Индукционный метод контроля и измерения механических характеристик вращательного движения двигателей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Горшенков, Анатолий Анатольевич

• Горшенков, Анатолий Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Горшенков, Анатолий Анатольевич

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ И ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ.

1.1 Средства измерения и контроля скорости движения.

1.2 Методы и средства измерения вращающего момента.

1.2.1 Гидравлические тормоза.

1.2.2 Электрические тормоза.

1.2.3 Тормозные стенды с балансирными машинами постоянного тока для измерения вращающего момента.

1.2.4 Механические устройства для измерения вращающего момента.

1.2.5 Оптические устройства для измерения вращающего момента.

1.2.6 Электрические приборы для измерения вращающего момента.

1.3 Выбор и обоснование выбора метода для разработки устройств контроля мгновенной скорости движения

1.4 Выводы.

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛА ИНДУКЦИОННОГО ПЕРВИЧНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ УСТРОЙСТВА ИЗМЕРЕНИЯ МГНОВЕННОЙ СКОРОСТИ.

2.1 Постановка задачи расчета сигнала индукционного первичного преобразователя.

2.2 Замена высококоэрцитивного цилиндрического магнита бесконечно тонкой катушкой с эквивалентным по намагниченности током.

2.3 Граничное условие для определения поверхностной плотности токов намагниченности на границе раздела сред диэлектрик ферромагнетик.

2.4 Граничное условие для определения поверхностной плотности вихревых вторичных токов на поверхности неферромагнитного проводящего тела в условиях сильно выраженного поверхностного эффекта.

2.5 Граничное условие для определения поверхностной плотности вихревых токов в конструкциях, выполненных из разнородных в магнитном отношении материалов.

2.6 Составление системы алгебраических уравнений для численного расчета вторичных токов.

2.7 Численный расчет сигнала индукционного первичного преобразователя.

2.8 Экспериментальная проверка достоверности численного расчета математической модели формирования сигнала индукционного первичного преобразователя.

2.9 Выводы.

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ИЗМЕРЕНИЯ МГНОВЕННОЙ СКОРОСТИ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ УСКОРЕНИЯ ЗА ПЕРИОД.

3.1 Устройство для измерения мгновенной скорости.

3.2 Методика определения средних значений ускорения за текущий период.

3.3 Оценка динамических погрешностей устройства запоминания амплитудных значений сигнала.

3.4 Выводы.

ГЛАВА 4 ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МГНОВЕННОЙ СКОРОСТИ И ИНДУКЦИОННОГО

ПЕРВИЧНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ.

4.1 Устройство измерения вращающего момента для стационарных нагрузок времяимпульсным методом с применением индукционных первичных преобразователей.

4.2 Датчик вращающего момента асинхронного двигателя.

4.3 Устройство контроля компрессии в цилиндрах бензинового двигателя внутреннего сгорания.

4.4 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Индукционный метод контроля и измерения механических характеристик вращательного движения двигателей»

Практика исследования динамики работы различных машин и механизмов требует применения средств контроля и измерения мгновенных значений характеристик движения, как при прямолинейном, так и при криволинейном движении.

Важными параметрами движения, определяющими динамику работы машин и механизмов, являются мгновенная скорость движения при прямолинейном или криволинейном (вращательном) движении, ускорение, вращающий момент, механическая мощность, являющимися в общем случае некоторыми функциями времени.

Обзор отечественной и зарубежной технической литературы показал, что существуют разнообразные технические средства контроля и измерения усредненных параметров движения и отсутствуют сведения по средствам измерения мгновенных значений характеристик движения.

Целью данной работы является разработка устройства контроля и измерения мгновенной скорости движения и создание на его основе комплекса бесконтактных помехоустойчивых технических средств контроля и измерения характеристик вращательного движения, обладающих простотой конструкции.

Для достижения этой цели необходимо решение следующих задач:

- выбор метода, позволяющего решать задачу получения информации о мгновенных характеристиках движения; создание математической модели первичного преобразователя устройства измерения мгновенной скорости;

- разработка функциональных и электронных схем технических средств контроля и измерения механических характеристик при вращательном движении на основе выбранного метода.

В диссертационной работе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные с использованием теории электрических цепей, теории электромагнитного поля, методов вычислительной математики, а также специально разработанных для численных расчетов вычислительных программ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- показана возможность создания устройств контроля и измерения механических характеристик вращательного движения (мгновенная скорость, ускорение, вращающий момент) индукционным методом;

- предложена математическая модель процесса формирования сигнала индукционного первичного преобразователя устройства измерения мгновенной скорости;

- предложены функциональные и принципиальные электрические схемы технических средств контроля и измерения механических характеристик при вращательном движении индукционным методом;

- предложена и разработана схема прибора для измерения и контроля компрессии в цилиндрах бензинового двигателя внутреннего сгорания с использованием ЭДС самоиндукции стартерного электродвигателя.

Основные положения, выносимые на защиту: разработка средств контроля механических характеристик вращательного движения индукционным методом;

- математическая модель процесса формирования сигнала индукционного первичного преобразователя устройства измерения мгновенной скорости;

- функциональная и электрическая принципиальная схема устройства измерения мгновенной скорости вращения;

- функциональная и электрическая принципиальная схема устройства контроля вращающего момента времяимпульсным методом;

- функциональная и электрическая принципиальная схема датчика вращающего момента асинхронного двигателя на основе устройства измерения мгновенной скорости;

- функциональная и электрическая принципиальная схема устройства контроля и измерения компрессии в цилиндрах бензинового двигателя внутреннего сгорания косвенным методом.

Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались на:

- 43 Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров (Омск,2003);

Международной научно-практической конференции "Дорожно-транспортный комплекс, экономика, экология, строительство и архитектура " (Омск,2003).

- Научно - практической конференции "Проблемы современного развития автомобильного сервиса" (Омск - 2005).

По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работы, в том числе 2 тезиса докладов на научно- технических конференциях.

Подано 3 заявки на изобретения.

По заявке "Устройство для измерения мгновенной скорости" получен патент на изобретение Российской Федерации № 2227304 от 20.04.2004г.

По заявке "Электронное устройство для измерения компрессии в цилиндрах бензинового двигателя внутреннего сгорания" получен патент на изобретение Российской Федерации №2245532 от 27.01.2005г.

По заявке "Способ измерения крутящего момента" получено положительное решение на выдачу патента на изобретение Российской Федерации №2004105889/28 с приоритетом от 27.02.2004г.

Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, научная новизна и практическая значимость результатов, сформулированы цель и задачи работы, представлена структура диссертационной работы и основные положения выносимые на защиту.

В первой главе проведен аналитический обзор средств и методов контроля и измерения механических характеристик вращательного движения. Обоснован выбор индукционного метода измерения для разработки комплекса средств измерения и контроля индукционным методом.

Во второй главе представлены результаты математического моделирования индукционного первичного преобразователя устройства измерения мгновенной скорости, являющегося основой для создания комплекса устройств контроля и измерения механических характеристик при вращательном движении индукционным методом. Рассмотрены граничные условия для расчета магнитного поля на границе раздела сред, а также приведен расчет максимального приращения потокосцепления сигнальной обмотки индукционного первичного преобразователя по методу вторичных источников тока. Отражены результаты экспериментальных исследований сигнала индукционного преобразователя, в зависимости от его геометрии и других величин, определяющих выходной сигнал индукционного первичного преобразователя. Также приведены результаты экспериментальной проверки достоверности численного расчета математической модели формирования сигнала индукционного первичного преобразователя.

Третья глава посвящена исследованиям, направленным на разработку устройства измерения мгновенной скорости вращения. Разработаны структурные и принципиальные электрические схемы электронных блоков преобразования сигнала индукционного первичного преобразователя и электронной цепи выделения сигнала мгновенной скорости.

Предложена методика измерения ускорения вращательного движения с использованием устройства измерения мгновенной скорости, проведена оценка метрологических характеристик аналогового запоминающего устройства датчика мгновенной скорости. Рассмотрены статические и динамические составляющие погрешности аналогового запоминающего устройства, произведен расчет основной погрешности измерения мгновенной скорости вращения.

В четвертой главе представлены разработанные на основе индукционного метода устройства: устройство контроля и измерения вращающего момента времяимпульсным способом;

- датчик вращающего момента асинхронного двигателя;

- устройство контроля компрессии в цилиндрах бензинового двигателя внутреннего сгорания косвенным методом.

Представлены результаты экспериментальных испытаний разработанных устройств и приведены результаты градуировки.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

В приложении А приведены электрические принципиальные схемы разработанных устройств. В приложении Б представлены акты внедрения результатов работы в учебный процесс и на производстве.

1. АНАЛИЗ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ И ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Горшенков, Анатолий Анатольевич

116 4.4 Выводы

По результатам приведенных в данной главе теоретических и экспериментальных исследований сделаны следующие выводы.

1. Индукционный метод измерения позволяет создать комплекс простых и надежных средств измерения механических характеристик вращательного движения как тепловых, так и электрических двигателей.

2. Разработаны и представлены функциональная и принципиальная схемы устройства контроля и измерения вращающего момента для стационарных нагрузок времяимпульсным методом.

3. Разработана и предложена принципиальная схема датчика вращающего момента асинхронного двигателя с использованием устройства измерения мгновенной скорости.

4. Разработан прибор контроля компрессии в цилиндрах бензинового двигателя внутреннего сгорания индукционным методом, позволяющий косвенно определять компрессию в цилиндрах бензинового двигателя внутреннего сгорания.

117 .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполнения данной работы были получены следующие результаты: . ,.

I. .

1. На основе явления электромагнитной индукции предложен способ и устройство измерения мгновенной угловой скорости вращательного движения.

2. На основании аналитических и экспериментальных исследований разработана математическая ' модель процесса формирования сигнала индукционного первичного преобразователя устройства измерения мгновенной скорости.

3. Предложена методика измерения ускорения на каждом периоде вращения, с использованием устройства измерения мгновенной скорости;

4. Разработан времяимпульсный способ измерения вращающего момента;

5. Разработан ряд приборов и средств контроля и измерения основных механических характеристик при вращательном движении индукционным методом, обладающих простотой конструкции и надежностью .

7. Создан бесконтактный датчик вращающего момента асинхронного двигателя.

8. Разработана схема прибора для контроля компрессии в цилиндрах бензинового двигателя внутреннего сгорания, основанного на преобразовании мгновенной электрической мощности в электрический сигнал.

9. Проведен метрологический анализ динамического режима работы устройства запоминания амплитудных значений сигнала устройства измерения мгновенной скорости и обоснована приемлемая для практики точность контроля.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Горшенков, Анатолий Анатольевич, 2005 год

1. Куликовский К.Л., Купер В.Я. Методы и средства измерений / . Куликовский К.Л., Купер В.Я. М.: Энергоатомиздат, 1986 - 448с.

2. Одинец С.С., Топилин Г.Е. Средства измерения крутящего момента / Одинец С.С., Топилин Г.Е.- М.: Машиностроение, 1977. 160с.

3. Современное состояние и перспективы развития средств измерения крутящего момента. М.:1974. 63с.

4. Пат.2180734 РФ: МПК7 G 01 L 3/10 ."Устройство для измерения крутящего момента/ Жеребятьев К.В., Нестеров В.Н.; №2000101301/28; опубл.20.03.2002, Бюл.№8.

5. Электрические измерения. Средства и методы измерения : учебное пособие / ред. Е.Г.Шрамков;М.:Высшая школа, 1972. 520с.

6. Пат.2162217 РФ МПК:7 G 01 N 3/26 : Датчик измеритель малых крутящих моментов/ Фридман Б.П., Жернаков B.C., Фридман О.Б.; -№99109395/28; опубл. 20.01.2001, Бюл.№2.

7. Пат. 2165076 РФ МПК:7 G 01 L 3/10 : Датчик крутящего момента вала / Павлов И.А., Писцова В.И., Болоян Н.А.; № 99114392/28; опубл. 10.04.2001, бюл.№10.

8. Пат. 2166185 РФ МПК:7 G 01 L 3/10 : Устройство измерения крутящего момента между двумя соосными валами /Жирар Франсис (И1),Лине IOr(FR), Энри Рийман (FR); №0016018/28;опубл 27.01.2001, Бюл.№12.

9. Ю.Гринберг Г. А. Избранные вопросы математической теории электрических и магнитных явлений / Гринберг Г.А.; Л.:АН СССР,1948. 727с.

10. П.Тозони О.В. Математические модели для расчета электрических и магнитных полей / Тозони О.В.; Киев: Наукова думка, 1964.

11. Тозони О.В. Расчет электромагнитных полей на вычислительных машинах / Тозони О.В.; Киев: Техника, 1967.

12. Тозони О.В., Маергойз И.Д. Расчет трехмерных магнитных полей./ Тозони О.В., Маергойз И.Д.; Киев:Техника, 1974. 354с.

13. Тозони О.В. Метод вторичных источников в электротехнике / Тозони О.В.; М.: Энергия, 1975 е.- 296с.

14. Тозони О.В. Новые методы расчета полей и автоматизация проектирования электромагнитных устройств / Тозони О.В.;АН СССР, 1971. -с.58-60.

15. Электротехнические устройства и системы летательных аппаратов: сборник научных трудов МАИ; М.:1982. 76с.

16. Бессонов JI.A. Теоретические основы электротехники / Бессонов JI.A.; М:.Высшая школа 1973.- 752с.

17. Поливанов К.М. Теоретические основы электротехники/ Поливанов К.М.; М:.Энергия 1969. - 351с.

18. Пат. 2136003 РФ МГЖ: G 01 Р 3/487 : Датчик частоты вращения / Коростышевский И.М.; опубл. 19.06.97.

19. Пат. 2148788 РФ МПК:7 G 01 В 7/30 : Датчик угловых перемещений / Караманов М.В., Лукин И.И., Юрьев Н.Н.; опубл. 10.05.2000, бюл. № 13.

20. Пат. 2150114 РФ МПК:7 G 01 Р 3/48 : Датчик измерения скорости / Дремов М.В., Коплунов Г.В., Кондратьев С.Г., Кустерман Е.В.; №98112718/28; опубл. 27.05.2000.

21. Пат 2125276 РФ МПК:6 G 01 R 33/12 : Индукционный датчик / Коршаковский С.И., Красников М.А., Маклашавский В.Я., Путников Ю.Г.; № 97109523/09; опубл. 20.01.99, бюл.2.

22. Пат. 2142641 РФ МПК:6 G 01 Р 3/48 : Датчик положения коленчатого вала двигателя/ Кольянов С.В., Королев Е.Ф., Кириллов А.И., Спиридонов Р.В.; №96107912; опубл. 10.12.99, бюл.№34.

23. Пат. 2125730 РФ МПК:6 G 01 Р 3/488 : Датчик скорости вращения вала/ Абрамов Е.П.; №97106218/28; опубл. 27.01.99, бюл.№3.

24. Пат. 2147748 РФ МПК:7 G 01 Р 3/56, 15/00 : Устройство для измерения ускорения коленчатого вала двигателя / Щетинин Н.В., Арженовский А.Г., Жирков М.В, Алексеенко М.Н.; № 98121723/28; опубл. 20.04.2000, бюл.№11.

25. Пат. 2146373 РФ МПК:7 G 01 Р 15/08 : Волоконно-оптический датчик ускорения / Демьяненко П.А. , Литвинов С.О., Косолап Л.А.; №99109395/28; опубл. 10.03.2000, бюл.№7.

26. Аш Ж., Андре П., Бофрош Ж. Датчики измерительных систем / Аш Ж., Андре П., Бофрош Ж ; М.: Мир. 419с.

27. Пат. 2227304 РФ МПК:7 G 01 Р 3/487 : Устройство для измерения мгновенной скорости / Попов А.П.,Горшенков А.А.; №113851/28; опубл. 20.04.04.

28. Попов А.П., Горшенков А.А., Чугулев АО., Клеванский С.М. О потерях в асинхронных двигателях и погрешностях индукционных счетчиков электроэнергии в системах с частотными преобразователями// Электрика. 2004.№5 с.33-34.

29. Ф.М. Юферов Электрические двигатели автоматических устройств/ Ф.М. Юферов.- М.: ГЭИД959. 224с.

30. Электроизмерительные устройства для диагностики машин и механизмов / Р.С. Ермолов, Р.А. Ивашов, В.К. Колесник, Г.Д. Морозов. JL: Энергия, 1979.- 128с.

31. Хазаров A.M. Диагностическое обеспечение, техническое обслуживание и ремонт автомобилей/Хазаров A.M. -М.: 1990.-234с.

32. Ю.В.Чижков, С.В Ютт Электрооборудование автомобилей/ Ю.В.Чижков, С.В Ютт.- М.: За рулем, 2001г.

33. Пат. 2245532 РФ МПК:7 G 01 М 15/00 : Электронное устройство для определения компрессии в цилиндрах бензинового двигателя внутреннего сгорания / Попов А.П., Горшенков А.А.; № 2003102287/06; опубл. 27.01.05, бюл.№ 3.

34. Арнольд А.А. Расчет и проектирование магнитных систем с постоянными магнитами/ Арнольд А.А. -М:. Энергия , 1969. 184 с.

35. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин/ Атамалян Э.Г. М:.Высш.школа ,1989.- 384 с.

36. Бабиков М.А.Доссинский А.В. Элементы и устройства автоматики/ Бабиков М.А., Коссинский А.В. -М.: Высш. школа, 1978.

37. Бриндли К. Измерительные преобразователи: пер. с англ./ Бриндли К. -М.: Энергоатомиздат,1991.- 144с.

38. Буль Б.К. Основы теории расчета магнитных цепей/ Буль Б.К.- М.: Энергия, 1964 .-464 с.

39. Герасимов В.Г., Покровский А.Д., Сухоруков В.В. Неразрушающий контроль/ Герасимов В.Г., Покровский А.Д., Сухоруков В.В. Кн.З Электромагнитный контроль: практ. пособие. М.: Высш. шк., 1992. - 312 с.

40. Гончар В.И. Расчет датчиков соленоидного типа по заданным метрологическим характеристикам. // Датчики систем измерения, контроля и управления: Межвуз. сб. научн. трудов. вып. 9. -Пенза: Пенз. политехи, ин-т, 1989.-367 с.

41. Коген -Дален В.В. Расчет и испытание систем с постоянными магнитами/ Коген -Дален В.В. М.:Энергия , 1977. - 247 с.

42. Конюхов Н.Е., Медников Ф.М., Нечаевский M.JI. Электромагнитные датчики механических величин/ Конюхов Н.Е., Медников Ф.М., Нечаевский МЛ. -М. : Машиностроение,!987. -256 с.

43. Ф. Мейзда Электронные измерительные приборы и методы измерения: пер. с англ./ Ф. Мейзда М.: Мир, 1990. - 535с.

44. Постоянные магниты. Справочник / А.Б.Альтман, Э.Е. Берниковский, А.Н. Герберг и др.; Под ред. Ю.М. Пяткина. М.: Энергия, 1980. - 376 с.

45. Преображенский А.А., Шамрай Б.В. Электромагнитные устройства информационно- измерительной техники/ Преображенский А.А., Шамрай Б.В. -М.: Машиностроение, 1976. т.1; 391 е.; т.2. -326 с.

46. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешности результатов измерений/ Новицкий П.В., Зограф И.А. Л.: Энергоатомиздат. ленинградское отд-ние, 1985.-248 с.

47. Цыпкин Я.З. Релейные автоматические системы/ Цыпкин Я.З. -М. .-Наука, 1974.

48. А.Дж. Пейтон, В.Волш Аналоговая электроника на операционных усилителях/ А.Дж. Пейтон, В.Волш М.: БИНОМ, 1994. - 352с.

49. Измерение электрических и неэлектрических величин / Н.Н.Евтихеев, Я.А.Купершмидт, В.Ф.Пауловский, В.Н.Скугоров М.: Энергоатомиздат, 1990. -352с.

50. А.М.Туричин Электрические измерения неэлектрических величин / А.М.Туричин Л:.Госэнергоиздат, 1959. - 683с.

51. Тимонтеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В. А. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре/ Тимонтеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В.А.- М.:Радио и связь, 1982. 112с.

52. Популярные цифровые микросхемы: справочник.- М.: Радио и связь,-1987.-352с.

53. Попов А.П. Расчет на ЭВМ чувствительности электромагнитных преобразователей неэлектрических величин на основе метода вторичных источников тока: учеб. пособие/ Попов А.П. ОмПИ. Омск, 1990. - 72с.

54. Aaltonen М., Tiitinen P., Lalu J., Heikldla S. Direct torque control of AC motor drives // ABB Reviev. 1995. No 3. P. 19-24.

55. F.-Z. Peng, T. Fukao. Robust speed identification for speed-sensorless vector control of induction motors. IEEE Trans, Ind. Appl. Vol. 30. No 5. Sept./ Oct. 1994.

56. Takahashi I., Ohmori Y. High performance direct torque control of an induction machine. IEEE Trans. Ind. Appl. Vol. 25. No 2, 1989. P. 257 264.

57. Schuster H. Measuring torque directly on the drive train /Schuster H.-2005; http://www.hbm.com/ custserv/ SEURLF/ ASP/ SFS/ MM A3 6,32/ SFE/ hotlinearticles.html.