Введение к работе
Актуальность. Одним из способов торможения машин и механизмов является электродинамический, при котором тормозящая сила возникает за счет взаимодействия магнитных полей и отсутствует механический контакт. Это позволяет решить проблему как повреждаемости тормозной системы, так и самой машины.
При фрикционном способе торможения машин в отличие от электродинамического длина тормозного пути зависит от погодных условий.
Электродинамическое торможение на сегодняшний день используется в измерительных приборах, горочных замедлителях, в вихрстоковых тормозах железнодорожного транспорта, грузовых машинах, автобусах и т.д.
В качестве источника магнитных полей для электродинамического торможения могут использоваться электромагниты или постоянные магниты.
При этом на практике использовались в основном электромагниты, которые по энергетическим и массогабаритным показателям долгое время превосходили постоянные магниты. Это сужало область применения электродинамического торможения, так как требовало гораздо больше энергетических затрат по сравнению с традиционными способами (фрикционными). В последние годы появляются различные сплавы постоянных магнитов, например, на основе Nd-Fe-B (неодим, железо, бор), которые обладают высокими значениями остаточной индукции и коэрцитивной силы. При использовании таких сплавов не требуются внешние источники питания и, соответственно, энергетические затраты. Получаемые тормозные усилия с применением постоянных магнитов становятся больше по сравнению с электромагнитами.
В результате создания магнитных полей в движущемся теле наводятся вихревые распределенные токи. Для описания динамики таких электромеханических систем существует несколько подходов. Первый подход связан с совместным решением электродинамической (уравнений Максвелла) и механической задач. Второй подход к исследованию электромеханических систем, который используется в данной работе, основан на описании электромагнитного поля путем представления непрерывно распределенных вихревых токов в виде конечно- или бесконечномерной системы проводящих контуров.
Описание электродинамического торможения машин системами с постоянными магнитами практически не встречается в научных исследованиях, в которых в
основном используются подход с совместным решением электродинамической задачи и уравнений механики, а также экспериментальные результаты. Поэтому исследование и разработка систем торможения с постоянными магнитами и оценка их эффективности являются актуальными.
В настоящей работе исследуются три тормозных устройства: вихретоковый замедлитель для сортировочной горки или остановочного тупика, вихретоковый дисковый тормоз для подвижного состава железнодорожного транспорта и системы торможения лифта в случае обрыва троса в дополнение к существующим клиновым ловителям. Последние два устройства являются принципиально новыми.
Цель работы. Определение практической целесообразности создания тормозных систем с постоянными магнитами, определение эффективности торможения исследуемых машин, проведение качественного и количественного исследования их динамики и получение соотношений, которые можно будет использовать при проектировании.
Основные задачи.
Для вихретокового замедлителя провести численное интегрирование уравнения движения вагона, выявить основные особенности процесса торможения, проанализировать возможность проскальзывания колес, а также предложить алгоритм управления вагонами на сортировочной станции.
Обосновать возможность электродинамического способа торможения подвижного состава железнодорожного транспорта с применением постоянных магнитов: составить уравнения движения вагона под действием вихретокового дискового тормоза, произвести учет нарастания тока в проводящем контуре, уточнить распределение магнитного поля в зазоре, провести тепловой расчет.
3. Вывести уравнения движения падающего лифта под действием систем с
постоянными магнитами, провести качественный и количественный анализ
эффективности принципиально новых систем торможения.
Методы исследований. В работе применяются методы теории нелинейных колебаний, в частности метод осреднения, прямые методы интегрирования дифференциальных уравнений и метод конечных элементов, реализованный в программной системе конечно-элементного анализа ANSYS.
Достоверность результатов и выводов определяется использованием методов теории нелинейных колебаний, применением численных методов и использованием уравнений Лагранжа-Максвелла, а также сравнительным анализом с имеющимися экспериментальными результатами и публикациями других авторов.
Научную новизну составляют следующие результаты работы, являющиеся предметом защиты.
Часть рассмотренных в работе электромеханических устройств с постоянными магнитами является принципиально новой: внхретоковыи дисковый тормоз для вагонов железнодорожного транспорта и системы торможения для лифта в случае аварийного падения. Большинство работ при анализе движения электромеханических систем связано с решением краевой электродинамической и механической задач. Работ же, в которых проводящие тела заменяются системой контуров с токами, относительно мало. Поэтому исследованные в диссертации задачи, как по постановке, так и по способу решения и полученному результату являются новыми.
Произведен учет параметров электромеханических систем ранее не входивших в решение задач электродинамического торможения (индуктивность проводящего контура вихретокового механизма).
Выявлены основные факторы, влияющие на эффективность торможения машин системами с постоянными магнитами. При этом получена более общая формула тормозящей силы по сравнению с имеющейся в литературе.
Практическая ценность заключается в возможности использования различных разработанных в диссертации тормозных систем с постоянными магнитами в железнодорожном транспорте и лифтовых конструкциях. Также даны оценки эффективности торможения, которые могут быть использованы при проектировании перечисленных машин.
Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на Всероссийских конференциях «XXXFV Неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, 2005), «XXXV Неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, 2006), «Всероссийский форум «Наука и инновации в технических университетах» (Санкт-Петербург, 2008), «XXXVII Неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, 2008), а также на семинарах кафедры «Механика и процессы управления».
Публикации. По теме диссертации опубликовано восемь работ, в том числе две работы в журнале «Научно-технические ведомости СПбГПУ», входящем в перечень изданий, публикации в которых признаются Высшей аттестационной комиссией.
Структура и объем. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 134 стр., включая 56 рис. и 1 табл.
