Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Методология проектирования адаптивных вращательно-подающих органов буровых станков и технологий их применения в сложноструктурных породных массивах

Шигин А. О., Гилев А. В., Шигина А. А.,

3.3. Определение силовых параметров электромагнитного механизма подачи рабочего органа бурового станка методом численного моделирования

В работе произведены расчеты электромеханических характеристик установки, связанные с изменением конструктивных параметров силовой статорной обмотки. Все расчеты производили в программе ANSYS, которая позволила теоретически определить создаваемое усилие, распределение векторов сил и зон наибольшего взаимодействия.

Расчеты выполнены 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.

Установление зависимости создаваемого усилия подачи от числа витков статорной обмотки. При проведении расчетов 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. Определена зависимость усилия подачи от числа витков PА = f(nв). Число витков изменялось от 0 до 3000.

На рис. 3.16 показаны векторы направления полей и их силовые параметры, обозначенные в правой части рисунка цветовыми и цифровыми значениями. Показан условный разрез части обмотки возбуждения и статорной обмотки. Для приведения значений на всю статорную обмотку их необходимо умножить на 500.

Рис. 3.16. Графическое изображение распределения полей и их силовых характеристик

В табл. 3.8 приведены рассчитанные значения зависимости PА = f(nв).

Таблица 3.8

Рассчитанные показания силовых характеристик двигателя

После определения числовых значений параметров построен график зависимости, представленный на рис. 3.17, 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, равным 500, мы имеем оптимальное сочетание этих параметров.

Рис. 3.17. График зависимости PА = f(nв)

Проведение данного расчета недостаточно для определения необходимой конструкции силовой статорной обмотки, поэтом произведены расчеты других параметров.

Установление зависимости создаваемого усилия подачи от изменения длины силовой статорной обмотки. Для проведения расчета задан воздушный зазор между обмотками в 1 мм, а длина статорной обмотки изменялась от 100 и до 500 мм. В результате расчетов построена зависимость FА = f(lз) (табл. 3.9, рис. 3.18).

Таблица 3.9

Значения усилий при изменении длины зазора

При снятии параметров учитывался тот фактор, что число витков в статорной обмотке, примененной в установке, равно 648 штук. 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 м, то значение силы составляет 740 Н. При дальнейшем увеличении наблюдается резкое увеличение усилия подачи.

Рис. 3.18. График зависимости усилия подачи от длины статорной обмотки

Установление зависимости создаваемого усилия подачи от тока в силовой статорной обмотке. Поскольку используемая программа не имеет возможность задавать значения тока в проводнике и условно принимает коэффициент заполнения поперечного сечения обмотки, равный единице, то было решено варьировать плотностью тока в обмотке

i = I∙S,

где I – ток протекающий по проводнику; S – сечение проводника.

В результате получены значения и построен график зависимости между плотностью тока и усилием подачи (рис. 3.19, табл. 3.10).

Таблица 3.10

Значения зависимости усилия подачи от плотности тока

На графике видно, что при увеличении плотности тока происходит увеличение усилия подачи по параболической зависимости. В нашем случае зависимость имеет вид

(3.10)

где i – плотность тока в обмотке; Pос – осевое усилие; k – коэффициент пропорциональности, k = 780.

Рис. 3.19. График зависимости FА = f(i)

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 (3.10) по значениям поперечного сечения провода определены значения токов и усилий (табл. 3.11) и построен график (рис. 3.20).

Таблица 3.11

Значения зависимости усилия подачи от тока в обмотке

Рис. 3.20. Зависимость усилия подачи от тока в статорной обмотке

При напряжении питания 380 В график потребления активной энергии (мощности) будет иметь следующий вид (рис. 3.21).

Рис. 3.21. Зависимость потребляемой мощности от усилия подачи

Проведенные расчеты в программе ANSYS и построенные графики зависимости показали, 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.

Выводы

1. Экспериментальные исследования позволили предложить конструкцию адаптивного механизма подачи рабочего орана в забой скважины с электромагнитным устройством, обеспечивающим своевременное управление режимными параметрами процесса бурения.

2. Произведены расчеты электромеханических характеристик предложенного устройства, связанные с установлением рациональных конструктивных параметров ее силовой статорной обмотки. Расчеты проведены с использованием программы ANSYS, которая позволила определить создаваемое усилие, распределение векторных сил и зон наибольшего взаимодействия электромагнитных характеристик линейного электродвигателя.

3. Установлена зависимость осевого усилия подачи бурового става от числа витков статорной обмотки, свидетельствующая, что его максимальное значение обеспечивается при числе витков, равном 500.

4. Установлена прямо пропорциональная зависимость осевого усилия подачи бурового става от изменения длины силовой статорной обмотки линейного электродвигателя.

5. Установлена прямо пропорциональная зависимость осевого усилия подачи бурового става от изменения тока в силовой статорной обмотке линейного электродвигателя.

6. Проведенные расчеты в программе ANSYS показали, что для повышения эффективности исследуемого электромагнитного вращательно-подающего механизма рабочего органа бурового станка необходимо устанавливать рациональные параметры тока, длины и сечения статорной обмотки линейного электродвигателя.