Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
15
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАШИНОБУДУВАННЯ ім. А.М. ПІДГОРНОГО
МЯГКОХЛІБ Костянтин Борисович
УДК 534.232.001.62.50
МЕТОДИ ТА СИСТЕМИ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО
ЗБУДЖЕННЯ ВІБРАЦІЙ ТА УДАРІВ
05.02.09 –динаміка та міцність машин
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків –
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Інституті проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
|
Науковий керівник – |
член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук, професор Божко Олександр Євгенович, Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України, завідувач відділу надійності та динамічної міцності |
|
Офіційні опоненти – |
доктор технічних наук, старший науковий співробітник Зайцев Борис Пилипович, Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України, старший науковий співробітник відділу вібраційних та термоміцнісних досліджень кандидат технічних наук, професор Пушня Валентин Олександрович, Харківська академія інженерів міського господарства, професор кафедри теоретичної механіки |
Захист відбудеться “29” __травня__ 2008 р. о _14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.180.01 в Інституті проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України за адресою:
, м. Харків, вул. Дм. Пожарського, 2/10.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України за адресою:
, м. Харків, вул. Дм. Пожарського, 2/10.
Автореферат розісланий “26” _квітня_ 2008 р.
Учений секретар спеціалізованої вченої ради
доктор технічних наук О.О. Стрельнікова
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Для вирішення задач, що стоять перед промисловістю України, зокрема енергетичним машинобудуванням, авіаційною і космічною технікою, актуальною є розробка ефективних методів і технічних засобів для динамічних випробувань, які дозволяють одержати достовірні оцінки технічного стану машин та обладнання при нижчій собівартості.
Також є актуальним створення методів та засобів електромагнітного збудження вібрації для контролювання параметрів коливань енергетичних машин та в технологічних процесах, таких як зменшення залишкових напружень у деталях, транспортування матеріалів, використання вібрації при литті металів, віброрізання, ущільнення середовищ тощо. Створювана на базі теоретичних методів вібраційна техніка спрямована на підвищення точності отриманих оцінок при проведенні прискорених вібраційних випробувань на надійність і контролі параметрів вібрації з використанням економічнішого обладнання. При використанні вібрації в технологічному процесі лиття підвищується якість зливків.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в Інституті проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного Національної академії наук України відповідно до робочих планів:
Мета та задачі дослідження. Метою роботи є подальший розвиток теорії електромагнітного збудження вібрацій та ударів.
Для досягнення цієї мети були поставлені та вирішені такі задачі:
Об'єктом дослідження є електромеханічні процеси електромагнітного збудження вібрації та ударів.
Предметом дослідження є методи та системи електромагнітного збудження вібрації й ударів.
Методи дослідження. При розробці математичних моделей електромагнітних збуджувачів вібрації використовувалися операторний метод, при формулюванні задачі динаміки вібраційних стендів – системи рівнянь Лагранжа, теорія коливань, основи теоретичної механіки, електротехніки та магнетизму.
Наукова новизна отриманих результатів. У дисертаційній роботі отримані такі нові наукові результати:
Практична значущість отриманих результатів. Результати дисертаційної роботи використані на кафедрі механіки та проектування машин Української державної академії залізничного транспорту при вдосконаленні електромагнітних стендів для задач випробувань ходової частини тепловозів, електровозів та іншого рухомого складу.
В рамках співробітництва з державним підприємством Харківський машинобудівельний завод ФЕД був одержано патент України на винахід «Спосіб отримання зливків». Методи електромагнітного збудження вібрації, на яких базовано патент, планується використати на державному підприємстві Харківський машинобудівний завод «ФЕД» при створенні й впровадженні двокоординатної віброустановки для технологічного процесу лиття. Розроблені технічні засоби можуть бути впроваджені на інших підприємствах різних галузей народного господарства України для підвищення якості як вібраційних випробувань, так і процесу лиття й інших технологічних процесів, що використовують як привод ЕМВ.
Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати, що наведені в дисертаційній роботі та опубліковані в роботах [1 27], отримані автором самостійно. У роботах, опублікованих у співавторстві, авторові належать наступні результати: у роботі [1] автором експериментальним шляхом доведено доцільність збільшення числа обмоток в ЕМВ із метою збільшення тягового зусилля при обмеженні тільки на конструктивні габарити магнітопроводу; у статті [5] автором пропонується метод підвищення рівня збуджуваних вібрацій на основі створення в системі керування ЕМВ режиму резонансу; у публікації [6] автором визначено вагове навантаження на ЕМВ з урахуванням параметрів коливань якоря, частоти, повітряного зазору; у статтях [7, 9, 14] автором виведено формули визначення коефіцієнтів жорсткості ЕМВ, коефіцієнта дисипації та потужності ЕМВ у функції фізичних величин та інших параметрів; у роботі [11] автором виведено формули повітряних зазорів в функції параметрів і фізичних величин ЕМВ; у статті [15] автором розроблено метод вимірювання параметрів площинної вібрації; у роботі [16] автором розроблено нові конструкції магнітопроводів ЕМВ, що дозволяють розділяти магнітний потік на два потоки, і цим одержувати можливість формування векторної вібрації; у докладі [17] автором розроблено конструктивно-механічні схеми електромагнітних ударних стендів; у роботах [2, 3, 4, 8, 10, 12, 13, 18, 19, 22, 26] автором виведені рівняння динаміки, тягового зусилля, координат руху якоря, визначені передатні функції в операторній формі, побудовані математичні моделі й структурні схеми; у роботі [27] автором створено системи ЕМВ для збудження вібрацій у технологічному процесі лиття.
Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися на II, IV, V, VI, VII, X, XI міжнародних науково-технічних конференціях «Фізичні та комп'ютерні технології в народному господарстві», Україна, Харків, 2000 - 2005 рр. та на конференціях молодих вчених «Сучасні проблеми машинобудування», Україна, Харків 2003 - 2005рр.
Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані у 27 наукових працях, серед яких 15 статей у фахових виданнях, три тези та сім доповідей на наукових конференціях, а також два патенти України на винаходи.
Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, шести розділів, висновків, списку використаної літератури зі 119 джерел на 7 сторінках й 1 додатка на 2 сторінках. Загальний обсяг дисертації становить 211 сторінок, у тому числі 68 рисунків та 1 таблицю.
ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовується актуальність задачі досліджень за темою дисертаційної роботи, формулюються мета та задачі досліджень, вказується об'єкт, предмет і методи досліджень, відзначається наукова новизна й практична значущість отриманих результатів, а також особистий внесок автора в роботах, виконаних у співавторстві, апробація результатів дисертації й кількість публікацій, виконаних за темою дисертаційної роботи.
У першому розділі виконаний огляд літератури та аналіз становища проблеми наукових досліджень за темою дисертаційної роботи. Значний внесок у розробку методів і систем відтворення вібрацій внесли такі відомі вчені як О.Є. Божко, І.І. Биховський, І.Ф. Гончаревич, М.В. Xвінгія, К.Ш. Ходжаєв, Е.Л. Львов, М.А. Любчик, В.Л. Рагульскене та інші. У результаті проведеного аналізу відзначаються недоліки та проблеми застосування існуючих методів, обґрунтовується необхідність створення математичних моделей нових схем ЕМВ, сучасних та ефективних методів відтворення удару на ЕМВ та методів оптимального гасіння післяударних коливань, також методів відтворення вібрацій електромагнітними віброзбуджувачами для задач вібраційних випробувань на надійність, та використанні вібрації в технологічних процесах.
У другому розділі розроблені математичні моделі ЕМВ, необхідні для аналізу взаємовпливу різнорідних фізичних величин при перетворенні електричної енергії в магнітну і далі у механічну для створення системи керування. Використовуючи рівняння Лагранжа, були досліджені системи ЕМВ, конструктивно виконані без реактивної маси (РМ) та з РМ. При використанні ЕМВ великих габаритів РМ знижує паразитний вплив вібрації на фундамент і будівлю в цілому. Розглядалися два режими роботи ЕМВ: низькочастотний (приблизно до 400Гц) та високочастотний (понад 400Гц). Різниця полягає в тому, що при роботі на низьких частотах кріплення випробуваного об'єкта до платформи рухомої системи вважається жорстким, а при високих - кріплення відбувається за рахунок гнучких зв'язків; з'являється різниця фаз між сигналами з випробуваного об'єкта та платформи. Електромеханічна схема вібраційного стенда з РМ разом з випробуваним об'єктом при відтворенні вібрацій низької частоти зображена на рис. 1.
Рівняння динаміки даної електромеханічної системи матимуть вигляд:
,
де bоя, bрм, соя, срм – коефіцієнти дисипації й жорсткості відповідно випробуваного об'єкта та якоря, реактивної маси, w –число витків електричної обмотки, G –магнітна провідність, 0 –магнітна проникність повітря, S –площа поперечного переріза полюса магнітопровода, We –електрична енергія ЕМВ, q – електричний заряд, R – електричний опір, L – електрична індуктивність, F – тягове зусилля, Ф –магнітний потік, – повітряний зазор між якорем і полюсами статора, t –час.
Електромеханічна схема вібраційного стенда з РМ разом з випробуваним об'єктом при відтворенні вібрацій високої частоти представлена на рис. 2.
Рівняння руху ЕМВ із реактивною масою на високих частотах матимуть вигляд:
,
де mо, mя, mрм –маси випробуваного об'єкта, якоря разом з платформою та реактивна відповідно; со, ся, срм –коефіцієнти жорсткості; bо, bя, bрм –коефіцієнти демпфірування.
Для розглянутих випадків низьких та високих частот, з урахуванням та без урахування РМ, в роботі представлені електромеханічні схеми ЕМВ, виведені рівняння динаміки, визначені передатні функції в операторній формі, побудовані математичні моделі й структурні схеми. При побудові математичних моделей ЕМВ показаний вплив координати руху якоря на розмір повітряного зазору, що, в свою чергу, впливає на тягове зусилля й на координату руху якоря.
Також в цьому розділі запропоновано нові конструкції магнітопроводів ЕМВ, що дозволяють розділяти магнітний потік на два потоки й цим одержувати можливість формування векторної вібрації.
Вирішено задачу збільшення амплітуд вібрації якоря ЕМВ у зарезонансній області за допомогою включення в ЕМВ додаткової обмотки постійного струму (обмотки підмагнічування). У цьому випадку отримано залежності амплітуд вібрації якоря ЕМВ від електромагнітних та геометричних параметрів, яка має вид
,
де –частота коливань генератора, що задається.
Детально проаналізовані енергетичні властивості ЕМВ, виведені формули енергетичних співвідношень електричних, магнітних і механічних величин, що необхідно для вибору як конструктивних параметрів ЕМВ, так і систем керування. Середня потужність, яку повинен мати підсилювач потужності електромагнітного вібраційного стенду (ЕМВС) для збудження коливань х, визначається за співвідношенням
При проектуванні ЕМВС варто враховувати потужність розсіювання, що дорівнює . У випадку застосування для руху платформи декількох ЕМВ загальна потужність ЕМВС складає ,
де Рk – потужність окремого k – го ЕМВ; , а п –кількість ЕМВ.
У третьому розділі розроблена система електромагнітного збудження ударів, яка відображена у конструктивній схемі електромагнітного ударного стенду (ЕМУС), принциповий вид якого представлено на рис. 3.
Показано, що для збільшення крутості удару (зменшення тривалості переднього фронту) доцільно на шляху руху якоря ставити стопори.
Запропоновано новий метод гасіння післяударних коливань якоря, що ґрунтується на теорії оптимального керування. Це дало змогу вивести формулу керуючих напруг, що забезпечують максимальне гасіння (за мінімальний час) післяударних коливань якоря ЕМВ, яка має вид
,
де ; ; 0k, 0k –дійсна й уявна частини кореня характеристичного рівняння оптимального керування U.
Четвертий розділ присвячений удосконаленню методів теоретичного та експериментального визначення параметрів ЕМВ. Встановлено припустиме вагове навантаження на ЕМВ з урахуванням амплітуд коливань якоря, частоти та повітряного зазору, яке визначається за формулою
.
Для забезпечення необхідного рівня амплітуд коливань в ЕМВ отримано розв’язок задачі визначення коефіцієнта дисипації у функції фізичних та конструктивних параметрів. У випадку відсутності реактивної маси вираз для коефіцієнта дисипації має вид
,
а при наявності реактивної маси визначаються за формулами:
У роботі розглянуто дві схеми ланцюга керування ЕМВ, що впливає на визначення коефіцієнта жорсткості. За наявності в ланцюзі керування ЕМВ ланки добування квадратного кореня із вхідного сигналу напруги , де Ua амплітуда та кругова частота, формула визначення коефіцієнта жорсткості має вигляд:
,
а за відсутності цієї ланки визначається за формулою
.
На основі зіставлення електромагнітної й механічної потужностей в ЕМВ запропоновано метод визначення координат рухомого якоря. Розроблено метод оцінки повітряного зазору ЕМВ, за допомогою якого встановлено межі величин повітряних зазорів, а також виведено формули оцінки площі поперечного перерізу магнітопроводу ЕМВ на полюсах біля повітряних зазорів як функції електричних параметрів напруги U та струму i:
.
П'ятий розділ присвячений підвищенню ефективності функціонування ЕМВ, в якому запропоновані ефективні методи й рекомендації з модернізації ЕМВ, які стосуються модифікації схеми магнітопроводу ЕМВ (рис. 4), що дозволяє здійснювати збудження двокоординатних вібрацій за наявності однієї електричної обмотки із керуючим сигналом.
Динаміка ЕМВ як механічної системи досліджується за системою рівнянь
розв’язком якої є амплітуди коливань модифікованого ЕМВ
Різне розташування запропонованих магнітопроводів щодо рухомої платформи ЕМВ дозволяє збуджувати в якорі просторову вібрацію.
Запропонований метод підвищення рівня збуджуваних вібрацій на основі створення в системі керування ЕМВ режиму резонансу токів (послідовне включення з обмоткою відповідної електричної ємності). Отримано розрахункові співвідношення методу, які поширено на відтворення полігармонічної вібрації. Доведено доцільність збільшення числа обмоток в ЕМВ із метою збільшення тягового зусилля. Обмеженням для цієї рекомендації є тільки конструктивні габарити магнітопроводу.
Теоретично розглянуті умови стабілізації рівня вібрацій на заданому частотному діапазоні для ЕМВ.
У шостому розділі показано, що ЕМВ можуть знаходити широке застосування. Розглянуті окремі способи використання ЕМВ, за якими зроблено висновки, обґрунтування яких наведено у роботі, та які полягають у наступному:
для оцінки параметрів різних коливальних систем доцільно використовувати систему ідентифікації на основі ЕМВ;
електромагніті віброперетворювачі у системах віброзбудження можуть бути використані у запропонованій схемі для вимірювання параметрів площинної вібрації;
існує можливість створення на основі ЕМВ каліброваних вібростендів;
доцільне використання ЕМВ у технологічному процесі лиття для підвищення якості зливків.
ВИСНОВКИ
У результаті досліджень, проведених у дисертаційній роботі, вирішена наукова задача, що пов'язана зі створенням нових методів і систем електромагнітного збудження вібрацій та ударів.
В результаті проведеної роботи:
СПИСОК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
АНОТАЦІЯ
Мягкохліб К. Б. Методи та системи електромагнітного збудження вібрацій та ударів. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.02.09 –динаміка та міцність машин. –Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного, Харків, 2008.
У дисертаційній роботі набула подальшого розвитку теорія електромагнітних збудників вібрації, застосовуваних у задачах віброударних випробувань на надійність машин, приладів та апаратури, а також для технологічних процесів, таких як вібролиття, віброрізання, вібросушіння й т.д.
Вперше розглянута динаміка збудників вібрації з урахуванням реактивних мас.
Створено новий варіант методу оптимального гасіння післеударних коливань при випробуванні на удар.
Розвинуто метод визначення потужності ЕМВ залежно від динамічних параметрів, електромагнітних і геометричних величин.
Удосконалено метод визначення вагового навантаження, коефіцієнтів демпфірування та жорсткості, величин повітряних зазорів і площі перерізу полюсів магнітопроводів.
Виведено формули зв'язку параметрів вібрації об'єктів з вихідними напругами електровимірювальних пристроїв.
Створено системи ЕМВ для збудження вібрацій у технологічному процесі лиття.
Ключові слова: електромагнітний віброзбуджувач, математична модель ЕМВ, рівняння динаміки ЕМВ, тягове зусилля, коефіцієнт жорсткості, коефіцієнт демпфірування.
АННОТАЦИЯ
Мягкохлеб К. Б. Методы и системы электромагнитного возбуждения вибраций и ударов. –Рукопись.
Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.09 –динамика и прочность машин. –Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного, Харьков, 2008.
В диссертационной работе получила дальнейшее развитие теория электромагнитных возбудителей вибрации, применяемых в задачах виброударных испытаний на надежность машин, приборов и аппаратуры, а также для технологических процессов, таких как вибролитье, виброрезание, вибросушка и т.д.
Впервые разработаны математические модели новых схем ЭМВ с учетом реактивных масс, на основании математической интерпретации ЭМВ с реактивной массой и без нее, рассмотрена динамика системы, определены передаточные функции, построены структурные схемы.
Создан новый вариант метода оптимального гашения послеударных колебаний при испытании на удар.
Получил дальнейшее развитие метод определения мощности ЭМВ в зависимости от динамических параметров, электромагнитных и геометрических величин.
Усовершенствован метод определения весовой нагрузки, коэффициентов демпфирования и жесткости, величин воздушных зазоров и площади сечения полюсов магнитопроводов в зависимости от электромагнитных параметров и геометрических величин.
Получили дальнейшее развитие методы повышения эффективности функционирования ЭМВ, благодаря созданию в системе управления режима резонанса токов и увеличению числа обмоток в ЭМВ.
Выведены формулы связи параметров вибрации объектов с выходными напряжениями электроизмерительных устройств.
Созданы системы ЭМВ для возбуждения вибраций в технологическом процессе литья.
Ключевые слова: электромагнитный возбудитель вибрации, математическая модель ЭМВ, уравнения динамики ЭМВ, тяговое усилие, коэффициент жесткости, коэффициент демпфирования.
ABSTRACT
Myagkohleb K.B. Methods and systems for electromagnetic excitation of vibrations and shocks. –Manuscript
Candidate of Sciences (Engineering) dissertation in the speciality 05.02.09 –Dynamics and Strength of Machines. –Pіdgorny Institute for Mechanical Engineering Problems NAS of Ukraine, Kharkiv, 2008
The dissertation has further developed the theory of electromagnetic vibration exciters used in problems in shock-resistance reliability testing of machines, instruments and equipment as well as in production processes such as vibration casting, vibration cutting, vibration drying and others.
The dynamics of vibration exciters with account of reactive masses has been considered for the first time.
A method has been developed for optimal damping of post-shock vibrations during shock testing.
A method has been developed for determining the power of EME depending on dynamic parameters, and electromagnetic and geometric parameters.
Methods have been developed for determining the weight load, damping and stiffness coefficients, sizes of air gaps and the cross-section area of magnetic conductor poles.
Formulas for the relationship of vibration parameters of objects and output voltages of electric measuring instruments have been derived.
EME systems have been developed for exciting vibrations in the casting process.
Keywords: electromagnetic vibration exciter, mathematical model of an EME, EME dynamics equation, traction force, stiffness coefficient, damping coefficient.