CC BY
26
5. Биргер И. А., Иосилеви Г. Б. Резьбовые и фланцевые соединения. М., Машиностроение, 1990, 368 с.
6. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Общие требования. ГОСТ Р 52857.1-2007.
7. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет на прочность и герметичность фланцевых соединений. ГОСТ Р 52857.4-2007.
Постановка задачи оптимального выбора геометрических параметров электромагнитных двигателей Шабанов А. С.1, Ефимова Ю. Б.2, Морозов П. В.3, Зонов В. Н.4
1 Шабанов Андрей Сергеевич / Shabanov Andrei Serheevych - аспирант;
2Ефимова Юлия Борисовна /Efimova Julia Borisovna - кандидат технических наук, доцент;
3Морозов Павел Владимирович /Morozov Pavel Vladimirovich - кандидат технических наук,
доцент;
4Зонов Владимир Назарович /Zonov Vladimir Nazarovich - кандидат технических наук, доцент, кафедра теоретических основ электротехники,
Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск
Аннотация: анализируются подходы при выборе основных геометрических
параметров электромагнитных двигателей в задачах оптимального проектирования. В качестве критерия для оценки рассматриваются условия получения максимальной механической работы или усилия в заданном объеме электромагнитного двигателя.
Abstract: analyzes the approaches to the choice of the geometric parameters of the electromagnetic motors for optimal design. The criteria for the evaluation considered the conditions for obtaining the maximum mechanical work or effort in a given volume of the electromagnetic motor.
Ключевые слова: электромагнитный двигатель, оптимальные геометрические параметры, критерии оценки, безразмерные комплексы.
Keywords: electromagnetic motor, the optimal geometric parameters, evaluation criteria, dimensionless complexes.
Электромагнитные двигатели (ЭМД) возвратно-поступательного движения находят применение в промышленности для механизации различных технологических процессов и производств [1-5].
Расширение областей использования электромагнитных двигателей непосредственно связано с рационализацией их рабочих процессов и выбора конструктивных схем машин [6-12].
Особая роль отводится вопросам нагрева и охлаждения ЭМД в различных режимах [13-16]. Очевидно, что при естественных способах охлаждения увеличение продолжительности работы ЭМД возможно только в повторно-кратковременных режимах их работы [17].
Методы расчета и оптимального проектирования ЭМД по-прежнему остаются в приоритете [18-22]. При проектировании ЭМД вопрос выбора наиболее выгодных соотношений размеров является достаточно важным, и в зависимости от требований, предъявляемых к электромагнитному устройству, подход к его решению может быть различен. Однако в большинстве случаев выбор оптимальных размеров магнитопровода целесообразно осуществлять при условии, чтобы отношение механической работы, совершаемой ЭМД, или электромагнитного усилия к объему (массе) его активных материалов, было максимальным [23, 24].
81
Наиболее распространенной формой ответа на поставленный вопрос является аналитическое решение задачи оптимизации геометрических размеров. При равных условиях определяются соотношения между основными размерами, такими как:
d„
отношение диаметра якоря, к диаметру магнитопровода х = —^, отношение длины
обмотки к диаметру магнитопровода у
1к
—, причем это сопровождается рядом
допущений, касающихся сечений и насыщения стали магнитопровода, потоков рассеяния, выпучивания и т. д. [25-26].
Весь аналитический расчет при необходимости оценки устройства по ряду показателей качества сводится к определению технико-экономического показателя (целевой функции), определяющей эффективность ЭМД. Введение показателя эффективности и требование при оптимальном проектировании, называемом целевым синтезом, обеспечения ее максимального значения при наличии ограничений определяет необходимость экстремального исследования исходной функции. При этом целевая функция может выражаться функционалом, в правой части которого имеются все геометрические параметры ЭМД, выраженные через его основные размеры в относительных единицах и постоянный коэффициент в виде
П = ВДГ ( х, у ),
где К(^) - постоянный коэффициент; Г (х, у) - безразмерный комплекс геометрических параметров (размеров).
Коэффициент К = f (£) характеризует размерный комплекс постоянных
параметров и зависит от многих факторов, определяемых совершенством используемых материалов (коэффициента теплоотдачи с поверхности, температуры перегрева, коэффициента заполнения обмотки, удельного сопротивления и плотности используемых материалов и т. д.), не связанных с геометрией ЭМД, и которые при выборе размеров магнитопровода считаются неизменными. Выражение Г (х, у)
связано только с геометрией двигателя и характеризуется комплексом варьируемых величин. Величины, входящие в варьируемый комплекс, являются взаимосвязанными из условия равномерности сечений магнитопровода и выражены через основные соотношения размеров ЭМД х и у. Таким образом, весь процесс оптимизации
сводится к установлению максимума относительно безразмерного комплекса при варьировании параметрами х, у при прочих равных условиях и предположении
постоянства К(^). Естественно, что изменение относительных размеров
электромагнитной системы нарушает условия подобия, и сумма объемов активных материалов магнитопровода и обмотки не остается величиной постоянной, что влечет к изменению условий теплоотдачи, т. е. влияет на абсолютную величину коэффициента К(^). Таким образом, при учете данного обстоятельства весь расчет
оптимизации в аналитическом виде сводится к установлению максимума только относительно безразмерного комплекса Г (х, у) варьированием определенных геометрических соотношений вне зависимости от абсолютной величины функционала.
Иначе обстоит вопрос, связанный с оптимизацией геометрических размеров при помощи численного моделирования с использованием математической модели устройства. Даже при высокой степени точности силовой характеристики возможность оперирования понятиями оптимальных соотношений вызывает некоторые затруднения. Сложность вопроса заключается в корректном разделении значений взаимосвязанных геометрических величин, присутствующих в силовой
82
характеристике, или в ее интегральном преобразовании, и величин, которые в процессе моделирования необходимо сохранять без изменений.
Определение соразмерностей в ЭМД при расчетах для случая постоянства объемов изменяет условие теплоотдачи с поверхности двигателя, что нарушает абсолютное значение размерного комплекса постоянных параметров [27].
В связи с этим, дополнительно возникает необходимость моделирования тепловых процессов, что значительно усложняет задачу исследований. Точность полученных решений зависит во многом от того, насколько удачно построена тепловая модель магнитной системы.
Процесс оптимизации значительно упрощается в случае сохранения без изменений суммы объемов активных материалов. При этом задача может решаться как с изменением относительных размеров электромагнитной системы при нарушении подобия, так и при сохранении относительных размеров, когда подобие соблюдается.
В первом случае предполагается, что условия теплоотдачи не нарушаются, происходит только перераспределение активных зон, участвующих в теплообмене. Во втором, вариация геометрических параметров осуществляется только относительно внутренней геометрии при сохранении внешней. В обоих случаях сохраняется абсолютная величина магнитной системы.
Литература
1. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Низкочастотные ударные электромагнитные машины и технологии // Актуальные проблемы в машиностроении. 2014. № 1. С. 256-259.
2. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Исследование двухкатушечной синхронной электромагнитной машины с инерционным реверсом бойка // Современные проблемы теории машин. 2014. № 2. С. 109-110.
3. Нейман Л. А. Синхронный электромагнитный механизм для виброударного технологического оборудования // Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2014. № 6 (207). С. 17-19.
4. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Линейные синхронные электромагнитные машины для низкочастотных ударных технологий // Электротехника. 2014. № 12. С. 45-49.
5. Аксютин В. А. Прессовое оборудование с линейным электромагнитным приводом для механизации технологических процессов ударной сборки и штамповки мелких изделий / В. А. Аксютин, Л. А. Нейман, В. Ю. Нейман, А. А. Скотников // Актуальные проблемы в машиностроении. 2015. № 2. С. 220-224.
6. Способы повышения энергетических показателей однообмоточных импульсных устройств с электромагнитным возбуждением / В. Ю. Нейман, Д. М. Евреинов, Л. А. Нейман, А. А. Скотников, Ю. Б. Смирнова // Транспорт: Наука, техника, управление: Научный информационный сборник. М.: Изд-во ВИНИТИ, 2010. № 8. С. 29-31.
7. Нейман В. Ю. Режимы форсированного аккумулирования магнитной энергии в импульсных линейных электромагнитных двигателях // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. 2003. № 1. С. 105-112.
8. Нейман В. Ю. Петрова А. А. Сравнение способов форсировки импульсных линейных электромагнитных двигателей // Электротехника. 2007. № 9. С. 47a-50.
9. Нейман В. Ю. К вопросу о рационализации рабочих процессов и выбора конструктивных схем электромагнитных ударных машин // Автоматизированные электромеханические системы: Коллективная монография / Новосиб. гос. техн. унт; Под ред. В. Н. Аносова. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. С. 155-170.
10. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Новые конструктивные решения проблемы точной синхронизации возвратно-поступательного движения бойка неуправляемой электромагнитной машины ударного действия // Актуальные проблемы в машиностроении. 2015. № 2. С. 280-285.
83
11. Малинин Л. И., Нейман В. Ю. Определение напряжения преобразования энергии и электромагнитных сил в электромеханических системах // Электричество. 2008. № 6. С. 57-62.
12. Нейман Л. А. Анализ процессов энергопреобразования в однокатушечной синхронной электромагнитной машине с двухсторонним выбегом бойка // Известия Томского политехнического университета. 2013. Том 323. № 4. С. 112-116.
13. Нейман Л. А., Скотников А. А., Нейман В. Ю. Исследование нагрева электромагнитного двигателя в переходных режимах // Известия вузов. Электромеханика. 2012. № 6. С. 50-54.
14. Нейман Л. А. Приближенный расчет цикличного электромагнитного привода с учтенным начальным превышением температуры в переходном тепловом процессе нагрева // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. 2014. № 1 (22). С. 113-122.
15. Нейман Л. А. Оценка перегрузочной способности ударного электромагнитного привода по средней температуре перегрева в переходных режимах // Известия вузов. Электромеханика. 2013. № 6. С. 58-61.
16. Нейман В. Ю., Нейман Л. А. Оценка конструктивного совершенства систем принудительного охлаждения синхронных электромагнитных машин ударного действия // Журнал Сибирского Федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2015. Т. 8. № 2. С. 166-175.
17. Нейман Л. А, Нейман В. Ю. Шабанов А. С. Упрощенный расчет электромагнитного ударного привода в повторно-кратковременном режиме работы // Электротехника. 2014. № 12. С. 50 -53.
18. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Математическая модель электромеханической системы колебательного движения с упругими связями // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2015. № 6. С. 35-40.
19. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Моделирование динамических процессов в электромагнитных преобразователях энергии для систем генерирования силовых воздействий и низкочастотных вибраций // Известия Томского политехнического университета. 2015. Том 326. № 4. С. 154-162.
20. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Динамическая модель электромагнитного привода колебательного движения для систем генерирования низкочастотных вибраций // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. 2015. № 3 (28). С. 75-87.
21. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Повышение точности аналитического расчета радиальных сил одностороннего магнитного притяжения некоаксиальных элементов магнитопровода // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. 2015. № 1 (58). С. 246-256.
22. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Применение метода проводимостей для учета силы одностороннего магнитного притяжения асимметричного электромагнита // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2015. № 2 (97). С. 214-218.
23. Оптимизация геометрии линейных электромагнитных двигателей с использованием конечноэлементного моделирования магнитного поля / Ю. Г. Соловейчик, В. Ю. Нейман, М. Г. Персова, М. Э. Рояк, Ю. Б. Смирнова, Р. В. Петров // Известия вузов. Электромеханика. - 2005. - № 2. - С. 24-28.
24. Нейман В. Ю., Нейман Л. А., Петрова А. А. Влияние соотношений главных размеров электромагнитов на значения конструктивного фактора и показателя экономичности // Автоматизированные электромеханические системы: [сб. науч. тр.]. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. - С. 177-187.
25. Нейман В. Ю., Нейман Л. А., Петрова А. А. Расчет показателя экономичности силового электромагнита постоянного тока с помощью моделирования магнитного
84
поля // Транспорт: Наука, техника, управление: Научный информационный сборник. - М.: Изд-во ВИНИТИ. - 2008. - № 6. - С. 21-24.
26. Нейман Л. А., Петрова А. А., Нейман В. Ю. К оценке выбора типа электромагнита по значению конструктивного фактора // Известия вузов. Электромеханика. -2012. - № 6.- С. 62-64.
27. Нейман В. Ю., Нейман Л. А., Петрова А. А. Сравнение геометрически подобных систем электромагнитов по условию постоянства теплового критерия // Электротехника. 2011. № 12. С. 14а-16.
Оценка возможности продления срока безопасной эксплуатации системы автоматизации технического устройства, эксплуатируемого на опасном производственом объекте Давыдов С. А. , Климов О. Ю.2, Крылов Д. И.3, Макеев М. В.4, Тарасов П. А.5, Рамзин А. Б.6, Яшников Д. В.7
1 Давыдов Сергей Александрович / Davydov Sergey Aleksandrovich - заместитель заведующего, отдел автоматизированных систем управления технологическими процессами;
2Климов Олег Юрьевич / Klimov Oleg Yurevich - заместитель заведующего, Инжиниринговый центр;
3Крылов Денис Иванович / Krylov Denis Ivanovich - заместитель заведующего;
4Макеев Максим Владимирович /Makeev Maxim Vladimirovich -заведующий;
5Тарасов Павел Андреевич / Tarasov Pavel Andreevich - инженер 1 -ой категории, отдел оценки соответствия;
6Рамзин Алексей Борисович /Ramzin Aleksey Borisovich - заместитель заведующего;
7Яшников Даниил Валерьевич / Yashnikov Daniil Valerevich - инженер 2-ой категории, лаборатория неразрушающего контроля, технической диагностики и металловедения, Акционерное общество «Центральное конструкторское бюро нефтеаппаратуры», г. Подольск
Аннотация: в данной статье рассмотрены вопросы оценки продления срока безопасной эксплуатации системы автоматизации технического устройства при эксплуатации последнего в пределах срока безопасной эксплуатации, установленного заводом-изготовителем, и при проведении экспертизы промышленной безопасности технического устройства.
Abstract: this article describes how to assess the extension of the safe operation of the automation system of technical devices in operation in the last limits of the safe use of installed factory - and during the examination of industrial safety of technical devices.
Ключевые слова: система автоматизации, срок безопасной эксплуатации,
техническое устройство, техническое диагностирование, экспертиза промышленной безопасности.
Keywords: automation system, the safe operation, maintenance device, technical diagnostics, examination of industrial safety.
В настоящее время на объектах нефтяной и газовой промышленности эксплуатируется технические устройства, которые по сути своей являются комплектными техническими устройствами (КТУ), в котором все компоненты выполняют взаимосвязанные технологические функции, при условии подтверждения соответствия всех их компонентов требованиям промышленной безопасности. Таким образом, в состав КТУ входят взаимосвязанные технические устройства и система автоматизации (СА), обеспечивающая их технологическое взаимодействие в рамках КТУ и технологическое взаимодействие последнего с другими техническими
85
