автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка и исследование намоточного механизма с магнитоэлектрическим приводом и микропроцессорным управлением

3 ^скт-ПЕТЕРБУРГШИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ — - УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГИИ И ДИЗАЙНА

На правах рукописи УДК 677.057.1:621.313.13.014.2

АДДАСИ ИМАД САЙД

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ НАМОТОЧНОГО МЕХАНИЗМА 4 С МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ И МИКРОПРОЦЕССОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Специальность 05.02.13 - Мавини и агрегату

легкой промышленности

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕ'1 ЕРБУРГ

1993

Работа выполнена в Санкт-петербургски,: государственном университете технологии и длзайна.

Научтш руководитель:

Официальные оппонеихи:

Ведуиая организация:

-корреспондент Акацоыии Наук Висией пшолы, доктор технических наук, профессор Толкачев Э.А.

доктор технических наук, профессор Поляков В.К.

кандидат фезико-математиче-ских наук, профессор-

романов Ы.О.

АО "Ленформап", г.С.-Петербург

Член

Засзта диссертации состоится 25 января 1994 г. в 14.СО часов на заседании специализированного Совета Д.053.67.02 при Санкт-Петербургском государственном университете технологии п кизаГгна, ауд.241,-

Адрес'университета: 191065, Санкт-ПатерОург, ул.Б.Корская, д. 18.

С диссертацией мокко ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан " " 1993 г.

Ученый секретарь

специализированного Совета, /

доктор технический наук, профессор ^7/ Л.Н.Никитина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ. Ориентация промышленности на путь рыноч-зго интенсивного развития с использованием научно-технического эоцесса затрагивает все сферы научной и производственной дея-эльности. Большое значение при этом приобретает внедрение сов-зменной вычислительной техники, математическое и физическое монтирование, разработка САПР и другие факторы, определяющие эовень принятия научных и технических решений. В промышленности зоизЕодства химических волокон необходимо тякке внедрение эиер->- и материалосберегающих технологий и механизмов с учетом трэ-)ваний, предъявляемых конкретншли процессами. Эти требования гределяются во многом взаимосвязанными динамически,и процес-1ми, накладывающими сбои условия на основные этапы проектирова-1я отдельных механизмов и всего оборудования в целом.

Интенсификация работ в данном направлении требует развития подов анализа физических процессов, построенных на их основе тематических моделей динамики, создания проблемно-ориентиро-нпшх методов анализа математических моделей, разработку соот-1тствукщих моделей САПР и программного обеспечения научно-тех-¡чоских исследований узлов и механизмов машин по производству гмических волокон и, в частности, приемно-намоточных моханиз-

1В.

На основании вышесказанного является особешю актуальной >дача разработки и исследования бесфрикционшх приемно-намоточ-IX устройств (БПНУ), отвечающих требованиям высокой производи-■льности, надежности и высоких энергетических показателей.

Данная диссертационная работа п жягдена вопросам разработ-: и исследования БПНУ с магнитоэлектрически приводом (СДПМ) в шинах по производству химических волокон и применением микро-оцессорной техники. Тематика работы соответствует плана?,! на-но-псследовательских работ кафедры электротехники и прожшлен-й электроники (ЭиПЭ) Санкт-Петербургского государственного иверсктета техноло^-ш и дизайна ^'ПГУТД) н рекомендациям Мастерства высшего образования Иордании. Выполюниая работа кя:о соответствует рекомендациям Всесоюзной научно-технической

конференции "Создание прогрессивного оборудования для производства химических волокон (ВНИЖСЗ, г.Чернигов).

№--1Ь и задачи исследований. Главной целью работы является разработка научно-обоснованных рекомендация по исследованию, расчету, проектированию и созданию бесфрикционных приемно-намо-точных устройств с магнитоэлектрическим приводом бобинодержателя для машин по производству химических волокон с .ликропроцессорным управлением.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Развитие существующих, а также создание качественно новых направлений развития приемно-намоточных механизмов для машин по производству химических волокон на базе 1есфрикицониых устройств с синхронным двигателем с возбувдением от постоянных магнитов (СДПМ) для привода бобинодержателя с использованием микропроцессорной техники в системе управления.

2. На оспове общей теории нелинейных моделей приемно-намоточных механизмов создание математической модели БПКУ с магнитоэлектрическим приводом.

3. Разработка методологических вопросов единого подхода к анализу и синтезу для ББНУ с разными приводами.

4. Исследование разных режимов работы БЮ с СДПМ, с синхронно-реактивным и асинхронным двигателями для иллюстрации возможностей предложенных методик анализа и синтеза.

5. Разработка универсальной модели для комплексного сравнительного анализа различных приводов намоточных устройств (АД, СРД и СДПМ).

6. Разработка новых конструкций . специальных элементов приводов БПНУ для управления их работой, контроля и экспериментального исследования.

7. Исследование влияния параметров привода и механизма на количественные и качественные показатели, а также выявление факторов, определяющих качественную сторону явлений при динамических и статических режимах.

Основные методы научных исследований. В процессе решения вставленных в диссертации задач использовалась комплексная ме-эдика исследования, объединяющая методы теоретического анализа различные виды экспериментальных исследований, включающих магматическое моделирование и натурный эксперимент. При решении адач математического моделирования использовались классические етоды дифференциального исчисления, а также методы численного ешения нелинейной системы дифференциальных уравнений при помощи овременной ЭВМ типа IBM PC. Теоретические положения подтвержде-ы экспериментальными исследованиями на натурных моделях приво-,ов намоточных механизмов.

Научная новизна диссертации подтверадается рассмотрением и шением следующих вопросов, не затронутых в процессе разработки [ исследования известных бесфрикционных приемно-намоточных уст-гайств:

разработана математическая модель динамических процессов в ;пну с СДПМ в виде систем дифференциальных уравнений, описываю-цих как электромагнитные, так и механические процессы устройства ммотки;

разработана новая конструкция БПНУ с СДПМ и микропроцессорным управлением;

выполнены расчеты для рационального проектирования синхронных двигателей с возбуждением от постоянных магнитов для привода БПНУ;

разработана новая конструкция БПНУ с СДПМ (положительное решете но заяЕке Jt 5030224/12) и измерительным диском для бесконтактного измерения натяжения нити.

разработана новая конструкция БПНУ с СДПМ (положительное решение по заявке Я 5035410/12) с измерительным диском особой конструкции для измерения диамьтра паювки и контроля натяжения нити.

Практические результаты работы состоят в следующем:

разработанная мьгематическаг модель босфрикционного прием-но-намотсчного устройства с магнитоэлектрическим приводом с „четом параметров наматываемой нити доведена до рабочей программы для расчета динамических процессов в таких механизмах;

выполнены расчеты для рационального выбора параметров проектирования магнитоэлектрического привода бесфрикционнот приемно-на/ юточного механизма:

разработаны новые конструкции БПНУ с СДПМ и измерительны», дисками;

разработаны рекомендации по проектированию и наладке БПНУ СДПМ и микропроцессорным управлением;

результаты работы частично внедрены в учебный процесс н кафедре ЭиПЭ СПГУТД.'

Апробация работы. Основные положения и результаты доложен и обсуждены:

- на международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электротехнолог.гл", г.Иваново, 1992 г.;

- на научно-технической конференции студентов и молода ученых "Дни науки-93", СПб, 1993 г.;

- на научных семинарах кафедры ЭиПЭ СПГУТД, 1990-1993 гг.

Публикация. П<У результатам выполненных исследований опубликовано четыре печатных работы, а также получено два положительных решения на заявки на .изс^ретение.

Объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 121 страницах машинописного текста, иллюстрированного 81 рисунками, списка использованной литературы из 117 наименований и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

¡Зо введении приводится краткий обзор проблема, определяется структура диссертации в целом, обосновывается актуальность избранной теш, указывается новизна и практическое значение полученных результатов.

£ первой главе диссертационной работы проводится обзор современного состояния приемно-намоточных устройств в текстильной • промышленности и промышленности химических волокон.

Проведенный анализ существующих конструкций и работ, относящихся к ПНУ текстильного оборудования показывает недостаточные разработки и исследования БПНУ с СДШ, особенности которых могут устранить в какой-то мере недостатки существующих БПНУ.

В результате проведенного обзора теоретических работ и разработок намоточных устройств, критического анализа существующих наиболее перспективных технических решений ПНУ и их узлов, принципов регулирования скорости приема волокна и контроля качества намотки сформулирована общая цель диссертационной работы и поставлены конкретные задачи ее реализации.

Вторая глава посвящена теоретическому анализу работы приводов БПНУ. На базе систем нелинейных дифференциальных уравнений построена математическая модель, описывающая работу приемно-намоточных устройств с магнитоэлектрическим приводом. Полученная система дифференциальных уравнений имеет некоторые характерные особенности, например, переходные процессы, возникающие при работе кагнитоэлэктрического привода, включают в- себя комплекс взаимосвязанных процессов различной физической природы: быстро-протокающие электромагнитные процессы и относительно медленные процессы механизма намотки нити. Учитывая вышесказанное, изложены вопросы моделирования и анализа как установившихся, так и переходных процессов в механизмах намотки штей с магнитоэлектрическим приводом. Приведено численное решение данной модели на базе методов численною интегрирования.

С целью выполнения расчетов динамики, статики и рациональных параметров БПНУ построена, с учетом общвпршштих обозначений и допущений, следующая универсальная математическая модель в относительных единицах:

7 sin 0 + w <l>q ;

d<!>„ г аг„„ф„ г х ф_

'q rq *q aqvrq

— ---5- +-5- + 7 eos 9 - u <1)4 ;

di xx-jrxx-jr qrq aq q rq aq

dí *dxrd - 4d *dxrd " xdxrd " 4d

rrdxd V rrd*adeO

Ы 2;d zrd - xd xrd xd xrd

dil> . г я Ф г 1Ф

Trd rq aqTq rqqYrq

dí J? T — ОТ* T T —

rqq aq rq q aq du Г f xaqVrq f Xrq Xrd "j

dt " I I " - l - 4q xrdxd - J td<j>q *

JadVrd ^ Jrd e0 4>q j? "б &Í 1 f J "g ^

+ Vd - + Wd - 4a J 3 " 0 P6 W dt J i P<3 J '

d6

— = a - и ,*

dt —~~

dî- * - - ' - ••

e а r e v 1 1

dt l T¿>>6 [ e + Т/э 1 + E^ J

где

äj ль u г * Аъ

dt 8 (.ax

f Ь 2 Г

[ — (4t -9 - v+ w J;

<5 Г г f u 1 -T

- — - ®r ♦ lffo * -^ F 10* r +

0 P6 [ 2 x [ 0 2 cos p x) ц

(с J^P^H* (»p* c/pp f [ ®х] £

UP f yp •) Dx f vp Dx

л а

Dx =

crc

( <■£ t

9 - 9о к* W •

Система дифференциальны^ уравнений решалась на ПЭВМ типа IBM PC/AT с использованием метода численного интегрирования Рун-ге-Кутта четвертого порядка с автоматическим выбором шага.

Разработанная система дифференциальных уравнений является универсальной моделью, так как она описывает работу БПНУ не только с СДПМ, но и с СРД или АД. На основе этого в этой же главе выполнены расчеты БПНУ с СДПМ, СРД и АД. Некоторые результаты расчетов представлены на рис. 1.

В данной главе проведен сравнительный анализ выполненных исследований и расчетов приводов БПНУ с различными типами двигателей, на бизе которого разработаны рекомендации по проектированию различных приводов БЕНУ.

Полученные математические модели и программы могут служить основой методики расчета как статических, так и динамических режимов работы приводов БПНУ, и также могут быть использованы в качестве подпрограмм в САПР таких механизмов.

Третья глава посвящена теоретическому исследованию и анализу работы приводов БПНУ в статическом режиме.

Рассмотрены особенности приводов, ■ используемых в текстильной промышленности со специальными синхронными двигателями с возбуждением от постоянных магнитов. •

На основе известных схем замещения получена обобщенная модель в виде схемы замещения, описывающей работу как магнитоэлектрических двигателей, так и асинхронных и синхронно-реактивных двигателей.

Разработаны обобщенные модели для сравнительного анализа приводов ШНУ: матричная модель СДПМ-привода и СРД-привода, обобщенная схема замещения с учетом изменения температуры и с учетом условий частотного регулирования. На рис.2 построены кривые, полученные на основе этих схем.

Рис. 1.

м

2

3

1

0.5

1.5 2 £

Рис. 2.

В этой же главе получены условия устойчивой работы для синхронно-реактивных двигателей и для СДПМ, причем эти условия являются необходимыми и достаточными условиями устойчивости:

А < О ; В < О ,

1. Для срд-привода

а1 = " V

В = - 02 + уа| - 4 (а^ + а4)(а1 + а4; ; ■

■ V «г = " аз " V <£' '

а4 = «О + ' <4 <ч-

в

2. Для СДПМ-привода: А = 4 (Ъ| - ф - ь4 ; В = г- Ь4 + /Г; / 2 ГЬ6 - V ; »1 = - Гг2 - ХДсо2; / и^ - г е01чГг2 + / и^гУ

Ь4 = - 2 ггыЕе0 / ит - Хчо)ве0Гг2 + х^ф / итай -ьб = ис(гг хди2;2/^ - 1,ч) + %е20г(г2 ♦ х2и2;/итгх{1 - х^

Разработана принципиальная схема системы автоматического регулирования скорости привода и БПНУ программного типа с применением микропроцессорной техники.

Разработанные схемы и выражения могут служить основой исследования и сраЕ штельного анализа приводов различных типов в системах машин по производству химических волокон.'

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию намоточных механизмов (НМ). Приведены методика исследования работы привода НМ, электрическая схема привода НМ с электроверетеном при частотном регулировании, электрическая схема привода прядильного диска намоточного механизма и описание этих схем.

В этой же главе приведены исследование и анализ результатов эксперимента по работе с элек^роверетеном и с синхронно-реактивным двигателем при питании как от машинного, так и .от тиристор-ного перобразователя частоты. В качестве последнего был исполь-.зован преобразователь частоты типа ТПЧ-15. А для точного измерения скорости вращения привода использовался цифровой частотомер типа 43-33.

Проведен сравнительный анализ результатов приведенных расчетов и выполненного эксперимента для СРД.

В пятой главе диссертационной работы приведены результать' разработки БПНУ со специальными элементами приводов намоточны* механизмов для контроля и управления их работой.

Разработано устройство для намотки нити на бобину с измерительным диском (положительное решение по заявке Я 5030224/12).

Разработано еще такое устройство только с измерительным диско;/, особой конструкции, показанное на рис. 3 (пололитель .ое решение по заявке а 5035410/12).

Существенным отличием данного диска является применение активной зоны с криволинейной границей и упругой связью между секторами 1, 2, образующими измерительный диск, что дает возможность бесконтактного оперативного контроля за натяжением нити и скоростью ее приема посредством измерительного преобразователя (индукционного датчика 3). Измерительный диск имеет две активные зоны, каздая из которых образована двумя секторами, соединенными упругой связью с постоянной жесткостью, причем один сектор образует прямолинейную границу активной зоны и закреплен на валу . приводного электродвигателя 4, а второй, криволинейный,, закреплен на валу бобинодеркателя таким образом, что оба сектора вращаются в одной плоскости и образуют измерительный диск. Сектора при возрастании момента сопротивления на валу бобинодержателя

г

РИС. 3.

из-за роста диаметра паковки сближаются, но форма криволинейной границы выбрана таким образом, чтобы ширина активной зоны по дуге на радиусе наматывания при сближении секторов оставалась постоянной, если натяжение наматываемой нг-и не изменяется.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДИ ПО РАБОТЕ

1. На основании анализа существующих БПНУ разработаны но-< вые конструкции с СДПМ и микропроцессором.

2. Разработана математическая модель БПКУ с СДПМ с учетом изменения момента инерции и диаметра паковки.

3. Разработана единая обобщенная математическая модель, описывающая работу БПНУ с приводами пременного тока (с СДПМ, СРД и АД). В данной модели учитывается изменение момента инерции, момента на валу двигателя и условия частотного регулирования.

4. Разработаны обобщенные модели приводов К,! для машин по производству химических волокон (схема замещения с учетом изменения температуры и с учетом условий частотного регулирования и матричная модель).

5. Аналитически строго доказано, что формирование базы данных по характеристикам приводных двигателей следует осуществлять на основании нслуче11яых нами более полных, чем ранее существовавшие в литературе, требований, обеспечивающих необходимые и достаточные условия устойчивой работы приводов намоточных механизмов .

6. Предложена принципиальная схема управляющего устройства БПНУ с микропроцессорным управлением.

7. Выполнен натурный эксперимент по работе приводов намоточных механизмов при питании как от МПЧ, так и от ТПЧ.

8. Разработаны рекомендации по проектированию ТПЧ для БПНУ с СДПМ п. СРД.

9. Разработан специальный элемент для контроля скорости намотки, сигнал которого мо:й;о использовать для управления многофазными двигателям;: приводов бобинодержателей (псшмкт&льнов решен 1в по заявке Л 5030224/12).

10. Разработано устройство для намотки нити на бобину с особым измерительным диском, даюцим, с высокой точностью, информацию о скорости намотки и натяз:онии Ш1ТИ, используемую для ре-

гулирования скорости намотки (положительное решение по заявке Л 5035410/12).

11. Использование БПНУ с СДПМ позволит иметь лучшие энергетические показатели всего текстильного оборудовать (в частности КПД, cos ф и т.п.) и, следовательно, является продвижением к энергосберегающей технологии.

QcHOF"OB содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Толкачев Э.А., Аддаси И.С. Исследование динамики магнитоэлектрического привода бесфрикционных механизмов на ЭВМ./ Тез. докл. научно-технической конференции студентов и молодых ученых. - СПб, СПГУТД, 1993, с.25.

2. Толкачев Э.А., Аддаси И.С. Вентильный электропривод машин по производству химических волокон. / Тез. докл. международной научно-технической конференции. - Иваново, 1992, с.79.

3. Толкачев Э.А., Аддаси И.С. Моделирование динамики намоточных механизмов с магнитоэлектрическим приводом. Технология текстильной промышленности, № 3, 1993, с.86-87.

4. Толкачев Э.А., Аддаси И.О. Влияние изменения температуры на характеристики обращенных встроенных электроприводов маиин для формования волокна. В сб.: Автоматизированное проектирование систем управления технологическими процессами текстильной и легкой промышленности. - СПб, СПГУТД, 1993.

5. Решение о выдаче -A.c. по заявке 5030224/12. от 28.02.92. Устройство для намотки шти на бобину. Толкачев Э.А., Аддаси И.С.

6. Решение о выдаче A.c. по заявке 5035410/12. от 01.04.92. Устройство для намотки нити на бобину. Толкачев Э.А., Аддаси И.О.

Подписано к печати 24.12.93 г. Формат бОхО^Лб. Печать офсетная, Уч.-изд.п.1,0. Уеп.печ.п.0,93 г. Заказ Л2? Тираж 100 зкэ. Бесплат-.

Лицензия

но

Оригинал подготовлен в РИО СПГУТД Отпечатано на ротапринте СПГУТД 191028, С.-Петербург, ул.Моховая,26