Технический уровень и состояние промышленного развития экономически развитых стран в значительной степени определяются использованием в производстве, а также в различных сферах человеческой деятельности разнообразных автоматических систем, устройств и приборов. Одним из основных элементов подобных технических систем как общепромышленного, так и специального назначения [1,2,6,10,1316,20] является асинхронный двигатель (АД), предназначенный для преобразования электрической энергии в механическое вращение. Качество и конкурентная способность АД решающим образом определяют качество и конкурентную способность включающих их в качестве элементов электроприводов, автоматических устройств и приборов.
К числу необходимых и важных показателей качества АД относятся показатели их виброакустичекой активности, требования к которым до недавнего времени формулировались в совокупности специальных требований и ограничений, предъявляемых к АД при их создании.
В то же время исследованиями российских и зарубежных специалистов [24,25,140] установлено, что повышенные уровни шума и вибрации электрооборудования (и электрических машин (ЭМ), в частности), помимо утомления, производственного и бытового травматизма, профессиональной заболеваемости, приводят к нарушениям в динамике нервной регуляции организма, практическим следствием которых является рост общей заболеваемости обслуживающего персонала, операторов и пользователей подобных преобразователей и оборудования. Выявлено воздействие низкочастотной вибрации на психофизиологическое состояние человеческого организма.
24,25,127,140], а также адаптацию к внешним условиям его функциональных и молекулярных структур [140].
С другой стороны, виброакустическая активность (шум и виброизлучение) ЭМ, обусловленная виброакустическими процессами, протекающими в пределах пространственных объемов, занимаемых самой машиной, приводит к накоплению повреждений в материалах, к постепенному ослаблению неподвижных соединений, к износу поверхностных слоев сопрягаемых деталей, к нарушениям контактных соединений и к замыканиям проводников [28,46]. Влияние внутренних виброакустических процессов в ЭМ сказывается на нарушениях в работе и повреждении устройств и приборов, размещаемых в окружающем машину пространстве или устанавливаемых на корпусных и прилегающих конструкциях [28,30]- по цепочкам обратных связей возмущения, связанные с виброакустическими процессами внутри ЭМ, могут передаваться в другие элементы систем, построенных на базе ЭМ, и существенным образом сказываться на функционировании и показателях качества указанных систем [22,30,46]. Наконец, информация, извлекаемая из анализа виброакустических процессов в ЭМ, часто оказывается достаточно существенной для составления представления о функциональном состоянии различных элементов системы, включающей ЭМ в качестве элемента, и потому может служить в качестве средства для диагностирования состояний и разработки устройств защиты систем управления [31−35].
В силу сказанного, виброактивность, определяемая в работах [36−39] как способность машины вызывать вибрацию как внутри её конструкции, так и в присоединенных связях, а также в окружающей среде, в значительной степени определяет качество функционирования ЭМ при заранее заданных и определённых условиях, существенно влияет на характеристики надёжности и ресурса ЭМ и систем, включающих их в качестве элементов, предопределяет мероприятия по охране среды обитания и труда обслуживающего персонала, а совокупность показателей ее проявления является неотъемлемой характеристикой технического уровня и качества ЭМ. Поэтому, а также в связи с ужесточением требований, нормативов и стандартов по экологическим и медицинским показаниям, в связи с необходимостью повышения надёжности функционирования аппаратуры и устройств, включающих в свой состав ЭМ, учет и оценка виброактивности ЭМ становятся обязательным и необходимым требованием повышения их качества и конкурентной способности в процессе создания [29,40,46]. АД не являются исключением в отношении сказанного применительно к любым ЭМ. Поэтому для данного класса машин учёт и оценка виброакустических показателей в целях повышения их качества и конкурентной способности при использовании в составе технических систем и аппаратуры в настоящее время из разряда специальных требований переходит в разряд обязательных и необходимых [22, 46].
Осуществленные в работах [29,36−39] анализ и обобщение опыта проектирования ЭМ с пониженной виброакустической активностью дают возможность утверждать, что:
— в настоящее время разработка и создание ЭМ осуществляются по традиционным методикам с учётом традиционных технико-экономических показателейвиброакустические параметры обеспечиваются, главным образом, путём установления резервов, имеющихся в конструкции, исправления неудачных, с позиций обеспечения требуемых виброакустических показателей, технических решений [29,46,47,48];
— требования к виброакустическими характеристикам учитываются лишь на ранних стадиях проектирования серийных машин в ходе подготовки технического задания в виде разнообразных ограничений [29,49]- результаты виброакустических расчётов учитываются также при выборе окончательного конструктивного решения, а в ходе создания машин, удовлетворяющих специальным требованиям, пониженная виброактивность обеспечивается также уже после создания ЭМ при разработке средств установки её на объекте и в ходе доводки машины при испытаниях [29,46,48];
— подобный подход не даёт проектировщику гарантии того, что доводка уровней вибрации приведёт к необходимым значениями и требует значительных трудовых и материальных затрат на заключительных стадиях создания ЭМ. При обеспечении требуемых значений на стадии приёмо-сдаточных испытаний подобный подход приводит к тому, что на стадии эксплуатации ЭМ усложняется диагностика эксплуатационных отказов, отсутствует системность в прогнозировании аварийности и старения узлов ЭМ. В результате увеличиваются расходы на усложнение и специализацию диагностических комплексов, сокращается срок службы ЭМ и увеличивается их аварийность [45];
— проблема оценивания виброактивности ЭМ, создания машин, удовлетворяющих заданным требованиям по вибрации и шуму, должна рассматриваться как проблема управления внутренними и внешними проявлениями виброакустических процессов в ЭМ в том смысле, в каком ставится и обсуждается проблема управления в общей теории оптимального управления [51], а поэтому задача оценки виброактивности ЭМ, может быть сформулирована [36,38,45] как задача определения и выделения критериев виброактивности, а также построения физических моделей конструктивной среды ЭМ, позволяющих описывать выделенные критерии в функции параметров конструкции машин, параметров её эксплуатации и технологии изготовления и является центральной при решении проблемы синтеза ЭМ с заданными или оптимальными характеристиками виброактивности;
— в условиях современного проектирования ЭМ, осуществляемого на основе средств автоматизации, решение задачи оценки виброактивности носит системный характер и не может быть осуществлено без использования особого класса систем — систем автоматизированной оценки виброактивности (САОВ) ЭМ, выступающих в качестве самостоятельных подсистем САПР ЭМ, согласование с которой осуществляется в процессе синтеза САПР путём согласования функциональных связей, морфологических признаков и информационных потоков [37]- САОВ ЭМ, включая в себя в качестве элементов: а) модели процессов, определяющих виброактивностьб) программные средства воссоздания моделей в ЭВМв) средства информационной взаимосвязи моделейг) схемы, алгоритмы и средства управления оценкой на различных стадиях проектирования ЭМ, имея самостоятельные и слабо связанные с включающей её САПР функциональную, морфологическую и информационную структуры, могут и должны синтезироваться независимо на основе специальных знаний о предмете оценки, осуществляемой с их помощью [36−38].
Сказанное означает, что разработка САОВ для различных типов ЭМ и синтез подобных систем, выступающих сегодня в качестве основного инструмента при решении задачи оценивания такого качества ЭМ, как их виброактивность, является актуальной научно-технической задачей, способствующей внедрению в практику создания современного электрооборудования новых информационных технологий [37,38].
Одной из главных составляющих частей задачи оценки виброактивности, сформулированной в работах [36,38,45], является проблема выбора и определения критериев, по которым указанное свойство (качество) ЭМ подлежит оценке. Выполненные в работах [3639,41−45] на основе анализа отечественных публикаций исследования показывают, что: существуют такие инварианты адекватной реальной ЭМ физической теории виброактивности, которые зависят только от переменных состояния ЭМ и полностью определяют ее виброактивность-эти инварианты с максимальной простотой отражают влияние на вибрацию различных по физической природе источников и конструкций, а также условия их функционирования, учитывают принципиальную неопределенность и дополнительность связей в ЭМ, предельно чувствительны к изменениям в различных частях конструкции в ходе ее проектирования, т. е. могут указывать пути для этих изменений, и с ними непосредственно связаны «наблюдаемые» (измеряемые) характеристики [45];
— указанные инварианты основаны на представлениях о потоках колебательной энергии (ПКЭ), и их необходимо использовать в качестве обобщённых физически измеряемых критериев виброактивности ЭМ при решении задачи оценки;
— использование упомянутых представлений позволяет естественным образом выделять в пределах конструкций ЭМ внутренние источники, способные (в силу происходящих в них энергетических превращений) излучать колебательную энергию и формировать в пределах всей конструкции поле излучения этой энергии от упомянутых источниковв результате, задачу оценки виброактивности ЭМ следует разделить на две самостоятельные задачи — задачу оценки виброактивности самих этих внутренних источников и задачу описания и оценки состояния поля излучения колебательной энергии от них в конструктивном объёме ЭМ [36,45].
Результаты упомянутых исследований позволяют считать решённой для любого типа ЭМ, в том числе и для АД, проблему выбора критериев виброактивности и рассматривать ПКЭ как физическую основу и обобщённые критерии для разработки и синтеза САОВ АД.
Среди АД, имеющих важное значение в специальной гидроэнергетике, а также в ряде автоматических систем, особое положение занимают АД со сплошными вращающимися и неподвижными электропроводящими оболочками, находящимися в зазоре между ферромагнитными сердечниками статора и ротора.
Такие оболочки, называемые также гильзами, применяются (рис. В1) в главных и вспомогательных циркуляционных насосах атомных энергетических установок [1] и электростанций [1,2] для защиты обмоток АД от перекачиваемой и проходящей внутри АД жидкости — теплоносителя (обычно дистиллированной воды).
Гильзы-оболочки применяются также в АД погружных насосов (рис. В2), используемых в установках водоснабжения [75,90].
Сплошной электропроводящей оболочкой (СЭО) является полый ротор в асинхронных исполнительных двигателях [рис. ВЗ].
Во всех случаях вращающееся магнитное поле, создаваемое обмотками АД, индуцирует в СЭО электродвижущие силы и вихревые токи. В асинхронных исполнительных двигателях (АИД) эти токи приводят во вращение оболочку — полый ротор и являются полезными. В АД насосов вихревые токи статорных оболочек экранируют и ослабляют полезное магнитное поле, вызывают дополнительные потери и нагрев, т. е.
Рис. В1. Герметичный электронасос для циркуляции водяного пара или газа мощностью 1,3 кВт (а) и экранированный электропривод с гильзой, скреплённой статором и корпусом (б) [2] 1 — статор электродвигателя, 2 — ротор электродвигателя, 3 — экранирующие элементы (гильзы).
Рис. В2. Погружной электродвигатель типа ПЭДВ 16−140 [ 2]: I — вывод, 2 — корпус, 3 — стакан, 4 — кольцо, 5 — кольцо упорное, 6 — щит подшипниковый, 7 -вал, 8 — корпус статора, 9 — цилиндр изолирующий, 10 — обмотка статора, 11 — ротор, 12 — подшипник, 13 — втулка, 14 — щит подшипниковый, 15 — пята, 16 — подпятник, 17 — корпус подпятника, 18 — шпилька, 19 — диафрагма, 20 — гайка, 21 — днище, 22 — пробка, 23 — кольцо пружинное, 24 — шпонка, 25 — шпилька, 26 — гайка, 27 — уплотнение торцевое, 28 — полукольцо, 29 — шайба регулировочная.
10 11.
Рис. ВЗ. Двигатель с полым немагнитным ротором ДИД-0,6-ТВ [3]: / - аккумулятор масла, 2 — подшипник, 3 -втулка статора, 4 — сердечник, 5 — пакет статора, 6 — обмотка статора, 7 — корпус, 8 — полый ротор, 9 — вал, 10 — подшипник, 11 — защитный экран, 12 — трубка, 13 — гайка у А.
О" являются вредными.
В любом исполнении СЭО изменяют картину магнитного поля в немагнитном (воздушном) зазоре АД, влияют на виброакустические характеристики (ВАХ) АД и требуют использования особых методик при расчете АД с СЭО.
В литературе [82] АД с СЭО получили название экранированных АД (АЭД).
Анализ опубликованных материалов [1,2,6,7,12,13,17,21,53] показывает, что в них практически отсутствуют сведения о способах учета СЭО в расчетах ВАХ АЭД. Поэтому представляется актуальной задача разработки теории и методик, позволяющих учитывать влияние СЭО на картину магнитного поля в зазорах АЭД и рассчитывать ВАХ АЭД.
Как и в обычных АД основную роль в формировании виброактивности АЭД играют магнитные источники, связанные с переменным магнитным полем, сосредоточенным в рабочем зазоре машины [33]. Данные источники через поверхность контакта поля со статором поставляют в последний потоки колебательной энергии, которые, преобразуясь в спинке статора и в связанной с ней корпусной конструкции, приводят к вибрации корпуса машины и через взаимодействие этого конструктивного элемента с окружающим воздухом — к возникновению шума машины [33,52]. Взаимодействие корпусных элементов с опорными связями ведёт к возникновению структурного шума в присоединенных к машине конструкциях [52].
Взаимодействие магнитного поля в зазоре с оболочками и ротором АЭД определяет ПКЭ, распространяющийся в теле ротора, и связанные с ним динамические нагрузки, приводящие к изменяющемуся со временем напряженному состоянию ротора. Знание характеристик этого состояния само по себе представляет практический интерес, поскольку определяет параметры динамического запаса прочности ротора АЭД при его эксплуатации. В то же время распространяющиеся по телу ротора ПКЭ приводят к формированию на поверхностях контакта в зонах подшипниковых узлов машины к изменяющимся со временем динамическим нагрузкам, с которыми связано стирание поверхностей указанных узлов и их старение [23,33,46,54,142], а также виброизлучение через опорные связи [142].
Для роторов АЭД типа «беличья клетка» при оценке виброактивности вполне применимы методы и системы, описанные в работах [33,36,41,47,52,55].
Формирование виброактивности от магнитных источников, сосредоточенных в рабочем зазоре АИД с полым ротором, имеет ряд особенностей, существенно отличающих подобные машины от машин с ротором «беличья клетка». Особенности эти связаны с тем, что:
— если электромагнитные поля и параметры АИД с ротором «беличья клетка» сравнительно хорошо изучены, то для машин с полым ротором до сих пор ведутся экспериментальные и теоретические исследования [23].
— токовая область ротора располагается не на границе, а внутри двойного рабочего зазора, в результате чего область формирования виброактивного магнитного поля оказывается не односвязной;
— токонесущие элементы конструкции ротора не обладают пространственной анизотропией, характерной для короткозамкнутой обмотки ротора «беличья клетка», в результате чего частотный спектр вибровозмущений для АИД с полым ротором оказывается менее усложненным по сравнению с аналогичным для машин с короткозамкнутым ротором;
— электродинамические усилия, связанные с взаимодействием поля в рабочем зазоре и токов ротора, в машинах с полым ротором оказываются на порядок величины § (8 — величина зазора) более значимыми, чем аналогичные в машинах с ротором «беличья клетка" — связано это с тем, что при указанном взаимодействии в АИД второго из упомянутых типов следует учитывать магнитное сопротивление одного зазора, а в АИД с полым ротором — 2 зазора.
Указанные особенности определяют сложность задачи определения характеристик виброактивности от внутренних магнитных источников в АЭД и АИД с полым ротором. Подобные вопросы в известной автору литературе не рассматривались, поэтому можно считать, что виброактивность подобного класса машин от указанных источников является неизученной. Учитывая полученные в результате расчетно-теоретического анализа и практики рекомендации по применению АЭД и АД, которые в сжатом виде были сформулированы ранее, можно утверждать, что разработка математических моделей для оценки виброактивности внутренних магнитных источников, сосредоточенных в рабочем зазоре АЭД и АД с полым ротором, представляет несомненный практический интерес. В силу выводов, полученных в результате анализа исследований по виброактивности ЭМ разных типов в работах [36−38,4145,140] и также приведенных ранее, задача разработки САОВ для АЭД представляется актуальной и имеющей большое практическое значение.
В данной работе рассматриваются АЭД и АИД с полым немагнитным ротором (АИДПР), для которых анализу подлежат источники магнитного происхождения, связанные с переменным магнитным полем в рабочем зазоре машины. Задача работы состоит в разработке математических моделей, пригодных для оценки энергетических характеристик виброактивности этих источников.
Разработанные в [36−38,41−45,52,55,56,70−74,142−144] научные основы решения задачи оценки виброактивности ЭМ на переменном токе.
— показали принципиальную возможность описания виброактивности собственно внутренних источников с помощью характеристик, принципиально отличающихся от динамических переменных, используемых обычно для описания виброакустических процессов в ЭМ;
— наполнили реальным физическим содержанием понятие «источника виброактивности». Следует учесть, что единственной характеристикой интенсивности действия источников при описании с помощью динамических параметров является сила, развиваемая в месте формирования возмущений, приводящих к виброактивности. Однако анализ [78,79]показывает, что для полного описания способности источников вызывать вибрацию этой характеристики явно недостаточно.
— показали принципиальную возможность использования для характеристики виброакустических процессов термодинамических и иных общефизических параметров, позволяющих учитывать в картине виброактивности как источников, так и конструкций влияние разнообразных по физической природе полей.
В упомянутых работах установлено, что в качестве критериев виброактивности при решении проблемы оценивания следует использовать энергетические величины, основанные на представлениях о потоках колебательной энергии (ГЖЭ), излучаемых внутренними для ЭМ источниками и распространяющихся по конструкции ЭМ.
С физической точки зрения введение подобных величин развивает представления о виброакустическом поле [55,70], формирующемся в конструкции под действием как заданной структуры первичных источников, так и связанной с ними структурой вторичных источников см. [45,144]), а также способствует развитию представлений о волновом характере виброакустических процессов и связанных с ними состояний указанного поля. Характеристики ПКЭ — вектор плотности ПКЭ, а также функция его спектральной плотности — дают возможность получать как развернутую спектральную картину виброактивности ЭМ, так и информацию об интенсивности перетекания энергии в различных направлениях в пределах конструктивного объема машины [38]. С помощью этого критерия оказывается возможным осуществлять оценку различных по физической природе источников виброактивности ЭМ [142] связывать результаты этой оценки с различными по физической природе и по-разному характеризующимися и проявляющимися условиями эксплуатации ЭМ [38,72,73], оценивать энергетические преобразования в конструктивных элементах, приводящие к различным нарушениям разных по физическому содержанию состояний равновесия [72,73,144].
Физическая основа концепции, основанной на использовании энергетических критериев и положенной в основу теории, разработанной в указанных работах, сводится к следующему. Состояние виброакустического поля в конструктивной среде и любое изменение этого состояния всегда связаны с действием источников, создающих это поле и вызывающих возмущения состояний равновесия в областях, непосредственно к этим источникам примыкающих [45,70]. Так как представление об источниках в своей основе проистекает из представлений об энергетических превращениях, происходящих в малых областях локализации возмущений, а также вследствие того, что из указанных малых областей возмущения распространяются в виде волн, переносящих энергию в различных направлениях, то разумным оказывается систему распределенных по конструктивному объему гтрпвицнму итлтл/птенмй ппи^миятк г’пвоэт/пнпгтмл НР лл^-ягтгч/ собой точечных источниковпри этом предполагается, что все энергетические превращения, связанные с этими источниками, происходят в точках их расположения, и из этих точек излучается в разных направлениях и с разной интенсивностью энергия [38].
Результатом является то, что формирование поля излучения колебательной энергии вне точек расположения первичных источников следует рассматривать в виде самостоятельной отдельной задачи, не связанной с задачей описания самих этих первичных источников [144]. Таким образом на основе энергетических представлений и введения энергетических критериев оценки процесс оценивания виброактивности ЭМ, связанной с действием внутренних магнитных источников, естественным образом разделяется на два этапа: оценку виброактивности активного ядра машины, в котором формируются сами внутренние источники, и оценку преобразования энергии этих источников при ттпотпжлвнии ее чепе** кпттг, тг™тггитш/ю спет/.
•ч————" ———— - Г" ————-Г-У————-I—<�—•.
Виброактивность АЭД связана с формированием в пределах объемов, занимаемых машиной, виброакустических процессов, сопровождающих отклонение от равновесия в конструкции АД. Указанные и-тггттртхи" панигтегли" ТТПТТТМ ИРРГПЯ нппчт пгогяттт-НТЛТ* хяпятггеп и с.
I 1 VI 1. и ^ II1Г11 V/ № 1/1 111/ .11. х^ V"" ^Ь" I НУ. .. ^ «. ». I. I. 1. МП I V. • областями их локализации связаны представления об источниках вибрации АЭД [70]. Многочисленными исследованиями установлено, что основные источники вибрации можно разбить на три группы: магнитные источники, механические источники и аэро-, а также гидродинамические источники [47,94,133].
Действие магнитных источников обусловлено наличием переменных электромагнитных полей, формирующихся в воздушном зазоре АД, в зоне лобовых частей обмоток, а также в некоторых других магнито-активных элементах и узлах машины. Параметры этих источников зависят от электромагнитных нагрузок и некоторых конструктивных и расчетных характеристик активной части машины, конфигурации торцевых областей, используемых магнитоактивных материалов и условий эксплуатации.
Вследствие неуравновешенности ротора, отклонения формы цапф от круглой, анизотропии механических свойств материалов, наличия дефектов в подшипниках качения, аэрои гидродинамических неустой чивостей в рабочем слое подшипников скольжения проявляются так называемые механические источники вибрации.
Возникновение аэрои гидродинамических источников вибрации и шума связано с установившимися и неустановившимися движениями газа (воздуха) или жидкости (заполнителя) в пределах пространственных объемов, занимаемых машиной. Указанные движения связаны с вращением ротора, вентилятора, принудительной подачи воздуха или жидкости при охлаждении рабочих частей машины.
Влияние различных источников на вибрацию зависит от мощности АД, частоты его вращения, режима работы, размеров, способа охлаждения, типа подшипников, технологии производства и других факторов [29,47,94]. Магнитная вибрация занимает при этом особое положение. В то время как механические и аэродинамические вибрации имеют место в любых механизмах, содержащих вращающиеся или иным образом двигающиеся исполнительные органы, магнитные источники проявляются только при работе ЭМ. В многополюсных АЭД (2р > 4) магнитные источники, спектр которых занимает всю частотную область, играют особую роль. Значительна роль магнитных источников в АЭД, питающихся от статических преобразователей [8,39].
Начиная с работ [124,128], исследования магнитной вибрации АД касались, в основном, анализа сил, действующих на сердечник статора со стороны магнитного поля, сосредоточенного в воздушном зазоре. В связи с этим и рекомендации по уменьшению виброактивности АД были направлены на улучшение характеристик магнитного поля в зазоре [99, 131, 136, 137].
Благодаря работам, использующим метод гармонических проводимостей, в основе которого лежит независимое определение магнитодвижущей силы и обобщенной удельной проводимости зазора, представляемых рядами Фурье [9,26,57,58,118,119,125,134,136], в настоящее время имеется ряд методик [8,39,40,47,57,64,98], позволяющих с достаточной для инженерной практики точностью рассчитать пространственно-временное распределение возмущающих сил на поверхности расточки сердечника статора АД.
В последние десятилетия указанный метод был подвергнут критике [76,77,121,129]. Авторы этих работ полагают, что данный метод «не учитывает и не может учесть всей сложности и изменчивости картины поля». В то же время, выполненные на основе метода конечных элементов исследования применительно к АД показали, что, вопреки критике, использование метода гармонических проводимостей, и как следствие, описание магнитного поля в зазоре машины с целью определения спектра магнитных вибровозмущающих сил оправдано [52].
Работы [133], выполненные в 40-х годах и завершившиеся выходом в свет монографий [134], привлекли внимание исследователей к элементам конструкций АД, ответственным за передачу вибрации от источника на поверхность машины (прежде всего к статору) [126,134]. Последующими исследованиями [96,98,120,146] было установлено, что не только статор, но и вся система «статор-корпус», включающая элементы крепления машины [29,47,78,96,130], отвечает за формирование виброакустических процессов в АД.
Проявление в ряде случаев колебаний элементов машины как целого друг относительно друга [29,33,47,109,110], а также разнообразие конструктивных решений подшипниковых узлов для уменьшения вибраций и шума АД [29,47,48] заставили обратиться к исследованию вибрации роторов [104,105,106,108,111]. В инженерной практике стали использоваться модели машины, в которых совместно рассматривались такие элементы, как статор, корпус, ротор, система крепления АД [29,109].
К настоящему времени накоплен значительный опыт определения вибрации магнитного происхождения в конструктивных элементах АД [29,47,52,64,98]. Существующие методики и приемы оценки строятся на основе детерминированного подхода. В них используются известные аналитические модели теории упругости: балка, тонкое кольцо, оболочки различных типов [107,124]. Чаще других на практике применяется модель плоского кольца малой кривизны, рассматриваемого как свободное [26,47,96,134] или же закрепленное в двух точках [64,96,98,120,132]. В некоторых случаях при учете крепления статора в корпусе, рассматривают систему из двух колец, упруго связанных друг с другом [29,47,96,100−103,120,132].
В последнее время для расчетов вибрации стали использовать разнообразные численно-полевые методы решения краевых задач теории упругости [91,135/138,145]. Особое внимание уделяется методу конечных элементов [27]. Последний, в принципе, позволяет получить решение динамической задачи для конструктивных элементов произвольной геометрической формы [52]. Однако, в силу, громоздкости, трудностей технической реализации, затрат ресурсов, подобные методы мало используются в практике инженерных расчетов.
Анализ, выполнявшийся в работах [36,37,42,44,45,55,142] показывает, что необходимым инструментом решения проблемы оценивания при создании ЭМ с учетом характеристик их виброактивности являются системы автоматизации оценки виброактивности /САОВ/. Модели процессов, определяющих виброактивность ЭМ, являются одним из основных элементов упомянутых систем [38]. Опыт создания конкретных САОВ [36,45,55,56,74,143] показывает, что разделение процесса оценивания на два упомянутых самостоятельных этапа дает возможность в ходе анализа и синтеза ЭМ порознь рассматривать различные мероприятия, влияющие на виброактивность машины: по изменению параметров активного ядра и по изменению параметров конструктивных связей. Этот же опыт показывает, что модели процессов, с которыми связано формирование виброактивности первичных внутренних источников в пределах активного рабочего ядра машины, является неотъемлемым и самостоятельным элементом системы моделей виброакустических процессов в ЭМ, причем таким элементом, на базе которого должна разрабатываться одна из важнейших подсистем САОВподсистема оценки виброактивности собственно источников.
Выполненный аналитический обзор опубликованной литературы, учитывающий особенности конструкций и рабочих процессов АЭД, показывает, что в настоящее время являются актуальными и не имеющими законченных решений следующие задачи:
4.5. Выводы.
Экспериментальное исследование, выполненное с целью подтверждения достоверности результатов оценки, осуществляемой при помощи разработанной в предыдущих главах диссертационной работы САОВ АЭД, показало, что:
— характеристики виброактивности, связанной с действием внутренних магнитных источников исследованных образцов в сильной степени определяются распределением энергии в спектре напряжения их. питаниярезультирующая виброактивность исследованных образцов не может быть полностью оценена при учете одной лишь рабочей гармоники напряжения питания и для достоверной оценки необходимо учитывать все реально присутствующие в спектре питания гармонические составляющие;
— в спектрах виброактивности исследованных образцов играют существенную роль субгармонические составляющие, связанные с искажением гармонического характера временных составляющих, присутствующих в распределении энергии по спектру напряжения питаниянеучёт данных компонентов приводит к искажению характера распределения энергии в спектре оцениваемого виброакустического процесса и к количественному рассогласованию сравниваемых значений, достигающему 100%;
— в измеренных спектрах вибрации существенный вклад оказывают компоненты, связанные с действием тангенциальных составляющих магнитных источников, на отдельных частотах этот вклад оказывается преобладающим;
— полный учёт всех перечисленных факторов приводит к хорошему согласованию расчётных и измеренных значений оцениваемых параметров, причём расхождение в значениях всегда оказывается меньше 12% при погрешности измерений, не превышающей 9,8%.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В результате выполненного исследования, посвященного анализу и синтезу системы автоматизированной оценки виброактивности АЭД установлено, что:
1. В российской и зарубежной опубликованной литературе, отсутствуют работы, посвященные виброактивности АЭД.
2. Магнитные источники виброактивности, сосредоточенные в рабочем зазоре АЭД и связанные с преобразованием внутренней магнитной энергии в механическую энергию упругих деформаций конструктивных элементов, оказывают ощутимое влияние на функционирование АЭД.
3. Потоки колебательной энергии (ПКЭ) можно рассматривать в качестве обобщенных теоретически и экспериментально определяемых критериев, полностью характеризующих виброактивность АЭД как по спектральному составу, так и интегрально в выбранных для анализа полосах частот.
4. Использование значений ПКЭ как критериев позволяет разделить задачу оценки виброактивности АЭД на две самостоятельные задачи — задачу оценки виброактивности внутренних магнитных источников и задачу оценки состояния поля излучения колебательной энергии от них в конструктивном объеме.
5. В условиях современного проектирования представляется необходимым использование системы автоматизированной оценки виброактивности (САОВ) АЭД, выступающей в качестве самостоятельной системы.
6. В том случае, когда формирование виброактивности связано с действием силовых волн с пространственными порядками п=1, оказываются вполне пригодными ранее разработанные модели и методики, основанные на методе механических схем замещения;
7. В случае действия силовых волн с пространственными порядками пф проявляются особенности конструкции АЭД, в состав которых входят элементы, представляемые замкнутыми круговыми цилиндрическими оболочками (немагнитые проводящие тонкостенные элементы);
8. Даже для традиционно описываемых с помощью балочных форм конструктивных элементов (подсистема «статор-корпус») влияние условий закрепления на торцах заставляет рассматривать подобные элементы с помощью модели замкнутых немагнитных проводящих тонкостенных цилиндрических оболочек;
9. Для синтеза САОВ АЭД наиболее приемлемы полуаналитические модели расчета характеристик вибрационных полей в конструктивных элементах и их связках, как обеспечивающие оптимальную управляемость при синтезе САОВ и при анализе (синтезе) АЭД с помощью САОВ;
10. Для построения рациональных расчетных схем таких подсистем как «оболочка-ротор», «оболочка-статор-корпус», удобно применение непрерывного аналога метода начальных параметров, разработанного в [86] и позволяющего учитывать влияние условий на торцах упомянутых конструктивных элементов и связок, а также дающего возможность избежать применения дискретных методов (сеточного разбиения) в ходе численной реализации и, тем самым, сократить используемые вычислительные ресурсы, повысить устойчивость.
11. В рамках разработанной системы моделей выделены отдельные функциональные блоки, обеспечивающие функционирование по собственным относительно самостоятельным алгоритмам различных отличающихся друг от друга процессов в ходе осуществления оценкисовокупность указанных блоков образует морфологическую структуру разработанной системы моделейизоморфизм математических моделей, служащих для определения значений энергетических критериев при оценке внутренних магнитных источников и при оценке конструкций АЭД, и выявляющийся в практической идентичности операций по определению значений указанных критериев, позволяет рассматривать данные модели в виде отдельного и самостоятельного элемента морфологической структуры рассматриваемой системы моделей;
12. В рамках разработанной системы моделей существует жёсткая связанность двух основных и принципиально самостоятельных этапов оценки — оценки виброактивности собственно магнитных источников и оценки виброактивности возбуждаемых данными источниками конструкций АЭД. Эта связанность в значительной степени определяется зависимостью точности оценки конструкций, а следовательно, и конечного результата от необходимого для обеспечения задаваемой точности числа гармонических составляющих возбуждающих конструкцию источников и накладывает ограничения на самостоятельное функционирование основных функционально обособленных блоков. Использование выражений алгоритма, выражающегося с помощью соотношений (3.1)-(3.3) позволяет существенно ослабить упомянутую связь и обеспечить независимость оценки виброактивности конструкций от неопределённости (связанной с обеспечением требуемой точности оценки) гармонического состава возбуждающих конструкцию источников.
13. Информационные массивы, содержащие преобразующуюся в ходе моделирования информацию о состоянии источников и возбуждаемой ими конструкции, а также содержащие информацию, порождаемую в процессе функционирования разработанной системы моделей, следует подразделить на внешние и внутренние.
14. Связанность основных блоков функционирования системы моделей обеспечивается за счёт использования общих ресурсов внутренних информационных массивов ОСИ и ОСК. Поэтому оптимизация ресурсов при осуществлении процесса моделирования, а также реализация принципиальной функциональной самостоятельности указанных блоков могут быть обеспечены только при разделении процессов заполнения и использования указанных внутренних информационных массивов. Данное обстоятельство требует введения в морфологическую структуру рассматриваемой системы моделирования внутренней базы данных динамических описаний состояний, как источников, так и конструкций, в виде самостоятельного элемента, а также информационных средств обслуживания функционирования такого элемента в ходе осуществления процесса моделирования.
15. Структура событий, связанных с движением информационных потоков по сетям существующих и порождаемых функционированием разработанной системы моделей информационной структуры, содержит компоненты, ответственные за взаимодействие элементов структур внутренних и внешних информационных массивов, — запросы на обмены информацией. Содержание указанных элементов зависит от вида сетевого маршрута (учитывающего различные составляющие виброактивности) — сценария осуществления оценки, результаты которой могут быть различными в зависимости от выбранного сценария. Для исключения конфликтов в использовании общих ресурсов как внутренних, так и внешних информационных массивов, и повышения информационной значимости и достоверности результатов оценки разработаны структуры и способы организации запросов в зависимости от задаваемого сценария оценки, а также средства формирования сценариев оценки.
Осуществлённое с целью определения возможных сценариев оценки расчётное исследование виброактивности от внутренних магнитных источников АЭД серии ДИД позволило установить, что:
15.1 Необходимо применять использованные при осуществлении этого исследования визуальные средства представления рассмотренных распределений (3.5)-(3.11) в любой их комбинации для любой граничной поверхности элементов конструкции с виброактивным магнитным полем (границы ротора и границы статора), а также для любого из рассматриваемых конструктивных элементов машины. Для повышения эффективности этого процесса разработаны структура и организация взаимодействия средств визуализации результатов расчёта на основе использованных распределений (3.5)-(3.11) в любой их комбинации и для любого возможного конструктивного элемента Использованные характеристики (рис. 3.13 — 3.16 и их аналоги), а также способы визуального представления подобных характеристик выступают в качестве необходимого аппарата при анализе влияния как изменения конструктивных параметров двигателей, подвергающихся анализу в ходе их разработки и исследования, так и при сравнительной оценке ряда двигателей, отличающихся друг от друга по таким характеристикам, как, например, типоразмер и мощность;
15.2 Для организации управления виброактивностью двигателей в процессе их разработки и исследования рекомендуется использовать структуры и способы организации средств визуализации результатов, получаемых с использованием представлений оцениваемой виброактивности в виде рядов зависимостей, подобных представленным на рис. 3.13 — 3.16 и их аналогам;
15.3 Существует ограниченное число сценариев оценки виброактивности АЭД, которые могут быть жёстко зафиксированы в алгоритме реализации процесса моделирования, и эти сценарии связаны с взаимодействием основных функциональных блоков — подсистемы моделирования виброактивности собственно источников и подсистемы моделирования преобразования ПКЭ в конструкции;
15.4 Вследствие неполноты априорной информации о необходимых для анализа каждой конкретной ситуации распределений ПКЭ невозможна фиксация какого-либо конечного и определённого набора сценариев выбора форм представления упомянутых распределений, что подтверждает ранее сделанный в работах [2,3,22] вывод, о том, что в условиях существенной неполноты априорной информации о поведении при изменениях различных конструктивных параметров критериев, выбираемых для оценки, применение только «инсайтных» методов (включающих и стандартные оптимизационные процедуры) в ходе решения задач синтеза с учётом показателей виброактивности не может дать положительного результата и преимущество следует отдавать методу проб и ошибок, реализуемого с помощью интерактивных процедур организации диалога пользователя системы моделирования и вычислительных средств;
15.5 Так как задача выбора и анализа форм представления распределений ПКЭ не составляет задачу расчёта, а наоборот, представляет собой задачу запросной обработки сформированных в результате выполненных расчётов данных, то для эффективной работы системы моделирования необходимо предоставить пользователю системы возможность и средства для ситуационного выбора необходимых для анализа форм. В качестве подобных средств должны выступать средства формирования и обработки файлов последовательного доступа — базы данных результатов расчёта;
15.6 Вклад от тангенциальных составляющих внутренних магнитных источников при традиционной оценке практически не учитываемый) оказывается соизмеримым с обычно учитываемым вкладом от радиальных составляющих упомянутых источников и пренебрегать данным вкладом нельзя, что подтверждает на материале выполненных расчётов аналогичный вывод, сделанный ранее для других машин (см. [2,3,21]). При этом в результате преобразования колебательной энергии в конструкции происходит перераспределение энергии по спектру виброакустического процесса между составляющими от радиального и от тангенциального компонентов.
Результаты выполненного анализа и исследования позволили:
1. На основе анализа уравнений Максвелла для магнитного поля в рабочем зазоре АЭД при заданной линейной токовой нагрузке статора и использовании метода гармонических проводимостей получить приближенные асимптотические решения указанных уравнений, основанные на пренебрежении членами порядка 6(52)(8 — длина рабочего зазора машины) в разложении поля в ряды по степеням 5. Полученные решения позволяют определять состояния внутренних магнитных источников в ходе расчетной оценки виброактивности АЭД.
2. На основе использования полученных уравнения для оценки состояния внутренних магнитных источников, сосредоточенных в рабочем зазоре АЭД, и результатов, опубликованных в работах [36−38,41−45,52,55,56,70−74,142−144] получить новые уравнения для расчета значений ПКЭ от внутренних магнитных источников в АЭД, учитывающие сплошные проводящие оболочки в зазоре АЭД. Указанные новые уравнения дали возможности разработать математические модели для оценки влияния на виброактивность тонкостенных цилиндрических оболочек, ранее отсутствовавшие. Представленные модели легко алгоритмизуются и позволяют получать характеристики источников, распределенных как по поверхности, проходящей через коронки зубцов внешнего статора, так и по объему оболочки или полого ротораоценка осуществляется как дифференцированно по спектральному составу, так и интегрально по воздействию рассматриваемых источников в задаваемой для анализа полосе частот. .
3. На основе уравнений, полученных в [86], разработать математические модели для расчета перемещений в конструктивных связках «оболочка-статор-корпус» и «оболочка-ротор».
4. С помощью полученных новых математических моделей разработать методику и алгоритм численной реализации решения задачи оценки виброактивности конструкций АЭД от источников магнитного происхождения, сосредоточенных в немагнитных зазорах. Разработанный метод расчета представляет собой реализацию метода последовательных приближений и основывается на балансе состояния на торцах и состояния со средней энергией, распределенной по объему. Представленные модели легко алгоритмизуются, а использование принципа среднеквадратичной сходимости позволяет достичь оптимальных по длительности вычислительного процесса результатов,.
5. Разработать функциональную и информационную структуры системы моделирования виброактивности АЭД от внутренних магнитных источников, а также определить состав морфологической структуры указанной системы;
6. Разработать структуру системы жёстко зафиксированных сценариев моделирования виброактивности АЭД от внутренних магнитных источников и схему взаимодействия этих сценариев с предполагаемыми средствами реализации, использующими структуры внутренних и внешних баз данных;
7. Разработать внешние требования к формированию текущих запросных сценариев на формы представления распределений ПКЭ для их анализа с помощью интерактивных процедур взаимодействия пользователя и вычислительных средств реализации.
8. На основе анализа данных об опубликованных программных средствах установить, что наиболее удобно и эффективно для осуществления программной реализации САОВ АЭД, использовать программные приложения к ОС Windows Microsoft Access и Microsoft Excel. А также использовать в качестве основы для осуществления программной реализации прямых вычислительных алгоритмов САОВ ранее разработанной программной системы VIBVAR [36,55]. Разработка новых программных модулей и модификация модулей упомянутой программной системы, а также интегрирование в создаваемую вычислительную среду упомянутых приложений к ОС Windows с помощью средств Visual Basic позволили разработать программную систему, являющуюся интерактивной программной реализацией САОВ АЭД и оформленную в виде Windows-приложения. Применение данной программной системы требует:
— наличия персонального компьютера класса Intel Pentium (и выше) с тактовой частотой не ниже 133 МГц (при более высоких частотах обеспечивается лучшее быстродействие на ПЭВМ более высокого класса), с ОЗУ не менее 16 Мб (лучше 32 Мб), обладающего внутренней cash-памятью не менее 32 Кб и не менее 256 Кб cash-памяти 2-го уровняимеющего объём жёсткого диска не менее 1,7 Гб (лучше 2,4 Гб);
— ОС Windows 95 с включением DOS под Windows, Microsoft Office Professional 97;
— свободного пространства с объёмом не менее 500 Мб.
Разработанная САОВ АЭД применялась при исследовании асинхронного экранированных двигателей (в частности, АИДПР) с полупроводниковыми преобразователями в рамках Г/Б НИР, «Разработка методов моделирования виброактивности машин вентильных систем».
9. Экспериментальные исследования, выполненные при подготовке диссертации, позволяют считать, что точность расчетов с применением разработанных методик и САОВ АЭД находится на уровне ±12%.
