Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

ELECTRO-PNEUMATIC VIBRATION PROTECTION DEVICE

Demin A.V. 1 Khamitov R.N. 1
1 Federal State Educational Institution of Higher Professional Education «Omsk state technical university»
1075 KB
This article is associated with researching of damping device, the effect of electromagnetic stiffness compensator on free oscillations of the cargo weighing 1,500 kilograms. A mathematical model was developed and a simulation of device in the free vibration mode was produced in the software package Matlab Simulink. Calculation of force developed by a solenoid, carried out with the help of a software package Quickfield Professional. The article compares the model of the compensator in the form of a linear generator efforts and the solenoid model and evaluated the impact of the difference in the oscillation of the load. It was found that when using a solenoid, a force of 150 N developing only during the curfew time of free oscillations is reduced by 23 %. The use of such devices in transport systems will increase the smoothness and speed of movement of vehicles.
a simulation model
rubber-shell
electromagnetic stiffness compensator
Simulink
QuickField
mathematical model
1. Djakov A.S., Olejnikov A.S. Materialy mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii Progress transportnyh sredstv i system. (International scientific-technical conference «Progress vehicles and systems») Aktivnaja sistema pnevmaticheskogo podressorivanija so stupenchatym izmeneniem zhestkosti. Volgograd, 2013, pp. 48–49.
2. Vibracii v tehnike. Spravochnik v 6 tomah. Tom 2. Kolebanija nelinejnyh mehanicheskih sistem. Moscow, Mashinostroenie, 1979, 352 p.
3. Hamitov R.N., Averjanov G.S. Sistemy amortizacii krupnogabaritnyh ob`ektov s aktivnymi uprugimi i dempfirujushhimi jelementami: monografija. Omsk: OmGTU, 2010, 123 p.
4. Hamitov R.N. Sistema upravlenija i processy dvuhobemnogo pnevmoamortizatora, Vestnik Sibirskogo gosudarstvennogo ajerokosmicheskogo universiteta im. akademika M.F. Reshetneva. 2010. no. 1. pp. 105–109.
5. Jelektropnevmaticheskij amortizator: pat. 2481506 Ros. Federacija: MPK F16F9/04, F16F6/00/ R.N. Hamitov, G.S. Averjanov, V.N. Belkov, A.A. Perchun; Federalnoe gosudarstvennoe bjudzhetnoe obrazovatelnoe uchrezhdenie vysshego professionalnogo obrazovanija «Omskij gosudarstvennyj tehnicheskij universitet» – no. 2011145781/11; zajavl. 10.11.2011; opubl. 10.05.2013.

Пассивные системы виброзащиты (подрессоривания) с постоянными характеристиками транспортных средств являются наиболее распространенными в настоящее время. Потенциальные возможности подобных систем виброзащиты в удовлетворении требований к плавности хода транспортных средств ограничены. В связи с этим пассивные системы сдерживают повышение виброзащиты водителя, комфортности пассажиров, сохранности перевозимых грузов, виброзащиты собственных агрегатов и узлов транспортного средства и препятствуют росту эксплуатационных скоростей его движения. В связи с этим создание управляемых систем виброзащиты с целью повышения плавности хода транспортных средств является актуальной проблемой, одним из путей ее решения является построение электромеханических виброзащитных систем [4].

Целью данных исследований является рассмотрение возможностей повышения демпфирующих свойств системы пассивной виброзащиты за счет дополнения ее управляемым электромагнитным элементом.

В качестве амортизирующих конструкций в виброзащитных системах различных объектов могут быть использованы: пружинные, гидравлические, пневмогидравлические, пневматические, инерционные, резиновые, пластические амортизаторы. Опыт эксплуатации виброзащитных систем крупногабаритных объектов показал, что весьма перспективными являются пневматические упругие элементы на основе резинокордной оболочки (РКО).

В таких устройствах отсутствует металлический контакт между подрессоренными и неподрессоренными частями амортизируемого объекта (АО), и передача вибрационных нагрузок осуществляется через резинокордную стенку и сжатый рабочий газ [2]. Подобный амортизирующий элемент имеет множество достоинств, таких как высокая грузоподъемность, низкая цена, повышенная плавность хода автотранспортных систем на основе этого элемента. Для улучшения характеристик гашения колебаний в данный пневматический элемент предлагается внести управляемый электромагнитный компенсатор жесткости соленоидного типа, аналогично техническому решению по патенту № 2481506 [5]. В устройстве используется РКО Н-48.

Для исследования виброзащитной системы рассмотрены свободные колебания в одностепенной системе. Свободные колебания АО и давление рабочего газа пневмоамортизатора (ПА) с электромагнитным компенсатором описываются следующей математической моделью [1]:

demin01.wmf (1)

где Р – текущее давление рабочего газа (воздуха) в резинокордной оболочке; P0 – давление в резинокордной оболочке ПА при статическом положении; z0 – высота подъема АО; V0 – рабочий объем ПА при статическом положении АО; M, g – масса амортизированного объекта и ускорение силы тяжести; k – показатель адиабаты; Sэ – эффективная площадь ПА; z, demin02.wmf demin03.wmf – относительные перемещения, скорость и ускорение АО; Rå – сила трения в РКО; Fэм – электромагнитная сила, развиваемая компенсатором.

В случае пассивной виброзащитной системы Fэм = 0 Н.

demin04.wmf (2)

При составлении уравнений приняты следующие допущения.

1. Рабочий газ в ПА подчиняется законам идеальных газов.

2. Температура окружающей среды постоянна и равна Тс.

3. Рабочий процесс в ПА считается адиабатическим.

4. Движение АО происходит только в вертикальном направлении.

5. Эффективная площадь (Sэ) ПА при движении АО не меняется.

6. Утечки газа из ПА отсутствуют.

7. R∑ = 0,01 Mg (для случая примененной резинокордной оболочки Н-48, определено экспериментально).

В процессе исследования была создана модель пневмоамортизатора в программном комплексе Matlab-Simulink (рис. 1). Начальные условия для системы: при t = 0, z = z0 = 0,1 м, demin05.wmf. В модель введен импульсный электромагнитный генератор силы в качестве компенсатора жесткости, который создает расчетное противодействующее усилие упругой силе пневмоамортизатора.

pic_8.tif

Рис. 1. Имитационная модель пневматического амортизатора (1) с устройством демпфирования колебаний (модель компенсатора жесткости в виде генератора линейного усилия) (2)

Модель позволит определить параметры технического задания для проектирования электромагнитного компенсатора жесткости пневматического упругого элемента виброзащитной системы, ориентированной на нагрузки порядка 1 тонны и выше. Данный тип компенсатора обладает следующими преимуществами: управляемость, изменяемые параметры усилия, адаптивные характеристики в зависимости от профиля дороги, высокая эксплуатационная надежность, необслуживаемость и др.

Было проведено исследование влияния значения электромагнитной силы компенсатора жесткости на время переходного процесса при гашении колебаний (рис. 2). Введение в состав виброзащитного устройства компенсатора жесткости позволило сократить время свободных колебаний с 12 до 8,4 с при использовании компенсатора только на ходе отбоя. В ходе исследования было установлено, что оптимальным является усилие в 400 Н, так как на дальнейшее уменьшение времени переходного процесса требует приложения больших сил и больших энергозатрат (рис. 2).

pic_9.tif

Рис. 2. Зависимость времени переходного процесса от амплитуды электромагнитной силы компенсатора жесткости

Исходя от габаритных размеров пневмобаллона и необходимого усилия, были рассчитаны параметры соленоида и его режима работы: сечение провода – 3 мм2, амплитуда тока при повторно-кратковременном режиме работы – 20 А, количество витков – 330, количество слоев – 10, внешний шихтованный магнитопровод из электротехнической стали 3411(Э310).

В ходе исследований в комплексе программ «ELCUT 5.6 Профессиональный» оценивалось влияние различных материалов сердечника на силу втягивания сердечника. Так, при полностью втянутом сердечнике сила, рассчитанная программным комплексом ELCUT, составляет 0,023 Н, что подтверждается теорией и может быть принято за погрешность. Параметры задачи в ELCUT: тип задачи – магнитостатика, модель осесимметричная, число ампер-витков обмотки – 6600, относительная магнитная проницаемость (μ/μ0) обмотки – 1, μ/μ0 электротехнической стали – 4000, модель окружена воздухом, граничные условия – магнитный потенциал, равный нулю. При расчетах принималось, что сердечник выдвинут из катушки на 10 мм.

В ходе расчетов было определено, что сила, развиваемая соленоидом при заданных габаритах и стальном сердечнике, имеет значение ~150 Н.

Математическая модель соленоида описывает процессы в электрической подсистеме на основе уравнения, составленного по второму закону Киргоффа:

demin06.wmf

Ψ = L(x)∙i;

demin07.wmf

demin08.wmf (3)

где u – номинальное напряжение питания соленоида; R – сопротивление катушки соленоида; L(x) – индуктивность катушки соленоида; i – ток в катушке соленоида; x – координата перемещения сердечника соленоида; Ψ – потокосцепление катушки соленоида.

На основе магнитного сопротивления магнитной цепи соленоида определим его индуктивность в виде зависимости от координаты перемещения сердечника соленоида:

demin09.wmf

demin10.wmf (4)

где Rm – магнитное сопротивление системы; μ0 – магнитная проницаемость вакуума; N – число витков катушки соленоида; L – индуктивность соленоида; a – толщина магнитопровода; d – ширина воздушного зазора в магнитопроводе; g – величина воздушного зазора между сердечником и катушкой.

Электромагнитная сила определяется в предположении линейной магнитной системы и постоянства тока при изменении координаты перемещения сердечника соленоида:

demin11.wmf

demin12.wmf (5)

где W – энергия магнитного поля соленоида.

Модель соленоида, реализованная в программном комплексе Matlab-Simulink, включена в модель виброзащитного устройства (рис. 4). В ходе исследований использовался неуправляемый импульсный источник питания соленоида с частотой, соответствующей частоте собственных колебаний виброзащитного устройства с амортизируемым объектом, – 1,25 Гц, период – 0,8 с, длительность импульса – 35 % периода, амплитуда импульсов питания – 12 В.

В ходе исследования имитационных моделей построены временные графики колебаний, тока в обмотке, напряжения и давления в пневматической подушке (рис. 3). Из анализа графиков видна разница между имитационными моделями, при переходе от идеального генератора линейного усилия к имитационной модели соленоида (рис. 4), время гашения колебаний увеличивается незначительно (на величину порядка 10 %).

Результаты моделирования работы электромагнитного компенсатора жесткости в составе пневматического виброзащитного устройства: максимальная сила, развиваемая соленоидом со стальным сердечником ~ 150 Н, максимальный ток в обмотке соленоида ~20 A, среднее значение тока ~ 7,57 A, исходя из среднего значения тока возможно уменьшение сечения провода катушки до 2 мм2, время затухания колебаний – 8,41 с.

pic_10.tif

Рис. 3. Графики перемещения, тока в обмотке, напряжения питания и давления в пневматическом амортизаторе соответственно

pic_11.wmf

Рис. 4. Сравнение свободных колебаний (штрих-пунктирная линия), виброзащитного устройства с генератором линейного усилия (сплошная линия), модели соленоида (штриховая линия) при усилии в 150 Н

pic_12.wmf

Рис. 5. Имитационная модель электропневматического устройства (1) с электромагнитным компенсатором жесткости (2)

В транспортных средствах, очевидно, необходимо сделать привязку управляющих сигналов соленоида к одному из регулируемых параметров виброзащитной системы, в качестве которых возможно выбирать, например, вертикальную координату колебаний амортизируемого объекта [3], давление рабочего тела в пневмобаллоне [1] и др.

Таким образом, введение в состав виброзащитного устройства компенсатора жесткости позволяет сократить время свободных колебаний до 25–40 % при использовании компенсатора только на ходе отбоя. Внедрение подобных систем требует дополнительных исследований возможностей различных конструкций компенсаторов, их оптимизации, алгоритмов их работы в различных дорожных условиях, возможностей системы энергообеспечения транспортного средства.

Рецензенты:

Харламов В.В., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Электрические машины и общая электротехника», Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск;

Федоров В.К., д.т.н., профессор, кафедра технического сервиса, механики и электротехники, Омский государственный аграрный университет имени П.А. Столыпина, г. Омск.