Использование мощных энергетических установок не только на производстве, но и на всех видах транспорта неизбежно приводит к возникновению вибрации. Вибрация отрицательно влияет на надежность, долговечность самих машин, на сооружения, аппараты, в которых они установлены, а также на системы автоматического управления. Нередко, что вибрация является одной из причин аварий. Наиболее остро проблема виброзащиты стоит в автомобилестроении, судостроении, где в качестве энергетических установок используются двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Низкочастотные колебания, создаваемые ДВС, наиболее вредны для человека, вызывая различные заболевания. Поэтому на сегодняшний день борьба с механическими колебаниями (вибрацией) является одной из важнейших задач.

Результаты исследования и их обсуждение

Существует множество способов уменьшения вибрации – это динамическое уравновешивание двигателей, применение динамических гасителей колебаний, активные виброзащитные системы с дополнительным источником вибрации и т.д. Наибольшее распространение получила виброизоляция, выполняемая в виде резинометаллических амортизаторов. Однако, отличаясь простотой и надёжностью, такие виброизоляторы малоэффективны, так как снижение их коэффициента жёсткости с целью уменьшения передаваемых динамических усилий приводит к увеличению относительных перемещений ДВС и сочленяемого с двигателем оборудования. Этого недостатка лишены виброизоляторы с «плавающим» участком нулевой жёсткости. Применение виброизолирующих устройств с плавающим участком нулевой жёсткости [1] является наиболее перспективным методом снижения уровней вибрации, принцип действия которых изображен на рис. 1.

В таких виброизоляторах параллельно упругим элементам включены перестраивающиеся компенсаторы жёсткости, имеющие падающую силовую характеристику (отрицательный коэффициент жёсткости) (рис. 2).

Рис. 1. Силовая характеристика перестраивающегося виброизолирующего механизма

Рис. 2. Характеристика виброизолятора с компенсатором жесткости: 1 – упругого элемента; 2 – компенсатора жесткости; 3 – виброизолятора

На сегодняшний день разработано большое количество конструкций компенсаторов, однако они не отвечают современным требованиям виброизоляции. Из известных наиболее эффективным следует считать электромагнитный компенсатор жёсткости (ЭКЖ) [2, 3], так как он наиболее полно отвечает требованиям идеальной виброизоляции как при постоянных по величине, так и при произвольно меняющихся нагрузках. Конструктивно ЭКЖ – два встречно включенных электромагнита, обеспечивающих устройству падающую силовую характеристику, что позволяет корректировать жёсткость виброизолятора в целом. На основе [2, 3, 4] можно изготовить виброизолятор с электромагнитным компенсатором жесткости с учетом описанной специфики. Для этого сделаем вывод методики для расчета катушек электромагнитов постоянного тока, подходящих под конструкцию компенсатора жесткости. На рис. 3 изображена катушка электромагнита постоянного тока с заданными параметрами намотки: R_вн – внутренний радиус катушки, см; R_витка – радиус витка, см; R_внеш – внешний радиус катушки, см.

Рис. 3. Модель катушки электромагнита постоянного тока

Для расчета катушки электромагнита постоянного тока зададимся исходными параметрами [4, 5]: d_пров – диаметр витка, см; N_витков – количество витков; ∑l_витков – суммарная длина витков, см.

Для расчета одной катушки электромагнита постоянного тока представим зависимость

N_витков∙d_пров = 2π∙R_вн. (1)

Из формулы (1) получим

(2)

Длина одного витка рассчитывается по формуле

(3)

Радиус витка определяется из выражения

(4)

Для расчёта площади, занимаемой катушкой, определим радиус и длину средней линии:

R_{ср.линии} = R_витка + R_вн; (5)

l_{ср.линии} = 2π∙R_{ср.линии}. (6)

Общая площадь определяется по формуле

S = π∙R². (7)

Пусть заданы параметры

d_пров = 0,0425 см;

N_витков = 2100;

∑l_витков = 12500 см.

Основываясь на формулах (1)–(7), проведем расчет катушки электромагнита постоянного тока:

S = 2,82 см2.

Заключение

Представленные методика и расчет катушек электромагнитов будут использованы при проектировании макета виброизолятора с электромагнитным компенсатором жесткости, применение которого позволит максимально снизить уровни вибрационных колебаний на транспортных средствах и производствах.

Рецензенты:

Алиферов А.И., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой автоматизированных электротехнологических установок (АЭТУ), НГТУ, г. Новосибирск;

Щуров Н.И., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой электротехнических комплексов (ЭТК), НГТУ, г. Новосибирск.

Работа поступила в редакцию 05.08.2014.