Диплом (Пермяков) (Тяговый расчет)

Посмотреть архив целиком

22



1. Роторно-винтовой движитель.


Для проектируемого мобильного робота разведчика предполагается использовать роторно-винтовой движитель. Этот тип движителя позволяет использовать не только тяговые возможности винтовой лопасти, но и ротор как опорный или водоизмещающий элемент. В дальнейшем его назовем РВД.

Родиной РВД является Россия. В 1900 г. Ф. Дергинтом была получена привилегия на винтовые сани. С этого времени не раз предпринимались попытки построить транспортные средства с РВД. Особенно усилились поиски применения РВД, начиная с 1960 г. Когда появилась необходимость наземного транспорта, способного передвигаться по переувлажненным грунтам, на которых теряет проходимость существующий наземный вездеходный транспорт.

В настоящее время известно более двух десятков машин с роторно-винтовым движителем. Большинство машин изготовлено как опытные образцы, однако есть и выпущенные небольшими сериями.

Мобильный робот с РВД благодаря движителю обладает амфибийностью, что позволяет передвигаться по воде.

Ротор представляет собой базовый цилиндр с навитыми на него четырьмя лопастями.

Основные параметры роторно-винтового движителя:

- диаметр ротора ;

- опорная длина ротора ;

- высота лопасти h;

- центральный опорный угол ;

- угол подъема винтовой лопасти .




Рис1. Роторно – винтовой движитель.

Ротор, как опорный элемент, подобен лыже, и его максимальные опорные качества могут быть оценены средним диаметральным удельным давлением , определяется выражением:

(кгс/см²),

где = 0,8 кгс - вес мобильного робота, приходящийся на один ротор;

= 6см диаметр ротора;

=22см опорная длина ротора.

Тогда .

Однако особенность ротора как опорного элемента – его цилиндрическая поверхность, находящаяся в сложном взаимодействии со снежным покровом, с одной стороны, и изменением этой опорной поверхности в зависимости от состояния снега – с другой, не позволяют использовать указанный выше параметр для практических параметров.

В практических расчетах удобнее оценивать опорные качества ротора центральным опорным углом ротора . При погружении ротора в грунт на половину диаметра центральный опорный угол равен 180º, а угол пенетрации ротора около 75º.

Из геометрических соотношений погруженного в грунт ротора величина центрального опорного угла ротора определяется выражением:

,

где - твердость снега, измеряемая конусным твердомером;

- коэффициент, зависящий от размеров ротора, за счет разности углов пенетрации ротора и твердомера (= 0,006…0,008).

Основное назначение винтовой лопасти РВД – создание необходимой тяги для движения мобильного робота. На рис. 1 показаны четыре возможных нормальных сечения лопасти РВД.



Рис. 2 Сечение лопасти РВД.

С точки зрения минимального усилия внедрения лопасти в грунт предпочтительны сечения а и в. Эти лопасти, имея «малый клин»легко входят в грунт, но в то же время такому сечению лопасти трудно обеспечить прочность, что немаловажно, так как при зацеплении за случайные препятствия происходит концентрация всей тяговой нагрузки на одной лопасти, перегружая ее. Сечение лопасти б, должно обеспечить уменьшение удельного давления и износа. Практика показала, что на ШН-1 такие лопасти плохо работали на снегу и были непригодны совершенно при работе на льду.

Наилучшим профилем лопасти оказалось сечение г. Имея притупление вершины лопасти и угол 20º, эта лопасть легко входит в мягкие грунты, легко выходит из зацепления с случайными предметами и обладает высокой устойчивостью.

Работа винтовой лопасти при преобразовании вращательного движения РВД в поступательное движение мобильного робота аналогична работе пары винт-гайка и подчинена тем же законам. Отличительной особенностью работы винтовой лопасти является одностороннее воздействие «гайки» - грунта, что оказывает некоторое влияние на опорные качества ротора.

Угол подъема винтовой лопасти должен выбираться из условия получения наивысшего КПД винтовой лопасти и отсутствия

самоторможения движителя (), а также из условия преодолевания всех встречаемых препятствий.

Рис.3 Изменение КПД винтовой лопасти в зависимости от угла подъема

винтовой лопасти.


Линиями 1, 2, 3 на рис.2 представлена зависимость КПД винтовой лопасти в зависимости от угла подъема винтовой лопасти при различных значениях коэффициента плоскостного трения материала ротора о снег.

; ;

Параметры РВД существенным образом влияют на тягово-сцепные свойства. Наиболее действенным параметром РВД является угол подъема винтовой лопасти. Увеличение угла подъема приводит к уменьшению сил сопротивления движения при постоянном запасе сцепления. Увеличение диаметра ротора в основном уменьшает силу сопротивления движению и немного увеличивает силу сцепления.

Высота лопасти не определяет тягово-сцепных качеств РВД. Только при оптимальном отношении шага к высоте винтовой лопасти возможно увеличение сцепных качеств за счет высоты лопасти.

Увеличение рабочей длины РВД до определенной величины улучшает тягово-сцепные, энергетические и экономические показатели работы мобильного робота. Оптимальная длина РВД определяется числом расположенных на нем лопастей (оптимальное число лопастей 5…7). Число заходов лопасти не влияет на тягово-сцепные качества РВД, но улучшает плавность его работы.



















2 Тяговый расчет.

Из исследования работы роторно-винтового движителя можно убедиться, что основным видом сопротивления движению машин с РВД является сила трения его элементов – ротора и винтовых лопастей о грунт. Из этого обстоятельства вытекает, что такого типа движитель наиболее эффективно должен работать в снежной среде и, следовательно, в первую очередь необходимо исследовать возможность применения роторно-винтового движителя для движения по снегу.

Рассмотрим работу роторно-винтового движителя на мягком полотне пути, делая при этом следующие допущения:

- работа ротора движителя аналогична работе абсолютно жесткого вала в подшипнике скольжения в режиме винтового движения;

- давление ротора на грунт равномерно по длине, а в поперечном сечении распределено по косинусоидальному закону;

- рассматривая работу роторно-винтового движителя при особо малых средних давлениях его ротора, пренебрегаем условием внедрения винтовых лопастей в снег;

- считаем, что перемещение снега от сил трения отсутствует;

- работа винтовых лопастей в грунте по своей кинематике и действующим силам аналогична работе червяка в червячной передаче.

Коэффициент сопротивления движению РВД:

- коэффициент плоскостного трения материала ротора о снег;

;

= 1,14 - приведенный коэффициент трения ротора при центральном опорном угле ротора =120°.

=42° - угол подъема лопасти по её среднему диаметру.

Тогда .

Мощность двигателя для мобильного робота с РВД:

,

где - коэффициент сопротивления движению РВД;

- вес мобильного робота, кг;

- максимальная скорость движения, км/ч;

- общий КПД.

Т.к. предполагается использовать два РВД и для каждого свой электродвигатель, то мощность каждого из них равна 4 Вт.













3. Выбор электродвигателя.

Традиционное построение электропривода в виде быстроходного электродвигателя постоянного или переменного тока и понижающего редуктора в настоящее время почти исчерпала возможности повышения точности, быстродействия и надежности оборудования.

С другой стороны, сложился и сравнительно устойчивый конструктивный облик исполнительных электродвигателей малой мощности, применяемых в системах автоматического управления. В подавляющем большинстве случаев эти двигатели имеют корпусную конструкцию, частоту вращения несколько тысяч оборотов в минуту, при этом в очень широко применяемых коллекторных двигателях имеются контактные узлы, а тепло выделяется во вращающемся якоре; все это вместе взятое приводит к существенным ограничениям по эксплуатационным условиям и режимам.

Скачка в улучшении качественных показателей можно достичь, используя тихоходные малоредукторные привода на базе бесконтактных моментных двигателей.

Термин « моментный » традиционно означал, что электродвигатель спроектирован для режима вращения с малой скоростью, когда можно не учитывать все потери связанные с быстрым вращением ротора. Однако, термин « моментный » связан не просто с тихоходностью, а определяется целенаправленным подходом к проектированию электродвигателя.

Разработка бесконтактных моментных электродвигателей серии ДБМ проводилась на основе следующих требований предъявляемых к электоприводу:

- конструкция электропривода должна быть модульной, минимальной

массы ( требование модульности означает, что привод должен

разрабатываться в виде отдельных узлов (модулей), собираемых в привод

потребителем по специальным требованиям, это позволяет не только

расширить функциональные возможности привода, но и снизить

номенклатуру выпускаемых модулей при одновременном увеличении их

серийности);

- конструкция должна обеспечивать возможность построения

малоредукторного привода;

- привод должен быть много функциональным.

Конструкция двигателей серии ДБМ:

Электродвигатели серии ДБМ разработаны во встраиваемом испол­нении, т.е. в виде отдельных сборочных единиц - статора и ротора. Встраиваемость обеспечивает компактность конструкции при непосред­ственном соединении двигателя с исполнительным инструментом или объектом управления, возможность наращивания момента и мощности за счет соосной установки двигателей, пропуск волноводов, световодов или кабелей через центральное отверстие в роторе, которое является посадочной поверхностью. Установка статора в механизме осуществля­ется по его наружной поверхности. Как показала практика, встраивае­мая конструкция двигателя сохраняет многие свои достоинства даже в редукторных вариантах привода и позволяет за счет рациональной ком­поновки улучшить его массо-габаритные показатели.

Конструкция ротора:

Двигатели серии имеют многополюсный ротор с тангенциальным намагничиванием магнитов (см. рис.7). С целью обеспечения максимально возможной статической добротности использованы постоянные магниты из материала самарий-кобальт, при этом отношение осевой длины ротора к его диаметру составляет 0,2 - 0,4. Применение высокоэнергетических магнитов решает задачу обеспечения устойчивости дви­гателя к пусковым токам и вообще перегрузкам по току и моменту, а также позволяет намагничивать магниты даже до их установки в ротор и не предусматривать никаких специальных мер зашиты их от размаг­ничивания.

Конструктивные детали ротора (внутренняя втулка, торцевые шай­бы, лента по наружному диаметру) выполнены из немагнитной нержа­веющей стали; полюсы, выполняющие роль концентраторов магнитного потока - шихтованные из листов материала 50Н толщиной 0,5мм.

Конструкция статора:

При выборе конструкции статора было принято во внимание, что возможно применение двигателей как в следящих системах повышенной точности, где предъявляются жесткие требования к величине пульсаций вращающего момента по углу поворота ротора и к уровню остаточного момента сопротивления (см. ниже), так и в системах меньшей точности, где не предъявляются высокие требования к качеству движения ротора и где требования к уровню и характеру остаточного момента сопротив­ления и пульсации момента менее жесткие.

В этой связи в серии ДБМ принято два конструктивных исполнения статора:

1. Гладкий (беспазовый) статор, с двухслойной петлевой обмоткой,

расположенной непосредственно в воздушном зазоре, позволяющий

обеспечить:

отсутствие реактивного остаточного момента сопротивления и пуль­

саций вращающего момента, им вызываемых;

малые электромагнитные постоянные времени обмоток.

2. Пазовый статор, с двухслойной петлевой обмоткой, уложенной в пазы

сердечника, позволяющий обеспечить:

более высокую магнитную индукцию в воздушном зазоре, чем в

двигателях с гладким статором, и соответственно более высокую

статическую добротность;

меньшую электромеханическую постоянную времени, чем у

двигателей с гладким статором.

При этом электромагнитная постоянная времени обмоток двигате­лей с пазовым статором значительно выше, чем у двигателей с гладким статором, а ограничение величины остаточного момента сопротивления до требуемой по техническим условиям величины осуществляется мето­дами, указанными ниже.

В двигателях с гладким статором магнитопровод, одновременно иг­рающий и роль корпуса, выполняется сплошным из стальной магнито-мягкой трубы; наружный диаметр является посадочным.

Магнитопровод двигателей с пазовым статором - шихтованный из

листов электротехнической стали; магнитопровод установлен в корпусе из алюминиевого сплава. Обмотка уложена в пазы, а лобовые части закрыты пластмассовыми крышками. Наружный диаметр корпуса явля­ется посадочным.

На основе тягового расчета был выбран электродвигатель:

ДБМ 40-0,01-2,5-3

где 40 – наружный диаметр статора (в миллиметрах);

0,01 – максимальный статистический синхронизирующий момент

базового исполнения, Нм;

2,5 – частота вращения при холостом ходе, тыс. об/мин;

3 – число фаз обмотки.





Рис.4 Габаритные и установочные размеры двигателя.

Основные технические характеристики Таблица 1.

Наименование параметра

В режиме вентильного двигателя при базовой схеме управления и амплитуде фазного напряжения 18В:

Значения для двигателя

ДБМ 40-0,01-2,5-3

Частота вращения при идеальном холостом ходе, об/мин

3900 - 6400

Пусковой момент, Н·м, не менее

0,02

Электромеханическая постоянная времени, мс

105

Число пар полясов

4

Сопротивление секции фазы постоянному току при температуре 20°С, Ом

34 - 42

Электромагнитная постоянная времени фазы, мс

0,04

Приведенные к фазе коэффициенты: момента ,Н·м/А;

ЭДС -