дальнейшем говорить об эффективности электромагнитного компенсатора жѐсткости необходимо построить его силовую характеристику (рисунок 2.3). 17

Рисунок 2.3 – Силовая характеристика электромагнитного компенсатора жѐсткости:1 – тяговая характеристика первого электромагнита; 2 – тяговая характеристика второго электромагнита; 3 – суммарная тяговая характеристика; Силовая характеристика одного электромагнита имеет вид F = k/(δкр–b/2). (2.1) Из рисунка 2.3 видно, что для суммарной характеристики зависимость критической силы от критического зазора имеет вид Fкр(δкр) = k / (δкр– b/2) 2+ (δкр– b/2)tgα,(2.2) где k0-0коэффициент, зависящий от электромагнита; δкр-0критический0зазор; 18 конструктивных особенностей

b0–0расстояние0между0полюсами0электромагнитов; tgα - жесткость компенсатора. Выводы:из всего вышесказанного наиболее перспективным методом снижения уровней вибрации на транспортных средствах явялется применение виброизолирующих механизмов с плавающим участком нулевой жесткости. В таких механизмах параллельно упругим элементам включают компенсаторы, которые имеют падающие силовые характеристики и позволяют снизить суммарную жесткость подвески вплоть нуля. 3 Использование электромагнитов постоянного и переменного тока в компенсаторах жесткости Для исследования рассмотрим два вариантаэлектромагнитов к применению в компенсаторе жесткости. В электромагнитах переменного тока питание обмотки осуществляется от источника переменного тока, магнитный поток периодически изменяется по величине и направлению, а однонаправленная сила притяжения меняется только по величине, в результате чего сила притяжения пульсирует от нуля до максимального значения с удвоенной частотой по отношению к частоте питающего тока. В нейтральных электромагнитах постоянного тока постоянный магнитный поток создается постоянным током в обмотке таким образом, что сила притяжения зависит только от величины и не зависит от направления тока в обмотке. В поляризованных электромагнитах постоянного тока присутствуют два независимых магнитных потока — поляризующий и рабочий. Первый создается рабочей (или управляющей) обмоткой. Поляризующий поток чаще всего создается постоянными магнитами, иногда дополнительными электромагнитами, и используется для обеспечения 19

наличия притягивающей силы при выключенной рабочей обмотке. В целом действие такого магнита зависит как от величины магнитного потока, так и от направления электрического тока в рабочей обмотке. Проведем сопоставление электромагнитов переменного тока с электромагнитами неизменного тока. Всем известно о том, что данное сопоставление даст нам возможность найти целесообразные области внедрения каждой из этих разновидностей электромагнитов. Сила тяги электромагнитов при данной площади сечения полюсов, образующих рабочий воздушный зазор, средняя величина силы в электромагните переменного тока будет в два раза меньше силы в электромагните неизменного тока, разумеется, это относится к многофазным и к однофазным системам. Внедрение стали0в0электромагните неизменного тока по последней мере в 2 раза лучше, чем в электромагните переменного тока. Масса электромагнитов при данной силе тяги и ходе якоря электромагнит переменного тока выходит существенно большей массы, чем электромагнит, как всем известно, неизменного тока. Необходимо взять в два раза больше стали и значительно прирастить размер меди из-за, того, что требуется, иметь определенную величину мощности. Потребляемая электромагнитом переменного тока в момент его включения реактивная мощность однозначно связана с величиной механической работы, которую требуется как раз получить от этого электромагнита, не может быть снижена методом роста его размеров. Также хочется подчеркнуть то, что в электромагнитах неизменного тока таковой связи нет, и наконец, трогать вопрос скорости деяния, то, как многие думают, потребляемая мощность может быть уменьшена подходящим повышением размеров. Быстродействие электромагнитов Электромагниты переменного тока наиболее быстродействующие, чем электромагниты неизменного тока обыкновенной конструкции. Разъясняется это тем, что электромагнитная неизменная времени у их традиционно соизмерима с величиной 1-го периода переменного тока, а э. д. с. 20

самоиндукции, возникающая при движении якоря, существенно ниже приложенного напряжения. Время срабатывания в электромагнитах может быть уменьшено методом особых мер, сводящихся к понижению дела напряжения самоиндукции к приложенному напряжению, уменьшению вихревых токов. Все это в итоге как раз приводит к повышению употребления электроэнергии, но, обычно, при схожейпроизводимой работе и равных временах традиционно срабатывания имеет электромагнит наименьшее электромагнитпеременного тока. неизменного потребление Из-за энергии, необходимости, тока чем наконец, предотвратить появление, так называемых, лишних утрат от вихревых токов магнитопроводы электромагнитов переменного тока приходитсяделать шихтованными либо разрезными, в то время как на неизменном токе это требуется лишь для быстродействующих электромагнитов. Утраты на вихревые токи, также на перемагничивание приводит к повышению нагрева электромагнита. В электромагнитах неизменного тока все вышеперечисленные ограничения отпадают. Электромагниты с втягивающимся якорем. В условиях современного уровня развития автоматизации производственных0процессов0и транспорта0применениеэлектромагнитных устройств обеспечивает решение широкого круга технических0задач0в: фиксирующих, приводных,0переключающих,0программных,0тормозных,0бл окировочных0и0других0устройствах.0В0составе0различных0электромагнит ных устройств в качестве привода используют электромагниты, преобразующие электрическую энергию в механическую. В зависимости от расположения подвижного сердечника относительно составных частей электромагнита и характера воздействия на подвижный сердечник (якорь) со стороны магнитного потока электромагниты постоянного тока разделяют на три основные типы: электромагниты с внешним притягивающимся якорем, внешним электромагниты с втягивающимся поперечно движущимся 21 якорем якорем. и электромагниты У с электромагнитов

с втягивающимся якорем характерной особенностью является втягивание якоря за счет основного магнитного потока, проходящего через торцевую часть якоря, и действия магнитного потока рассеяния, проходящего через его боковую поверхность, при подаче напряжения на обмотку электромагнита. Наибольшее распространение электромагниты с втягивающимся якорем получили в качестве силовых электромагнитов, основным назначением которых является совершение определенной работы на протяжении известного пути, приводя при этом в движение те или иные рабочие органы различных механизмов. Размеры электромагнитов постоянного тока с втягивающимся якорем, в большинстве случаев имеющих цилиндрическую форму, тесно связаны с производимой работой и зависят как от требующейся продолжительности включенного состояния обмотки, так и от рационального выбора конструкции. Производимая работа электромагнитов постоянного тока с втягивающимся якорем обусловлено в первую очередь формой кривой тяговой характеристики, при которой необходимое значение полезной работы электромагнита осуществляется при максимальной магнитной и необходимой начальное механической положение эффективности якоря таким электромагнита образом, чтобы соответствовало точке максимума условной полезной работы. При фиксируемом ходе якоря смещение рабочей точки в область максимума условной полезной работы в электромагнитах с втягивающимся якорем может быть достигнуто соответствующим выбором величины сечения якоря и соотношения длины якоря к длине всего электромагнита, а также изменением формы рабочего воздушного промежутка. Форма рабочего воздушного промежутка зависит от конфигурации конца якоря и части магнитопровода, к которой он притягивается. Различают следующие основные разновидности электромагнитов с втягивающимся якорем: цилиндрические электромагниты, имеющие неподвижный сердечник: с якорем, имеющим плоский конец, они изображены на рисунке 3.1 а; 22

с якорем, имеющим конический конец на рисунке 3.1 б; с якорем,0имеющим усеченно-конический0конец0на0рисунке 3.1 в. Рисунок 3.1 - Втяжные электромагниты с неподвижным сердечником:а) с якорем, имеющим плоский конец; б) с якорем, имеющим конический конец;в) с якорем, имеющим усечено-конический конец Электромагниты без неподвижного сердечника: с якорем, имеющим ступенчато-цилиндрический конец на рисунке 3.2 а; с якорем, имеющим суживающий конец на рисунке 3.2 б. Рисунок 3.2 - Втяжные электромагниты без неподвижного сердечника а) электромагнит с суживающимся якорем; б) электромагнит со ступенчатоцилиндрическим якорем Электромагниты с разомкнутой магнитной электромагниты0с0незамкнутой0магнитной0цепью цепью: на рисунке втяжные электромагниты без0магнитопровода на рисунке 3.3 б. 23 а) втяжные 3.3 а;

Рисунок 3.3 - Втяжные электромагниты с разомкнутой магнитной системой а) электромагнит с незамкнутой магнитная цепь); б) электромагнит без магнитопровода Электромагнит с внешним притягивающимся якорем работает следующим образом. При подаче на катушку напряжения, в ней появляется ток, который в сердечнике создает магнитный поток. Магнитный поток при прохождении через рабочий зазор создает тяговую электромагнитную силу, достаточную для преодоления усилия возвратной и контактной пружин. Якорь, сжимая возвратную пружину, одновременно воздействует через траверсу и на контактный блок, замыкая или размыкая неподвижные контакты контактного блока. В начальный момент трогания якоря магнитный поток в верхней части сердечника имеет меньшую величину, чем в средней части сердечника, но и в то же время достаточную для того, чтобы тяговая характеристика проходила выше противодействующей характеристики. Затем происходит перераспределение рабочего магнитного потока и магнитного потока рассеяния. В процессе притягивания якоря и сердечнику магнитный поток верхней части сердечника увеличивается быстрее, чем магнитный поток в средней части сердечника за счет большего уменьшения магнитного потока рассеяния по сравнению с аналоговым электромагнитом. Это приводит к тому, что магнитная индукция в верхней части сердечника становится больше магнитной индукции в средней части сердечника (толщина стенки m < e), рабочая точка которой заходит на колено кривой намагничивания и, следовательно, тяговая характеристика приближается к расчетной противодействующей характеристике, проходя намного ниже тяговой характеристики аналогового электромагнита. Магнитный поток в 24

основании сердечника увеличивается на меньшую величину, чем магнитный поток в средней части сердечника, и рабочая точка находится на прямолинейном участке кривой намагничивания, не доходя до колена кривой намагничивания, что приводит к тому, что магнитная индукция в основании сердечника0становится0меньше0магнитной0индукции0в0средней0части0сер дечника (толщина стенки q > l). Таким образом, если в начале хода якоря тяговая характеристика предлагаемого электромагнита проходит выше тяговой0h0характеристики0аналогового0электромагнита,0то0в0конце0хода якоря наоборот, тяговая характеристика предлагаемого электромагнита проходит0намного0ниже0тяговой0характеристики0аналогового электромагнита. В предлагаемом электромагните при уменьшении имеющихся резервов по тяговой характеристике и при расположении рабочей точки магнитной индукции на кривой намагничивания в пределах прямолинейного участка форму сердечника получают наиболее оптимальную. Электромагниты переменного тока В электромагнитах переменного осуществляется от источника переменного тока питание обмотки тока. Магнитный поток, создаваемый обмоткой, по которой как раз проходит переменный ток, временами меняется по величине и направлению (переменный магнитный поток). В итоге чего сила электромагнитного притяжения также пульсирует от нуля до предела, с двойной частотой по отношению к частоте питающего тока. Но для тяговых электромагнитов понижение электромагнитной силы ниже, как всем известно, определенного уровня неприемлемо, потому что это приводит к вибрации якоря, а в отдельных вариантах прямому нарушению обычной работы. Стоит упомянуть, что в тяговых электромагнитах, работающих при переменном магнитном потоке, приходится прибегать к мерам для уменьшения глубины пульсации силы (к примеру, использовать экранирующий виток, обхватывающий часть полюса электромагнита). 25

Не считая перечисленных разновидностей, в текущее время огромное распространение получили электромагниты с выпрямлением тока, которые по питанию как раз могут быть наконец-то отнесены к электромагнитам переменного тока, а по своим чертам также приближаются к электромагнитам неизменного тока. В зависимости от метода включения обмотки, стало быть, различают электромагниты с поочередными и параллельными обмотками. Обмотки поочередного включения, работающие при данном токе, выполняются с малым числом витков огромного сечения. Ток, проходящий по таковой обмотке, фактически не также зависит от ее характеристик, а определяется чертами потребителей, включенных поочередно с обмоткой. Обмотки параллельного включения, работающие при данном напряжении, имеют, обычно, очень огромное число витков и, грубо говоря, выполняются из провода малого сечения. По нраву работы обмотки электромагниты разделяются на работающие в продолжительном, прерывистом и кратковременном режимах. По скорости деяния электромагниты как раз могут быть с обычной скоростью деяния, быстродействующие и замедленно действующие. Несомненно, стоит упомянуть то, что это разделение как раз является достаточно условным и свидетельствует основным образом о том особые меры для получения нужной скорости деяния. Все вышеперечисленные признаки накладывают собственный отпечаток на индивидуальности конструктивных выполнений электромагнитов. Устройство электромагнита Совместно с тем при всем разнообразии встречающихся на практике электромагнитов они состоят из главных частей схожего назначения. Также хочется подчеркнуть то, что к ним относятся катушка с расположенной на ней намагничивающей обмоткой (быть может несколько катушек и несколько обмоток), неподвижная часть магнитопровода, выполняемого из ферромагнитного материала (ярмо и сердечник) и подвижная часть магнитопровода (якорь). В неких 26 вариантах неподвижная часть

магнитопровода, наконец, состоит из пары деталей (основания, корпуса, фланцев и т. д.). а) Якорь отделяется от других частей магнитопровода воздушными промежутками и представляет собой часть электромагнита, которая, воспринимая электромагнитное усилие, передает его подходящим деталям приводимого в действие механизма. Количество и форма воздушных промежутков, отделяющих неподвижной, зависят от подвижную конструкции часть магнитопровода электромагнита. от Воздушные промежутки, в которых возникает нужная сила, именуются рабочими, а воздушные промежутки, в которых возникают усилия в направлении возможного перемещения якоря, являются паразитными. Возможно и то, что поверхности подвижной либо неподвижной части магнитопровода, ограничивающие рабочий воздушный просвет, именуют полюсами. В зависимости от расположения якоря относительно других частей электромагнита, в конце концов, различают электромагниты с наружным притягивающимся якорем, электромагниты со втягивающимся якорем и электромагниты с наружным поперечно передвигающимся якорем. Соответствующей индивидуальностью электромагнитов с наружным притягивающимся якорем является наружное размещение якоря относительно обмотки. Разумеется, на него действует основным образом рабочий поток, проходящий от якоря к торцу шляпки сердечника. Перемещения якоря, в общем то, быть может вращательным (к примеру, клапанный электромагнит) либо поступательным. Разумеется, потоки рассеяния (замыкающиеся кроме рабочего зазора) у таковых электромагнитов фактически не делают тягового усилия, и, как большая часть из нас постоянно говорит, потому их, грубо говоря, стремятся уменьшить. Разумеется, электромагниты данной группы способны развивать довольно большое усилие, но традиционно используются при сравнимо маленьких рабочих ходах якоря. 27

Индивидуальностью электромагнитов с втягивающимся якорем, стало быть, являются частичное размещение якоря в собственном исходном положении изнутри катушки и предстоящее перемещение его в катушку в процессе работы. Потоки рассеяния у таковых электромагнитов, в особенности при огромных воздушных зазорах, делают определенное тяговое усилие, в итоге чего они являются полезными, в особенности при сравнимо огромных ходах якоря. Такие электромагниты могут выполняться со стопом либо без него, при этом форма поверхностей, образующих рабочий зазор, может быть различной в зависимости от того, какую тяговую характеристику необходимо получить. Наибольшее распространение получили электромагниты с плоскими и усечено коническими полюсами, также электромагниты без стопа. В качестве направляющей для якоря чаще всего применяется трубка из немагнитного материала, создающая паразитный зазор между якорем и верхней, неподвижной, частью магнитопровода. Электромагниты с втягивающимся якорем, в конце концов, могут также развивать усилия и иметь ход якоря, изменяющиеся в чрезвычайно большом спектре, что, стало быть, обусловливает их обширное распространение. В электромагнитах с наружным, поперечно передвигающимся якорем якорь перемещается поперек магнитныхсиловых линий, поворачиваясь на некий ограниченный угол. Такие электромагниты традиционноразвивают сравнимо маленькие усилия, но они разрешают методом соответственного согласования форм полюсов и якоря получать конфигурации тяговой свойства и высочайший коэффициент возврата. электромагнитов в В свою каждой из 3-хперечисленных очередьимеется ряд групп конструктивных разновидностей. Выводы: Наиболее эффективным является использование электромагнитов постоянного тока, чем электромагнитов переменного тока и на это есть 2 весомых причины. Первая причина заключается в том, что в электромагнитах 28

переменного тока подается частота F = 50 Гц и в дальнейшем возникают колебания. Вторая причина в том, что у электромагнитов переменного тока есть вихревые тока, аналог вязкого трения, из-за которых в дальнейшем возникают большие потери мощности. При тщательном изучении и сравнении электромагнитов, получается, что при рассмотрении тяговых характеристик, электромагниты с внешним притягивающимся якорем и втяжные электромагниты похожи друг на друга. И отсюда вывод, что и электромагниты с внешним притягивающимся якорем, и втяжные электромагниты можно использовать для создания электромагнитных компенсаторов жесткости. Но если учитывать фактор снижения общих затрат, как основной, то целесообразнее всего этот фактор обеспечивают втяжные электромагниты с неподвижным сердечником. Если же важнейшим фактором является простота технологичности их конструкции и благоприятные характеристики, то лучше всего будет использовать электромагниты с внешним притягивающимся якорем, расположенным с торца катушки, а точнее электромагниты с U-образным магнитопроводом. 4 Расчет тяговых характеристик электромагнитов постоянного и переменного тока Тяговая характеристика одного электромагнита описывается выражением: U2 F  0,5k  2 , x (4.1) где k - конструктивный коэффициент, зависящий от конструктивных особенностей электромагнита. В данном случае принимаем k=2; U - номинальное напряжение сети, В; x- перемещение якоря электромагнита, см; 29

Задаем значение перемещения якоря электромагнита в диапазоне от 0,1 до 2 см. Таблица 4.1 - Зависимость силы от перемещения якоря электромагнита х,см F1(x), Н F2(x), Н F3(x), Н F4(x), Н 0,1 3600 14400 57600 129600 0,2 900 3600 14400 32400 0,3 400 1600 6400 14400 0,4 225 900 3600 8100 0,5 144 576 2304 5184 0,6 100 400 1600 3600 0,7 73,5 293,9 1175,5 2644,9 0,8 56,3 225 900 2025 0,9 44,4 177, 8 711,1 1600 1 36 144 576 1296 1,1 29,8 119 476 1071,1 1,2 25 100 400 900 1,3 21,3 85,2 340,8 766,9 1,4 18,4 73,5 293,9 661,2 1,5 16 64 256 576 1,6 14,1 56,25 225 506,3 1,7 12,5 49,8 199,3 448,4 1,8 11,1 44,4 177,8 400 1,9 10 39,9 159,6 359 2 9 36 144 324 30

Рисунок 4.1 – Зависимость силы от перемещения якоря электромагнита постоянного тока Ниже представлены результаты расчета тяговой характеристики электромагнита переменного тока, а также график 4.2. Таблица 4.2 - Зависимость силы от перемещения якоря электромагнита переменного тока х,см F1(x), Н F2(x), Н F3(x), Н F4(x), Н 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 7200,0 1800,0 800,0 450,0 288,0 200,0 146,9 28800,0 7200,0 3200,0 1800,0 1152,0 800,0 587,8 115200,0 28800,0 12800,0 7200,0 4608,0 3200,0 2351,0 259200,0 64800,0 28800,0 16200,0 10368,0 7200,0 5289,8 31

Продолжение таблицы 4.2 х,см F1(x), Н F2(x), Н F3(x), Н F4(x), Н 0,8 0,9 1,0 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 112,5 88,9 72,0 42,6 36,7 32,0 28,1 24,9 22,2 19,9 18,0 450,0 355,6 288,0 170,4 146,9 128,0 112,5 99,7 88,9 79,8 72,0 1800,0 1422,2 1152,0 681,7 587,8 512,0 450,0 398,6 355,6 319,1 288,0 4050,0 3200,0 2592,0 1533,7 1322,4 1152,0 1012,5 896,9 800,0 718,0 648,0 32

Рисунок 4.2 - Зависимость силы от перемещения якоря электромагнита Для компенсаторов жесткости наиболее применимы электромагниты постоянного тока, так как по принципу действия они не создают колебаний и в них отсутствуют силы трения. Принимаем для расчета конструкции электромагниты постоянного тока. Привстречном включении двух электромагнитов суммарная тяговая характеристика примет вид: U2 U2 F  F1  F2  0,5k  2  0,5k  , x (b  x)2 (4.2) где b- расстояние между полюсами электромагнитов (принимаем b=2 см). Рассчитаем выполненного тяговую в виде характеристику двух встречно компенсатора включенных жесткости, электромагнитов. Результаты расчетов представлены в таблице 4.2 и на рисунке 4.2. Таблица 4.3 – Результаты расчета тяговой характеристики компенсатора жесткости х, см 0,1 F1(x) 3590,0 F2(x) 14360,1 F3(x) 57440,4 F4(x) 129241,0 0,2 0,3 888,9 387,5 3555, 6 1550,2 14222,2 6200,7 32000,0 13951,6 0,4 0,5 0,6 210,9 128,0 81,6 843,8 512,0 326,5 3375,0 2048,0 1306,1 7593,8 4608,0 2938,8 0,7 0,8 52,2 31,3 208,7 125,0 834,7 500,0 1878,0 1125,0 0,9 1,0 14,7 0,0 58,8 0,0 235,8 0,0 528,9 0,0 34

Продолжение таблицы 4.3 х, см 1,1 1,2 1,4 F1(x) -14,7 -31,3 -81,6 F2(x) -58,8 -125,0 -326,5 F3(x) -235,1 -500,0 -1306,1 F4(x) -528,9 -1125,0 -2938,8 1,5 1,6 -128,0 -211,0 -512,0 -843,8 -2048,0 -3375,0 -4608,0 -7593,8 1,7 1,8 -387,5 -888,9 -1550,2 -3555, 6 -6200,7 -14222,2 -13951,6 -32000,0 1,9 -3590,0 -14360,1 -57440,4 -129241,0 Рисунок 4.3 – Силовая характеристика компенсатора жесткости F(x) 35

Вывод:Просчитав электромагнитов и проанализировав переменного и тяговые постоянного производимой работе и равных временах тока характеристики при одинаковой срабатывания электромагнит постоянного тока, обычно имеет меньшее потребление энергии, чем электромагнит переменного тока. Для компенсаторов жесткости наиболее применимы электромагниты постоянного тока в связи с тем, что электромагниты переменного тока создают электрические колебания в процессе работы и в них наблюдается наличие вихревых токов, которые являются аналогами вязкого трения, что противоречит теории виброизоляции. 5 Расчет зависимости мощности электромагнитного компенсатора жесткости от межполюсного расстояния Под критическим зазором понимается зазор, при котором электромагниту приходится развивать наибольшую работоспособность для преодоления соответствующей противодействующей силы. Соответствующую ему электромагнитную силу называют критической силой. Для расчета мощности электромагнита необходимо вывести зависимость наибольшей электромагнитной силы от перемещения якоря электромагнита, при условии постоянства жесткости силовой характеристики. Чтобы получить это выражение, будем считать, что суммарная тяговая характеристика электромагнитов, показанная на рисунке 2.3, линейна. Для определения зависимости критической силы электромагнита от критического зазора воспользуемся силовой характеристикой электромагнитного компенсатора жесткости, показанной на рисунке 2.3. Уравнение, которое описывает электромагнита, имеет вид: 36 тяговую характеристику

F  0,5  k  где U2 b   кр   2  2 , (5.1) k - коэффициент, зависящий от конструктивных особенностей электромагнита; U – номинальное напряжение сети, В;  кр - критический зазор, см; b – расстояние между полюсами электромагнитов, см. Критический зазор определяется: b 2  кр   р  , где (5.2)  p - рабочий зазор, см. Используя уравнение прямой, запишем уравнение суммарной силовой характеристики: b F  (k   кр  b)  tg  ( кр  ), 2 где (5.3) tg - жесткость компенсатора. Из графика видно, что для нахождения необходимой нам критической силы достаточно из уравнения (5.1) вычесть уравнение прямой (5.3): Fкр  кр   0,5  k   b     tg        . кр 2  2    b    кр   2  U2 В результате получим: 37 (5.4)

Fкр  кр   0,5  k  Теперь, когда b    кр    tg . 2   b    кр  2  U2 (5.5) 2 получили зависимость критической силы от критического зазора, проведем расчет электромагнита (приложение 1). Выполненные по аналогии расчеты мощности электромагнита для ряда значений межполюсного расстояния электромагнитов, приведены в Критический зазор, см 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Мощность, Вт 35,8 52,4 60,6 70,7 89,6 102,5 103,1 119,2 142,7 169,4 188,7 210,1 233,4 260,4 таблице5.1 Таблица 5.1 – Зависимость мощности электромагнита от критического зазора По данным таблицы 5.1 построим зависимость мощности электромагнита от критического зазора. Еѐ вид показан на рисунке 5.2, кривой 1. Используя полученный график и учитывая, что электромагнитный корректор жесткости состоит из двух электромагнитов постоянного тока, следовательно, можно отметить, что мощность электромагнитного при критическом зазоре  кр  1см компенсатора жесткости будет равна Р  285,432Вт. Если величина критического зазора равна  кр  0,5см, то мощность компенсатора Р  141,426Вт. А при величине критического зазора, равной  кр  1,5см , мощность станет равной Р  520,84Вт. Можно сделать вывод, что с уменьшением величины критического зазора в два раза, мощность электромагнитного компенсатора жесткости тоже уменьшится в 38

два раза, а при увеличении зазора, например, в полтора раза, мощность увеличится в 1,8 раза. Для более четкого представления зависимости мощности электромагнитного компенсатора жесткости от межполюсного расстояния проведем аппроксимацию кривой 1, используя метод наименьших квадратов или метод регрессии. P,Вт 250 2 200 y g( z) 150 1 100 50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 х,см x z Рисунок 5.2 - График зависимости мощности электромагнита от межполюсного расстояния: 1 – расчетная кривая; 2 – аппроксимированная кривая В результате получим аппроксимированный график 2 зависимости мощности электромагнитного компенсатора расстояния, показанный жесткости от межполюсного на рисунке 5.2. Опишем аппроксимированную кривую 2, используя программу Mathcad. Для представленного случая уравнение аппроксимированной кривой в итоге примет вид: 39

Ра х  47,991 x 2  26,618 e x  30,522 sin x . (5.6) При помощи полученного уравнения можно описать зависимость мощности электромагнитного компенсатора жесткости от межполюсного расстояния. 6 Моделирование виброзащитного устройства Уравнение движения двигателя, связанного с фундаментом упругой подвеской с линейным компенсатором жесткости (без системы перестройки), получено из математической модели подвески в работе. Оно имеет вид: (6.1) где m – масса объекта; x – перемещение объекта; с, ск– жесткость основного упругого элемента и корректора; F(t) – возмущающее усилие, действующее на объект. Пользуясь уравнением (6.1) составим структурную схему виброизолятора с электромагнитным корректором жесткости. В качестве выходной величины в системе принято перемещение х объекта, а в качестве входной – усилие F(t). Запишем (6.1) в символической форме: mр 2 x (c  cк ) x  F (t ), где р (6.2) d - оператор дифференцирования. dt Перепишем уравнение (6.2) относительно перемещения х: 40 второй производной

p2 x  F (t ) cx cк x   . (6.3) m m m Структурная схема виброизолятора, составленная по (6.3), приведена на рисунке 6.1. c F(t) – р2х 1 р 1 р 1 m х + ск Рисунок 6.1 – Структурная схема виброизолятора с линейным корректором жесткости. Данная структурная схема позволяет моделировать поведение объекта при любом воздействии F(t), причем в модели можно менять жесткости основного упругого элемента с и корректора ск и массу m объекта. Однако в данной модели не учитывается наличие регулятора, отслеживающего изменение статической составляющей усилия F(t), то есть, модель позволяет исследовать поведение системы только в стационарных режимах. Электромагнитный корректор жесткости нельзя считать линейным. Уравнение силовой характеристики нелинейного компенсатора жѐсткости имеет вид: 41

F1(x)= Структурная схема k b    x 2  2 подвески  k b    x 2  с 2 .(6.4) нелинейным компенсатором жесткости приведена на рисунке 6.2. На основании структурной схемы, приведенной на рисунке 6.2 в программе ―Simulink‖ промоделирован виброизолятор с нелинейным виброизолирующей подвески корректором с жесткости. перестраивающимся Вид модели компенсатором жесткости показан на рисунке 6.3. c F(t) x + 1 p 1 p 1 m Рисунок 6.2 – Структурная схема виброизолятора с нелинейным корректором жесткости Электромагнитный компенсатор жесткости устанавливается в виброизолирующей подвеске судового дизель – генератора ДГА – 50 – 9, имеющего следующие технические данные: Номинальная мощность P  50кВт; Марка дизеля К-462; Масса дизеля m = 2200 кг. При моделировании жесткость принимаемС = 7500Н/м. 42

Коэффициенты нелинейного электромагнитного компенсатора жесткости k1  k2  0,72 . Рисунок 6.3 – Модель виброизолирующей подвески с нелинейным корректором жесткости Результаты моделирования показали, что система является устойчивой, но время переходного процессам стремится к бесконечности. Система перестройки электромагнитного компенсатора жесткости выполняется в виде электрического регулятора. Регулятор может быть линейным и нелинейным. Передаточная функция линейного регулятора имеет вид (6.7) 43

где k рег - передаточный коэффициент регулятора; Т – постоянная времени электромагнита. Передаточный коэффициент регулятора это жесткость линейного компенсатора. Тогда выражение (6.7) примет вид: (6.8) Линейный регулятор системы перестройки представляет собой пропорциональное звено первого порядка. С учетом этого, структурная схема виброизолирующей подвески с системой перестройки компенсатора будет иметь вид, показанный на рисунке 6.5. F(t) x 1/ c Fк Fрег m 2 p 1 c +   cк Tp  1 Рисунок 6.5 – Структурная схема виброизолятора с учетом передаточной функции регулятора На основании структурной схемы, показанной на рисунке 6.5, сделана модель виброизолятора с регулятора. 44 Результаты моделирования

представлены на рисунке 6.6.По результатам моделирования видно, что система неустойчива. Поэтому необходимо осуществить ее коррекцию. Коррекцию свойств системы осуществим введением в систему специальных последовательных корректирующих звеньев. В данной системе целесообразней использовать корректирующее пропорционально дифференцирующее (ПД) звено, включенное в электрическую цепь регулятора. Использование электрического корректирующего звена удобнее тем, что такие ПД звенья очень просто реализуются пассивнымиRCцепочками. При введении в состав регулятора ПД звена с передаточной функцией Тпдр+1 (Тпд – постоянная времени ПД звена), структурная схема системы будет иметь вид, показанный на рисунке 6.7. x, см t,c. Рисунок 6.6 – Осциллограмма системы с линейным регулятором, без учета ПД звена На основании структурной схемы, приведенной на рисунке 6.7 в программе ―Simulink‖ промоделирован виброизолятор с корректирующим звеном. 45

F(t) 1/ c x m 2 p 1 c + Fк Fрег   cк (Tпд   Tp  1 Рисунок 6.7 – Структурная схема виброизолятора с корректирующим звеном Вид модели виброизолирующей подвески с перестраивающимся компенсатором жесткости и с введенным корректирующим звеном показан на рисунке 6.8. При моделировании принимаем Т1  Т ПД . 46

Рисунок 6.8 - Модель виброизолирующей подвески с перестраивающимся компенсатором жесткости, с линейным регулятором и с введеннымкорректирующим звеном Результаты моделирования показаны на рисунках 6.9 – 6.15. x, см t,c. Рисунок 6.9 – Осциллограмма системы с линейным регулятором ( ck  100 Н/м), с введенным ПД звеном TПД  50с. , без нагрузки и с постоянной времени электромагнита Т = 0.01 с. x, см t,c. Рисунок 6.10 – Осциллограмма системы с линейным регулятором ( ck  100 Н/м), с введенным ПД звеном TПД  50с. , с нагрузкой и с постоянной времени электромагнита Т = 0.01 с. 47

x, см t,c. Рисунок 6.12 – Осциллограмма системы с линейным регулятором ( ck  100 Н/м), с введенным ПД звеном TПД  100с. , с нагрузкой и с постоянной времени электромагнита Т = 0.01 с. x, см t,c. Рисунок 6.15 – Осциллограмма системы с линейным регулятором ( ck  100 Н/м), с введенным ПД звеном TПД  100с. , без нагрузки и с постоянной времени электромагнита Т = 0.1 с. 48

Выводы: По результатам моделирования можно сделать вывод, с введением корректирующего звена система становится устойчивой. При TПД  50с. время переходного процесса tп / п  3с., а при TПД  100с. время переходного процесса tп / п  2,5с. это говорит о том, что с увеличением TПД уменьшается время переходного процесса, а также уменьшается амплитуда колебаний. С увеличением жесткости время переходного процесса и амплитуда колебаний также уменьшаются. С увеличением нагрузки время переходного процесса и амплитуда колебаний несколько увеличатся. При уменьшении постоянной времени электромагнита немного уменьшится амплитуда колебаний и незначительно уменьшится время переходного процесса. В этом пункте рассмотрена модель виброизолирующей подвески с нелинейным компенсатором жесткости. Система перестройки на изменяющуюся внешнюю нагрузку этого компенсатора выполняется в виде электрического регулятора. Регулятор может быть линейным. Моделирование виброизолирующей подвески с использованием линейного регулятора показывает, что система корректирующего звена. 49 устойчива при использовании

Заключение На сегодняшний день снижение уровней вибрационных колебаний в промышленности, на любом виде транспорта, на производстве является одной из самых актуальных задач в мире, на решение которой направлены усилия не одного научного коллектива. Вибрация вредно влияет на надежность и работоспособность различных устройств, приводят к поломкам и нередко механические колебания становятся причиной аварий. Но особенно негативно вибрация влияет на человека, вызывая различные заболевания. В данной дипломной работе мы пришли к выводу, что одним из самых эффективных виброизоляторов является устройство с электромагнитным компенсатором жесткости, мы внимательно ознакомились с его тяговыми и полезными свойствами в сравнении с электромагнитами переменного тока, впоследствии чего узнали, в чем состоит преимущество одного над другим. В дальнейшем ознакомились и изучили моделирование виброзащитного устройства, в частности осциллограмму системы с линейным регулятором, корректирующим звеном структурную модель схему виброизолятора виброизолирующей подвески с с перестраивающимся компенсатором жесткости, с линейным регулятором и с введеннымкорректирующим звеном. Что касается электромагнитного компенсатора жесткости, то его структура представляет собой два встречно включенных электромагнита постоянного тока, их суммарная силовая характеристика имеет отрицательный коэффициент жесткости, величина которого может меняться в зависимости от подаваемого напряжения, расстояния между полюсами электромагнитов, конструктивных параметров. Подводя итог исследованию, хочется сказать, что виброизолирующее устройство с таким компенсатором жесткости обладает рядом преимуществ по сравнению с применением механических компенсаторов. 50

Список использованных источников 1. Патент № 97783 Виброизолятор с электромагнитным компенсатором жесткости / Е.Г. Гурова, В.Ю. Гросс (РФ). - № 2010121808; заявл. 28.5.2010. – 7с.: ил. 2. Бесекерский В.А. Теория систем автоматического управления / В.А. Бесекерский, Е.П. Попов. – 4-е изд., перераб. и доп. – СПб.: Профессия, 2003. – 752 с. – (Серия: Специалист). 3. Вибрации в технике. В 6 т. / под ред. К.В. Фролова. – М.: Машиностроение, 1995 – Т.6: Защита от вибрации и ударов. 2-е изд. – 1995. – 456 с. 4. Гордон А.В. Электромагниты постоянного тока / А.В. Гордон, А.Г. Сливинская; отв. Ред. Е.Н. Зейн. – М.: Госэнергоиздат, 1960. – 448 с. 5. Гурова Е.Г. Виброизолирующая подвеска судовой энергетической установки с нелинейным электромагнитным компенсатором жесткости: автореф. дис. … канд. Техн. Наук / Е.Г. Гурова. – Новосибирск, 2008. – 23 с. 6. Гурова энергетических Е.Г. «Виброизолирующие установок с подвески нелинейными транспортных электромагнитными компенсаторами жесткости»: проектирование и расчет: монография / Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2012 г. – 156 стр. 7. Гурова Е.Г. Виброизолирующая подвеска судовой энергетической установки с нелинейным электромагнитным компенсатором жесткости / диссертация канд. техн. наук / Елена Геннадьевна Гурова // / Новосиб. гос. акад. вод.трансп. — Новосибирск, 2008. — 198 с. 8. Зуев А.А. Проблемы виброизоляции / А.А. Зуев, А.К. Зуев, В.А. Четверкин // Проблемы виброизоляции на судах: сб. науч. тр. / Новосиб. гос. акад. вод. трансп. – Новосибирск, 2003. – С.43-55. 51

9. Зуев А.К. Пути совершенствования конструкций перестраивающихся виброизолирующих механизмов / А.К. Зуев // Снижение вибрации на судах: сб. науч. тр. / Новосиб. Ин-т инженеров вод. трансп. – Новосибирск, 1988. – С. 3-18. 10. Сливинская А.Г. Электромагниты и постоянные магниты: учеб. Пособие / А.Г. Сливинская; отв.ред. М.Г. Бородина. – М.: Энергия, 1972. – 248 с. 11. Любчик. М.А. расчет и проектирование электромагнитов постоянного и переменного тока / А.М. Любчик; под общ. Ред. Б.Ф.Вашуры. – М.: Госэнергоиздат, 1959. – 224 с. 12. К применению неодимовых магнитов и виброизолирующих устройств на трансопрте / Статья // /Колинченко А.О., Бакин С.С., Бондаренко О.Н., Батурин Д.Е., Сергеев А.А. 13. Сливинская А. Г. «Электромагниты и постоянные магниты». Учебное пособие для студентов вузов. Издательство: M., «Энергия». Страниц: 248 Год издания:1972 г. 14. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле / С.П. Тимошенко, Д.Г. Янг, У. Уивер; пер. с англ. Л.Г. Корнейчука; под ред. Э.И. Григолюка. – М.: Машиностроение, 1985. – 472 с. 52

Приложение 1 – Расчет электромагнита постоянного тока Исходные данные для расчета электромагнита: Критический зазор  кр  1см Межполюсное расстояние b  1, 6см Коэффициент, электромагнита зависящий от конструктивных особенностей k 1 Номинальное напряжение сети U  12В Критическая сила Fкр ( кр )  10кг 0   70 С д Сначала, принимаем При температуре окружающей среды νос=350С допустимая температура изоляции равна:  д  д  ос  70  35  105С В соответствии с принятыми значениями  д и  д находим коэффициент теплопередачи с наружной поверхности катушки: h  hд  9,3 104  1,0  0,0059  70   1,314 103 Вт /  град  см2  Удельное сопротивление меди нагретой катушки:   105  2,34 102 Ом  мм2 / м Коэффициент , учитывающий исполнение намотки катушки. Для катушки, намотанной на трубу,   1, 7 . Труба выполнена из стали калиброванной круглой ГОСТ-7417-75. n  0.8   1.6  m 5 n 53

m    n  5*0.8  4 f з  0,5   0,85   0,775 2 103  g  1  n  C  2 2  29,955   Х  f з  2  m2  n  1  2  n     h  g 4 105  Fкр  B0  5  10  2,527 105 Вб / см2 4  кр  C 3  2  1 1, 08   Fкр  2   5   кр3 C где x , dc  кр , Fкр 10 Следовательно  3  13  10 кр Для нахождения значения x, соответствующего заданному отношению 54

Fкр 10   10 , используется графоаналитический метод.  кр3 13 0 x5 2 x х2 x3 1,0 1,0 1,0 1,0 1,7 0,1 2,0 4,0 8,0 32,0 1,3 1,4 2,2 4,8 10,6 51,5 1,3 2,2 2,4 5,8 13,8 79,6 1,3 3,4 2,5 6,3 15,6 97,7 1,3 4,1 2,6 6,8 17,6 118,8 1,3 5,0 2,8 7,8 22,0 172,1 1,2 7,1 2,9 8,4 24,4 205,1 1,2 8,4 3,0 9,0 27,0 243,0 1,2 9,9 3,1 9,3 28,4 263,9 1,2 10,7 1.5 2 Примечание 10 9 8 7 6  0 XY 5 4 3 2 1 0 1 1.2 5 1.7 5 2.2 5  1 XY 2.5 По результатам расчѐта х=3 55 2.7 5 3 3.2 5 3.5 Меньше 10 Меньше 10 Меньше 10 Меньше 10 Меньше 10 Меньше 10 Меньше 10 Меньше 10 Меньше 10 Больше 10

dc  кр    3 1  3(см) высота намотки катушки: A  n  dc  0,8  3  2,4(см) Ширина намотки катушки: H  m  dc  4  3  12(см) диаметр полюсного наконечника: dn    dc  1,6  3  4,8(см) Предварительные параметры катушки: d 4,5 103 I W   dc  c  4,053 103 А   X  C1 сечение провода обмотки: Sм  1,41 g  1  n 2 dc  dc   0,013см2 U   X  C1 диаметр провода: 4  Sм d   0,13см Выбираем ближайший больший размер провода марки ПЭТ-155 ГОСТ диаметр 21428-75: меди d  1,30 мм; диаметр d1  1,38мм; сечение меди- SM  132.7 104 см2 - число витков катушки: W fз  A H  1085 витков Sм Сопротивление катушки, отнесенное к R0  104   (1  n)dc W  3.246 Ом SM 56 0C : по изоляции

Потребляемая мощность одной катушки: U2 P  44.359 Вт R0 57

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

- у работы пока нет рецензий -

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв

12.66

Колинченко Артём

Если вас смущает отсутствие списка литературы в конце дипломной работы, то не беспокойтесь. Этот вариант диплома - черновой, перед его защитой он прошёл около 7 проверок и способов редактирования, но основная часть оставлена, поэтому я и выложил эту дипломную работу. Вы естественно спросите: "Артём, а почему же ты не выложил финальный вариант диплом?" И я отвечу: "Друзья мои, потому что его нет, я удалил его в 2014 из-за аппатического мнения, сложившегося у меня, вследствие многих факторов, присутствующих в разработке этой дипломной работы." А так как меня впечатлила рекламка с неповторимым голосом на фоне, я решил выложить что есть. Если вы хотите забрать несколько страничек, либо расчёт из этой дипломной работы, против я не буду, запрещать тем более. Если же вас увлекли неодимовые магниты, то и здесь вы найдёте кое-что полезное для своих исследований (нет).