IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

В непрерывный процесс совершенствования машины сегодня вовлекаются все новые и новые технологии, позволяющие улучшить механическую часть машины, создавать новые материалы, повысить точность изготовления деталей. Все это приводит к повышению рабочих характеристик и ресурса всей машины. Одним из главных векторов совершенствования энергетических и транспортных систем в направлении повышения их работоспособности стала интеллектуализация узлов машин. Такие элементы машин принято называть мехатронными, т.е. в которых имеется механическая часть для выполнения основной функции, измерительная часть, система контроля и система управления.

Обеспечение удовлетворительной работы ротора в любом двигателе (стабильность вращения, приемлемый уровень вибраций, передача внешней нагрузки на корпус) обеспечивается подшипниками. Актуальность постоянного совершенствования опорных узлов роторов определяется весомостью повреждений всей машины вследствие внезапных или постепенных отказов опорных узлов. Неправильный выбор или ошибочное проектирование подшипника может приводить к поломке всего роторного агрегата и выходу из строя всей машины.

На данный момент наиболее совершенным типом подшипников является магнитный подшипник.

Магнитный подшипник — элемент опоры осей, валов и других деталей, работающих на принципе магнитной левитации. (Левитация (в физике) — это устойчивое положение объекта в гравитационном поле без непосредственного контакта с другими объектами.) В результате опора является механически бесконтактной. В целом различают пассивные и активные магнитные подшипники.

Пассивный магнитный подшипник - устройство поддержания ротора без механического

контакта за счет сил магнитного поля без использования

управления с обратной связью. В силу технологического несовершенства на практике применяются редко.

Активный магнитный подшипник - это управляемое электромагнитное устройство, которое удерживает ротор в заданном положении относительно статора. Магнитные силы притяжения, действующие на ротор со стороны электромагнитов, управляются с помощью электронной системы управления.

Поэтому конструктивно АМП состоит из двух основных частей: подшипника; электронной системы управления.

Активный магнитный подшипник является классическим мехатронным объектом, который практически не имеет базовых недостатков, присущих подшипникам качения и скольжения. В таком подшипнике центрирование ротора и передача нагрузки на корпус идет за счет активного магнитного поля, напряженность которого регулируется контрольной системой в зависимости от перемещений ротора, фиксируемых датчиками перемещений. Такие повышенные характеристики работоспособности и безопасности имеют на порядки выше стоимость по сравнению со стандартными подшипниками из-за высоких требований точности и быстродействия элементов контрольно-измерительной системы. Высокая стоимость, большие радиальные габариты, сложность монтажа обуславливает применение активных магнитных подшипников только в самых ответственных узлах энергетических и транспортных машин.

Применение магнитных подшипников за счет увеличения частоты вращения повышает производительность и снижает весогабаритные показатели. В случаях, когда к перекачиваемой среде предъявляются высокие требования по чистоте, являются практически единственно возможным типом опор.

Используются в широком диапазоне частот вращения, мощностей, давлений, температур.

Активные магнитные подшипники отвечают требованиям широкого диапазона промышленного применения. Они охватывают большой диапазон грузоподъёмности, от нескольких ньютонов, до осевых подшипников, с несущей способность более 30 тонн. Для подвешивания валов гидротурбин длиной до 8 метров. Соответствующая силовая электроника с цифровым контролем — от нескольких ампер при 48 В постоянного тока до 30 А при 300 В переменного тока, и на трубопроводных компрессорах мощностью 30 МВт.

АМП могут эффективно применяться в следующем оборудовании:

- турбокомпрессоры и турбовентиляторы;

- турбомолекулярные насосы;

- электрошпиндели (фрезерные, сверлильные, шлифовальные);

- турбодетандеры;

- газовые турбины и турбоэлектрические агрегаты;

- инерционные накопители энергии.

При шлифовании отверстий малого диаметра для обеспечения надлежащих скоростей резания требуются весьма высокие скорости вращения шлифовальных шпинделей. Так, при шлифовании отверстий диаметром 5 мм шпиндель должен иметь скорость вращения 200 000 об/мин, чего не могут дать фрезерные головки с контактными подшипниками.

Электрошпиндели(фрезерные, сверлильные, шлифовальные). Повышение на основе магнитных подшипников частоты вращения существенно увеличивает производительность оборудования и улучшает чистоту обработки. Перспективной является возможность комбинированного движения инструмента (микродолбежка при сверлении, микроколебания при шлифовании), что существенно повышает технологические возможности оборудования. Сфера применения - высокопроизводительные прецизионные металлообрабатывающие станки.

Плюсы МП:

- высокая механическая прочность;

- высокая грузоподъемность;

- возможность использования в особых условиях (при большой частоте вращения до 100 000 об/мин, в вакууме, в зонах огромного давления, в стерильных условиях);

- высокая точность позиционирования оси ротора до 0,5 мкм;

- относительно низкое энергопотребление;

- устойчивая неконтактная подвеска тела;

- высокая экологичность.

Минусы МП:

- высокая стоимость изготовления;

- интенсивный нагрев обмотки; большая металлоемкость;

- достаточная сложная система управления внутренним магнитным полем.

Исходя из выполненного анализа, следует, что магнитные подшипники с успехом можно использовать в электрошпинделях и фрезерных головках с частотами вращения до 50000 1/об. Для этого необходимо разработать соответствующую систему управления.

В настоящее время на станкозаводе “Техника” в городе Владимире ведется активная работа по созданию активных магнитных подшипников для шпинделей особо точных шлифовальных станков.

Код для цитирования: Скопировать