Разработка алгоритма оптимального поиска геометрических размеров электромагнитного двигателя для привода пресса

Замечено, что между постоянными интегрирования отдельных участков существует строгая взаимосвязь. А в формулах для определения постоянных интегрирования (6) и (9) наблюдаются устойчивые закономерности: а) в формулах для данного участка полностью сохраняются нагрузки предыдущих участков; б) каждый вид нагрузки входит в эти уравнения в виде слагаемого определенного типа; в) в формулах содержатся только те силы, которые расположены на левее рассматриваемого участка. В практических расчетах нет необходимости в

вычислении этих коэффициентов. Например, после ввода констант С по формуле

в уравнения (3) они сами упорядочатся, и в окончательных уравнениях остается

только постоянное Е10^.

Таким образом, в работе получены универсальные формулы для определения констант интегрирования (6) и (9). По этим формулам можно вычислить постоянные интегрирования любого уравнения (участка). При любом количестве участков балки

число постоянных будет равно двум (по деформациям) Е10 и , что сильно

облегчает решение задачи. Отсюда следует, что методом непосредственного интегрирования можно пользоваться для расчета любой балки, не зависимо от количества участков. Такое утверждение приводится впервые, и, по мнению автора, может быть рассмотрено, как научное открытие (научная новизна).

Литература

1. Алдабергенов А. К. Сопротивленире материалов с основами теории упругости. -Алматы : Рауан, 1994. - 468с.

2. Писаренко Г. С. Сопротивление материалов. - Киев: Из -во тех.литературы,1963. -792с.

Development of an algorithm for optimal search of the geometric dimensions of the electromagnetic motor to drive the press

12 3

Aksyutin V. , Shabanov A. , Skotnikov A. Разработка алгоритма оптимального поиска геометрических размеров электромагнитного двигателя для привода пресса

1 2 3

Аксютин В. А. , Шабанов А. С. , Скотников А. А.

1Аксютин Валерий Аркадьевич /Aksyutin Valery - кандидат технических наук, доцент; 2Шабанов Андрей Сергеевич /Shabanov Andrei - аспирант; 3Скотников Андрей Алексеевич /Skotnikov Andrei - ассистент, кафедра теоретических основ электротехники, факультет мехатроники и автоматизации, Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск

Аннотация: рассматривается метод и алгоритм поиска оптимальных геометрических размеров электромагнитного двигателя пресса. Суть метода состоит в последовательном определении критерия оптимальности (функции цели) в ряде точек, расположенных в области допустимых значений параметров. Abstract: the method and algorithm for finding the optimal geometric dimensions of the electromagnetic motor press. The method consists in determining the sequential optimality criterion (objective function) in a number of points located in the allowable parameter values.

Ключевые слова: электромагнитный двигатель, оптимальные геометрические параметры, алгоритм оптимального поиска размеров.

Keywords: the electromagnetic motor, optimal geometrical parameters, search algorithm for optimal sizes.

Электромагнитные двигатели (ЭМД) возвратно-поступательного движения широко применяют в промышленности для механизации различных технологических процессов [1-6].

Расширение областей использования ЭМД в большей степени связано с рационализацией их рабочих процессов и выбора конструктивных схем машин, максимально отвечающим требованиям технологического процесса [7-11].

Особые требования возникают по вопросам, связанным с нагревом и охлаждением ЭМД при работе в различных режимах [12-15].

Несмотря на то, что устройства и машины, созданные на базе ЭМД, давно уже существуют, методы по их расчету и оптимальному проектированию по-прежнему развиваются и востребованы [16-29].

При проектировании ЭМД для приводов прессового оборудования [30] вопрос выбора наиболее выгодных соотношений размеров является достаточно важным, и в зависимости от требований, предъявляемых к ЭМД, подход к его решению также может быть различен.

Математическая формулировка задачи принимается в следующем виде: требуется найти значения переменных, при которых механическая работа Амех и

электромагнитное усилие Fjm ЭМД максимальны при ограничениях массы М = М^п или объема V = Vmin .

Здесь в качестве переменных выступают геометрические размеры ЭМД, Мт1п = Мм + Моб - ограниченная масса двигателя, магнитопровода и обмотки и Vmin = Vu + V>5 - ограниченный объем двигателя, магнитопровода и обмотки.

Анализ предельных возможностей исследуемой электромагнитной системы задается сложной процедурой, которая существенно зависит от самой системы. Для ее решения должен быть привлечен метод, приводящий к цели с наименьшими затратами вычислительных средств и рабочего времени. При разработке метода анализа было учтено: 1) наличие адекватной физическим процессом математической модели исследуемой системы; 2) наличие выходной силовой характеристики системы; 3) связь выходной характеристики системы с ее параметрами; 4) существование варьируемых параметров; 5) существование фиксируемых параметров; 6) определение областей варьирования параметрами.

В качестве варьируемых параметров взяты соотношения основных размеров

d*

магнитопровода: отношение диаметра якоря к диаметру магнитопровода х = ,

отношение длины обмотки к диаметру магнитопровода у = , отношение высоты

h

стопа к длине обмотки z = — (рис. 1). С учетом сказанного, критерии оптимальности

-к

Амех, Fjm сведены к функции переменных, определяемых комплексом геометрических размеров d, D, lK, hc.

Рис. 1. Электромагнитный двигатель пресса

Учитывая данное обстоятельство можно сделать вывод, что наиболее эффективным в поисках оптимума может оказаться применение метода рационализированного перебора (метода безградиентного поиска). Суть метода состоит в последовательном определении критерия оптимальности (функции цели) в ряде точек, расположенных в области допустимых значений параметров. В случае нескольких независимых переменных У[, У?..., Уп определение критерия оптимальности ведется для ряда значений, например У1, отстоящих на величину шага Ау по переменной у при заданных значениях остальных. От простого перебора методом сканирования рационализированный перебор отличает свойство селективности, под которым понимается исключение из рассмотрения вариантов, не ведущих к оптимуму. Свойство селективности метода рационализированного перебора позволяет ограничить разнообразие возможных продолжений (тем самым сократить пространство поиска) и выйти на те направления, которые ведут к быстрому решению задачи.

Возвращаясь к исходной задаче, отметим, что проявление свойства селективности поиска выражается в заранее заданной области варьирования параметров х и у .

Таким образом, метод рационализированного перебора сводится к отысканию критерия оптимальности для случая трех независимых переменных х, у, z, причем поиск критерия оптимальности ведется для значений 2 с шагом Ах для заданной области изменения х и у .

Следует отметить, что поиск параметра 2 при фиксации х и у в одной из областей заданных значений предполагает вариацию геометрических параметров относительно внутренней геометрии устройства при сохранении объемов и условий теплоотдачи, т. е. процесс оптимизации осуществляется при постоянстве размерного комплекса постоянных параметров К (%).

Для сохранения комплекса постоянных параметров изменение области значений для параметра х корректировалось параметром у , что обеспечивало условия сохранения объемов, а также комплекса постоянных параметров и возможности сравнения целевой функции в абсолютных значениях с предыдущими вариантами решений. Далее приводится следующий алгоритм решения поставленной задачи:

1. Ввод исходных значений размерного комплекса постоянных параметров:

напряжение источника, и (В) ; кривая намагничивания стали, В (Н) ; удельное сопротивление обмоточного материала р ( ОмЧм); количество витков, ^ (предварительно рассчитывается с учетом коэффициента заполнения кз); диаметр обмоточного провода dпр (мм) .

2. Определение границы области варьирования параметров: х и у (х = ^,

Б

у = ^).

Б

3. Ввод исходных значений фиксируемых размеров (рис. 1): диаметр якоря dя (мм); внешний диаметр катушки Бк (мм); внешний диаметр магнитопровода

Б (мм); длина катушки 1к (мм).

4. Ввод исходных значений варьируемых параметров: высота стопа Нс (мм) ;

длина якоря 1я (мм); начальное значение рабочего зазора (мм); выбор шага

перебора варьируемого параметра Аг (мм); выбор шага перебора рабочего зазора

Ад (мм) ; расчет значения тягового усилия для заданного состояния системы.

Расчет по пунктам 1.. .4 повторяется для значений рабочих зазоров от начального до конечного с шагом АЗ в порядке убывания д^+1 = д^ — АЗ.

По статической зависимости тягового усилия от хода определяется максимальное и начальное значение электромагнитного усилия, а также значение потенциальной механической работы (Аи).

Далее алгоритм повторяется при измененном шаге варьируемого параметра г = г0 + Аг. Для повышения точности и уменьшения объема вычислений поиск осуществляется с переменным шагом при использовании поэтапного уменьшения Ад .

Во всех исследованных случаях масса ЭМД сохраняется, поэтому дальнейшее сравнение осуществляется через абсолютные интегральные значения функции цели

Аи или ее относительные значения А .

Литература

1. Мошкин В. И., Нейман В. Ю., Угаров Г. Г. Импульсные линейные электромагнитные двигатели / Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2010. 220 с.

2. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Низкочастотные ударные электромагнитные машины и технологии // Актуальные проблемы в машиностроении. 2014. № 1. С. 256-259.

3. Нейман В. Ю. Интегрированные линейные электромагнитные двигатели для импульсных технологий // Электротехника. 2003. № 9. С. 25-30.

4. Нейман В. Ю. Анализ процессов энергопреобразования линейных электромагнитных машин с предварительным аккумулированием магнитной энергии в динамических режимах // Электротехника. 2003. -№ 2. С. 30-36.

5. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Линейные синхронные электромагнитные машины для низкочастотных ударных технологий // Электротехника. 2014. № 12. С. 45-49.

6. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Исследование двухкатушечной синхронной электромагнитной машины с инерционным реверсом бойка // Современные проблемы теории машин. 2014. № 2. С. 109-110.

7. Нейман В. Ю. Режимы форсированного аккумулирования магнитной энергии в импульсных линейных электромагнитных двигателях // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. 2003. № 1. С. 105112.

8. Нейман В. Ю. Петрова А. А. Сравнение способов форсировки импульсных линейных электромагнитных двигателей // Электротехника. 2007. № 9. С. 47а-50.

9. Нейман В. Ю. К вопросу о рационализации рабочих процессов и выбора конструктивных схем электромагнитных ударных машин // Автоматизированные электромеханические системы: Коллективная монография / Новосиб. гос. техн. унт; Под ред. В. Н. Аносова. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. С. 155-169.

10. Способы повышения энергетических показателей однообмоточных импульсных устройств с электромагнитным возбуждением / В. Ю. Нейман, Д. М. Евреинов, Л. А. Нейман, А. А. Скотников, Ю. Б. Смирнова // Транспорт: наука, техника, управление. 2010. № 8. С. 29-31.

11. Шабанов А. С., Нейман В. Ю. Современные тенденции в развитии ручного ударного электроинструмента // Проблемы современной науки и образования. 2015. № 9 (39). С. 49-54.

12. Нейман В. Ю., Нейман Л. А. Оценка конструктивного совершенства систем принудительного охлаждения синхронных электромагнитных машин ударного действия // Журнал Сибирского Федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2015. Т. 8. № 2. С. 166-175.

13. Нейман Л. А., Скотников А. А., Нейман В. Ю. Исследование нагрева электромагнитного двигателя в переходных режимах // Известия вузов. Электромеханика. - 2012. - № 6. - С. 50-54.

14. Нейман Л. А., Скотников А. А., Нейман В. Ю. Исследование нагрева электромагнитного двигателя в переходных режимах // Известия вузов. Электромеханика. 2012. № 6. С. 50-54.

15. Нейман В. Ю., Нейман Л. А., Петрова А. А. Сравнение геометрически подобных систем электромагнитов по условию постоянства теплового критерия // Электротехника. 2011. № 12. С. 14а-16.

16. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Новые конструктивные решения проблемы точной синхронизации возвратно-поступательного движения бойка неуправляемой электромагнитной машины ударного действия // Актуальные проблемы в машиностроении. 2015. № 2. С. 280-285.

17. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Математическая модель электромеханической системы колебательного движения с упругими связями // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2015. № 6. С. 35-40.

18. Нейман В. Ю., Нейман Л. А., Петрова А. А. Расчет показателя экономичности силового электромагнита постоянного тока с помощью моделирования магнитного поля // Транспорт: наука, техника, управление. 2008. № 6. С. 21-24.

19. Петрова А. А., Нейман В. Ю. Моделирование в FEMM магнитного поля для расчета тяговых характеристик электромагнитных двигателей постоянного тока // Сборник научных трудов Новосибирского государственного технического университета. - 2008. - № 2. С. 101-108.

20. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Моделирование динамических процессов в электромагнитных преобразователях энергии для систем генерирования силовых воздействий и низкочастотных вибраций // Известия Томского политехнического университета. 2015. Т. 326. № 4. С. 154-162.

21. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Динамическая модель электромагнитного привода колебательного движения для систем генерирования низкочастотных вибраций // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. 2015. № 3 (28). С. 75-87.

22. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Повышение точности аналитического расчета радиальных сил одностороннего магнитного притяжения некоаксиальных элементов магнитопровода // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. 2015. № 1 (58). С. 246-256.

23.Малинин Л. И., Нейман В. Ю. Определение напряжения преобразования энергии и электромагнитных сил в электромеханических системах // Электричество. - 2008. - № 6. - С. 57-62.

24. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Применение метода проводимостей для учета силы одностороннего магнитного притяжения асимметричного электромагнита // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2015. № 2 (97). С. 214-218.

25. Нейман В. Ю., Нейман Л. А., Петрова А. А. Влияние соотношений главных размеров электромагнитов на значения конструктивного фактора и показателя экономичности // Автоматизированные электромеханические системы: [сб. науч. тр.]. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. С. 177-187.

26. Шабанов А. С., Хуан А. П., Нейман В. Ю. Анализ режимов работы линейных электромагнитных двигателей // Наука, техника и образование. 2015. № 6 (12). С. 17-22.

27. Шабанов А. С., Нейман В. Ю. Режимы работы импульсных линейных электромагнитных двигателей // Наука, техника и образование. 2015. № 5 (11). С. 21-26.

28. Шабанов А. С., Аксютин В. А. К решению задачи повышения точности расчета выходных показателей электромагнитных машин // Наука, техника и образование. 2015. № 12 (18). С. 49-52.

29. Нейман В. Ю., Нейман Л. А., Петрова А. А. О методике к выбору типа электромагнита по значениям конструктивного фактора // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2011. № 2. С. 310-313.

30. Аксютин В. А. Прессовое оборудование с линейным электромагнитным приводом для механизации технологических процессов ударной сборки и штамповки мелких изделий / В. А. Аксютин, Л. А. Нейман, В. Ю. Нейман, А. А. Скотников // Актуальные проблемы в машиностроении. 2015. № 2. С. 220-224.

Heat transfer capacity of the thermosyphon on evaporator with a wire-mesh capillary structure Gadelshin M.1, Kibardin A.2, Gadelshin V.3 Теплопередающая способность термосифона на основе испарителя с мелкосетчатой капиллярной структурой Гадельшин М. Ш.1, Кибардин А. В.2, Гадельшин В. М.3

'Гадельшин Марат Шавкатович / Gadelshin Marat - кандидат физико-математических наук,

доцент, кафедра технической физики; 2Кибардин Алексей Владимирович / Kibardin Alexey - кандидат физико-математических наук,

доцент,

кафедра вычислительной техники; 3Гадельшин Вадим Маратович / Gadelshin Vadim - младший научный сотрудник, кафедра технической физики, физико-технологический институт, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина,

г. Екатеринбург

Аннотация: в данной работе выполнено тепловизионное исследование термического сопротивления термосифона на основе испарителя с мелкосетчатой капиллярной структурой. Показано, что испаритель работает эффективно при различных плотностях тепловых нагрузок.

Abstract: in this research we have investigated by thermal imager thermal resistance of thermosyphon on evaporator with a capillary wire-mesh structure. It is shown that the device operates efficiently under thermal loads of different densities.