Теория и методология проектирования нового класса электромеханических вибрационных преобразователей со спиральным вторичным элементом Янгиров Ильгиз Флюсович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Анализ существующих конструкции электромеханических вибрационных преобразователей и новые конструкции спиральных вибрационных преобразователей 23

1.1 Анализ и классификация электромеханических вибрационных преобразователей АСУ 23

1.2 Основные требования к ЭМВП-датчикам со стороны систем управления 38

1.3 Особенности преобразования электрической энергии в механические колебания 42

1.4 Актуальность диссертационной работы 50

1.5 Выводы по результатам проведенного анализа, цели и задачи диссертационной работы 50

Глава 2 Обобщенная теория и математическая модель ЭМВП со сложной геометрией вторичного элемента. Теоретическое исследование ЭМВП со спиральным вторичным элементом в режиме вибродатчика 53

2.1 Новые конструкции ЭМВП со спиральным вторичным элементом с различными функциональными возможностями и техническими характеристиками 53

2.2 Система дифференциальных уравнений математической модели ЭМВП со спиральным вторичным элементом 65

2.3 Обоснование и разработка математической модели ЭМВП-датчика .68

2.3.1 Статическая характеристика ЭМВП-датчика .72

2.4 Исследование чувствительности вибрационного датчика 78

2.5 Степень нелинейности статической характеристики датчика с учетом трения и демпфирования 81

2.6 Динамические характеристики ЭМВП-датчика 85

2.7 Передаточная функция спирального вибрационного преобразователя 90

2.8 Исследование магнитного поля в воздушном зазоре электромеханического преобразователя со сложной геометрией вторичного элемента 95

2.9 Математическая модель многофункционального трансформаторного преобразователя со спиральным замкнутым вторичным элементом 101

2.10 Многофункциональные спиральные датчики скорости и ускорения 111

2.11 Оптимизационное проектирование спирального вибрационного преобразователя 123

2.12 Методы определения чувствительности спирального вибродатчика по изменению добротности и повышение качества выходного сигнала 132

2.13 Спиральный датчик параметров вращательно-колебательных движений... 145

2.14 Индуктивный спиральный преобразователь скорости и ускорения с улучшенными метрологическими характеристиками 153

2.15 Спиральный датчик вибрационных ускорений с улучшенными метрологическими характеристиками 162

2.16 Метод улучшения качества метрологических характеристик ЭМВП-датчика со спиральным вторичным элементом 171

Выводы по главе 2 179

Глава 3 Исследование точности и надежности ЭМВП со спиральным вторичным элементом 181

3.1 Инструментальные источники погрешности ЭМВП 181

3.2 Анализ дополнительной погрешности ЭМВП 184

3.3 Динамические погрешности ЭМВП со спиральной упругой системой 190

3.4 Оценка механической надежности спиральной конструкции ЭМВП-датчика 194

3.5 Коэффициент формы приведения цилиндрического преобразователя 199

3.6 Теоретическое и экспериментальное определение формы колебаний чувствительных элементов сложной конфигурации для преобразователей АСУ 201

3.7 Коэффициент приведения расчетной модели магнитный системы 205

3.8 Учет неравномерности распределения магнитного поля индуктора на постоянных магнитах 206

3.9 Схемная коррекция влияния внешних дестабилизирующих факторов на работу спиральной ЭМВП .208

3.10 Схемное уменьшение погрешностей преобразования спирального ЭМВП субгармонических колебаний .210

Выводы по главе 3 .214

Глава 4 Теоретическое исследование МВ в режиме вибродвигателя . 215

4.1 Математическая модель ЭМВП как вибродвигателя 215

4.2 Электромеханические характеристики ЭМВП-двигателя 219

4.3 Оптимизационное проектирование ЭМВП-двигателя по электромагнитным и механическим нагрузкам 235

4.4 Модель ЭМВП-двигателя с замкнутым спиральным элементом 241

4.5 Метод линеаризации механической характеристики ЭМВП-двигателя

выполнением продольных прорезей со скосом 246

4.6 Трансформаторный преобразователь с двухспиральным упругим вторичным элементом 253

4.7 Спиральный генератор низкочастотных механических колебаний с улучшенными механическими характеристиками .261

4.8 Универсальный спиральный генератор крутильно-вращательных колебаний .273

4.9 Электропривод пружинный для дефектоскопов (ЭПРД) 278 Выводы по главе 4 .285

Глава 5 Экспериментальное исследование ЭМВП 287

5.1 Описание экспериментальной модели и экспериментальной установки для исследования ЭМВП-датчика 287

5.2 Исследование статических характеристик ЭМВП-датчика 297

5.3. Спиральный вибратор с улучшенными механическими характеристиками за счет скоса прорезей 303

5.4 Обоснование способа определения механических характеристик ЭМВП-двигателя .308

5.5 Описание экспериментальной установки для исследования ЭМВП-двигателя 314

5.6. Исследование механических характеристик двигателя 316

5.7 Анализ погрешностей эксперимента с ЭМВП-датчиком .320

5.8 Анализ погрешностей эксперимента с электродвигателем 328

Выводы по главе 5

Основные результаты и выводы .334

Список литературы

• Основные требования к ЭМВП-датчикам со стороны систем управления
• Система дифференциальных уравнений математической модели ЭМВП со спиральным вторичным элементом
• Анализ дополнительной погрешности ЭМВП
• Спиральный вибратор с улучшенными механическими характеристиками за счет скоса прорезей

Введение к работе

Актуальность темы. Диссертационная работа посвящена развитию теории и созданию методологии проектирования нового класса электромеханических вибрационных преобразователей (ЭМВП) со спиральным вторичным элементом как в режиме информационного, так и в режиме исполнительного элементов системы управления.

Разработка новых конструкций таких преобразователей является актуальной задачей и вызвана необходимостью создания устройств, удовлетворяющих в той или иной мере многим, зачастую противоречивым требованиям по точности и пределам измерения, частотному диапазону, чувствительности, габаритным размерам, массе, стоимости, эксплуатационным характеристикам и т.д.

Важной предпосылкой решения поставленных задач является исследование и разработка новых перспективных элементов конструкции электромеханических преобразователей, материалов, комплектующих изделий, специальных технологических процессов производства.

Быстрое развитие науки и техники обуславливает большое разнообразие и усложнение автоматических систем управления. Создаются инвариантные, самонастраивающиеся и другие комплексные информационно-измерительные и управляющие системы, к которым предъявляются повышенные требования.

Современное развитие автоматизированных систем контроля и управления различными технологическими и физическими процессами характеризуется широким использованием первичных средств сбора и обработки информации. При этом электромеханические вибрационные преобразователи (ЭМВП) со спиральным вторичным элементом – датчики параметров вибрации являются звеном многих информационно-измерительных или управляющих систем и практически определяют ее метрологические характеристики. Потери в точности и надежности конечного результата, связанные с неудачным применением датчика, неспособна восстановить самая совершенная система преобразования информации.

Номенклатура выпускаемых промышленностью вибрационных датчиков ограничена, а их эффективная эксплуатация и оценка результатов эксперимента весьма затруднительны. Отсутствие четких рекомендаций по выбору того или иного типа датчика, обоснованных методик инженерных расчетов и экспериментальных исследований, анализа предельных эксплуатационных и технологических возможностей привели к тому, что многие типы и конструкции датчиков оказались нежизнеспособными.

Большое количество публикаций, связанных с проектированием новых конструкций вибрационных датчиков различного назначения и совершенствованием уже известных, позволяет судить о неослабевающем интересе разработчиков к этому классу устройств, особенно с развитием технических роботов и гибких модулей.

Отсутствие основ теории и инженерных методик расчета статических характеристик ЭМВП в режиме как датчика, так и двигателя со спиральным

электропроводящим элементом ограничивает возможность рационального их проектирования для информационно-измерительных и управляющих систем. Поэтому задачи исследования и создания высокоэффективных ЭМВП со спиральным вторичным элементом, наиболее полно удовлетворяющих специальным требованиям со стороны систем управления, актуальны.

Повышение эффективности средств вибрационной диагностики и генерации низкочастотных колебаний (частота 10–100 Гц) на основе создания нового класса электромеханических вибрационных преобразователей со сложной геометрией вторичного элемента является важной научной проблемой, подтверждённой, в том числе, в аналитической ведомственной целевой программе Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы» («Исследование процессов энергопреобразования в электромеханических колебательных системах с распределенной вторичной средой») и Государственным заказом Министерства образования и науки РФ «Фундаментальное научное исследование» («Исследование электромагнитных полей и электромеханических процессов в сложных гетерогенных средах перспективных электротехнических систем и технологических комплексов авиационно-космической техники»).

Вопросы разработки и создания низкочастотных вибрационных преобразователей (10–100 Гц) были рассмотрены такими авторами как Ширман А. Р., Браташ О. В., Васюков С.А., Крупенин В.Л., Нейман В.Ю., Зусман Г.В. и др. В настоящее время существует необходимость решения задач по созданию обобщённой теории и методологии проектирования и конструирования электромеханического преобразователя (ЭМП), в частности ЭМВП со спиральным вторичным элементом, направленные на улучшение средств вибродиагностики и генерации низкочастотных колебаний, на создание нового класса ЭМП со сложной геометрией вторичного элемента.

Кроме того, появляется перспектива использования результатов исследований при проектировании и конструировании других типов ЭМП, например, электромеханических реле, двигателей и тахогенераторов с полым композиционным ротором, нагревательных установок и т.д.

Объектом исследования являются электромеханические вибрационные преобразователи со спиральным вторичным элементом, как элементы систем управления информационного и исполнительного функционального назначения.

Предметом исследования являются теория и методология проектирования нового класса электромеханических вибрационных преобразователей со спиральным вторичным элементом.

Основание для выполнения работы. Диссертационная работа выполнена на кафедре «Электромеханика» Уфимского государственного авиационного технического университета в рамках:

- проекта по теме АП-ЭМ-02-09-ПГ «Исследование процессов энергопреобразования в электромеханических колебательных системах с распределенной вторичной средой» аналитической ведомственной целевой

программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009–2011 гг.)» Министерства образования и науки РФ;

- госбюджетных НИР: Фундаментальное научное исследование
«Исследование электромагнитных полей и электромеханических процессов в
сложных гетерогенных средах перспективных электротехнических систем и
технологических комплексов» (2012–2013 гг., тема АП-ЭМ-12-12-ОЗ/а);
Фундаментальное научное исследование «Исследование электромагнитных
полей и электромеханических процессов в сложных гетерогенных средах
перспективных электротехнических систем и технологических комплексов
авиационно-космической техники» (2013–2014 гг., тема АП-ЭМ-12-13-03/а);
Фундаментальное научное исследование «Исследование электрических и
магнитных полей и газоразрядных процессов в сложных гетерогенных средах
перспективных электротехнических комплексов и систем» (2014-2016 гг., тема
АП-ЭМ-05-14-ОЗ).

- хоздоговорных НИР: «Обучение в области энергосбережения и
энергетической эффективности, в том числе по вопросам проведения
энергетических обследований подготовки и реализации энергосервисных
договоров на объектах в Республике Башкортостан» (2013 г., тема АП-ЭМ-03-13-
УТ).

Степень разработанности темы исследований. Ученые-исследователи вибрационных электромеханических преобразователей: Москвитин А.И., Ряшенцев Н.П., Ходжаев К.Ш., Свечарник Д.В., Соколов М.М., Овчинников И.Е., Веселовский О.Н., Пачурин Г.В., Васюков С.А., Зусман Г.В., Нейман В.Ю., Лопухин Е.М., Коняев А.Ю.,Сарапулов Ф.Н., Хитерера М.Я., Ширман А.Р, Laithwaite E.R., Boldea I., Nasar S.A., Елисеев С.В., Михеев В.П. и др.

За минувшие двадцать лет опубликовано множество статей, патентов и авторских свидетельств на изобретения, а также монографий, посвященных теории преобразователей магнитного поля и принципам работы приборов, созданных на их основе. Большой вклад в разработку этой темы внесли отечественные авторы книг и статей: О. К. Хомер, В. И. Стафеев, А. Н. Марченко, Г. А. Егиазарян, М. М. Мирзабаев, Ю. В. Афанасьев и многие другие. Одной из самых удачных признана монография коллектива авторов во главе с Д. И. Агейкиным, посвященная датчикам различного назначения. Некоторую информацию общего характера о преобразователях магнитного поля можно найти в справочнике под редакцией А. В. Нефедова.

Однако литературный обзор и патентные проработки показали полное отсутствие теории и методологии проектировании нового класса электромеханических вибрационных преобразователей со спиральным вторичным элементом как в режимах информационного, так и исполнительного элементов систем управления.

Анализ существующего положения показывает, что в области вибродиагностики и генерации низкочастотных вибрационных колебаний существует определенная научно-техническая проблема. Причем анализ

существующего положения показывает, что разработанные положения в работе имеют перспективный характер при исследовании и проектировании аналогичных электромеханических преобразователей, применяемых в народном хозяйстве.

Цель диссертационной работы - решение научной проблемы повышения эффективности средств вибрационной диагностики и генерации низкочастотных колебаний (частота 10–100 Гц) на основе создания нового класса электромеханических вибрационных преобразователей со сложной геометрией вторичного элемента.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Разработка нового класса ЭМВП со спиральным вторичным элементом в различных режимах. Создание новых конструкций ЭМВП с улучшенными техническими характеристиками и уменьшенными массогабаритными показателями.

2. Разработка комплекса математических моделей электромеханических вибрационных преобразователей со спиральным вторичным элементом.

3. Исследование выходных характеристик ЭМВП со спиральным вторичным элементом в режиме информационного преобразователя, используя полученные комплексы математических моделей. Разработка метода повышения качества сигнала ЭМВП-датчика.

4. Решение задач оптимизации геометрических размеров магнитной системы и спиральной пружины, исследование передаточной функции преобразователей в системе управления, используя комплексы математических моделей.

5. Создание метода определения чувствительности информационных элементов со сложной геометрией вторичного электропроводящего элемента. Оценка влияния короткозамкнутых витков на характеристики электромеханических преобразователей (механическую характеристику ЭМП, чувствительность, на диагностику обмотки индуктивных преобразователей и т.д.).

6. Исследование метрологических, надежностных характеристик и чувствительности ЭМВП со спиральным вторичным элементом.

7. Исследование выходных характеристик ЭМВП со спиральным вторичным элементом в режиме исполнительного преобразователя, используя полученные комплексы математических моделей. Разработка метода линеаризации механической характеристики ЭМВП-двигателя со спиральным вторичным элементом. Решение оптимизационной задачи по выбору электромагнитных и механических нагрузок.

8. Проведение экспериментальных исследований с целью подтверждения результатов теоретических исследований и математических моделей, полученных в работе.

9. Разработка методологии проектирования и конструирования спиральных ЭМП с различными режимами работы с программным сопровождением.

Научная новизна

1. Разработан новый класс информационных и исполнительных электромеханических преобразователей систем управления со спиральным

электропроводящим вторичным элементом, находящихся в переменном магнитном поле или в цепи переменного электрического тока. Разработаны новые научно обоснованные конструктивные схемы спиральных ЭМП с улучшенными выходными характеристиками и расширенными функциональными возможностями (двухспиральный дефектоскоп, спиральный накопитель энергии, спиральный акселерометр, спиральный вибратор и т.д.). Установлена зависимость их выходных характеристик от способа подключения вторичного элемента и коэффициента формы, технологии их изготовления.

2. Развита общая теория электромеханических вибрационных преобразователей со спиральным вторичным элементом, на основании создания комплекса математических моделей, которые позволяют исследовать информационные и исполнительные преобразователи со сложной геометрией вторичного элемента в статических и динамических режимах работы.

3. В результате исследования характеристик ЭМВП на основе разработанных математических моделей информационных и исполнительных элементов со спиральным вторичным элементом установлено, что вибрационный информационный преобразователь может работать в частотном диапазоне до 100 Гц и вибрационном ускорении до 30 g, чувствительность при этом может достигнуть значения до 5*10^-2 мВ/g; выполнение прорезей со скосом в спиральной пружине улучшает качество сигнала за счет компенсации высших гармоник 3; 5; 7 порядка.

4. Впервые представлены конструкция низкочастотного механического генератора с короткозамкнутым электропроводящим спиральным элементом, помещенным в переменное магнитное поле и его математическая модель c экспериментальным подтверждением. Выявлена зависимость выходных характеристик исполнительного преобразователя от способа подключения спирального вторичного элемента: замкнутого или разомкнутого.

5. Разработана методология проектирования и конструирования спиральных ЭМП с информационными и исполнительными режимами работы. Получено оптимизационное соотношение для выбора электромагнитных нагрузок спирального преобразователя с использованием предельных прочностных нагрузок. Разработаны метод повышения качества сигнала ЭМВП-датчика и метод линеаризации механической характеристики ЭМВП-двигателя со спиральным вторичным элементом.

6. Разработан метод определения и повышения чувствительности информационных элементов со сложной геометрией вторичного элемента по изменению его добротности. Проведена оценка влияния короткозамкнутых витков на характеристики электромеханических преобразователей (механическую характеристику ЭМВП, чувствительность, на диагностику индуктивных преобразователей и т.д.).

Теоретическая и практическая значимость работы

1. Внесен существенный вклад в развитие общей теории электромеханических преобразователей, разработаны оригинальные конструкции преобразователей вибрационных ускорений и генераторов механических

колебаний (а. с. № 1642404, 1657977, 1774270, 1774269, патенты РФ № 2502110, 2020697, 2028835, 2074488, 2074487, 2077107, 2085012, 95101654, 95101157, 95103541, 951057676, 2580212), разработаны испытательные стенды по исследованию характеристик ЭМВП со спиральным вторичным элементом.

7. Внедрены в промышленность и учебно-научную деятельность ФГБОУ ВО УГАТУ результаты теоретических и экспериментальных исследований и новые образцы ЭМП со спиральным вторичным элементом.

8. Разработанная методология позволяет существенно сократить время и материальные средства на проектирование, и разработку ЭМВП на 10…15 %, уменьшает массогабаритные показатели ЭМВП на 5-12 %, уменьшает сроки подготовки документации в 3…5 раз.

Основу методологической и теоретической базы исследования составили научные труды отечественных и зарубежных авторов в области электромагнитных цепей, полей и в области вибрационной техники (Н. И. Москвитин, Л. П. Левин, М. В. Хвингия, Б. И. Крюков, И. П. Копылов, Р. Р. Саттаров, В. Х. Ясовеев, И. Х. Хайруллин, Ф. Р.Исмагилов, М. А. Ураксеев, Ф. Н. Сарапулов, S. A. Nasar, E. R. Laithwaite, И. И. Блехман, К. Ш. Ходжаев, И. Ф. Гончаревич, А. Р. Ширман, А. Б. Соловьеа, Седов М. Н., Юртаев Р. И., Браташ О. В. и др.).

Методы исследовании. Использовались методы теории механических колебаний, методы теории электрических и магнитных цепей, теории систем автоматического управления, аналитические и численные методы математической физики, методы экспериментальных исследовании, метод приведения, теория электрических колебательных процессов, теория электромеханического преобразования энергии и управления электротехническими средствами, методы математического и физического моделирования. При разработке программного обеспечения на ЭВМ использованы языки высокого уровня (Visual Basic) и пакеты прикладных программ (MathCAD, MSOffice, Matlab, Solidwords, Scilab, Maple).

Положения, выносимые на защиту:

1. Новый класс электромеханических преобразователей систем управления со сложной геометрией вторичного электропроводящего элемента с изменяющейся конфигурацией в переменном магнитном поле или в цепи переменного электрического тока. Разработанные новые научно обоснованные конструктивные схемы спиральных ЭМП с улучшенными выходными характеристиками и расширенными функциональными возможностями (двухспиральный дефектоскоп, спиральный накопитель энергии, спиральный акселерометр, спиральный вибратор и т.д.).

2. Общая теория информационных и исполнительных электромеханических преобразователей со спиральным вторичным элементом, заключающаяся в получении комплекса математических моделей (общая математическая модель электромеханических вибрационных преобразователей со сложной геометрией вторичного элемента, математическая модель ЭМВП-датчика, модель спирального акселерометра, математическая модель ЭМВП-двигателя с

разомкнутым вторичным элементом и с замкнутым вторичным элементом, спирального путевого счетчика, спирального магнитокумулятивного генератора).

3. Результаты исследования характеристик ЭМВП на основе разработанных математических моделей информационных элементов со спиральным вторичным элементом. Определены оптимизационные соотношения по выбору геометрических размеров магнитной системы ЭМВП. Разработанный метод повышения качества сигнала ЭМВП-датчика за счет уменьшения влияния нечетных гармоник на характеристики.

4. Созданный метод определения и повышения чувствительности информационных индуктивных элементов со сложной геометрией вторичной системы по изменению добротности. Оценка влияния короткозамкнутых витков на характеристики электромеханических преобразователей (механическую характеристику ЭМП, чувствительность, на диагностику индуктивных преобразователей и т.д.).

5. Результаты исследования точностных, надежностных характеристик и чувствительности ЭМВП со спиральным вторичным элементом.

6. Результаты исследования характеристик ЭМВП на основе разработанных математических моделей исполнительных элементов со спиральным вторичным элементом, со сложной геометрией вторичного элемента. Оптимизационные соотношения для выбора электромагнитных нагрузок спирального преобразователя с использованием предельных прочностных нагрузок. Разработанный метод линеаризации механической характеристики ЭМВП-двигателя со спиральным вторичным элементом за счет уменьшения влияния на характеристики нечетных гармоник.

8. Результаты проведенных экспериментальных исследований с целью верификации теоретических исследований и математических моделей.

9. Разработанная методология проектирования спиральных ЭМП с различными режимами работы с программным сопровождением.

10. Результаты внедрения новых образцов ЭМВП в промышленность и учебный
процесс.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов обеспечивается корректной математической постановкой задач, использованием фундаментальных положений механики деформации твердого тела и вытекающих из них формулировок математических моделей. Достоверность численных решений подтверждается совпадением результатов с экспериментальными данными. Во всех случаях подтверждена практическая сходимость вычислительного процесса и точность выполнения естественных граничных условий. Достоверность конечных результатов проверена успешной практической реализацией проектов по месту внедрения разработанных методик и программ.

Достоверность полученных технических показателей автоматизированной измерительной и управляющей системы с ЭМВП обусловлена и подтверждается корректным использованием достижений в областях вибрационного приборостроения и применения его в теории автоматического управления при

производстве диагностических работ, экспериментальной проверкой полученных результатов в лабораторных и промышленных условиях.

Реализация работы. Результаты научно-исследовательских работ по созданию нового класса электромеханических вибрационных преобразователей со спиральным вторичным элементом акселерометра внедрены в НГДУ-1 ОАО «Белкамнефть» в виде новых конструктивных решений и рекомендаций, инженерной методики расчета, программного решения на ПЭВМ в ООО «Башинструмент».

Применение методов математического моделирования с использованием ЭВМ позволило решать нестандартные задачи, возникающие при проектировании вибрационных преобразователей со сложной геометрией вторичного элемента и повышать эффективность принятия проектных решений.

Результаты теоретических исследований, разработанные

экспериментальные установки используются в учебном процессе ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет» при изучении дисциплин: «Специальные электрические машины», «САПР электромеханических устройств» студентами направления 140400 и специальности 140401; ГОУ ВПО «Российский институт текстильной и легкой промышленности», ГАОУ СПО «Нефтекамский нефтяной колледж».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались более чем на 30 научных конференциях и симпозиумах:

I Международной конфедерации по электротехнике и электротехнологии МКЭЭ-94, (Суздаль, 1994; Региональный н/т конф. «Датчики и средства первичной обработки информации» (Курган, 1991); Всесоюзной научно-технической конференци «Микроэлектроника в машиностроении» (Ульяновск, 1992); Республиканской научно-технической конференции «Роль технической диагностики и экономической безопасности на предприятиях нефтехимии» (Уфа, УГНТУ, 1995); III Межвузовской научно-технической конференции «Компьютеризация учебного процесса по электротехнической диагностике» (Астрахань, АГТУ, 1995); Международной конференции по автоматическому электроприводу (С.-Петербург, 1995); Всероссийской научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации путем, измерения, контроля и управления» (Датчик-95) (Гурзуф, 1995); Международной конференции «Научно-технические проблемы космонавтики и ракетостроения». Тезисы и аннотации (Калининград, ЦНИИ Маш, 1996); V научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информационных систем контроля и управления», тезисы докладов, Т.1.-2. Гурзуф (Датчик-96), 1995; Научно-технической конференции с международным участием «Проблемы электрических систем и перспективы их развития», тезисы докладов, Ч.I. (Ульяновск, 1996); Материалах конгресса нефтегазо-промышленников России (Секция автоматизации производственных процессов), (Уфа, УГНТУ, 2001); Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 15-летию со дня принятия Декларации о Государственном суверенитете РБ и 5-летию образования Нефтекамского филиала БашГУ

(Нефтекамск: РИО БашГУ, 2006); Международной заочной научно-практической конференции «Приоритетные направления развития современной науки» (Чебоксары, 2012); VII Международной научно-практической конференции «Техника и технологии: новые перспективы развития» (Москва, 2012), Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 80-летию УГАТУ «Современные проблемы расчета, проектирования и производства в машиностроении и энергетике» (Нефтекамск, 2012); Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 175-летию Российских железных дорог «Транспортное образование и наука: проблемы и перспективы» (Уфа, 2012); II Международной научной заочной конференции «Инновационные материалы и технологий в машиностроительном производстве» (Орск, 2013); Х Международной научно-практической конференции «Техника и технологии: новые перспективы развития (Москва, 2013); ХII Международной научно-практической конференции «Современное состояние естественных и технических наук». (Москва, 2013); Всероссийской НПК «Наукоемкие технологии в машиностроении» (Ишимбай, 2013); Всероссийской научной конференции, посвященной 80-летию УГАТУ. Секция «Современные проблемы расчета, проектирования и производства в машиностроении и энергетике» (Нефтекамск, ФБГОУ ВПО УГАТУ (НФ), 2012); Международная заочная конференция «Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве», (Орск,2014); Всероссийской заочной НПК «Наукоемкие технологии в машиностроении» (Ишимбай, 2013–2015); II Всероссийской НПК «Современные проблемы электроэнергетики» (Махачкала, 2014); Научный потенциал-2014-№3-4 (рубрика «Материалы V Международной заочной научно-практической конференции «Приоритетные направления развития современной науки» (ЧУНИИ педагогики и психологии, 2014); II Всероссийской научно- практической конференции «Современные проблемы техники и образования в техническом вузе» (Стерлитамак, 2015); Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 110-летию А. М. Бамдаса «Электротехнические комплексы и системы» (Уфа, 2015).

За научные исследования автор удостоен стипендии Президента Республики Башкортостан в области науки и техники за 2014–2015 гг.

Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации опубликованы в 110 научных работах, в том числе получены 4 авторских свидетельств и 14 патентов РФ, 1 патент на полезную модель. Автор имеет 50 статей в изданиях из перечня ВАК, семь свидетельств на регистрацию программ, одну монографию.

Структура диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложена на 339 страницах машинописного текста, включает 138 рисунков, 8 таблиц, список литературы из 258 наименований. В приложении к диссертации приведены документы, подтверждающие использование результатов работы и их эффективность.

Основные требования к ЭМВП-датчикам со стороны систем управления

Информативным параметром в струнном датчике ускорений (акселерометре) будут частоты колебаний струн, однако непосредственное измерение этих частот сопряжено с определенными трудностями. Поэтому в практических конструкциях струнных датчиков чаще используют режим автоколебаний [67], при котором частота генератора оказывается близкой к частоте собственных колебаний струны. С помощью электромагнитных преобразователей 5, 6 и усилителей 7, 8, охваченных положительной обратной связью, в системе «электромагнитный преобразователь–усилитель» устанавливаются автоколебания, частота которых определяется в основном частотой собственных колебаний струны. Если в схеме струнного датчика ускорений обеспечить выполнение условия f1 + f2 =2f0 =const, (1.1) то значение измеряемого ускорения равно ax =8m1l0 f0(f1 - f2)m, (1.2) где m1 и l – масса и длина одной струны, f1 и f2 – частоты собственных колебаний струн, т.е. разность частот пропорциональна ускорению. Основные технические характеристики струнных датчиков ускорения: верхний предел измерений 40д, частота собственных колебаний до 4500 Гц, порог чувствительности 0,0000001д.

Точностные характеристики струнных датчиков ускорения в первую очередь зависят от стабильности параметров струн и от тщательности заделки их концов в чувствительном элементе и корпусе прибора. Одним из основных источников погрешностей в струнных датчиках является нестабильность начального напряжения струн, метрологические характеристики таких датчиков зависят в значительной степени от выбора типа и конструкции преобразователей для приема и возбуждения колебаний струны и их расположения около струны.

Конструкции струнных датчиков обладают высокой чувствительностью, достаточной жесткостью и малой инерционностью. Они просты в наладке и надежны в эксплуатации. 6. Индуктивные датчики вибрации. Действие их основано на изменении.

Индуктивности, вызванные перемещением подвижной части. Рассматривается ДВУ типа ДУ-2 [2; 74; 103], изображенный на рисунке 1.8. В корпусе 1, который жестко крепится к испытываемому объекту, установлены два f Ш-образных магнитных сердечника 2. На каждом сердечнике расположены обмотки возбуждения и измерительная. В воздушном зазоре между сердечниками находится якорь 3, который вместе с дополнительными массами 4 играет роль инерционной массы преобразователя. Инерционная масса подвешена к корпусу преобразователя на плоских пружинах 5. Двухсекционная обмотка возбуждения питается переменным напряжением U=30В повышенной частоты f=6–16кГц. Измерительные обмотки включены последовательно и встречно. Перемещение якоря изменяет воздушные зазоры между якорем и сердечником, что приводит к изменению индуктивностей катушек и, как следствие, к изменению коэффициента трансформации напряжения несущей частоты с обмоток возбуждения в измерительные обмотки пропорционально измеряемому ускорению. Частотный диапазон измерений лежит в пределах 0–200 Гц с погрешностью около +5 %. Масса датчика составляет 25 г. Рисунок 1.8 – Индуктивный датчик вибрации: 1 – корпус; 2 – Ш–образный магнитный сердечник; 3 – якорь; 4 – дополнительные массы; 5 – плоские пружины Для сравнительного анализа можно привести технические данные индуктивного датчика ускорений типа ЭА-12 [6]: диапазоны изменений виброускорений 0–10 g, частотный диапазон 0–40 Гц, собственная частота 70 Гц, коэффициент демпфирования 0,8–0,9, индуктивность 1500мГн напряжение питания 15 В (2кГц), чувствительность 5–6 мА/g , основная погрешность до 5 %, допустимая температура окружающей среды +50oС, габариты 54х60х66мм.

Характерной особенностью таких датчиков является ограниченность частотного диапазона измеряемых ускорений сверху, так как частота вибрации должна быть значительно меньше несущей частоты напряжения питания датчика. К недостаткам относятся также наличие не менее трех подводящих проводов, необходимость их тщательного экранирования в связи с возможностью электрической наводки, заметное влияние емкостей проводов на чувствительность датчика.

Индукционный датчик. На рисунке 1.9 принципиальная схема индукционного датчика скорости и вибрации типа СВ–4, изготовленного на Ленинградском инструментальном заводе [2]. Действие такого датчика основано на свойстве инерционной массы, подвешенной на пружинах 4 к корпусу, оставаться неподвижной при вибрациях корпуса с частотой, превышающей в 3–4 раза частоту собственных колебаний массы. Инерционной массой датчика является сердечник 2, несущий измерительную обмотку 3. При вибрациях корпуса с укрепленными на нем постоянными магнитами 1 относительно сердечника в измерительной обмотке наводится ЭДС, пропорциональная абсолютной величине скорости вибрации колеблющегося объекта [25]. Демпфирование осуществляется воздушным демпфером 5. Интегрирующее звено 6 обеспечивает получение вибрационных смещений. Датчик состоит из двух однотипных элементов, воспринимающих колебания в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Датчик работает совместно с двухканальным усилителем 7 типа УВ–2М. Показания регистрируются визуально и с помощью автоматического потенциометра типа ПСР2/23 или ЭПП–09.

Система дифференциальных уравнений математической модели ЭМВП со спиральным вторичным элементом

Предлагается конструкция нового типа электромеханических часов [152] (рисунок 2.1), которые содержат корпус 1, внутри которого расположены постоянные магниты 2. В воздушном зазоре магнитов 2 на неподвижный оси установлена электропроводящая спиральная пружина 3, которая получает импульсное электрическое питание от батарейки 4, формирование импульсов 5 через токоподводы 11. Спиральная пружина 3 в свою очередь импульсно воздействует на механическую часть часов 9, 10. Возможно питание часов и от сети через трансформаторный блок питания. Конструкция за счет использования электродвигателя со спиральным подвижным элементом имеет малую потребляемую мощность, малоинерционная, упрощенность и надежность делает ее доступной для покупателя. Рисунок 2.1 – Электромеханические часы Разработаны конструкции электромеханических преобразователей, представляющих интерес для машиностроения, автоматики, приборостроения и т.д. Приведем ниже конструкции этих преобразователей[41].

Шаговый двигатель [152; 165] (рисунок 2.2) (патент РФ №2020697, 2003982) содержит магнитную систему 1 с воздушным рабочим зазором, где соответственно расположена электропроводящая спиральная пружина 6. Пружина внешним концом закреплена жестко с неподвижной осью 4, а внутренним концом связана механически с валом 2. Вал соответственно установлен на неподвижных опорах 3, 5 с возможностью совершения фиксированного колебательно-вращательного движения вокруг своей оси. На концах пружины имеются электрические выводные концы 7, 8 для подключения к внешнему электрическому источнику тока. Работает шаговый двигатель следующим образом: при подключении к источнику тока спираль под действием электромагнитной силы закручивается или раскручивается, тем самым поворачивая вал на некоторый определенный угол по часовой стрелке или против часовой стрелки, т.е. отрабатывает сигнал, как известные шаговые двигатели. При этом величина угла отклонения вала от равновесного состояния будет определяться величиной индукции магнитного поля в рабочем зазоре, подводимым током, геометрическими размерами плоской спиральной пружины. Регулируя эти параметры, можно изменить соответственно выходные характеристики предлагаемого шагового двигателя. Предложенная конструкция шагового двигателя относительно проста и надежна, технологична, имеет улучшенные массогабаритные показатели и благодаря своим технико-экономическим показателям найдет широкое применение в дискретной автоматике, приборостроении, часовой промышленности [132].

Электропружинный двигатель [91] (рисунок 2.3) содержит полый корпус 1, внутри которого имеется ось 5 по всей длине корпуса. На ось одето инерционное кольцо 4 с возможностью свободного перемещения на оси. На ось также свободно одета электропроводящая цилиндрическая пружина 3, которая одним концом жестко закреплена на головке корпуса, а другим связана с кольцом. В головке корпуса установлены блоки питания и управления 2, имеющие автономное питание с целью создания импульсного напряжения. При получении импульса напряжения по электропроводящей пружине протекает ток, причем в соседних ветвях имеющий одинаковые направления. Между витками возникает притягивающая электродинамическая сила, вследствие чего пружина сжимается, т.е. заряжается. Когда импульс тока равен нулю, пружина разжимается с кольцом, т.е. разряжается, на корпус двигателя действует импульс реактивной движущей силы. Дальше процесс повторяется, и движение двигателя стабилизируется. Конструкция проста, надежна, удобна в эксплуатации. Такой двигатель можно использовать для транспортировки диагностической аппаратуры внутри нефтегазопроводов. Двигатели такой конструкции найдут широкое применение в двигателестроении, машиностроении, приборостроении, медицине (рисунок 2.3) [91].

Электромеханическая муфта [159] (рисунок 2.4) содержит корпус 1, внутри которого расположены подвижные вдоль продольной оси вала муфты диски 2, между дисками установлена зигзагообразная обмотка 3. С двух сторон муфта закрыта подвижными контактными фрикционными дисками 4, которые могут перемещаться под действием внутренних дисков с одной стороны, а с другой – под действием фрикционных дисков 5, 6 приводного и рабочего механизмов. При подаче на обмотку тока соседние между дисками витковые токи имеют разные направления, поэтому витки начинают отталкиваться друг от друга. Отталкиваясь, витки начинают перемещать диск 2 вдоль от вала, так между приводным и рабочим механизмами возникает механическая связь посредством муфты. При этом, регулируя ток в обмотке 3, можно регулировать передаваемую мощность и скорость рабочему механизму. При отключении тока за счет памяти формы обмоток диски начинают приближаться друг к другу и механическая связь между фрикционными дисками исчезает. В отличие от известных муфт подобного класса предложенная конструкция проста, надежна, имеет относительно уменьшенные массогабаритные показатели. Такая конструкция с повышенными требованиями к малой инерционности и быстродействию муфт, улучшенными

Анализ дополнительной погрешности ЭМВП

К важнейшим характеристикам упругой колебательной системы и относительная степень успокоения. Знание собственной частоты позволяет получать с помочью соответствующих конструктивных изменений необходимый спектр собственных частот. Так, например, для расчетных погрешностей, обусловленных механической инерцией вибродатчика в динамическом режиме, необходимо знать значение собственной частоты и степени успокоения механической колебательной системы вибродатчика.

Строгое определение значений собственных частот упругих систем датчиков, особенно сложных, представляет трудности. Это объясняется тем, что механическая колебательная система датчика – спиральная пружина – имеет распределенные параметры. Имеется ряд работ [77; 78; 85; 95] по определению собственных частот спиральных моментов пружины (в частности, спирали Архимеда). Однако полученные в этих работах соотношения являются достаточно громоздкими для применения в практике проектирования, и получены они применительно к пружинам с максимальными значениями собственных частот, что особенно важно для виброустойчивых приборов, в которых, с целью устранения размывов и уводов указателя от резонансных колебаний пружин, собственные частоты пружин должны лежать как можно выше верхней границы задаваемого частотного диапазона внешних воздействий (при заданной величине удельного противодействующего момента пружины) [2].

В данной работе определяется собственная частота колебаний спиральной пружины применительно к вибродатчику, как преобразователю параметров вибрации использованием приведенной модели по методу Релея. Для практических расчетов целесообразно использование простейшей системы с сосредоточенной массой и жесткостью взамен сложной реальной, в данном случае для определения низшей частоты колебаний спиральной пружины с распределенными параметрами [80].

Пользуясь приведенной моделью системы и учитывая радиальные перемещения, для кинетической энергии системы «сшитых» колес можно записать соотношение 2 N Y,m vl4 ( J1(07) + AN1(0r) M MW 1(W = J2Y) (2.67) где m w - масса w-го витка; fw - форма колебания w-го витка (sw(1)). Кинетическая энергия движущейся сейсмической массы определяются из соотношения 1= (2.68) где V - скорость колебания точки приведения. Учитывая, что вдоль оси колебания х = 2яиу

Определяется жесткость приведенной пружины, определяющей эквивалентности реальной и идеальной схем. Потенциальная энергия приведенной системы сх(2ж-Х)2 п1 = (2.73) где c1 – жесткость приведенной пружины.

Необходимо определить механическую работу, совершаемую при радиальном перемещении каждого w-го витка пружины. С использованием выражения (2.73) находится радиальное усилие, возникающее в w-том витке спирали при свободном колебании пружины

Используя эту формулу, можно рассматривать собственную частоту колебаний спиральной пружины, имеющей распределенные параметры, причем это применимо для любой формы спиральной пружины (спираль Архимеда, логарифмическая спираль). Данная формула справедлива для проектирования устройств со спиральной упругой системой, например, для виброустойчивых электроизмерительных приборов.

В работе рассмотрены предельные частные случаи полученного выражения в зависимости от аргумента функции Бесселя и других параметров вибродатчика.

Получено в упрощенной форме наиболее пригодное для практических расчетов и анализа выражение вида

Упрощенная формула (2.82) совпадает с формулами, приведенными в работах [77; 78; 80], что свидетельствует о правильном подходе к решению поставленной задачи. Из выражения видно, что для увеличения собственной частоты необходимо радиусы витков спирали выбирать минимально возможными. Минимальное значение R1 ограничивается при этом технологическими требованиями к изготовлению пружины и сборке преобразователя. По формуле (2.82) были произведены расчеты собственных частот при различных геометрических размерах и числе витков, материалах спирали. Расчетные данные сравнивались с расчетными данными, произведенными для тех же конструкции спиралей по формуле [140] h (2.83) (tf2 + ВД)+Я02)ш /о »0.23п где n=1,2,3. В результате обработки расчетных данных в полученное выражение (2.83) был введен поправочный коэффициент, учитывающий влияние толщины ленты на собственную частоту спиральной пружины. Тогда окончательно выражение (2.84) принимает вид, наиболее пригодный для инженерных расчетов

Результаты обработки показали, что выражение (2.84) дает удовлетворительный результат при толщинах ленты h=(1.5 -f3.5) -Ш5м, что имеет место при изготовлении точных приборов, при этом =(2-3) и выбирается с учетом толщины ленты.

Например, для серийных приборов типа А-0 экспериментально установлено, что /0 «50Гц [77]. Расчетное значение получено по формуле (2.84) при номинальных параметрах, применяемых в приборе для пружин с параметрами, =1.7- 10 3м, R2=4a3м, /г = 2.4-10"5м, w = 5.3, // = 0.31, р = 8230кг/м 3 , Е = 1,35 -10 11 Н 1м 2 ) и составляет /0 -49.8558 Гц , а расчетное значение по формуле (2,125) при =2.4 составляет /0 -49.8676 Гц, т.е. выражение (2.84) дает вполне удовлетворительный результат с отклонением до 0.1 % от экспериментального значения. В общем виде отклонение расчетных значений по формуле (2.84) от известных формул для расчета собственных частот спиральных конструкции составляет менее 10%.

В дальнейшем возможно уточнение поправочного коэффициента в полученном выражении для определения более точных значений собственной частоты спиральной пружины. Выражение (2.84) позволяет более точно учитывать размеры каждого витка спирали, что важно при исследовании влияния их на характеристики датчика и конструировании их.

Спиральный вибратор с улучшенными механическими характеристиками за счет скоса прорезей

Разработка спиральных вибропреобразователей ЭМПВ и система их автоматизированного проектирования включает следующие этапы: расчет активной части машины; механические, тепловые, виброакустические расчеты элементов конструкции; проектирование общих видов машин, узлов и деталей; проектирование технологического процесса изготовления двигателей, необходимой оснастки и инструмента; выбор системы ведения документации и процесса производства ЭМВП. На основе математической модели осуществляются оптимизационные расчеты активной части преобразователя. На следующем этапе с помощью пакета прикладных программ для полученного оптимального варианта активной части проводятся поверочные расчеты. Они охватывают все технические характеристики и предусматривают унификацию и доводку всех важнейших элементов и узлов. Поверочные расчеты осуществляются в диалоговом режиме работы с ЭВМ. Проектировщик задает исходные данные с помощью дисплея и на экране получает информацию о результатах расчета.

Уточненные технико-экономические характеристики, получаемые в результате поверочных расчетов, используются для разработки конструкторских решений с применением прикладных программ машинной графики. Разработка конструкции включает прочностные, виброакустические, механические расчеты и пр. Изменение конструкции приводит к необходимости повторения поверочных расчетов с использованием методов последовательного приближения.

Таким образом, работы по проектированию вибрационных преобразователей делятся на две части: 1) определение оптимальных размеров и обмоточных данных активной части преобразователя; 2) по полученным размерам активной части определение размеров конструктивных элементов.

Первая часть является наиболее важной, так как определяет в значительной мере технический уровень. Она следует непосредственно за решением основных вопросов структуры серии: выбора шкал, определения перечня модификаций, установления технических требований к характеристикам и отдельным параметрам преобразователя и пр.

В функции системы САПР входит также выпуск документации для автоматического изготовления оснастки и отдельных деталей на станках с числовым программным управлением, а также ведение чертежного хозяйства в производстве. Эти функции составляют переходной этап от конструирования к технологии изготовления.

САПР состоит из отдельных относительно автономных частей-подсистем: оптимального расчетного проектирования, конструкторского проектирования, ведения технической документации в производстве (технологическая подсистема).

С помощью подсистемы оптимального расчетного проектирования на основе технического задания и критериев оценки технико-экономических показателей определяются оптимальные геометрические размеры активной части и обмоточные данные и их электромагнитные характеристики.

После оптимизационных расчетов проводятся поверочные расчеты, при которых проектировщики осуществляют нормализацию и унификацию размеров, выполняют расчеты рабочих и пусковых характеристик и т.д. Оптимизационные и поверочные расчеты могут выполняться как в пакетном режиме, так и в диалоговом.

Результатом работы подсистемы является набор значений основных размеров и параметров конструкции преобразователя, оптимизирующий критерий качества, выбираемый конструктором.

В работе выводятся аналитические соотношения для определения основных размеров магнитопровода спирального ЭМВП по необходимым выходным характеристикам с целью дальнейшей оптимизации и разработки САПР для нового класса электромеханических преобразователей [211; 213].

При анализе и исследовании использованы метод Релея, уравнение электродинамики Максвелла, а также предыдущая работа автора[129].

Вывод соотношений для определения основных размеров магнитопровода ЭМВП, т.е. диаметра оси крепления d0,размеров ферримагнитного кольцавм и d м , воздушного зазора , внутреннего и наружного диаметров корпуса Д1 и Д2 основано на том, что магнитная загрузка магнитопровода ЭМВП не превышает индукции насыщения материала. Этот подход применяется в первую очередь к режиму со свободным ускорением спиральной пружины, когда вся развиваемая магнитная энергия

Wm идет только на разгон пружины [173]. Этот режим интересен с точки зрения определения частоты собственного колебания колебательной системы, когда с увеличением собственной частоты 0 и выбором оптимального успокоения при гармонических колебаниях измеряемой величины может быть достигнуто уменьшение амплитудной динамической погрешности [39].