CC BY
43
Plahotnikova Elena Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, e plahotnikova@ mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Protasev Viktor Borisovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.646.986
ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ КАЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ЦИКЛА «ЗАКРЫТИЕ» СИСТЕМЫ «ЭЛЕКТРОПРИВОД - ЗАПОРНАЯ АРМАТУРА»
Е.В. Плахотникова, В.Б. Протасьев
Описывается модель с использованием асинхронного электродвигателя и конструктивных параметров, адекватно отражающих систему «электропривод - запорная арматура». Приводится методика экспериментальных исследований системы.
Ключевые слова: электропривод, запорная арматура, силовые характеристики, качество.
Задачи теоретического описания динамики переходных процессов, возникающих в физических объектах, решаются более конкретно и правильно, если имеется возможность экспериментального подтверждения полученных аналитических результатов.
В этом случае можно оценить базовую конструкцию по критериям правильности и точности [1] и получить уверенность в достоверности полученных результатов.
Необходимость проектирования и изготовления физической модели системы «электропривод - запорная арматура» возникла в результате рассогласования выходных характеристик систем, функционально объединяющих электропривод и запорную арматуру [2 - 6].
Основной целью создания физической модели являлись изучение системного эффекта, проявляющегося в виде электродинамического момента [3], и разработка методик проведения экспериментов, позволяющих подтвердить правильность представленных в предыдущих работах [2-6] теоретических моделей и выводов.
Кинематическая схема системы «электропривод - запорная арматура», в соответствии с которой была разработана вся необходимая для про-
изводства физической модели документация, представлена на рис.1.
В соответствии с принятыми на рис.1 обозначениями приведем описание принципа работы системы.
Асинхронный электродвигатель 1 через муфту 2 соединен с червяком 5, который расположен на валу 6 и имеет возможность осевого перемещения. Своими торцами червяк опирается на пружины 3, удерживающие его в нейтральном положении.
При включении электродвигателя 1 однозаходный червяк 5 вращает червячное колесо 8 (2=42), которое, в свою очередь, передает вращение на ходовой винт 11 (М8х1,25), преобразующий вращательное движение привода в поступательное перемещение запорного органа арматуры (клапана) 12.
Рис. 1. Кинематическая схема модели «электропривод - запорная арматура»
При достижении крайнего положения запорный орган (клапан) 12 упирается в седло 13 и останавливается. Далее останавливается червячное колесо 8.
Электродвигатель продолжает работать, червяк 5 вращается и под воздействием со стороны застопоренного червячного колеса 8 смещается вдоль вала 6, сжимая при этом пружину 3, обеспечивая необходимое усилие закрытия.
Когда величина сжатия достигнет заданной величины Х, срабатывает конечный микропереключатель 4 и электродвигатель 1 отключается.
Временной интервал между срабатыванием микропереключателя 4 и снятием напряжения с двигателя 1 зависит от суммарного гистерезиса (задержки) компонентов [6]. Крутящий момент, возникающий в процессе резкого торможения, так же, как и пусковой, может многократно превышать значение номинального момента, а его величина тем больше, чем больше промежуток времени между началом торможения ротора и отключением поля статора.
После отключения электродвигателя за счет инерционных моментов вал 6 продолжает вращаться, создавая дополнительное усилие закрытия, которое достигает максимума в момент полной остановки электродвигателя 1 и соответствует электродинамическому крутящему моменту системы «электропривод - запорная арматура».
С целью определения величины углового перемещения выходного вала электропривода при остановке электродвигателя в корпусе модели вид (А-А) установлен диск 9 со шкалой (вид В), а на валу 11 закреплена стрелка 10, которая может фиксировать любое положение вала.
Полученная физическая модель системы «электропривод - запорная арматура» представлена на рис. 2 с сохранением позиций, указанных на рис. 1.
Рис. 2. Физическая модель системы «электропривод - запорная арматура.»
Графики изменения крутящих моментов в системе «электропривод - запорная арматура» в процессе выполнения технологического цикла «закрытие» представлены на рис. 3.
Пружина Червяк
Рис. 3. Графическая интерпретация работы системы «электропривод - запорная арматура» при выполнении технологического цикла «закрытие»
В соответствии с представленными графиками (рис.3) при включении электродвигателя крутящий момент достигает пускового значения (Мпуск), а затем его величина снижается до величины момента холостого хода (Мхх) и сохраняется таковой до касания клапана 12 (рис.1, 2) с седлом 13 (рис.1, 2) в точке (А).
До срабатывания конечного выключателя 4 (рис.1, 2) пружина сжимается на величину Х, обеспечивая момент М1. При этом кинетическая энергия привода переходит в потенциальную энергию, величина которой равна площади треугольника АБК. До момента остановки в точке С обесточенный привод обеспечит дополнительную потенциальную энергию, которая соответствует площади треугольника БСБ (рис.3).
Для подтверждения теоретических положений, представленных в предыдущих работах (наличие рассогласования в системах «электропривод - запорная арматура» по статическим и электродинамическим силовых характеристикам, в виду некорректного совмещения элементов системы, наличие корреляционной связи между выходными характеристиками и техническими параметрами системы - жёсткости запорной арматуры, инерции системы и т.д.), предложены следующие этапы проведения экспериментальных исследований с использованием физической модели (рис.1, 2).
На первом этапе предполагается выявить соответствие теоретически полученной зависимости для определения усилия сжатия пружины на валу червяка и фактических усилий, полученных при экспериментах.
Для реализации данного этапа предполагается определить момент касания клапана 12 с седлом 13 (рис.2) и зафиксировать конечный выключатель 4 (рис.2) в установленном положении.
Усилие сжатия определяется измерением длины сжатой пружины с помощью штангенциркуля, а также величиной деформации пружины касания X и усилия Р, действующего на начальный радиус червячного колеса Го.
При этом используются следующие зависимости:
Р = Х-к, (1)
М± = Р • г0 • г], (2)
О =-*--(3)
ГсрШг+рУ у '
где к - жёсткость пружины, определенная экспериментально [кг/мм]; М -момент, соответствующий закрытию клапана [кг-мм]; Г| - коэффициент полезного действия червячной передачи; гср - средний диаметр винта 11 (см. рис.1) перемещающего клапан 12 (см. рис.1, 2); у - угол подъема витков резьбы на винте (см. рис.1 поз 11); р - угол трения стали по серому чугуну, из которого изготовлен клапан.
На втором этапе предлагается экспериментально определить фактические крутящие моменты М, соответствующие закрытию клапана.
С этой целью, предполагая, что момент закрытия клапана, равен моменту его открытия шкив 7 (см. рис.1, 2) через шнур 14 необходимо соединить с платформой 15, на которой расположена чаша с песком. Вес песка фиксируется в момент начала вращения шкива, при этом вес платформы и чаши определяется предварительно.
Момент, соответствующий весу определяется зависимостью
М з = Г ■ <2 (4)
где г - радиус шкива; 0 - общий вес приложенной нагрузки.
На третьем этапе предлагается определить зависимость изменения крутящего момента М от величины Хг (рис.3).
С этой целью конечный выключатель 4 (см. рис.1, 2) устанавливается ближе или дальше от левого торца червяка 5, т.е. изменяется величина Х1 (рис.3) и при этом фиксируется момент закрытия клапана. Основная цель эксперимента - доказать линейность закона изменения крутящего момента закрытия М3. С помощью углового лимба 10 и стрелки, закрепленной на валу 11 (рис.1, вид В), фиксируются углы, при которых происходят закрытие клапана 12 и остановка системы и в конечном итоге определяются зависимости, связывающие величины Х1 и угол ср.
По мнению авторов, результаты экспериментов позволят рассчитать все функциональные характеристики системы «электропривод - запорная арматура» и разработать методику проектирования систем, обеспечивающую высокий уровень качества и ожидания потребителя.
Список литературы
1. Протасьев В.Б., Анисимова М.А. Критерии правильности и точ-
128
ности в инструментальном производстве // Стандарты и качество: научно-технический журнал Госстандарта России. М.: РИА "Стандарты и качество". № 4. 2001. С. 59-60.
2. Плахотникова Е.В. Динамические нагрузки в электроприводной арматуре // Международный журнал «Трубопроводная арматура и оборудование». 2012. № 5 (62). С. 72-75.
3. Плахотникова Е.В. Протасьев В.Б. Повышение эффективности систем «запорная арматура - электропривод» // Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 6. Ч. 1. С. 142-152.
4. Плахотникова Е.В. Обоснование методов снижения электродинамических нагрузок в системах «электропривод - запорная арматура» с учетом жесткости запорной арматуры // Известия Юго-Западного государственного университета. 2014. № 1 (52) C. 59-65
5. Плахотникова Е.В., Протасьев В.Б. Повышение качества электродинамических систем «электропривод - запорная арматура» путем обеспечения согласованности и функциональной совместимости их элементов // Известия Орловского государственного технического университета. Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2014. № 1 (303). С. 37-44.
6. Плахотникова Е.В. Повышение качества электродинамических систем «запорная арматура - электропривод» для трубопроводов АЭС с газовым теплоносителем: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. 123 с.
Плахотникова Елена Владимировна, канд техн. наук, доц, e plahotnikova a mail.rii, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Протасьев Виктор Борисович, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
PHYSICAL MODEL FOR THE STUDY OF QUALITY PERFORMANCE IN THE TECHNOLOGICAL CYCLE "CLOSING" THE " ELECTRIC DRIVE- STOP VALVES"
E. V. Plahotnikova, V. B. Protasev
The model with use of the asynchronous electric motor and the design data which are adequately reflecting system "the electric drive - stop valves" is described. The technique ofpilot studies of system is given.
Key words: electrodriving stop valves, power characteristics, quality.
Plahotnikova Elena Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, e plahotnikovaa mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Protasev Viktor Borisovich, doctor of technical sciences, professor, imstulgy@pochta. ru, Russia, Tula, Tula State University
