CC BY
32
Министерство образования и науки РФ
Правительство Пензенской области Академия информатизации образования Академия проблем качества РФ Российская академия космонавтики им. К.Э.Циолковского Российская инженерная академия Вычислительный центр РАН им. А.А.Дородницына Институт испытаний и сертификации ВВТ ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л.Минца» ОАО «УПКБ ДЕТАЛЬ», ОАО «РУБИН» ОАО «НИИФИ», ОАО «ПНИЭИ», ФГУП ФНПЦ «ПО СТАРТ», НИКИРЭТ, ЗАО «НИИФИиВТ» ОАО «ППО ЭЛЕКТРОПРИБОР», ОАО «РАДИОЗАВОД» Пензенский филиал ФГУП НТЦ «АТЛАС» ОАО «ТЕХПРОММАШ», МИЭМ НИУ ВШЭ, Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева Сургутский институт мировой экономики и бизнеса «ПЛАНЕТА» Пензенский государственный университет
АадижУ{%шсж
ТРУДЫ
МЕЖДУНАРОДНОГО СИМПОЗИУМА
НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО
II то^
ПЕНЗА 2015
УДК 621.396.6:621.315.616.97:658:562 Т78
Труды Международного симпозиума «НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО»:
T78 в 2 т. - Пенза : ПГУ, 2015. - 2 том - 384 с.
ISBN 978-94170-818-5(т.1) ISBN 978-94170-818-8
В сборник трудов включены доклады юбилейного ХХ-го Международного симпозиума «Надежность и качество», проходившего с 25 по 31 мая 2015 г. в городе Пензе.
Рассмотрены актуальные проблемы теории и практики повышения надежности и качества; эффективности внедрения инновационных и информационных технологий в фундаментальных научных и прикладных исследованиях, образовательных и коммуникативных системах и средах, экономике и юриспруденции; методов и средств анализа и прогнозирования показателей надежности и качества приборов, устройств и систем, а также анализа непараметрических моделей и оценки остаточного ресурса изделий двойного назначения; ресурсосбережения; проектирования интеллектуальных экспертных и диагностических систем; систем управления и связи; интерактивных, телекоммуникационных сетей и сервисных систем; экологического мониторинга и контроля состояния окружающей среды и биологических объектов; исследования физико-технологических процессов в науке, технике и технологиях для повышения качества выпускаемых изделий радиопромышленности, приборостроения, аэрокосмического и топливно-энергетического комплексов, электроники и вычислительной техники и др.
Оргкомитет благодарит за поддержку в организации и проведении Международного симпозиума и издании настоящих трудов Министерство образования и науки РФ, Правительство Пензенской области, Академию проблем качества РФ, Российскую академию космонавтики им. К. Э. Циолковского, Российскую инженерную академию, Академию информатизации образования, Вычислительный центр РАН им. А. А. Дородницына, Институт испытаний и сертификации ВВТ, ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л. Минца», ОАО «УПКБ ДЕТАЛЬ», ОАО «НИИФИ», ФГУП «ПНИЭИ», ОАО «РУБИН», ОАО «РАДИОЗАВОД», ОАО «ППО ЭЛЕКТРИПРИБОР», ФГУП «ПО «СТАРТ», НИКИРЭТ - филиал ФГУП «ПО «СТАРТ», Пензенский филиал ФГУП НТЦ «АТЛАС», ОАО «ТЕХПРОММАШ», МИЭМ НИУ ВШЭ, Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева, Сургутский институт мировой экономики и бизнеса «ПЛАНЕТА»,Пензенский государственный университет.
Сборник статей зарегистрирован в Российском индексе научного цитирования (РИНЦ) с 2005 г.
Р е д а к ц и о н н а я к о л л е г и я :
Юрков Н. К. - главный редактор Трусов В. А. - ответственный секретарь Баннов В. Я. - ученый секретарь Волчихин В. И., Абрамов О. В., Авакян А. А., Дивеев А.И., Иофин А. А., Каштанов В. А., Майстер В. А., Острейковский В.А., Петров Б. М., Писарев В. Н., Роберт И. В., Романенко Ю. А., Северцев Н. А., Садыков С. С., Садыхов Г. С., Увайсов С. У.
ISBN 978-94170-818-5(т.1) ISBN 978-94170-818-8
© Оргкомитет симпозиума, 2015 © ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», 2015
ЛИТЕРАТУРА
1. Датчики: Справочное пособие/ Под общ. ред. В.М. Шарапова, Е.С. Полищука. М.: Техносфера, 2012, - 624 с., ISBN 97 8-5-94 83 6-516-5.
2. Кочегаров И.И. Программный пакет моделирования механических параметров печатных плат / Кочегаров И.И., Таньков Г.В. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2011. Т. 2. С. 334-337.
3. Китаев В.Н., Дремкова Н.Л., Иконникова Н.А. Оптимизация магнитных цепей приборов. Надежность и качество - 2011: труды Международного симпозиума: в 2 т. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2011. - 1 т. - 398 с., с. 90-91.
4. Кочегаров И.И. Программно-аппаратный комплекс разработки РЭС на основе ПЛИС и исследования их механических параметров / Кочегаров И.И., Таньков Г.В., Трусов В.А. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2010. Т. 2. С. 421-424.
5. Китаев В.Н., Иконникова Н.А., Перебатов В.Н. Использование метода конечно-элементного анализа для расчета и оптимизации виброчастотных приборов. Надежность и качество - 2010: труды Международного симпозиума: в 2 т. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2010. - 1 т. - 532 с., с. 462-465.
6. Китаев В. Н., Дремков М. А. Уралёв А. А. Индукционный датчик движения. Надёжность и качество - 2014: труды международного симпозиума: в 2 т. . - Пенза: Изд-во ПГУ, 2014. - 2 т. - 397 с., с. 44-45.
УДК 621.397 Китаев В.Н.
ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е. И. Забабахина», Снежинск, Россия
ОПТИМАЛЬНЫЕ ПУТИ РЕШЕНИЯ КОНСТРУКТОРСКИХ ЗАДАЧ НА ПРИМЕРЕ СОЗДАНИЯ НАДЕЖНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯРИЗОВАННОГО ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯ
Конструкторские задачи по разработке электромеханических приборов системы автоматики для использования во взрывоопасных технических объектах, создаваемых в отрасли, зачастую характеризуются особой сложностью. Эта сложность обуславливается тем, что обычно требуется разработать прибор, в котором должны быть реализованы взаимоисключающие требования. Например, для различного рода коммутирующих устройств, при малых габаритах, массе и энергопотреблении необходимо обеспечить надежную коммутацию значительного количества электрических цепей с широкими диапазонами токов, как с малыми в несколько микроампер, так и с большими до десятков ампер, сохранение исходного и переключенного состояний контактной системы при значительных виброударных нагружениях. При этом также необходимо обеспечивать стабильность электрических параметров по падению напряжения на контактах или переходному сопротивлению, сопротивлению изоляции, электрической прочности изоляции при и после длительных сроков хранения без технического обслуживания и ремонта. Для обеспечения этого необходим высокий уровень конструирования, тщательная отработка и последующее качественное изготовление подобных приборов, обеспечивающие их работоспособность с требуемым гарантированным уровнем надежности и безопасности во взрывоопасных технических объектах в течение длительных сроков эксплуатации.
К разрабатываемым в отрасли электромеханическим коммутирующим приборам предъявляются требования, как по надежности - вероятности сохранения работоспособности с обеспечением определенных параметров в условиях эксплуатации и применения в течении срока гарантии, так и по безопасности - вероятности самопроизвольного срабатывания при штатной эксплуатации и при воздействии аварийных факторов.
Указанные конструкторские задачи могут решаться различными путями - от адаптации ранее разработанных базовых технических решений электромеханических приборов аналогичного назначения путем их модернизации и оптимизации под новые задачи, до создания новых оригинальных технических решений, обычно выполняемых на уровне изобретений.
Различные пути решения конструкторских задач при проведении опытно-конструкторских работ по разработке электромеханических приборов для систем автоматики различных технических объектов в большинстве случаев открывают значительное многообразие конструктивного воплощения объекта разработки.
Выбор того или иного пути решения конструкторских задач зависит от имеющегося конструкторского задела по аналогичным задачам, решен-
ным ранее, от творческих способностей разработчика, от временного ресурса, отведенного на разработку.
Оптимальные пути решения конструкторских задач рассмотрим на примере создания малогабаритного надежного электромагнитного поляризованного переключателя с контактной системой, исключающей дребезг основных рабочих контактов при высокоинтенсивных ударных и вибрационных воздействиях. Контактная система переключателя также должна иметь увеличенное количество размыкающих и замыкающих контактов.
В отрасли разработаны и серийно изготавливаются электромагнитные поляризованные переключатели, которые в течение длительного времени применяются в различных технических объектах, к которым предъявляются повышенные требования по надежности и безопасности. Технические решения подобных переключателей, ставшие «классическими» не один раз использовались для создания переключателей аналогичного назначения, электромагнитных устройств блокировки для пороговых предохранительных электромеханических приборов. Основная особенность этих технических решений -небольшой, порядка 6° угол поворота якоря и рационально скомпонованная контактная система с упругими контактами оптимальной формы для имеющегося под них пространства. Конструкция электромагнитной системы приведена на рисунке 1, контактной системы - на рисунке 2. Единственный недостаток переключателей - возможность дребезга замкнутых контактов при значительных ударных и вибрационных воздействиях и ограничения по величине тока в коммутируемых электрических цепях объекта применения.
МагнитопроЬод
системы
Неподбижный контакт
При разработке электромагнитного поляризованного переключателя, обеспечивающего отсутствие дребезга основных контактов контактной системы, традиционно рассматривалась возможность использования электромагнитной системы (рисунок 1) разработанного переключателя с усовершенствованием контактной системы (рисунок 3). Усовершенствование направлено на уменьшение момента переключения контактной системы при сохранении контактных давлений. Для уменьшения вероятности дребезга замкнутых контактов проработана возможность их многоточечного контактирования упругими элементами контактов, имеющими различные (не кратные друг другу) собственные частоты. По разработанной конструкторской документации были изготовлены лабораторные образцы переключателей, испытания которых на заданные в техническом задании ударные и вибрационные воздействия подтвердили отсутствие дребезга замкнутых контактов.
Однако в разработанной конструкции переключателя не в полной мере было выполнено требование по диапазонам токов через замкнутые контакты переключателя в электрических цепях объекта применения.
Для обеспечения требования по диапазонам токов в электрических цепях через замкнутые контакты рассматривалась возможность применения в разрабатываемом переключателе отработанных в отрасли «врубных» контактов, характеризующихся стабильными электрическими параметрами, выпол-
ненными в виде встречно поджатых упругих плоских пластин взаимодействующих при замыкании с ножами перемыкателя, который заходит в пространство между ними, убирая при этом возможные загрязняющие пленки на контактируемых поверхностях.
контактной системы
Однако контакты подобного типа, по результатам проведенных проработок, требуют для переключения поворот перемыкателя на угол порядка 25°, то есть ранее разработанная конструкция электромагнитной системы с малым углом поворота якоря при обычном известном взаимодействии электромагнитной и контактной систем не могла быть использована в разрабатываемом переключателе. Кроме того, для обеспечения требуемого прогиба упругих плоских пластин (упругих контактов), их необходимо выполнять не менее определенной длины. Последнее обстоятельство увеличивало диаметр контактной системы, а, следовательно, и всего переключателя. Однако проведенные проработки подобной контактной системы позволили создать новое техническое решение упругих контактов и контактной системы в целом [1]. На техническое решение контактной системы получено положительное решение на выдачу патента РФ. Конструкция контактов и контактной системы приведена на рисунке 4.
<г
% г-
ЩшЦ
"1 1чЧч<ьР ЙН\ЧЧ1 Г
7
А-А
Рисунок 4 - Конструкция оптимизированных контактов и контактной системы
Была также проработана возможность введения в конструкцию разрабатываемого переключателя механизма преобразования малого угла поворота якоря в увеличенный угол поворота перемыкателя. При использовании в электромагнитной системе
переключателя современных редкоземельных высокоэнергетические постоянных магнитов проработка дала положительные результаты. По разработанной конструкторской документации также были изготовлены лабораторные образцы переключателей,
обеспечивающие надежное переключение с созданной контактной системой. В разработанном варианте конструкции переключателя контакты обеспечивают отсутствие дребезга замкнутых контактов и пропускание через замкнутый контакт значительных токов. Исключение дребезга обеспечено также многоточечным контактированием и выполнением упругих контактов с разными не кратными друг другу собственными частотами. Разработанный механизм преобразования малого угла поворота якоря в увеличенный угол поворота перемыка-теля одновременно исключил влияние времени переключения контактной системы на время поворота якоря, а также ограничил моменты, передаваемые от якоря на перемыкатель контактной системы (для исключения разрушения элементов конструкции переключателя).
Конструкция механизма преобразования малого угла поворота якоря в увеличенный угол поворота перемыкателя показана на рисунке 5.
угла и движущего момента ре.
Якорь
создаваемого на яко-
МагнтопроЬод
Рисунок 6 - Конструкция электромагнитной системы с рамочным якорем, охватывающим постоянные магниты
Рисунок 5 - Конструкция механизма преобразования малого угла поворота якоря в увеличенный угол поворота перемыкателя
Разработанное техническое решение электромагнитного поляризованного переключателя позволило исключить недостатки ранее разработанных конструкций по диапазонам токов через контакты в коммутируемых электрических цепях.
Проведены проработки конструкций электромагнитной системы с целью увеличения угла поворота якоря. Рассматривались конструкции с уменьшенными потерями в электромагнитной системе. В ранее разработанной «классической» электромагнитной системе поворотный якорь взаимодействует с полюсами электромагнитов по малому угловому зазору. В проработанных конструкциях электромагнитных систем предложено выполнять якорь, охватывающим постоянные магниты дополнительно с нижней и верхней стороны постоянных магнитов. Изготовленные лабораторные образцы электромагнитных систем устройств блокировки показали незначительное (приблизительно на 30%) увеличение угла поворота якоря. Было разработано техническое решение электромагнитной системы переключателя, в которой поворотный якорь в виде рамки полностью охватывал постоянные магниты. На разработанное технические решение получен патент РФ [2]. Конструкция электромагнитной системы с рамочным якорем приведена на рисунке 6.
Также было разработано техническое решение электромагнитной системы переключателя с расположением постоянных магнитов на поворотном якоре [3], на которое была также подана заявка на получение патента РФ. По результатам экспертизы заявки получено положительное решение на выдачу патента [4]. Схема электромагнитной системы с расположенными на якоре магнитами показана на рисунке 7.
Однако проведенные проработки показали недостаточную эффективность проведенных усовершенствований электромагнитной системы переключателя для обеспечения требуемого увеличенного
Рисунок 7 - Схема электромагнитной системы с подвижными магнитами установленными на якоре
Для обеспечения требуемого результата потребовалось создать принципиально новое техническое решение электромагнитной системы, в которой поворотный якорь взаимодействует с электромагнитами по значительной площади и по угловому зазору. В созданном техническом решении якорь поворачивается на требуемый угол в 25° с обеспечением требуемого движущего момента, достаточного для надежного переключения контактной системы. В разработанной электромагнитной системе также обеспечивается значительный момент удерживающий якорь в исходном или переключенном положении при отсутствии напряжения на обмотках управления. В электромагнитной системе применены редкоземельные высокоэнергетические постоянные магниты и обеспечена возможность высокотехнологичной регулировки и настройки ее параметров в процессе сборки. Конструкция разработанной электромагнитной системы показана на рисунке 8. По разработанной конструкторской документации изготовлены лабораторные образцы электромагнитных поляризованных переключателей, обеспечивающие требуемые технические характеристики и подтверждающие эффективность созданных новых технических решений.
Разработанная электромагнитная система, имеющая значительные конструктивные запасы и обеспечивающая возможности ее модернизации, может найти широкое применение в создаваемых в настоящее время и перспективных электромеханических приборах в качестве электромагнитных приводов контактных систем и устройств блоки-
ровки пороговых предохранительных электромеханических приборов.
Описанные пути решения конструкторских задач, на примере выполнения опытно-конструкторских работ по созданию надежного электромагнитного поляризованного переключателя, убедительно показали их эффективность. Однако для обеспечения возможности использования создаваемых в ходе проведения опытно-конструкторских работ технических решений в качестве базовых при последующих разработках устройств подобного назначения все же целесообразно принимать к разработке конструкции, имеющие значительные конструктивные запасы, с целью выполнения возможных дополнительных требований, предъявленных как в ходе разработки, так и при последующих модернизациях.
По результатам проведенных работ таким требованиям в полной мере отвечают конструкция электромагнитной системы переключателя с использованием высокоэнергитических постоянных магнитов, оснащенная механизмом преобразования малого угла поворота якоря в увеличенный угол поворота перемыкателя контактной системы (рисунок 5), и конструкция электромагнитной системы переключателя, непосредственно обеспечивающая
увеличенный угол поворота якоря и движущий момент, создаваемый на поворотном якоре (рисунок 8).
Магнитопробод
МагнитопроЬод
Рисунок 8 - Конструкция электромагнитной системы с увеличенным углом поворота якоря
ЛИТЕРАТУРА
1 Китаев В.Н., Китаева Е.Н., Новоселова Н.В., Конструкция контакта для контактной системы электромеханического прибора, Надежность и качество -2013.: труды Международного симпозиума.: в 2 т./ под ред. Н.К. Юркова. - Пенза.: Изд-во ПГУ, 2013. - 2 т. - 418 с., с 131-132.
2. Кочегаров И.И. Алгоритм выявления латентных технологических дефектов печатных плат методом оптического контроля / Кочегаров И.И., Ханин И.В., Лысенко А.В., Юрков Н.К., Алмаметов В.Б. // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2013. № 3 (27). С. 105114.
3 Электромагнитный поляризованный переключатель, патент РФ №2 529 642, H01H 51/00, опубликовано 29.09.2014.
4 Китаев В.Н., Бабушкина Е.В., О создании новой конструктивной схемы электромагнитного поляризованного переключателя, Надежность и качество -2013.: труды Международного симпозиума.: в 2 т./ под ред. Н.К. Юркова. - Пенза.: Изд-во ПГУ, 2013. - 2 т. - 418 с., с 132-134.
5 Электромагнитный поляризованный переключатель, положительное решение по заявке 2013131673 от 09.07.2013, H01H 51/22, опубликовано 27.01.2015.
УДК 621.371
Китаев В.Н., Деев С.А.
ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е. И. Забабахина», Снежинск, Россия
ВОЗМОЖНОСТИ РАЗРАБОТКИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ НА ОСНОВЕ БАЗОВЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
В технических заданиях на ОКР по разработке электромеханических приборов системы автоматики может быть предъявлено требование о том, что разрабатываемый прибор должен являться базовой конструкцией при создании приборов аналогичного назначения. Данное требование обычно воспринимается конструктором, при многообразии тематики и уникальности каждого разрабатываемого прибора, как формальное и ни к чему не обязывающее. При создании конструкций приборов разработчик в первую очередь старается обеспечить выполнение основных требований технических заданий, определяющих технические характеристики приборов [1, 2]. Однако, как показывает многолетний опыт работы конструктором, требование по базовой конструкции следует рассматривать как одно из основных.
В настоящей статье рассматриваются примеры создания электромеханических приборов для систем автоматики технических объектов с использованием ранее разработанных базовых конструктивных элементов, подтверждающие актуальность внутри приборной унификации при решении конструкторских задач.
В электромеханических приборах, разрабатываемых для использования в технических объектах и различных системах этих объектов, можно выделить основные конструктивные элементы, которые, хотя и в различном конструктивном исполнении, входят в конструктивные схемы приборов, то есть являются характерными для этих приборов.
Разрабатываемые предприятием электромеханические приборы обычно предназначены для коммутации электрических цепей систем технических объектов, то есть в состав их конструкций вхо-
дят контактные системы. Конструкторские решения контактных систем весьма разнообразны и определяются требованиями по величине токов в электрических цепях, требованиями по переключению и сохранению замкнутого состояния контактов при воздействии виброударных нагружений, а также продолжительностью и условиями эксплуатации.
Однако удачные конструкции контактов и контактных систем действительно становятся базовыми конструкциями и находят применение в других разрабатываемых электромеханических приборах как не вызывающие у разработчика сомнений в их эффективности и надежности в создаваемой конструкции. При этом для различных требований по величинам токов в электрических цепях и условиям работы разработаны соответствующие этим требованиям и условиям технические решения контактов и контактных систем.
В разрабатываемых электромеханических приборах находят широкое применение контактные системы с подвижными упругими контактами, закрепленными на токовыводах лазерной или точечной дуговой сваркой и неподвижными контактами, конструктивно совмещенными с другими токовыводами. Для обеспечения стабильных электрических параметров по падению напряжения в контактном переходе на места контактирования обычно наносится золотое или серебряное гальваническое покрытие. При этом выполнение покрытия, вместо ранее традиционных золотых и серебряных контактов, позволило значительно повысить собственные частоты упругих контактов и вывести их за диапазон возможных эксплуатационных вибрационных воздействий, что обеспечило вибропрочность контактов. Форма упругого контакта, для увеличения его
