CC BY
37
Общая и прикладная механика Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (2), с. 211-213
УДК 539.3:534.1
ГИДРООПОРЫ В СИНХРОНИЗУЮЩИХСЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ © 2011 г. А.В. Леонтьева, А.Б. Гордеев, Д.А. Ковригин
Нижегородский филиал Института машиноведения им. А. А. Благонравова РАН
aleonav@mail.ru
Поступила в редакцию 15.06.2011
Изучаются переходные режимы вращения ротора асинхронного электродвигателя ограниченной мощности под действием внешних вибрационных полей, которые могут генерироваться посторонними источниками вибрации. Показано, что в определенных режимах работы вибростенда возникает явление синхронизации угловой скорости вращения ротора с частотой внешнего вибрационного поля. Это приводит к затягиванию длительности переходных процессов, дополнительному потреблению электрической энергии и, как следствие, преждевременному износу узлов конструкции. Приведены результаты экспериментальных исследований по снижению уровня вибраций и шума с использованием гидравлических опор в качестве демпферов электродвигателей электровоза ВЛ-8ОС. Обоснованы экономические предпосылки применения гидроопор в энергоемких инженерных конструкциях.
Ключевые слова: переходный процесс, синхронизация, вибрация ротора, гидравлическая опора, эксперимент.
Захват угловой скорости вращения ротора электродвигателя частотами внешних источников вибрации происходит во время разгона ротора из состояния покоя. Переходный процесс может сопровождаться рядом нежелательных явлений, к примеру угловая скорость вращения ротора может и не достичь своего номинального значения, а останется в установившемся режиме гораздо меньшей (так называемое явление застревания). Это свидетельствует о вредном действии вибрационного момента на вал ротора, от которого необходимо освободиться либо, по возможности, свести к минимуму. Отмеченные явления существенно осложняются действием внешнего вибрационного поля даже тогда, когда частоты внешних возмущений не совпадают с номинальной угловой скоростью вращения ротора.
Одним из эффективных способов решения указанной проблемы по снижению уровня вибраций органов электромашин является использование гидравлических опор в качестве демпферов [1]. В настоящей работе приводятся результаты экспериментальных исследований по снижению уровня вибраций и шума с использованием гидравлических опор в качестве демпферов асинхронных электродвигателей. Обоснованы экономические предпосылки применения гидроопор в энергоемких инженерных конструкциях.
О явлении синхронизации в технике
Суть явления синхронизации состоит в том,
что несколько электромеханических объектов, совершающих по отдельности колебательные или вращательные движения с различными частотами и угловыми скоростями, начинают двигаться синхронно с одинаковыми или соизмеримыми частотами и угловыми скоростями из-за наличия пусть даже весьма слабых связей или взаимодействий. При этом устанавливаются вполне определенные фазовые соотношения между колебательными и вращательными движениями [2-6]. Важно отметить, что подобные режимы движений весьма устойчивы, т.е. они возникают самопроизвольно при подходящих электромеханических параметрах конструкции, причем их можно трактовать как в положительном, так и в отрицательном аспектах. Эффекты синхронизации угловых скоростей роторов электродвигателей, захвата частоты внешнего возбуждения экспериментально наблюдались и при исследовании вибрационных полей электровоза ВЛ-80С в переходных режимах работы. Для снижения динамических нагрузок на платформу электровоза применялись гидравлические опоры в качестве демпферов колебаний неуравновешенных электродвигателей.
Переходные режимы вращения ротора электродвигателя
Кинематическое описание переходного режима представляется в виде квазигармонического процесса с линейной частотной модуляцией [7].
Дисбаланс ротора всегда вызывает на опорах электродвигателя знакопеременные вибрационные нагрузки, которые тем значительнее, чем ближе мгновенная оборотная частота ротора к собственной частоте нагруженных кронштейнов крепления силовых агрегатов.
В реальных процессах условие линейности возрастания частоты вращения ротора электродвигателя соблюдается только в узких интервалах частот. В асинхронных электродвигателях мощностью порядка 40 кВт это условие соблюдается только на начальном участке пусковой характеристики, примерно до 60% номинального значения угловой скорости вращения ротора [8]. Эта область переходного режима является наиболее динамичной — при возрастании угловой скорости вращения ротора и с увеличением нагрузки на вал скольжение увеличивается, но вращающий момент двигателя уменьшается, поэтому скольжение еще более возрастает, следовательно, потребление энергии из сети также резко повышается. Время работы электродвигателя в области переходного режима зависит от воздействия на опоры двигателя внешних вибрационных полей в тех случаях, когда номинальная угловая скорость ротора, или одна из гармоник частотно-модулиро-ванного сигнала [8] совпадает с частотой гармоник внешнего вибрационного поля. Дальнейший рост угловой скорости вращения ротора значительно замедляется и его можно аппроксимировать логарифмической зависимостью частоты от времени [9, 10]. В работе [9] показано, что время переходного процесса при пуске мощных асинхронных двигателей пропорционально моменту инерции ротора и установившемуся коэффициенту скольжения ротора.
Гидроопоры
В системах со многими источниками вибрации всегда возможна синхронизация на одной или нескольких частотах. Вследствие этого эффекта уровень виброактивности может резко возрасти. Для гашения повышенной вибрации необходимо прежде всего развязать между собою источники вибрации. Широко применяемые в настоящее время для гашения вибрации обычные резинометаллические демпферы не всегда удовлетворяют требованиям, предъявляемым к системам с повышенной виброактивностью. Принцип действия гидравлической виброопоры основан на эффекте поглощения энергии колебаний в вязкоупругих средах с реологическими свойствами путем создания в рабочих камерах турбулентных потоков в заданных направлениях [11].
Стендовые испытания асинхронного электродвигателя показали следующее: на частотах вибрации 10—55 Гц потребляемый пусковой ток возрастал до 3 А при номинальном токе 0.95 А. Время переходных процессов до установления номинального режима возрастало в пять раз. В спектре выходного сигнала появлялась низкочастотная составляющая 1—3 Гц, которая являлась диагностическим признаком биений. Биения являются наиболее негативными факторами действия вибрации на окружающую среду. Наиболее заметно это действие в системах, насыщенных мощным энергетическим оборудованием на мобильных объектах — в наземном и подземном электротранспорте. Это приводит к неоправданному росту затрат электроэнергии. При закреплении электродвигателя на платформе с гидроопорами его пусковой ток на частотах вибростенда 10—55 Гц превышал номинальный не более чем на 50%. Приведены данные о снижении уровней вибрации электрооборудования электровоза ВЛ-80С при использовании гидроопор, а также дан расчет экономической эффективности применения гидроопор в железнодорожном транспорте. Стендовые испытания показали, что демпфирующие характеристики гидроопор по сравнению с лучшими зарубежными фирмами (МБТ2БЬБЯ, ММ-ВОвБ) на 3-4 дБ выше во всем частотном диапазоне испытаний, а резонансная частота при одинаковых нагрузках на 15 Гц ниже.
Работа выполняется при частичной финансовой поддержке РФФИ грант № 08-08-970557-Р_Поволжье.
Список литературы
1. Вибрации в технике. Т. 2. М.: Машиностроение, 1979. 351 с.
2. Фролов К.В. Колебания машин с ограниченной мощностью источника энергии и переменными параметрами // Нелинейные колебания и переходные процессы в машинах. М.: Наука, 1972. С. 5—16.
3. Блехман И.И. Синхронизация механических систем. М.: Наука, 1971.
4. Кононенко В.О. Нелинейные колебания механических систем. Киев: Наук. думка, 1980. 382 с.
5. Нагаев РФ. Квазиконсервативные синхронизирующиеся системы. СПб.: Наука, 1996. 252 с.
6. Ходжаев К.Ш. Резонансные и нерезонансные случаи в задаче о возбуждении механических колебаний // ПММ. Т. 32, вып. 1. 1968. С. 85—100.
7. Гоноровский М.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Сов. радио, 1986. 606 с.
8. Гордеев Б. А. и др. Системы виброзащиты с использованием инерционности и диссипации реологических сред. М.: Физматлит, 2004. 175 с.
9. Кацман М.М. Расчет и конструирование электрических машин. М.: Энергоатомиздат, 1984.
10. Брускин Д.Э., Зарохович А.Е., Хвостов В.С. опора / Б.А. Гордеев, А.И. Весницкий, В.И. Марков, Электрические машины. Ч. 1, 2. М.: Высш. школа, 1987. Е.И. Абакумов; заявл. 03.01.96; опубл. 10.02.98. Бюл-
11. Патент 2104424 РФ. Гидравлическая вибро- летень №4.
ON UTILIZING HYDRAULIC DAMPERS IN MECHANICAL SYNCHRONIZING SYSTEMS
A. V. Leontyeva, A.B. Gordeyev, D.A. Kovriguine
The transient rotation of the asynchronous electric motor is studied under external loading generated by a vibration field. The present paper studies the synchronization effect between the angular velocity of the rotor and the frequency of external vibrations, which usually appears in practice under some defined conditions. This leads to the elongation of transient motions, as well as, to some electric energy loss. As a result the lifetime of the engineering structure falls down. Experimental studies of the problem of decreasing the vibration level are focused on using hydraulic dampers tested on the railway locomotive ВЛ-8ОС. Some economical benefits of using such dampers in practice are discussed.
Keywords: transient process, synchronization, rotor vibrations, hydraulic dampers, experiment.
