Повышение устойчивости режима вынужденных колебаний электромагнитной машины ударного действия с синхронным взаимодействием бойка

Повышение устойчивости режима вынужденных колебаний электромагнитной

машины ударного действия с синхронным взаимодействием бойка Нейман Л. А.

Нейман Людмила Андреевна /Меутап Lyudmila Andreyevna - кандидат технических наук, доцент, кафедра электротехнических комплексов, факультет мехатроники и автоматизации, Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск

Аннотация: актуальность исследования обусловлена широкими возможностями применения в промышленности линейных электромагнитных машин возвратно-поступательного движения. Для увеличения надежности и производительности электромагнитных машин предлагается новое техническое решение, направленное на повышение устойчивости режима вынужденных колебаний при синхронном взаимодействии бойка.

Ключевые слова: электромагнитная машина ударного действия, электромагнитный двигатель, надежность и производительность машины, режим вынужденных колебаний.

Среди машин, реализующих импульсные технологии в промышленности, большую роль играют силовые электрические импульсные системы и особенно те, в которых электромеханическое преобразование энергии осуществляется непосредственно без промежуточных звеньев. Наилучшие условия совместимости обеспечивают линейные электромагнитные преобразователи энергии, являющиеся основной частью электромагнитной силовой импульсной системы, которые осуществляют непосредственное преобразование электрической энергии в импульс механической работы, совершаемой ударником - бойком [1].

Созданные на основе электромагнитных преобразователей широкое практическое применение получили линейные синхронные электромагнитные машины, для которых собственная частота механических колебаний рабочего органа равна или кратна частоте питающей сети [2-6]. Возрастающие требования к повышению надежности, производительности, удельных силовых и энергетических показателей подобных машин свидетельствует о необходимости поиска новых путей технического решения данной проблемы [711].

Следует отметить, что одним из главных недостатков известных технических решений следует признать относительно низкую надежность работы электромагнитной машины. Низкая надежность обусловлена отсутствием защитных механизмов в конструкции устройства от динамических нагрузок при потере контакта рабочего инструмента с обрабатываемой средой, а также зависимость цикличности работы электромагнитного двигателя от коэффициента отскока бойка при обработке материалов с переменной степенью твердости, что отражается на производительности всего устройства в целом.

Связано это, прежде всего, с тем, что рабочий процесс рассматриваемых машин осуществляется в режиме вынужденных колебаний. Собственная частота механических колебаний системы согласуется с частотой и длительностью импульсов напряжения, поочередно подаваемых на катушки прямого и обратного хода, что обеспечивает цикличность работы всего устройства.

Положение бойка при обратном ходе определяется не только электромагнитным тяговым импульсом катушки обратного хода, но и энергией, полученной бойком при отскоке от рабочего инструмента, которая зависит от степени твердости обрабатываемого материала.

При относительно низкой твердости материала, энергии, получаемой бойком при отскоке, может оказаться недостаточно для поддержания режима вынужденных колебаний механической системы, и цикличность работы электромагнитного двигателя нарушается, что снижает его производительность.

Задачей проводимых исследований является решение проблемы повышения производительности и надежности электромагнитной машины при обработке материала с различной степенью твердости или при потере контакта рабочего инструмента с обрабатываемой средой.

Поставленная задача решается тем, что в электромагнитной машине возвратно-поступательного движения (рис. 1), устройство крепления хвостовика рабочего инструмента выполнено в виде полого цилиндра, внутри которого с возможностью осевого перемещения установлен подпружиненный в сторону бойка демпфирующий сердечник, подвижно связанный с хвостовиком рабочего инструмента [12, 13].

Электромагнитная машина возвратно-поступательного движения (рис. 1) содержит немагнитный корпус 1 с размещенными в нем магнитопроводом 2 с катушками прямого 3 и обратного 4 хода и направляющую втулку 5, с установленным в ней бойком 6, взаимодействующим с хвостовиком рабочего инструмента 7 и подпружиненным буфером 8.

Рис. 1. Электромагнитная машина возвратно-поступательного действия с синхронным взаимодействием бойка

Со стороны, противоположной буферу 8, к магнитопроводу 2 примыкает жестко связанное с ним устройство крепления 9 хвостовика рабочего инструмента 7, выполненное в виде полого цилиндра, внутри которого с возможностью осевого перемещения установлен демпфирующий сердечник 10, подпружиненный в сторону бойка 6 упругим элементом 11. В центре демпфирующего сердечника 10 выполнено сквозное отверстие, диаметр которого обеспечивает свободное вхождение хвостовика рабочего инструмента 7, выступающего относительно демпфирующего сердечника 10 в сторону бойка 6 на расстоянии х. В начальном положении расстояние х между обращенными в сторону бойка 6 торцевыми поверхностями демпфирующего сердечника 10 и хвостовика рабочего инструмента 7 равно амплитуде колебаний последнего.

Электромагнитная машина работает следующим образом. В исходном положении при контакте рабочего инструмента с обрабатываемой средой хвостовик рабочего инструмента 7 поджат в сторону бойка 6. При подаче импульса напряжения на катушку 4 обратного хода под действием электромагнитных сил боек 6 перемещается в сторону подпружиненного буфера 8 и сжимает его. С отключением катушки 4 обратного хода импульс напряжения подается на катушку 3 прямого хода и под действием электромагнитных сил катушки 3 прямого хода и упругих сил подпружиненного буфера 8 боек 6 перемещается в сторону хвостовика рабочего инструмента 7 и наносит по нему удар. После нанесения удара и отскока бойка 6 от хвостовика рабочего инструмента 7 одновременно подается импульс напряжения на катушку 4 обратного хода.

Далее цикл повторяется, и боек 6 совершает цикличные возвратно-поступательные движения. Одновременно с бойком 6 колебательные движения получает хвостовик рабочего инструмента 7, скользящий по свободной посадке внутри сквозного отверстия демпфирующего сердечника 10. Так как амплитуда колебаний хвостовика рабочего инструмента 7 не превышает расстояния х, демпфирующий сердечник 10 остается неподвижным.

При уменьшении твердости обрабатываемого материала амплитуда колебаний хвостовика рабочего инструмента 7 будет возрастать. Когда амплитуда колебаний хвостовика рабочего инструмента 7 превысит расстояние х, колебательные движения от соударения с бойком 6 частично будут передаваться подпружиненному демпфирующему сердечнику 10.

Данное техническое решение обеспечивает гарантированный отскок бойка для поддержания режима вынужденных колебаний механической системы не зависимо от степени твердости обрабатываемого материала и без нарушения цикличности работы машины.

При временной потере контакта рабочего инструмента с обрабатываемой средой кинетическая энергия бойка 6 гасится подпружиненным демпфирующим сердечником 10, что предохраняет от динамического воздействия элементы конструкции двигателя и повышает его надежность. При этом цикличность работы двигателя не нарушается, а требуемый для поддержания режима вынужденных колебаний коэффициент отскока бойка обеспечивается подпружиненным демпфирующим сердечником. Жесткость упругого элемента 11 выбирается из условия обеспечения гарантированного отскока бойка 6 после нанесения удара по демпфирующему сердечнику 10.

Питание катушек прямого и обратного хода электромагнитного двигателя наиболее просто может быть осуществлено от источника переменного тока промышленной частоты, например, по двухполупериодной схеме выпрямления. При этом катушка 3 прямого хода запитывается положительной полуволной, а катушка 4 обратного хода - отрицательной полуволной выпрямленного напряжения. Для обеспечения цикличности работы электромагнитного двигателя собственная частота механических колебаний системы должна быть синхронизирована с частотой питающего источника.

Таким образом, предложенный вариант электромагнитной машины возвратно-поступательного движения позволяет повысить производительность машины и одновременно увеличить ее надежность при обработке материала с различной степенью твердости или, например, при потере контакта рабочего инструмента с обрабатываемой средой.

Необходимо отметить, что расширение области использования электромагнитных машин в значительной степени связано с основами их рационального конструирования и совершенствования инженерных методик по их расчету и проектированию [14-22]. Также особое внимание в исследованиях автора уделяется вопросам нагрева и охлаждения машин [23-29]. Сочетание совершенных подходов по расчету и конструированию, а также реализация новых рабочих циклов и конструктивных схем электромагнитных машин позволяет существенно улучшить их силовые и энергетические показатели [30-36].

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. Анализ процессов энергопреобразования в однокатушечной синхронной электромагнитной машине с двухсторонним выбегом бойка // Известия Томского политехнического университета. Томск. Изд-во ТПУ, 2013. № 4, Т323. С. 112-116.

3. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Рабочий цикл двухкатушечной синхронной электромагнитной машины со свободным выбегом бойка // Известия вузов. Электромеханика. 2013. № 6. 48-52.

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

5. Нейман Л. А. Синхронный электромагнитный механизм для виброударного технологического оборудования // Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2014. № 6 (207). С. 17-19.

6. Нейман Л. А. Анализ процессов энергопреобразования в двухкатушечной синхронной электромагнитной машине с инерционным реверсом бойка // Известия Томского политехнического университета. Томск. Изд-во ТПУ, 2014. - № 4, Т. 325. - С. 157-163.

7. Угаров Г. Г., Нейман В. Ю. Тенденции развития и применения ручных ударных машин с электромеханическим преобразованием энергии // Известия вузов. Электромеханика. 2002. № 2. С. 37-43.

8. Нейман В. Ю., Скотников А. А., Нейман Л. А. Тенденции в развитии конструкций синхронных двухобмоточных электромагнитых машин для импульсных технологий // Актуальные проблемы энергетики АПК: материалы II междунар. науч.-практ. конф. Саратов: ФГОУ ВПО Саратовский ГАУ. 2011. С. 209-211.

9. Нейман В. Ю., Скотников А. А., Нейман Л. А. Структурный анализ синхронных электромагнитных машин ударного действия // Автоматизированные электромеханические системы: сб. науч. тр. Под общ. ред. В. Н. Аносова. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. - С. 106-120.

10. Нейман Л. А. Оценка конструктивного совершенства систем охлаждения синхронных электромагнитных машин ударного действия // Научный вестник НГТУ. 2013. № 4. С. 177-183.

11. Угаров Г. Г., Нейман В. Ю. Анализ показателей электромагнитных ударных машин // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1996. № 2. С. 72-80.

12. Патент № 2496215 РФ, МКИ H02K 33/12, F16F 7/104 Электромагнитный двигатель возвратно-поступательного движения / Нейман Л. А., Нейман В. Ю., Скотников А. А.; опубл. 20.10.2013, Бюл. № 29.

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

14. Нейман Л. А. К решению задачи рационального выбора электромагнитного двигателя заданного габарита и веса на основе численного эксперимента // Научный вестник НГТУ. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2013. № 4. С. 184-190.

15. Нейман Л. А., Рогова О. В. К исследованию тяговых характеристик электромагнитных приводов с учетом зубчатости элементов магнитопровода // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. 2013. № 1 (20). С. 100-108.

16. Соловейчик Ю. /".Оптимизация геометрии линейных электромагнитных двигателей с использованием конечноэлементного моделирования магнитного поля / Ю. Г. Соловейчик, В. Ю. Нейман, М. Г. Персова, М. Э. Рояк, Ю. Б. Смирнова, Р. В. Петров // Известия вузов. Электромеханика. 2005. № 2. С. 24-28.

17. Neyman V. Yu., Neyman L. A., Petrova A. A. Calculation of efficiency of DC electromagnet for mechanotronbic systems // IFOST 2008: Proceedings of the 3d International Forum on Strategic Technology, June 23-29, 2008, Novosibirsk: Tomsk. P. 452-454.

18. Нейман Л. А., Петрова А. А., Нейман В. Ю. К оценке выбора типа электромагнита по значению конструктивного фактора // Известия вузов. Электромеханика. 2012. № 6. С. 62-64.

19. Нейман В. Ю. К вопросу учета главных размеров при выборе типа электромагнита по значению конструктивного фактора / В. Ю. Нейман, Л. А. Нейман, А. А. Петрова, А. А. Скотников, О. В. Рогова // Электротехника. 2011. № 6. С. 50а-53.

20. 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. 310313.

21. 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: Научный информационный сборник. М.: Изд-во ВИНИТИ. 2008. № 6. С. 21-24.

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

23. Нейман Л. А. Исследование перегрузочной способности цикличного электромагнитного привода в зависимости от начального превышения температуры в переходных тепловых режимах // Электротехника. 2014. № 7. С. 7-12.

24. Нейман Л. А. Приближенный расчет цикличного электромагнитного привода с учтенным начальным превышением температуры в переходном тепловом процессе нагрева // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. 2014. № 1 (22). С. 113-122.

25. Нейман Л. А. Оценка перегрузочной способности ударного электромагнитного привода по средней температуре перегрева в переходных режимах // Известия вузов. Электромеханика. 2013. № 6. С. 58-61.

26. 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.

27. Нейман Л. А., Скотников А. А. Анализ процесса нагрева электромагнитного двигателя работающего в импульсном режиме // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2012. № 2. С. 319-322.

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

29. Нейман Л. А, Нейман В. Ю., Шабанов С. А. Упрощенный расчет электромагнитного ударного привода в повторно-кратковременном режиме работы // Электротехника. 2014. № 12. С. 50-53.

30. Нейман В. Ю. 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: Научный информационный сборник. М.: Изд-во ВИНИТИ. 2010. № 8. С. 29-31.

31. Малинин Л. И., Нейман В. Ю. Предельные силовые характеристики электромагнитных двигателей постоянного тока // Электротехника. 2009. № 12. С. 61-67.

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

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

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

35. Нейман В. Ю. Режимы форсированного аккумулирования магнитной энергии в импульсных линейных электромагнитных двигателях // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. 2003. № 1. С. 105-112.

36. Нейман Л. А. Реализация способа управления цикличной электромагнитной ударной машиной со свободным выбегом бойка в катушках рабочего и обратного хода // Наука, техника и образование. 2014. № 5 (5). С. 49-53.