автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Проектирование электромагнитной вибрационной установки с изменяемой частотой колебаний

На правах рукописи

Прядилов Алексей Вадимович

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВИБРАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ С ИЗМЕНЯЕМОЙ ЧАСТОТОЙ КОЛЕБАНИЙ

Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

АВТОРЕФЕРАТ

Самара 2006

Работа выполнена на кафедре "Промышленная электроника" Тольяттинского государственного университета.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники Ивашин Виктор Васильевич

Официальныеоппоненты: доктор технических наук, профессор

Костырев Михаил Леонидович

кандидат технических наук, доцент Карковский Леонид Иосифович

Ведущая организация: Сибирское отделение РАН,

институт горного дела

(СО РАН ИГД, г. Новосибирск)

Защита диссертации состоится 19 апреля 2006 г. в Ю00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 в ауд. 200 главного корпуса Самарского государственного технического университета (СамГТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СамГТУ.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 443100, г.Самара, ул.Молодогвардейская 244, СамГТУ, главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04; факс(8462)78-44-00; e-mail: aees@samgtu.ru

Автореферат разослан 17 марта 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.217.04

кандидат технических наук, доцент

ФА ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время в различных областях техники широкое применение находят вибрационные технологии. Существуют различные типы вибраторов, создающих вибрации с различными значениями амплитуд, частот и усилий, каждые из них обладают своими достоинствами и недостатками. Большинство выпускаемых вибраторов работают на постоянных частотах, однако в некоторых областях (например, при проведении вибрационной сейсморазведки, виброуплотнении строительных смесей) необходимы вибрации с изменяющейся по определенном закону частотой и амплитудой колебаний. Поддержание заданной амплитудо-частотной характеристики (АЧХ) силовых воздействий сопряжено с определенными трудностями, которые обусловливаются особенностями технических конструкций известных вибраторов и принципами их работы.

Из проведенного анализа следует, что существуют простые по конструктивному исполнению и эксплуатации, а потому недорогие и надежные вибраторы электромагнитного типа. Однако все они проектируются для работы только на одной (резонансной) частоте, уход от которой приводит к падению амплитуды создаваемых колебаний. Предпринималась попытка поддержания эффективности работы методом изменения резонансной частоты при помощи гидропневматических пружин с изменяемой жесткостью. Однако такое устройство получилось сложным в синхронном управлении электродвигателем и гидросистемой, изменяющей жесткость пружин. Это ограничило его применение на практике, а работы были завершены изготовлением опытной модели.

Также известен способ поддержания эффективности работы изменением резонансной частоты при помощи специального электромагнитного устройства - магнитной пружины (МП), эквивалентную жесткость которой можно плавно регулировать величиной тока. В результате анализа конструкции и работы МП была выявлена принципиальная возможность совмещения МП и линейного двигателя электромагнитного типа в единый электромагнитный преобразователь (ЭМП). Такой ЭМП способен преобразовывать в потенциальную энергию магнитного поля кинетическую энергию движения масс (выполняя функцию механической пружины) и создавать переменную силу, выполняя функцию двигателя [1, 7]. Управляет этими процессами специальная система питания (СП) вибратора. Она позволяет задавать определенный закон изменения тока в обмотках электромагнитного двигателя и тем самым производить управляемое изменение как частоты колебаний, так и создаваемого вибратором усилия. Ввиду отсутствия методики проектирования такого электромагнитного вибратора (ЭМВ), при его разработке возникает ряд новых научно-технических задач, касающихся выбора его механических параметров, конструктивной схемы ЭМП, изучения особенностей динамики работы, а так же создания специальной СП.

Необходимость создания ЭМВ О чпиптчттпД чягтптпй и амплитудой колебаний востребована, например, в аеЙУЙс^йАВёЙ}^^ где в настоящее время

используются вибраторы электрогидравлического типа. В них механическое -воздействие на грунт создается гидравлическим приводом, имеющим сложную конструкцию и невысокий КПД, что обуславливает большую величину эксплуатационных расходов и стоимость виброустановки в целом.

Объектом исследования является ЭМВ сейсмического назначения, а предметом исследования — его ЭМП и СП.

Цель и задачи работы. Целью работы является разработка ЭМВ с изменяемой частотой и амплитудой колебаний, позволяющего расширить возможности применения вибрационных технологий, а так же методики его проектирования.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Анализ возможных вариантов конструкции ЭМП вибратора, его СП и выбор их наиболее перспективных технических решений.

2. Разработка методики проектирования ЭМВ, включающей выбор его механических параметров, выбор конструктивных размеров и расчет силовых параметров ЭМП; выбор схемотехнических решений и расчет СП.

3. Разработка математической модели, учитывающей нелинейность магнитной системы ЭМП и позволяющей посредством математического моделирования осуществить проверку правильности произведенных расчетов.

4. Разработка, создание и экспериментальное исследование действующей модели ЭМВ.

Методы исследования. Исследования проводились с помощью математических и экспериментальных методов. Расчет электромагнитного поля производился при помощи программного комплекса Е1си1 5.1, основанного на методе конечных элементов. Для математического моделирования использовали программный комплекс МаНаЬ/ЗтиШпк. Обработка результатов осуществлялась с использованием математического программного пакета МаЛСас! 2001. Экспериментальные исследования проведены на действующей модели вибратора при помощи методов исследования колебательных и электромагнитных систем.

Научная новизна.

1. Разработана методика проектирования ЭМВ сейсмического назначения, включающая выбор его механических параметров, расчет конструктивных и силовых параметров его ЭМП, выбор схемотехнических решений и расчет СП. Методика основана на результатах теоретического и экспериментального анализа.

2. Разработана математическая модель ЭМВ, учитывающая потоки рассеяния и кривую намагничивания материала ЭМП, а так же результирующую нелинейность его силовой передаточной характеристики. Модель позволяет теоретически проводить исследование динамики работы и пусковых процессов ЭМВ и его СП при различных параметрах нагрузки и алгоритмах управления.

3. Предложено и запатентовано (в соавторстве) конструктивное решение вибратора с изменяемой частотой и амплитудой колебаний на основе 2-х

тактного ЭМП возвратно-поступательного движения и специальной СП, формирующей в его обмотках необходимые импульсы токов.

Практическая ценность работы.

1. На основе анализа выявлены и рассчитаны перспективные варианты конструктивного исполнения ЭМП и схемотехнического решения СП.

2. Разработан и экспериментально апробирован релейный алгоритм управления формирователем токов СП, использующий три возможных состояния.

3. Создана и экспериментально исследована действующая модель ЭМВ с изменяемой частотой. Результаты исследований подтвердили практическую возможность создания такого вибратора, правильность разработанных методик и адекватность разработанной математической модели.

4. Получена частотная зависимость амплитуд токов, необходимых для поддержания постоянной амплитуды создаваемой вибратором силы.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика проектирования электромагнитных вибраторов с изменяемой частотой колебаний, включающая выбор и расчет механических параметров, ЭМП и СП с последующим математическим моделированием работы.

2. Алгоритм управления СП, обеспечивающий формирование в обмотках возбуждения ЭМП импульсов тока заданной частоты, амплитуды и формы в условиях наличия ЭДС движения.

3. Новое техническое решение вибратора с изменяемой частотой колебаний на основе предложенного 2-х тактного ЭМП обращенной конструкции с двумя зонами энергопреобразования.

Реализация результатов работы. Теоретические и практические результаты работы использованы при выполнении хоздоговорных НИР, касающихся разработки ЭМВ сейсмического назначения, а так же в учебном процессе в курсе лекций и при дипломном проектировании.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

• Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электро-технологий» (г.Тольятти, 2004 г)

• Научно-технических семинарах кафедры «Промышленная электроника» (г.Тольятти, ТГУ (ТолПИ), 2001-2004 г.)

• Научно-техническом семинаре в «Тюменнефтегеофизика» (г. Тюмень 2003г)

• Второй международной научно-технической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов ЕЬРГГ-2005» (г.Тольятти, ТГУ, 2005 г)

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, из них 4 статьи в научных журналах, 3 доклада на конференции и один патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 136 страницах и содержащих 85 рисунков и 11 таблиц, списка литературы, включающего 98 наименований, и приложений на 18 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности темы работы, излагаются цель и содержание работы, обосновывается научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе выполнен аналитический обзор вибрационных устройств, работающих с изменяемой частотой, и указаны достоинства и недостатки каждого из типов вибраторов. Рассмотрены способы, которые применяются для изменения частоты работы и регулирования усилия, а также технические проблемы, связанные с осуществлением этих способов.

Обоснована перспективность создания ЭМВ, способного работать с изменяемой частотой и амплитудой колебаний для применения в промышленных и специальных вибротехнологиях.

Для проектирования ЭМВ сформулирована следующая методическая последовательность:

1) выбор основных механических параметров вибратора;

2) выбор и расчет ЭМП (выбор конфигурации и размеров, расчет магнитного поля, силовых и энергетических характеристик);

3) выбор и расчет СП (выбор структурной схемы, схемотехнических решений и силовых элементов);

4) математическое моделирование для проверки правильности произведенных расчетов.

5) сравнение результатов расчетов и моделирования с исходными данными и возврат к п. 1 при их не соответствии.

Во второй главе рассмотрена конструктивная схема разработанного с участием автора в НИЛ-6 ТолГУ ЭМВ сейсмического назначения, предназначенного для применения в качестве источника сейсмических колебаний при проведении сейсморазведочных работ (рис. 1).

Вибратор имеет цилиндрическую конструкцию [1]. Для центрирования индукторных и якорных частей установлены подшипники, характеризующиеся элементом трения 81.3. Массы Ш) и Шз - это массы индукторных и якорных частей соответственно. Упругие элементы компенсируют вес Р18 индуктора и жестко связанных с ним частей. На излучающую плиту через податливость з опирается пригруз ш2, предназначенный для поджатия плиты силой веса Р2я с целью обеспечении условия безотрывного от поверхности грунта режима работы.

В установившемся режиме вибратор работает следующим образом. В верхнюю и нижнюю обмотки индуктора от СП поочередно подают импульсы тока ¡в и ¡н, приводящие к возникновению магнитных потоков Фв и Фн. В результате поочередного появления потоков электромагнит создает знакопеременные силовые воздействия между якорем и индуктором. Например, при движении индуктора в верх, током ¡в формируется поток Фв, создающий электромагнитную силу, действующую на индуктор вниз, а на якорь - вверх. Эта сила сначала тормозит индуктор, а затем разгоняет его по направлению

вниз. При торможении кинетическая энергия уходит в энергию магнитного поля, а при разгоне - возвращается обратно. Якорь через жестко соединенную с ним излучающую плиту передает знакопеременные силовые воздействия на грунт, возбуждая в нем сейсмические волны. Частота и амплитуда воздействий, а следовательно, и возбуждаемых волн, определяется частотой и амплитудой токовых импульсов, формируемых в обмотках электромагнита системой электропитания.

Индуктор пц

Верхняя обмотка И1')

Нижняя обмотка 1121

У/А \.

%

Пригруэ ль

.V

у /м

\ Г-7

N V

1 Л

N / N

Рис. 1. - Конструктивная схема электромагнитного сейсмовибратора.

Описанная конструкция и принцип ее работы были запатентованы [3]. При построении конструктивной схемы был сделан ряд допущений: а) все функциональные элементы заменены элементами со сосредоточенными параметрами; б) нагрузка (грунт) заменена упругим элементом элементом вязкого трения Бз и массой, вошедшей в массу т3; в) сила трения в подшипниках заменена эквивалентным элементом вязкого трения г) из всех степеней свободы элементов конструкции учитывается только возможность движения в вертикальном направлении.

Для анализа разработанной конструкции был использован метод электромеханических аналогий и известные методы расчета электрических цепей. С учетом допущения, что прижимное устройство практически не

влияет на динамику остальной системы из-за малого изменения силы сжатия пружин ^2-з> была получена система дифференциальных уравнений, описывающих работу вибратора в динамике и использованных для математического моделирования:

А\% \ ! \ <1% 1

= — (-(Из +И!-з)Уз -Ру -^1-3 + ?(',*)) , = 7~у3>

Л ш3 ау, 1

1 / Л ГП!

аа,-

51-3

<к

1

Ч-З

Л 4з

^з-У)),

где У| и у3 - скорости якоря и индуктора относительно инерциальной системы отсчета; ц,.3 и р3 - коэффициенты вязкого трения между якорем и индуктором (подшипниковые пары) и в грунте; Р^3 и Р^.3 - силы на упругих элементах £3 и

Р(1,х) - силовая передаточная характеристика ЭМП (зависимость электромагнитной силы Р от тока \ и относительного положения якоря и индуктора х).

Согласно полученным упрощенным схемам замещения механической цепи вибратора, была разработана методика выбора основных механических параметров ЭМВ, описанная на примере расчета сейсмовибратора на усилие Рт=5 т.е. с частотами 20-80 Гц. Согласно методике необходимо задаться амплитудой перемещения хт, на минимальной частоте сот1П, найти минимально

необходимую массу индуктора т! =-у*-; рассчитать жесткость

аШ1П Хш1

механических пружин по формуле к1_3=Ш1 (0.8-сотш)2; выбрать массы якоря т^ОА-О^т, и пригруза гп2=(Рт/£)-т3-т1; рассчитать оставшиеся параметры.

Эффективность работы ЭМВ в значительной степени зависит от его ЭМП, вследствие чего выбор и расчет высокоэффективного ЭМП является важной задачей. Для решения этой задачи был произведен анализ возможных конструкций ЭМП и выбрана наиболее перспективная (рис.3), в которой магнитный поток, замыкаясь по якорю и индуктору дважды проходит по полюсам, вызывая появление электромагнитной силы.

6

Нмвтюя ВстаИко 05мотк>

Якорь

Упругие зленвт Изручащоя плита

Рис. 3. - Цилиндрическая обращенная конструкция с двумя зонами энергопреобразования.

Рис.4. Картина магнитного поля секции ЭМП при нейтральном положении (х=0) и намагничивающей силе Р=17,8 кА.

а) х = -5 мм б) х = 5 мм.

Рис. 5 - Картины магнитных полей секции ЭМП при смещенных положениях х и намагничивающей силе Р=17,8 кА.

Для выбора ее основных размеров разработана методика, сочетающая элементы теоретических расчетов в специализированных программных пакетах и результаты практических экспериментов на физической модели вибратора.

С использованием отечественного программного комплекса «Е1сиЬ>, использующего метод конечных элементов, были получены картины магнитного поля выбранной конструкции (рис.4, 5) и ее силовые и энергетические характеристики, необходимые для математического моделирования и разработки СП. Анализ ЭМП показал необходимость создания синусоидальных токов для получения гармонических колебаний.

В третьей главе осуществлен выбор структуры (рис.6), схемотехнических решений и основных силовых элементов СП ЭМВ.

Входной аВтомат и трансф-ор

ЗаряОное устройство

Система питания

Выпрямитель

_ ппн

ГТ

Емкостной накопитель

Формиробатель токоб

I------

и

Система управления

Рис. 6 - Структурная схема СП.

Задачей СП является формирование в нагрузке (верхней Ъ\ и нижней Т2 обмотках возбуждения ЭМП) импульсов тока с заданной формой, амплитудой и частотой, которые приведут к возникновению магнитных потоков и созданию необходимой для работы вибратора электромагнитной силы. Нужно учитывать, что наличие зависимости магнитной проводимости в от положения х приводит к появлению ЭДС движения. Поэтому особое внимание уделено формирователю токов, для которого проанализированы три схемотехнических решения: на тиристорах, на транзисторах и на транзисторах с использованием подмагничивания.

Формирователь токов на тиристорах (рис.7) состоит из двух ячеек, одна из которых работает на верхнюю (71), а другая - на нижнюю (Ъ2) обмотку. Первая ячейка работает следующим образом: В Ю открываются тиристоры УБЫ, УБЬЗ и конденсатор С1 перезаряжается по цепи C1-VS1.1-Z1-VS1.3-C1. В И напряжение на конденсаторе С1 изменяет знак, к дросселю насыщения Ьк1 прикладывается напряжение и в 12 он насыщается, диод У01 открывается, У81.1 закрывается. Ток замыкается по цепи Ьк1-У01-21-У81.3-Ьк1. В 13 открываем тиристор У81.2 и ток начинает протекать по цепи г1-У81.2-С1-Ьк1-УТ)\-Х\. Тиристор УБ1.3 закрывается обратным напряжением, а конденсатор заряжается энергией, рекуперирующейся из нагрузки. В 16 открывается У81 и конденсатор С1 дозаряжается зарядным устройством до номинального напряжения. В течении 1548 вторая ячейка аналогичным образом формирует ток во обмотке Ъ2.

а) силовая принципиальная схема

б) временные диаграммы работы

Рис. 7. - Формирователь токов на тиристорах.

Такой формирователь позволяет регулировать амплитуду тока (заряжая конденсаторы С1 и С2 до различных напряжений) и частоту, изменяя моменты открытия тиристоров У81.2 и У52.2 [8]. Однако он не позволяет регулировать форму импульса тока, что может отрицательно сказаться на гармоническом составе создаваемых вибратором колебаний.

Формирователь токов на транзисторах (рис.8) также состоит из двух одинаковых ячеек (коммутаторов), каждая из которых в определенный момент времени может находится в одном из трех состояний, которые будем условно обозначать при помощи логической переменной (состояния показаны на примере первого коммутатора):

1. «Накачка», 8Ш=1 (1М2) - транзисторы УТ1.1 и УТ1.2 - открыты; энергия из емкостного накопителя Сн поступает в нагрузку Ъ\ \ ток II, протекая по цепи Сн - УТ1.2 - Ъ\ - УТ1.1 - Сн, быстро возрастает.

2. «Полка», 8\¥=0 (12-13) - один из транзисторов (например, УТ1.1) открыт, а другой (УТ1.2) - закрыт, тогда ток I, протекая по цепи Ъ\ - УТ1.1 -У01.2 - Ъ\, уменьшается из-за активных потерь в токовом контуре.

3. «Рекуперация», 8\У=-1 (13-14) - оба транзистора закрыты. Энергия из нагрузки Ъ\ рекуперируется в емкостной накопитель Сн. Ток II, протекая по цепи Ъ\ - .1 - Сн - У01.2 - Ъ\, быстро спадает.

Г~ 1-й коммутатор "¡2-й коммротЗ '

ю-

Сн

У011 УТ12.

г\

Н

и

Г

И !з !з*М

Й

УТ11 У012.

4-

I_________л.

а) силовая принципиальная схема

. J

б) временные диаграммы

Рис.8 - формирователь токов на транзисторах.

Чередуя описанные состояния можно формировать токи заданной формы 1з с погрешностью Д1 даже в условиях наличия ЭДС движения, искажающего форму тока. При этом возможно использование как стандартных алгоритмов управления, так и специально разработанного для данного применения релейного алгоритма с тремя возможными состояниями (рис.9) [6].

Предложенный алгоритм прост в практической реализации, а по сравнению с классическим релейным позволяет значительно (примерно в 2 раза) снизить частоту коммутации.

Для случая формирования синусоидальных токов в обмотках их амплитудное значение будет

равно

I.

(0ЦРт2)

и

где в

магнитная

Рис.9 - Граф предлагаемого алгоритма

проводимость ЭМП, со - частота колебаний, Рт -амплитудное значение намагничивающей силы, и

- напряжение на конденсаторе Сн.

Рассматриваемый ЭМП может быть отнесен к двухтактным электромагнитным системам с двумя немагнитными зазорами, в которых магнитные поля создаются поочередно. Подобные системы известны и применялись в других технических устройствах (например

- в бетатронах). Опыт усовершенствования таких систем говорит о возможности использования эффектов подмагничивания, позволяющих существенно повысить технические характеристики СП. Основываясь на этом, для ЭМВ была разработана схема с подмагничиванием (рис.10), в которой магнитный поток формируется постоянным 1о и переменным I токами, протекающими по двум обмоткам (возбуждения и подмагничивания). Причем

_ , (з-ш-Р,,,2)

амплитуда тока возбуждения 1т = -1—^ ^ '

оказывается в 2 раза меньшей, чем

в предыдущем случае (за счет получаемого эффекта «перекачки» энергии магнитного поля из одного зазора электромагнита во второй и обратно, через

обмотки подмагничивания, т.е. минуя силовые приборы). Основным недостатком подмагничивания является необходимость формирования переменного двуполярного и постоянного токов, а также некоторое увеличение паза индуктора для размещения обмотки подмагничивания.

Обмотка подмагничибония Обмотка Ьозбуждения

а) расположение обмоток в ЭМП

б) формирователь токов на транзисторах с использованием подмагничивания.

Рис. 10 - формирователь токов с использованием подмагничивания.

Для заряда емкостного накопителя разработано специальное зарядное устройство, состоящее из трансформатора, выпрямителя и преобразователя постоянного напряжения.

Осуществить расчет СП и выбор ее основных элементов можно основываясь на приведенном в главе примере такого расчета.

В четвертой главе произведено экспериментальное исследование действующей модели ЭМВ и математическое моделирование его работы.

Для практической проверки правильности теоретических предположений была изготовлена действующая модель ЭМВ, имеющая массу 205 кг и создающая усилия амплитудой до 1500Н с частотами от 20 до 60 Гц .

СП (Рис. 11), разработанная согласно главе 3, способна формировать токи с амплитудой 40А при напряжении на емкостном накопителе 800В [1]. Основным узлом СП является формирователь тока на транзисторах (без подмагничивания) (по рис.8), управляемый по специально разработанному алгоритму [6].

Рис 11 - Упрощенная схема силовой части СП модели ЭМВ.

В СП используются датчики напряжения (DV1) и токов (DA1, 2, 3) фирмы LEM, основанные на эффекте холла с погрешностями ±0.8 и ±0.5%

соответственно. Датчиком относительного положения якоря и индуктора является измеритель линейных перемещений ДЛП-3 с погрешностью ±1%. Фиксация показаний датчиков осуществлялась цифровым запоминающим осциллографом вЯБбСШ (погрешность ±3% по напряжению и ±3% по времени) с последующей обработкой на ЭВМ. Практические исследования работы зарядного устройства и формирователя токов подтвердили их работоспособность при использовании разработанного алгоритма управления.

Основной характеристикой ЭМП является его силовая передаточная характеристика Р(1,х). Для ее нахождения в обмотки ЭМП от СП подавался постоянный ток, а сила определялась по величине деформации пружин рис.1. Экспериментальные точки полученной характеристики (черные точки на рис.12) могут быть аппроксимированы аналитической зависимостью (сплошная поверхность) вида: Р0,х)=(К0+К1х+К2х2)ч (2) Методом наименьших квадратов были получены коэффициенты аппроксимации К0=95.1; К1 =-50,7-103; К2=96.9 106, которые в дальнейшем были использованы при математическом моделировании. Среднеквадратичное отклонение полученной зависимости от практических результатов составило 128 Н (8.2% от амплитудного значения силы). Более точная аппроксимация может быть достигнута при использовании зависимости Р0,х)=(К0+К1 -х+К2-х2)-(1+КЗ- -Л+К4ч2), (3)

дающей среднеквадратичное отклонение в 65 Н.

Для выявления оптимальной формы полюсов ЭМП вышеуказанным способом были исследованы конструкции с различными полюсами (рис.13).

Для численного сравнения их характеристик (изображенных на рис.14 при положении х=0) для каждой конструкции был выражен средний коэффициент пропорциональности силы току Кср. Он получился равным 96.9; 78.7 и 97.8 для конструкций по рис.13 а), б) и в) соответственно. Наилучшей была признана конструкция рис. 13 в.

Для подтверждения достоверности результатов, характеристика Р(1,х) была получена вторым экспериментальным способом (кривая 2 рис.146), который заключался в математической обработке кривых намагничивания, снятых при различных положениях х, а так же теоретически рассчитана с использованием программного комплекса «Е1сиЬ> (кривая 3). Среднеква-

0

Рис.12 - Экспериментальные точки силы Р в зависимости от тока I и положения х и аппроксимированная зависимостиь Р(1,х).

дратичное отклонение кривой 2 от кривой 1 составило 10.2%, а кривой 3 от кривой, полученной усреднением 1 и 2 - 5.5%.

Были найдены энергии, запасаемые в магнитной системе и потери (как в меди обмоток, так и в магнитопроводах). Изучение картины распределения магнитных потоков позволило выявить наличие паразитных магнитных потоков, проходящих по конструктивным элементам вибратора и не участвующих в создании силы. Магнитный поток

Индуктор Магнитный поток Индуктор Магнитный поток

ШГ

б) односекционный полюс с фигурным профилем

а) двухсекционный полюс с фигурным профилем

Рис. 13 - Различные формы полюсов 2000 Н

в) односекционный полюс с прямым профилем

2000

Н

1500

1000

1 / / * Л

2 \ т\ /

У'

я: С*'

1 2 3 "Л "Л -X .1

у? 1

I

3 А Л полюс

I

1 - двухсекционный фигурным профилем

2 - односекционный полюс с фигурным профилем

3 - односекционный полюс с прямым профилем

а) расчет по величине деформации пружин для различных форм полюсов

Рис. 14 - Зависимости сил, создаваемых ЭМП для положения х=0.

1 - по величине деформации пружин

2 - по кривым намагничивания

3-е использованием комплекса Е1с1й

б) для двухсекционного полюса с фигурным профилем при различных методах расчета

В результате исследования переходных процессов в механической части вибратора были определены некоторые параметры конструктивной схемы

вибратора (рис. 1), в частности эквивалентный коэффициент вязкого трения 8,.3, необходимый для математического моделирования.

Исследование динамики работы вибратора подтвердило наличие зависимости характера колебаний от параметров нагрузки (грунта). Близким к режиму работы на реальную нагрузку является режим холостого хода, для которого на рис. 15а изображена АЧХ создаваемой вибратором силы Р. Анализ этих характеристик показал, что регулируя амплитуду тока, можно получить заданную АЧХ силового воздействия на излучающую плиту (но только в пределах области, ограниченной АЧХ при максимальной амплитуде тока, формируемой системой питания). Например, была получена зависимость амплитуды тока, необходимого для поддержания постоянного усилия на излучающей плите Р= 1500 Н в режиме XX (рис. 156). юооор ----- ---------- — 40 г

Р.Н

1000

£ Гц

а) сила воздействия вибратора на нагрузку (на излучающей плите)

20 25 30 35 40 45 50 Г,Гц 60

б) амплитуда тока, необходимая д ля поддержания постоянного усилия на излучающей плите Р=1500 Н

Рис. 15 - АЧХ работы вибратора в режиме холостого хода.

Для моделирования работы СП была разработана математическая модель формирователя токов [6].

% = %.( и^-Я-О, (4)

где 1 - ток в обмотках, Ь - эквивалентная индуктивность ЭМП, Я - активное сопротивление обмоток ЭМП, 8\\' - логическая переменная, характеризующая текущее состояние формирователя токов.

Данная модель позволила теоретически изучить работу специально разработанного алгоритма управления формирователем и сделать вывод о его преимуществе над классическим релейным [6].

Математическая модель ЭМВ, разработанная согласно (1), была реализована в программном пакете Ма^аЬ/БтиШпк (рис. 16) [4]. В ее состав вошли модель формирователя (4) и передаточная характеристика ЭМП (2), необходимые для расчета электромагнитной силы Р~. Расхождение между экспериментальными данными и результатами математического

моделирования (рис.17) для относительного перемещения X составило менее 8%, что позволило сделать вывод об адекватности математической модели.

СГЪЧЕО

Рис. 16. Расчетная схема математической модели ЭМВ в программном пакете МаиаЬ/БшшШпк.

О 2 мм 0 1

X -0 1

г Ю

А

- 5

I

0 21—! о,

0.4

1 I /

\\ /

Хтеор // Хэксп У/ 7 Ч

V // /У

0.406

0.412

0.418

0.424 с 0.43

Рис.17. Экспериментальные Хэксп и теоретические Хтеор относительные положения якоря и индуктора при частоте ^40 Гц и токе 1=1 ОА.

Теоретическое изучение переходных и пусковых режимов работы ЭМВ позволило сделать вывод о возможности реализации плавного пуска методом постепенного увеличением амплитуды токов в обмотках ЭМП.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложена и запатентована конструкция электромагнитного вибратора (ЭМВ) на основе двухтактного электромагнитного преобразователя (ЭМП) возвратно-поступательного движения.

2. Составлена электрическая схема-аналог механической колебательной системы ЭМВ, по которой составлена система дифференциальных уравнений, описывающая динамику его работы и разработана методика выбора основных механических параметров вибратора.

3. На основе теоретического и экспериментального анализа возможных конструкций ЭМП показано, что наиболее перспективной для использования в электромагнитном сейсмовибраторе является обращенная цилиндрическая конструкция с двумя зонами энергопреобразования и прямым профилем полюса (рис.13в). Разработана методика выбора ее основных размеров.

4. Разработана система питания, позволяющая обеспечить регулирование амплитуды и частоты создаваемых вибратором колебаний путем формирования необходимых магнитных потоков в ЭМП при помощи поочередной подачи импульсов тока в его обмотки возбуждения. Предпочтение отдано системе, содержащей 3 структурных элемента: 1) емкостной накопитель энергии; 2) формирователь токов, обеспечивающий обмен энергиями между накопителем и магнитным полем; 3) устройство заряда емкостного накопителя. Выявлены схемотехнические решения, наиболее перспективные для каждого из элементов. Проанализирована возможность использование подмагничивания в магнитной системе вибратора.

5. При экспериментальном исследовании физической модели ЭМВ были подтверждены: а) правильность теоретических предпосылок о принципах работы ЭМВ и возможности регулирования частоты и амплитуды колебаний; б) правильность методик расчета основных механических параметров вибратора, выбора и расчета электромагнитного преобразователя, выбора и расчета системы питания.

6. В результате исследования динамики работы вибратора были получены АЧХ силы на излучающей плите. Это позволило получить частотную зависимость амплитуд токов, необходимых для поддержания постоянной амплитуды создаваемой вибратором силы.

7. Разработана математическая модель ЭМВ, адекватность которой подтверждена результатами экспериментальных исследований. Для построения модели были использованы передаточная характеристика ЭМП и другие данные, полученные экспериментально.

Результаты, полученные при разработке ЭМВ сейсмического назначения, могут быть использованы в вибраторах общепромышленного применения для улучшения эффективности вибрационных технологий, а так же расширения области их применения.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Прядилов A.B. Электромагнитный вибратор с управляемой частотой колебаний / A.B. Прядилов, В.В. Ивашин, М.В. Позднов // Наука -производству. - 2004. - №4(72). - С.46-47.

2. Прядилов A.B. Мощный транзисторный преобразователь для заряда емкостного накопителя энергии / A.B. Прядилов, А.К. Кудинов, К.Х. Узбеков // Наука - производству. - 2004. - №4(72). - С.54-56.

3. Пат. 2253136 РФ, МКИ7 G 01 V 1/02. Наземный электромагнитный вибрационный сейсмоисточник / A.B. Прядилов, В.В. Ивашин, М.В. Позднов; Заявл. №2004105659 от 25.02.04,- Опубл. 27.05.05, Бюл. № 15.-10 с.:ил.

4. Прядилов A.B. Математическая модель электромагнитного вибратора / A.B. Прядилов, М.В. Позднов // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электро-технологий: Тр. первой Всерос. науч.-техн. конференции.- Тольятти: Тол ГУ ,2004.- Ч.2.-С. 85 - 89.

5. Прядилов A.B. Определение силовой передаточной характеристики привода электромагнитного вибратора / A.B. Прядилов, М.В. Позднов // Наука - производству. - 2004. - №4(72). - С.48-49.

6. Прядилов A.B. Способ формирования однополярных импульсов тока в индуктивной нагрузке и его математическое моделирование / A.B. Прядилов, М.В. Позднов // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: Тр. первой Всерос. науч.-техн. конференции.- Тольятти: ТолГУ, 2004. - 4.2. - С. 127- 130.

7. Прядилов A.B. Характеристики резонансной вибрационной системы / A.B. Прядилов, М.В. Позднов // Автотракторное электрооборудование. - 2004. -№6. - С. 15-17.

8. Прядилов A.B. Математическое моделирование системы питания сейсмовибратора / A.B. Прядилов, C.B. Семенников // Научные чтения студентов и аспирантов. Направление инженерно-техническое: Сб. ст. по результатам работы региональной науч.-техн. конференции.- 4.2 - Тольятти: ТГУ, 2005-С. 165-170.

Личный вклад автора. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежит: конструктивное решение вибратора [1]; постановочная часть [2]; формулировка пунктов и принцип работы [3]; программная реализация математической модели [4]; математическая обработка результатов экспериментов [5]; разработка и моделирование алгоритма [6]; постановочная часть [7]; математическая модель [8].

Разрешено к печати диссертационным советом Д 212.217.04 Протокол № 2 от 25.01.06

Подписано к печати 15.03.06 Формат 60x84/16 Печать оперативная. Усл.п.л. 1,1. Уч.-изд.л. 1

Тираж 100 экз. Тольяттинский государственный университет Тольятти, Белорусская, 14.

6 А 33

Введение.

Глава 1. Обзор вибрационных устройств с изменяемой частотой.

1.1. Вибраторы, работающие с изменяемой частотой.

1.2. Электромагнитный вибратор с изменяемой частотой колебаний.

Выводы.

Глава 2. Проектирование конструкции вибратора.

2.1. Механическая система вибратора.

2.2. Методика расчета основных механических параметров вибратора.

2.3. Анализ и выбор конструктивной схемы электромагнитного преобразователя.

2.4. Методика расчета основных параметров электромеханического преобразователя.

Выводы.

Глава 3. Проектирование системы питания вибратора.

3.1. Выбор структурной схемы системы питания.

3.2. Разработка формирователя токов.

3.3. Разработка зарядного устройства.

3.4. Описание системы управления.

Выводы.

Глава 4. Математическое моделирование и экспериментальные исследования.

4.1. Экспериментальное исследование электрической и магнитной систем макета вибратора.

4.2. Экспериментальное исследование динамики работы вибратора.

4.3. Математическое моделирование.

Выводы.

Актуальность темы.

В настоящее время в различных областях техники широкое применение находят вибрационные технологии. Существуют различные типы вибраторов, создающих вибрации с различными значениями амплитуд, частот и усилий, каждые из них обладают своими достоинствами и недостатками. Большинство выпускаемых вибраторов работают на постоянных частотах, однако в некоторых областях (например, при проведении вибрационной сейсморазведки, виброуплотнении строительных смесей) необходимы вибрации с изменяющейся по определенном закону частотой и амплитудой колебаний. Поддержание заданной амплитудо-частотной характеристики (АЧХ) силовых воздействий сопряжено с определенными трудностями, которые обусловливаются особенностями ^ технических конструкций известных вибраторов и принципами их работы.

Из проведенного анализа следует, что существуют простые по конструктивному исполнению и эксплуатации, а потому недорогие и надежные вибраторы электромагнитного типа. Однако все они проектируются для работы только на одной (резонансной) частоте, уход от которой приводит к падению амплитуды создаваемых колебаний.

Предпринималась попытка поддержания эффективности работы методом изменения резонансной частоты при помощи гидропневматических пружин с изменяемой жесткостью [30, 72]. Однако такое устройство получилось сложным в синхронном управлении электродвигателем и гидросистемой, изменяющей жесткость пружин. Это ограничило его применение на практике, а работы были завершены изготовлением опытной модели.

Также известен способ поддержания эффективности работы изменением резонансной частоты при помощи специального цф электромагнитного устройства - магнитной пружины (МП), эквивалентную жесткость которой можно плавно регулировать величиной тока [25, 31, 44]. В результате анализа конструкции и работы МП была выявлена принципиальная возможность совмещения МП и линейного двигателя электромагнитного типа в единый электромагнитный преобразователь ф (ЭМП) [24, 27, 28]. Такой ЭМП способен преобразовывать в потенциальную энергию магнитного поля кинетическую энергию движения масс (выполняя функцию механической пружины) и создавать переменную силу, выполняя функцию двигателя [28, 65]. Управляет этими процессами специальная система питания (СП) вибратора. Она позволяет задавать определенный закон изменения тока в обмотках электромагнитного двигателя и тем самым производить управляемое изменение как частоты колебаний, так и создаваемого вибратором усилия. Ввиду отсутствия методики проектирования такого электромагнитного вибратора (ЭМВ), при его разработке возникает ряд новых научно-технических задач, касающихся выбора его механических параметров, конструктивной схемы ЭМП, изучения особенностей динамики работы, атак же создания специальной СП.

Вышеперечисленные факторы инициировали проведение научно-исследовательских работ в НИЛ-6 ТолГУ по разработке ЭМВ с изменяемой частотой и амплитудой колебаний.

Необходимость создания такого ЭМВ востребована, например, в сейсморазведке, где в настоящее время используются вибраторы электрогидравлического типа [1, 33, 38, 48]. В них механическое воздействие на грунт создается гидравлическим приводом, имеющим сложную конструкцию и невысокий КПД, что обуславливает большую величину эксплуатационных расходов и стоимость виброустановки в целом.

Объект и предмет исследования.

Объектом исследования является ЭМВ сейсмического назначения, а предметом исследования - его ЭМП и СП.

Цель и задачи работы.

Целью работы является разработка ЭМВ с изменяемой частотой и амплитудой колебаний, позволяющего расширить возможности применения вибрационных технологий, а так же методики его проектирования.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Анализ возможных вариантов конструкции ЭМП вибратора, его СП и выбор их наиболее перспективных технических решений.

2. Разработка методики проектирования ЭМВ, включающей выбор его механических параметров, выбор конструктивных размеров и расчет силовых параметров ЭМП; выбор схемотехнических решений и расчет СП.

3. Разработка математической модели, учитывающей нелинейность магнитной системы ЭМП и позволяющей посредством математического моделирования осуществить проверку правильности произведенных расчетов.

4. Разработка, создание и экспериментальное исследование действующей модели ЭМВ.

Методы исследования.

Исследования проводились с помощью математических и экспериментальных методов. Расчет электромагнитного поля производился при помощи программного комплекса Е1сЩ 5.1, основанного на методе конечных элементов. Для математического моделирования использовали программный комплекс МаиаЬ/БппиШпк. Обработка результатов осуществлялась с использованием математического программного пакета Ма^Сас! 2001. Экспериментальные исследования проведены на физической модели вибратора при помощи методов исследования колебательных и электромагнитных систем.

Научная иовизна.

1. Разработана методика проектирования ЭМВ сейсмического назначения, включающая выбор его механических параметров, расчет конструктивных и силовых параметров его ЭМП, выбор схемотехнических решений и расчет СП. Методика основана на результатах теоретического и экспериментального анализа.

2. Разработана математическая модель ЭМВ, учитывающая потоки рассеяния и кривую намагничивания материала ЭМП, а так же результирующую нелинейность его силовой передаточной характеристики. Модель позволяет теоретически проводить исследование динамики работы и пусковых процессов ЭМВ и его СП при различных параметрах нагрузки и алгоритмах управления.

3. Предложено и запатентовано (в соавторстве) конструктивное решение вибратора с изменяемой частотой и амплитудой колебаний на основе 2-х тактного ЭМП возвратно-поступательного движения и специальной СП, формирующей в его обмотках необходимые импульсы токов [56].

Практическая ценность работы.

1. На основе анализа выявлены и рассчитаны перспективные варианты конструктивного исполнения ЭМП и схемотехнического решения СП.

2. Разработан и экспериментально апробирован релейный алгоритм управления формирователем токов СП, использующий 3 возможных состояния.

3. Создана и экспериментально исследована действующая модель ЭМВ с изменяемой частотой. Результаты исследований подтвердили практическую возможность создания такого вибратора, правильность разработанных методик и адекватность разработанной математической модели.

4. Получена частотная зависимость амплитуд токов, необходимых для поддержания постоянной амплитуды создаваемой вибратором силы.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика проектирования электромагнитных вибраторов с изменяемой частотой колебаний, включающая выбор и расчет механических параметров, ЭМП и СП с последующим математическим моделированием работы.

2. Алгоритм управления СП, обеспечивающий формирование в обмотках возбуждения ЭМП импульсов тока заданной частоты, амплитуды и формы в условиях наличия ЭДС движения.

3. Новое техническое решение вибратора с изменяемой частотой колебаний на основе предложенного 2-х тактного ЭМП обращенной конструкции с двумя зонами энергопреобразования.

Реализация результатов работы.

Теоретические и практические результаты работы использованы при выполнении хоздоговорных НИР, касающихся разработки ЭМВ сейсмического назначения, а так же в учебном процессе в курсе лекций и при дипломном проектировании (Приложения Д, Е).

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

• Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электро-технологий» (г.Тольятти, ТГУ, 2004 г)

• Научно-технических семинарах кафедры «Промышленная электроника» (г. Тольятти, ТГУ (ТолПИ), 2001-2004 г.)

• Научно-техническом семинаре в «Тюменнефтегеофизика» (г. Тюмень 2003 г)

• Второй международной научно-технической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов ЕЬР1Т-2005» (г.Тольятти, ТГУ, 2005 г)

Публикации.

По материалам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, из них 4 статьи в научных журналах, 3 доклада на конференции и один патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 136 страницах и содержащих 85 рисунков и 11 таблиц, списка литературы, включающего 98 наименований, и приложений на 18 страницах.

Выводы

1. Результаты экспериментального исследования физической модели электромагнитного вибратора, разработанной согласно вышеописанным методикам, ее системы питания и электромагнитного преобразователя подтвердили: a) правильность теоретических предпосылок о принципах работы ЭМВ и возможности регулирования частоты и амплитуды колебаний подачей от системы питания в обмотки возбуждения импульсов тока необходимой амплитуды и частоты. b) правильность методик расчета основных механических параметров вибратора; выбора и расчета электромагнитного преобразователя; выбора и расчета системы питания.

2. Полученная передаточная характеристика ЭМП (Р(1, х) -зависимость силы Р от тока I и положения х) может быть использована при построении математической модели. Достоверность передаточной характеристики подтверждается сравнением результатов, полученных при использовании различных методик ее получения.

3. При экспериментальном исследовании ЭМП с различными формами полюсов установлено, что наилучшими силовыми характеристиками обладает ЭМП с односекционным полюсом с прямым профилем (рис.4.1 Ов).

4. В результате исследования динамики были получены АЧХ силы на излучающей плите для режима XX. Это позволило получить частотную зависимость амплитуд токов, необходимых для поддержания постоянной амплитуды создаваемой вибратором силы при изменении частоты.

5. Исследование картины распределения магнитных потоков показало наличие паразитных магнитных потоков, протекающих через конструкционные элементы и не участвующих в создании электромагнитной силы.

6. Сравнение результатов математического моделирования с результатами экспериментальных исследований позволило сделать вывод, что математическая модель адекватна и может быть использована для анализа динамики работы. Это в свою очередь подтвердило достоверность данных, использованных для построения математической модели: схемы-аналога механической части вибратора, математической модели его системы питания, силовой передаточной характеристики и коэффициента вязкого трения, полученных во 2-й, 3-й и 4-й главах.

7. Разработанная математическая модель позволяет производить анализ динамики электромагнитного сейсмического вибратора при заданных параметрах механической системы и может быть использована при проектировании вибраторов электромагнитного типа.

8. Теоретическое изучение переходных пусковых режимов позволило сделать вывод о необходимости плавного пуска вибратора, который может быть реализован плавным увеличением амплитуды токов в обмотках ЭМП.

Заключение

Вибраторы находят широкое применение в промышленных и специальных вибротехнологиях. В промышленности чаще всего используются дебалансные вибраторы с асинхронным приводом, позволяющие создавать колебания с постоянной частотой и нерегулируемой амплитудой. В специальных случаях часто необходимо применение вибраторов с регулируемыми частотой и амплитудой. Например, в вибрационной сейсморазведке необходимо создавать колебания с программированным изменением частоты и возможностью независимого управления амплитудой. Эта задача решается применением электрогидравлических вибраторов, представляющих собой сложные, дорогие и энергоемкие технические решения. В связи с этим неоднократно предпринимались попытки создания вибраторов иного типа, например дебалансных с управляемым эксцентриситетом, электродинамических и т.д., которые не привели к техническим решениям, конкурентноспособным по сравнению с электрогидравлическими вибраторами.

В диссертации приведены результаты, полученные при разработке специального электромагнитного вибратора (ЭМВ), позволяющего решить задачу регулирования частоты и амплитуды при использовании более простых и эффективных технических решений. Их осуществление в значительной мере стало возможным в связи с успехами, достигнутыми в последние десятилетия в области электромеханики и силовой полупроводниковой технике. Основными задачами при создании такого вибратора являются разработка его конструктивной схемы, высокоэффективного электромагнитного преобразователя (ЭМП) и специальной системы электропитания, что и составляет основное содержание представленной диссертационной работы.

В результате проведенных в работе исследований получены следующие основные результаты:

1. Предложена и разработана конструкция вибратора с изменяемой частотой на основе специального ЭМП. Методом электромеханических аналогий получена электрическая схема-аналог механической колебательной системы вибратора, по которой составлена система дифференциальных уравнений, описывающая динамику его работы.

2. На основе полученных схем-аналогов разработана методика выбора основных механических параметров вибратора. Методика дана на примере расчета вибратора на усилие 5 тс с частотами 20-80Гц, а ее адекватность подтверждена экспериментальными исследованиями физической модели вибратора.

3. На основе анализа возможных конструкций ЭМП показано, что наиболее перспективной для использования в электромагнитном сейсмовибраторе является обращенная цилиндрическая конструкция с двумя зонами энергопреобразования и прямым профилем полюса (рис.2.7).

Разработана методика выбора размеров такого ЭМП с помощью теоретических расчетов в специализированных программных пакетах и результатов практических экспериментов на физической модели вибратора. Выбранный ЭМП на усилие 5 тс имеет двухсекционное исполнение с габаритным диаметром 630 мм и высотой 490 мм (рис.2.16, 2.17) при массе 600 кг. Использование специализированного математического пакета позволило получить математическую модель выбранного ЭМП и данные, необходимые для проектирования системы питания вибратора.

4. Разработана система силового питания, позволяющая обеспечить регулирование амплитуды и частоты создаваемых вибратором колебаний путем формирования необходимых магнитных потоков в ЭМП при помощи поочередной подачи импульсов тока в его обмотки возбуждения. В результате анализа возможных технических решений системы питания отдано предпочтепие системе, содержащей 3 структурных элемента: 1) емкостной накопитель энергии; 2) формирователь токов, обеспечивающий обмен энергий накопителя и нагрузки; 3) устройство заряда емкостного накопителя. Правильность разработанной методики расчета такой системы питания была подтверждена на физической модели вибратора. Расчетное максимальное значение потребляемой вибратором (на 5 тс) мощности от автономного источника питания (синхронного генератора) составляет 12,5 кВт, среднее значение - 7 кВт. Для сравнения, гидравлический вибратор «minivib» Model-2500 американской фирмы «Industrial vehicles international, INC» (IVI), развивающий пиковое силовое воздействие 2,7 тс, оснащен специальной насосной установкой с бензиновым двигателем мощностью 28 кВт.

5. Для формирователя токов применена схема на современных IGBT силовых модулях, выполненная в виде двух мостовых ячеек. Формирование импульсов тока необходимой формы, амплитуды и частоты (в условиях изменяющейся в процессе колебаний индуктивности нагрузки и наличии ЭДС движения) осуществляется при помощи предложенного алгоритма управления транзисторами. Данная схема, за счет наличия режимов рекуперации энергии из магнитного поля в емкостной накопитель, позволяет снизить потребляемую мощность.

6. Показано, что имеется принципиальная возможность применения специальной схемы питания с подмагничиванием магнитной системы вибратора, позволяющая существенно (в 2 раза) уменьшить установочную мощность транзисторов формирователя за счет «перекачки» энергии магнитного поля из одного зазора электромагнита во второй и обратно, минуя силовые приборы.

7. Спроектирована и изготовлена физическая модель электромагнитного вибратора сейсмического назначения на усилие 1500Н с частотами от 20 до 60 Гц и его система питания на силовых IGBT транзисторах, формирующая токи с амплитудой 40А при напряжении на емкостном накопителе 800В. Результаты ее экспериментального исследования подтвердили: а) правильность теоретических предпосылок о принципах работы ЭМВ и возможности регулирования частоты и амплитуды колебаний; б) правильность методик расчета основных механических параметров вибратора; выбора и расчета электромагнитного преобразователя; выбора и расчета системы питания.

8. При экспериментальном исследовании ЭМП с различными формами полюсов установлено, что наилучшими силовыми характеристиками обладает ЭМП с односекционным полюсом с прямым профилем (рис.4.10в). Полученная при этом передаточная характеристика ЭМП может быть использована при построении его математической модели.

9. В результате исследования динамики были получены АЧХ силы на излучающей плите. Это позволило получить частотную зависимость амплитуд токов, необходимых для поддержания постоянной амплитуды создаваемой вибратором силы при изменении частоты.

1.0. Разработанная математическая модель ЭМВ позволяет теоретически проводить исследование различных режимов его работы. Адекватность модели подтверждена сравнением результатов математического моделирования с результатами экспериментальных исследований.

Следует отметить, что результаты, полученные в данной диссертационной работе при разработке ЭМВ сейсмического назначения, могут быть использованы при создании вибраторов общепромышленного применения для улучшения эффективности вибрационных технологий, а также для расширения области их применения.

1. SERSEL объявляет о вездеходном вибраторе нового поколения NOMAD 65. // Приборы и системы разведочной геофизики №01(03)/2003, ежеквартальное официальное издание саратовского евро-азиатского геофизического общества.

2. A.c. СССР №693290 клХЮ1У1/02 опубл. 05.11.79.

3. Ананьев, JI.M. Индукционный ускоритель электронов бетатрон / JI.M. Ананьев, A.A. Воробьев, В.И. Горбунов. -М., Госатомиздат, 1961.

4. Баранов, В.Н. Электрогидравлические и гидравлические вибрационные механизмы / В.Н. Баранов, Ю.Е. Захаров. М.: Машиностроение, 1966. - 243 с.

5. Бауман, В.А. Вибрационные машины и процессы в строительстве / В.А. Бауман, И.И. Быховский М.: Высшая школа, 1977. - 255 с.

6. Бутырин, Н.Г. К вопросу о применении электрогидравлических вибраторов для сейсмических исследований / Н.Г. Бутырин, В.Н. Рыбаков // Вопросы возбуждения сейсмических волн вибрационным источником.-Новосибирск: СО АН СССР, 1976 . С. 95 - 104.

7. Быховский, И.И. Упругие элементы вибромашин / И.И. Быховский.- М.: Машиностроение, 1971. 82 с.

8. Варсанофьев, В.Д. Гидравлические вибраторы / В.Д. Варсанофьев, О.В.Кузнецов Л.:Машиностроение /Ленинградское отделение/, 1979. - 144 с.

9. Вибрации в технике: справочник. В 6 т. Т.4. Вибрационные процессы и машины / под ред. Э.Э.Лавенделла. М.: Машиностроение, 1981.- 510с.

10. Вибрационные машины в строительстве и производстве строительных материалов: справочник / под ред. д-ра техн. наук В.А. Баумана М.: Машиностроение, 1970. - 548 с.

11. Воронин, П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, примеиение/ П.А. Воронин. М.:Издательский дом "Додека-XXI", 2001.-384 с.

12. Галицков, С.Я. Автоматическое управление амплитудой и частотой колебаний виброуплотнения бетонной смеси / С.Я. Галицков, К.С. Галицков // Тр.2" международ, науч. техн. конф. "Интерстроймех - 2002". -Могилев:МГТУ, 2002 . - С.324 - 325.

13. Гамбурцев, Г.А. О составлении электромеханических аналогий/ Г.А. Гамбурцев // Доклады академии наук, 1935. № 8-9. - С. 303 - 306.

14. Генкин, М.Л. Электродинамические вибраторы / М.Л. Генкин, А.И. Русаков, В.В. Яблонский М.: Машиностроение, 1975. - 94 с.

15. Гольдштейн, М.Н. Механические свойства грунтов / М.Н. Гольдштейн. М.: Изд-во по строительству, 1971.

16. Гончаревич, И.Ф. Вибрационные машины в строительстве / И.Ф. Гончаревич, П.А. Сергеев. М.:Машгиз, 1963. - 312 с.

17. Гончаревич, И.Ф. Динамика вибрационного транспортирования / И.Ф. Гончаревич. -М: Наука, 1973. 244 с.

18. Гончаревич, И.Ф. Электровибрационная транспортная техника / И.Ф. Гончаревич, Л.П. Стрельников. М.: Гостехиздат , 1959. - 261с.

19. Ельников, И.Н. Применение пневматических источников при глубинном сейсмическом зондировании на море / И.Н. Ельников, Ю.П. Непрочнов // Проблемы вибрационного просвечивания Земли. М.: Наука, 1977. - С. 185 - 196.

20. Зарецкий, Л.Б. Электромеханические процессы в однотактном электромагнитном вибраторе с выпрямителем / Л.Б. Зарецкий // Исследование вибрационных машин: сбор. науч. тр. НИИ Инфстройдоркоммунмаш М., 1965.

21. Зиновьев, Г.С. Основы силовой электроники: учеб.пособ./ Зиновьев, Г.С. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. - 664с.

22. Ивашин, В.В. К вопросу об энергопреобразовании в электромагнитном вибраторе / В.В. Ивашин, М.В. Позднов // Прогрессивные техпроцессы в машиностроении: труды всероссийской конф. с междунар. участием. Тольятти: ТГУ, 2002. - С.120-125.

23. Ивашин, В.В. Временные характеристики работы магнитной пружины / В.В. Ивашин, М.В. Позднов // Наука, техника, образование города Тольятти и Волжского региона: межвузовский сбор. науч. тр. -Тольятти, 2001. 4.2. - С.378 - 383.

24. Ивашин, В.В. Двухкамерные конструкции электромагнитов ускорителей и схемы их возбуждения с подпиткой постоянным током / В.В. Ивашин, // Электронные ускорители: труды V Межвузовской конференции, Томск, 17-21 марта 1964 г С.201-207.

25. Ивашин, В.В. Электромагнитный вибратор с управляемой частотой колебаний / В.В. Ивашин, М.В. Позднов, A.B. Прядилов // Наука -производству. 2004. - №4(72). - С.46-47.

26. Ивашин, В.В. Электромеханические аналогии: учебное пособие / В.В. Ивашин. Куйбышев: КуАИ, 1983. - 70 с.

27. Ивашин, B.B. Энергетика электромагнитного резонансного вибратора в автоколебательном режиме / В.В. Ивашин, С.А. Симкин // Геология и геофизика. 1978. - №10. - С. 124.

28. Игнатьев, A.B. Электромашинные вибраторы для сейсмической разведки / A.B. Игнатьев, В.Ф. Кулаков, Г.А. Сипайлов // Вопросы возбуждения сейсмических волн вибрационным источником. Новосибирск, 1976. С. 115 - 127.

29. Информационно-научный отчет «Источник сейсмических сигналов вибрационный СВ-3/150 на самоходном багги с гидростатическим приводом» Контракт ЗАО «Геосвип» с Минтопэнерго №00-31-556 от 23.06.2000г.-2000г.

30. Кастанов, A.C. Разработки Армавирского специального конструкторского бюро испытательных машин / A.C. Кастанов // Приборы и системы разведочной геофизики. 2003. - №1(03). - С.33.

31. Клюев, В.В. Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара: справочник. В 2-х кн. Кн.2 / под ред. В.В. Клюева.- М.: Машиностроение, 1978.- 493с., ил.

32. Кныш, В.А. Полупроводниковые преобразователи в системах заряда накопительных конденсаторов. Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1981.- 160с., ил.

33. Ковалевский, В.В. Применение нелинейных упругих элементов в сейсмических вибраторах / В.В. Ковалевский // Проблемы вибросейсмических методов исследования: сбор. науч. тр. Новосибирск: СО АН СССР,1979. - С.18 - 23.

34. Кострыгин Ю.П. Сейсморазведка на сложных сигналах. Тверь: Издательство ГЕРЕС, 2002. - 416 с.

35. Крюков, Б.И. Динамика вибрационных машин резонансного типа / Б.И. Крюков. Киев: Наукова думка, 1967. - 210 с.

36. Кудинов, А.К. Мощный транзисторный преобразователь для заряда емкостного накопителя энергии / А.К. Кудинов, A.B. Прядилов, К.Х. Узбеков // Наука производству. - 2004. - №4(72). - С.54-56.

37. Лавендел, Э.Э. Синтез оптимальных вибромашин / Лавендел Э.Э. -Рига: Зинатне, 1970. 252 с.

38. Луковников, В.И. Электропривод колебательного движения / В.И. Луковников. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 152с.

39. Ляхов, Г.М. Волны в плотных средах и нагрузки на сооружения / Г.М. Ляхов, Н.П. Полякова. М.: Недра, 1967.

40. Магнитная пружина как элемент резонансного вибратора / М.В. Позднов; Тольят. политехи, ин-т. Тольятти, 1999. - 19с.: ил.- Библиогр. 3 назв. рус.- Деп. В Информэлектро 26.07.99, №1- эт99; опубл. в реферат, журн. ВИНИТИ, серия электротехника,2000.- №5.

41. Макаров, А.И. Методика расчета торсионной упругой системы резонансных вибрационных машин / А.И. Макаров // Обогащение руд. 1962.- №5.- С.45-49.

42. Малахов, А.П. Высокочастотные электродинамические вибросейсмоисточники / А.П. Малахов // Электротехника. 2003. - №09. - С. 58-60.

43. Молоканов, Г.И. Влияние веса и площади опорной подвижной плиты механического возбудителя сейсмических колебаний на форму упругого импульса / Г.И. Молоканов, А.Д. Кравченко // Прикладная геофизика, вып.71. М.: Недра. - С.80 - 86.

44. Невзрывные технологии производства исследований МОГТ на нефть и газ в Саратовской губернии // Приборы и системы разведочной геофизики. 2003. - №01(03). -С.34-35.

45. Нейман, В.Ю. Линейные электромагнитные двигатели с многократным использованием магнитного потока / В.Ю. Нейман, Г.Г. Угаров // Импульсные электромагнитный привод: сбор, науч.трудов. -Новосибирск: ИГДСОАН СССР,1998. С.110 - 117.

46. Пат. 1066469 СССР, H 02 К 33/00, H 02 Р 9/14. Генератор возвратно- поступательного движения / Жарре Ж-А (Франция), Жарре Ж-М.Б. (Франция); заявл. 09.06.75; опубл. 07.01.84, Бюл. № 1.

47. Пат. 2023275 РФ, МКИ5 GOIV1/155. Гидравлический источник сейсмических волн / Андреев В.Н.; Карпов В.Д.; Кошелев Н.В.; Сивков Н.Р.; Яковлев Н.М.; заявл. 30.04.91; опубл. 15.11.94.

48. Пат. 2046029 РФ, МКИ5 В06В1/04. Электродинамический вибратор / Сидоров Э.А.; заявл. 16.04.92; опубл. 20.10.95.

49. Пат. 2062661 РФ, МКИ6 G01M7/06. Электродинамический вибратор / Бузулуков А.Н.; заявл. 08.06.96; опубл. 27.06.96.

50. Пат. 2118806 РФ, МКИ6 G01M7/06. Вибростенд / Бабенко Г.В., Бабешко В.А., Мухин A.C.; заявл. 24.07.96; опубл. 10.09.98.

51. Пат. 2177840 РФ, МКИ7 В 06 В 1/04. Резонансный вибратор / Ивашин В.В., Медведев В.А., Позднов М.В.; заяв. 10.12.99; опубл. 10.01.02, Бюл. № 1; приоритет 10.12.99.

52. Пат. 2253136 РФ, МКИ7 G 01 V 1/02. Наземный электромагнитный вибрационный сейсмоисточник / Ивашин В.В., Позднов М.В., Прядилов A.B.; заяв. 25.02.04; опубл. 27.05.05, Бюл. № 15.

53. Пат. 2254662 Преобразователь постоянного напряжения / Кудинов А.К.; заявл.29.12.03, опубл. 20.06.05, Бюл №17.

54. Пат. 4632215 США, кл. G01V 1/047, G01V1/133. Двухмодульный гидравлический вибратор / Farris Richard С.; заявл. 20.04.84; опубл. 30.12.86.

55. Пат. 4639905 США, GO IV 1/04, GO IV1/00. Двухмодульный вибратор / Goodloe Kent J.; заявл. 03.12.84; опубл. 27.07.87.

56. Пат. Руз №3272 Алимходжаев К.Т. Вибродвигатель с управляемым дебалансом. 1995.

57. Позднов, М.В. "Магнитная пружина элемент перестраиваемых по частотё резонансных колебательных систем / М.В. Позднов // Вестникмолодых ученых: серия технические науки. СПб: издательство СП6ГТУ,2000. - №7. - С.38-45.

58. Позднов, М.В. Определение силовой передаточной характеристики привода электромагнитного вибратора / М.В. Позднов, A.B. Прядилов // Наука производству. - 2004. - №4(72). - С.48-49.

59. Позднов, М.В. Характеристики резонансной вибрационной системы / М.В. Позднов, A.B. Прядилов // Автотракторное электрооборудование. 2004. -№6. - С. 15-17.

60. Потураев В.Н., Франчук В.П. Вибрационные транспортирующие машины. -М.: Машиностроение, 1964. 272 с.

61. Ряшенцев, Н.П. Обоснование принципиальной конструктивной схемы вибросейсмического источника / Н.П. Ряшенцев, В.А. Сухарев// Электромагнитные силовые импульсные системы : сб. науч. тр. -Новосибирск: СО АН СССР, 1982 . С.142 - 147.

62. Саблин, Ю.А. Расчет проводимости и ее производной в электромеханических преобразователях / Ю.А. Саблин // Электромеханика: известия вузов. №6. - 1971. - С.589 - 592.

63. Северенс, Р. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания / Северенс Р., Блум Г. -М.: Энергоатомиздат, 1988. -294 с: ил.

64. Сили, С. Электромеханическое преобразование энергии / С.Сили перев. с англ.- М: Энергия, 1968. 376 с.

65. Симкин, С.А. Исследование динамики и особенностей проектирования автоколебательного вибратора с индукционно-динамическим двигателем для вибрационной сейсморазведки: дис. канд.техн.наук: 05.09.03./ Симкин Семен Аронович. Тольятти, 1981. - 260 с.

66. Смердов, В. Силовые модули на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором / В. Смердов, А. Образцов // Электронные компоненты. 2005 . - №1.

67. Телельбаум, И.М. Электрическое моделирование динамики электропривода механизмов / И.М. Телельбаум, Ф.М. Шлыков. М., 1970. -191 с.

68. Теория и практика наземной сейсморазведки/ под ред. М.Б. Шнеерсона.- М.: ОАО "Издательство "Недра ", 1998.-527с.

69. Тимофеев, В.Ф. Современные гидравлические вибрационные установки / В.Ф. Тимофеев, Г.И. Шварцман // Стандарты и качество. 1966. -№1. - С.68-72.

70. Тимофеев, В.Ф. Современные гидравлические вибрационные установки / В.Ф. Тимофеев, Г.И. Шварцман // Стандарты и качество. 1966. -№2.-С.61-68.

71. Угаров, Г.Г. Импульсные линейные электромагнитные двигатели с повышенными силовыми и энергетическими показателями: дис. . докт. техн. наук.05.09.01./ Угаров, Геннадий Григорьевич.- Новосибирск, 1992. -492 с.

72. Установки для возбуждения упругих колебаний в наземной сейсморазведке/ М.Б. Шнеерсон и др.- Обзор. М.: ВИЭМС, 1985.

73. Флоренцев, С.Н. Состояние и тенденции развития силовых IGBT-модулей // Электротехника.- 2000.- №4.

74. Харкевич, A.A. Электромеханические аналогии / A.A. Харкевич // Журнал технической физики,-1931.- Т.1.- вып. 1 -1.

75. Хвингия, М.В. Динамика и прочность вибрационных машин с электромагнитным возбуждением / Хвингия M.B. М.: Машиностроение, 1980.- 144 с.

76. Хвингия, М.В. Низкочастотные электровибрационные машины / М.В.Хвингия // Серия вибрационная техника под ред. Рагульскиса K.M. Л.: Машиностроение, 1989. - Вып 14.

77. Хвингия, М.В. Паразитные пространственные колебания упругой системы пружины-массы в вибромеханизмах / М.В. Хвингия, Р.И. Парцхаладзе // Труды вузов Лит. ССР, "Вибротехника". 1973. - №3(20). -С.61 -69.

78. Хвингия, М.В. Электромагнитные вибраторы с регулируемой собственной частотой / М.В. Хвингия, Б.И. Ниношвили. Тбилиси: Менцниереба, 1971. - 223 с.

79. Ходжаев, К.Ш. Выбор параметров вибрационных устройств и расчет электромагнитов, предназначенных для возбуждения вибрации / К.Ш. Ходжаев // Вибрационные процессы и машины: справ. / под ред. Э.Э.Лавенделла.- М.: Машиностроение, 1981. Т4. - С. 264 - 267.

80. Ходжаев, К.Ш. Динамика вибрационных устройств с однозазорными электромагнитными вибраторами / К.Ш. Ходжаев. М.: Изд-во АН СССР, 1966. - №3. - С.60-67.

81. Ходжаев, К.Ш. Динамика электровибрационных устройств с двухзазорными вибраторами / К.Ш. Ходжаев // Механика твердого тела, 1966. -№1.-С.27-34.

82. Ходжаев, К.Ш. Синтез электромагнитов, предназначенных для возбуждения вибраций / К.Ш. Ходжаев // Электричество. 1975.- №6.- С.53 -68.

83. Шагинян, A.C. Об эффективности электрогидравлических вибрационных источников сейсмических сигналов: сб. докл./ A.C. Шагинян, В.В. Циммерман, B.C. Гинзбург. Республиканская конференция, посвященная 60-летию Армении.- Ленинакан, 1980.

84. Шагинян, A.C. Развитие конструкций источников сейсмических сигналов и методов их исследования / A.C. Шагинян // сб. науч. тр. Гомельского специального конструкторско-технологического бюро сейсмической техники, ВНИИОЭНГ. М.,1986. -С.4 - 15.

85. Шмитц, Н. Введение в электромеханику / Н. Шмитц, Д. Новотный перев. с англ. М.: Энергия, 1969. - 336с.

86. Шнеерсон, М.Б. Наземная сейсморазведка с невзрывными источниками колебаний / М.Б. Шнеерсон, В.В. Майоров. -М.:Недра, 1980. -205 с.

87. Шнеерсон, М.Б. Некоторые вопросы теории излучателей / М.Б. Шнеерсон //Прикладная геофизика.- вып.79.- М.:Недра , 1975.- С. 5 81.

88. Шукялис, А.-Ч.В. Электромагнитные генераторы механических колебаний / А-Ч.В. Шукялис. JL: Машиностроение, 1985.- 176 с.

89. Электрические измерения: учеб. для вузов/ под ред. A.B. Фремке. -Изд.4-е. JL: Энергия, 1973.

90. Яблонский A.A. и Норейко С.С. Курс теории колебаний. Учеб. пособие для студентов втузов. Изд.З-е, М., «Высш. школа», 1975, 248 с.