Создание ручных форсированных электрических машин ударного действия для строительно-монтажных работ
На правах рукописи
АБРАМОВ АНДРЕЙ ДМИТРИЕВИЧ СОЗДАНИЕ РУЧНЫХ ФОРСИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНО-МОНТАЖНЫХ РАБОТ Специальность 05.05.04 «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины»
АВТОРЕФЕРАТ
Диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Новосибирск – 2013 Диссертация выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет путей сообщения»
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Каргин Владимир Анатольевич
Официальные оппоненты:
Абраменков Эдуард Александрович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)», профессор кафедры «Строительные машины, автоматика и электротехника»;
Симонов Борис Ферапонтович доктор технических наук, старший научный сотрудник, ФГБУН «Институт горного дела им. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук (ИГД СО РАН)», г. Новосибирск, заведующий лабораторией «Силовые электромагнитные импульсные системы»;
Стихановский Борис Николаевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Омский государственный университет путей сообщения», профессор кафедры «Информатика, прикладная математика и механика»;
Федеральное государственное бюджетное образовательное
Ведущая организация: учреждение высшего профессионального образования «Томский государственный архитектурно-строительный университет», г. Томск
Защита состоится «15» мая 2013 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.250.02 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» по адресу: 644080, г. Омск, пр. Мира, 5, зал заседаний.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно дорожная академия (СибАДИ)».
Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета.
Телефон для справок (3812)65-07-66, e-mail: [email protected].
Автореферат разослан « » 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.250.02 д.т.н., проф. Кузнецова Виктория Николаевна
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Необходимость постоянного увеличения объема строительно-монтажных работ требует поиска путей сокращения их стоимости и времени выполнения операций за счет внедрения новых технологий. Одна из таких возможностей – применение технологий прямого монтажа конструкций, основанных на использовании удара, исключающих подготовительные операции. Производители промышленного крепежа прогнозируют ежегодное увеличение спроса на 4,8%, а в 2012 году объем его рынка составит около 66 млрд. долларов США. Рассматриваемые технологии находят все большее применение в различных областях строительной индустрии, но их широкое распространение ограничено возможностями оборудования, т.к. для реализации применяется преимущественно монтажные пистолеты. С этой точки зрения несомненный интерес представляет разработка более безопасного мобильного оборудования, обладающего мощным ударным воздействием, способного выполнять операцию деформирования или управляемого разрушения материала за несколько ударов. Имея в виду, что наибольшей доступностью обладает электрическая сеть, представляется целесообразным использовать электрифицированный инструмент, среди многообразия которого наибольший интерес представляют электрические машины ударного действия (молотки) линейного типа, поскольку они надежны в работе, обладают минимальными массой и габаритами.
Основой совершенствования электрических ударных машин является увеличение энергии их единичного удара. При ограниченных возможностях сети по мощности повышение энергии единичного удара может быть достигнуто при снижении частоты ударов, т.е. при создании машин с низкой частотой ударов, в том числе и одноударных. Именно эти машины могут обеспечить эффективную реализацию рассматриваемых технологических операций, а поскольку в настоящее время ни в РФ, ни за рубежом нет ручных строительных электрических машин, отвечающих всем предъявляемым требованиям, то их создание является актуальной задачей.
Степень разработанности темы исследований. К настоящему времени накоплен большой опыт проектирования и практической реализации электрических машин линейного типа. Значительный вклад в их развитие внесли П.М. Алабужев, Н.П. Ряшенцев, А.В. Львицын, Г.Г. Угаров, В.А. Каргин, А.И, Москвитин, А.В. Фролов, Ю.З. Ковалев, Ф.Н. Сарапулов, О.Н. Веселовский, В.В.
Ивашин, Б.Ф. Симонов, Е.М. Тимошенко, А.Т. Малов, В.И. Малинин, Ю.В.
Нейман, К.М. Усанов и другие. В работах этих специалистов отражены результаты исследования линейных электроприводов, в том числе ударного действия, и приведены примеры их практической реализации. Вместе с тем, существующие электромагнитные машины ударного действия обладают малой, не превышающей 1,5-2 Дж/кг, удельной энергией удара, т.е. энергией, отнесенной к массе машины, что ограничивает область их использования. Необходимо отметить, что известны отдельные экспериментальные образцы электромагнитных двигателей, обладающих удельной энергией единичного удара 5-7 Дж/кг, однако масса снаряженных электромагнитных машин, как правило, превышает 20 кг, что позволяет классифицировать их как переносное прессовое оборудование. Для использования в качестве ручного инструмента предпочтительны молотки с массой до 8-10 кг, установленной для ручного механизированного инструмента и энергией удара свыше 20 Дж. Известные на сегодняшний день электрические отечественные и зарубежные молотки в полной мере этим требованиям не отвечают.
Целью работы является обоснование параметров форсированных электрических машин ударного действия для реализации технологий строительно-монтажных работ, основанных на процессах деформации материалов, и создание на основе полученных результатов высокоэффективного ручного электромагнитного инструмента.
Идея работы заключается в создании высоконагруженных малогабаритных ручных машин с электромагнитным приводом для строительно-монтажных работ, на основе применения устройств управления с регулируемой низкой частотой ударов и использованием накопителя энергии, позволяющего исключить импульсное воздействие на сеть и влияние ее параметров на энергию удара, обеспечивающих лучшее качество работ и расширяющих технологические возможности машин.
Объект исследований:
- конструктивно-технологическая система «ручная ударная машина с линейным электромагнитным двигателем, являющимся генератором ударных импульсов, направленных на рабочий инструмент, разрушающий и деформирующий обрабатываемое изделие»;
- деформируемый материал изделия с известными физико-механическими свойствами, степень деформирования которого определяется технологией строительно-монтажных работ;
- система управления и питания электромагнита, определяющая режим работы и энергетические параметры электромагнитного ударного узла.
Предмет исследований:
- закономерности процессов взаимодействия рабочего инструмента строительных машин с деформируемыми средами при производстве строительно монтажных работ, обосновывающие расчет и проектирование ручных электрических машин ударного действия;
- закономерности деформирования материалов составляющих основу строительных и монтажных конструкций;
- изучение связи энергетических параметров электромагнитных ударных машин и их рабочих процессов с целью решения задач по созданию новых ручных строительных машин, обладающих большими технологическими возможностями при производстве строительно-монтажных работ.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
- классифицировать технологии, используемые при производстве монтажных и специальных строительных работ по виду воздействия на обрабатываемый материал конструкций и сформулировать требования к техническим устройствам для эффективного выполнения работ;
- обосновать параметры машин ударного действия на основе исследования процессов деформирования материалов с различными физико-механическими свойствами, составляющих основу строительных и монтажных конструкций и существенно отличающихся друг от друга по характеру требуемого механического воздействия;
- сформировать основные принципы достижения максимальных удельных энергетических показателей в ручных электромагнитных машинах ударного действия и выбрать схему линейного электромагнитного двигателя (ЛЭМД), обеспечивающего их реализацию;
- разработать методику расчета форсированных электромагнитных машин, позволяющую найти основные параметры ЛЭМД при минимальном количестве исходных данных – энергий единичного удара прототипа и проектируемого ЛЭМД для реализации требуемого уровня изменения энергии единичного удара в ручных динамически подобных электромагнитных машинах;
- создать универсальную схему управления работой ЛЭМД с регулируемой низкой частотой ударов для всего диапазона изменения энергии удара, исследовать взаимосвязь между электромагнитными процессами в форсированных ЛЭМД и нагрузкой на электрическую сеть, оценить возможности питания их от источника ограниченной мощности;
- создать ручные форсированные электромагнитные машины для решения конкретных технологических задач и провести их промышленную апробацию.
Методология и методы исследований. В качестве общего методологического подхода работы принята методология системного анализа. В работе использовались методы математического имитационного моделирования, дискретной математики и регрессионного анализа. Представленные в работе результаты получены с применением при теоретических исследованиях методов классической механики и законов электротехники.
Научная новизна проведенных исследований заключается в том, что:
- разработана классификация монтажных и специальных строительных работ, с разделением их по степени воздействия на деформируемый материал, что позволило сгруппировать технологические операции и разработать для них ручные форсированные электромагнитные машины;
- обосновано применение математической модели деформируемого жесткопластического тела и разработана методика определения параметров статической характеристики по известному динамическому воздействию на испытуемый материал индентором, имеющая сходимость с экспериментом не превышающую 8%;
- впервые введено понятие «коэффициент электромагнитного подобия» характеризующего электромагнитные нагрузки подобных ЛЭМД, т.е. энергии на единицу объема, что позволило создать методику их расчета, погрешность которого составляет 8-10 %;
- обоснована конструктивная схема ручных форсированных электромагнитных двигателей, позволяющая создавать машины с регулируемой низкой частотой ударов, и разработано устройство управления их работой, обеспечивающее, при минимально возможном угле открывания тиристора (до 50), максимальное использования энергии полупериода синусоидального напряжения, что позволило создать молоток, выполняющий технологическую операцию за один или несколько ударов;
- впервые разработано устройство управления работой ручной форсированной электромагнитной машиной (РФЭМ) с использованием накопителя энергии, позволяющие исключить импульсное воздействие на сеть, вызывающее перекос фаз и снизить падение напряжения с 40 В до 5 В, и использовать для питания машин не только силовые, но и бытовые сети с напряжением 220 В, а также источники ограниченной мощности;
- обоснованы параметры геометрически подобных форсированных электромагнитных двигателей с одинаковыми для всего ряда удельными электромагнитными нагрузками и удельной энергией единичного удара, превышающей 10 Дж/кг.
Теоретическая и практическая значимость работы. Создана методика определения параметров статической нагрузочной F-х характеристики, по известному динамическому воздействию на испытуемый материал индентором, для которой величина общей статической осадки х равна величине общей динамической осадки hк, позволяющая построить его физическую модель, а затем определить оптимальные выходные параметры двигателя, необходимые для расчета проектируемого инструмента. Разработана методика расчета геометрически и электрически подобных ЛЭМД, массогабаритные параметры которых определяются методами подобия, а энергопреобразование рассматривается с точки зрения классических законов электротехники.
Разработаны комплекты унифицированных электромагнитных машин со сменными технологическими насадками, имеющих энергии единичного удара 20, 40, 60 Дж, реализующие 16 технологических операций.
Реализация результатов работы. Диссертационная работа выполнена в Сибирском государственном университете путей сообщения и обобщает результаты научных исследований и практических разработок автора в период с 1997 по 2011 годы. Диссертация является продолжением комплекса работ по разработке системы расширенного использования виброударных машин и технологий в промышленном, гражданском и дорожном строительствах, проводимых в соответствии с планом НИР и внедрения Сибирского государственного университета путей сообщения.
За период с 2000 по 2008 год на договорных условиях передано в эксплуатацию предприятиям на территории РФ более 30 единиц оборудования для выполнения различных технологических операций. География поставок от Иркутска до Москвы, общий объем выполненных договоров составил более 2, млн. руб. В 2001 году комплект ударных машин удостоен Малой золотой медали ВВЦ (ВДНХ) г. Москва.
Положения, выносимые на защиту.
1. Классификация монтажных и специальных строительных работ по виду воздействия на материал конструкций позволила объединить технологические операции в группы, характеризующиеся типом инструмента, обеспечивающим это воздействие, и сформулировать требования к техническим устройствам для эффективного выполнения работ в каждой из технологических групп.
2. Замена упругопластичной модели деформирования материала на жестко пластичную позволяет определять необходимую для выполнения технологической операции энергию удара с погрешностью, не превышающей 6% с использованием статической нагрузочной характеристики, полученной в лабораторных условиях. Статическая нагрузочная характеристика, особенно для конструкций из тонколистовых и хрупких материалов, может быть достоверно определена путем нагружения их ударом с известной энергией и последующим определением величины внедрения индентора.
3. Введение для характеристики электромагнитных нагрузок в динамически подобных ЛЭМД понятия «коэффициента электромагнитного подобия», т.е.
энергии, приходящейся на единицу объема двигателя, обеспечило создание методики определения параметров форсированных электрических машин, которая позволила по критериям максимальной электромагнитной загрузки и минимальной массы активных материалов, установить достигаемые энергетические параметры механизма, при ограничениях на его массу и линейные размеры.
4. Конструктивная схема одностороннего действия, в которой перемещение бойка в одну сторону осуществляется электромагнитными силами, а в другую – упругими силами пружины, имеющей постоянный контакт с ударником, обеспечивает в электромагнитных машинах с регулируемой частотой ударов максимальную энергию удара при минимальной массе машины, а максимальное использование энергии полупериода синусоидального напряжения достигается реализацией минимально возможного угла открывания тиристора (до 50).
5. Устройство управления работой форсированных электромагнитных машин с использованием накопителя энергии позволяет снизить импульсное воздействие на сеть, вызывающее перекос фаз и существенное падение напряжения с 40 В до 5 В, и использовать для питания машин не только силовые, но и бытовые сети с напряжением 220 В, а также источники ограниченной мощности.
Ценность научной работы состоит в том, что автором для исследования режимов динамического деформирования твердых тел предложена методика, позволяющая при невозможности снятия статической нагрузочной характеристики получить ее из динамической характеристики реальной конструкции в условиях выполнения технологической операции. Для расчета электромагнитных ударных узлов методами подобия предложена методика расчета, имеющая сходимость результатов 8-10 %.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов определяется корректностью поставленных задач, обоснованностью принятых допущений и адекватностью расчетных моделей, применением при теоретических исследованиях методов классической механики и законов электротехники, а также достаточным объемом и удовлетворительной сходимостью результатов расчетов и экспериментов. В процессе расчетов и анализа математических зависимостей применялись специализированные пакеты программ Mathcad 2000.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования – производству» (Барнаул:
АлтГТУ, 2001г.);
на Научно-практической конференции «Актуальные проблемы ТРАНССИБА на современном этапе» (Новосибирск, 2001 г.);
на III Научно практической конференции «Новые технологии – железнодорожному транспорту:
подготовка специалистов, организация перевозочного процесса, эксплуатация технических средств» (Омск, 2000 г.);
на Научно-практической конференции «ВУЗы Сибири и Дальнего Востока ТРАНССИБУ» (Новосибирск, 2002 г.);
на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин», посвященной 90-летию Самарского государственного технического университета.
(Самара, 2003г.);
на международной конференции «Проблемы и перспективы развития горных наук» (Новосибирск : ИГД СО РАН, 2004 г.);
на Всероссийской научной конференции с участием иностранных ученых «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте». (Красноярск, 2005 г.);
на 44-й Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии железнодорожному транспорту и промышленности» (Хабаровск, 2006 г.);
на VI Всероссийской научно-практической конференции «Политранспортные системы Сибири» (Новосибирск, 2009 г.);
на VIII Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии 21 века» (Пенза 2010 г.);
на Научно технических советах Западно-Сибирской железной дороги, научных межкафедральных и семинарах кафедры «Эксплуатация машин» Сибирского государственного университета путей сообщения.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано работы, в том числе: в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК — 21 статья, в других изданиях — 1 монография, статей, 5 тезисов докладов, получено 5 патентов на полезные модели РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из реферата, введения, семи глав, выводов, списка литературы с указанием работ отечественных и зарубежных авторов и приложений. Диссертация изложена на 327 страницах, содержит 145 рисунков, 48 таблиц, библиографию из наименований и приложения на 47 страницах.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении отражена научная проблема, дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи, описаны методы исследований. Дается общая структура и характеристика работы. Приведены основные положения, выносимые на защиту, изложены сведения о научной значимости и практической ценности, реализации и апробации работы.
Глава 1 Проблемы и перспективы создания ручных форсированных электромагнитных машин для строительно-монтажных работ. Строительство включает в себя, помимо общестроительных, монтажные и специальные строительные работы. Они связаны с технологиями, основанными на пластическом деформировании или разрушении строительных материалов или изделий. К ним можно отнести, например, монтаж кабельных линий, цеховых сетей и электропроводок, для осуществления которого необходимо выполнять большое количество работ по пробиванию отверстий в стенах и перекрытиях, по креплению к ним с помощью забиваемых дюбелей различных конструктивных элементов, по соединению, ответвлению и оконцеванию изолированных жил проводов и кабелей. Неразъемные контактные соединения необходимо также выполнять при строительстве и эксплуатации железных дорог (электрические соединители и дроссельные перемычки), устройстве подкрановых путей строительных кранов и т.п.
Строительство обладает весьма высоким уровнем механизации, определяемым развитым машинным парком. При эксплуатации различных строительных машин, таких как землеройные и землеройно-транспортные машины, грузоподъемные средства, буровые и снегоуборочные машины и другие, необходимо вести работы по запасовке грузовых канатов в алюминиевых гильзах, оконцеванию резино-металлических рукавов гидросистем и тросовых соединителей рабочих барабанов с использованием стальных втулок и другие.
К основным параметрам, характеризующим эти технологии относятся:
энергоемкость операций;
материал;
размеры обрабатываемых элементов;
способ воздействия;
количество операций (переходов);
вид воздействия – формоизменение или разрушение;
показатели качества. Поэтому для выбора способа воздействия на материал и определения силовых и энергетических характеристик машин необходимо сформулировать и единообразно сгруппировать требования, к технологическим операциям по энергоемкости и качеству их выполнения.
В настоящее время для выполнения технологических операций, связанных с деформированием материалов, применяется оборудование и инструмент различных видов и способов преобразования энергии: механические, гидравлические и электрогидравлические прессы;
пиротехнические устройства;
машины ударного действия с пневмо-, гидро- и электроприводом. При такой широкой номенклатуре требуется высокая квалификация обслуживающего персонала, значительные эксплуатационные и энергетические затраты.
С точки зрения унификации оборудования, снижения себестоимости, повышения производительности труда и качества выполнения рассматриваемых технологий наиболее перспективными являются электромагнитные машины, непосредственно, без промежуточных звеньев, преобразующие электрическую энергию в механическую работу. Простота конструкции, высокая надежность, минимальные массогабаритные параметры открывают возможности для создания ряда подобных машин, обладающих повышенными удельными энергетическими показателями и предназначенных для реализации широкого круга технологических задач.
Основным требованием к машинам для реализации технологий, основанных на деформировании материала или изделия, является их способность наносить удары по команде оператора, при достаточной энергии единичного удара и минимальной массе, не превышающей 8-10 кг, сохранять работоспособность при отрицательных температурах. Питание машин должно осуществляться от сети промышленной частоты или от источника ограниченной мощности в условиях строительной площадки.
Кроме, того при создании ручных форсированных электромагнитных машин необходимо учитывать их кратковременный режим работы ПВ20%, а также стремиться к достижению минимальных габаритов и минимальной себестоимости изготовления. Машины должен обладать длительным сроком службы, надежностью работы и минимальной силой отдачи. Принимая во внимание современный уровень развития электромагнитных двигателей, а также требования нормативных документов к ручному инструменту сформированы исходные данные для расчета ручных машин:
- масса машины – mМ = не более10 кг;
- тип привода – электромагнитный двигатель;
- удельная энергия привода – Т/ mПР = не менее 7 Дж/кг;
- скорость бойка – VБ = не менее 8-10 м/с;
- виброскорость машины – VВИБР = не более 5,24 м/с;
- усилие нажатия – FН = не более 200 Н;
- сеть: 220 В;
50 Гц;
- класс защиты 2 – двойная изоляция.
На рисунке 1 приведены основные области исследований: деформируемый материал с известными физико-механическими свойствами для определения взаимосвязи между энергией единичного удара Т, количеством ударов k и величиной осадки или глубиной погружения стержня hк;
рабочий инструмент его тип и геометрия;
линейный электромагнитный двигатель ударного узла;
система управления двигателем, обеспечивающее максимальное использование возможности сети;
устройство питания, исключающее просадки напряжения в электрической сети.
Рисунок 1 – Области исследований Глава 2 Моделирование управляемого пластического деформирования материалов. Одной из основных задач является формулирование и группирование требований к технологическим операциям по энергоемкости и качеству их выполнения.
На рисунке 2 представлена классификация способов воздействия на конструкционные и строительные материалы, где все рассмотренные технологии разбиты на укрупненные группы. Основной признак при формировании групп – это степень деформирования материала. Выделены три основные группы процессов: управляемое разрушение – погружение стержней в различные материалы, включая пробивку отверстий;
изменение формы заготовки;
обработка поверхностей с целью упрочнения. Технологии, входящие в одну группу, имеют общий диапазон рабочего хода инструмента и отличаются только видом инструмента и энергией единичного удара. Наличие такой классификации позволяет прогнозировать основные направления создания машин для реализации технологий, основанных на деформировании материала, и обосновывать их параметры для эффективного осуществления технологических процессов.
Определение энергоемкости этих технологических операций является основой для создания минимально возможного размерного ряда машин, не превышающего 3х-4х типоразмеров.
Оконцевание проводов и кабелей I Изготовление дроссельных перемычек соединений контактных Выполнение Изготовление рельсовых соединенителей С II Запасовка грузовых канатов канатов стальных Опрессовка Изготовление элементов щеточных узлов III Оконцевание рукаков гидроаппаратуры Изменение формы шлангов рукавов и Опрессовка Оконцевание резиновых шлангов низкого давления IV Развальцовка стальных труб раздача Изгиб и Отбортовка тонкостенных труб заготовок А Раздача заготовок инденторами V (стержнями) Забивка дюбелей в строительные основания стержней Установка в основания ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ Забивка костылей в шпалы ТЕХНОЛОГИИ Погружение стержней VI Вырезка отверстий в листовых материалах и многослойных панелях Пробивка и вырезка отверстий Пробивка отверстий в хрупких неметаллических материалах Способы обработки деформируемых твердых тел В Калибрование ПРОЦЕССЫ Радиальное обжатие VII СТЕПЕНЬ ПОГРУЖЕНИЯ ИЛИ УРОВЕНЬ СИЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ Рисунок 2 – Классификация способов воздействия на конструкционные и строительные материалы Обкатывание пластическое Поверхностное деформирование Раскатывание Обработка поверхностей VIII Фрикционная металлизация смазок твердых Нанесение Комбинированные методы металлизации Главной задачей, которую необходимо решить для выбора основных параметров ударной машины, является определение связи между энергией единичного удара Т, количеством ударов k и величиной осадки или глубиной погружения стержня hк за один удар. Эта задача, даже для формоизменения тел правильной геометрической формы, например, стальной цилиндрической втулки, не может быть решена аналитическими методами, т.к. под действием каждого удара при изменении формы меняются пластические и упругие свойства материала. Поэтому рассматриваемая задача решается приближенными методами, путем пошагового моделирования. Это обстоятельство затрудняет проведение анализа влияния отдельных параметров на величину осадки или глубину погружения. Кроме того, так как результаты решения каждого шага являются исходными данными для решения на следующем шаге, то увеличивается погрешность расчетов.
Особенностью предлагаемого подхода к определению требуемой энергии для деформации материала является использование набора элементов существующих моделей и способов их соединения, адаптированных к исследуемым деформационным процессам.
На рисунке 3,а приведена статическая нагрузочная характеристика, устанавливающая связь между силой и величиной осадки заготовки, которая может быть получена для большинства представленных в классификации технологий. На рисунке 3,б представлена схематизированная диаграмма упрочняющегося деформируемого тела, внешний вид которой идентичен статической нагрузочной характеристики. Поэтому мы формируем механическую модель из известных, классических моделей деформируемых твердых тел.
а) б) Рисунок 3 – Статическая нагрузочная характеристика деформирования заготовки (а), схематизированная диаграмма деформируемого твердого тела (б) Приведенной на рисунке 3,а статической нагрузочной характеристике соответствует изображенная на рисунке дискретная механическая модель системы «боек – ударный инструмент – обрабатываемый материал. Она представляет собой комбинацию пружин с жесткостями с1 и с2, деформируемых ударом массы m, имеющей предударную скорость Упругие свойства Vo.
Рисунок 4 – Модель упругопластического деформируемого тела моделируются упрочняющегося тела пружиной с жесткостью с1. Сопротивление среды началу пластической деформации отображается демпфером сухого трения и характеризуется силой сопротивления FT. Демпфер выполнен в виде рессоры, что исключает обратный ход пружины, моделирующей условную жесткость среды с2 в пластической зоне. Движение массы m в упругой зоне, т.е. при с1х FT +с2 hк описывается уравнением:
т1 с1 х1 0.
х (1) Для работы модели в пластической зоне справедливы уравнения:
т1 с1 ( х1 х2 ) 0;
х с2 (hk x2 ) FT c1 ( х1 х2 ). (2) Жесткость с1 аналитическим путем можно рассчитать только на первом цикле нагружения. Если процесс нагружения состоит из нескольких циклов, то расчет для последующих с1 аналитическому не поддатся, поскольку невозможно учесть упрочнение материала, произошедшее на первом цикле нагружения. В этом случае жесткость с1 сложно определить и экспериментально, т.к. требуются высокоточные измерения. Также невозможно определение упругих свойств при нагружении тела сложной структуры или материала, находящегося в горячем состоянии. Все расчеты упрощаются при замене упруго пластичной модели на жесткопластическую. Но такой подход вызывает необходимость оценки возникающей в этом случае погрешности.
На примере ряда технологий был проведен анализ возможности использования для определения основных параметров этих технологических процессов модели жесткопластического тела. Величина деформации S (%) в упругой зоне характеризует долю работы, расходуемой на упругое деформирование при заданной величине осадки заготовки в пластической зоне, за один цикл нагружения, где S – максимальная площадь деформирования. Для различных материалов она колеблется в пределах 0,2 – 1,2 %, а работа по упругому деформированию для некоторых технологий, приведенных в таблице 1, изменяется в диапазоне от 1·10-4 Дж до 4·10-1 Дж.
Таблица 1 –
Работа в упругой зоне (при выполнении за один цикл нагружения) s, МПа S,% S,м2 h,м A,Дж Технологические операции 4·10-4 0,020 4·10- Соединение арматуры стальной втулкой 250 0, 8·10-4 0,030 2·10- Изготовление дроссельных перемычек 60 1, Пробивка отверстий:
7·10-4 0,001 1·10- в тонколистовых панелях 150 1, 7·10-4 0,010 5·10- в асбестоцементных плитах 70 1, 4·10-4 0,074 2·10- Забивка костылей в шпалы 55 1, Диапазон изменения энергии удара для ручных форсированных электромагнитных машин 10-65 Дж, что указывает на возможность принятия допущения о использовании для расчетов модели жесткопластического тела.
Корректность этого допущения подтверждена результатами экспериментальных исследований деформационных процессов, приведенных далее.
Следует отметить, что для модели жесткопластического тела имеются решения уравнений (2), полученные В.А. Каргиным в виде аналитических зависимостей (3) и (4). Они в явном виде устанавливают связь между энергией удара Т, количеством ударов к и величиной осадки hк. Эти уравнения позволяют рассчитывать динамические режимы нагружения, если известны FТ и с2, определяемые по экспериментальной статической нагрузочной F-х характеристике приведенной на рисунке 5, полученной, например, при деформировании реального образца на стационарной разрывной машине или прессе.
Для жесткопластически деформируемого тела глубину погружения в него стержня можно определить по формуле mV FT FT (3) к hk.
c2 c2 c Энергия единичного удара будет равна:
hk (с2 hk 2 FТ ) (4) Рисунок 5 – Нагрузочная характеристика Т. жесткопластического тела 2k Но при невозможности получения статической нагрузочной характеристики опытным путем возникает проблема определения с2 и FТ. Это характерно для тонколистовых и хрупких материалов, поскольку их образцы – отдельный кирпич или асбестовый лист при попытке погружения в них инденторов разрушаются, а тонкий лист, например, сайдинг – деформируется не разрушаясь. Поэтому изделие помещают в кондуктор или контейнер, что вносит погрешность в оценку упругих свойств. Но более интересными и достоверными являются характеристики реальной конструкции в условиях выполнения технологической операции.
Для определения с2 и FТ и построения статической характеристики нагружения материала предлагается следующая методика, основанная на использовании зависимостей (3) и (4) и известной динамической характеристики.
Суть е заключается в следующем. Рассматриваются несколько циклов динамического нагружения твердого тела. В этом случае из (4) выразим любое из неизвестных с2 или FТ на произвольных к и (к+i) циклах нагружения, например, FТ : 2k Т с2 hk Цикл к FT. (5) 2hk 2( k i )Т с 2 h(2k i ) Цикл к+i (6) FT.
2 h( k i ) В эти уравнения входят 5 неизвестных - Т, к, hк, FТ и с2.
При воздействии на испытуемую конструкцию или деталь (бетонная плита, кирпичная стена и т.п.) в реальных условиях любой машиной ударного действия, с известной энергией Т определяется величина внедрения рабочего инструмента на каждом цикле нагружения hк, hк+і …. Теперь в (5) и (6) остаются два неизвестных FТ и с2, которые являются константами, что позволяет их найти, приравняв оба уравнения друг к другу и решив относительно одного из параметров: 2kТ с 2 hK 2(k i )Т с 2 h( k i ) FT. (7) 2h K 2 h( k i ) где i 2 – количество циклов нагружения.
Таким образом, линейная статическая нагрузочная F-х характеристика, для которой величина общей статической осадки х равна величине общей динамической осадке hк, может быть построена по результатам динамического нагружения.
Глава 3 Экспериментальные исследования процессов деформирования материалов. В главе приведены экспериментальные характеристики процесса деформирования материала в технологических операциях входящих в различные группы, представленные в классификации. Эти характеристики позволяют определить с2 и FТ и рассчитать необходимую для осуществления процесса деформирования энергию удара. При определении с2 и FТ рассматриваемых технологических процессов, входящих в группы «растяжение-сжатие» и «погружение стержней», использовались статический и динамический методы расчетов.
Для оценки погрешности расчета динамических режимов по рассмотренной в главе 2 методике, проведены экспериментальные исследования технологического процесса погружения стержней в деревянное основание, осуществляемое в квазистатическом и динамическом режимах.
Исследуемые образцы изготавливались из нескольких шпал, размером 178х229 мм, не имеющих в соответствии с ГОСТ 78-98 пороков строения древесины, грибных поражений, трещин и червоточин. Для устранения влияния на процесс погружения анизотропности строения древесины все образцы ориентировались на прессе так, чтобы обеспечить погружение костыля режущей кромкой только поперк волокон древесины. В соответствии с техническими требованиями в шпалах предварительно сверлились отверстия, диаметр которых зависящий от породы древесины, составил 13 мм. Отверстия высверливались на глубину 130 мм. При испытаниях использовались костыли одинаковой длины, выпускаемые в соответствии с техническими вдавливании в сверленую сосновую шпалу Диаграммы нагружения костылей при условиями.
На рисунке 6 представлена итоговая экспериментальная нагрузочная характеристика процесса вдавливания костылей h=f(F), позволяющая определить начальное усилие погружения FТ и условную жесткость с2.
Ряд 20000 Ряд Ряд Ряд Усилие вдавливания F,Н Ряд Ряд Ряд Ряд Ряд Ряд Ряд Ряд Ряд Ряд Ряд 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Глубина погружения Х,мм Рисунок 6 – Итоговая зависимость глубины погружения костыля от усилия вдавливания и ее линия регрессии.
На рисунке 7 представлены результаты сопоставительного анализа расчета и эксперимента. Зависимость 1 соответствует динамическому режиму, при котором забивка костылей производилась с энергией удара 30 Дж. В соответствии с анализируемой методикой расчета по ней определены параметры FТ =5700 Н и с2 =87000 Н/м. Зависимость 2 получена расчетом по модели деформирования тела, когда FТ и с2 определены по статической нагрузочной характеристике (см.
рисунок 6). Экспериментальные и теоретические зависимости h=f(k) Глубина погружения h,мм FТ =5700 Н, с2 =87000 Н/м 0 2 4 6 8 10 Колличество ударов К Теор.4, Т=50 Дж Рисунок 7 – Экспериментальные (1, 3) Джтеоретические (2, 4, 5) Т=30 Дж Теор.5, Т=50 Дж Эксп.3, Т=50 Теор.2, Т=30 Дж Эксп.1, и зависимости h = f(к) для энергий удара 30 и 50 Дж.
Аналогичным образом получены зависимости 3 и 5 для энергии удара 50 Дж.
Зависимость 4 получена расчетом по модели деформируемогог тела, когда FТ и с определенными из динамической нагрузочной характеристике (см. рисунок 7).
Расхождения результатов расчета по двум методикам не превышает максимальной погрешности 6-8%, что свидетельствует о вполне удовлетворительной их точности.
Снятие статических F=f(h) зависимостей процесса раздачи цилиндрических заготовок стержнями затруднено, так как требуется предварительный нагрев заготовки и быстрое погружение стального стержня. Поэтому на копре была снята динамическая характеристика процесса погружения стержня в однородные материалы – в нагретый палец рычага тормозной системы, приведенная на рисуноке 8.
На основе экспериментальных данных произведен расчт критической сила начала погружения и условной жесткости в FТ пластической зоне – с2. Зная величину полной осадки стержня Рисунок 8 – Итоговая зависимость глубины h =55мм и задаваясь количеством погружения hк (м) от количества ударов к, с энергией удара Т=28 Дж. ударов к, произведен расчет необходимой энергии единичного удара в зависимости от количества ударов.
Результаты расчета приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Зависимость энергии единичного удара от количества ударов Количество ударов к 5 6 7 8 9 10 11 Энергия удара Т, Дж 160 135 115 100 90 80 67 Статическая характеристика процесса погружение стержней в слоистые материалы рассмотрена на примере пробивки отверстий в стальном и асбестоцементном листах, применяемых при устройстве стеновых панелей.
На рисунке 9, а приведена F-х характеристика изготовления лидирующего отверстия при обработке стального листа толщиной h 0,6 10 м.
б) а) Рисунок 9 – Нагрузочная характеристика (а) и схема резания лидирующего отверстия (б).
Y Y Z Z а) б) в) Рисунок 10 – Схема размерной обработки отверстия в пластине (а);
форма технологически необходимого отверстия (б);
вид стружки при окончательной обработке отверстия (в): 1 – инструмент;
2 – деталь;
3 – цилиндрический кондуктор с режущими кромками;
4 – вырезаемая стружка При деформировании пластинчатых материалов плоским заостренным инструментом, выполненным в виде спирального или ленточного сверла, происходит пробивка и отгибание материала в зоне лидирующего отверстия, что в дальнейшем, при размерной его обработке, приводит к разрыву материала в зоне резания. Размерная обработка отверстия начинается при обратном ходе инструмента и осуществляется двумя боковыми кромками по схеме, приведенной на рисунке 10. Величина скоса режущих кромок относительно невелика ( = 3-5) и необходима для более плотного прижатия кондуктора к обрабатываемой детали. Обратный ход и формирование отверстия осуществляется при F = const.
Статическая характеристика процесса «растяжение-сжатие» рассмотрена на примере опрессовки строп стальными втулками, установки гидравлической арматуры на шлангах высокого давления, оконцевании проводов и кабелей, соединении строительной арматуры.
На рисунке 11 представлены экспериментальные нагрузочные характеристики опрессовки строп стальными втулками. Линия регрессии, полученная по экспериментальным данным с помощью программы Excel, позволяет определить FТ =51500Н и с2=2382000Н/м.
Усилие сдавливания F, Н 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, Величина осадки заготовки X,м Рисунок 11 – Диаграмма нагружения заготовки «канат – гильза» Для технологических операций, входящих в группу «обработка поверхностей», невозможно снять нагрузочные характеристики из-за незначительности осадки. Поэтому исследовалось влияние энергии удара на качественные характеристики технологической операции – микротвердость и глубину упрочненного слоя. На рисунке 12 приведена зависимость микротвердости и глубины упрочненного слоя алюминотермитного сварного соединения рельсов от энергии удара, которые позволяют определить необходимый для выполнения процесса уровень энергии удара. Учитывая требования ТУ 0921-127-01124323-2005 на процесс сварки алюминотермитным способом, твердость на 12000 4, поверхности катания алюминотермитных 3, Глубина упрочнения hупр,мм Микротвердость Н200, МПа сварных соединений 8000 рельсов должна быть 380 2, 400 НВ, что соответствует микротвердости 5800- 4000 1, МПа, согласно работам В.К.
Григоровича.
0, Из приведенной на 0 0 5 10 15 20 25 30 рисунке 12 зависимости Энергия удара Т, Дж видно, что поверхностный Микротвердость поверхностного слоя слой микротвердостью Рисунок 12 – Влияние энергии удара на изменение МПа 5800- микротвердости и глубины упрочнения поверхностного формируется при обработке слоя сварного шва головки рельса поверхности катания рельса индентором с цилиндрическим плоским торцом радиуса 5 мм с минимально достаточной энергией единичного удара 20 Дж.
В результате проведенных исследований установлено, что для реализации всей номенклатуры представленных в классификации технологий необходимо создать типоразмерный ряд форсированных электрических машин с шагом энергии единичного удара 20Дж, т.е. 20, 40, 60 Дж.
Основной задачей при создании ряда ручных электрических машин ударного действия, предназначенных для реализации представленных в классификации технологий, становится достижение максимальной энергии удара при минимальной массе машины.
Глава 4 Синтез форсированных ЛЭМД. Основой структурного синтеза является анализ конструкции машин, позволяющий выявить пути их совершенствования, которые наиболее предпочтительны для решения конкретных технологических задач.
Работы Н.П. Ряшенцева, Г.Г. Угарова, В.А. Каргина, А.И. Смелягина, А.В.
Львицина, В.И. Мошкина, В.Ю. Неймана, К.М. Усанова и других авторов, посвященные исследованию электромагнитных машин и устройств управления их рабочим процессом, позволили создать широкую номенклатуру машин, удовлетворяющих основным требованиям производства работ.
По способу получения возвратно-поступательного движения бойка все электромагнитные машины можно разделить на три группы.
1. Электромагнитные пружинные молотки одностороннего действия, в которых перемещение бойка в одну сторону осуществляется электромагнитными силами, а в другую сторону усилием пружины, имеющей постоянный контакт с бойком.
2. Молотки двухстороннего действия, в которых разгон бойка и возврат его в исходное положение осуществляется электромагнитными силами двух катушек.
Но в этом случае существенно усложняется конструкция машины и схема управления перемещением бойка.
3. Молотки со свободным выбегом бойка, схема которых наиболее проста, но не позволяют реализовать регулируемый или одноударный режим работы.
Первая конструктивная схема относительно проста, а с учетом регулируемого режима работы молотков наиболее целесообразна для создания подобных конструкций. На рисунке приведена конструктивная схема ручных форсированных электромагнитных машин с регулируемой низкой частотой ударов, которая обеспечивает максимальную энергию удара при минимальной массе машины.
Особенностью предлагаемой Рисунок 13 – Конструктивная схема ручных форсированных электромагнитных машин: конструкции является составной 1- корпус;
2- электромагнитная катушка;
3-боек;
якорь-боек, состоящий из якоря, 4- возвратная пружина;
5- демпфер;
немагнитного стакана-вставки и, 6- матрицедержатель;
7- пуансон;
8- матрица;
непосредственно бойка. Данная 9- пружина;
10- направляющая;
11-демпфер конструкция, защищенная патентом, обеспечивает магнитную «развязку» и распределение нагрузки в теле якоря-бойка.
Так как частота ударов 1-2 Гц существенно ниже частоты питающей сети то для ее преобразования необходимо устройство, обеспечивающее требуемый рабочий режим. При работе электромагнитной машины с максимальной энергией удара 60 Дж, при которой ток в импульсе может достигать 300-350 А, наблюдается значительное падение напряжения в рабочей фазе, что отрицательно влияет на работу многих приборов и оборудования.
Рабочий процесс электромагнитных машин характеризуется рядом особенностей, к основным их которых относится характер изменения индуктивности катушки. При синусоидальном напряжении она является функцией тока, в свою очередь зависящего от времени L=f i(t). Кроме того, индуктивность зависит от магнитной проводимости магнитопровода, которая изменяется при изменении воздушного зазора, т.е. перемещении бойка, L=(xб).
Так как L=f ( i ;
xб ), то не существует аналитических методов расчета режимов работы электромагнитов, что вызывает необходимость использования приближенных методов приводящих к существенным погрешностям. Ситуация усугубляется тем, что рассматриваемые электромагнитные машины, с высокой удельной энергией удара обладают и другими особенностями, обусловленными электромагнитными нагрузками. Это может быть пояснено следующим образом.
Известно, что мощность электрической машины связана с электромагнитными нагрузками и главными геометрическими размерами известным соотношением:
Sp Dя As B A, (8) где – коэффициент, учитывающий частоту питающей сети;
В – индукция в воздушном зазоре;
Dя – диаметр якоря-бойка;
Аs – линейная токовая нагрузка;
А – длина машины (катушки).
Как видно из (8), увеличение мощности двигателя при заданных его размерах, может быть достигнуто увеличением линейной токовой нагрузки Аs и индукции в воздушном зазоре В. Предельными значениями этих параметров, определяемых из условия насыщения стали и уровня электромагнитной нагрузки на сеть, являются Вmax = 1,95 - 2,10 Тл, Im = 300-350 A. Следовательно, электромагниты, магнитопровод которых работает в области насыщения материала, а амплитудное значение тока достигает 300-350А, следует считать высоконагруженными.
Используемый в настоящее время для расчета электромагнитных ударных узлов метод подобия достаточно подробно изложен в работах П.М. Алабужева, Н.П. Ряшенцева, Е.М. Тимошенко и других исследователей лаборатории электромагнитных машин ИГД СО РАН. Этот метод разработан применительно к ручным электромагнитным машинам с относительно невысокими электромагнитными нагрузками, но и для них погрешность расчета достигает 20 30 %. Попытки расчета высоконагруженных электромагнитных машин с использованием теории подобия показали существенное, до 60% расхождение результатов расчета с экспериментом. Это свидетельствует о необходимости корректировки методики расчета для рассматриваемых ЛЭМД. Тем не менее, основные положения, принятые при расчете электромагнитных машин методом подобия, могут быть использованы и при разработке методики расчета форсированных электромагнитных двигателей.
Суть предлагаемой методики заключается в следующем.
Известно, что тяговая электромагнитная сила ЛЭМД :
1 2 dL (9) F i, ЭМ 2 dх где L – индуктивность цепи;
i Б– мгновенное значение тока;
хБ – перемещение бойка.
Уравнение электрического состояния ЛЭМД имеет вид:
d u irw. (10) dt Для удобства выполнения дальнейших расчетов его можно представить как:
d di (11) u irw, di dt где rw – активное сопротивление катушки;
– потокосцепление;
d L Д– динамическая индуктивность, зависящая от изменения величины тока i.
di Для среды с постоянной магнитной проницаемостью, т.е. при неподвижном якоре статическая индуктивность равна но в электромагнитах с L, движущимся бойком L=f (xБ ). i В 1986 году В.А. Каргиным впервые было доказано, что для высоконагруженных электромагнитов dL/ dx const, т.е. L = LД, и разработана методика расчетов ЛЭМД методом эквивалентных синусоид, суть которого заключается в том, что фактическая кривая тока заменяется синусоидой, площадь которой равна площади реальной кривой. Впоследствии В.Ю. Нейманом это было подтверждено и предложена методика расчета аналогичных высоконагруженных ЛЭМД с использованием методов теории поля, моделирование которого также строится на ряде допущений, а экспериментальная проверка затруднена из-за сложности построения картины поля в динамике.
Так как уравнение электрического состояния можно привести к виду:
di (12) u ir L, w dt то расчет высоконагруженных ЛЭМД можно вести с использованием методов расчета статических электрических машин и трансформаторов.
В работах Н.П. Ряшенцева при расчетах методом подобия для механически подобных систем предложено использовать отношение коэффициентов подобия:
FС tС 1, тС С (13) где mС и С – соответственно коэффициенты подобия массы и хода якоря;
FC – коэффициент подобия силы, приложенной к бойку;
tС – коэффициент подобия времени протекания процесса.
Но для высоконагруженных электромагнитных машин коэффициент подобия времени tc 1, так как, в связи с большой величиной ЭДС самоиндукции период действия тока не равен полупериоду напряжения сети, а рассчитать его практически невозможно и он будет различным у каждого проектируемого электромагнитного двигателя. Поэтому в целях уменьшения погрешности расчетов следует исключить явно входящее в расчетные зависимости время.
Тогда исходным параметром является отношение энергий единичного удара Т прототипа -1 и оригинала-2:
TC. (14) Т При определении массы бойка примем во внимание, что если изменить линейный размер l в lС раз, то площадь будет изменяться в l2С раз, объем – в l3С раз. На основании геометрического подобия двух машин можно определить значения степеней коэффициента подобия lС основных геометрических параметров этих машин, определяемых размерами бойка – внутреннего диаметра катушки d1 и ее длины lК. Расчетная схема силовой части двигателя представлена на рисунке 14. dБ Так как масса бойка цилиндрической формы равна тБ l Б, (15) где – удельный вес материала бойка, lб - длина бойка, dБ - диаметр бойка.
mБС = lС3.
то коэффициент подобия массы бойка определится как (16) Аналогичным образом находятся и остальные коэффициенты подобия.
Для кинетической энергии бойка T mБVБ ;
TC mБCVБC lC. (17) 2 2 22 Для силы тяги электромагнита F B S Б ;
FC B C lC lC. (18) Для размеров катушки и магнитопровода следует ввести поправки на радиальную и аксиальную толщины каркаса а и р.
Дальнейшие расчеты не могут быть выполнены методом подобия.
Действительно, для того чтобы рассчитать наружный диаметр катушки, с изменением которого меняется индуктивность L, надо знать число витков катушки и сечение обмоточного провода, т.е.
необходимо рассчитать ток, зависящий от индуктивности. А это сделать методами геометрического подобия невозможно.
Очевидно, что для создания Рисунок 14 – Расчетная схема силовой части равно нагруженных ЭМД двигателя: 1 – силовая катушка;
2 – наружный магнитопровод;
3 – каркас катушки;
4 – полюс необходимо ввести показатель или магнитопровода;
5 – боек параметр, с помощью которого можно оценивать электромагнитные нагрузки. Поэтому целесообразно ввести понятие коэффициента электромагнитного подобия, который характеризует электромагнитные нагрузки подобных ЛЭМД. Он должен определять плотность энергии, т.е. энергию приходящуюся на единицу объема машины, и являться аналогом машинной постоянной электрических машин вращательного действия.
Исходя из сказанного, этот коэффициент можно представить в виде:
К ЭМ const, (19) В АS I Iw где AS. - линейная токовая нагрузка определяется количеством витков, А A силой тока и длинной катушки.
Если допустить, что у прототипа-1 и оригинала -2 напряжение питающей U1 U 2 w1 A12 const сети неизменно: (20) то для проектируемой машины количество витков определится из выражения: A w2 w1 12. (21) A В качестве основного исходного положения принимаем, что для одинаково нагруженных машин должна оставаться неизменной плотность тока в обмотке двигателя, т.е. коэффициент подобия J C.1.
AS А (22) J1 J 2 const, SМ где SM – сечение обмоточного провода.
SM 2 J Тогда сила тока (23) I.
w По приведенным формулам определяется предварительное количество витков. Рассчитать активное rw и реактивное хw сопротивление катушки можно, если известна индуктивность. А рассчитать индуктивность можно только тогда, когда известны rw и хw. Очевидно, что для электромагнитных расчетов необходимо привлечение дополнительного условия, которое могло бы исключить неопределенность рассматриваемой задачи. В качестве единого критерия оптимизации обмоточных параметров катушки для электромагнитных расчетов предлагается выбрать критерий ее минимального полного сопротивления zw. В этом случае необходимо уточнить количество витков, путем построения зависимостей полного сопротивления, активного сопротивления обмотки и реактивного сопротивления катушки при изменении диаметра катушки, как это показано на рисунке 15.
Полное сопротивление катушки:
2 zw rw xw min. (24) lw rw, (25) M Sw xw L. (26) где lw – длина обмотки;
– круговая частота. Рисунок 15 – Графики изменения тока и сопротивления при переменном 2 d1 (27) L w (k k ), наружном диаметре катушки 4 d где k, k – коэффициенты формы окна катушки, зависящие от ее наружного диаметра.
По существу, речь идет о методике расчета геометрически подобных ЛЭМД, массогабаритные параметры которых определяются методами подобия, а энергопреобразование рассматривается с точки зрения классических законов электротехники. Определенное экспериментом из условия максимально возможной энергии удара количество витков отличается от расчетного не более чем на 8-10%.
Глава 5 Системы управления форсированными ЛЭМД. Энергетические параметры электромагнитных ударных машин с линейным перемещением якоря в значительной степени определяются устройствами питания и управления.
Анализ известных конструкций оборудования с электромагнитными двигателями и сравнение их характеристик свидетельствует о том, что устройства питания и управления оказывают решающее влияние на КПД, нагрев, надежность и производительность машин.
Для реализации максимальной энергии удара и обеспечения регулирования частоты ударов разработано и запатентовано устройство управления, блок-схема которого показана на рисунке 16.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для управления электромагнитным двигателем 2, снабжено дополнительным источником питания 9, синхронизатором 5 и оконечным формирователем импульсов 3. В известных устройствах управления на управляющий электрод (для его открывания) подается одиночный импульс, формируемый от этой же волны напряжения. Это требует времени, поэтому имеет место «запаздывание» открывания. Оконечный формирователь импульсов 3 формирует пачки коротких импульсов, которые подаются на управляющий электрод тиристора 1. При этом обеспечивается срабатывание тиристора при минимально возможном угле его открывания, на силовую обмотку 2 электромагнита подается напряжение.
Лабораторные испытания на экспериментальном образ це опрессователя контактных соединений ОЭМ-1 показали, что с имеющимся устройст вом управления разработан Рисунок 16 – Блок-схема устройства для управления ном в 80-х годах в Новоси электромагнитным двигателем: 1- тиристор, 2- силовая бирском государственном обмотка, 3, 4- формирователи импульсов, техническом университете, 5- синхронизатор, 6- мультивибратор, 7- переменный за счет исключения эффекта резистор, 8- ключ, 9- источник питания «запаздывания», при равных условиях его энергия удара составила 33Дж, а при подключении через разработанное устройство управления – 38Дж.
С целью определения нагрузки на сеть проведены эксперименты по исследованию режима работы системы «двигатель – сеть». Измерение токовой характеристики (рисунок 17) производилось по падению напряжения на электрическом шунте RШ, включенного последовательно в цепь силовой катушки СК. Характеристика напряжения снята с делителя напряжения R1-R2 (1/100).
Полученные аналоговые сигналы были оцифрованы с Устройство управления помощью аналого-цифрового преобразователя Е14-440 фирмы Л-Кард (Россия), имеющего следующие характеристики:
разрешающая способность сигнала - 14 бит, частота - кГц.
Оцифрованные сигналы, обработаны с помощью программного обеспечения Рисунок 17 – Схема измерений разработанного в Сибирском государственном университете путей сообщения на основе LabVIEW 7. По результатам эксперимента построены временные диаграммами токов и напряжений, которые демонстрируют принцип работы устройства управления. Общий вид стенда для осциллографирования рабочего процесса при однократном срабатывании катушки представлен на рисунке 18.
u i а) б) Рисунок 18 – Общий вид стенда (а) и получаемые осциллограммы напряжения u и тока i на катушке ЛЭМД (б) Для оценки влияния положения бойка в магнитопроводе на характеристики тока и напряжения, сняты их осциллограммы на управляющем тиристоре однокатушечного ЛЭМД с бойком и без бойка в магнитопроводе, представленные на рисунке 19. Они подтверждают, что для высоконагруженных электромагнитов статическая и динамическая индуктивности равны, поэтому расчет ЛЭМД может базироваться на методах расчета электрических машин и трансформаторов. Вместе с тем, необходимо отметить, что осциллограммы тока и напряжения снятые на управляющем тиристоре однокатушечного ЛЭМД, свидетельствуют о недостатках существующих схем управления низкочастотными ЛЭМД, приводящих к перекосу фаз, т. к. падение напряжения в одной из них может достигать 40 В. Это отрицательно сказывается на качестве электроснабжения и препятствует широкому применению форсированных электромагнитных машин при использовании бытовых сетей.
В связи с этим поставлена и решена задача создания устройства управления, позволяющего осуществлять питание электромагнитного двигателя при минимальных уровнях падения напряжения в а) б) сети, блок-схема которого Рисунок 19 – Осциллограммы напряжения и показана на рисунке 20.
тока на управляющем тиристоре Устройство управления однокатушечного ЛЭМД без бойка (а) и с запатентовано. В нем бойком (б) в магнитопроводе максимальный ток, потребляемый из сети при срабатывании электромагнита, снижается при указанных номиналах элементов в сотни раз (1,38А), что позволяет использовать даже бытовую сеть, поскольку мощность в импульсе не превышает 304 Вт. Кроме того, в этом случае значительно упрощается схема управления тиристором, т.к. для ее работы не требуется синхронизатор.
Суть системы управления, обеспечивающей высокий уровень постоянства напря жения в сети, заключается в том, что с целью уменьше ния потребляемой из сети активной мощности приме Рисунок 20 – Блок-схема устройства для управления нен накопитель энергии.
электромагнитным двигателем: 1-ограничитель тока зарядки, Накопленная им энергия в 2,7- выпрямитель, 3- дроссель, 4- конденсатор, 5- ЭМД, результате воздействия 6- тиристор, 8- ключ, 9- трансформатор, 10- коммутатор управляющего импульса, передается рабочей обмотке исполнительного механизма.
Напряжением сети через ограничитель тока зарядки 1 накопителя энергии и через выпрямитель 2 и дроссель 3 заряжается конденсатор накопителя энергии до амплитудного значения напряжения сети (при U~=220В, Um=310В).
Запасенная конденсатором электрическая энергия W=сU2/2. Например, при U~=220В и с=1мФ 10 3 (220 2 ) 48,4 Дж.
W В качестве ограничителя тока зарядки 2 накопителя энергии применен балластный неполярный конденсатор. Параллельно накопительному конденсатору 4 подключены, последовательно соединенные, рабочая обмотка исполнительного механизма 6 и разрядный ключ 5, в качестве которого можно применять тиристор или транзистор. К участку управляющий электрод – катод тиристора прикладывается открывающее напряжение, вырабатываемое схемой управления разрядным ключом 8. В результате воздействия управляющего импульса ключ 8 замыкается и энергия, запасенная накопителем энергии 4, передается рабочей обмотке исполнительного механизма.
Результаты экспериментальной проверки новой схемы представлены на рисунке 21.
Рисунок 21 – Осциллограммы напряжения питающей сети 1 тока 2 и напряжения на управляющем тиристоре однокатушечного ЛЭМД, а также напряжения конденсатора 4 на разных циклах включения Из приведенных осциллограмм видно, что падение напряжения питающей сети 1 не превышает 5В, при совпадении ее экстремума и тока 2 потребляемого однокатушечным ЛЭМД. Это обеспечивается конденсатором, падение напряжения на котором представлено осциллограммой 4.
Глава Результаты создания ручных форсированных электромагнитных машин. На основе полученных результатов разработан ряд геометрически подобных форсированных электромагнитных машин с удельной энергией единичного удара, превышающей 10 Дж/кг. Разработаны комплекты унифицированного инструмента со сменными технологическими насадками, обеспечивающие реализацию технологических операции, выполняемых при производстве строительно-монтажных работ, основанных на деформировании материала. Конструкция машин защищена патентами. На рисунках 22-26 представлены некоторые образцы разрабо танных ручных форсированных электромагнитных машин, а также сменные технологические насадки.
Для обработки технологи Рисунок 22 – Ручная универсальная электрическая чески необходимого отверстия машина ударного действия с комплектом разработан и запатентован технологических насадок для выполнения контактных винтовой и ленточный соединений, опрессовки шлангов гидро- и (закрученный) инструмент с пневмооборудования и запасовки стальных канатов, 10 3 м, соединения строительной арматуры, забивки дюбелей, толщиной ленты клеймения, пробивки отверстий и обрубки литников и показанный на рисунке 26. окалины (электрозубило) Вырезка фасонного отверстия в тонколистовом материале или сэндвич-панели осуществляется при обратном ходе зафиксированного инструмента.
Устройство управления Рисунок 23 – Электромагнитный костылезабивщик ЭК-1, Т= 55 Дж, m= 11 кг Рисунок 24 – Установка для деформирования стальных гильз, технологическая оснастка для оконцевания тросов роторных питателей снегоуборочных машин и готовые соединения Рисунок 26 – Винтовой и спиральный Рисунок 25 – Ручная электромагнитная инструменты для пробивки и вырезки машина для упрочнения сварного шва при отверстий при закреплении стеновых алюминотермитной сварке рельсов панелей Глава Технико-экономическое обоснование эффективного использования ручных форсированных электромагнитных машин рассчитано исходя из превышения реальной нормы доходности выполнения технологической операции по сравнению с другими способами ее реализации.
Например, при применении электрической машины ударного действия для установки профилей и реек – итоговая стоимость узла крепления в 3 раза меньше, чем при применении обычного электрического перфоратора, и в 2 раза меньше установки креплений с применением монтажного пистолета. Средняя цена электрической машины ударного действия составляет 27834 руб. Расчетный экономический эффект от применения одной электрической машины ударного действия составляет 70 тыс. руб./год со сроком окупаемости 3 месяца.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Результаты исследований, обобщенные в диссертационной работе, направлены на решение крупной научно-технической проблемы, заключающееся в разработке научно-обоснованных технических решений, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие страны, заключающееся в создании типоразмерного ряда ручных форсированных электромагнитных машин, эффективно выполняющих комплекс строительно-монтажных технологических операций в строительстве.
Основные научные и практические результаты.
Разработана классификация монтажных и специальных строительных 1.
работ, с разделением их по степени воздействия на обрабатываемый материал, что позволило сгруппировать технологические операции и разработать для них размерный ряд ручных форсированных электромагнитных машин (РФЭМ).
Обосновано применение математической модели деформируемого 2.
жесткопластического тела и разработана методика определения параметров статической характеристики по известному динамическому воздействию на испытуемый материал индентором, имеющая расхождение с экспериментом не превышающее 8%.
Впервые введено понятие коэффициента электромагнитного подобия, 3.
характеризующего электромагнитные нагрузки подобных ЛЭМД, т.е. энергии на единицу объема, что позволило создать методику их расчета, имеющую сходимость результатов 8-10 %.
Обоснована конструктивная схема ручных форсированных 4.
электромагнитных двигателей, что позволяет создавать машины с регулируемой низкой частотой ударов и разработано устройство управления их работой, обеспечивающее, при минимально возможном угле открывания тиристора (до 50), максимальное использования энергии полупериода синусоидального напряжения, что позволило создать молоток, выполняющий технологическую операцию за один или несколько ударов.
Разработано устройство управления работой РФЭМ с 5.
использованием накопителя энергии, позволяющие исключить импульсное воздействие на сеть, вызывающее перекос фаз и существенное падение напряжения, достигающее 40 В, до 5 В и использовать для питания машин не только силовые, но и бытовые сети с напряжением 220 В, а также источники ограниченной мощности.
Разработан ряд геометрически подобных электромагнитных 6.
двигателей с одинаковыми для всего ряда удельными электромагнитными нагрузками и удельной энергией единичного удара, превышающей 10 Дж/кг.
Разработаны ручные форсированные электрические машины, 7.
имеющие энергии единичного удара 20, 40, 60 Дж, реализующие технологических операций, конструктивные особенности машин и технологических насадок защищены авторскими правами.
Перспективность разработок и их технический уровень подтвержден 8.
объемом поставленного оборудования – более 30 единиц различного технологического назначения. В дальнейших работах, часть которых уже начата, основной задачей является тиражирование ручных форсированных электромагнитных машин промышленного и бытового назначения.
Расчетный экономический эффект от применения одной 9.
электрической машины ударного действия составляет 70 тыс. руб./год со сроком окупаемости 3 месяца. Объем выполненных договоров составил более 2,5 млн.
руб.
Список работ, опубликованных автором по теме диссертации В изданиях из перечня ВАК РФ:
Абрамов А.Д. Синтез виброударных машин для изготовления, ремонта 1.
и эксплуатации технологического оборудования / А.Д. Абрамов // Вестник Оренбургского государственного университета. Оренбург, 2005. С.3-7.
Абрамов А.Д.. Виброударные технологии в транспортном 2.
машиностроении и строительстве / А.Д. Абрамов, А.Л. Манаков, А.Г. Бондаренко // Строительные и дорожные машины. – 2007. – № 9 – С. 38.
Абрамов А.Д. Виброударные низкочастотные машины для 3.
специальных строительных работ / А.Д. Абрамов, М.С. Галай // Строительные и дорожные машины. – 2008. – № 12 – С. 22.
Абрамов А.Д. Применение электромагнитных машин для 4.
соединения строительной арматуры / А.Д. Абрамов, М.С. Галай, А.Г. Бондаренко // Строительные и дорожные машины. – 2011. – № 7 – С. 22.
Абрамов А.Д. Многообразию нужна рациональность: разработка 5.
системы расширенного использования виброударных машин и технологий при ремонте подвижного состава // Мир транспорта. – 2007. – №4. С.53.
Абрамов А.Д. Синтез системы виброударных низкочастотных 6.
машин ударного действия для механизации строительства / А.Д. Абрамов, М.С.
Галай, А.Г. Бондаренко // Механизация строительства. – 2008. – № 12 – С. 2.
Абрамов А.Д. Виброударная технология для ремонтных работ на 7.
железнодорожном транспорте / А.Д. Абрамов // Вестник Самарского государственного технического университета, посвященный 90-летию Самарского государственного технического университета. Москва: Изд-во «Машиностроение», 2003г.-521 с.
Абрамов А.Д. Технология опрессовки тросов при ремонте путевой 8.
техники /А.Д. Абрамов, И.Н. Бублик // Путь и путевое хозяйство.– 2006– №6– С.27.
Абрамов А.Д. О технологии восстановления цилиндрических деталей 9.
/ А.Д. Абрамов, А.Г. Бондаренко // Путь и путевое хозяйство.– 2007.– № 5 – С. 20.
Абрамов А.Д. Теория и практика комбинированных технологических 10.
процессов с управляемым пластическим деформированием / В.А. Каргин, А.Д.
Абрамов, А.Г. Бондаренко, Т.К. Тюнюкова // Технология машиностроения. – 2007. – №4. – С.53.
А.Д. Абрамов Система расширенного использования виброударных 11.
машин и технологий в транспортном машиностроении и строительстве / А.Д.
Абрамов, А.Л. Манаков, А.Г. Бондаренко //. Транспортное строительство. – 2007.
– № 8 – С.32.
Абрамов А.Д. Применение виброударной технологии для 12.
упрочнения поверхностей деталей машин / А.Д. Абрамов, М.С. Галай // Технология машиностроения. – 2008. – №11. – С.38.
Абрамов А.Д. Виброударное деформирование сварных стыков / В.А.
13.
Каргин, Л.Б. Тихомирова, А.Д. Абрамов, М.С. Галай // Путь и путевое хозяйство. – 2010 – № 6 – С. 22.
Абрамов А.Д. Расчет энергии единичного удара. Восстановление 14.
эксплуатационных характеристик пальцев рычажных систем подвижного состава / А.Д. Абрамов, А.Г. Бондаренко // Мир транспорта. – 2007. – №2. – С.66.
Абрамов А.Д. Повышение эффективности механической обработки 15.
сварных соединений рельсов. / В.А. Каргин, Л.Б. Тихомирова, А.Д. Абрамов, М.С. Галай // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2011. – №3 – С.18.
Абрамов А.Д. Дополнения к классификации виброударных машин и 16.
технологий для изготовления, ремонта и эксплуатации оборудования / А.Д.
Абрамов // Научное обозрение. – 2006 – №1. – С.84.
Абрамов А.Д. Проблемы синтеза виброударных машин и технологий 17.
для изготовления деталей с требуемым уровнем эксплуатационных свойств / В.А.
Каргин, А.Д. Абрамов // Научное обозрение. – 2006 – №2. – С.31.
Абрамов А.Д. Методика расчета параметров привода виброударных 18.
машин / В.А. Каргин, А.Д. Абрамов, И.Н. Бублик, Т.К. Тюнюкова // Научное обозрение. – 2006 – №3. – С.31.
Абрамов А.Д. Виброударные технологии: расширение фронта работ / 19.
А.Д. Абрамов, А.Л. Манаков // Мир транспорта. – 2006. – №2. – С.46.
Абрамов А.Д. Повышение эффективности научных исследований на 20.
железнодорожном транспорте / А.Д. Абрамов, Н.И. Малышева // Вестник Восточноукраинского национального университета им. В Даля №8 (102) Технические науки, серия «Транспорт». Луганск, 2006. – С.184.
Абрамов А.Д. Оценка эффективности ручных строительных машин 21.
ударного действия / А.Д. Абрамов // Вестник СибАДИ: Научный рецензируемый журнал. – Омск: СибАДИ. – 2012.– № 6. – С.38.
В других изданиях:
Абрамов А.Д. Создание размерного ряда ручных редкоударных 22.
электромагнитных машин для транспортного строительства: монография /А.Д.
Абрамов;
отв. ред. В.А. Каргин – Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2012. – 153 с.
Патент на полезную модель № 79484. Способ создания отверстий в 23.
тонколистовых металлах и пакетах собранных из тонколистовых материалов и устройство для его реализации / А.Д. Абрамов, В.А Каргин, Т.К. Тюнюкова.
Опубл. 15.09.08. Бюл.№27. – 6с.
Патент на полезную модель № 56251. Устройство для соединения 24.
контактов / А.Д. Абрамов, В.А Каргин. Опубл. 10. 09 06. Бюл.№25 – 6с.
Патент на полезную модель № 56845. Устройство для соединения 25.
контактов / А.Д. Абрамов, В.А Каргин, Т.К. Тюнюкова. Опубл. 27. 09 06.
Бюл.№27. – 6с.
Патент на полезную модель. № 63993. Устройство для управления 26.
электромагнитным двигателем возвратно-поступательного движения. / А.Д.
Абрамов, В.А Каргин, В.Г. Елагин. Опубл. 10. 06 07. Бюл.№16. – 6с.
Патент на полезную модель. № 105548. Устройство для управления 27.
низкочастотным электромагнитным двигателем возвратно-поступательного движения /А.Д. Абрамов, В.А Каргин, В.Г. Елагин. Опубл.10.06.11. Бюл.№16.– 6с.
Абрамов А.Д. Совершенствование технологии и оборудования для 28.
забивки стержней: дис. …канд. техн. наук: 05.02.08 / Абрамов Андрей Дмитриевич. – Новосибирск. СГУПС, 2000. – 136 с.
Абрамов А.Д. Разработка системы виброударных машин и 29.
технологий для изготовления, ремонта и эксплуатации оборудования / А.Д.
Абрамов // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. Новосибирск, СГУПС. – 2005. – С. 187- Фундаментальные и поисковые научно-исследовательские работы 30.
СГУПС: отчет о НИР по теме 19.10.00 ЦТех. Регистрационный номер от 20.02.2006 г. в. – Москва: Отраслевой центр НТТИ ОАО «РЖД», 2006. – 726 с.
Абрамов А.Д. Низкочастотные электромагнитные машины ударного 31.
действия для решения технологических задач транспортного машиностроения и строительства / В.А. Каргин, А.Д. Абрамов, И.Н. Бублик, Н.А. Морозова, Т.К.
Тюнюкова // Материалы международной конференции Проблемы и перспективы развития горных наук. – Новосибирск, 2004. – С. 124-137.
Абрамов А.Д. Повышение эксплуатационных характеристик деталей 32.
машин методом виброударного пластического упрочнения. / В.А. Каргин, А.Д.
Абрамов, И.Н. Бублик, Н.А. Морозова, Т.К. Тюнюкова // Материалы всерос.
научн. конф. с междун. участием «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте». Красноярск, 2005.
Абрамов А.Д. Возможности применения виброударных технологий в 33.
транспортном строительстве / А.Д. Абрамов, И.Н. Бублик, Н.А. Морозова, Т.К.
Тюнюкова // Вестник института тяги подвижного состава: труды 44-й Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии железнодорожному транспорту и промышленности». - Хабаровск, 2006.– С.81-87.
Абрамов А.Д. Повышение эксплуатационной стойкости деталей 34.
машин виброударным пластическим упрочнением / В.А. Каргин, А.Д. Абрамов, И.Н. Бублик, Н.А. Морозова // Труды Российской школы по проблемам науки и технологий. Миасс, 2004.
Абрамов А.Д. Теория и практика проектирования виброударных 35.
машин и технологий для строительства, ремонта и эксплуатации транспорта и транспортных систем / В.А. Каргин, А.Д. Абрамов, Т.К. Тюнюкова и др. // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. – Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2003. – Вып. 5. – С. 27-41.
Абрамов А.Д. Перспективы формирования ремонтных технологий с 36.
использованием виброударного инструмента / В.А. Каргин, А.Д. Абрамов, А.Г.
Бондаренко // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. Новосибирск, СГУПС. – 2007. – Вып. 16. – С. 225- Абрамов А.Д. Проблемы эксплуатации низкочастотных машин в 37.
транспортном машиностроении и строительстве / В.А. Каргин, А.Д. Абрамов, М.С. Галай // Политранспортные системы Сибири: Материалы VI Всероссийкой научно- технической конференции (Новосибирск, 21-23 апр, 2009):в -х ч. Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2009 - Ч I - 540 с., Ч II - 426 с. С. 395 - 400, Ч I Абрамов А.Д. Обработка сварных соединений рельсов виброударным 38.
пластическим деформированием. / В.А. Каргин, Л.Б. Тихомирова, А.Д. Абрамов, М.С. Галай // Материалы и технологии 21 века: Материалы VIII Международной научно-технической конференции – Пенза, 2010. – С.78-81.
Абрамов Андрей Дмитриевич Создание ручных форсированных электрических машин ударного действия для строительно-монтажных работ Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Специальность 05.05.04 Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины Подписано в печать 11.02.2013г.
Усл. печ. л. 2,0, Уч.-изд. л.1,5. Тираж 150 экз. Заказ № 2646.
Издательство ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения» 630049, г.Новосибирск, ул. Д.Ковальчук, 191 Тел./факс (383)