CC BY
109
Ольга Олеговна Белова, научн. сотрудник, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»
INERTIAL METHODS OF MEASUREMENT SEA WA VES PARAMETERS
D.G. Gryazin, O.O. Belova
Merits and demerits of inertial methods of measurement wave buoy's vertical movements are analysed. Features of double integration in frequency and time domain are examined. Simulation data of vertical channel wave buoy's micromechanical inertial unit is presented. Recommendations about sea waves parameters computational algorithms are made.
Key words: wave buoy, inertial unit, method of measurement, sea waves.
Dmitry Gennadievich Gryazin, doctor of technical science professor, main metrologist - head of department, gdg@mt. ifmo. ru, Russia, St. Petersburg, Concern CSRI Elektro-pribor, JSC, ITMO University.
Olga Olegovna Belova, research worker, gdg@mt. ifmo. ru, Russia, St. Petersburg, Concern CSRI Elektropribor, JSC.
УДК 534
СИСТЕМА ВИБРОИЗОЛЯЦИИ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ КОМПЕНСАТОРОМ ВИБРОАКТИВНЫХ СИЛ
Ю.А. Бурьян, Д.В. Ситников, В.В. Шалай, А.В. Зубарев, С.Н. Поляков
В работе исследована математическая модель активной системы виброизоляции, в которой для компенсации виброактивных сил используется воздействие инерционных сил, создаваемых электромагнитным приводом в противофазе.
Ключевые слова: виброизоляция, виброактивные силы, электромагнитный привод, датчик силы, передаточная функция.
Для снижения вибрационной нагрузки на корпус подвижного объекта (самолёта, судна и т.д.) с успехом применяются пассивные системы виброизоляции с упруго-диссипативными опорами различного типа.
Если высокочастотные составляющие усилий виброактивных сил хорошо ослабляются пассивной системой виброизоляции, то снижение нагрузки на корпус для низких частот является в настоящее время достаточно актуальной проблемой.
Если для целей виброзащиты нашли достаточно широкое применение активные виброзащитные системы (АВЗС), в которых в качестве силового устройства (актуатора) применяются гидравлические, электродина-
мические, электромагнитные и т.д. устройства (например, активные виброзащитные платформы разработки ЦНИИ «Электроприбор») с диапазоном активного подавления 5 - 20 Гц), то для целей виброизоляции, то есть для уменьшения передачи усилия на основание, что особенно актуально для судостроения, активные системы практически не применяются, хотя создание эффективной системы виброизоляции на частотах 2 - 10 Гц и ниже является актуальной и не решённой в настоящее время проблемой.
Принципиальные схемы и работа активных систем виброизоляции рассмотрены в работах [1; 2; 3; 4; 5; 6; 7].
В работах [8; 9; 10] подробно исследована система активной виброзащиты на базе электромагнитного актуатора разработки ЦНИИ «Электроприбор».
В обзорной работе [1] дан подробный анализ и представлены предельные возможности активных систем с различными типами актуаторов (электродинамическими, магнитоэлектрическими, пьезоэлектрическими и т.д.), устанавливаемых между колеблющейся массой и корпусом, и работа которых определяется системой управления по сигналам акселерометра и датчика силы.
Активные системы виброизоляции повышают эффективность ослабления передачи усилия на корпус по сравнению с пассивными системами в довольно узкой области частот за резонансом колебательной системы, могут иметь частоту настройки в этой области с минимальным значением коэффициента виброизоляции [11] и могут понижать значение резонансной частоты [12].
Уменьшение коэффициента виброизоляции Кп
к п («)-Щ.
н
где \я(/ю] - модуль силы, передаваемой на корпус; (/ю) - модуль активной силы, воздействующей на колебательную систему, в дорезонансной области с помощью актуатора, установленного между колеблющейся массой и корпусом, принципиально невозможно, так как на этих частотах уменьшение амплитуды колебаний массы компенсируется увеличением усилия актуатора на корпус.
Для решения актуальной проблемы снижения усилия на корпус в области низких дорезонансных частот можно использовать принцип динамической инерционной компенсации вибрационного усилия на корпус, который заключается в том, что на корпусе или на колеблющейся массе устанавливается актуатор (компенсатор) с массой на подвижном органе и при возвратно поступательном движении массы в противофазе с движением упруго-подвешенной виброактивной массы будет создаваться на корпусе дополнительная инерционная сила, компенсирующая на заданной частоте виброактивную силу.
В качестве силовых устройств могут быть использованы гидравлические, пневматические, электродинамические и электромагнитные. Учитывая, что актуальной задачей является виброизоляция на низких частотах одним из перспективных приводов является электромагнитный. Представляет интерес рассмотреть возможность применения для целей динамической компенсации виброактивных сил разработанные в ЦНИИ «Электроприбор» электромагнитные приводы, используемые в системах активной виброзащиты (САВ) [8; 9; 10].
Блоки САВ представляют собой электромагнитный привод чашечного типа, подвижный элемент которого может быть соединён с упругими звеньями и обеспечивает в низкочастотном диапазоне перемещение от 0 до 10 мм.
Электромагнитный компенсатор (ЭМК) динамических сил на базе блоков САВ ЦНИИ «Электроприбор» может быть закреплён либо на основании рядом с колеблющейся массой, на которую действуют виброактивные силы, либо непосредственно на массу.
Принципиальная схема однокоординатной одноточечной активной системы с расположением ЭМК на основании показана на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема активной системы с ЭМК: 1 - колеблющаяся масса т0; 2, 3 -упруго-диссипативный подвес массы; 4 - якорь ЭМК; 5 - упругий подвес якоря; 6 - статор ЭМК; 7 - датчик Холла; 8 - регулятор; 9 - датчики силы; 10 - сумматор
Математическая модель ЭМК как элемента САВ подробно описана в работах [8; 9].
Связь между управлением и и напряжённостью Н магнитного поля в воздушном зазоре А электромагнита определяется уравнениями
3 =-1—, Н =-,
Т1 р +1 А
К1и 3
d
где p = —, J - ток в обмотке; w - число витков обмотки; К - коэффици-
dt
ент передачи; T = —; L, R - индуктивность и сопротивление обмотки.
R
Тяговое усилие электромагнита F3U определяется статической нелинейной зависимостью
Fэм =^Я2, (2)
где m0 - магнитная проницаемость воздуха; S - эквивалентная площадь воздушного зазора А.
В работе [9] показано, что использование регулятора напряжённости магнитного поля позволило обеспечить постоянное подмагничивание для двухполярного управления по силе и исключить влияние величины воздушного зазора на величину F^. В этой же работе приведена линеаризованная модель ЭМК
Fэм = F * + К F H, (3)
где F* - постоянное тяговое усилие из-за подмагничивания; К - коэффициент аппроксимации.
Линеаризованные уравнения движения активной системы с ЭМК относительно положения равновесия будут иметь вид
mjxj + bjxj + qxj = F^
TJ + J = Kju,
F = KfW T ^ (4)
u = Кдс (R - x^mj),
где R = c0x + b0x - сила, действующая на основание от колеблющейся массы m0.
При одночастотном и однонаправленном воздействии F = Fo sin wt, где w - частота виброактивной силы, силу R можно представить в виде Ro (t) = Ro sin wt, где R0 - амплитуда силы.
Структурная схема активной системы с ЭМК в соответствии с (4) представлена на рис. 2.
Передаточная функция по ошибке aR для системы на рис. 2 будет
равна:
3 2
wRaR (p)= 03Р3 + °2Р2 + Р + 00 , (5)
аз p + ai p + aj p + 00
где
03 = mjTj, а2 = mj + bjTj, aj = bj + CjTj, 00 = cj, a2 = mj + bjTj + Кдсkmj.
Оценка устойчивости по критерию Гурвица:
(b + qTj )(mi + b\T + Kдсkmi) > m{T\ • c, показывает, что система устойчива при любых значениях параметров.
Рис. 2. Структурная схема с ЭМК:
K _
_ Kf - w-k
А
; AR - ошибка компенсации
Для оценки динамики активной системы виброизоляции с ЭМК в соответствии со структурной схемой на рис. 2 в прикладной программе Matlab/Simulink произведено численное моделирование частотных характеристик для передаточной функции (5) (рис. 3, 4), построен переходной процесс (рис. 5) и динамика компенсации усилия на основании при заданной амплитуде и частоте воздействия.
Анализ результатов моделирования показывает, что в диапазоне 1 -100 Гц снижение усилия может составить 20 - 60 Дб и зависит как от по-
K г wKiK дс
стоянной времени электромагнита, от коэффициента K _-— и от
А
собственной частотыf механической составляющей ЭМК.
При увеличении постоянной времени электромагнита происходит снижение эффективности компенсации усилия, а увеличение коэффициента усиления К приводит к повышению эффективности и сдвигу резонансной частоты в низкочастотную область.
Переходной процесс, как это показано на рис. 5 составляет при принятых параметрах механической составляющей (b _ 2^- 2pf 3, при
x = 0,2) 50 с.
Представляет интерес рассмотреть работу системы компенсации, если усилие на основание представляет полигармонический сигнал вида:
n
R(t)_ £ a¡ - sin wit. i _1
В качестве примера примем, что n = 5, ai и f представленные в таблице.
2р
имеют значения,
дВЖ, Д6
- 1 1 1 ......... •
-
-- Т-0.01
■ . > . .......
Рис. 3. Частотные характеристики системы/0 = 10 Гц, К = 100
ДН*К. Д6
Рис. 4. Частотные характеристики системы/0 = 5 Гц, Т= 0,01 с
Рис. 5. Переходной процесс в системе/0 = 5 Гц, К = 100, Т = 0,01 с
123
Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 10 Значения, необходимые для расчетов
а 3 10 4 2 1
/ 3 5 7 10 15
Результаты моделирования в программе МаНаЬ^тиНпк для параметров ЭМК / = 5 Гц, Т = 0,01 с, К = 100 показывают, что величина АЯ снижается на 20 Дб.
Таким образом в работе показана принципиальная возможность использования электромагнитной блока САВ разработки ЦНИИ «Электроприбор» для создания эффективной системы виброизоляции с электромагнитным инерционным компенсатором виброактивных сил.
Список литературы
1. Активная виброзащита - назначение, принципы, состояние. 1. Назначение и принципы разработки / А.В.Кирюхин, В. А. Тихонов, А.Г. Чистяков, В.В. Яблонский // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2001. № 2. С. 108-111.
2. Патент ЯИ 2556867 С1 от 20.07.2015. Активная виброизолирующая система трубопроводов аварийной системы расхолаживания ядерного реактора подводной лодки / Кирюхин А.В., Фёдоров В.А., Мильман О.О.
3. Мехатронные подходы в динамике механических колебательных систем / С.В. Елисеев, Ю.Н. Резник, А.П. Хоменко. Новосибирск: Наука, 2011. 384 с.
4. Рыбак Л.А., Синёв А.В., Пашков А.И. Синтез активных систем виброизоляции на космических объектах. М.: Янус-К, 1997. 160 с.
5. Вибрации в технике: справочник: в 6 т. / под ред. К. В. Фролова. М.: Машиностроение, 1981. Т.4. 509 с.
6. Генкин М.Д., Елезов В.Г., Яблонский В.В. Методы управляемой виброзащиты машин. М.: Наука, 1985.
7. Фролов К.В., Фурман Ф.А. Прикладная теория виброзащитных систем. М.: Машиностроение, 1980.
8. Гутнер И.Е., Никифоров В.О., Сергачёв И.В. Математическая модель виброизолированной опоры с электромагнитным активным элементом // Мехатроника, автоматизация и управление. 2003. № 1. С. 13-18.
9. Никифоров В.О., Гутнер И.Е., Сергачёв И.В. Демпфирование собственных колебаний виброизолированной опоры // Изв. Вузов. Приборостроение. 2003. № 1. С. 35-41.
10. Никифоров В. О., Гутнер И.Е., Сергачёв И.В. Система активной виброзащиты: разработка, результаты испытаний и перспективы развития // Мехатроника, автоматизация и управление. 2004. № 2. С. 13-18.
124
11. Активная виброизоляционная опора с экстремальной системой управления / Ю.А. Бурьян, В.Н. Сорокин, Ю.Ф. Галуза, С.Н. Поляков // Механотроника, автоматизация, управление. 2014. №9 (162). С. 41-45.
12. Петров А.А. Устойчивость одномассовой системы активной виброизоляции с обратной связью по силовому воздействию // Доклады ХХУ11 сессии РАО, 2014.
Бурьян Юрий Андреевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, [email protected], Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Ситников Дмитрий Владимирович, канд. техн. наук, доц, d.sitnikova /ist.ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Шалай Виктор Владимирович, д-р техн. наук, проф., президент, [email protected], Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Зубарев Александр Викторович, канд. техн. наук, ген. директор, [email protected], Россия, Омск, Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно- производственное предприятие «Прогресс»,
Поляков Сергей Николаевич, канд. техн. наук, доц., науч. сотрудник лаборатории 120, /[email protected],Россия, Омск, ФГУП «НПП «Прогресс»»
VIBRATION ISOLATION SYSTEM WITH ELECTROMAGNETIC COMPENSATORS OF
VIBROACTIVE FORCES
J.A.Buryan, D.V. Sitnikov, V.VSha/ay, A.V.Zubarev, S.N. Po/yakov
In the paper is studied the mathematical mode/ of the active vibration isolation system, in which for the compensation of the vibroactivity forces used inertia/ forces generated by the e/ectromagnetic actuator in antiphase.
Key words: vibration iso/ation, vibroactivity force, the e/ectromagnetic actuator, a force sensor, the transfer function.
Buryan Jury Andreevich, doctor of technical sciences, professor, manager of kathe-dra, burian@,omgtu.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technica/ University,
Sitnikov Dmitriy V/adimirovich, candidate of technica/ science, docent, d.sitnikova list.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technica/ University,
Sha/ay Viktor V/adimirovich., doctor of technica/ sciences, professor, president, [email protected], Russia, Omsk, Omsk State Technica/ University,
Zubarev A/exander Viktorovich, candidate of technica/ science, docent, chief executive officer, info@progress-omsk. ru, Russia, Omsk, Federa/ State Unitary Enterprise "Scientific-Production Enterprise " Progress",
Po/yakov Sergei Niko/aevich, candidate of technica/ science, docent, researcher of /aboratory 120, /[email protected], Russia, Omsk, Federa/ State Unitary Enterprise "Scientific-Production Enterprise" Progress"
