Электромагнитные механизмы с несколькими последовательно включенными рабочими зазорами для управления электромагнитными клапанами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.06, кандидат технических наук Комиссаров, Валентин Михайлович

• Комиссаров, Валентин Михайлович
• кандидат технических наук
• 1983

Оглавление диссертации кандидат технических наук Комиссаров, Валентин Михайлович

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

I.I.Вопросы улучшения технико-экономических показателей электромагнитных механизмов клапанов.

1.2.Обзор конструктивных схем электромагнитных механизмов клапанов, реализующих требуемые формы тяговых характеристик.

1.3.Постановка задач исследования.

2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ МЕХАНИЗМОВ С НЕСКОЛЬКИМИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО ВКЛЮЧЁННЫМИ РАБОЧИМИ ЗАЗОРАМИ.

2.1.Способ увеличения механической работы и формирования требуемых тяговых характеристик электромагнитных механизмов.

2.2.Математические.модели электромагнитных механизмов с несколькими последовательно^ включёнными рабочими зазорами.

2.2.1.Расчёт магнитных систем.

2.2.2.Расчёт динамических характеристик.III

2.3.В ы в о д ы.

3.ПРОЕКТНЫЙ РАСЧЁТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ МЕХАНИЗМОВ КЛАПАНОВ С НЕСКОЛЬКИМИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО ВКЛЮЧЁННЫМИ РАБОЧИМИ ЗАЗОРАМИ.

3.1.Постановка задачи,конструктивные схемы электромагнитных клапанов.

3.2.Алгоритм расчёта,исходные формулы,пример расчёта.

3.3.Сведения о внедрении,рекомендации по использованию результатов исследований.

3.4.В ы в о д

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электромагнитные механизмы с несколькими последовательно включенными рабочими зазорами для управления электромагнитными клапанами»

В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I981-1985 годы и на период до 1990 года" поставлена задача: "Значительно увеличить масштабы создания, освоения и внедрения в производство новой высокоэффективной техники,обеспечивающей рост производительности труда, снижение материалоемкости и энергоемкости, улучшение качества выпускаемой продукции, повышение ее конкурентноспособности на внешнем рынке" flJ

Одним из путей выполнения поставленной задачи в области автоматических устройств управления трубопроводной арматурой является создание более совершенных приводных электромагнитных механизмов.

Трубопроводная арматура и, в частности, клапаны с электромагнитным приводом являются основными исполнительными элементами автоматических систем управления технологическими процессами и объектами с жидкими и газообразными рабочими средами в таких отраслях промышленности, как металлургическая, химическая, пищевая и др. Выпуск электромагнитных клапанов исчисляется многими сотнями тысяч штук в год. Причем потребность в электромагнитных клапанах как в номенклатурном,так и в количественном плане постоянно растет.

Являясь важным элементом автоматических систем управления, электромагнитные клапаны должны отвечать требованиям высокой надежности, быстродействия и износоустойчивости, большого срока службы при стабильной работе в широком диапазоне изменений рабочих давлений, температур, влажности, вибрационных и ударных нагрузок, возможно меньшего потребления энергии, малого веса и габаритов, простоты конструкции и схемы управления.

Выполнение указанных требований в значительной степени зависит от параметров и характеристик управляющих работой клапанов приводных электромагнитных механизмов (ЭММ).

Одним из основных условий эффективного управления электромагнитными клапанами является условие рационального согласования тяговых характеристик приводных ЭММ и характеристик противодействующих движению сил, характеристик НДС, имеющих место в клапанах.

От степени согласованности тяговых и ПДС характеристик зависят технико-экономические показатели приводных ЭММ и клапанов в целом: надежность и износоустойчивость, быстродействие,потребляемая мощность, вес и габариты, вибро- и ударостойкость. Последние показатели особенно важны для клапанов, работающих в экстремальных условиях подвижных объектов.

Анализ конструкций серийно выпускаемых промышленностью электромагнитных клапанов показал, что в них используются ЭММ, тяговые характеристики которых не в полной мере согласуются с характеристиками противодействующих движению сил. Это приводит к завышенным габаритам и потреблению энергии, снижению ресурса работы ЭММ.

Поэтому актуальной задачай арматуростроения является разработка приводных ЭММ для автоматического управления клапанами, которые обеспечивали бы наиболее рациональное согласование характеристик тяговых и противодействующих движению сил.

Для решения поставленной задачи в настоящей диссертационной работе предлагается использовать броневые ЭММ втяжного типа постоянного тока, с несколькими последовательно включенными в магнитную цепь рабочими зазорами, возрастающими по величине в направлении неподвижного полюса.В зависимости от заданного вида характеристики противодействующих движению сил форму тяговой характеристики ЭММ можно изменять, варьируя количество, величины, формы и места расположения рабочих зазоров в магнитной системе. Для лучшего согласованию характеристик в конце рабочего хода предла

- б гается выполнять внешний конец якоря, входящий в воротничек, конической формы.

Б работе на основании анализа процесса энергопреобразования в ЭММ показано, что по сравнению с однозазорными в многозазорных ЭММ могут быть значительно увеличены совершаемая механическая работа и начальное тяговое усилие, уменьшено время срабатывания.

Построены математические модели предложенных ЭММ, на базе которых разработана методика их проектного расчета.

На основании исследования факторов, влияющих на вид тяговых характеристик многозазорных ЭММ, даны рекомендации по построению магнитных систем с требуемыми формами тяговых характеристик,показана целесообразность применения разработанных ЭММ для автоматического управления клапанами.

Предложенные в диссертации конструкции и методика расчета многозазорных ЭММ были использованы при разработке "Руководящих технических материалов по расчету приводных электромагнитов броневого типа для трубопроводной арматуры", принятых в конструкторскую практику Ленинградским производственным объединением арма-туростроения "Знамя труда" (ЛПОА).

По результатам диссертационной работы и расчетам, проведенным автором, ЛПОА был модернизирован серийно выпускаемый промышленностью электромагнитный привод постоянного тока ПЗ.098.025 клапана ПЗ 26.227-015, что позволило уменьшить время его срабатывания в 1,45 раза, массу привода в 1,44 раза и одновременно расширить в 1,5 раза диапазон перепадов давления рабочей среды. Экономический эффект от модернизации привода ПЗ 030.025 составил 15 тыс. руб. е год.

Па защиту выносятся следующие основные положения:

I. Разработанные конструкции многозазорных ЭШ для управления электромагнитными клапанами, позволяющие наилучшим образом согласовывать характеристики тяговые и противодействующие движению сил , и результаты их исследований.

2. Обоснование возможности увеличения совершаемой механической работы, начального тягового усилия, уменьшения времени срабатывания при введении в магнитную цепь ЭММ вместо одного сосредоточенного нескольких последовательно включенных рабочих зазоров.

3. Математические модели и программы расчёта на ЭВМ электромагнитных механизмов с двумя и тремя рабочими зазорами,позволяющие рассчитать распределение магнитных потоков в системе, по-токосцепление и индуктивность обмотки, электромагнитные усилия, действующие на якоря, динамические характеристики.

4. Методику проектного расчета предложенных многозазорных ЭММ клапанов, позволяющую рассчитать параметры ЭММ с квазиоптимальным согласованием тяговых и противодействующих движению сил характеристик.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

I.I. Вопросы улучшения технико-экономических показателей электромагнитных механизмов клапанов

Электромагнитные клапаны в системах автоматического управления технологическими процессами используются как двухпозицион-ные устройства, воздействующие на регулируемый параметр (расход жидкой или газообразной рабочей среды) путем открытия или закрытия прохода в трубопроводе.

Для более полного удовлетворения требований, предъявляемых к электромагнитным клапанам (высокая надежность, быстродействие, износоустойчивость, малая масса, занимаемый объем,потребляемая энергия, стабильная работа в широком диапазоне изменений температур, давлений рабочей среды, вибрационных и ударных нагрузок), необходима дальнейшая работа по совершенствованию конструкций приводных ЭММ, позволяющих без существенного усложнения деталей и узлов улучшить их технико-экономические показатели.

Качественное выполнение функционального назначения ЭММ клапана требует согласования по величине и форме тяговой характеристики привода с характеристикой ПДС клапана.Характер требуемого изменения электромагнитной силы при движении якоря, обусловленный характеристикой ПДС, определяет ряд технико-экономических показателей ЭММ:

- величину начального тягового усилия,.характеризующую надёжное открытие затвора клапана;

- время срабатывания,обеспечивающее заданное быстродействие;

- износоустойчивость, зависящую от энергии ударов и вибраций;

- расход активных материалов (меди и стали) и потребляемой энергии.

Принятая форма тяговой характеристики ЭММ в зависимости от степени ее согласованности с характеристикой ПДС может способствовать улучшению ряда технико-экономических показателей,одновременно ухудшая другие. Так, например, в существующих ЭММ тяговая характеристика располагается значительно выше характеристики НДС на всём ходе якоря. В результате этого, накопленная кинетическая энергия при приходе якоря на упор в конце пути расходуется на удар, вызывающий ускоренный износ взаимодействующих поверхностей, вследствии появления на них наклёпа. Желание приблизить к противодействующей характеристике тяговую, в результате чего уменьшается энергия удара, приводит к увеличению времени движения.

Прежде чем перейти к обоснованию требований, которым должны отвечать тяговые характеристики приводных ЭММ клапанов, а также выбору путей улучшения их технико-экономических показателей, необходимо остановиться на принципах действия и характеристиках ПДС наиболее часто применяемых типов электромагнитных клапанов.

Электромагнитные клапаны подразделяются на нормально закрытые и нормально открытые, в которых при обесточенной катушке ЭММ поток рабочей среды через клапан либо полностью перекрыт, либо открыт. В работе рассмотрены только нормально закрытые электромагнитные клапаны, как наиболее распространенные типы трубопроводной арматуры.

Подача рабочей среды в клапан может осуществляться по направлению на затвор или под затвор. В зависимости от направления подачи рабочей среды изменяется характер усилий, которые должен преодолеть привод клапана при открытии затвора. Зависимость усилий, преодолеваемых ЭММ при перемещении его подвижной системы, от координаты положения затвора будем называть характеристикой противодействующих движению сил.

На рис. I.I поз.а представлена конструктивная схема электромагнитного клапана прямого действия с неразгруженным затвором, в котором открытие затвора осуществляется непосредственно силами 0 1

Рис .1,1. Конструктивные схемы элект^—юмагнитных клапанов. Характерно тики ЦДС. электромагнитного привода. Клапан состоит из корпуса I, затвора 2, возвратной пружины 3, приводного ЭММ 4. Б зависимости от направления подачи в клапан рабочей среды имеет место одна из характеристик ПДС, изображенных на рис.1.1 поз.б. Линейно-возрастающая характеристика I присуща клапанам с подачей рабочей среды под затвор и определяется характеристикой возвратной пружины, обеспечивающей необходимую герметизацию затвора. Характеристика 2, присущая клапанам с подачей рабочей среды на затвор, имеет сложную форму, отличаясь своеобразным провалом. Максимум характеристики 2 (точка I) определяется силой полного гидростатического давления рабочей среды на неразгруженную поверхность затвора и соответствует моменту отрыва затвора от седла (так называемая "первая особая точка" характеристики ПДС).Миницум характеристики 2 (точка 2) соответствует некоторой высоте подъема затвора, когда сила гидростатического давления рабочей среды на его поверхность становится малой по сравнению с силой в момент отрыва затвора от седла ("вторая особая точка" характеристики ПДС). Последующая часть характеристики 2 определяется в основном силами сжатия возвратной пружины и веса подвижных элементов. Моменту полного подъема . затвора соответствует "третья особая точка" характеристика ПДС (точка 3).

Схема клапана прямого действия с неразгруженным затвором является наиболее простой и надежной. Однако, с увеличением перепадов давления рабочей среды и условных проходов клапана растет и необходимое усилие отрыва затвора от седла и, соответственно, мощность и габариты приводного ЭММ. Поэтому такие клапаны находят преимущественное применение при относительно небольших условных проходах (Ду^Ю мм) и перепадах давления рабочей среды (>4Рр#16 кг/см2) [2 J.

Для уменьшения силы гидростатического давления рабочей среды на неразгруженную поверхность затвора применяют схемы клапанов прямого действия с полностью или частично разгруженным затвором с помощью поршня, мембраны или сильфона. Клапан (рис.1Л поз.в) состоит из корпуса I, затвора 2, разгрузочного поршня 3, возвратной пружины 4, приводного ЭММ 5. Поршень 3 жестко связан с затвором 2. Подавая рабочую среду под поршень 3, частично или полностью уравновешивают силу, действующую на затвор 2. Характеристики ПДС клапана изображены на рис. I.I поз.г. Характеристика I соответствует частично загруженному затвору, характеристика 2 -полностью разгруженному затвору.

Наиболее распространенным способом разгрузки затвора является разгрузка с помощью обвода. Клапан (рис.1.1 поз.д) состоит из корпуса I, основного затвора 2 (поршень или мембрана с жиклером 6), разгрузочного затвора 3, Еозвратной пружины 4, обводного отверстия 5, связывающего надзатворную полость клапана с выходной, приводного ЭММ 7, якорь которого связан с разгрузочным затвором 3. При открытии разгрузочного затвора 3 рабочая среда через обводное отверстие 5 сбрасывается из надзатворной полости в выходную. Поскольку диаметр регулировочного отверстия в жиклере 6 меньше в 1,5-2 раза диаметра обводного отверстия 5[2 Jt давление в надзатворной полости снижается. Образующийся при этом перепад давления между входной и надзатворной полостями приводит к появлению подъемной силы реакции рабочей среды, под действием которой и происходит движение основного затвора 2. При этом скорость его движения и связанного с ним якоря приводного ЭММ определяется не столько электромагнитными силами, сколько гидродинамическими процессами в открывающемся клапане.

Такие клапаны, в которых основной затвор открывается не под действием электромагнитной силы приводного ЭММ, а под действием силы реакции рабочей среды называют клапанами косвенного действия. Характеристика ПДС клапана косвенного действия дана на рис.1.1 поз.е.

Поскольку площадь разгрузочного затвора 3 во много раз меньше площади основного затвора 2, то усилие, необходимое для его открытия, и, следовательно, потребляемая мощность и габариты приводного ЭММ могут быть невелики. Поэтому разгрузка с помощью обвода находит применение в клапанах с относительно большими условными проходами и перепадами давления рабочей среды р

Ду=16-50 mm(JP мак ^250 kt/gnt; .

Ду=65-100 ж4? мак ^ 80 кг/см2).

При работе клапана косвенного действия в условиях изменяющегося перепада давления рабочей среды (от максимального расчетного до нулевого) приводной ЭММ должен обеспечивать надежное открытие разгрузочного затвора 3 при максимальном перепаде давления и открытие основного затвора 2 при нулевом перепаде давления, когда отсутствует сила реакции рабочей среды. В этом случае основной затвор 2 должен быть связан с якорем ЭММ, например, подхватами 8 (рис. I.I поз.д).

Стабильность работы клапанов при ударных и вибрационных нагрузках зависит от массы подвижных элементов, связанных с затвором, и, в частности, от массы якоря приводного ЭММ. Поэтому следует стремиться к уменьшению его массы при сохранении требуемого начального тягового усилия ЭММ.

Как следует из вышесказанного, электромагнитным клапанам с подачей рабочей среды на затвор присущи сложные формы характеристик ПДС с максимальным противодействующим усилием в начале движения (момент отрыва затвора от седла), с последующим спадом усилия (разгрузка затвора от сил одностороннего давления рабочей среды на его поверхность) и дальнейшим его нарастанием в конце хода (сжатие возвратной пружины).

Б настоящее время в арматуростроении в качестве приводов электромагнитных клапанов применяются в основном броневые ЭММ втяжного типа постоянного тока с одним рабочим зазором. На рис. 1.2 поз.а изображена традиционная конструктивная схема электромагнитного клапана прямого действия. ЭММ состоит из корпуса I, катушки 2, якоря 3, стопа 4, возвратной пружины 5. Совмещенные тяговая (кривая I) и ПДС (кривая 2) характеристики при различном направлении подачи рабочей среды в клапан изображены на рис.1.2 поз.б,в. Монотонно-возрастающая тяговая характеристика ЭШ хорошо согласуется с характеристикой ПДС клапанов с подачей рабочей среды под затвор (рис.1.2 поз.б) и нерациональна для клапанов с подачей рабочей среды на затвор (рис.1.2 поз.в). Значения начального и конечного тяговых усилий, крутизна тяговой характеристики ЭШ прежде всего зависят от формы рабочего зазора /3,4,5,6,7,8 и др/ Переходя от плоской к конической или усеченно-конической формам рабочего зазора, можно увеличить начальное тяговое усилие и уменьшить крутизну тяговой характеристики в конце хода. Некоторое влияние на тяговую характеристику оказывают местоположение рабочего зазора в катушке ЭММ, форма и размеры нерабочего зазора в воротничке /з,5 /.

Интересное конструктивное решение, позволяющее получить практически линейную форму тяговой характеристики, дано в/"9-/. Здесь образующие опорных поверхностей якоря и стопа выполнены относительно оси их симметрии в виде вогнутых дуг окружности с равными радиусами.

Значительное влияние на тяговую характеристику ЭШ оказывает ферромагнитный шунт в области рабочего зазора. Конструктивная схема электромагнитного клапана косвенного действия с ферромагнитным шунтом изображена на рис. 1.3 поз.а. Шунт выполняют в виде втулки I, охватывающей рабочий зазор.Совмещенные тяговая (кривая I) и ПДС (кривая 2) характеристики изображены на рис. 1.3 поз.б. Тяговая

I (j^

РисЛ.2.Конструктивная схема электромагнитного клапана Характеристики I-тяговая. 2-ПДС. характеристика имеет провал и максимум,примерно соответствующий равенству высоты шунта длине рабочего зазора. Изменяя высоту шунта, его сечение и величину радиального зазора ме^щу боковыми поверхностями шунта и якоря, можно существенно менять форму тяговой характеристики /5,10,II,12./. Как видно из рис.1.3 поз.б, тяговая характеристика ЭММ хорошо согласуется с характеристикой ПДС клапана. Начальное тяговое усилие ЭММ с шунтом больше, чем у изображенного на рис. 1.2 поз.а, что позволяет уменьшить габариты и потребляемую мощность привода. Электромагнитные клапаны такой конструкции описаны в /*13,14,15,16, VIJ•

Применение ферромагнитного шунта в области рабочего зазора ЭММ позволяет улучшить технико-экономические показатели. Однако, тяговая характеристика ЭММ с ферромагнитным шунтом всё же не является оптимальной.

Вопросу оптимальной тяговой характеристики ЭШ посвящен ряд исследований /10,18,19^7.Б них с позиций принципа максимума JI.C. Понтрягина^/20 J решалась задача оптимального по быстродействию управления ЭММ с подвижными звеньями.

Оптимальной стратегией управления электромагнитным приводом устройств, для которых существенным является уменьшение времени движения и ограничение удара в конце пути, следует считать максимальный разгон подвижной системы в начале пути и последующее её торможение с целью ограничения скорости при подходе к неподвижному полюсу. Такое управление может обеспечить тяговая характеристика, круто нарастающая в начале пути, значительно при этом превышающая силы противодействия, и спадающая на последующих участках, на которых силы сопротивления превышают тяговую. При этом движение должно происходить за счёт кинетической энергии, накопленной якорем на начальном участке. Б конце хода для надежного фиксирования якоря тяговая сила опять должна превышать

Рис.1.3.Конструктивная схема электромагнитного клапана Характеристики I-тягсвая.2-ПДС. противодействующую.

На рис. 1.4 приведена оптимальная тяговая характеристика ЭММ, совмещенная с характеристикой ПДС клапана. Такая характеристика представляет собой кусочно-непрерывную функцию с разрывами первого рода (несколькими переключениями по ходу движения), обеспечивающую попеременную подачу и снятие предельных значений тягового усилия.

Конечно, в реальных ЭММ невозможно реализовать оптимальную тяговую характеристику. Однако, её можно рассматривать, как идеальную зависимость, к которой нужно стремиться для получения наибольшего быстродействия.

Для получения наименьшего времени срабатывания ЭММ следует стремиться, чтобы после включения ЭММ тяговое усилие возрастало возможно быстрее и его амплитуда значительно превышала при этом значение противодействующего усилия.

Известно/3,7,10,21-25 и % что тяговая сила ЭММ и, следовательно, тяговая характеристика в основном зависят от характера изменения тока в обмотке и потокораспределения в магнитной системе при движении ее подвижных элементов. Потокораспределе-ние определяется формой и размерами рабочих и нерабочих зазоров, магнитопровода, степенью насыщения стали. Поэтому принципиально возможны два способа оптимального управляющего воздействия.

При первом способе оптимальное управление может быть получено за счет внешнего формирования управляющего сигнала-тока или напряжения в виде однополярного или биполярного воздействия/l8 При однополярном оптимальном управлении во время первого интервала управления якорь ЭММ максимально разгоняется, на втором интервале управляющее воздействие сбрасывается;; до нуля и происходит интенсивное торможение якоря за счёт противодействующих движению сил, а в конце интервала управляющее воздействие восста

19

Рис.1.4. Характерис тики:

1.ПДС. 2.Оптимальная тяговая навливается до уровня, при котором удерживающая сила была бы не меньше противодействующей. Биполярное оптимальное управление требует для своей реализации существенного усложнения конструкции ЭММ и поэтому его применение нецелесообразно. Для формирования внешнего управляющего сигнала используются специальные приставки-генераторы сигналов, которые подаются в обмотку ЭММ в определенные моменты по ходу движения якоря.

К первому способу управления следует отнести и форсированное включение ЭММ на максимальное напряжение с последующим его уменьшением до величины, достаточной для удержания якоря/з,26-30J,

Серьёзным недостатком первого способа оптимального управления является усложнение схемы управления и конструкции ЭММ, что снижает надежность и увеличивает габариты и стоимость электромагнитного клапана.

Вторым способом получения оптимального управления является способ без внешнего воздействия на управляющий сигнал, так называемый "конструктивный" способ/10,31J, при котором напряжение, подаваемое на обмотку ЭММ, остаётся на всём интервале управления неизменным. При этом способе получение оптимальной тяговой характеристики достигается применением особой конструкции ЭММ, обеспечивающей требуемое потокораспределение в магнитной системе в процессе срабатывания. Тяговая характеристика таких ЭШ является кусочно-непрерывной функцией с разрывом первого рода, что при заданной характеристике НДС создает квазиоптимальное управление движением якоря, связанного с затвором клапана. При этом подвижные элементы клапана перемещаются из начального в конечное положение за минимальное время с ограниченной в конце движения скоростью.

Такое оптимальное управляющее воздействие по тяговой силе может быть получено в электромагнитных механизмах, имеющих в магнитной цепи деэ и более различных по величине рабочих воздушных зазора, на каждом из которых срабатывает свой якорь, в целом формируя требуемую тяговую характеристику.

Конструктивный способ получения квазиоптимальной тяговой характеристики позволяет без существенного усложнения конструкции ЭММ улучшить практически все технико-экономические показатели (увеличить начальное тяговое усилие, быстродействие и износоустойчивость, уменьшить массу, обьем,потребляемую мощность) по сравнению с традиционным ЭММ с одним рабочим воздушным зазором.

Заключение диссертации по теме «Электрические аппараты», Комиссаров, Валентин Михайлович

3.4. Выводы

1. Разработаны конструкции ЭММ с несколькими последовательно включенными рабочими зазорами и внешним коническим концом якоря, входящим в воротничек, для управления электромагнитными клапанами, позволяющие улучшить их технико-экономические показатели, а именно: уменьшить габариты и потребляемую мощность, повысить быстродействие и износоустойчивость приводного ЭММ, расширить диапазон перепадов давления рабочей среды клапанов.

2. Разработана методика оптимизационного расчета ЭММ, позволяющая рассчитывать геометрические размеры ЭММ с получением квазиоптимальной тяговой характеристики.

3. Использование разработанной конструкции ЭММ с двумя рабочими зазорами при модернизации серийно.выпускаемого электромагнитного привода постоянного тока ГО 098.025 клапана

ИЗ 26.227-015 позволило уменьшить время срабатывания в 1,45 раза, массу привода в 1,44 раза и одновременно расширить в 1,5 раза диапазон перепадов давления рабочей среды клапана,

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Сформулируем основные результаты работы.

1. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований для управления электромагнитными клапанами предложены броневые электромагнитные механизмы втяжного типа постоянного тока с несколькими последовательно включенными в магнитную цепь рабочими зазорами, возрастающими по величине в направлении неподвижного полюса. В зависимости от вида характеристики противодействующих движению сил форму тяговой характеристики, значение начального тягового усилия электромагнитного механизма можно изменять, варьируя количество, величины, формы и места расположения рабочих зазоров в магнитной системе. Дяя лучшего согласования характеристик тяговых и противодействующих движению сил виконце рабочего хода предложено выполнять конец якоря, входящий в воротни-чек, конической формы, что повышает износоустойчивость и увеличивает ресурс работы электромагнитных механизмов.

2. Дано обоснование возможности увеличения совершаемой механической работы и начального тягового усилия, уменьшения времени срабатывания ЭММ при замене одного сосредоточенного в магнитной цепи рабочего зазора несколькими последовательно включенными рабочими зазорами.

При введении в магнитную систему вместо одного рабочего зазора нескольких последовательно включенных уменьшаются начальные потоко-сцепление обмотки и магнитная энергия, запасенная в системе. Конечное потокосцепление обмотки и магнитная энергия, запасенная в замкнутой магнитной системе, практически не зависят от количества и расположения рабочих зазоров, имевших место до срабатывания электромагнитного механизма. Поэтому при перемещении якорей изменение потокосцепления обмотки у электромагнитного механизма с несколькими рабочими зазорами будет больше, чем у электромагнитного механизма с одним рабочим зазором, соответственно энергия, затраченная на совершение механической работы, и начальное тяговое усилие будут также больше. Изменение параметров рабочих зазоров и мест их расположения вызывает изменение потокораопределения и магнитной системе и, как следствие, изменение формы тяговой характеристики.

Уменьшение начального потокосцепления обмотки при одновременном увеличении начального тягового усилия, а также оптимальная форма тяговой характеристики, имеющая вид кусочко-непрерыв-ной функции с разрывами первого рода, позволяют улучшить динамические свойства многозазорных электромагнитных механизмов, в частности, уменьшить время трогания и срабатывания. Проведенные экспериментальные и теоретические исследования многозазорных магнитных систем позволили дать рекомендации по выбору конструкций с требуемыми формами тяговых характеристик.

3. Для предложенных электромагнитных механизмов с несколькими последовательно включенными рабочими зазорами методами теории магнитных цепей построены математические модели, позволяющие рассчитать распределение магнитного потока вдоль магнитной цепи, индуктивность и потокосцепление обмотки, величины сил электромагнитного притяжения, действующие на якоря, время трогания и постоянную времени обмотки. Получены также уравнения для расчета оптимального местоположения рабочих зазоров в магнитной системе и угла при вершине конуса якорей в зоне первого рабочего зазора, при которых начальное тяговое усилие будет максимальным. Для электромагнитных механизмов с коническим внешним концом якоря, входящим в воротничек, получено выражение магнитного сопротивления нерабочего зазора в воротничке и силы электромагнитного притяжения, действующей на якорь. Расхождение расчетов по полученным формулам с опытными данными не превышает

-15810-15 %.

Для уточнения значении индуктивности обмотки, тяговых усилий, распределения магнитного потока в системе по формулам, полученным методами теории электромагнитного поля, разработаны программы расчета на ЭВМ указанных параметров, а также динамических характеристик электромагнитных механизмов с двумя рабочими зазорами.

4. Разработан алгоритм оптимизационного расчета электромагнитного механизма с несколькими рабочими зазорами с учетом необходимого согласования тяговых и противодействующих движению сил характеристик. На первом этапе производится оптимизационный расчет электромагнитного механизма с одним рабочим зазором, соответствующим зазору, примыкающему непосредственно к стопу. На втором этапе определяются соотношения длин якорей и форм рабочих зазоров электромагнитного механизма с несколькими рабочими зазорами, на третьем - определяется форма внешнего конца якоря, входящего в воротничек.

5. Результаты диссертационной работы легли в основу "Руководящих технических материалов по расчету приводных электромагнитов броневого типа для трубопроводной арматуры", принятых в конструкторскую практику Ленинградским производственным объединением арматуростроения "Знамя труда".

Предложенные конструкции электромагнитных механизмов реализованы при модернизации серийно выпускаемого промышленностью электромагнитного привода ПЗ 098.025 клапана ПЗ 26.227-015, что позволило уменьшить время срабатывания в 1,45 раза, массу привода в 1,44 раза, расширить диапазон перепадов давления рабочей среды клапана в 1,5 раза и получить экономию в размере 15 тыс.руб. при объеме годового выпуска привода 20 тыс.штук.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Комиссаров, Валентин Михайлович, 1983 год

1. Основные направления экономического и социального развития СССР на 1.61-1985 годы и на период до 1990 года.- М.: Политиздат,1981.-95 с.

2. Пржиалковский А.Л., Щучинский С.Х. Электромагнитные клапаны.-Л.: Машиностроение, 1967. 246 с.

3. Гордон А.Б., Сливинская А.Г. Электромагниты постоянного тока,-М.: Госэнергоиздат, I960.-447 с.

4. Казаков В.А. Выбор конструктивного типа и формы стопа электромагнитов постоянного тока.-Электротехника,1970, J" II, с.42-46.

5. Любчик ГЛ.А. Силовые электромагниты аппаратов и устройств автоматики постоянного тока.- М.: Энергия,1968.-152 с.

6. Пеккер И.И. Физическое моделирование электромагнитных механизмов. -М.: Энергия,1969.- 64 с.

7. Ротерс Г. Электромагнитные механизмы.-М.-Л.:Госэнергоиздат, 1949.-523 с.

8. Сахаров П.В. Проектирование электрических аппаратов.-М.: Энергия,1971.-560 с.

9. А.С. 490193 (СССР). Электромагнит /В.А.Зуев.Опубл.в Б.И., 1975, Г; 40.

10. Любчик М.А. Оптимальное проектирование силовых электромагнитных механизмов.-М.: Энергия. 197.4.-392 с.

11. Пеккер И.И., Щучинский С.Х.,Дулина Л.Н. Расчёт броневого электромагнита с ненасыщенным шунтом.-Электромеханика,1972, .;: 7, с.805-807.

12. Ыел£<гс£ £. 2)гг G&c^ttommарле^/аргу, 1969.-261

13. А.С. 481743 (СССР) Электромагнитный клапан /С.X.Щучинский, В.А. Бабушкин. Опубл. в Б.И., 1975, & 31.

14. А.С. 464747 (СССР). Электромагнитный привод /С.X.Щучинский, В.А.Бабушкин. Опуол. в Б.И., 19/5, 'Л II.

15. А.С. 424472 (СССР). Электромагнитный привод /С.х.Щучинский, В.А.Бабушкин. Опубл. в Б.И. ,1974, JS 45.

16. Буткобский А.Г., Черкашин Ю.А. Оптимальное управление электромеханическими устройствами постоянного тока.-М.:Энергия,1972.112 с.

17. Баскаев В.И., Боголюбов А.В., Садовский B.C.Староверов Г.М. Тяговая характеристика, обеспечивающая наименьшее время срабатывания электромагнитного механизма.-Электричество,1973,1. 3, с.74-76.

18. Понтрягин I.C., Болтянский В.Г., Гомкрелидзе Р.Б.,Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов.-М.:Наука,1969.-384 с.

19. Основы теории электрических аппаратов /Буткевич Г.В.,Годжел-ло А.Г., Кураев В.Г. и др. М.: Высшая школа,1970.-600 с.

20. Буйлов А.Я. Основы электроаппаратостроения.-М.-Л.:Госэнерго-издат,1946.-372 с.

21. Бабиков М.А. Электрические аппараты.-М. :Госэнергоиздат,4Л, 1951. 420 с.

22. Таев И.С. Электрические аппараты.-М.:Энергия,1977.-272 с.

23. Битенберг М.И. Расчёт электромагнитных реле.- JI. :Энергия, 1975.-416 с.

24. Левченко Э.Л. Форсировка электромагнитов.-Электротехника, 1967, J5 3, с.60-62.-16127. Коц Б.Э. Электромагниты постоянного тока с йорсировкой.-М.: Энергия, 1973.-80 с.

25. Нитусов Ю.Е. Схема для увеличения начального тягового усилия электромагнита.-Электричество, 1963, Г' 4, с.58-60.

26. Гринберг B.C., Гусельников Э.М., Кононенко Е.В. Выбор схемы форсировки электромагнита при большой частоте включений.-Электротехника, 1974, JS 8, с. 55-56.

27. Клименко Б.В. Новые устройства форсированного включения электромагнитов постоянного тока от источников переменного напряжения.-Электротехника.1962, В 4, с.22-25.

28. А.С. 280670 (СССР). Электромагнит с якорем клапанного типа / М. А. Любчик. Опу б л. в Б.И., 1970, У? 28.

29. А.С. 170806 (СССР). Электромагнитный клапан /Г.И.Воронин, Ю.Ф.Никитин, А.И. Кобранов и др. Опубл. в Б.И.,1965, & 9.

30. Патент 847465 (ФР1ih fytffdtm wrf г<ле/т)йпкг^шб/сб Мсбы емп №>Utaw av/*feist/&/i/et №

31. Опубл. в бюл."Выдержки к патентным заявкам ФРГ",1952,вып.9.

32. Патент 3961298 (США). A*/ fi&/fljet dofe/iocd'/<JaJfe Pottet 0. Опубл. е бюл. "Изобретения за рубежом" ,1975, вып.49, Б 16.

33. А.С. 422910 (СССР). Запарный клапан /М.Т.Романенко, В.А. .Снятков, В.П. Смородин и др. Опубл. в Б.И. ,1974, J;' 13.

34. Патент 3I00I03 (США). PiPot ал/ /7?ам VaPve/&J). Опубл. в "Официальной газете по материалам патентного ведомства США", 1959, том 732.

35. А.С. 166208 (СССР). Электромагнитный клапан следящего типа /В.И. Жульков.Опубл. в Б.И., 1964, 21.

36. А.С. 349849 (СССР). Электромагнитный мембранный клапан /В.Л.Кисель, М.Т. Романенко. Опубл. в Б.И., 1972, J; 26.-16239. Патент 3405S06 (США).

37. Опубл. в "Официальной газете по материалам патентного ведомства США",1968, том 855.

38. А.С. 2I425I (СССР). Электромагнитный клапан /В.И.мульков, Ю.Ф.Никитин и др. Опубл. в Б.И., 1966, J5 II.

39. А.С. 274228 (СССР). Электромагнит /Б.Н.Кошаровский.Опубл. в Б.И. , 1970, 'й 21.

40. А.С. 409042 (СССР). Электромагнитный привод постоянного тока /Д.А.Мельникова, Э.М.Эйтминович, А.Г.Тимонин. Опубл. в Б.И., IS73, J5 48.

41. А.С. 750201 (СССР). Электромагнитный клапан /С.Х.Щучинский, Б.А.Бабушкин, В.Ы. Комиссаров, Опубл. в Б.И., 1380, JS 27.

42. А.С. 437874 (СССР). Электромагнитный поршневой клапан /М.Т.Романенко.В.А.Снятков и др. Опубл.в Б.й.,1974, Г; 28.

43. Л.С. 246991 (СССР). Вентиль с электромагнитным приводом /А.С. Шелухин,А.А.Мельникова и др. Опубл.в Б.И.,1969, & 21.

44. А.С. 375690 (СССР).Тяговый электромагнит /Ю.Д.Федоров. Опубл. в Б.И. ,1973, D 16.

45. Веккер И.И., Комиссаров В.М. Расчёт втяжного электромагнита с двумя рабочими зазорами.-Электротехника,1980, ."■ 4,с.53-55.

46. Пеккер И.И., Комиссаров В.М. Расчёт приводного электромагнита с двумя рабочими зазорами трубопроводного клапана.-Электротехника, I960, tf 8, с.52-53.

47. А.С. 640376 (СССР). Электромагнит /Б.М.Комиссаров.Опубл. в Б.И., 1978, 13 48.

48. Пеккер И.И., Комиссаров Б.М. Броневой электромагнит постоянного тока с регулируемым конечным тяговым усилием. Электромеханика, 1980, Г' 2, с. 194-196.

49. Буль Б.К. Основы теории и расчёта магнитных иепел.-Л.: Энергия,1964,-464 с.-16352. Комиссаров Б.ГЛ., Запевин И.Л. К расчёту магнитных цепейэлектромагнитов втяжного типа постоянного тока.-Рукопись дея. в Информэлектро, IS75, инв. JJ 752 Д. 15 с.

50. Ким Дон Дин. Некоторые вопросы оптимального проектирования и расчёта силовых электромагнитов на электронных вычислительных машинах: Автореф. Дис. . канд.техн.наук.-Новосибирск, 1970.- 20 с.

51. Пикитенко А. Г. Проектирование оптимальных электромагнитных механизмов. Н.: Энергия,1974.-136 с.

52. Орлов Д.Б. Электромагниты с замедлением.-М.:Энергия.1970.-96 с.

53. Пеккер И.И.Пикитенко А.Г. Расчёт электромагнитных механизмов на вычислительных машинах.-М. '.Энергия,1367.-168.

54. Орлов А.А. Аналитический метод расчёта магнитных цепг.й электромагнитов постоянного тока.-Электричество, 1977, Б 3, с. 79-82.

55. Рященцев Н.П., Тимошенко Е.Н., Фролов А.Б. Теория,расчёт и конструирование электромагнитных машин ударного действия.-Новосибирск.: Наука, 1970, 259 с.

56. Тихомирова З.Т. Оценка методов расчёта магнитных цепей с воздушным зазором приборов и аппаратов.-Электричество,1964, Б I, с. 42-48.

57. Говорков Б.А. Электрические и магнитные поля.-М.:Энергия, 1968.-488 с.

58. Коген-Двлин В.Б., Комаров Б.Б. Расчёт и испытание систем с постоянными магнитами.-Ы.:Энергия,1977.-248 с.

59. Пеккер И.И. К расчёту магнитных систем методом интегрирования по источникам поля.-Электромеханика,1968, Б 9 с. 940943.

60. Тозони О.Б. Метод вторичных источников в электротехнике.-М.: Э не ргия,197 5.-2 96 с.-16464. Тозони О.Б. Маергойз И.Д. Расчёт трехмерных электромагнитных полей.-Киев. : Техник a, IS74.-352 с.

61. Колесников Э.В. Квазистациокарные электромагнитные поля в осесимметричных системах с кольцевым полем тока.-Электромеханика, 1971, i?! I, с.3-12.

62. Тозони О.В. Расчёт электромагнитных полей на вычислительных машинах.-Кие в.:Те хника, 1967.-2 52 с.

63. Ершов ГО.К. Приложение теории квазистациопарных электромагнитных полей в осесимметричных системах с кольцевым полем тока к расчёту динамических характеристик электромагнитов броневого типа.- Труды /Новочеркасский политехн.ин-т,1573, том.286, с.3-II.

64. Справочник программиста, T.I.- М.: Машиностроение,1965.-248 с.

65. Батищев Д.И. Расчёт динамических характеристик электромагнитов. -Электротехника,I9S6, „';- 5, с.53-55.

66. Гутовский Ы.В., Бушуев В.А. Графо-аналитический метод расчёта динамических характеристик электромагнитных механизмов.-Электричество, 19"?!, J) 4, с.62-64.

67. Бахвалов Ю.А., Лобов В.Н. ,Г«огилевский А.Г.,Пикитенко А.Г. Расчёт динамики включения электромагнита постоянного тока.-Злектромеханика, 1982, № I, с. 48-51.

68. Карасёв В.А. К расчёту динамических режмов электромагнитов.-Электричество, 1964, J' I с. 39-44,

69. Еикитенко А.Г., Палий Б.Я., Пеккер И.И. Проектирование электромагнитов по заданным динамическим характеристикам.-Электромеханика. 1970, Г 3, с. 271-278.

70. Пеккер И.И.,Щучинский С.Х. Исследование динамики электромагнитного вентиля трубопроводной арматуры.-Электромеханика, 1971, 13 7, с. 775-778.-16575. Лысов Н.Е. Расчёт электромагнитных механизмов.-М.:0боронгиз, 1949.-III С.

71. Корн Г.,Корн Т. Справочник по математике.-М. :Наука, 1968.720 с.

72. Шевченко С.М. Движение и удары в электрических аппаратах автоматического управления.-М.:Энергия, 1979.-144- с.

73. Стихановский Б.И. Определение коэффициента восстановления скорости при продольном соударении стержней одинакового диаметра.- В кн.:Электрические ударные машины. Новосибирск.: Наука, 1969, с. 261-265.

74. Щучинский СЛ., Комиссаров В.М. Двухзазорные электромагнитные приводы в арматуростроении.- К. : ЦМНТИ химнефтемаш, 1933.-26 с.

75. Комиссаров В.Ы.Запевин И.Л. Оптимизация электромагнитного привода для запорной арматуры автоматики.- В сб.: Проблемы электрофикации и автоматизации промышленности и сельского хозяйства.-Краснодар,1973, с.23-24.

76. Курносов А.В.Комиссаров Б.М., Горобец 10.А. Расчёт электромагнитов втяжного типа постоянного тока минимального объёма.-Труды /Краснодарский политехи.ин-т,1975,вып.61,с.60-64.

77. М, Vfatface J. ТАе Mafy&ea? Jescg/i Met'егГа&якмг tfd>/nw/iuca&o/i ал J f&cttontc* / 1951,75, no 28, p. 675-680.

78. Luidsftofr Iflptcm? e&c&o/mpietcfc'scj/i.- fecfao&ffl1961, ff68, no.3, p. 144-145.ftwed ,1957, ^137 , no 3405, p.235-240.

79. S&Al. 7ftec&S(g/t qf g/yi/шгйд,1953, 1? 25, no.307. p.380-385.

80. Курносов А.В., Комиссаров В.№.Поляков Ю.А.,Саркиджан Г.А.

81. Анализ оптимальной геометрии электромагнитов втяжного типа постоянного тока.-Электротехника,1374, 7, с.47-49.-16687. Химмельблау JI. Прикладное нелинейное программирование.-М. : Мир, 1975.-534 с.

82. Геминтерн В.И., Каган Б.М. Методы оптимального проектирования. М.:Энергия,1980.-160 с.

83. Батищев Д.И. Поисковые методы оптимального проектирования.-М. : Советское радио, 1975.-216 с.

84. Адлер 10.П. .Маркова Е.Е., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий.-Ы. :Баука,1976.-279 с.

85. Ивоботенко Б.А., Ильинский II.Ф., Копылов И.II. Планирование эксперимента в электромеханике.-М.:Энергия,1975.-184 с.

86. Налимов Б.В., Чернова И.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов.- М.:Ыаука,1965.-340 с.

87. Промышленная трубопроводная арматура с электромагнитным приводом. Каталог.-М. :ЦИПТИ химнефтемаш,1980.~63 с.

88. Щучинский С.Х. Тенденции развития арматуры с электромагнитным приводом.-М. : ЩШТИхимнефтемаш, 1982.-38 с.

89. Руководящие технические материалы по расчёту приводных электромагнитов броневого типа для запорной арматуры: Отчёт /Новочеркасский политехи.ин-т.-Новочеркасск, 1979, Б ГР 760307 98.-58 с.

90. Рабинович С.Г. Погрешности измерений.- JI. : Энергия,19/8.-262 с.

91. Зайдель A.If. Ошибки измерений физических величин.-Л.: Паука, 1974.-108 с.

92. Шенк X. Теория инженерного эксперимента.-М.:Мир,1972.-382 с.

93. Комиссаров Б.М. Выражение М.Д.С. катушки, допустимой по нагреву, электромагнитов втяжного типа постоянного тока.-Тезисы докладов /Ивановский энергетич.ин-т.-Иваново,1974, с 171-172.

94. Курносов А.Б., Саркиджан Г.А., Комиссаров Б.М. К вопросу выбора оптимальных геометрических соотношений в тяговом электромагните постоянного тока клапанного типа. Труды /Краснодарский политехи.ин-т, 1975, вып.61, с.46-52.

95. Пановко Я.Г.гвведение в теорию механического удара.-М;:

96. Увеличивая величину грузов 8, определяли соответствующие игл