Электромеханические элементы в виброударозащите крупногабаритных объектов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

8. Gaponov-Grekhov, A. V., Rabinovich, M. I. Nonstationares structures — Chaos and Order // Synergetics of the Brain / Ed. Haken H. — B., Heidelber, N.Y., Tokyo : Springer-Verlag, 1983.

9. Федоров, В. К. Управление и энтропия электроэнергетической системы / В. К. Федоров // Изв. вузов. Энергетика. — 1983.- № 3 -С. 39-45.

ФЁДОРОВ Владимир Кузьмич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета (ОмГТУ).

РЫСЕВ Павел Валерьевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» ОмГТУ. РЫСЕВ Дмитрий Валерьевич, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» ОмГТУ.

ФЁДОРОВ Игорь Владимирович, старший преподаватель кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» ОмГТУ.

ФЕДЯНИН Виктор Викторович, студент группы ПЭ-519 ОмГТУ.

ПОЛЫНЦЕВ Леонид Геннадьевич, аспирант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» ОмГТУ.

ЗАБУДСКИЙ Андрей Иванович, аспирант кафедры «Электротехника и электрификация сельского хозяйства» Омского государственного аграного университета им. П. А. Столыпина.

Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, кафедра «Электроснабжение промышленных предприятий»

Статья поступила в редакцию 11.07.2013 г.

© В. К. Фёдоров, П. В. Рысев, Д. В. Рысев, И. В. Фёдоров, В. В. Федянин, А. И. Забудский

УДК 621.313-3: 62-567 Р. Н. ХАМИТОВ

Г. С- АВЕРЬЯНОВ А. А. ПЕРЧУН

Омский государственный технический университет

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ВИБРОУДАРОЗАЩИТЕ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ОБЪЕКТОВ

Предложены конструкции виброударозащитных устройств с электромеханическим демпфером для крупногабаритных объектов с большими ходами. Приведены результаты исследования динамики при свободных колебаниях, показано преимущество двухходового виброударозащитного устройства.

Ключевые слова: активная система демпфирования, электромеханический демпфер, пневмоамортизатор, коэффициент поглощения энергии.

Виброударозащитные устройства (ВЗУ) крупногабаритных амортизируемых объектов (т>10 т) с большими ходами содержат амортизаторы различных видов и гидродемпферы [1]. Подобные объекты, как правило, подвергаются инфранизким частотным динамическим воздействиям или ударным нагрузкам. В качестве амортизатора обычно используется пневмоамортизатор (ПА) с наличием или без воздушного демпфирования. Для устранения виброударопроводимости и других недостатков гидродемпфера в динамических режимах работы ВЗУ предлагается вместо них применить электромеханический демпфер на базе асинхронной машины (АМ). Данное активное ВЗУ является комбинированным и содержит ПА, обеспечивающий статическую нагрузку (несущую способность) ВЗУ и электромагнитный демпфер на базе АМ, работающий только в динамических режимах работы ВЗУ. ВЗУ представляет собой электротехнический комплекс, предназначенный для преобразования механической энергии колебаний амортизируемого объекта (АО)

в тепловую энергию, рассеиваемую в роторной цепи АМ и других элементах ВЗУ, или в электрическую энергию, отдаваемую с помощью обратимых преобразователей в сеть (источник питания) АМ. Для проектирования ВЗУ, удовлетворяющих желаемым требованиям, выбора параметров компенсаторной силы АМ и режима торможения АМ необходимо разработать динамическую модель пневмоэлектро-механической системы: амортизируемый объект (АО) — неуправляемый ПА — демпфер на базе АМ.

Варианты двух конструкций ВЗУ приведены на рис. 1 и 2. Одноходовая конструкция ВЗУ (рис. 1а) обеспечивает работу демпфера только в режиме отбоя ПА (одностороннее демпфирование) за счет работы блока управления на основе сигнала преобразователя перемещений [2]. Усовершенствованием первой конструкции является двухходовая конструкция ВЗУ (рис. 2а), в которой блок управления ВЗУ (рис. 2б) обеспечивает работу демпфера как в режиме отбоя, так и в режиме сжатия ПА [3]. В качестве АМ используется трехфазный асинхронный

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123 ) 2013

*

192

ИхпопаюиеАО

-і---------------

итт полотне АО

а) б)

Рис. 1. Комбинированное ВЗУ с односторонним демпфером: конструкция (а): 1 — подвижная часть (обойма), 2 — неподвижная часть, 3 — РКО,

4 — пневматический упругий элемент, 5 — АМ,

6 — барабан с тросом, 7 — трос, 8 — устройство натяга троса,

9 — блок управления; расчетная схема динамики (б)

а) б)

Рис. 2. Комбинированное ВЗУ с двухсторонним демпфером: конструкция (а):

1 — подвижная часть (обойма), 2 — неподвижная часть, 3 — РКО,

4 — пневматический упругий элемент, 5 — АД, 6 — барабан с тросом, 7 — трос, 8 — блок управления; структурная схема блока управления (б)

электродвигатель (АД), работающий на обоих ходах ПА в режиме торможения противовключением и создающий компенсационную электромагнитную силу [4].

Моделирование пневмоэлектромеханической системы в динамике построим на базе совместного рассмотрения процессов в пневматической, механической и электрической подсистемах, образующий комплекс ВЗУ в целом, на основе расчетной схемы и с учетом известных допущений [1]. Если рассматриваемая одностепенная система (рис. 1б) выведена из положения равновесия, то она совершает свободные колебания. АО поднимается на значение перемещения Z0 и сбрасывается. При этом на систему действуют: сила инерции M-Z"; сила тяжести Mg; сила давления воздуха в объемах ПА (упругая сила); сила трения в резинокордной оболочке (РКО) R^; компенсаторная сила электромагнитного демпфера АБэ.

В общем виде система дифференциальных уравнений движения АО для свободных колебаний запишется в следующем виде

йР _ к-Р-8э-г

<И У0+53-г

, • йг

\г = — сН

M■z + (P-Pl!)■S,l+R!.■signz+AF,t■signz = 0, (1)

где z, х , г — вертикальные перемещения, скорость и ускорение АО, Р — текущее давление сжатого газа упругого элемента ПА, А — режимный коэффициент электромагнитного демпфера, У0 — начальный объем ПА при статическом положении АО, к — коэффициент адиабаты (для воздуха к =1,4), М — масса АО, Sэ — эффективная площадь упругого элемента ПА, Р0 — давление сжатого воздуха упругого элемента ПА в статическом положении АО, Rz — сила трения в РКО.

Сила инерции Мгг АО создает на валу АМ момент сопротивления Мс:

Мс=М-г-ЯБ, (2)

Рис. 3. Имитационная модель одноходового ВЗУ

Рис. 4. Имитационная модель двухходового ВЗУ

Рис. 5. Свободные колебания АО при отключенном электромеханическом демпфере Z(t) (і =10,8 с)

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013

Рис. 6. Свободные колебания АО при включенном одноходовом электромеханическом демпфере Z(t), *10, р(0 (1аа = 5,7 с)

при включенном двухходовом электромеханическом демпфере Z(t), V(t), P(t) (fnn = 2,5 c)

где R£ — плечо приложения силы к валу АМ (радиус барабана).

Компенсаторная сила электромагнитного демпфера Fa зависит от значения режимного коэффициента А и электромагнитного момента МЭ, создаваемого АД (F3=M3/R ). В случае одноходовой конструкции ВЗУ (рис. 1)

Г1 при z > О,

[О при z < 0.

В случае двухходовой конструкции ВЗУ (рис. 2)

Г1 при z > 0,

А = ^ .

[-1 при z< 0.

В качестве модели электрической подсистемы рассматривалась модель трехфазной обобщенной асинхронной машины [5]. Питание статорных обмоток АМ осуществляется симметричным трехфазным напряжением. В случае одноходовой конструкции питание статорных обмоток производится трехфазным напряжением с прямым чередованием фаз только на ходе отбоя. В случае двухходовой конструкции питание статорных обмоток производится трехфазным напряжением: на ходе отбоя — с прямым чередованием фаз, а на ходе сжатия — с обратным чередованием фаз. Моделирование процессов и исследование динамики активных ВЗУ на базе АМ, которые относятся к мехатронным системам, при свободных колебаниях проведем с помощью среды МАТЬАВ^тиИпк в пакете Sim Power System [1, 6].

Разработанные схемы имитационных моделей ВЗУ приведены на рис. 3 (одноходовая конструкция ВЗУ) и рис. 4 (двухходовая конструкция ВЗУ).

Результаты анализа динамики для данных конструкций при свободных колебаниях приведены на рис. 5 — 7 при следующих параметрах ПА и АМ и исходных (начальных) данных:

1. Параметры ПА с РКО И-10: М=1500 кг, P = 0,396*106 Па, К=1,41, 5=0,03 м2, R=0,05 м,

стат ' ' ' ' э ' ' Ь ' 1

д=9,81 м/с2, ЯЕ = 0,01 Мд, Р0 = 0,20 35*106 Па, У0=0,005 м3, Z0 = 0,1 м, ^^)0 = 0 м/с2.

2. Параметры АМ: выбранная модель АД из библиотечных моделей — 10НР460V60Hz1760RPM, система координат — вращающаяся, связана с ротором (оси d и q), Рн=7,46 кВт, Яа=0,6837 Ом, I, =0,004152 Гн, Я' =0,451 Ом, Г, =0,004152 Гн, Ь =

1^ г 1г т

= 0,1486 Гн, 7=0,05 кг*м2, р = 2.

3. Питающее симметричное трехфазное напряжение АД: ил=380 В, /=50 Гц.

При расчете модели был выбран неявный метод интегрирования Рунге — Кутта в начале решения и метод, использующий формулы обратного дифференцирования 2-го порядка в последующем — ode23tb с автоматическим выбором параметров метода. Время переходного процесса tпп определялось по «вхождению» кривой свободных колебаний АО в коридор ±0,01 м. Параметры схемы замещения АД определялись по методике, приведенной в [7].

Время переходного процесса в ВЗУ без демпфера и в ВЗУ при применении одноходового демпфера сократилось практически в два раза (10,8 с и 5,7 с). Время переходного процесса при применении двухходового демпфера сократилось практически в четыре раза (10,8 с и 2,5 с).

Значение коэффициента поглощения энергии ВЗУ без демпфера за период колебаний на основе осциллограммы свободных колебаний (рис. 5) имеет следующее значение:

ЛУЦ тд(г„-г,) Аг 0,1-0,09 р1 ' У/ тдгв г„ 0,1 ’ '

Значение коэффициента поглощения энергии одноходового ВЗУ за период колебаний на основе осциллограммы свободных колебаний (рис. 6) имеет следующее значение:

АУУ, тд(г0-г,) Аг 0,1-0,082 01„

’ Ш тдг0 г0 0,1 ' '

Рис. 8. Зависимость времени переходного процесса одноходового ВЗУ от мощности АД

Значение коэффициента поглощения энергии двухходового ВЗС за период колебаний на основе осциллограммы свободных колебаний (рис. 7) имеет следующее значение:

АУУ',

тд(га -г,) тдг0

Аг

0,1-0,067

0,1

0,33.

При использовании в качестве демпферов АД серии RA производства Ярославского электромеханического завода, различных по мощности, при питании непосредственно от сети расчеты по модели одноходового ВЗУ показали результаты, приведенные на рис. 8. Однако расчет процессов в одноходовом ВЗУ при питании АМ непосредственно от сети с использованием АМ различных мощностей показал, что имеется наименьшая по мощности АМ для данного ВЗУ, обеспечивающая минимальное время переходного процесса (4 кВт). Зависимость времени переходного процесса от мощности АМ носит резонансный характер, что говорит о необходимости дополнительных исследований в данном направлении. Значение коэффициента поглощения энергии ВЗУ с двухходовым демпфером по сравнению с одноходовым демпфером повысилось практически в два раза (0,33 и 0,18 соответственно). Электромеханический демпфер на базе АМ возможно использовать в качестве замены гидравлических амортизаторов в системах виброударозащиты крупногабаритных объектов.

Таким образом, очевидно, что АМ возможно использовать в качестве электромеханического демпфера в конструкциях «длинноходовых» ВЗУ, а предлагаемое направление по использованию электромеханических демпферов в ударовиброзащите может быть рекомендовано для более детального исследования и внедрения в системы амортизации крупногабаритных объектов. Достоинством использования АД в ВЗУ является их широкая номенкла-

тура по типам, по мощности, по конструктивным исполнениям и т.д. [8, 9], что отвечает разнообразным условиям эксплуатации СА крупногабаритных объектов, а также возможность регулирования их характеристик за счет частотного управления.

Библиографический список

1. Хамитов, Р. Н. Системы амортизации крупногабаритных объектов с активными упругими и демпфирующими элементами / Р. Н. Хамитов, Г. С. Аверьянов. — Омск : ОмГТУ, 2010. - 123 с.

2. Пат. 2424127 Российская Федерация, МПК В 60 С 13/14, F 16 F 9/04, F 16 F 15/03. Пневматический амортизатор / Р. Н. Хамитов, Г. С. Аверьянов, А. Б. Корчагин, Ю. З. Ковалев ; заявитель и патентообладатель Омский гос. тех. ун-т ; опубл. 20.07.2011, Бюл. № 20.

3. Пат. № 2422294 Российская Федерация, МПК В 60 С 13/14, F 16 F 9/04, F 16 F 15/03. Пневматический амортизатор / Р. Н. Хамитов, Г.С. Аверьянов, А.Б. Корчагин ; заявитель и патентообладатель Омский гос. тех. ун-т ; опубл. 27.06.2011, Бюл. № 18.

4. Коловский, М. З. Автоматическое управление виброза-щитными системами / М. З. Коловский. — М. : Наука, 1976. — 167 с.

5. Копылов, И. П. Математическое моделирование электрических машин / И. П. Копылов. — М. : Высш. школа, 1987. — 248 с.

6. Хамитов, Р. Н. Динамическая модель электромеханической системы: пневмоамортизатор — электромагнитный двухсторонний демпфер на базе асинхронной машины / Р. Н. Хамитов, Д. С. Рощупкин // Повышение надежности и энергоэффективности электротехнических систем и комплексов : меж-вуз. тематич. сб. науч. тр. / Под. ред. В. А. Шабанова. — Уфа : УГНТУ, 2010. — С. 54 — 58.

7. Герман-Галкин, С. Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем / С. Г. Герман-Галкин. — СПб. : КОРОНА-Принт, 2001. — 368 с.

8. Электротехнический справочник: В 4 т. Т. 2. Электротехнические изделия и устройства / Под общ. ред. проф. МЭИ (гл. ред. И. Н. Орлов). — М. : МЭИ, 2003. — 518 с.

9. Электродвигатели. Каталог ВЭМЗ. — Владимир : ВЭЗМ, 1997. — 24 с.

ХАМИТОВ Рустам Нуриманович, доктор технических наук, доцент кафедры «Электрическая техника».

АВЕРЬЯНОВ Геннадий Сергеевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Авиа- и ракетостроение».

ПЕРЧУН Алексей Алексеевич, доцент учебно-военного центра, аспирант кафедры «Авиа- и ракетостроение».

Адрес для переписки: арр1е_27@ mail.ru

Статья поступила в редакцию 28.09.2013 г.

© Р. Н. Хамитов, Г. С. Аверьянов, А. А. Перчун

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА