Розрахунок місця розташування давачів контролю положення бігуна (ударника) молоту

Таблиця 1

Варіанти до розрахунку лінійного асинхронного електродвигуна

№ вар	Параметри лінійного асинхронного двигуна
V,м/с	N	P	, Ом	, Ом	, Ом	, Ом	, Ом	, Ом	Н, м
	6.6			0.105	0.403	3.023	0.411	1.381	0.835	1.5
	6.5			0.106	0.404	3.033	0.412	1.382	0.836	1.4
	6.4			0.107	0.405	3.034	0.413	1.383	0.837	1.3
	6.3			0.108	0.406	3.035	0.414	1.384	0.838	1.2
	6.2			0.109	0.407	3.036	0.415	1.385	0.839	1.1
	6.0			0.110	0.408	3.037	0.416	1.386	0.840	1.3
	6.7			0.105	0.409	3.038	0.417	1.387	0.839	1.4
	6.8			0.106	0.410	3.039	0.418	1.388	0.838	1.3
	6.9			0.107	0.411	3.040	0.419	1.389	0.837	1.3
	7.0			0.108	0.412	3.031	0.420	1.390	0.836	1.5
	6.6			0.109	0.413	3.030	0.410	1.389	0.835	1.4
	6.5			0.110	0.414	3.029	0.409	1.388	0.834	1.3
	6.4			0.105	0.415	3.028	0.408	1.387	0.833	1.5
	6.3			0.106	0.403	3.027	0.407	1.386	0.832	1.3
	6.2			0.107	0.404	3.026	0.406	1.385	0.831	1.4
	6.1			0.108	0.405	3.027	0.407	1.384	0.830	1.4
	6.6			0.109	0.406	3.028	0.404	1.383	0.829	1.5
	6.7			0.150	0.407	3.025	0.403	1.382	0.828	1.3
	6.8			0.106	0.408	3.024	0.404	1.381	0.827	1.4
	6.9			0.107	0.409	3.025	0.405	1.380	0.826	1.4
	7.0			0.108	0.410	3.026	0.406	1.379	0.825	1.3
	6.6				0.411	3.027	0.407	1.378	0.824	1.3
	6.5			0.110	0.412	3.028	0.408	1.377	0.823	1.4
	6.4			0.10 5	0.413	3.029	0.409	1.376	0.822	1.4
	6.3			0.106	0.414	3.029	0.410	1.375	0.821	1.3
	6.2			0.107	0.415	3.030	0.411	1.372	0.820	1.4
	6.1			0.110	0.416	3.029	0.407	1.376	0.823	1.5
	6.3			0.109	0.415	3.020	0.410	1.375	0.821	1.3
	6.2			0.107	0.416	3.030	0.411	1.372	0.820	1.4
	6.1			0.118	0.416	3.020	0.407	1.376	0.820	1.5
	7.0			0.108	0.422	3.026	0.406	1.379	0.825	1.0
	6.6				0.423	3.027	0.407	1.378	0.824	1.1
	6.5			0.110	0.424	3.028	0.408	1.377	0.823	1.2
	6.4			0.10 5	0.425	3.029	0.409	1.376	0.822	0.9
	6.3			0.106	0.426	3.029	0.410	1.375	0.821	1.3
	6.2			0.107	0.427	3.030	0.411	1.372	0.820	1.0
	6.1			0.110	0.428	3.029	0.407	1.376	0.823	0.9

Продовження таблиці 1

№ вар	Параметри лінійного асинхронного двигуна
V,м/с	N	P	, Ом	, Ом	, Ом	, Ом	, Ом	, Ом	Н, м
	6.6			0.101	0.403	3.023	0.412	1.381	0.835	1.5
	6.5			0.106	0.404	3.033	0.412	1.382	0.836	1.4
	6.4			0.107	0.401	3.034	0.413	1.383	0.832	1.3
	6.3			0.102	0.406	3.031	0.414	1.384	0.838	1.2
	6.2			0.109	0.407	3.036	0.411	1.385	0.833	1.1
	6.0			0.110	0.402	3.037	0.416	1.381	0.840	1.3
	6.7			0.103	0.409	3.038	0.417	1.387	0.831	1.4
	6.8			0.106	0.413	3.032	0.418	1.388	0.838	1.3
	6.9			0.107	0.411	3.043	0.419	1.382	0.837	1.3
	7.0			0.108	0.422	3.034	0.420	1.390	0.832	1.5
	6.6			0.109	0.413	3.030	0.410	1.389	0.835	1.4
	6.5			0.110	0.414	3.029	0.409	1.383	0.834	1.3
	6.4			0.107	0.415	3.023	0.408	1.382	0.833	1.5
	6.3			0.106	0.403	3.027	0.409	1.386	0.833	1.3
	6.2			0.117	0.407	3.036	0.407	1.385	0.831	1.4
	6.1			0.108	0.405	3.027	0.407	1.382	0.830	1.4
	6.6			0.109	0.406	3.028	0.404	1.383	0.822	1.5
	6.7			0.105	0.407	3.025	0.403	1.392	0.828	1.3
	6.8			0.109	0.408	3.034	0.404	1.381	0.827	1.4
	6.9			0.107	0.409	3.025	0.405	1.380	0.836	1.4
	7.0			0.108	0.412	3.026	0.416	1.379	0.825	1.3
	6.6				0.411	3.027	0.407	1.393	0.824	1.3
	6.5			0.090	0.422	3.028	0.408	1.377	0.833	1.4
	6.4			0.095	0.413	3.029	0.400	1.376	0.822	1.4
	6.3			0.106	0.424	3.039	0.410	1.395	0.821	1.3
	6.2			0.107	0.418	3.030	0.411	1.372	0.830	1.4
	6.1			0.120	0.416	3.029	0.417	1.396	0.823	1.5
	6.6			0.109	0.421	3.027	0.417	1.370	0.834	1.3
	6.5			0.110	0.412	3.038	0.408	1.397	0.824	1.4
	6.5			0.111	0.404	3.033	0.412	1.382	0.836	1.4
	6.4			0.112	0.401	3.034	0.413	1.383	0.832	1.2
	6.3			0.113	0.406	3.031	0.414	1.384	0.838	1.0
	6.2			0.114	0.407	3.036	0.411	1.385	0.833	1.0
	6.0			0.115	0.402	3.037	0.416	1.381	0.840	1.1
	6.7			0.116	0.409	3.038	0.417	1.387	0.831	1.2
	6.8			0.117	0.413	3.032	0.418	1.388	0.838	1.1
	6.1			0.101	0.405	3.027	0.407	1.377	0.830	1.4
	6.4			0.118	0.423	3.029	0.409	1.376	0.832	1.0

Рис.1. Молот (М-КЛАД) для занурення паль:

1 – корпус молота; 2 – статор ЛАД; 3 – обмотка статора ЛАД; 4 – бігун (ударник); 5 – сердечник бігуна; 6 – обмотка (кільце) бігуна; 7 – п'ята бігуна (ударника); 8 – наголовник (ковадло); 9 – кабельний ввід; 10 – направляюча; 11 – паля; D1-D5 – давачі положення; ТСУ – тиристорна станція управління; БУ – блок управління; БТК – безконтактний тиристорний комутатор; БДГ – блок динамічного гальмування.

Рис.2. Молот (М-КЛАД) для руйнування негабаритного матеріалу:

1 – корпус молота; 2 – статор ЛАД; 3 – обмотка статора ЛАД; 4 – бігун (ударник); 5 – сердечник бігуна; 6 – обмотка (кільце) бігуна; 7 – п’ята бігуна (ударника); 8 – робочий інструмент; 9 – кабельний ввід; 10 – направляюча; 11 – негабаритний матеріал; D1-D5 – давачі положення; БУ – блок управління; БТК – безконтактний тиристорний комутатор; БДГ – блок динамічного гальмування.

Рис.3. Молот (М-КЛАД) для ущільнення п’яти буронабивної палі:

1-корпус молота; 2-статор; 3-обмотка статора; 4-бігун (ударник); 5-сердечник бігуна; 6-обмотка (кільце) бігуна; 7-п’ята бігуна (ударника); 8-ущільнювач; 9-кабельний ввід; 10-дзвін; D1-D4 – давачі положення; D5 - давач рівня; ТСУ – тиристорна станція управління; БУ – блок управління; БТК – безконтактний тиристорний комутатор; БДГ – блок динамічного гальмування.

 

Рис.4. Молот (М-КЛАД) для занурення металевої труби:

1 – корпус молота; 2 – статор ЛАД; 3 – обмотка статора ЛАД; 4 – бігун (ударник); 5 – сердечник бігуна; 6 – обмотка (кільце) бігуна; 7 – п’ята бігуна (ударника); 8 – наголовник; 9 – кабельний ввід; 10 – направляюча; 11 – труба; D1-D5 – давачі положення; D6 – давач обмеження; БУ – блок управління; БТК – безконтактний тиристорний комутатор; БДГ – блок динамічного гальмування.

Рис.5. Молот (М-КЛАД) для ущільнення ґрунтів:

1 – корпус молота; 2 – статор ЛАД; 3 – обмотка статора; 4 – бігун (ударник); 5 – сердечник бігуна; 6 – обмотка (кільце); 7 – п’ята ударника (бігуна); 8 – ковадло (ущільнювач); 9 – кабельний ввід; 10 –направляюча;11 – ґрунт; D1-D5 – давачі положення; БУ – блок управління; БТК – безконтактний тиристорний комутатор; БДГ – блок динамічного гальмування.

Рис.6. Молот (М-КЛАД) для занурення палі під водою:

1 – корпус молота; 2 – статор ЛАД; 3 – обмотка статора; 4 – бігун (ударник); 5 – сердечник бігуна; 6 – обмотка (кільце); 7 – п’ята ударника (бігуна); 8 – наголовник; 9 – кабельний ввід; 10 – трубопровід для нагнітання повітря; 11 – дзвін; 12 – направляюча; 13 –паля; D1-D4 – давачі положення; D5 – давач рівня; БУ – блок управління; БТК – безконтактний тиристорний комутатор; БДГ – блок динамічного гальмування.

Математичне моделювання перехідних процесів роботи електроприводу молоту багатофункціонального призначення

Вступ

Існуючі будівельні машини та обладнання, такі як: пристрої для забивання паль, руйнування негабаритного матеріалу тощо (пристрої ударної дії), через недосконалість комунікації енергії (плин масла та палива по трубопроводах), вихід відпрацьованих газів в атмосферу, а також низького рівня автоматизації не дозволяють підвищити їх техніко- економічні показники [10, 11, 13 - 17].

Перспективним із точки зору покращення техніко-економічних показників цих машин є приводи виконавчих механізмів на основі лінійних асинхронних електродвигунів (ЛАД) [3].

В роботах [4,5] та ін. проаналізовані електромагнітні процеси, що протікають у ЛАД, та систематизовані чисельні методи розрахунку основних тягових характеристик при різних режимах роботи з урахуванням "крайового ефекту".

Однак, були недостатньо змодельовані електромагнітні процеси, пов'язані із вмиканням та вимиканням привода ЛАД при роботі електромагнітного молота, наприклад, молота для забивання паль. Тобто не була змодельована оптимальна оцінка енергетичних параметрів, пов'язаних із перехідними електромагнітними процесами, які очевидні при роботі механізмів ударної дії [3], що ускладнює автоматизацію процесу роботи молота.

Отже, при виконанні розрахунково-графічної роботи студентам пропонується розрахувати тягову характеристику ЛАД, визначити перехідні процеси роботи молота, місця розташування давачів контролю положення бігуна молоту та розробити алгоритм, функціональну і електричну принципову схему управління молотом.

При виконанні курсового проекту студенти можуть використати літературу [1-18] та запропоновану нижче методику у вигляді математичної моделі, яка представлена у даній роботі.

 

Розрахунок тягової характеристики ЛАД

Молот (М-КЛАД) працює наступним чином. На обмотку індуктора коаксіально-лінійного двигуна через тиристору станцію управління подається змінний струм, який виклає появу магнітного поля, що біжить вздовж статора. При взаємодії магнітного поля з індукційним струмом вторинного контура виникає електромагнітне тягове зусилля, яке призводить до руху бігуна у певну сторону.

Для керуванням роботою молоту використовується схему управління, яка містить блок управління, безконтактний тиристорний комутатор, блок динамічного гальмування та давачі положень (рис. 1 – 6).

 

Давачі D1-D4 дозволяють за заданою програмою вмикати та вимикати ЛАД, фіксуючи при цьому місце розташування бігуна та використання його у якості ударника, який міг би розвинути максимальну енергію удару. З метою визначення місця оптимального розташування давачів на шляху руху бігуна необхідно провести дослідження, пов'язані з перехідними процесами роботи приводу молоту.

Для розрахунку математичної моделі роботи молота застосуємо графоаналітичний метод [7].

Для цього складається диференційне рівняння руху бігуна ЛАД молоту, наприклад, для забивання паль (його параметри взяті з варіантів завдань):

(1)

де -електромагнітне тягове зусилля ЛАД, Н;

- сила опору (номінальне зусилля), Н;

- маса бігуна, кг;

- прискорення вільного падіння, м/c²;

Електромагнітне тягове зусилля обчислюється за формулою:

(2)

де - число фаз;

- напруга живлення, В;

- швидкість магнітного поля статора, що біжить, м/c;

- частота мережі, Гц;

- активний та індуктивний опори обмоток індуктора (статора), Ом;

- приведені активний та індуктивний опори обмоток бігуна до обмоток індуктора, Ом;

- активний та індуктивний опори контуру намагнічування, Ом;

коефіцієнт несиметричності струмів вторинного контуру, де -число пар полюсів;

ковзання, де - швидкість бігуна, м/c;

- кількість паралельно ввімкнених двигунів;

За формулою (2) робиться розрахунок характеристики при зміні ковзання s від 1 до -0,05 і будується тягова характеристика (рис.7).

 

Рис.7 Типова тягова характеристика ЛАД.

 

Розрахунок перехідних процесів роботи ЛАД графоаналітичним методом

Для визначення часу перехідного процесу проведемо деякі перетворення у рівнянні (1):

, (3)

де - прискорення, що створюється електромагнітним полем, м/c²;

Скоротимо ліву та праву частину рівняння на m. Замінимо вираз на a.

, (4)

або

(5)

Перетворимо вираз (5): , .

Проінтегрувавши ліву і праву частини попереднього виразу, отримаємо:

(6)

Остаточно:

(7)

де час перехідного процесу,с; номінальна швидкість бігуна, м/c.

Отриманий інтеграл незручний для подальших розрахунків, тому запишемо його у вигляді суми:

(8)

, (9)

де n - число відрізків, на які розбивається інтервал побудови.

Для наближеного обчислення значення цього інтегралу застосуємо метод трапецій [7].

Наступним етапом буде розрахунок руху бігуна вгору (рис.8):

(10)

і за формулою для оберненого прискорення (с²/м):

, (11)

Рис.8 Залежність

де - маса бігуна, кг. Таким чином, розрахуємо рух бігунавниз (рис.8):

(12)

(13)

Графік залежності (рис.9), де -поточний час, с; побудуємо за формулою:

(14)

де n - кількість частин, на яку розбивається ділянка побудови; - значення швидкості бігуна; .

Рис.9 Залежність

 

Графік залежності (рис 10). побудуємо за формулою:

(15)

де: -елементарний час, с; -висота підіймання бігуна,м.

Рис.10 Залежність

 

Розрахунок місця розташування давачів контролю положення бігуна (ударника) молоту

Циклограма руху бігуна (ударника) молоту наведена на рис. 11.

Рис.11 Циклограма руху ударника

Нехай бігун починає вільно падати зі стану спокою без початкової швидкості з прискоренням g (рис.11,б). Позначимо початкову висоту ударника над наголовником (ковадлом) через h, час його падіння з цієї висоти до ковадла – через t і швидкість, досягнуту ударником у момент падіння на ковадло – через v. Тоді згідно з формулами:

(16)

де - кінетична енергія, Дж.

(17)

де -потенціальна енергія, Дж.

Ці величини будуть пов'язані наступними співвідношеннями:

(18)

(19)

(20)

Розглянемо тепер рух бігуна, якому надана деяка початкова швидкість , направлена вертикально вгору (рис.11в). У цій задачі зручно вважати додатнім напрямок угору. Оскільки прискорення направлене донизу, то рух буде рівномірно - загальмованим із від'ємним прискоренням - g і з додатньою початковою швидкістю. Швидкість цього руху в момент часу t виразиться формулою:

, (21)

а висота підйому у цей момент над початковою точкою – формулою:

(22)

Коли швидкість бігуна зменшиться до нуля, він досягне найвищої точки підйому. Це відбудеться у момент , для якого:

(23)

Після цього моменту швидкість стане від'ємною і бігун почне падати донизу. Отже, час підйому бігуна:

(24)

Підставляючи у формулу (18) час підйому , знайдемо висоту найвищої точки підйому тіла:

(25)

Подальший рух бігуна можна розглядати як падіння без початкової швидкості з висоти . Підставляючи цю висоту у формулу (20), знайдемо, що швидкість , якої бігун досягне у момент падіння на землю чи на ковадло, тобто повернувшись у точку, звідки він був підкинутий догори, буде дорівнювати початковій швидкості тіла (але, звичайно, швидкість буде направлена в інший бік - донизу).

Нарешті, із формули (19) робимо висновок, що час падіння бігуна з вищої точки дорівнює часу підняття бігуна у цю точку (рис.11), де:

а) з урахуванням впливу електромагнітного тягового зусилля, що його розвиває ЛАД при русі бігуна вгору;

б) без початкової швидкості зі стану спокою бігуна донизу;

в) із початковою швидкістю при русі бігуна угору;

г) з урахуванням впливу електромагнітного тягового зусилля, що його розвиває ЛАД при русі бігуна униз;

д) з урахуванням початкової швидкості - рух бігуна вниз.

Таким чином (рис.11), давач Д1 встановлюють на нульовій позначці, тобто коли бігун знаходиться у нижньому стані і п'ята стикається з ковадлом. Давач Д2 встановлюють на перетині кривої руху бігуна вгору під дією електромагнітного тягового зусилля, що його розвиває ЛАД (крива "а") з кривою "в", за законом якої бігун падав донизу під дією сили тяжіння з прискоренням g. Давач Д3 встановлюють на відмітці заданої висоти . Давач Д4 встановлюють на відмітці - швидкості поля ЛАД необхідно замінити на - максимальну швидкість бігуна у момент досягання ним ковадла, яка визначається з формули:

(26)

де - максимальна енергія, яка визначається за формулою:

(27)

де - кінетична енергія, яку може розвити молот під дією електромагнітної сили; - потенціальна енергія, яку може розвити молот на висоті після проходження бігуном давача Д4 при русі його донизу.