Результаты исследования систем «Электропривод -запорная арматура» с позиции технической эффективности и энергопотребления

УДК 621.646.98

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ «ЭЛЕКТРОПРИВОД -

ЗАПОРНАЯ АРМАТУРА» С ПОЗИЦИИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ И ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ

Е.В. Плахотникова

Приводится обобщение результатов комплексного исследования систем «электропривод - запорная арматура». Представлена функция зависимости суммарной энергии, расходуемой на обеспечение герметичности запорного органа арматуры, от жесткости. Установлена точка экстремума функции, в которой требуется минимальный расход энергии. Приведенные результаты раскрывают новое направление совершенствования систем и повышения их конкурентоспособности.

Ключевые слова: электропривод, запорная арматура, баланс энергий, баланс жесткости.

Комплексное исследование электропривода с двухсторонней муфтой регулирования крутящего момента и запорной арматуры с прямолинейным перемещением запорного органа в рамках единой системы позволило установить общие принципы распределения энергий между элементами при выполнении наиболее ответственного периода рабочего цикла «открыто - закрыто» - обеспечение герметичности [3].

Особенность рассматриваемых систем заключается в том, что энергия электродвигателя привода распределяется в процессе обеспечения герметичности системы на два потока [4]. Первый поток преобразуется в потенциальную энергию упруго деформированной запорной арматуры, обеспечивая герметичность соединения запорного органа арматуры с посадочным местом, второй поток - в потенциальную энергию упруго деформированной пружины, используемой в системе для выполнения силоизмери-тельной функции, необходимой для точности позиционирования запорного органа арматуры (рис. 1).

На схеме (рис. 1) приведены следующие элементы запорной арматуры и привода: 1 - статор электродвигателя; 2 - ротор электродвигателя; 3 - подпружиненный червяк с возможностью осевого перемещения; 5 -зубчатые колеса редуктора; 6 - пружина; 7 - моментный выключатель («закрытия»);8 - ходовая гайка; 9 - сальник; 10 - запорный орган; 15 -седло посадки запорного органа. Часть запорной арматуры, включающая элементы, испытывающие упругие деформации и определяющие её жесткость, представлены на схеме условно в виде пружины 11.

Суммарная энергия ЕЗА, расходуемая на обеспечение герметичности запорной арматуры А/, определяется уравнением

еза = е';а + е<;ч> + е>;>[ [дЖ],

где £нза - энергия, необходимая для обеспечения силовых параметров заданных при настройке системы; £°тзд - энергия, аккумулируемая в системе с момента срабатывания моментного выключателя до отключения электродвигателя; £инза - энергия останавливающейся системы.

Рпр

Ей?

Рис. 1. Схема системы «электропривод - запорная арматура»

Суммарная энергия ЕиР, расходуемая на деформацию силоизмери-тельной пружины X/, определяется выражением

епр - Е'пг + Е'пг + ЕПР ~ еПР, [Дж]

где и £°тпр- энергии,аккумулируемые работающим электродвигателям; £°пр - потенциальная энергия предварительного сжатия пружины в момент пуска системы, обеспечивающая неподвижность червяка до достижения запорным органом арматуры посадочного места; ЕИНпр - энергия останавливающейся системы.

Принцип работы системы, включающей силоизмерительную пружину, основан на обеспечении равновесия сил, что для рассматриваемой системы можно выразить зависимостью:

РпР1 = Рзак1 И'

где Рир1 - сила сжатия пружины; Р3ак1 - суммарная сила, действующая в запорной арматуре при обеспечении герметичности трубопровода; Рхв — ход резьбы (Рх в = тх в- тх в - шаг ходового винта запорной арматуры; ъ - число заходов резьбы); г0 - радиус червячного колеса; гц - коэффициент по-

лезного действия червячной передачи с учетом потерь при трении; Г|2 - коэффициент полезного действия винтовой передачи арматуры с учетом потерь при трении.

Из уравнения (3) следует, что приращение сил Лф|. /\ак| в условиях равновесия системы происходит пропорционально постоянному коэффициенту, зависящему от технических характеристик как электропривода, так и запорной арматуры:

Ссист. = = С°П51'

^заы £71 'О 42 'О

где Ссист. - постоянный коэффициент, определяющий соотношение сил в условиях равновесия системы; Ь - плечо крутящего момента в трапецеидальной резьбе.

Функции приращения сил Рзаю(Аг), РПрг- (Х-) (см. рис.1), где Аг соответствуют суммарной деформации подсистемы запорной арматуры, а Х{ -деформации силоизмерительной пружины, в соответствии с законом Гука-можно описать линейными зависимостями:

Ршк1 = Скл  [Н],

где Скл - жёсткость запорной арматуры;

РПР1 = Кр  Х1 [Н],

где кпр - жёсткость силоизмерительной пружины.

Величины энергий /;зли /;Ир можно определить как площадь соответствующих треугольников (см. рис.1):

Еза = ^г1 [Дж],

ЕПр = —[Дж].

Используя выражения (5), (6), уравнения (7), (8) можно привести к

виду

р 2

г заш

Еза = тг- [Дж],

Р,

Епр=^[ Дж].

пр1 ^пр

Полученные уравнения (9), (10) с учетом выражения (4) позволяют определить соотношение энергий в системе «электропривод - запорная арматура»:

/у- _ Епр _ Скл /-• 2

с 77 т. ^сист

ЬЗА К-пр

Из выражения (11) следует, что распределение энергий в системе «электропривод - запорная арматура» происходит пропорционально постоянному для отдельно взятой системы коэффициенту (Кс—>сотзначение которого зависит от соотношения жесткостей запорной арматуры Сш и силоизмерительной пружины кпр, а также от постоянного коэффициента, определяющего соотношения сил в условиях равновесия системы Ссист.-

Совмещение электропривода и запорной арматуры будет являться эффективным, если большая часть энергии, аккумулируемой в системе, будет расходоваться на обеспечение герметичности трубопровода. Тогда значение коэффициента будет находиться в интервале от 0 до 1.

В граничном положении при Кс=\ энергия будет распределяться в равных долях на обеспечение герметичности и выполнение силоизмери-тельной функции, т.е. системе потребуется удвоенное количество энергии.

При Кс> 1 большая часть энергии будет расходоваться на выполнение силоизмерительной функции системы или демпфироваться силоизме-рительной пружиной, что указывает на неэффективность системы.

Зависимость суммарной энергии, расходуемой в системе на обеспечение герметичности, от жесткости запорной арматуры Ei^C^) можно определить выражением

2-С,

ьот I 1

Кг+1

-Е%Р

В уравнении (12) квадрат суммы определяет потенциальные энергии упруго деформированной запорной арматуры при работающем электродвигателе. Здесь Рзж - сила, действующая в запорной арматуре в момент срабатывания моментного выключателя; пэ а - частота вращения выходного вала электродвигателя; / - передаточное отношение редуктора; /0| -время запаздывания системы управления при отключении электродвигателя.

Второе слагаемое в квадратных скобках определяет долю кинетической энергии, воспринимаемой запорной арматурой после отключения электродвигателя. Величину полной кинетической энергии ^н можно найти из выражения

= + ^ + ^ + ^ [Дж],

где момент инерции ротора двигателя; - момент инерции вала червяка; ^ - момент инерции червяка; тч - масса червяка; со - угловая скорость выходного вала электродвигателя; Уч - осевая скорость червяка в момент отключения электродвигателя.

Значение в уравнении (12) определяет величину потенциальной энергий предварительного сжатия пружины в момент пуска системы:

где.РПро - начальная сила сжатия пружины.

Выражение (12) позволяет оценить весомость каждой составляющей энергий, аккумулируемых в системе при реализации цикла «открыто -закрыто», и установить сочетание жёсткостей запорной арматуры и силоизмерительной пружины, при которых расход энергии будет минимальным.

Графическая интерпретация уравнения (12) представлена на рис. 2. Левый график (рис. 2, а) поясняет общий вид функций при вариации жесткости запорной арматуры и положение точки экстремума функции

Правые графики (рис. 2, б) показывают чувствительность функции ХЕ(Скл) к изменению параметров настройки системы за счёт учёта при проектировании времени запаздывания системы и кинетической энергии системы [1, 2].

а б

Рис. 2. Зависимость суммарной энергии, расходуемой в системе «электропривод - запорная арматура», от жесткости запорной арматуры

Анализ графиков (рис. 2) позволяет утверждать, что проектирование систем без анализа баланса жесткости запорной арматуры и силоизме-рительной пружины может не только снижать техническую эффективность систем (#с>1), но, требуя повышенного расхода энергии, неоправданно повышать их энергопотребление.

Учитывая кратковременность работы систем, следует понимать, что вопрос энергопотребления в данном случае носит не столько экономический характер, сколько определяет надежность функционирования системы.

С увеличением жесткости запорной арматуры, что в настоящее время является приоритетным направлением снижения влияния динамических нагрузок под действием электропривода [5], снижается доля воспринимаемой системой энергии.

Абсолютно жесткое тело не только не передает, но и не аккумулирует энергию, что приводит к ее рассеиванию в системе, являясь причинами избыточных напряжений и поломок её элементов.

Для пояснения в таблице приведены результаты физического эксперимента, направленного на исследования изменения крутящего момента на выходном вале электропривода при снижении жесткости запорной арматуры.

При проведении эксперимента жесткость системы (эксперимент №2) была снижена путем расположения между запорной арматурой и электроприводом дополнительного элемента, увеличивающего податливость системы (рис. 3).

Результаты экспериментального исследования систем «электропривод - запорная арматура» при пониженной жесткости

запорной арматуры

№ опыта Параметры настройки электропривода на отключение Среднее значение крутящего момента, фиксируемое при полной остановке системы по результатам 8 экспериментов

Эксперимент №1 Система с номинальной жесткостью 40 Нм 81 Нм

Эксперимент №2 Система с пониженной жесткостью 93 Н м

На рис. 3 представлены схема установки переходника в системе «электропривод - запорная арматура» (рис. 3, а), графики, поясняющие причины приращения силы и соответственно момента силы, при проведении эксперимента №1 (рис. 3. б) и эксперимента №2 (рис. З.с). Здесь Аот -деформации запорной арматуры за время запаздывания, значения, равные для обеих систем, используемых в экспериментах.

Аза

I <

Аот

Кс 1 + 1

Рзак.н

Лак!

ДЗА

Аот

"РЗЛ

б

РЗА

в

Рис. 3. Графическое пояснение опыта измерения крутящего момента при понижении жесткости системы

Проведенные исследования показывают, что за счет различных вариаций жесткости запорной арматуры и силоизмерительной пружины можно решать разнообразные технические задачи, направленные на повышение технической эффективности систем, снижениеих мощностных характеристик либо оптимизации всех параметров с целью повышения общего технического уровня конечного продукта.

Обобщая полученные результаты, следует отметить, что для повышения технического совершенства и конкурентоспособности систем «электропривод - запорная арматура» обязательным условием является обеспечение как баланса энергий, так и баланса жесткости. Жесткость элементов системы является в настоящее время неиспользуемым в проектных работах дополнительным управляющим параметром, учет которого позволит обеспечивать эффективную функциональную совместимость элементов, корректно воспринимать аккумулируемую в системе энергию, минимизировать опасность динамических перегрузок, влияющих на надежность и безопасность эксплуатирующих системы объектов [4].

Список литературы

1. Плахотникова Е.В., Протасьев В.Б. Повышение эффективности систем «запорная арматура - электропривод» // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. Вып. 6. Ч. 1. С. 142 - 152.

2. Плахотникова Е.В., Елисеева Т.А. Динамические нагрузки в электроприводной арматуре // Международный журнал «Трубопроводная арматура и оборудование». 2012. № 5 (62). С. 72 - 75.

3. Плахотникова Е.В. Техническая совместимость элементов как фактор совершенства собираемых систем "электропривод — запорная арматура" // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2016. 1 (186). C. 6 - 10.

4. Плахотникова Е.В. Повышение качества электродинамических систем «запорная арматура - электропривод» для трубопроводов АЭС с газовым теплоносителем: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. 123 с.

5. Шпаков О.Н. О расчетах нагрузок в электроприводной арматуре // Арматуростроение. 2005. № 5. С. 48-51.

Плахотникова Елена Владимировна, канд. техн. наук, доц, e plahotnikova@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

THE RESULTS OF THE STUDY OF SYSTEMS OF "ELECTRIC - VALVES"FROM THE PERSPECTIVE OF TECHNICAL EFFICIENCY AND ENERGY CONSUMPTION

E.V. Plahotnikova 236

The paper provides a synthesis of the results of a comprehensive study of systems of "electric - valves". The feature dependencies of the total energy used to ensure the leak-proofness of the closing body of the valve, on the rigidity. Set the extremum point of the function in which requires minimum power consumption. The results reveal a new direction for improving systems and enhancing their competitiveness.

Key words: electric drive, valves, balance of energies, the balance of rigidity.

Plahotnikova Elena Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, e plahotnikovaamail.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 517.958:621.225:621.454

ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ГИДРОУПРУГОСТИ ТРЕХ СООСНЫХ ОБОЛОЧЕК, СВОБОДНО ОПЕРТЫХ ПО КОНЦАМ, ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ С ВЯЗКИМИ НЕСЖИМАЕМЫМИ ЖИДКОСТЯМИ В УСЛОВИЯХ ВИБРАЦИИ

И ДАВЛЕНИЯ

К. А. Барулина, О.В. Елистратова, Д.В. Кондратов, Ю.Н. Кондратова, Е.Л. Кузнецова

Построены математические модели системы, представляющей собой цилиндрическую трубу, образованную тремя поверхностями соосных упругих цилиндрических оболочек, свободно опертых по концам, взаимодействующих с вязкой несжимаемой жидкостью между ними, в условиях вибрации и пульсации давления. Математические модели представляют собой связанные системы уравнений в частных производных, состоящие из уравнений динамики жидкости, динамики соосных оболочек, основанных на гипотезах Кирхгофа - Лява, и советующих граничных условий.

Ключевые слова: гидроупругость, вязкая несжимаемая жидкость, соосные оболочки, вибрация, пульсация давления.

Сегодня в технических отраслях все чаще используются тонкостенные конструкции, взаимодействующие с вязкой несжимаемой жидкостью. Применение такого рода конструкций позволяет обеспечить нужную прочность при уменьшении массы и габаритов деталей, снизить и выровнять динамические воздействия и уровни вибрации, предотвратить перепады давления, уменьшить трения и изнашивания, произвести охлаждение.

Все это в совокупности определило необходимость проведения оценки поведения совместного взаимодействия упругости тонкостенных элементов конструкций и вязкой несжимаемой жидкостью между ними. Особый исследовательский интерес представляет следующая система: «упругая оболочка - вязкая несжимаемая жидкость - упругая оболочка -

237