Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Автоматизация, повышение производительности и надежности вакуумно-технологического оборудования электронной техники, развитие техники эксперимента, ядерных и космических исследований определили качественно новый уровень требований к исполнительным механизмам и, в частности, к вакуумной коммутационно-регулирующей аппаратуре с электромеханическим приводом [1], состоящим из электродвигателя (ЭД) и передаточного механизма – редуктора.

Важным этапом при проектировании технических объектов является выбор вариантов конструкции из множества конкурирующих.

Выбор типа ЭД осуществляется на этапе технического предложения, анализируя техническое задание на привод [2].

К основным типам ЭД относятся – двигатели постоянного тока: с параллельным, последовательным, смешанным и независимым возбуждением переменного ток; асинхронные с короткозамкнутым и полым ротором; синхронные – реактивные, редукторные и с расщепленными полюсами; универсальные и шаговые [3].

С позиции системного подхода оптимальный выбор ЭД определяется отношениями между типами ЭД и системными характеристиками: функцией ЭД – F, внешней средой, описывающей условия функционирования ЭД – Н3, условия эксплуатации ЭД – Н2, функциональные и экономические требования – Н1, Н4 и свойствами ЭД – Z.

Функция F ЭД характеризует вид и характер движения выходного звена: вращательное, линейное, дискретное, регулируемое и нерегулируемое (f1, f2, f3, f4, f5). К условиям функционирования Н3 относятся такие факторы, как вид среды Н31, температура Н32, влажность Н33, давление Н34, вид соединения ЭД с внешним объектом Н35 (фланцевое Н351, на лапках Н352, специальное Н353), ориентация в пространстве Н36 (ограниченная Н361, неограниченная Н362) и др.

Эксплуатационные требования Н2 содержат: режим работы Н21 (длительный Н211, кратковременный Н212, повторно-кратковременный Н213), характер изменения нагрузки Н22, ресурс Н23, наработку на отказ Н24, ремонтопригодность Н25, безопасность Н26 и др.

Функциональными требованиями Н1 являются: мощность Н11, частота вращения Н12, момент инерции ротора Н13, номинальный крутящий момент Н14, пусковой момент Н15, питание Н16, отношение пускового момента к номинальному Н17, габариты Н18, масса Н19 и др.

К экономическим требованиям Н4 относятся: стоимость Н41, серийность Н42, затраты на эксплуатацию Н43 и др.

Свойства Z ЭД включают: частоту питания – Z1, КПД – Z2, ток статора – Z3, ток возбуждения – Z4, ток якоря – Z5 и др.

На рис. 1 представлен мультиграф связей при выборе ЭД, в котором вершинами являются тип ЭД и обобщенные факторы выбора, а дугами – отношения между ними.

Рис. 1. Мультиграф связей при выборе типа ЭД

Множество типов ЭД – Y находим разбиением признака «способ действия»:

Y = {y1, y2, …, y10}, (1)

где yi (i = 1,2,…,10) – соответственно двигатели постоянного тока с последовательным, параллельным, смешанным и независимым возбуждением; переменного тока асинхронные однофазные, универсальные, трехфазные и тихоходные; синхронные – редукторные и шаговые.

Анализ параметров множества Hi показывает, что существует множество, зачатую противоречивых условий и факторов выбора типов ЭД. Вместе с тем выявлены инвариантные для всех типов ЭД параметры факторов и условий выбора, представленных в табл. 1. Основной задачей при выборе является установление логических зависимостей между типами ЭД и значениями или интервалами значений hi параметров множеств Hi, то есть необходимо найти такое выражение Т, что:

Т: hijs (Hij) → Yp, Yp Y, ⊂ (2)

где i=1,2,3,4, j=1,…,t(i), s=1,…,r(ij), P=1,2,…10.

Формализация выбора типов ЭД осуществлена с помощью таблицы соответствия Т (Н, Y) (табл. 1), в которой параметр Hiy, имеющий r(ij) значений, представляется r(ij) булевскими переменными Xs (s=1,…, r(ij), где Xs (Yp)=1, если Т(hijs)=Yp и Xs (Yp)=0 если Т(hijs)≠Yp.

Выбор типа ЭД осуществляется по исходным данным в техническом задании на электромеханический привод, используя разработанную табл. 1, формализующую процедуру выбора. Под I подразумевается выполнение требования данным типом.

Выбор ЭД возможен при его соответствии заданным градациям условий и факторам выбора.

Таким образом, существуют множество, зачастую противоречивых условий и факторов выбора ЭД, поэтому, важное значение имеет анализ их связей с типами ЭД и взаимосвязей между собой. На основе анализа строят табл. 1, представляющую собой булеву матрицу. По столбцам располагаются условия и критерии выбора, по строкам – типы ЭД. Условия и критерии выбора имеют градации, определение которых является одним из трудоемких процессов в связи с необходимостью максимального уменьшения дублирования исходных данных и обеспечения их полноты. Затем в таблице устанавливают логические зависимости между условиями и критериями выбора и типами ЭД: в случае соответствия типа ЭД и градации критерия на пересечении i-го столбца и j-й строки ставится «1» (истина), иначе – «0» (ложь).

Выбор ЭД по значениям параметров его свойств дает некоторое множество ЭД, удовлетворяющих этим значениям, поэтому необходимо провести параметрический анализ, позволяющий определить наилучший ЭД среди всех, удовлетворяющий ТЗ.

Таблица 1

В качестве интегрального критерия выбора примем функцию расстояния пространственных критериев:

, (3)

где Ki – коэффициент весомости i-го параметра, показателя качества; Zij – нормирование значение показателя качества Hi варианта ЭД с индексом j; Zin – нормированное значение показателя качества Hi гипотетической идеальной параметрической модели ЭД. Минимальное значение критерия D соответствует наилучшему ЭД.

Аналогичным образом осуществляется формализация выбора типа редуктора на основе разработанной табл. 2.

Таблица 2

На основе системной модели ЭМП предложен метод формализации выбора ЭД и типа редуктора, с помощью которого определяют удовлетворяющие требованиям ТЗ электродвигатели и редукторы из их множества.