Мехатронные подшипниковые узлы

Потенциально возможно создание мехатронных опор роторов с активным управлением на базе подшипников с различными видами трения. Весьма перспективным представляется создание комбинированных подшипниковых узлов с интеллектуальными возможностями. Можно также выделить следующие виды мехатронных опор роторов:

1. Активный магнитный подшипник (АМП) - это управляемое мехатронное устройство, в котором стабилизация положения ротора осуществляется силами магнитного притяжения, действующими на ротор со стороны электромагнитов (рис. 14.1), ток в которых регулируется системой автоматического управления по сигналам датчиков перемещений ротора. Активные магнитные подшипники имеют практически неограниченную предельную быстроходность, высокий уровень демпфирования и КПД. В настоящее время для АМП идет создание международного стандарта, для чего был создан специальный комитет ISO TC108/SC2/WG7.

Рисунок 14.1 – Радиальный и осевой активный магнитный подшипники

АМП представляет собой сложную электромеханическую систему (рис. 14.2), состоящую из двух частей: непосредственно самой опоры и электронной системы управления. В состав опоры входят закрепленные на статоре электромагниты, датчики положения и ротор, удерживаемый в магнитном поле, механический контакт между ротором и статором отсутствует.

Рисунок 14.2 ­­– Принципиальная схема работы АМП

Принцип работы такой опоры заключается в следующем: отклонение ротора от положения равновесия фиксируется датчиками положения (чаще для этих целей используются индуктивные датчики, сигнал с датчиков поступает в электронную систему управления, где происходит его обработка регулятором, а затем усилитель, питаемый от внешнего источника энергии, преобразует сигнал в ток, подаваемый на обмотку электромагнита, что вызывает изменение магнитной силы на необходимую величину. Активные магнитные подшипники обладают рядом преимуществ (рис. 14.3).

	1.1.1Преимущества АМП
1.1.2Отсутствие механического контакта	1.1.3	1.1.4Наличие электронной 1.1.5системы управления
Отсутствие изнашивания		Возможность контроля над положением ротора
Отсутствие смазки
Высокие скорости вращения		Регулируемость жесткости и демпфирования подвеса
Низкое энергопотребление	Возможность использования сигналов датчиков для контроля параметров рабочего процесса
Возможность работы в экстремальных условиях
Большой рабочий зазор

Рисунок 14.3 – Преимущества активных магнитных подшипников

Достоинства активных магнитных подшипников базируются на двух особенностях: отсутствие механического контакта между ротором и статором, наличие электронной системы управления. Благодаря высокой надежности современных электронных систем и упрощению конструкции непосредственно самой опоры (отсутствие системы подготовки и подачи смазки) повышается надежность всей машины.

Конструкции АМП весьма многообразны (рис. 14.4), например типовая конструкция радиального активного магнитного подшипника состоит из ротора, с ферромагнитной вставкой на цапфе, и статора, который выполнен, как сборный пакет шихтованной стали с обмотками возбуждения. Также на статоре возможно закрепление датчиков, контролирующих положение ротора.

Следует заметить, что в отличие от опор качения, АМП не могут быть строго классифицированы – для каждой новой конструкции зачастую приходится проводить отдельный расчет и изготавливать специальный подшипник.

Рисунок 14.4 – обобщенная схема конструкций с АМП

Для полного бесконтактного подвеса ротора используется как минимум комбинация из двух радиальных и одного осевого АМП (рисунок 14.5). Так как вращательное движение (угол φ_Z вокруг продольной оси) ротора является его рабочим, полный подвес ротора ограничивает его перемещение и воспринимает нагрузки в пяти направлениях (X1, X2, Y1, Y2, Z).

Рисунок 14.5 – Схема подвеса ротора в АМП

2. Адаптивный гидростатодинамический подшипник (ГСДП) (рис. 14.6), работоспособность которого обеспечивается за счет совместного действия давления подачи смазочного материала в питающие камеры и формирования гидродинамического клина из-за наличия клинового зазора и высокой скорости вращения ротора. Причем давление подачи смазочного материала регулируется автоматизированной системой управления, в зависимости от величины конфузорно-диффузионного зазора, положения и скорости вращения ротора. Смазочный слой ГСДП обладает упругими и демпфирующими качествами и обеспечивает требуемую несущую способность в течение длительного промежутка времени в широком диапазоне нагрузок и скоростей вращения ротора. Подшипники жидкостного трения, которые имеют практически не ограниченную предельную быстроходность, высокие динамические свойства, несущую способность и ресурс активно применяются в качестве опор роторов компрессоров, детандеров и других агрегатов.

Опора создает силы, которые способствуют удержанию ротора в положении, при котором достигается наиболее эффективный режим работы машины и подавление внешних возмущающих воздействий. В АМП воздействие на ротор осуществляется с помощью электромагнитного поля, в подшипниках скольжения – с помощью смазочного слоя, который не дает соприкасаться ротору с опорой. Состояние подшипника постоянно отслеживается специальными сенсорами, информация с которых собирается блоком сбора данных и в преобразованном виде передается компьютерную систему управления подшипником, в которой, с помощью вложенной математической модели, производится анализ состояния подшипника, расчет дальнейшего поведения ротора и необходимой реакции со стороны опоры для предотвращения нежелательных эффектов. Полученные расчетные данные позволяют схеме управления сформировать управляющие сигналы, с помощью которых блок коррекции изменяет требуемым образом силы воздействия опоры на ротор подшипника. Устойчивость, также как и необходимые жесткость и демпфирование, достигаются соответствующим выбором закона управления.

Рисунок 14.6 – Схема функционирования активных радиального и осевого ГСДП

Развитие микропроцессорной техники позволяет объединить в один комплекс измерительные приборы, контроль технологических параметров и управление физической и аппаратной частями. Блок аналогового ввода выполняет функции преобразования в цифровой код выходных сигналов датчиков - аналоговых параметров объекта контроля и управления. В подшипнике жидкостного трения изменение выходного сигнала зависит от величины зазора между втулкой подшипника и шейкой ротора. Для контроля положения вала используется, как правило, два датчика, расположенные на подшипнике перпендикулярно друг другу.

Блок сопряжения с исполнительными устройствами предназначен для преобразования цифровых кодов управления, поступающих от микроконтроллера системы в управляющие сигналы исполнительных устройств, в данном случае сервомеханизмов, регулирующих давление в питающих камерах ГСДП. Блок управления выполняет функции сбора данных, управления на основе результатов анализа входных данных, обменом данными между ЭВМ и микропроцессорной системой. Блок управления и сопряжения выполняется на базе микроконтроллера. Это позволяет задействовать для управления исполнительными устройствами различные программные алгоритмы прогнозирования отклонения ротора в подшипнике. учитывать циклические колебания, уменьшать амплитуду конической прецессии вала.

В настоящее время в развитых странах мира активно проводятся поисковые исследования в области создания роторных машин с интеллектуальными мехатронными опорами. Прежде всего это касается высокоскоростных турбоагрегатов транспортных и технологических машин.

Если активные магнитные подшипники уже широко применяются в различных видах роторных машин, то интеллектуальные опоры на базе подшипников качения и скольжения только начинают исследоваться. Причем это касается всех направлений, включая сенсорные устройства, механизмы корректировки параметров, математические модели управления движением роторов в условиях сложного нагружения, возникновения нерасчетных режимов работы машины, в том числе параметрических, хаотических и самовозбуждающихся колебаний. В Госуниверситете-УНПК на кафедре «Мехатроника и международный инжиниринг» проводятся комплексные теоретические и экспериментальные исследования мехатронных подшипниковых узлов с активными магнитными, газодинамическими, гидростатодинамическими и комбинированными подшипниками.

Вопросы расчета и проектирования.

Безудержный рост потребностей общества, начавшийся в 20 веке, стимулировал поиск все новых и новых технических решений. Все ярче начали проявляться ограниченность материальных и временных ресурсов, опасность экологических последствий. Современному уровню развития техники стали присущи не только сложность проектируемых объектов, но и их интенсивное воздействие на общество и окружающую среду, тяжкость последствий аварий из-за ошибок разработки и эксплуатации, высокие требования к качеству и цене, сокращению сроков выпуска новой продукции. При создании подобных объектов их уже необходимо рассматривать в виде систем [т], т.е. комплекса взаимосвязанных внутренних элементов с определенной структурой, широким набором свойств и разнообразными внутренними и внешними связями.

В то же время, как показывает опыт преуспевающих фирм и предприятий, высокая эффективность результатов разработок достигается лишь на основе совместного практического использования знаний фундаментальных, технических и социально-экономических наук, подчинение всей деятельности удовлетворению интересов прежде всего человека (покупателя, производителя, разработчика). Все более доступным, а потому и все более целесообразным, становится применение вычислительной техники, позволяющей автоматизировать проектирование и изготовление и, одновременно, расширить творческие способности человека.

Жизненная необходимость учета этих обстоятельств, а также необходимость рассмотрения технических объектов в виде систем, постепенно заставляла вносить изменения в традиционный характер проектной деятельности. Со временем сформировалась новая проектная идеология, получившая название системного проектирования.

Системное проектирование комплексно решает поставленные задачи, принимает во внимание взаимодействие и взаимосвязь отдельных объектов-систем и их частей как между собой, так и с внешней средой, учитывает социально-экономические и экологические последствия их функционирования.

Проектирование связано не только с техническими объектами, например, имеется социальное проектирование. А потому существует много определений этого слова. Но чаще всего под словом “проектирование” подразумевают практическую деятельность, направленную на удовлетворение потребностей людей. Конечным итогом проектной деятельности является проект, т.е. комплект документации, предназначенной для создания, эксплуатации, ремонта и ликвидации (технического) объекта, а также для проверки или воспроизведения промежуточных и конечных технических решений, на основе которых было разработан данный объект.

Внутри процесса проектирования, наряду с расчетными этапами и экспериментальными исследованиями, часто выделяют процесс конструирования. Конструирование – деятельность по созданию материального образа разрабатываемого объекта, ему свойственна работа с физическими моделями и их графическими изображениями. Эти модели и изображения, а также и реальные механические объекты называют конструкциями.

Сегодня традиционное проектирование по содержанию само становится уже системным. И в дальнейшем словосочетание “системное проектирование” будет использоваться только в случаях, если потребуется подчеркнуть важность системности разработки.

Системное проектирование, как осознанная деятельность, обладает определенной структурой, активно использует разнообразные методы и оперирует различными видами представлений объектов (рис. 15.1).

Рисунок 15.1– Составные части системного проектирования

В системном проектировании, как и в других дисциплинах, можно выделить инвариантную часть, общую для любого творческого процесса и независящую от вида объекта разработки, и предметно-ориентированную, учитывающую и использующую особенности того или иного объекта. В данном пособии обе части излагаются совместно, применительно к машинам, но, изменив вид рассматриваемого объекта, этот подход распространим и на более широкую область технических систем и может представлять интерес для студентов разных технических специальностей и всех тех, кто интересуется вопросами творчества.

Стадии проектирования регламентированы ГОСТ 2.103 и обязательны при официальных взаимоотношениях между заказчиком и исполнителем или между соисполнителями работ.

Данная структура определяет содержание и последовательность формирования комплекта проектной документации в процессе разработки технической системы. Эта документация необходима для отчета перед заказчиком о проделанной работе, возможности проверки или повторения разработок другими исполнителями, подготовки производства и обслуживания в период эксплуатации. Основные стадии (этапы) структуры представлены на рисунке 15.2.

Техническое задание устанавливает основное назначение, технические и тактико-технические характеристики, показатели качества и технико-экономические требования к разрабатываемой технической системе, предписание по выполнению необходимых стадий создания документации и ее состав, а также специальные требования к изделию.

Техническое предложение – совокупность документов, содержащих техническое и технико-экономическое обоснование целесообразности разработки проекта. Такое заключение дается на основании анализа технического задания заказчика и различных вариантов возможных решений, их сравнительной оценки с учетом особенностей разрабатываемого и существующих изделий, а также патентных материалов.

Согласованное и утвержденное в установленном (на предприятии, в министерстве и т.п.) порядке является основанием для разработки эскизного проекта.

Эскизный проект – совокупность документов, содержащих принципиальные решения и дающих общее представление об устройстве и принципе работы разрабатываемой технической системы, а также данные, определяющие ее назначение, основные параметры и габаритные размеры. В случае большой сложности системы этому этапу может предшествовать аван-проект (предпроектное исследование), обычно содержащий теоретические исследования, предназначенные для обоснования принципиальной возможности и целесообразности создания данной системы.

При необходимости на стадии ЭП проводят изготовление и испытание макетов разрабатываемой системы.

Рисунок 15.2 – Стадии разработки проектной документации

Технический проект (ТП) – совокупность документов, которые должны содержать окончательные технические решения, дающие полное представление об устройстве проектируемой системы, исходные данные для разработки рабочей документации.

На стадии рабочего проекта сначала разрабатывают подробную документацию для изготовления опытного образца и последующего его испытания. Испытания проводят в ряд этапов (от заводских до приемо-сдаточных), по результатам которых корректируют проектные документы. Далее разрабатывают рабочую документацию для изготовления установочной серии, ее испытания, оснащения производственного процесса основных составных частей изделия. По результатам этого этапа снова корректируют проектные документы и разрабатывают рабочую документацию для изготовления и испытания головной (контрольной) серии. На основе документов окончательно отработанных и проверенных в производстве изделий, изготовленных по зафиксированному и полностью оснащенному технологическому процессу, затем разрабатывается завершающая рабочая документация установившегося производства.

В процессе разработки проектной документации в зависимости от сложности решаемой задачи допускается объединять между собой ряд этапов. Этапы постановки ТЗ и технического проектирования могут входить в цикл научно-исследовательских работ (НИР), а этапы технического предложения и эскизного проектирования – образовывать цикл опытно-конструкторских работ (ОКР).

Завершает структуру этап, подводящий итог проектной деятельности – сертификация. Его назначение – определение уровня качества созданного изделия и подтверждение его соответствия требованиям тех стран, где предполагается его последующая реализация. Необходимость выделения этого этапа в виде самостоятельного вызвана тем, что в настоящее время экспорт продукции или ее реализация внутри страны во многих случаях недопустимы без наличия у нее сертификата качества.

Выделяют два вида расчета:

1. проектный – задаются материал, силовые факторы, 1-й критерий работоспособности, определяются геометрические размеры машины;

2. проверочный – уточняется работоспособность (неточности расчётов компенсируются коэффициентом запаса).

Работоспособность – это состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданную функцию с параметрами, установленными требованиями технической документации, в течение расчётного срока службы. Отказ – это нарушение работоспособности. Свойство элемента или системы непрерывно сохранять работоспособность при определённых условиях эксплуатации (до первого отказа) называется безотказностью.

Используются следующие критерии работоспособности и расчета:

1. Про́чность (в физике и материаловедении) – свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, возникающих от внешних заданных (назначенных) нагрузок.

В настоящее время при расчёте на прочность используют как расчёт по допускаемым напряжениям, так и расчёт по допускаемому числу циклов нагружения. Основные уравнения расчёта по допускаемым напряжениям:

(15.1)

где σ и τ — наибольшие расчётные нормальное и касательное напряжения, соответственно; [σ] и [τ] – допускаемые нормальное и касательное напряжения, безопасные для прочности детали.

2. Жёсткость – способность тела или конструкции сопротивляться образованию деформации.

В случаях малых одномерных деформаций (в пределах зоны упругости, где справедлив закон Гука) жёсткость можно определить как произведение модуля упругости Е (при растяжении, сжатии и изгибе) или G (при сдвиге и кручении) на соответствующую геометрическую характеристику сечения элемента, например, площадь поперечного сечения или осевой момент инерции. Понятие жёсткости широко используется при решении задач сопротивления материалов.

3. Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определённых условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания. Износостойкость зависит от состава и структуры обрабатываемого материала, исходной твёрдости, шероховатости и технологии обработки детали, состояния ответной детали.

4. Виброустойчивость – способность изделия выполнять свои функции и сохранять свои параметры в пределах значений, предъявляемых к этому изделию, в условиях воздействия вибрации в заданных режимах.

Виброустойчивость является одним из видов стойкости изделий к воздействию механических внешних воздействующих факторов.

5. Теплостойкость – способность веществ сохранять жесткость при повышении температуры. Потеря жёсткости вызывается плавлением кристаллических структур, или переходом аморфных тел в высокоэластичное состояние.

Чаще всего понятие теплостойкости используется по отношению к полимерам.