Существующие конструкции механизмов подач буровых станков не обеспечивают своевременного изменения режимов бурения, что приводит к быстрому износу и разрушению бурового инструмента. Это происходит из-за того, что переходные процессы, связанные со стохастичным изменением крепости пород, длятся доли секунд, а в свою очередь взаимодействие существующих вращательно-подающих механизмов с системами управления характеризуется большой инерционностью процессов регулирования в связи с большим количеством механических промежуточных элементов. Это приводит к быстрому выводу из строя оснастки бурового инструмента.
В данной работе были произведены расчеты электромеханических характеристик электромагнитного механизма подачи рабочего органа бурового станка [1], связанные с изменением конструктивных параметров силовой статорной обмотки. Все расчеты производились с использованием метода конечных элементов в программе ANSYS [2], которая позволила теоретически определить создаваемое усилие, распределение векторов сил и зон наибольшего взаимодействия.
Расчеты выполнялись с вариацией следующих параметров:
- изменение числа витков соленоида при сохранении конструктивных размеров;
- изменение активной длины силовой статорной обмотки;
- изменение величины тока в силовой статорной обмотке.
При проведении расчетов были заданы конструктивные параметры элементов установки, такие как: длина центральной обмотки возбуждения, длина статорной обмотки, внутренний и внешний диаметр. Все параметры, кроме числа витков, оставались неизменными. Была сделана зависимость усилия подачи от числа витков FА=f(nв). Число витков изменялось от 0 до 3000.
На рисунке 1 показаны векторы направления полей и их силовые параметры, обозначенные в правой части рисунка цветовыми и цифровыми значениями. На рисунке показан условный разрез части обмотки возбуждения и статорной обмотки. Для приведения значений на всю статорную обмотку их необходимо домножить на 500.
Рисунок 1. Графическое изображение распределения полей, и их силовые характеристики.
В таблице 1 приведены рассчитанные значения зависимости FА=f(nв)
Таблица 1 - Рассчитанные показания
|
Число витков, n |
0 |
200 |
500 |
648 |
1000 |
2000 |
3000 |
|
Сила Ампера, Н |
0 |
730 |
9500 |
5500 |
4500 |
710 |
1000 |
После определения числовых значений параметров был построен график зависимости, представленный на рисунке 2, который показывает, что наибольшее усилие дает число витков, равное 500. Это связано с тем, что изменяя количество витков при неизменных размерах обмотки, мы изменяем также диаметр провода, а, следовательно, активное сопротивление обмотки и ток, протекающий в витках. При количестве витков, равном 500, мы имеем оптимальное сочетание этих параметров.
Рисунок 2. График зависимости FА=f(nв).
Проведение данного расчета не достаточно для определения наиболее необходимой конструкции силовой статорной обмотки, поэтому были произведены расчеты на другие параметры.
Для определения зависимости создаваемого усилия от изменения длины силовой статорной обмотки был задан воздушный зазор между обмотками в 1 мм, а длина статорной обмотки изменялась от 100 до 500 мм. В результате расчетов была построена зависимость FА=f(lз), показанная на рисунке 3.
Таблица 2 - Данные при изменении длины зазора
|
Длина обмотки, мм |
0 |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
|
Усилие подачи, Н |
0 |
740 |
1162 |
4060 |
12086 |
20750 |
Рисунок 3. График зависимости усилия подачи от длины статорной обмотки.
При снятии параметров учитывался тот фактор, что число витков в статорной обмотке, примененной в установке, равно 648. Электрические параметры обмотки программа задает автоматически, исходя из конструктивных параметров. Варьируя длину обмотки от 0 до 500 мм, можно сделать вывод, что с силой Ампера зависимость у нее прямая. Поскольку длина обмотки на установке составляет 100 мм, то значение силы составляет 740 Н. При дальнейшем увеличении наблюдается резкое увеличение усилия подачи.
Для построения зависимости создаваемого усилия от тока в силовой статорной обмотке варьировалась плотность тока в обмотке:
i=I·S , (14)
где I - ток протекающий по проводнику;
S - сечение проводника.
В результате чего были получены значения и построен график зависимости между плотностью тока и усилием подачи.
Таблица 3 - Данные по зависимости усилия подачи от плотности тока
|
Создаваемое усилие, Н |
0 |
485 |
968 |
1621 |
3022 |
4750 |
6830 |
9002 |
12000 |
25500 |
|
Плотность тока, А/мм2 |
0 |
0,5 |
1 |
1,5 |
2 |
2,5 |
3 |
3,5 |
4 |
4,5 |
Рисунок 4. График зависимости FА = f(i).
На графике видно, что при увеличении плотности тока происходит увеличение усилия подачи по параболической зависимости. В нашем случае зависимость имеет вид:
, (15)
где i - плотность тока в обмотке;
Pос - осевое усилие;
k - коэффициент пропорциональности, k = 780.
Из формулы (15) следует, что:
. (16)
Так как поперечное сечение обмотки имеет общую площадь 3000 мм2 при количестве витков 648, то площадь поперечного сечения провода составит 4,63 мм2.
Из зависимости (16) через поперечное сечение провода теоретически строится таблица значений токов и усилий (табл. 4) и строится график (рис. 5).
Таблица 4 - Данные по зависимости усилия подачи от тока в обмотке
|
Ток, А |
37 |
52,4 |
60,24 |
74,13 |
78,64 |
|
Усилие подачи, кН |
50 |
100 |
150 |
200 |
225 |
Рисунок 5. Зависимость усилия подачи от тока в статорной обмотке.
При напряжении питания 380 В график потребления активной энергии будет иметь следующий вид (рис. 6).
Рисунок 6. Зависимость потребляемой мощности от усилия подачи.
После проведения расчетов в программе ANSYS и построения графиков зависимости можно сделать вывод, что для повышения эффективности исследуемого типа подачи необходимо увеличивать активную длину силовой статорной обмотки, при этом также увеличивая и ток в ней, а, следовательно, и сечение обмоточного провода.
НИР выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Рецензенты:
- Крушенко Г.Г., д.т.н., профессор, Институт вычислительного моделирования СО РАН, г. Красноярск;
- Михайлов А.Г., д.т.н., профессор, Институт химии и химической технологии СО РАН, г. Красноярск.