Помощь студентам в учебе
ВИБРОАКТИВНОСТЬ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА I ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО. ЦЕЛЬ И
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 9
1.1 Объект исследования 9
1.2 Математическая модель электромеханического устройства 12
1.3 Влияние виброактивности электромеханического устройства на
примере условий эксплуатации прецизионного оборудования космического назначения 21
1.4 Тенденции совершенствования электромеханических
устройств 32
1.5 Достигнутые результаты практического снижения
виброактивности на примере электромеханического устройства космического назначения 34
Выводы по главе 1 40
Цель и задачи исследования 40
ГЛАВА II ВИБРОАКТИВНОСТЬ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО
УСТРОЙСТВА 41
2.1 Виброактивность электромеханического устройства и источники
возбуждающих воздействий 41
2.1.1 Электромагнитные возбуждающие силы 42
2.1.2 Механические возбуждающие силы 44
2.1.2.1 Неуравновешенность вращающихся масс 44
2.1.2.2 Воздействие на конструкцию электродвигателя
электромеханического устройства дефектов шарикоподшипников 48
2.2 Виброактивность электромеханического устройства,
обладающего гироскопическими свойствами 50
2.3 Механические силы сопротивления при демпфировании 55
2.4 Механическая система без демпфирования 58
2.5 Механическая система с демпфированием 59
2.6 Математическое описание механической системы с вязким и
твердотельным демпфированием 67
Выводы по главе 2 69
ГЛАВА III ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ СНИЖЕНИЯ
ВИБРОАКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО
УСТРОЙСТВА 70
3.1. Амортизатор роторной системы электромеханического
устройства 71
3.2. Технические решения снижения виброактивности
электромеханического устройства при использовании вязкого демпфирования 73
3.3. Технические решения снижения виброактивности
электромеханического устройства при использовании твердотельного демпфирования 75
3.4. Технические решения снижения виброактивности
электромеханического устройства при комбинировании вязкого и твердотельного демпфирования 78
Выводы по главе 3 81
ГЛАВА IV РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ТЕХНИЧЕСКИХ
РЕШЕНИЙ 82
4.1 Виброактивность электромеханического устройства 82
4.1.1 Вибрационная характеристика электромеханического
устройства 82
4.1.2 Оборудование для определения демпфирующих свойств
материалов 87
4.2 Результаты испытаний электромеханического устройства 89
4.2.1 Вибрационная характеристика электромеханического
устройства при применении твердотельного демпфирования 89
4.2.2 Вибрационная характеристика электромеханического
устройства при комбинированном использовании вязкого и твердотельного демпфирования 99
Выводы по главе 4 104
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 105
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 106
ПРИЛОЖЕНИЕ А Вибрационные характеристики
электромеханического устройства с макетами
демпферов 115
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Акты внедрения 126
ПРИЛОЖЕНИЕ В Патенты 128
ГЛАВА I ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО. ЦЕЛЬ И
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 9
1.1 Объект исследования 9
1.2 Математическая модель электромеханического устройства 12
1.3 Влияние виброактивности электромеханического устройства на
примере условий эксплуатации прецизионного оборудования космического назначения 21
1.4 Тенденции совершенствования электромеханических
устройств 32
1.5 Достигнутые результаты практического снижения
виброактивности на примере электромеханического устройства космического назначения 34
Выводы по главе 1 40
Цель и задачи исследования 40
ГЛАВА II ВИБРОАКТИВНОСТЬ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО
УСТРОЙСТВА 41
2.1 Виброактивность электромеханического устройства и источники
возбуждающих воздействий 41
2.1.1 Электромагнитные возбуждающие силы 42
2.1.2 Механические возбуждающие силы 44
2.1.2.1 Неуравновешенность вращающихся масс 44
2.1.2.2 Воздействие на конструкцию электродвигателя
электромеханического устройства дефектов шарикоподшипников 48
2.2 Виброактивность электромеханического устройства,
обладающего гироскопическими свойствами 50
2.3 Механические силы сопротивления при демпфировании 55
2.4 Механическая система без демпфирования 58
2.5 Механическая система с демпфированием 59
2.6 Математическое описание механической системы с вязким и
твердотельным демпфированием 67
Выводы по главе 2 69
ГЛАВА III ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ СНИЖЕНИЯ
ВИБРОАКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО
УСТРОЙСТВА 70
3.1. Амортизатор роторной системы электромеханического
устройства 71
3.2. Технические решения снижения виброактивности
электромеханического устройства при использовании вязкого демпфирования 73
3.3. Технические решения снижения виброактивности
электромеханического устройства при использовании твердотельного демпфирования 75
3.4. Технические решения снижения виброактивности
электромеханического устройства при комбинировании вязкого и твердотельного демпфирования 78
Выводы по главе 3 81
ГЛАВА IV РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ТЕХНИЧЕСКИХ
РЕШЕНИЙ 82
4.1 Виброактивность электромеханического устройства 82
4.1.1 Вибрационная характеристика электромеханического
устройства 82
4.1.2 Оборудование для определения демпфирующих свойств
материалов 87
4.2 Результаты испытаний электромеханического устройства 89
4.2.1 Вибрационная характеристика электромеханического
устройства при применении твердотельного демпфирования 89
4.2.2 Вибрационная характеристика электромеханического
устройства при комбинированном использовании вязкого и твердотельного демпфирования 99
Выводы по главе 4 104
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 105
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 106
ПРИЛОЖЕНИЕ А Вибрационные характеристики
электромеханического устройства с макетами
демпферов 115
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Акты внедрения 126
ПРИЛОЖЕНИЕ В Патенты 128
Актуальность работы. Проблемы вибрации возникают практически во всех областях современной техники. Наблюдающийся сегодня переход к прецизионным точностям оптико-электронного оборудования и наноразмерным элементам в электронном оборудовании в значительной степени обостряет указанную проблему и требует разработки новых технических решений для снижения виброактивности.
Немаловажным неблагоприятным фактором вибрационного воздействия на прецизионное оборудование является вибрация, возникающая в процессе функционирования электромеханических устройств (ЭМУ).
ЭМУ - это большой класс исполнительных механизмов, в которых движителем является электрический двигатель любого типа с установленным на валу функциональным блоком, определяемым назначение ЭМУ. Это очень широкая группа устройств от примитивного точила или дрели до прецизионных ЭМУ, устанавливаемых на космических аппаратах (КА). Общим функциональным признаком этой группы является наличие электродвигателя, определяющего динамические качества всего ЭМУ.
Рабочий режим ЭМУ сопровождается генерируемой вибрацией, которая негативно сказывается не только на их надежности, долговечности, но и на функциональной работе оптико-электронного или другого прецизионного оборудования находящегося в кинематической связи с ЭМУ.
Для обеспечения снижения виброактивности любого ЭМУ требуется разработка и применение, как аналитических методов, так и технических решений улучшающих вибрационную характеристику в части уменьшения амплитуды механических колебаний.
Особенно актуально проблема виброактивности для ЭМУ, применяемых в различных технических систем турбин электро- и гидростанций и т.п.
Проблемой уменьшения вибрации в настоящее время занимаются многие научно-исследовательские институты и лаборатории.
Полностью устранить виброактивность ЭМУ технически не представляется возможным [1]. Ее можно только уменьшить до приемлемого уровня работы значений. Основные способы снижения уровня - уменьшить виброактивность самой конструкции ЭМУ на этапе разработки, ограничить угловую скорость электродвигателя ЭМУ, но данный способ не является универсальным и не дает возможности использовать весь технический потенциал устройства и третий способ, разработать виброзащиту установив ее непосредственно в источник виброактивности.
Цель работы состоит в разработке аналитических методов и технических решений для снижения виброактивности ЭМУ.
Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи:
1. Провести анализ основополагающих причин наличия виброактивности на этапах жизненного цикла ЭМУ обладающих общим функциональным признаком - наличие электродвигателя, определяющего динамические качества всего устройства.
2. Разработать аналитические методы регулирования уровня
виброактивности на расчетно-проектном этапе создания ЭМУ, учитывающие уменьшение амплитуды возбуждающих воздействий, увеличения демпфирования и разведения собственных и возбуждающих частот.
3. Разработать технические решения, позволяющие снизить имеющийся уровень виброактивности ЭМУ.
4. Выполнить экспериментальное исследование процессов снижения амплитуды виброперемещений в диапазоне рабочих частот вращения ротора ЭМУ с оценкой эффективности предложенных технических решений.
Объектом исследования является ЭМУ в рабочем режиме.
Предметом исследований являются параметры вибрации рабочих режимов ЭМУ.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались современные методы вибродиагностики, методы вычислительной математики и компьютерного моделирования с применением программного обеспечения Excel, SolidWorks, средств измерений, персональный компьютер с установленным программным обеспечением «Виброрегистратор-Ф», «Виброрегистратор-М2», «Loggers-регистратор, «Подшипник» и др.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обусловлена тем, что основой аналитических исследований являются основополагающие положения теории колебаний, а подтверждение теоретических результатов достигается применением при испытаниях квалифицированной измерительной аппаратуры испытательной базы.
Научная новизна работы заключается:
1. В усовершенствовании математической модели ЭМУ дополнением ее разделом вибрационных характеристик, позволяющего проводить регулирование уровня виброактивности на расчетно-проектном этапе создания ЭМУ.
2. В теоретическом представлении взаимосвязи трех способов снижения виброактивности механических систем:
- уменьшение амплитуды возбуждающих воздействий;
- увеличение степени демпфирования;
- разведение частот возбуждающих воздействий и собственных частот
в одном математическом выражении, связывающим вышеуказанные параметры.
3. В разработке алгоритма регулирования уровня виброактивности ЭМУ, с интегрированными данными, позволяющего получить минимальный уровень вибрационных характеристик на стадии проектирования.
4. В обосновании метода определения уровня виброактивности ЭМУ, обладающего гироскопическими свойствами, использованием классического математического аппарата теории колебаний.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
1. Решение научно-технических задач снижения виброактивности ЭМУ методом комбинирования твердотельного и вязкого демпфирования, подтвержденных результатами испытаний (измерений).
2. Получение уменьшенных параметров виброактивности ЭМУ в расчетнопроектном этапе разработки использованием усовершенствованной математической модели ЭМУ.
3. Использование результатов проведенных научных и прикладных исследований, а также разработанных технических решений по снижению виброактивности ЭМУ.
Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований внедрены в проекте «Интеллектуальный инерциальный модуль на основе микроэлектромеханических датчиков с функциями гироскопа, акселерометра и магнитометра для систем ориентации и навигации транспортных средств с автоматизированным управлением» ФЦП «Исследование и разработка по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2021 г.г.». Соглашение №14.518.21.0232 от 26.09.17 г.
Применение в учебном процессе отделения контроль и диагностика Инженерной школы неразрушающего контроля и безопасности при изучении дисциплин «Основы контроля и диагностики» и «Неразрушающий контроль и диагностика» для подготовки бакалавров и магистров по направлениям 12.03.01, 12.04.01 «Приборостроение».
Основные положения работы, выносимые на защиту:
1. Дополненная разделом вибрационных характеристик математическая модель ЭМУ, позволяющая проводить регулирование уровня виброактивности на стадии проектирования.
2. Разработанный алгоритм снижения виброактивности ЭМУ, учитывающий уменьшение амплитуды возбуждающих воздействий, увеличения демпфирования и разведения собственных и возбуждающих частот.
3. Разработанные технические решения, позволяющие снизить имеющийся уровень виброактивности ЭМУ используя механические силы сопротивления твердотельного демпфирования для безвозвратных потерь энергии вибрации.
4. Технические решения, по улучшению вибрационной характеристики ЭМУ, обеспечивающие уменьшение уровня виброактивности используя комбинирование типов демпфирования (твердотельного и вязкого).
Апробация результатов работы. Основные результаты проведенных исследований доложены автором и обсуждены на международных научнопрактических конференциях посвященных памяти генерального конструктора ракетно-космических систем имени академика М.Ф. Решетнева «Решетневские чтения» (Красноярск, 12 - 14 ноября 2013 г., 12 - 14 ноября 2014 г., 10 - 14 ноября 2015 г., 09 - 12 ноября 2016 г., 08-11 ноября 2017 г., 12 - 16 ноября 2018 г., 11 - 15 ноября 2019 г.) и научно-технической конференции «Электронные и электромеханические системы и устройства» (Томск, 16 - 17 апреля 2020 г.).
Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 17 печатных работах, в том числе: 4 статьи в рецензируемых российских журналах из перечня ВАК, 2 публикации индексируемые базами Scopus или Web of Science, 8 работ в научно-технических конференциях международного и всероссийского уровней и 3 патента РФ на полезные модели.
Структура и объем. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, списка литературы и трех приложений. Общий объем работы составляет 130 страниц машинописного текста, включая 99 рисунков, 9 таблиц, список использованной литературы из 71 наименований и 3 приложения на 16 страницах.
Немаловажным неблагоприятным фактором вибрационного воздействия на прецизионное оборудование является вибрация, возникающая в процессе функционирования электромеханических устройств (ЭМУ).
ЭМУ - это большой класс исполнительных механизмов, в которых движителем является электрический двигатель любого типа с установленным на валу функциональным блоком, определяемым назначение ЭМУ. Это очень широкая группа устройств от примитивного точила или дрели до прецизионных ЭМУ, устанавливаемых на космических аппаратах (КА). Общим функциональным признаком этой группы является наличие электродвигателя, определяющего динамические качества всего ЭМУ.
Рабочий режим ЭМУ сопровождается генерируемой вибрацией, которая негативно сказывается не только на их надежности, долговечности, но и на функциональной работе оптико-электронного или другого прецизионного оборудования находящегося в кинематической связи с ЭМУ.
Для обеспечения снижения виброактивности любого ЭМУ требуется разработка и применение, как аналитических методов, так и технических решений улучшающих вибрационную характеристику в части уменьшения амплитуды механических колебаний.
Особенно актуально проблема виброактивности для ЭМУ, применяемых в различных технических систем турбин электро- и гидростанций и т.п.
Проблемой уменьшения вибрации в настоящее время занимаются многие научно-исследовательские институты и лаборатории.
Полностью устранить виброактивность ЭМУ технически не представляется возможным [1]. Ее можно только уменьшить до приемлемого уровня работы значений. Основные способы снижения уровня - уменьшить виброактивность самой конструкции ЭМУ на этапе разработки, ограничить угловую скорость электродвигателя ЭМУ, но данный способ не является универсальным и не дает возможности использовать весь технический потенциал устройства и третий способ, разработать виброзащиту установив ее непосредственно в источник виброактивности.
Цель работы состоит в разработке аналитических методов и технических решений для снижения виброактивности ЭМУ.
Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи:
1. Провести анализ основополагающих причин наличия виброактивности на этапах жизненного цикла ЭМУ обладающих общим функциональным признаком - наличие электродвигателя, определяющего динамические качества всего устройства.
2. Разработать аналитические методы регулирования уровня
виброактивности на расчетно-проектном этапе создания ЭМУ, учитывающие уменьшение амплитуды возбуждающих воздействий, увеличения демпфирования и разведения собственных и возбуждающих частот.
3. Разработать технические решения, позволяющие снизить имеющийся уровень виброактивности ЭМУ.
4. Выполнить экспериментальное исследование процессов снижения амплитуды виброперемещений в диапазоне рабочих частот вращения ротора ЭМУ с оценкой эффективности предложенных технических решений.
Объектом исследования является ЭМУ в рабочем режиме.
Предметом исследований являются параметры вибрации рабочих режимов ЭМУ.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались современные методы вибродиагностики, методы вычислительной математики и компьютерного моделирования с применением программного обеспечения Excel, SolidWorks, средств измерений, персональный компьютер с установленным программным обеспечением «Виброрегистратор-Ф», «Виброрегистратор-М2», «Loggers-регистратор, «Подшипник» и др.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обусловлена тем, что основой аналитических исследований являются основополагающие положения теории колебаний, а подтверждение теоретических результатов достигается применением при испытаниях квалифицированной измерительной аппаратуры испытательной базы.
Научная новизна работы заключается:
1. В усовершенствовании математической модели ЭМУ дополнением ее разделом вибрационных характеристик, позволяющего проводить регулирование уровня виброактивности на расчетно-проектном этапе создания ЭМУ.
2. В теоретическом представлении взаимосвязи трех способов снижения виброактивности механических систем:
- уменьшение амплитуды возбуждающих воздействий;
- увеличение степени демпфирования;
- разведение частот возбуждающих воздействий и собственных частот
в одном математическом выражении, связывающим вышеуказанные параметры.
3. В разработке алгоритма регулирования уровня виброактивности ЭМУ, с интегрированными данными, позволяющего получить минимальный уровень вибрационных характеристик на стадии проектирования.
4. В обосновании метода определения уровня виброактивности ЭМУ, обладающего гироскопическими свойствами, использованием классического математического аппарата теории колебаний.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
1. Решение научно-технических задач снижения виброактивности ЭМУ методом комбинирования твердотельного и вязкого демпфирования, подтвержденных результатами испытаний (измерений).
2. Получение уменьшенных параметров виброактивности ЭМУ в расчетнопроектном этапе разработки использованием усовершенствованной математической модели ЭМУ.
3. Использование результатов проведенных научных и прикладных исследований, а также разработанных технических решений по снижению виброактивности ЭМУ.
Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований внедрены в проекте «Интеллектуальный инерциальный модуль на основе микроэлектромеханических датчиков с функциями гироскопа, акселерометра и магнитометра для систем ориентации и навигации транспортных средств с автоматизированным управлением» ФЦП «Исследование и разработка по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2021 г.г.». Соглашение №14.518.21.0232 от 26.09.17 г.
Применение в учебном процессе отделения контроль и диагностика Инженерной школы неразрушающего контроля и безопасности при изучении дисциплин «Основы контроля и диагностики» и «Неразрушающий контроль и диагностика» для подготовки бакалавров и магистров по направлениям 12.03.01, 12.04.01 «Приборостроение».
Основные положения работы, выносимые на защиту:
1. Дополненная разделом вибрационных характеристик математическая модель ЭМУ, позволяющая проводить регулирование уровня виброактивности на стадии проектирования.
2. Разработанный алгоритм снижения виброактивности ЭМУ, учитывающий уменьшение амплитуды возбуждающих воздействий, увеличения демпфирования и разведения собственных и возбуждающих частот.
3. Разработанные технические решения, позволяющие снизить имеющийся уровень виброактивности ЭМУ используя механические силы сопротивления твердотельного демпфирования для безвозвратных потерь энергии вибрации.
4. Технические решения, по улучшению вибрационной характеристики ЭМУ, обеспечивающие уменьшение уровня виброактивности используя комбинирование типов демпфирования (твердотельного и вязкого).
Апробация результатов работы. Основные результаты проведенных исследований доложены автором и обсуждены на международных научнопрактических конференциях посвященных памяти генерального конструктора ракетно-космических систем имени академика М.Ф. Решетнева «Решетневские чтения» (Красноярск, 12 - 14 ноября 2013 г., 12 - 14 ноября 2014 г., 10 - 14 ноября 2015 г., 09 - 12 ноября 2016 г., 08-11 ноября 2017 г., 12 - 16 ноября 2018 г., 11 - 15 ноября 2019 г.) и научно-технической конференции «Электронные и электромеханические системы и устройства» (Томск, 16 - 17 апреля 2020 г.).
Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 17 печатных работах, в том числе: 4 статьи в рецензируемых российских журналах из перечня ВАК, 2 публикации индексируемые базами Scopus или Web of Science, 8 работ в научно-технических конференциях международного и всероссийского уровней и 3 патента РФ на полезные модели.
Структура и объем. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, списка литературы и трех приложений. Общий объем работы составляет 130 страниц машинописного текста, включая 99 рисунков, 9 таблиц, список использованной литературы из 71 наименований и 3 приложения на 16 страницах.
В результате проведенной научно-исследовательской работы получены следующие результаты:
1. Проведен анализ основополагающих причин наличия виброактивности на этапах жизненного цикла ЭМУ обладающих общим функциональным признаком - наличие электродвигателя, определяющего динамические качества всего устройства.
2. Выявлены тенденции снижения виброактивности ЭМУ направленные на обеспечение повышения качества условий эксплуатации и уменьшения виброактивности.
3. Решен комплекс научно-технических проблем (аналитических и практических) в снижении уровня виброактивности ЭМУ подтвержденных результатами экспериментальных исследований.
4. Результаты теоретических исследований и конструкторских испытаний ЭМУ показали, что математическая модель, дополненная описанием его вибрационного рабочего режима, позволяет повысить качество условий эксплуатации ЭМУ.
5. Разработан алгоритм метода аналитического регулирования уровня виброактивности на расчетно-проектном этапе создания ЭМУ, учитывающий уменьшение амплитуды возбуждающих воздействий, увеличение демпфирования и разведения собственных и возбуждающих частот.
6. Показано, что включение в математическую модель ЭМУ вибрационных характеристик расширяет технические возможности в уменьшении его виброактивности.
7. Разработаны технические решения, на основе которых спроектированы и изготовлены макеты твердотельного и комбинированного демпферов, позволившие снизить имеющийся уровень виброактивности ЭМУ.
8. Выполнены экспериментальные исследования процессов снижения амплитуды виброперемещений в диапазоне рабочих частот вращения ротора ЭМУ с оценкой эффективности предложенных технических решений.
1. Проведен анализ основополагающих причин наличия виброактивности на этапах жизненного цикла ЭМУ обладающих общим функциональным признаком - наличие электродвигателя, определяющего динамические качества всего устройства.
2. Выявлены тенденции снижения виброактивности ЭМУ направленные на обеспечение повышения качества условий эксплуатации и уменьшения виброактивности.
3. Решен комплекс научно-технических проблем (аналитических и практических) в снижении уровня виброактивности ЭМУ подтвержденных результатами экспериментальных исследований.
4. Результаты теоретических исследований и конструкторских испытаний ЭМУ показали, что математическая модель, дополненная описанием его вибрационного рабочего режима, позволяет повысить качество условий эксплуатации ЭМУ.
5. Разработан алгоритм метода аналитического регулирования уровня виброактивности на расчетно-проектном этапе создания ЭМУ, учитывающий уменьшение амплитуды возбуждающих воздействий, увеличение демпфирования и разведения собственных и возбуждающих частот.
6. Показано, что включение в математическую модель ЭМУ вибрационных характеристик расширяет технические возможности в уменьшении его виброактивности.
7. Разработаны технические решения, на основе которых спроектированы и изготовлены макеты твердотельного и комбинированного демпферов, позволившие снизить имеющийся уровень виброактивности ЭМУ.
8. Выполнены экспериментальные исследования процессов снижения амплитуды виброперемещений в диапазоне рабочих частот вращения ротора ЭМУ с оценкой эффективности предложенных технических решений.
