CC BY
169
УДК 62-567/629.113.012.8
А. В. ДЕМИН Р. Н. ХАМИТОВ
Омский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ УСИЛИЯ, РАЗВИВАЕМОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ КОМПЕНСАТОРОМ ЖЕСТКОСТИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ КОНСТРУКЦИИ
В статье рассмотрены вопросы влияния различных конструкций устройства гашения колебаний на итоговое усилие, а именно влияния разделения электромагнитных катушек, и добавления участков магнитопровода на усилие, развиваемое на различных ходах сердечника соленоида. Разработана математическая модель устройства и проведено моделирование в режиме свободных колебаний в программном комплексе MATLAB Simulink. Расчет усилий, развиваемых соленоидом в зависимости от конструкции, осуществлялся при помощи программного пакета ELCUT 5.6 Профессиональный. В статье приведена модель компенсатора в виде соленоида и оценивается усилие, развиваемое соленоидом при разных типах его конструкций. Выявлено, что при добавлении в конструкцию соленоида концентраторов электромагнитного поля усилие, развиваемое соленоидом, увеличивается, при расщеплении катушки максимальное усилие снижается, однако увеличивается усилие, развиваемое соленоидом при больших ходах. Сделан вывод о целесообразности применения усовершенствованной конструкции компенсатора жесткости для улучшения характеристики гашения колебаний без изменения потребляемой мощности и изменения габаритных размеров устройства. Ключевые слова: электромагнитный компенсатор жесткости, Simulink, ELCUT, имитационная модель, математическая модель.
Пассивные системы виброзащиты (подрессори-вания) с постоянными характеристиками транспортных средств являются наиболее распространенными в настоящее время. Потенциальные возможности подобных систем виброзащиты в удовлетворении требований к плавности хода транспортных средств ограниченны. Вследствие этого пассивные системы сдерживают повышение виброзащиты водителя, комфортности пассажиров, сохранности перевозимых грузов, виброзащиты собственных агрегатов и узлов транспортного средства и препятствуют росту эксплуатационных скоростей его движения. В связи с этим создание управляемых систем виброзащиты для повышения плавности хода транспортных средств является актуальной проблемой, один из путей решения которой — построение электромеханических виброзащитных систем [1].
Целью данных исследований является рассмотрение возможностей повышения демпфирующих свойств системы пассивной виброзащиты за счет дополнения ее управляемым электромагнитным элементом.
В качестве амортизирующих конструкций в виброзащитных системах различных объектов могут быть использованы пружинные, гидравлические, пневмогидравлические, пневматические, инерционные, резиновые, пластические амортизаторы. Опыт эксплуатации виброзащитных систем крупногаба-
ритных объектов показал, что весьма перспективными являются пневматические упругие элементы на основе резинокордной оболочки (РКО).
В таких устройствах отсутствует металлический контакт между подрессоренными и неподрессо-ренными частями амортизируемого объекта (АО) и передача вибрационных нагрузок осуществляется через резинокордную стенку и сжатый рабочий газ [2]. Подобный амортизирующий элемент имеет множество достоинств, таких как высокая грузоподъемность, низкая цена, повышенная плавность хода автотранспортных систем на основе этого элемента. Для улучшения характеристик гашения колебаний в данный пневматический элемент предлагается внести управляемый электромагнитный компенсатор жесткости соленоидного типа — аналогично техническому решению по патенту № 2481506 [3]. В устройстве используется РКО Н-48.
Для исследования виброзащитной системы рассмотрены свободные колебания в одностепенной системе. Свободные колебания АО и давление рабочего газа пневмоамортизатора (ПА) с электромагнитным компенсатором описываются следующей математической моделью [1]:
йг У0 + Бэ ■ z
М ■ z + (Р -Ро)■ + КЕ ■ z + ¥эм = 0,
(1)
ар к ■ Р ■ 8э ■ z
где Р — текущее давление рабочего газа (воздуха) в резинокордной оболочке;
Рд — давление в резинокордной оболочке ПА при статическом положении;
Уд — рабочий объем ПА при статическом положении АО; М — масса АО; к — показатель адиабаты; 5э — эффективная площадь ПА;
О, О, О — относительные перемещения, скорость и ускорение АО;
а+х
Я К
сила трения в РКО;
огуп с = -
- 1 при с < О, [-1 при с > О.
„ _ , Л' ИЬ(х) Их
и=Я • 1+Ь)х)-—+1--—--,
Лд )1х Лд
Л' 1)
1
Ш
Н2(х) Лх ы -Я • г -г--—---
Во,
8
/и0 • п • х • 1 то • п • а • 1
N2
То • по • + х Л х
/Я • п • а • 1 ■ N2
2(х)= — " " " "----=Ь'-
Я...
а +х
хх а +х
2
, ¡и0-п -а-Л • N
(4)
ЭМ — электромагнитная сила, развиваемая компенсатором.
В случае пассивной виброзащитной системы рэм = 0 Н.
(2)
При составлении уравнений приняты следующие допущения:
1. Рабочий газ в ПА подчиняется закона м иде) альных газов.
2. Температура окружающей среды постоянна и равна Т..
3. Рабочий процесс в ПАсчитается адиабатическим.
4. Движение АО происходит только в вертикальном направлении.
5. Эффективная площадь (8э) ПА при движении АОне меняется.
6. Утечки газа из ПАотсутствуют.
7. = 0,01 Mg (дне случая примененной резинокордной оболочки Н-48, определено экспериментально).
Математнческая модеоь -еленоида О8иоывает процессы в элек-рической еодеистеие но1 исно уравнения, с омтасленного по веор ому за кону Кирхгофа [4]:
и=Я• , Л)
Вх) • ',
где Ят — хгагнть=е 8оэротивление системы ; ¡10 — магни=ная про ницаемость вакуума; N — число в стков кат=шки соленоида; Ь — инд]ктивностн ролeнсрда; а — толщина магсито провода;
й — ширина воздушного зазора в магнитопро-воде;
8 — величина воздушного зазора между сердечником и катуш кой.
Электромагнитная сила определяетхо в предпо-<оикении линейной магнитной системы 8 постоянства тока =ри изменении коордивать! перехещения сеи дечни ка
а _ ии^ ЛЬ(х) = '
ЭМ - , ~ 1
Лх И Лх
ЛЬ(х) _ а ■ Ь'
и а ■ 2'
2 (=+х)2
Лх (а+х)2
(5)
(3)
Лх Лд _
где u — номинальное на+ряжение =итанк^5^ соленоида;
Я — сопротивление катушки нилeнoида; Ь(x) — индуктив 8о сть кaсyшну с о леноида; I — ток в катуике сипенонда;
х — коордиоата ееpомтщения серд^чн=ьа с(^;хе-ноида;
щ — потокосцептенде кит^енки соленоида.
На основь магнит-гт cыпрoт2ьлeыия нэонит-ной цепи соленоида опредхлим егт ин=иктнсиocть в виде зависамссти от +ddpdииaты перимьщеоия сердечника толенон=а:
где Ш — энергия магнитного пола селено=да.
В процессе исследования была создана модель пневмоамортизатора в програмoноы комплексе МАТЬАВ БшиНпк (рис. 1). Начальны е ус+овия для системы: при t = 0 z = = 0,1 м, с е О. В модель введен импульсный электромагнитный генератор силы 13 качестве компенсатора жесткости, который создает расчетное противодействующее усилие упругой силе пневмоамортизатора.
Модель позволит определить параметры технического задания для проектирования электромагнитного компенсатора жесткости пневматического упругого элемента виброзащитной системы, ориентированной на нагрузки порядка 1 тонны и более. У данного типа компенсатора следующие преимущества: управляемость, изменяемые параметры усилия, адаптивные характеристики в зависимости от профиля дороги, высокая эксплуатационная надежность, необслуживаемость и др.
Модель соленоида, реализованная в программном комплексе МАТЬАВ БшиНпк, включена в модель виброзащитного устройства. В ходе исследований использовался неуправляемый импульсный источник питания соленоида с частотой, соответ-схвующей частоте собственных колебаний виброза-щхтно го устройства с амортизируемым объектом, — 1,+5 Гц, период — 0,8 с, длительность импульса — 35 % периода, амплитуда импульсов питания — 12 В (рис. 2).
В ходе исследований в комплексе программ БЬСиТ 5.6 Профессиональный оценивалось влияние различных конструкций магнитопровода и катушки на силу втягивания сердечника. Параметры задачи в БЬСиТ: тип задачи — магнитостатика, модель осесимметричная, число ампер-витков обмотки — 3330, относительная магнитная прони-Ц м
цаемость — обмотки Мо
1, — электротехнической Мо
95
Рис. 1. Имитационная модель пневматического амортизатора с устройством демпфирования колебаний
Рис. 2. Графики перемещения тока в обмотке, напряжения питания и давления в пневматическом амортизаторе соответственно
стали — 4000, модель окружена воздухом, граничные условия — магнитный потенциал, равный нулю.
При расчетах положение сердечника относительно катушки менялось в пределах 0—100 мм, причем при 0 мм сердечник целиком находился в катушке, шаг изменения положения сердечника равнялся 10 мм. Виды конструкций приведены на рис. 3, сравнение результатов расчетов представлено в табл. 1, где А — соленоид с расщепленной обмоткой и т-образным магнитопроводом, В — соленоид с цельной обмоткой, П-образным магни-топроводом с магнитоконцентраторами и С — соленоид с расщепленной обмоткой, т-образным магнитопроводом и магнитоконцентраторами. Так-
же усилия наглядно изображены на рис. 4 в виде графиков.
Очевидно, что в транспортных средствах необходимо сделать привязку управляющих сигналов соленоида к одному из регулируемых параметров виброзащитной системы, в качестве которых возможно выбирать, например, вертикальную координату колебаний АО [5], давление рабочего тела в пневмобаллоне [6] и др.
Введение в состав виброзащитного устройства компенсатора жесткости позволяет сократить время свободных колебаний до 25 — 40 % при использовании компенсатора только на ходе отбоя [7, 8]. Внедрение подобных систем требует дополнительных
Положение сердечника относительно катушки, мм 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0
Усилие, развиваемое моделью, Н А 0,0 211,0 43,0 23,0 23,5 19,0 50,0 19,0 9,0 5,0 2,5
Б 0,0 333,0 129,0 48,0 30,5 21,5 16,0 11,5 7,0 4,5 2,0
В 0,0 294,0 80,0 48,0 28,0 25,0 91,0 54,0 12,0 6,0 2,5
Г, Н 350,00
150,00
100,00
\ ' \
11
11 л\1
: Л ' >1<
1 1|< * <1 1 а и
|| 1 1 1 \ \л
к V / / // ч/с.. ч \ \ \ \ \ -
---соленоид с расщепленной
обмоткой, и т образным магнитопроводом
^^ соленоид с расщепленной обмоткой, т образным магнитопроводом с магнитоконцентраторами
• —соленоид с цельной обмоткой, и П образным магнитопроводом
,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00
Ь, мм
Рис. 4. Графики усилий компенсатора жесткости в зависимости от хода сердечника (Ц
исследовании возможностей различных конструкций компенсаторов, их оптимизации, алгоритмов их работы в различных дорожных условиях, возможностей системы энергообеспечения транспортного средства.
Выводы. Электромагнитный одиночный демпфер соленоидного типа имеет узкий диапазон требуемых значений развиваемого усилия (10 — 20 мм). Для расширения диапазона можно использовать не только два параллельно работающих соленоида с различной конфигурацией обмоток, но и доработанные типы конструкций (рис. 3).
Таким образом можно добиться более ровной характеристики усилия и уменьшения времени колебания колебаний. В частности, при использовании одного устройства с однокатушечным соленоидом время гашения колебаний составляет
8,06 секунды, а при использовании устройства с расщепленной обмоткой и концентраторами электромагнитного поля время сокращается до 7 секунд при неизменных требованиях к питанию демпфера и габаритных размерах устройства.
Библиографический список
1. Хамитов, Р. Н. Системы амортизации крупногабаритных объектов с активными упругими и демпфирующими элементами : моногр. / Р. Н. Хамитов, Г. С. Аверьянов. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2010. - 123 с.
2. Фролов, К. В. Вибрации в технике : справ. В 6 т. Т. 2. Колебания нелинейных механических систем / К. В. Фролов. — М. : Машиностроение, 1979. — 352 с.
3. Пат. 2481506 РФ, МПК Б 16 Б 9/04, Б 16 Б 6/00. Электропневматический амортизатор / Хамитов Р. Н., Аверьянов Г. С.,
Бельков В. Н., Перчун А. А. ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Омский гос. техн. ун-т». - № 2011145781/11 ; заявл. 10.11.2011 ; опубл. 10.05.2013.
4. Архипова, Е. В. Моделирование втяжных броневых электромагнитов и разработка усовершенствованных методик их проектного расчета : дис. ... канд. техн. наук : 05.09.01 : защищена 25.12.2014 / Архипова Елена Владимировна. — Чебоксары, 2014. — 228 с.
5. Дьяков, А. С. Активная система пневматического под-рессоривания со ступенчатым изменением жесткости / А. С. Дьяков, А. С. Олейников // Прогресс транспортных средств и систем — 2013 : материалы Междунар. науч.-техн. конф. — Волгоград : ВолГТУ, 2013. — С. 48 — 49.
6. Хамитов, Р. Н. Система управления и процессы двух-объемного пневмоамортизатора / Р. Н. Хамитов // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М. Ф. Решетнева. — 2010. — № 1. — С. 105—109.
7. Демин, А. В. Электропневматическое виброзащитное устройство / А. В. Демин, Р. Н. Хамитов // Фундаментальные исследования. — 2015. — № 6 — 2. — С. 230 — 234.
8. Демин, А. В. Исследование конструкций электропневматического виброзащитного устройства соленоидного типа / А. В. Демин, Р. Н. Хамитов // Современные проблемы науки и образования. — 2015. — № 2 — 2. — С. 112.
ДЕМИН Александр Владимирович, аспирант, ассистент кафедры электрической техники. Адрес для переписки: deminksander@gmail.com ХАМИТОВ Рустам Нуриманович, доктор технических наук, профессор кафедры электрической техники.
Адрес для переписки: apple_27@mail.ru
Статья поступила в редакцию 18.04.2016 г. © А. В. Демин, Р. Н. Хамитов
Книжная полка
Васильев, Б. Электропривод. Энергетика электропривода : учеб. / Б. Васильев. - М. : Солон-Пресс, 2015. - 272 c. - ISBN 978-5-91359-155-5.
Дается анализ нормативной базы в области энергосбережения. Показана роль электроприводов в энергосбережении. Рассмотрены вопросы практического энергетического обследования электроприводов и обоснования технико-экономической, энергетической и эксплуатационной эффективности регулируемых электроприводов. Рассмотрены энергетические характеристики электроприводов с асинхронными двигателями и преобразователями частоты, показатели электромагнитной, электромеханической и энергетической совместимости электроприводов и их влияние на энергетику электропривода. Рассмотрены методы повышения энергетических характеристик электроприводов. Рассмотрены вопросы выбора асинхронных двигателей для регулируемых и нерегулируемых электроприводов, преобразователей частоты, тормозных резисторов и других элементов. Приведены примеры использования, структуры и состав оборудования современных электроприводов на промышленных объектах и в технических средствах топливно-энергетического комплекса.
Книга, представленная в виде учебника, предназначена для бакалавров и магистров, обучающихся по направлению «Электроэнергетика и электротехника» и других электротехнических и электроэнергетических направлений подготовки специалистов различных профилей и уровней. Может быть интересна специалистам в области разработки, проектирования и эксплуатации автоматизированного электропривода, энергосбережения.
Онищенко, Г. Теория электропривода : учеб. / Г. Онищенко. - М. : ИНФРА-М, 2015. - 304 с. -ISBN 978-5-16-009674-2, 978-5-16-100998-7.
Изложена теория современного автоматизированного электропривода, приведены основы электромеханического преобразования энергии, рассмотрены вопросы передачи механической энергии от вала двигателя к рабочему органу технологической машины, способы преобразования электрической энергии посредством силовых полупроводниковых преобразователей, входящих в состав электропривода. Даны анализ электромеханических характеристик основных типов электродвигателей в установившихся и переходных режимах, способы регулирования координат электропривода; описываются типовые системы регулируемого электропривода, общие методы построения замкнутых систем автоматического регулирования электроприводов, методы расчета и выбора электродвигателей.
Для студентов высшего профессионального образования по направлению подготовки «Электроэнергетика и электротехника»; может быть использован аспирантами и научно-техническими работниками, специализирующимися в области автоматизированного электропривода.
