автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Анализ режимов работы приемно-намоточных механизмов и роторных узлов с синхронно-реактивными двигателями машин химических волокон методами математического моделирования

УДК 677.051.1:621.313. на правах рукописи

3 од

1 /П:!« 1098

Низяев Денис Сергеевич

АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПРИВОДА ПРИЕМНО-НАМОТОЧНЫХ МЕХАНИЗМОВ И РОТОРНЫХ УЗЛОВ С СИНХРОННО-РЕАКТИВНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ МАШИН ХИМИЧЕСКИХ ВОЛОКОН МЕТОДАМИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 05.02.13 - машины и агрегаты (легкая

промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

- г -

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете технологии и дизайна на кафедре "Автоматизации производственных процессов".

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Климов Виктор Александрович

Консультант - кандидат технических наук, доцент

Шапошников Александр Леонидович

Официальные оппоненты- доктор технических наук, профессор

Карагезян Юрий Алавердиевич - кандидат технических наук Сафонов Лев Михайлович

Ведущее предприятие - Открытое акционерное общество

"Ленформаш", г. С-Петербург

Защита диссертации состоится "15" декабря 1998 г. в Власов на заседании диссертационного совета Д 063.67.02 в Санкт-Петербургском государственном университете технологии и дизайна (191186, СПб, ул. Б. Морская, 18).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан ноября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук,

профессор Никитина Л.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Текстильная промышленность - одна из наиболее материалоемких отраслей. Затраты на сырье составляют свыше 80% стоимости продукции. Снижение материальных затрат только на 1% позволяет увеличить прибыль отрасли на 500 млн. руб. (в ценах 1990 года). В этом направлении проводится большая работа, которая находит отражение в соотношении темпов роста товарной продукции и материальных затрат. Широко внедряется ассортимент тканей менее материалоемких структур из натуральных и химических волокон.

Из общего количества химических волокон, перерабатываемых в текстильной промышленности, 27% используется в шерстяной отрасли, 45% - в шелковой, 15% - в хлопковой, 8% - в льняной и 5% - в производстве нетканых материалов.

Высокие потребительские свойства химических волокон и экономическая эффективность их производства обеспечивают постоянный и Есе увеличивающийся спрос на них для производства текстильных изделий. Ежегодный прирост доли химических волокон в общем балансе сырья для текстильной промышленности, обьем их производства как в нашей стране, так и за рубежом продолжают расти.

Для производства химических волокон требуется разработка новых технологий, совершенствования существующего технологического оборудования, разработка новых высокопроизводительных машин для их производства и переработки. Одной из существенных частей указанных машин являются быстровращающиеся роторные узлы: вытяжные цилиндры, галеты, приемно-намоточные механизмы (ПНМ) и др., как правило имеющие индивидуальный электропривод, в котором чаще всего используются синхронно-реактивные электродвигатели (СРД) и

синхронные двигатели с постоянными магнитами (СДПМ). Использование указанных электродвигателей необходимо потому, что колебания линейной скорости нити ведут к браку (неровноте линейной плотности, обрывности последней).

Конструктор, создающий ПНМ и роторные узлы с индивидуальным приводом, стоит перед дилеммой, выбирать электродвигатель малой мощности, при котором время выхода бобинодержателя на установившийся режим велико и требуются специальные системы управления для его снижения, либо большей мощности, при котором системы управления, как правило, не требуется, однако повышается потребление электроэнергии. Исходя из сказанного, приходится подбирать двигатель наименьшей мощности, но не требующий разработки системы управления для вывода бобинодержателя на заданный режим. Решение указанной проблемы является актуальной и важной.

Цель исследований состоит в разработке методов, алгоритмов и программного обеспечения для моделирования работы привода ПНМ и быстровращающихся роторных узлов с СРД и СДПМ на ЭВМ, позволяющих выдать инженерные рекомендации конструктору по выбору двигателя, на основе изучения его возможных режимов работы. Разработки могут быть включены в САПР машин химических волокон.

Для достижения общей цели в работе намечались следующие задачи:

1) разработать комплекс математических моделей СРД с целью определения базовой для исследований, ее оценка с точки зрения полноты учета свойств и параметров двигателя и ПНМ-:

2) разработать математическую модель привода ПНМ и быстровращающихся роторных узлов с СДПМ;

3) на основе исследования установившихся режимов работы СРД на синхронной скорости, получить аналитические соотношения элек-ромагнитных переменных двигателя, для данных режимов;

4) выполнить оценку устойчивости и запасов устойчивости привода ПНМ и быстровращающихся роторных узлов с СРД;

5) разработать методы, алгоритмы и программное обеспечение для расчета установившихся режимов работы привода ПНМ и быстровращающихся роторных узлов с СДПМ;

6) получить условия выхода привода ПНМ и быстровращающихся роторных узлов с СРД на промежуточные (несинхронные) скорости;

7) исследовать возможность прохождения приводом ПНМ и быстровращающихся роторных узлов с СРД серии квазиустановившихся режимов в условиях пуска и реализации при этом управляемого пуска (за счет выбора законов изменения формы и частоты питающего напряжения);

8) исследовать влияние механической части привода ПНМ и нагрузки на переходные процессы в СРД, с учетом исходного положения ротора относительно статора;

9) исследовать возможность появления счетной неустойчивости процессов численного моделирования привода ПНМ и быстровращающихся роторных узлов с СРД из-за влияния произвольного выбора шага интегрирования и за счет дискретизации математической модели.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны методы, алгоритмы и программное обеспечение для моделирования работы привода ПНМ и быстровращающихся роторных узлов с СРД и СДПМ на ЭВМ. Эти разработки позволяют выдать инженерные рекомендации конструктору по выбору двигателя.

2. Теоретически показано существование множества сочетаний значений параметров привода, соответствующих разнообразным по форме, но неприемлемым для практического использования переходным процессам, приводящим к установившимся процессам с несинхронной скоростью вращения ротора.

3. Теоретически спрогнозирована и подтверждена численным экспериментом возможность существования переходных процессов привода ПНМ и быстровращающихся роторных узлов с СРД, отличающихся практическим отсутствием, при синусоидальном питании, колебательности (типа колебательного звена 2-го порядка), или наоборот присутствием апериодичности (типа апериодического звена 1-го порядка).

4. Дан вариант объяснения возможности появления счетной неустойчивости при интегрировании математической модели привода ПН?,! и быстровращающихся роторных узлов с СРД, с выбранным постоянным шагом интегрирования, с использованием теории устойчивости систем уравнений с запаздыванием.

5. Определены соотношения для электромагнитных переменных математической модели привода ПНМ и быстровращающихся роторных узлов с СРД и СДПМ на установившихся режимах привода, при синхронной скорости вращения ротора.

Практическая значимость работы:

Предложенные методики, алгоритмы и программное обеспечение для вывода привода ПНМ и быстровращающихся роторных узлов с СРД и СДПМ на заданные режимы работы позволяют конструктору сократить время на правильный выбор двигателя при выполнении всех требований ТЗ к приводу ПНМ и быстровращающихся роторных узлов.

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедр "Проектирования машин текстильной и легкой промышленности", "Автоматизации производственных процессов", курсовое и дипломное проектирование.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительную оценку:

- на научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПГУТД, посвященной бОлетию механического факультета. С-Петербург, 1998;

- на международной научно-технической конференции "Теория и практика разработки оптимальных технологических процессов и конструкций в текстильном производстве". (ПРОГРЕСС - 96), Иваново, 19-22 ноября 1996;

- на международной научно-технической конференции "Теория и практика разработки оптимальных технологических процессов и конструкций в текстильном производстве". (ПРОГРЕСС - 97), Иваново, 28-30 октября 1997.

- на VIII Всероссийской конференции (РАН вычисл. центр) "Математические методы распознавания образов". Пущино. 1997.

По материалам диссертации опубликовано 15 работ и получены положительные решения на регистрацию 2ух программ для ЭВМ.

Обьем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 69 наименований. Работа изложена на 238 страницах машинописного текста, содержит 113 рисунков, 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее задачи, дано краткое описание работы и основные результаты.

В первой главе приведен обзор литературных источников, посвященных исследованию синхронно-реактивного электропривода. Дана характеристика быстровращающихся узлов машин для производства и переработки химических волокон. Приведена классификация прием-но-намоточных механизмов (ПНМ), используемых в машинах для производства и переработки химических волокон. Рассмотрен привод быстровращающихся узлов машин, применяемых в производстве химических волокон, и требования к нему. Показана актуальность исследования индивидуального привода быстровращающихся роторных узлов машин химволокон. Выполнена постановка задачи.

Во второй главе приведены динамические и математические модели ПНМ и роторных узлов, имеющих самостоятельный привод. Рассмотрены основные элементы и классификация динамических моделей приемно-намоточных механизмов.

В качестве примера для исследования взята динамическая модель ПНМ (ПНМ имеют наиболее сложные динамические модели среди быстровращающихся роторных узлов) рычажного типа, как относящиеся к наиболее распространенным. Выполнено приведение моментов инерции и моментов сопротивления выбранной динамической модели ПНМ к валу ротора с диском, имеющим приведенные моменты инерции и сопротивления.

Далее рассмотрены математические модели ПНМ и роторных узлов с индивидуальным приводом. В качестве основных двигателей, применяемых в приводе ПНМ и быстровращающихся роторных узлов, исследовались синхронно-реактивные двигатели (СРД) и синхронные двигатели с постоянными магнитами (СДПМ). Выбраны математические модели для дальнейшего исследования.

В третьей главе выполнено численно-аналитическое исследование устойчивых и неустойчивых решений математической модели привода ПНМ и быстровращающихся роторных узлов с СРД. На основе исходной неавтономной системы дифференциальных уравнений, записанной относительно потокосцеплений во вращающейся системе координат, введена автономная система дифференциальных уравнений (при этом использована замена координат). Получена система уравнений фазовых портретов.

Далее получены устойчивые и неустойчивые решения математических моделей на синхронной скорости, а именно:

- проанализирована устойчивость системы уравнений, описывающих механическую часть (в предположении быстротечности электромагнитных процессов);

- изучена устойчивость полной системы уравнений (определены установившиеся режимы работы, эти режимы проанализированы на устойчивость) .

Разработаны и изучены режимы работы привода ПНМ и быстровращающихся роторных узлов с СРД на несинхронных скоростях, переходные процессы и установившиеся режимы привода ПНМ и быстровращающихся роторных узлов с СДПМ, квазиустановившиеся режимы и разгон привода (почти апериодически) с СРД.

Четвертая глава посвящена выбору метода численного интегрирования математической модели привода ПНМ и быстровращающихся роторных узлов с СРД и СДПМ.

Оценено влияние шага интегрирования на результаты счета на примере базового варианта привода ПНМ с СРД. Выполнено устранение счетной неустойчивости коррекцией методологии вычисления правых частей уравнений в процессе интегрирования. Объяснены возможные причины появления счетной неустойчивости в процессе интегрирования математической модели с выбранным постоянным шагом интегрирования. с использованием теории устойчивости систем уравнений с запаздыванием. Заканчивается глава экспериментальным (численным) исследованием влияния приведенных моментов нагрузки и моментов инерции на статические и динамические характеристики ПНМ с приводом на основе СРД (в качестве примера взят ДРС-450).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

В работе разработаны методы, алгоритмы и программное обеспечение для моделирования работы привода ПНМ и быстровращающихся роторных узлов с СРД и СДПМ на ЭВМ.

На основании выполненных исследований можно сформулировать следующие выводы:

- получены аналитические соотношения для установившихся режимов работы привода ПНМ с СРД на синхронных скоростях, удобные для автоматизированных расчетов;

- даны аналитические соотношения для оценки не только устойчивости, но и запасов устойчивости математической модели привода по полной системе уравнений;

- И -

- получены аналитические соотношения для условий выхода двигателя на промежуточные (несинхронные) скорости, а также для частот вращения на этих скоростях;

- разработана преобразованная математическая модель привода ПНМ с СДПМ;

- разработаны методы для расчета установившихся режимов работы привода ПНМ с СДПМ;

- на основе аналитических соотношений для установившихся режимов работы привода ПНМ с СРД на синхронных скоростях исследована и показана возможность прохождения двигателем серии квазиуста-новившихся режимов в условиях его пуска и реализации при этом управляемого пуска (за счет выбора законов изменения формы и частоты питающего напряжения);

- представлена, на основе интегрирования математической модели привода ПНМ с СРД, информация по влиянию приведенного момента инерции и приведенного момента сопротивления нагрузки на переходные процессы в двигателе;

- дан вариант объяснения возможности появления счетной неустойчивости при интегрировании математической модели привода ПИЛ и быстровращающихся роторных узлов с СРД с выбранным постоянным шагом интегрирования, с использованием теории устойчивости систем уравнений с запаздыванием, при этом:

а) система пошагового численного счета, получающаяся на основе исходной системы дифференциальных уравнений, представляется системой дифференциальных уравнений с запаздыванием, которое связано с неточностью представления производных интегрируемых функций на шаге счета, и факт счетной неустойчивости связывается с нарушением устойчивости последней;

б) для дополнительной иллюстрации влияния рассматриваемого запаздывания на счетную неустойчивость используется процедура коррекции расчета производных переменных:

- показана возможность появления (при интегрировании по методу Башкирова систем обыкновенных дифференциальных уравнений) высокочастотной помехи, и этот факт коррелирует с потерей устойчивости систем с запаздыванием. Данную особенность можно использовать для выбора шага счета.

Выполненные в работе задачи актуальны с точки зрения возможности выбора для оборудования по производству химических волокон стандартных приводных устройств, а также возможности решать задачи анализа и синтеза привода ПНМ с СРД и СДПМ. которые могут быть включены в существующий САПР машин химических волокон.

Основные результаты исследований опубликованы в следующих работах:

1. Климов В.А., Шапошников А.Л., Низяев Д.С. и др. О развитии неявных расчетных схем и статистических оценок точности в интегрировании систем дифференциальных уравнений// Тез. докл. на междун. конф. "Математика, Компьютер, Образование". Москва-Пущи-но, 27 февраля-23 марта 1995.

2. Климов В. А., ЭнтинВ.Я., Низяев Д. С. Эксплуатационные свойства машинного агрегата с приводом на основе СРД в производстве химических волокон// Тез. докл. на междун. конф. "Теория и практика разработки оптимальных технологических процессов и конструкций в текстильном производстве" (ПРОГРЕСС -. 96), Иваново, 19-22 ноября 1996.

3. Литвинчук В.Л., Климов В.А., Низяев Д.С. "Схема пробных

невязок в решении систем линейных алгебраических уравнений (задачи автоматизации моделирования) "// Тез. докл. на меадун. науч-но-технич. конф. "Теория и практика разработки оптимальных технологических процессов и конструкций в текстильном производстве". (ПРОГРЕСС - 97), Иваново, 28-30 октября 1997.

4. Литвинчук В.Л.. Климов В.А., Низяев Д.е., Штейнер n.M. и лр. О проблеме оценки сертификационных характеристик химических нитей высокочастотными методами// Тез. докл. на меадун. конф. "Математика, Компьютер, Образование". Дубна, 29 января-3 февраля 1996.

5. Низяев Д.С. и др. Интегрироване системы дифференциальных уравнений синхронно-реактивного двигателя непредставимых в форме Коши, записанной в преобразованных координатах, методом последовательно-побуждающей связки уравнений. // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. РосАПО №960333 от 24.07.1996.

6. Низяев Д.С. и др. Интегрироване системы дифференциальных уравнений синхронно-реактивного двигателя непредставимых в форме Коши, записанной в фазных координатах, методом последовательно-побуждающей связки уравнений. // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. РосАПО №960334 от 24.07.1996.

7. Сигачева В.В., Дедус А.Ф., Литвинчук В.Л., Низяев Д.С. и др. Линейные базы данных и перспективы применения в диагностических системах//Тез. докл. на IX Межд. коорд. совещ. "Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования и использования мирового океана". СПб., 22-24 ноября 1994.

8. Шапошников А.Л., Жабко А.П., Климов В.А., Низяев Д.С. "К настройке параметров алгоритмов численного интегрирования уравне-

ний электропривода переменного тока"// Тез. докл. на междун. на-учно-технич. конф. "Теория и практика разработки оптимальных технологических процессов и конструкций в текстильном производстве". (ПРОГРЕСС - 97), Иваново, 28-30 октября 1997.

9. Шапошников А.Л., Знтин В.Я., Низяев Д.С. и др. Метод задания формы решения в интегрировании и контроль точности вычислительного эксперимента// Тез. докл. на междун. конф. "Теория и практика разработки оптимальных технологических процессов и конструкций в текстильном производстве" (ПРОГРЕСС - 96), 19-22 ноября 1996.

10. Шапошников А.Л., Лукичев С.И.. Низяев Д.С. и др. Компонентный анализ как аппарат распознавания динамических процессов колебательной формы//Тез. докл. конф. с междун. участием, посвящ. 60-летию академика РАН Ю.И. Журавлева "Математические методы распознавания образов". Пущино, 25-30 сентября 1995.

И. Шапошников А.Л., Шабко А.П., Климов В.А., Низяев Д.С. Контоль точности интегрирования и устойчивость динамических систем с чистым запаздыванием// Тез. докл. VIII Всероссийской конференции (РАН вычисл. центр) "Математические методы распознавания образов". М. - 1997.

12. Шапошников А.Л., Жабко A.n., Низяев Д.С. Нетрадиционный вычислительный эксперимент в распознавании свойств сложного нестационарного нелинейного динамического обьекта// Тез. докл. "Математические модели нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах" - Тверь, 2-5 июля 1996.

13. Шапошников А.Л., Низяев Д. С. Условия устойчивой работы на синхронных режимах синхронно-реактивного двигателя приемно-на-

моточных механизмов// Конференция по машинам и аппаратам текстильной и легкой промышленности и их системам/ СПГУТД. -СПб.. 15-17 апреля 1998.

14. Шапошников А. Л., Климов В. А., ЭнтинВ.Я., НизяевД. С. Обобщение оптимизационного метода задания Форш решений дифференциальных уравнений на случай сложной конфигурации кривых.// Исследование и разработка механизмов машин и средств автоматизации в текстильной и легкой промышленности: Межвуз. сб. науч. тр./ СПГУТД - СПб., 1998. с. 6-12.

15. Червяков В.В., Климова Е.В., Сигачева В.В., Акопджанян Г.А.. Низяев Д.С. Аналитические представления одномерных функций и линейные базы данных//Межвуз. сб. науч. тр./СПГУТД -СПб.. 1994.

Лицензия № 020712 от 02.02.93 Оригинал подготовлен в РИО СПГУТД

Подписано к печати Формат бОх 84 1 16

Усл.печл. Заказ /_Г\Г~

Тираж экз. Отпечатано в типографии СПГУТД 121028, г.Санкт-Петербург,ул.Моховая, 26