Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Электротехника, электроника и электромеханика»

К ЗАЩИТЕ ДОПУСТИТЬ

Заведующий кафедрой ___________О.А. Малышева

"____"_____________2015 г.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОДШИПНИКОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Пояснительная записка к дипломной работе

ДР 140604.65 ПЗ – 658

Студент Е.В. Новикова

Консультант по экономике О.В. Мироненко

Консультант по безопасности

жизнедеятельности А.И. Андреев

Руководитель Я.О. Зиссер

Нормоконтроль Е.В. Константинова

Хабаровск – 2015

Abstract

The objective of this qualification work is experimental investigation of electrical and mechanical characteristics of ball-bearing motors. A measuring stand for this purpose was designed and assembled. Design of the stand and its circuitry is described. Was created a mathematical model of the engine. A certain ball-bearing motor was investigated; its basic characteristics under various conditions were obtained.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 8

1 ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ 13

1.1 Конструкция и расчёт трансформатора 14

1.2 Параметры исследованного двигателя 22

1.3 Результаты исследования подшипникового двигателя 24

2 СПИРАЛЕВИДНЫЕ КОЛЕСА 32

3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОДШИПНИКОВОГО ДВИГАТЕЛЯ 38

3.1 Описание математической модели 38

3.2 Результаты математического моделирования 40

4 РАСЧЕТ КАПИТАЛЬНЫХ ВЛОЖЕНИЙ НЕОБХОДИМЫХ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОБРАЗЦА 46

5 РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО БЕЗОПАСНОСТИ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПРИ РАБОТЕ С ПОДШИПНИКОВЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ 53

5.1 Идентификация опасных и вредных производственных факторов 53

5.1.1 Шум 54

5.1.2 Освещенность 55

5.1.3 Вибрация 56

5.1.4 Электрическое воздействие 58

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 63

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 66

ВВЕДЕНИЕ

В мире идет процесс глобализации. В развивающиеся страны хлынул поток ценностей цивилизованного мира. Важная составляющая потока, это промышленные технологии. Для развитых стран перемещение технологий – это выгодное вложение капитала. Для развивающихся стран – это возможность индустриального роста и развития, наращивание промышленного производства, эффективное использование трудового ресурса, повышение уровня жизни. Новая технологическая среда, в которую погружается развивающийся мир, требует всё больше энергии.

Анализ статистики потребления энергии в мире показывает, что в последние десятилетия в силу роста объемов энергетики развивающихся стран наблюдается выравнивание потребления энергии на душу населения в развитых и развивающихся странах. Это неминуемо ведет к необходимости увеличить в ближайшие десятилетия глобальное производство энергии, как минимум в два-три раза. Процесс необратим, в связи с прогрессом. Решение проблемы требует поиска и освоения новых энергетических ресурсов, новых способов производства, совершенствования технологий.

Как говорится в обиходе, новое – это хорошо забытое старое.

Одним из интересных электротехнических эффектов, простота возникновения и сложность понимания природы которого поражает, является так называемый Эффект Губера. Он представляет большой интерес и может быть потенциально полезным для разработки миниатюрных и простых электродвигателей.

В конце пятидесятых годов прошлого века, швейцарский инженер Ж. Губер обнаружил, что если к паре железнодорожных колёс, соединённых стальной осью, подвести по рельсам ток и привести пару в движение, то на колеса начнёт действовать определенная сила. Сам Губер использовал данный эффект для передвижения железнодорожных вагонов при сортировке и сцепке и считал, что такой эффект имеет электромагнитную природу, хотя его анализ нигде не опубликован [10]. Однако эта сила возникала только при движении колёс, всегда была направлена в сторону их движения и не зависела ни от того, куда было направлено движение, ни от того постоянный или переменный ток подводился к системе. Было установлено также, что она уменьшается по мере увеличения скорости. Кроме того, эффект наблюдался только в воздушной среде, в вакууме он затухал.

Такой же эффект наблюдал и английский физик Р. Мильрой (1967) [8]. Им был предложен необычный электродвигатель – вал из проводящего материала, продетый сквозь два подшипника, к внешним обоймам которого подключается источник тока.

В 1963 г. Новосибирские исследователи, В.В. Косырев, В.Д. Рябко и Н.Н. Вельман [9], получили авторское свидетельство на необычайно простой электродвигатель. Он состоял из одного подшипника качения, в котором между внешним и внутренним кольцами пропускается ток в несколько ампер. Они объясняли эффект предположив, что «подвижная часть вращается в результате упругой деформации деталей при нагреве последних протекающим по ним электрическим током». Они сделали вывод, рассчитав радиус зоны контакта и посчитав количество теплоты выделяемой в этом месте. Они произвели оценку величины деформации и времени рассасывания теплоты. Также ими было объяснена причина уменьшения момента с увеличением скорости так, что «с увеличением скорости уменьшается высота деформации, и, следовательно, сила».

Сотрудники Московского энергетического института, К.М. Поливанов, А.В. Нетушил и Н.В Татаринова, также исследовали эффект Губера. Они провели множество экспериментов с различными системами, в которых возникает эффект Губера. И они выдвинули новую гипотезу: «Причина движения – это электрическая искра, проскакивающая между катящейся деталью (колесом, шариком) и направляющей (рельсом, кольцом), а системы, в которых проявляется эффект Губера - плазменные двигатели». Чтобы доказать справедливость своей гипотезы, московские ученые … поместили двигатель Мильроя под вакуумный колпак. … Ни каких проявлений эффекта Губера в вакууме обнаружить не удалось…. Группа профессора Поливанова закончила исследования еще в 1971 году и об их результатах опубликовала небольшую статью в специальном журнале…".

В статье [10] также рассматривается этот вопрос с точки зрения электродинамической природы эффекта. Опираясь на исследования профессора Поливанова, делаются выводы об условиях проявления эффекта:

• наблюдается в воздушной среде (не в вакууме);

• не зависит от формы тока (постоянный или переменный);

• возникает только при движении;

• увеличивается с увеличением силы тока;

• сила направлена в сторону движения;

• уменьшается с увеличением скорости.

Далее, в статье объясняется проявление эффекта на основании силы Ампера. Приводятся доводы, о том, что лишь при вращении линия тока, идущая от рельса к центру колеса, искривляется в противоположную от вращения сторону, где и возникает взаимодействие токов, идущих по рельсам и токов в колесе. И именно наличию воздушной среды обязано такое искривление. А уменьшение момента с ростом скорости, объясняют более динамичным выдуванием дуги из области контакта с увеличением скорости вращения.

Однако, эксперименты, описанные, например, в работе австралийских ученых Y. Shen, B. K. Tay, B. Thompson, доказывают несостоятельность этой гипотезы. В статье описывается применение эффекта Губера при конструировании медицинских микродвигателей. Авторы указывают, что на сегодняшний день не было зарегистрировано ни одной попытки использования эффекта Губера из-за плохого понимания этого явления.

Они, опираясь на ранние исследования предшественников в области больших двигателей, основанных на эффекте Губера, принимают во внимание тот факт, что такие двигатели не эффективны по причине больших токов. Но выдвинули гипотезу, что их эффективность может расти с уменьшением размера таких двигателей. И, хотя по их словам, все же крутящий момент весьма низок, данный эффект представляет весьма интересную потенциальную возможность в сфере применения микроэлектромеханических (МЭМС) технологий.

Было обращено внимание не только на размеры шарикоподшипников, но и на среду, в которой работа данного двигателя, была бы более износостойкой. Поэтому для уменьшения разрушающего эффекта электрической дуги и для предотвращения расширения материалов (шарика и обойм) двигатель был помещен в жидкость. Так как в воде коррозионные процессы все же происходили, то были выбраны другие жидкости, такие как керосин и силиконовое масло.

Были проведены исследования по основным трем теориям, объясняющим эффект Губера, а именно:

• электромагнитная природа;

• тепловое расширение шариков и обойм в месте контакта с шариками;

• искровой разряд как причина возникновения движущей силы.

По их мнению теории не находят полного отражения на практике, поэтому данный эффект требует углубленного изучения.

Целью данной дипломной работы является расширение понимания зависимости характеристик двигателя от типоразмера шарикоподшипников и проведение анализа зависимостей механического момента на валу двигателя, угловой скорости вращения ротора двигателя, силы тока в цепи двигателя и падение напряжения на нем. А также влияние соотношений этих характеристик на коэффициент полезного действия. При этом ставится задача сборки реального измерительного стенда, состоящего из трансформатора, двигателя, основанного на эффекте Губера, и измерительных приборов.

В процессе исследования, помимо сборки силовой части стенда, разработаны схемы управления и измерения различных параметров в динамическом режиме, а также приведено математическое описание (модель) изучаемого эффекта.

1 ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Вращение двигателя, основанного на эффекте Губера (подшипникового двигателя) происходит по причине протекания тока через внешние обоймы подшипников, затем шарики, внутренняя обойма, вал и т.д. (рисунок 1.1).

Рисунок 1. 1 – Подшипниковый двигатель. Величина угловой скорости зависит от величины тока I

И по причине того, что токи в двигателе во много раз превышают падение напряжения на нем [15], которое изменяется в сравнительно малых пределах, то для питания данного двигателя необходим трансформатор.

На рисунке 1.2 изображена структурная схема силовой части питания подшипникового двигателя и выходные параметры, получаемые для измерения.

Рисунок 1. 2 – Структурная схема питания двигателя и выходные измеряемые величины

1.1 Конструкция и расчёт трансформатора

Произведем выбор оборудования и приборов стенда исходя из предварительных оценок параметров двигателя.

В связи с тем, что для проведения эксперимента по эффекту Губера на двигатель необходимо подать достаточно большое значение тока, и сравнительно небольшое напряжение, было предложено самостоятельно подобрать и намотать трансформатор. За основу был взят высоковольтный трансформатор МОТ (трансформатор для питания магнитрона). Геометрические параметры, которого 8х16х16 см. Состоит он из Ш-образного магнитопровода (броневого типа) шихтованный (использование пластин вместо монолитного сердечника уменьшает вихревые токи, что повышает КПД и снижает нагрев), первичной обмотки, и вторичной обмотки. На первичную обмотку подается напряжение от 0 до 220 В, с частотой от 0 до 50 Гц. Со вторичной обмотки необходимо получить напряжение порядка 2 В, и силу тока 20-25 А.

Предполагаем, что коэффициент мощности двигателя равен единице (cosφ=1). Также знаем, что минимальное активное сопротивление двигателя будет наблюдаться в состоянии покоя вала двигателя . Исходя из сопротивления нагрузки делаем вывод, что трансформатор длительно будет работать в режиме короткого замыкания либо в режиме, близком к режиму короткого замыкания. При таком режиме, схема замещения трансформатора будет выглядеть, как показано на рисунке 1.3.

Рисунок 1. 3 – Схема замещения трансформатора в режиме КЗ

Из схемы замещения трансформатора в режиме короткого замыкании видно, что основное падение напряжение происходит на первичной и вторичной обмотках, и зависит как от активного сопротивления обмоток, так и от реактивного сопротивления рассеивания обмоток.

Для получения таких данных, заводских параметров недостаточно, поэтому обмотки были сняты с магнитопровода, и было принято решение рассчитать параметры трансформатора под имеющийся в наличии магнитопровод.

Мощность во вторичной цепи:

, (1.1)

где Р₂ – мощность на выходе трансформатора, нами задана 60 Ватт, U₂ — напряжение на выходе трансформатора, нами задано 2 В; I₂ — ток во вторичной цепи, в нагрузке.

КПД трансформатора мощностью до 100 Вт обычно равно не более η = 0,8.

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов ВКР