Электромеханическое демпфирование в системах амортизации крупногабаритных объектов

Виброударозащитные устройства (ВЗУ) крупногабаритных объектов содержат амортизаторы различных видов и гидродемпферы [1]. Амортизатор обычно является пневмоамортизатором (ПА) с наличием воздушного демпфирования или без него. Для устранения виброудароп- роводимости и других недостатков гидродемпфера в динамических режимах работы ВЗУ предлагается вместо них применять электромеханический демпфер на базе асинхронной машины (АМ). ВЗУ является комбинированным и содержит ПА, обеспечивающий статическую нагрузку (несущую способность) ВЗУ, и электромагнитный демпфер на базе АМ, работающий только в динамических режимах работы ВЗУ. ВЗУ представляет собой электротехнический комплекс, предназначенный для преобразования механической энергии колебаний амортизируемого объекта (АО) в тепловую энергию, рассеиваемую в роторной цепи АМ, или в электрическую энергию, отдаваемую с помощью обратимых преобразовате-лейв сеть (источник питания) АМ. Для проектирования оптимальных ВЗУ, выбора параметров компенсаторной силы АМ и режима торможения АМ необходимо разработать динамическую модель пневмоэлектромеханичес-кой системы «ПА – демпфер на базе АМ».

Пример запатентованной конструкции ВЗУ приведен на рис. 1. Блок управления ВЗУ обеспечиваетработу демпфера только в режиме отбоя ПА (одностороннее демпфирование) на основе сигнала преобразователя перемещений. В качестве АМ используется трехфазный асинхронный электродвигатель (АД), работающий на ходе отбоя ПАв режиме торможения противовключением и создающий компенсационную электромагнитную силу [2].

Моделирование пневмоэлектромеханической системы в динамике построим на базе совместного рассмотрения процессов в пневматической, механической и электрической подсистемах, образующих комплекс ВЗУ в целом, на основе расчетной схемы и с учетом известных допущений. Если рассматриваемая одностепенная система (рис. 1, б ) выведена из положения равновесия, то она совершаетсвободные колебания. При этом на систему действуют: сила инерции M ■ Z "; сила тяжести Mg ; сила давления воздуха в объемах ПА (упругая сила); сила трения в резинокордной оболочке (РКО) R ^; компенсаторная сила электромагнитного демпфера АF _э.

В общем виде система дифференциальных уравнений движения АО для свободных колебаний запишется в следующем виде:

f dP     k ■ P ■ S₃ ■ z

• — =--э—,

dt     V + S э ■ z

• • dz

z=    , dt

•

M■ z + (P-P0)■ Sэ + RE ■ signz + АРэ ■ signz = 0, где z , z& , &z& – вертикальные перемещения, скорость и ускорение АО; Р – текущее давление сжатого газа упругого элемента ПА; А – режимный коэффициентэлектро-магнитного демпфера; V0 – начальный объем ПА при статическом положении АО; k – коэффициентадиабаты (для воздуха k = 1,4); М – масса АО; Sэ – эффективная площадь упругого элемента ПА; Ро – давление сжатого воздуха упругого элемента ПА в статическом положении АО; R^- сила трения в РКО.

Сила инерции M ■ z АО создает на валу АМ момент сопротивления М _с:

мс = M ■ z- R Б,(2)

где R _Б – плечо приложения силы к валу АМ (радиусбарабана).

Компенсаторная сила электромагнитного демпфера Fэ зависитот значения режимного коэффициента А и элек- тромагнитного момента Мэ, создаваемого АД (Fэ = Mэ/R Б):

A -J* при z > 0(3)

[ 0 при z <  0.

В качестве модели электрической подсистемы рассматривалась модель трехфазной обобщенной асинхронной машины [3].

б

Рис. 1. Комбинированное виброзащитное устройство: а – конструкция: 1 – подвижная часть (обойма);

2 – неподвижная часть; 3 – РКО; 4 – пневматический упругий элемент; 5 –АМ; 6 – барабан с тросом; 7 – трос;

8 – устройство натяга троса; 9 – блок управления;

б – расчетная схема динамики

Моделирование процессов в ВЗУ проводилось с помощью программы Мatlab с расширением Simulink. Схема набора приведена на рис. 2.

Результаты решения системы уравнений для одностороннего демпфирования при свободных колебаниях приведены на рис. 3–5 при следующих параметрах ПА и АМ и исходных (начальных) данных:

• 1.    ПараметрыПАсРКОИ-10: М =1 500кг; P _стат=0,396 ·10⁶Па; K = 1,41; S _э=0,03м²; R _Б=0,05м; g =9,81м/с²; R _£ = 0,01 Mg ; P 0 =0,203 5 • 10 6 Па; V 0 = 0,005 м³; Z 0 = 0,1м; ( dz / dt )₀ =0м/с².

• 2.    Параметры АМ: выбранная модель АД из библиотечных моделей – 10НР460V60Hz1760RPM, система координат – вращающаяся, связана с ротором (оси d и q ); Р _н=7,46кВт; R_s =0,6837Ом; L _{1 s} =0,004152Гн; R’_r =0,451 Ом; L’ _{1 r} =0,004152Гн; L_m =0,1486Гн; J =0,05кг·м²; р =2.

• 3.    Питающее симметричное трехфазное напряжение АД: U _л=380В; f =50Гц.

При расчете модели был выбран неявный метод интегрирования Рунге–Кутта в начале решения и метод, использующий формулы обратного дифференцирования 2-го порядка, в последующем – ode23tb с автоматичес- ким выбором параметров метода. Время переходного процесса tпп определялось по «вхождению» кривой свободных колебаний АО в коридор ±0,01 м.

Таким образом, на базе данной модели возможно оптимизировать режим колебаний управляемых ВЗУ АО, время переходного процесса при применении в качестве

Рис. 2. Имитационная модель ВЗУ

Рис. 3. Свободные колебания АО при отключенном электромеханическом демпфере Z ( t ) ( t _пп =10,8c)

Рис. 4. Свободные колебания АО при включенном одноходовом электромеханическом демпфере Z ( t ) V ( t ) P ( t ) ( t =65c)

Рис. 5. Осциллограммы основных величин одноходового электромеханического демпфера i _rot ( t ), i_st ( t ), w ( t ), M _э( t ) ( t _пп =6,5c)

Р ,кВТ

Рис. 6. Зависимость времени переходного процесса отмощности АД

демпфера АМ сократилось практически в два раза, т. е. АМ эффективно использовать в качестве демпфера в конструкциях «длинноходовых» ВЗУ.

При использовании в качестве демпферов АД серии RA производства Ярославского электромеханического завода, различных по мощности, при питании непосредственно от сети расчеты по данной модели показали результаты, приведенные в таблице и на рис. 6. Параметры схемы замещения АД определялись по методике, приведенной в [4]. При питании непосредственно от сети данного ВЗУ видно, что время переходного процесса снижается при росте мощности АД до значения 4 кВт, что является оптимальным значением для данного ВЗУ.

Предлагаемое направление по использованию ЭТК в ударовиброзащите может быть рекомендовано для более детального исследования и внедрения в системах амортизации крупногабаритных объектов. Достоинством использования АД в ВЗУ является их широкая номенклатура по типам, по мощности, по конструктивным исполнениям и т. д. [5; 6], что отвечает разнообразным условиям эксплуатации систем амортизации крупногабаритных объектов, а также дает возможность регулирования их характеристик за счет частотного управления.