Научная статья на тему 'Исследование тяговых характеристик электромагнита размыкателя гидроакустической аппаратуры'

Исследование тяговых характеристик электромагнита размыкателя гидроакустической аппаратуры Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
375
76
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МЕМБРАНА / РАЗМЫКАТЕЛЬ / ЭЛЕКТРОМАГНИТ С ВЫСОКОЙ ТЯГОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ / ELECTROMAGNET WITH HIGH TRACTIVE CHARACTERISTIC / MEMBRANE / RELEASE

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Штефан А. Б.

Проведены теоретические и экспериментальные исследования разработанного втяжного электромагнита постоянного тока. Построены электромеханические характеристики для различных катушек намагничивания, позволяющие выбрать необходимую для надежного срабатывания исполнительного механизма размыкателя.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Штефан А. Б.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Research into Tractive Characteristics of Electromagnet of Hydroacoustic Equipment Release1"Yuzhmorgeologia", Gelendzhik

Theoretical and experimental research into designed plunger electromagnet of direct current is carried out. Electromechanical characteristics for different magnetizing coils enabling to choose the one necessary for reliable work of executive mechanism of release are developed.

Текст научной работы на тему «Исследование тяговых характеристик электромагнита размыкателя гидроакустической аппаратуры»

УДК 551.46 (26)

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЯГОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОМАГНИТА - РАЗМЫКАТЕЛЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ

А.Б. Штефан

ГВЦ ФГУГП «Южморгеология», г. Геленджик Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым

Ключевые слова и фразы: мембрана; размыкатель; электромагнит с высокой тяговой характеристикой.

Аннотация: Проведены теоретические и экспериментальные исследования разработанного втяжного электромагнита постоянного тока. Построены электромеханические характеристики для различных катушек намагничивания, позволяющие выбрать необходимую для надежного срабатывания исполнительного механизма размыкателя.

Для возвращения самовсплывающих аппаратурных контейнеров (седимента-ционные ловушки, измерители придонных течений, маяки-ответчики подводной навигации и др.) на поверхность акваторий, установленных на морском дне, служат специальные размыкатели, отсоединяющие их от якоря при подаче на исполнительный механизм кодированных импульсов «на размыкание» по гидроакустическому каналу с помощью бортовой аппаратуры [7].

Вид такого размыкателя приведен на рис. 1.

Исполнительным элементом размыкателя служат втяжные электромагниты постоянного тока, расположенные в двух боксах для его надежной работы в водной среде.

Необходимо рассчитать и спроектировать электромагнит с высокой тяговой характеристикой при минимальных размерах. Для этого электромагнитной силе Рэ необходимо преодолеть сопротивление плоской пружины Р1 и эластичной мембраны Р2- Следовательно, спроектированный электромагнит должен иметь силу электромагнитного притяжения, удовлетворяющую неравенству

Р > Р + р • (1)

Для того чтобы зацеп размыкателя после срабатывания исполнительного механизма как можно быстрее освободил аппаратурный контейнер от якорного груза, с его тыльной стороны устанавливается прямая плоская пружина прямоугольного сечения. Пружина жестко закреплена одним концом и работает на изгиб под действием внешней нагрузки при малых линейных перемещениях за счет прижима зацепа размыкателя к основанию (рис. 1, б).

Для расчета пружины, выполненной из бериллиевой бронзы Бр.Б2, воспользуемся формулами, приведенными в работах [5, 9].

А-А

Рис. 1. Эскиз размыкателя:

а - общий вид; б - в разрезе; 1 - корпус; 2 - зацеп; 3 - бокс исполнительного механизма;

4 - втяжной электромагнит; 5 - якорь; 6 - вертлюг; 7 - эластичная мембрана;

8 - плоская пружина; К - канат крепления контейнера к якорю; ип - напряжение питания; ОС - цепь обратной связи

Плоские пластинчатые пружины проверяются на допустимый прогиб 1 по формуле

1 = (р/)/(ЪЫ), (2)

где Р1 - нагрузка на конце пружины, Н; I - вылет пружины, м; Е - модуль упругости, Н/м ; J = ЬБ /12 - момент инерции сечения пластины с размерами Ь и 5, см . Исходя из конструктивных соображений, задаемся значениями 1 = 5 10 2 м;

Ь = 7 10 2 м; I = 28 10 2 м и находим необходимую толщину пружины по формуле

5 = (212юв )Д ЪЕ1), (Ъ)

-8 2

где Юв = 5 10 Н/м - предел прочности при изгибе для бронзы Бр.Б2;

Е = 10,Ъ 10-10 Н/м2 [8].

Зная геометрические размеры пружины, из формулы (2) найдем значение нагрузки Р1:

Р1 =( Е1Ь5Ъ')! 41Ъ. (4)

Рассчитанная по формуле (4) нагрузка Р1 при необходимых конструктивных размерах пружины составляет 5,1 Н.

Г офрированная эластичная мембрана, используемая в размыкателе, нагружается осевой силой тяги электромагнита. Для того чтобы найти эту силу, восполь-

зуемся уравнением упругой характеристики мембраны (см. рис. 1, а), приведенным в работах [1, 2]:

(р2 К )/(рЕИ4 ) = ца К/ Л) + ^Ь(ю0/ к3), (5)

где

a = (1 +a)2/

3K1 (l-ц2/a2 ) ; b = K1 [12-(1 -m)/(a-m)(a + 1)]/(a2 -1); (6)

к - толщина мембраны; Н - глубина гофрировки; К - радиус мембраны.

Значения коэффициентов ц и V выбираются из работы [2] в зависимости от относительного радиуса жесткого центра р0 = г0 / К (где г0 - радиус жесткого центра) и параметра а, характеризующего глубину гофрировки мембраны.

Безразмерный параметр а связан с геометрическими коэффициентами Кі и К2 зависимостью

а 2=КіК2. (7)

Коэффициенты Кі и К2 зависят только от геометрии профиля мембраны и ее толщины. Для синусоидального профиля Кі = 1 и К2 = 3Н 2/2к2 +1 [2], следовательно

а2 = 3Н 2/2к2+1. (8)

В уравнение упругой характеристики мембраны входят модуль упругости ре—6 2

зины Е = 10 -10 Н/м , коэффициент Пуассона т = 0,5, а также ее прогиб ю0 , м, зависящий от осевой силы Р2, Н. Прогиб мембраны определяется по формуле

«0= (Р2 К4 )/б4Я, (9)

где Б = Ек^112 (1 — т2) - цилиндрическая жесткость мембраны.

Решив уравнение характеристики мембраны относительно Р2, найдем усилие, необходимое для ее прогиба ю0.

Исходя из конструктивных особенностей исполнительного механизма раз—2

мыкателя, прогиб мембраны ю0 принят равным 6,5 -10 м.

Из формулы (5) найдем

P2 = nEh4

ha (юо/ h ) + çb (w3/ h3 )

'R2. (10)

Подставив необходимые размеры в уравнение (10), получим Р2 = Ъ,6 Н.

Суммарное значение усилий, которое должен преодолеть электромагнит, составляет Р1 + Р2 = 5,1 + Ъ,6 = 8,7 Н.

В связи с изложенным, необходимо рассчитать и спроектировать электромагнит с силой электромагнитного притяжения ^э не ниже 15 Н.

Под расчетом электромагнита понимается задача определения необходимых размеров, при которых выполняются поставленные требования, при этом его размеры и вес должны быть минимальными.

Для этого необходимо использовать ряд уравнений, связывающих заданные характеристики проектируемого электромагнита с его основными размерами.

Расчет будем вести при условии, что необходимая начальная сила электромагнита = 15 Н и требующийся ход якоря ю0 = 8н = 6,5 • 10-2 м.

Проведенные исследования [6] показывают, что рациональная величина индукции В для втяжных электромагнитов колеблется в пределах 0,6... 1,6 Тл. Кроме того, при кратковременном режиме работы электромагнита значения индукции должны быть взяты более высокими.

При технических расчетах электромагнита неизбежны некоторые упрощения, поэтому расчетные значения электромагнитной силы будут получаться с некоторой погрешностью.

Чтобы рассчитать необходимую электромагнитную силу ^э, следует определить геометрические размеры и спроектировать электромагнит. Основными размерами, подлежащими определению (рис. 2), в первую очередь будут диаметр якоря и неподвижного сердечника йя, внутренний диаметр корпуса Бк, длина катушки электромагнита 1к и сечение провода q, которым должна быть намотана обмотка.

С точки зрения определения основных размеров вновь проектируемого электромагнита необходимо использовать ряд уравнений, приведенных в работе [6]:

1) уравнение электромагнитной силы, действующей на якорь,

2

F =

(3,18 10-8 В2

+ 2,54

d2 ) (d2 + 0,74 S£ ) ; (11)

2) уравнение магнитной цепи электромагнита

©к = К (£§нdя)/(dя +0,74 8Н),

(12)

где Кэ - коэффициент запаса по намагничивающей силе;

э) уравнение, связывающее значение намагничивающей силы обмотки с размерами и температурой ее нагрева при кратковременном режиме работы,

©2=0,82C3/K2dя ;

(13)

4) уравнение, определяющее параметры обмотки в зависимости от ее намагничивающей силы,

q = 7,710-6dя (0к/U),

(14)

где и - напряжение источника питания.

Все коэффициенты, приведенные в уравнениях, рассчитываются по формулам литературных источников [4, 6].

/*■

.wWWWWWWWwwWWWxÿ^

:ф £ »I àй 1 îа а1 üü*âS ïхzхSisй 12хSi^

Рис. 2. Схематический разрез электромагнита

Уравнения (11) - (14) позволили определить искомые размеры /к = 36 10 м;

£>к = 32 10 2 м; йл = 12,8 10 2 м ид = 1,37 мм2 при значении индукции В = = 1,2 Тл.

На основании этих данных можно определить по формуле (11).

Однако в результате того, что значение индукции принималось усредненным и не учитывались слагаемые силы потоков рассеяния, необходимо было провести эксперимент с четырьмя катушками, намотанными близкими к расчетному значению по диаметру проводами, чтобы определить наибольшее значение электромагнитной силы на специальном стенде (рис. 3).

Так как ход якоря электромагнита 2 ограничен 10 10 2 м, то к граммометру 3 подсоединяют необходимый наборный груз 5. Для более точного определения электромагнитной силы притяжения ^э дополнительно приплюсовываются к общему весу показания граммометра 3 с учетом сопротивления гибкой мембраны 4.

При включенном источнике питания 6 через зарядное сопротивление Я заряжается конденсатор С, который соединен с транзисторным ключом 9. В свою очередь, электромагнит 2 через гибкую мембрану 4 соединен с граммометром 3, на который можно навешивать необходимый наборный груз 5. Граммометр служит для более точного определения ^э.

Генератор прямоугольных импульсов 8 соединен с источником постоянного тока 7, ключом 9 и осциллографом 10, служащим для определения длительности и формы импульса, поступающего с генератора.

При нажатии кнопки Кн включается генератор, который открывает транзи-

_3

сторный ключ на 40-10 с, и напряжение с заряженного конденсатора поступает на катушку электромагнита, втягивая якорь во внутрь.

а)

ЭМ

R

б)

Рис. 3. Испытательный стенд:

а - механическая часть стенда; б - блок-схема измерений тяговых характеристик электромагнита с различными катушками; 1 - основание стенда; 2 - электромагнит;

3 - граммометр; 4 - гибкая мембрана; 5 - наборной груз; 6-7 - источники постоянного тока 24 и 5 В соответственно; 8 - генератор прямоугольных импульсов;

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

9 - транзисторный ключ; 10 - осциллограф

2

4

3

1

5

F, н

60

50

40

30

20

^ 2 4 6 8 10 12 5x10 2, м

Рис. 4. Семейство электромеханических характеристик:

1 - 668 вит., 0 0,56, Я = 5 Ом; 2 - 433 вит., 0 0,64, Я = 2,5 Ом;

3 - 354 вит., 0 0,69, Я = 2 Ом; 4 - 347 вит., 0 0,74, Я = 1,8 Ом,

5 - расстояние между неподвижным сердечником и втяжным якорем электромагнита

_2

Изменяя положение корпуса электромагнита через каждые 2 10 м до

2

10 10 м, определяют тяговую силу ¥ъ. Цикл повторяется до тех пор, пока при определенном весе груза электромагнит не срабатывает для каждой градации корпуса (2, 4, 6, 8, 10) -10_2 м.

Все катушки испытываемого электромагнита намотаны проводом ПЭВ-1 [3]. Длительность прямоугольного импульса для всех катушек составляла

40 • 10_ 3 с при среднем токе нагрузки 4,67 А.

По данным испытаний построены электромеханические характеристики (рис. 4).

Анализируя электромеханические характеристики, останавливаем свой выбор на катушке № 2, где начальная сила ¥э = 15,5 Н.

Список литературы

1. Андреева, Л.Е. Упругие элементы приборов / Л.Е. Андреева. - М. : Машиностроение, 1987. - 392 с.

2. Андреева, Л.Е. Мембраны / Л.Е. Андреева. - М. : Машиностроение, 1990. -104 с.

3. Электрические кабели, провода и шнуры : справочник / Н.И. Белоусов

[и др.]. - М. : Энергоатомиздат, 1988. - 536 с.

4. Основы теории электрических аппаратов / Б.К. Буль [и др.] ; под ред. Г.В. Буткевича. - М. : Высшая школа, 1982. - 600 с.

5. Нестеренко, А.Д. Детали и узлы приборов. Расчет и конструирование /

А. Д. Нестеренко, П.П. Орнатский. - Киев, 1988. - 376 с.

6. Гордон, А.В. Электромагниты постоянного тока / А.В. Гордон, А.Г. Сли-винская. - М. ; Л. : Госэнергоиздат, 1960. - 447 с.

7

7. Пат. 200215 Российская Федерация, МПК В 22/ОО, 0001 815/ОО, 001 У1/36. Размыкатель для возвращаемых подводных объектов / Штефан Б.А. ; заявитель и патентообладатель ГП «НИПИокеангеофизика». - Заявл. 16.01.04 ; опубл. 13.04.04, Бюл. № 22. - 9 с. : ил.

8. Справочник конструктора точного приборостроения / под ред. Ф.Л. Литвина. - М. ; Л. : Машиностроение, 1984. - 944 с.

9. Чурабо, Д.Д. Детали и узлы приборов. Конструирование и расчет : справ. пособие. - М. : Машиностроение, 1985. - 559 с.

Research into Tractive Characteristics of Electromagnet of Hydroacoustic Equipment Release

A.B. Shtefan

“Yuzhmorgeologia ”, Gelendzhik

Key words and phrases: electromagnet with high tractive characteristic; membrane; release.

Abstract: Theoretical and experimental research into designed plunger

electromagnet of direct current is carried out. Electromechanical characteristics for different magnetizing coils enabling to choose the one necessary for reliable work of executive mechanism of release are developed.

Forschung der Zugcharakteristiken des Elektromagnetes des Ausschalters der hydroakustischen Apparatur

Zusammenfassung: Es sind die theoretischen und experimentalen Forschungen des entwickelten des Einziehungselektromagnetes des Gleichstroms durchgeführt. Es sind die elektromechanischen Charakteristiken für verschiedene Spulen des Magnetisierens gebaut. Sie gewährleisten sichere Abnutzung des Vollzugsmechanismus des Öffners.

Etude des caractéristiques de traction d’un électro-aimant désengageur de l’appareillage hydroacoustique

Résumé: Sont effectuées les études théoriques et expérimentales d’un électroaimant aspirant élaboré du courant continu. Sont construites les caractéristiques électromécaniques pour les différents électro-aimants d'enclenchement permettant de choisir un désengageur nécessaire pour le fonctionnement sûr du mécanisme.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.