Введение к работе
Актуальность работы. Эффективность промышленных производств находится в прямой зависимости от их энерговооруженности, где ведущая роль принадлежит автоматизированному электроприводу. Энергоемкость электрических приводов составляет до 60% вырабатываемой в стране электроэнергии. Поэтому здесь энергосберегающие мероприятия особенно важны и эффективны, особенно в связи с ростом стоимости электроэнергии.
Одной из общепризнанных тенденций в развитии электропривода (ЭП) является тесная интеграция кинематических звеньев производственных механизмов с исполнительным двигателем, т.е. переход к безредукторному ЭП. Около 50% серийно выпускаемых электродвигателей используются в приводах с поступательным или возвратно-поступательным движением рабочего органа. Для преобразования вида движения используются различные механические передачи. Недостатки, вносимые данными передачами в электропривод, широко известны. Альтернативным вариантом при создании безредукторных электроприводов (БЭП) является использование специальных исполнительных электромеханизмов - линейных электродвигателей (ЯД). ЛД, непосредственно обеспечивающие прямолинейное движение, естественным образом позволяют исключить передаточный механизм преобразования вида движения. Использование ЛД тормозят различные факторы, в,том числе и отсутствие убедительных инженерных методов расчета их номинальных параметров для реализации требуемых движений.
Движение рабочих органов исполнительных механизмов носит, как правило, возврат но-иоворотный или возвратно-поступательный характер. Причем достаточно широкий круг составляют перемещения в жестко фиксированных границах с позиционированием только в крайних положениях, т.е. циклические. При проектировании циклических безредукторных электроприводов (ЦБЭП), особенно реализующих линейные движения, неизбежно встают вопросы ограничения выбега в конце перемещений не только в аварийных ситуациях, но и в рабочих режимах. Поэтому диаграмма движения привода, как правило, должна содержать участок пониженной скорости в зоне позиционирования, а выбор основных параметров исполнительных электродвигателей должен осуществляться с учетом этого фактора. Для ЦБЭП транспортного назначения характерна различная масса нагрузки в цикле при движениях в прямом и обратном направлениях. Выбор параметров привода без учета несимметрии динамических нагрузок может привести к завышению мощности двигателя.
Достаточно остро при создании разветвленных сверхвысоковакуумных (СВВ) систем для производства элементной базы современных электронных устройств стоит проблема реализации многочисленных транспортных операций. Находящиеся в эксплуатации электромеханизмы передачи движения в замкнутый объем не отвечают возросшим требованиям вакуумной гигиены и надежности. Для приводов таких систем перспективно применение специальных линейных двигателей с катящимся ротором. Ограниченный объем камер СВВ установок естественным образом ставит вопрос о необходимости рационального выбора параметров транспортных манипуляторов, работающих непосредственно в техномяическон среде устройства.
Необходимость широкого развертывания научно-исследовательских и конструкторских работ в области БЭП, в том числе с ДД, неоднократно подчеркивалась на различного уровня конференциях по автоматизированному электроприводу и робототехнике.
В диссертационной работе впервые рассматриваются в комплексе вопросы теории расчета номинальных параметров циклических БЭП специальных автоматизированных систем, что определяет актуальность решаемых проблем.
Цель работы и задачи исследования. Цель работы - развитие теории ЦБЭП электро приводов с линейными двигателями в направлении рячп^"тун npM4'lHtH>n ПОСТ"?","" и методов расчета номинальных параметров с учетом огранАчевд^^явдздаИЯЛЬЯАЯ I
Для достижения указанной цели необходимо решение следтцудКИЩЦЛов и задач:
-
Разработать классификационный метод анализа научно-технической информации по принципу «модель-объект» и провести ее систематизацию с целью определения основных технических требований к линейным электромеханизмам и принципам построения циклических приводов на их базе.
-
Разработать базовую математическую модель электромеханических процессов в циклических приводах с учетом ограничений потерь в двигателе. Определить диапазоны изменения обобщенных координат модели.
-
Аналитически и численными методами провести многофункциональный анализ модели и определить оптимальные взаимосвязи обобщенных координат электромеханической системы с учетом согласования тахограммы движения, требуемых характеристик воспроизводимых движений, параметров двигателя и нагрузки.
-
Проанализировать несимметричные циклы с переходом на участок пониженной скорости и различными массами нагрузки при перемещениях в прямом и обратном направлениях.
-
Разработать математическую модель циклического привода, содержащего линейный двигатель с катящимся ротором, и провести ее многофункциональный анализ, в том числе и при двухстороннем расположении индукторов.
-
Провести анализ тахограми движения привода с равными максимумами токов и равными ускорениями на участках пуска и торможения. Выработать рекомендации по области их предпочтительного применения.
-
Разработать метод расчета устройств аварийного самоторможения.
-
Развить операторный метод расчета переходных процессов в вентильно-регулируемых цепях. Аналитически и путем структурного моделирования исследовать режимы работы управляемого двухфазного ЛД с немагнитным вторичным элементом.
-
Разработать структурные динамические модели циклических приводов с линейными бесконтактными двигателями различного исполнения, позволяющие проверить адекватность математических моделей электромеханических процессов и достоверность основных теоретических результатов.
10. Выполнить экспериментально-аналитическое исследование ЛД различных модификаций
и циклических приводов на их основе. Разработать новые принципиальные схемы цик
лических приводов с ЛД.
Методы исследования. Основные результаты диссертационной работы получены на базе фундаментальных теорем и уравнений электромеханики, методов теории оптимизации и основных положений теории электропривода. Использован операторный метод анализа переходных процессов с привлечением теории функций комплексных переменных. Достоверность результатов исследований проверялась экспериментально-аналитическими методами, сравнением некоторьк полученных результатов с решениями других авторов, а также методами структурного моделирования электромеханических систем с привлечением одного из основных пакетов расширения программной системы МАТЛАБ 6 - Simulink 4.
Главные положения, выносимые на защиту:
-
Классификационный метод анализа научно-технической информации по принципу «модель-объект».
-
Методологические основы построения базовой математической модели электромеханических процессов в ЦБЭП с учетом ограничений потерь в двигателе.
-
Результаты многофункционального анализа базовой модели, определяющие границы существования оптимальных значений обобщенных координат электромеханической системы и их взаимосвязи при различных видах тахограмм воспроизведения заданных перемещений.
-
Математическая модель электромеханических процессов привода, содержащего ЛД с катящимся ротором и результаты ее многофункционального анализа, в том числе и при двустороннем расположении индукторов.
-
Концепция и метод расчета основных параметров устройств аварийного самоторможения.
б. Структурные динамические модели линейных двигателей различных конструкций, а так же циклических приводов на их основе.
Научная значимость и новизна работы состоит в том, что на базе основных положений электропривода, методов оптимизации и современных инструментальных средств компьютерного анализа разработаны концептуальные основы теории расчета номинальных параметров исполнительных двигателей ЦБЭП, позволяющие осуществлять согласование двигателя, нагрузки и характеристик воспроизводимого движения для различного вида циклов перемещений:
-
Разработана математическая модель электромеханических процессов в ЦБЭП с учетом ограничения потерь в двигателе. При формировании модели введены новые обобщенные координаты и определены диапазоны их изменения.
-
Выполнен анализ электромеханической системы для тахограммы привода с равными максимумами токов на участках пуска и торможения, позволяющий обеспечить оптимальный выбор номинальных параметров исполнительных двигателей. Получено упрощенное расчетное выражение для определения номинальной силы или момента двигателя, справедливое в достаточно большом диапазоне изменения обобщенных координат.
-
Произведен анализ влияния характеристик участка пониженной скорости в зоне позиционирования на номинальные параметры исполнительных двигателей. Введено понятие обобщенной характеристики участка пониженной скорости и выработаны рекомендации по выбору ее параметров.
-
Впервые произведен анализ циклических приводов с различными динамическими нагрузками при движениях в прямом и обратном направлениях. Введен коэффициент, позволяющий легко учитывать несимметрию динамических нагрузок привода при выборе номинальных параметров исполнительных двигателей.
-
Произведен сравнительный анализ тахограми движения привода с равными максимумами токов и равными ускорениями на участках пуска и торможения. Выработаны рекомендации, позволяющие обеспечить рациональный выбор тахограммы движения в зависимости от статической нагрузки привода.
-
Впервые разработана математическая модель циклического привода, содержащего линейный асинхронный двигатель с катящимся ротором. Выполнен комплекс расчетов, позволяющий обеспечить рациональный выбор параметров таких двигателей, как при одностороннем, так и при двухстороннем расположении индукторов. Произведен учет технологического фактора при работе таких двигателей в условиях замкнутого объема сверх-высоковакуумных установок.
-
Разработана концепция и метод расчета основных параметров устройств аварийного самоторможения.
-
Развит операторный метод анализа переходных процессов в вентильно-регулируемых цепях с привлечением теории функций комплексных переменных, позволяющий рассчитать переходные режимы во всей временной области. Аналитически и путем структурного моделирования проанализированы процессы в двухфазном управляемом ЛД с немагнитным вторичным элементом.
-
Разработаны структурные динамические модели линейных двигателей различных модификаций и циклических безредукторных приводов с такими двигателями.
Ю.Разработан метод согласования двигателя и нагрузки с учетом параметров воспроизводимого движения, обеспечивающий на этапе комплексного проектирования оптимальный выбор габарита и номинальных параметров исполнительных двигателей. Практическая ценность работы состоит в том, что:
1. Предложенная концепция и разработанные методы и алгоритмы оптимизационных расчетов позволяют на начальной стадии проектирования ЦБЭП принимать рациональные технические решения, обеспечивающие требуемые технические показатели электромеханической системы при минимальных материальных и энергетических затратах.
-
ЛАД с катящимся ротором, параметры которых рассчитаны по разработанным в диссертации методам, позволили повысить эффективность работы сверхвысоковакуумных установок и позысить качество выпускаемой продукции.
-
Разработанный метод расчета параметров устройств аварийного самоторможения позво-ляег обеспечить их обоснованный выбор и повысить надежность и безопасность функционирования циклических безредукторных электроприводов.
-
Разработаны на уровне изобретений ряд конструкций ЛД и конструктивных схем ЦБЭП, обладающих повышенной надежностью и эффективностью.
Реализация результатов работы. Основные результаты диссертации использованы при выполнении хоздоговорных и госбюджетных НИР, проводимых в НГТУ в различные годы. Материалы диссертации внедрены на Сарапульском радиозаводе им. Орджоникидзе в составе привода оператора автоматизированной линии гальванопокрытий и роботизированного участка механической обработки конструктивных деталей радиоустройств, в составе автоматизированного технологического комплекса В ЯМ 1.400.006, на Забайкальской железной дороге для цикловой подачи рельсов в сборочный пресс-агрегат звеносборочной линии ЗЛХ-800, при разработке модификаций специальных асинхронных двигателей для приводов магистральных автоматических манипуляторов сверхвысоковакуумных установок, а также в учебном процессе.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на Всесоюзной шкоте передовою опыта на ВДНХ СССР "Изобретательская и научная деятельность академических, отраслевых НИИ и Вузов" (1984 г.), республиканской научно-технической конференции "Теория и практика разработки и внедрения средств автоматизации и роботизации технологических и производственных процессов" (Уфа, 1987), X Всесоюзной НТК по проблемам автоматизированного электропривода (Воронеж, 1987), Всесоюзной научно-практической конференции "Проблемы создания и внедрения гибких производственных и робототехнологических комплексов на предприятиях машиностроения" (Одесса, 1989), Всесоюзном научно-техническом совещании по электромеханотронике (Ленинград, 1989), НТК с международным участием "Проблемы электротехники. Электромеханика" (Новосибирск, 1993), республиканской НТК с международным участием "Электротехнические системы транспортных средств и автоматизированных производств" (Суздаль, 1995), международных российско-корейских симпозиумах по науке и технологиям (Томск, 1998; Новосибирск, 1999,2002), а также в ряде научных семинаров НГТУ.
Публикации. Основные результаты теоретических исследований опубликованы в 36 печатных работах, получено 12 авторских свидетельств и 1 патент. Результаты научно-исследовательских разработок изложены в 8 отчетах по НИР.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и имеет общий объем 357 страниц, включая 140 рисунков, 18 таблицы и список литературных источников из 211 наименований, а так же приложения.
