CC BY
29
© А.И Афанасьев, С.Ф. Костенчук, В.И. Саитов, А. А. Чиркова,
2006
УДК 622.232
А.И. Афанасьев, С. Ф. Костенчук, В.И. Саитов,
А.А. Чиркова
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИМПУЛЬСНОГО УДАРНОГО МЕХАНИЗМА
Неделя орняка-2005 семинар № 16
мпульсные (ударные) механические нагрузки являются эффективным способом силового воздействия на объект с целью его разрушения или передачи этого воздействия на объект с целью деформаций, изменения размеров и т.п. К настоящему времени использование таких устройств широко распространено в горном деле, как при выполнении вспомогательных операций, например, разрушение негабаритов, так и в основных технологических процессах, для активизации исполнительных органов горных, строительнодорожных и др. машин [1, 2].
Одним из основных показателей эффективности рабочего процесса машин, в том числе и горных, является его энергоемкость, которая существенно зависит от физического принципа действия механизма. В число основных параметров машин входит коэффициент полезного действия [КПД]. Как правило, механизм, работающий в установившемся режиме, имеет оптимальный для данной конструкции КПД. Для импульсного механизма переходный режим, характеризуемый относительно низким КПД, является рабочим. Эффективность рабочего процесса импульсного ударного механизма определяется кинетической энергией якоря в конце рабочего хода, при этом потери приводят не только к уменьшению этой энергии, но и к перегреву обмоток статора, якоря и элементов опорных узлов. Экспериментальными исследованиями рабочего процесса импульсных электромагнитных машин [3]
установлено, что температура электромагнитной системы является одним из критериев их работоспособности, и соответственно, эффективности. В связи с этим работа, направленная на изучение рабочего процесса импульсного электромагнитного импульсного ударного механизма с целью повышения его эффективности, является актуальной.
В линейных импульсных электромагнитных машинах рабочий процесс - разгон якоря, удар по рабочему инструменту, и возврат в исходное положение (рабочий цикл), происходит за 10-30 мс. Длительность протекания тока в обмотке статора составляет 20-50 % времени цикла. В процессе движения якоря изменяется воздушный зазор в магнитной системе и, соответственно, движущая сила электромагнитного поля и сила сопротивления движению якоря. Аналитически определить конечные параметры рабочего процесса -энергию якоря в конце рабочего хода и потери энергии за цикл, т.е. КПД при изменяющихся не линейно основных переменных параметрах электромагнитной системы практически невозможно. В УГ-ГУ разработана и изготовлена опытная импульсная электромагнитная ударная установка, позволяющая определить энергетические параметры рабочего процесса при различных режимах работы и различных параметрах основных элементов. На рисунке приведена осциллограмма тока, протекающего в обмотке статора. В качестве аккумулятора энергии использова-
Осциллограмма тока в катушке импульсного двигателя
лась конденсаторная батарея. В данном опыте напряжение зарядки конденсаторов составило 225 В. Из осциллограммы видно, что форма импульса тока существенно отличается от синусоидальной. Часть поступающей в устройство энергии расходуется на образование вихревых токов и превращается в тепло. По осциллограмме можно определить только часть тепловых потерь в двигателе - потери в обмотке катушки. Точного решения уравнений для определения тепловых потерь от вихревых токов в магнитопроводе в настоящее время нет. Кроме того, из-за неопределенности положения якоря относительно продольной геометрической оси статора, при протекании тока в обмотке статора возникает сила притягивания якоря к опоре, что приводит к дополнительным потерям на трение. Эта сила зависит от зазора, эксцентриситета оси якоря в опорах и величины магнитной индукции, которые во время рабочего хода постоянно изменяются.
Для предварительной оценки КПД машины был предложен метод оценки теплового баланса, основанный на законе сохранения энергии. Энергия, поступающая от источника тока в обмотку, расходуется: на преодоление сил трения в опорах; переходит в тепло обусловленное вихревыми токами в магнитопроводе; на тепловые потери в обмотке; преобразуется в кинетическую энергию движущихся масс. Метод основан на измерении средней темпе-
ратуры катушки и, следовательно, количества тепла, выделившегося в ней. Так как прямое измерение температуры провода катушки осуществить практически невозможно, то проводились замеры ее сопротивления до и после опыта. Это сопротивление зависит от коэффициента термического сопротивления. Величина этого коэффициента была определена путем относительно медленного нагрева катушки, замера её температуры термометром и измерения сопротивления мостом постоянного тока Р333. В результате эксперимента оказалось, что коэффициент термического сопротивления (к) для данной обмотки равен 0,004 Ом/К.
Проверка предложенного метода измерения КПД произведена на стандартном асинхронном двигателе, мощностью 400 Вт, номинальной скоростью вращения 2800 об/мин, напряжением 380 В, имеющем КПД при номинальной нагрузке равным 72 % и начальным сопротивлением двух обмоток (соединение звездой) 39, 94 Ом. Двигатель разгонялся без нагрузки на валу (момент сопротивления был равен моменту трения в опорах) до номинальной скорости за 0,5-1 с, затем он выключался, ротор останавливался и цикл повторялся вновь. Таким образом, двигатель работал только в переходном режиме. Энергия, которая поступала из сети в обмотку статора, превращалась в работу сил трения, тепловые потери и кинетическую энергию ротора. Эксперимент был многократно повторен при различной начальной температуре обмоток (+ 18-50 оС). Теплообмен корпуса с окружающей средой не учитывался, так как количество отдаваемой им энергии за время эксперимента в 200-400 раз меньше тепла, выделяющегося обмот-
№ А^М-4 Ом АКДО-4 Ом Д и 1 П % о п %
1 73,5 35 18 52,1 5,1
2 90 74 29,6 18 3,0
3 105 94 38,2 10,5 3,0
4 220 197 60 10,4 3,0
5 300 275 75,6 8,3 2,3
ками двигателя в пусковом режиме. Теплообменом между обмотками статора и корпусом также пренебрегали, так как эта энергия за время опытов, равное 25-30 с, была существенно (в сотни раз) меньше поступающей энергии. Во второй серии опытов вал двигателя стопорился, а обмотки включались в сеть столько же раз и на такой же период времени, как и в предыдущих опытах. При этом вся энергия, выделяющаяся в обмотках, превращалась в тепло, вызывая увеличение их температуры и, соответственно, сопротивления.
Количество тепла выделяющегося в обмотке двигателя пропорционально изменению ее температуры
0 = С М0 Д1о (1)
где С - теплоемкость материала обмотки; М0 - масса провода обмотки; Д^ -разность температур обмотки до и после опыта.
Разность температур обмотки определялась из уравнения
ДЪ = ДИ/ к , (2)
где ДИ - разность активных сопротивлений обмотки до и после опыта.
КПД двигателя в пусковом режиме определялся из формулы
П = (01 - О2УО1, (3)
где 01, 02 - соответственно, количество тепла выделившегося в обмотках двигателя с застопоренным валом и при пусковом режиме.
После подстановки уравнений 1, 2 в 3 и преобразований получим
п = (ДИ - ДИ^/ДИи (4)
где - ДИ1 ,ДЯ2 - соответственно, изменение активных сопротивлений обмоток
двигателя с застопоренным ротором и в пусковом режиме за равное количество и суммарное время включений в сеть.
Проверка достоверности замеров сопротивлений осуществлялась при помощи прибора Щ4313 путем замера токов в обмотках при подключении их к источнику тока со стабильным напряжением до и после проведения опытов. Результаты экспериментов подтвердили достоверность предыдущих опытов.
В результате экспериментов было установлено, что выборочное среднее значение КПД асинхронного двигателя составило 56,6 %, а дисперсия 2,7 %. Снижение КПД двигателя относительно паспортного значения при номинальном режиме работы объясняется повышенными тепловыми потерями из-за относительно больших пусковых токов. Таким образом, предложенная методика определения КПД двигателя работающего в переходном режиме без рабочей нагрузки дает удовлетворительный для практики результат.
В таблице приведены значения приращения сопротивлений катушки импульсного двигателя с застопоренным (ДИ1) и свободным якорем (ДЯ2), величина энергии (Е1) потребляемой катушкой за один цикл, максимальное значение тока (X) в катушке и среднее значение КПД. Частота импульсов тока была равна 10 Гц. Энергия, поступающая в обмотку импульсного двигателя за один цикл, определялась по энергии разряда конденсаторной батареи, которая выполняет функции аккумулятора энергии
Е1 = 0,5(и2н - и2к)Ск , (5)
где ин,ик - соответственно, напряжение на зажимах конденсаторной бата реи до им-
пульса и после него; Ск - емкость конденсаторной батареи.
Существенное снижение КПД при увеличении подаваемой в катушку энергии, объясняется тем, что при постоянном времени цикла возрастает скорость изменения тока и, соответственно, тепловые потери энергии, вызванные увеличением силы вихревых токов. Относительно большое значение среднего квадратичного отклонения КПД можно объяснить тем, что тепловые потери существенно зависят от изменяющихся не линейно и за короткий промежуток времени основных параметров электромагнитной и механической систем. Время изменения тока в катушке должно быть меньше времени движения якоря к хвостовику рабочего инструмента. В противном случае происходит достаточно быстрая остановка якоря (его удар по рабочему инструменту), а ток в индукционных кольцах не равен нулю. Поэтому при относительно быстрой остановке якоря, его поле наведет в магнитопроводе соответствующие вихревые токи, что приводит к дополнительному теплообразованию.
1. Справочник по бурению на карьерах/ Б.А. Симкин, Б.Н. Кутузов, В.Д. Буткин. - 2-е изд., пе-рераб. и доп. - М.: Недра, 1990. - 221 с.
2. Ушаков Л.С., Котылев Ю.Е., Кравченко В.А. Гидравлические машины ударного действия. - М: Машиностроение, 2000. 416 с.
Другой причиной снижения КПД является несогласованность подачи импульса тока с положением якоря. Если якорь ещё не дошел до стартового (крайнего) положения, а в катушку поступает импульс тока, то также возникают дополнительные тепловые потери и расходуется энергия на торможение якоря.
Анализ полученной результатов показывает, что для данных параметров магнитной и электромеханической систем импульсного механизма поток энергии, при старте якоря с начальной скоростью равной нулю, должен быть меньше 200 Дж/с, в противном случае у машины будет неприемлемо низкий КПД.
Выводы
1. КПД импульсных двигателей, рабочий режим которых является переходным процессом, можно определять по нагреву обмотки катушки.
2. Работоспособность импульсного двигателя существенно зависит от его параметров: размеров катушки, размеров магнитопровода, величины хода и удельного потока энергии.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Афанасьев А.И., Чернышов А.А. Энергоэф-
фективность машин ударного действия. Горные машины и автоматика, № 9, 2002, с.37-39.
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------
Афанасьев А.И., Костенчук С.Ф., Саитов В.И., Чиркова А.А. - Уральский государственный горный университет.
