МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН
ТАШКЕНТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ имени АБУ РАЙХАНА БЕРУНИ
На правах рукописи
УДК 621.326
САТТАРОВ Хуршид Абдишукурович
ИНДУКЦИОННЫЕ ДАТЧИКИ УГЛОВЫХ УСКОРЕНИЙ ДЛЯ СИСТЕМ
АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ
ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДОВ
05.13.05– Элементы и устройства вычислительной техники
и систем управления
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Ташкент – 2009
2
Работа выполнена на кафедре «Электроснабжение и микропроцессорное
управление»
Ташкентского
института
инженеров
железнодорожного
транспорта
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Амиров Султон Файзуллаевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук
Халиков Абдулхак Абдулхаирович
кандидат технических наук, доцент
Плахтиев Анатолий Михайлович
Ведущая организация: Институт энергетики и автоматики АН РУз
Защита состоится «_18_»_июля__ 2009 г. в _10_ часов на заседании
Специализированного совета Д 067.07.01 при Ташкентском государственном
техническом университете имени Абу Райхана Беруни по адресу: 100095,
Ташкент, ул. Университетская, 2, Вузгородок, ТашГТУ.
С диссертаций можно ознакомиться в библиотеке ТашГТУ.
Автореферат разослан «_16_»__июня_____ 2009г.
Ученый секретарь
Специализированного совета
доктор технических наук, профессор Азимов Р.К.
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ
Актуальность работы.
В Узбекистане в условиях глобализации
экономики важное место отводится автоматизации производства, в том числе и
в сфере железнодорожного транспорта. В последнее десятилетие широкое
применение нашли системы автоматического контроля и регулирования (САР)
скорости движения поездов. Предназначенные для автоматизации управления
движением поездов, САР обеспечивают их пуск и разгон, выбор режима
ведения на перегонах, подтормаживание при выполнении ограничений
скорости, прицельное торможение у платформ, сбор и обработку информации о
движении, его безопасность, соблюдение графика движения с точностью до
15с,
увеличение
пропускной
способности
пригородных
участков
приблизительно на 20%, снижение расхода электроэнергии или топлива на тягу
примерно на 4-5%. Выполняя все эти трудоемкие процессы, САР облегчает
труд машиниста, повышает производительность локомотивных бригад и их
оперативность, увеличивает объем информации о движении поездов и
автоматизирует процесс документирования показателей работы линии.
Особенно ныне востребованы САР, базирующиеся на различных
микропроцессорных средствах автоматики и измерительной техники с
использованием широкой
номенклатуры
датчиков электрических
и
неэлектрических величин. В частности, для повышения точности
регулирования скорости движения поездов требуется получение достоверной
информации об изменении скорости вращения, т.е. об угловом ускорении
колесных пар. Возрастающие требования к экономии энергоресурсов, строгому
соблюдению графика движения подвижных составов и повышению
эффективности использования средств автоматики и измерительной техники с
привлечением микропроцессорных устройств предопределяют необходимость
применения первичных преобразователей с высокой чувствительностью,
точностью, надежностью, расширенным диапазоном преобразования и
функциональными возможностями.
Однако, как показал сравнительный анализ, известные механические,
резистивные, пьезоэлектрические, оптические и емкостные датчики угловых
ускорений частично удовлетворяют требованиям САР скорости движения
поездов.
На железнодорожном транспорте, как и в других отраслях народного
хозяйства, для измерения параметров движения (перемещения, скорости,
ускорения, резкости – изменения ускорения и параметров вибрации), в
частности, для преобразования углового ускорения стали применяться
индукционные датчики угловых ускорений (ИДУУ) инерционного принципа
действия. Они характеризуются надежностью при работе в экстремальных
эксплуатационных условиях (вибрации, колебании температуры, запыленности,
загрязненности и др.), простотой и относительной дешевизной. Между тем, в
существующих конструкциях ИДУУ из–за наличия воздушного зазора между
подвижными и неподвижными частями их чувствительность относительно
низка, они лишены возможности регулирования диапазона преобразования.
4
Кроме того, ограничение их функциональных возможностей сужает сферу их
применения: их нельзя использовать в процессах преобразования линейного
ускорения, линейного и углового перемещения, резкости, давления. Не могут
они совмещать и другие функции технологического характера. Вследствие
таких серьезных недостатков эти датчики нельзя применять в системах
управления различными технологическими процессами, в частности в САР
скорости движения поездов. Поэтому разработка новых конструкций ИДУУ с
высокой чувствительностью, регулируемым диапазоном преобразования и
расширенными функциональными возможностями и глубокое теоретическое и
экспериментальное исследование с целью выявления их технических
возможностей является актуальной задачей.
Степень изученности проблемы.
Анализ научной литературы
свидетельствует о недостаточности изученности проблемы в области
разработки и проектирования ИДУУ инерционного принципа действия,
отвечающих повышенным требованиям к их поисковому конструированию и
точности расчета магнитных полей в рабочих и нерабочих зазорах.
Особенность проблемы состоит в том, что в исследуемых датчиках угловых
ускорений взаимодействующие поверхности цилиндрического корпуса и
инерционного элемента покрыты ферромагнитной жидкостью, выполняющей
роль густой смазки и магнитопровода. Поэтому конечной целью поискового
конструирования и расчета магнитного поля датчиков является выбор таких
параметров и геометрических размеров магнитной системы, которые обеспечат
оптимальные характеристики ИДУУ. Эту проблему можно решить только с
применением методов поискового конструирования и на основе точного знания
закона распределения магнитного поля в рабочих и нерабочих зазорах
исследуемых датчиков.
Решение вопросов, связанных с разработкой ИДУУ с улучшенными
характеристиками для САР скорости движения поездов, и обусловило выбор
темы настоящего исследования.
Связь диссертационной работы с тематическими планами НИР.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научно–
исследовательских работ факультета «Электромеханика» Ташкентского
института
инженеров
железнодорожного
транспорта
по
теме
«Совершенствование
электромагнитных
измерительных
средств
для
железнодорожного транспорта».
Цель исследования.
Целью диссертационной работы являются разработка
и исследование ИДУУ с высокой чувствительностью, регулируемым
диапазоном и расширенными функциональными возможностями для САР
скорости движения поездов.
Задачи исследования.
Для достижения поставленной цели необходимо
решение следующих задач:
–проанализировать схемы САР скорости движения поездов и
сформулировать основные их требования к датчикам параметров движения;
–провести сравнительный анализ существующих датчиков угловых
ускорений;
5
–выбрать и обосновать типы датчиков угловых ускорений;
–разработать
новые
конструкции
ИДУУ
с
улучшенными
метрологическими характеристиками;
–разработать математические модели ИДУУ;
–исследовать основные характеристики ИДУУ.
Объект и предмет исследования
– индукционные датчики угловых
ускорений, разработка их математических моделей и исследование основных
характеристик.
Методы исследований:
теории электрических и магнитных цепей с
распределенными параметрами, погрешностей, энергоинформационный метод
поискового
конструирования
датчиков
и
аппарат
параметрических
структурных схем (ПСС) с применением компьютерной техники, а также
экспериментальные методы исследований.
Основные положения, выносимые на защиту:
–ИДУУ с высокой чувствительностью, регулируемым диапазоном и
расширенными функциональными возможностями;
–математические модели ИДУУ;
–уравнения
аппроксимирующих
функций
удельного
магнитного
сопротивления стали от магнитной индукции с учетом магнитного
сопротивления ферромагнитной жидкости и соответствующие им решения
нелинейных дифференциальных уравнений;
–результаты исследования статических, динамических характеристик, а
также погрешности и надежности ИДУУ.
Научная
новизна.
Впервые
проведены
теоретические
и
экспериментальные исследования ИДУУ с ферромагнитной жидкостью,
разработаны их математические модели с учетом распределенности
электрических и магнитных параметров. Показано, что применение
ферромагнитной жидкости в качестве густой смазки в кольцевых каналах
между подвижными и неподвижными частями датчика дает возможность
повысить чувствительность, регулировать диапазон преобразования и
расширить функциональные возможности ИДУУ (применение датчика не
только для преобразования углового, но и линейного ускорения, линейной и
угловой, резкости, давления). Исследовано влияние нелинейности основной
кривой намагничивания на потокораспределение в разработанных датчиках.
Разработаны ПСС для исследования статических и динамических
характеристик, а также погрешностей. Научная новизна технических решений
подтверждается тремя основными патентами РУз.
Научная и практическая значимость результатов исследования.
Разработанный ИДУУ обусловливает возможность преобразовать угловое
ускорение в электрический сигнал с высокой чувствительностью, имеет
регулируемый диапазон преобразования и расширенные функциональные
возможности. Разработанные математические модели позволяют на стадии
конструирования ИДУУ исследовать их в статическом и динамическом
режимах. Выявленные обобщенные приѐмы улучшения характеристик ИДУУ
6
обеспечивают сокращение времени компоновки скелетных конструкций на
этапе их поискового конструирования.
Реализация результатов исследования.
Разработанный ИДУУ внедрен в
производственный процесс локомотивного депо «Тинчлик» регионального
железнодорожного узла «Бухара» для измерения углового ускорения
локомотива. Методика расчета магнитных цепей методом расчленения на
участки, погрешностей и исследования динамических характеристик ИДУУ
методом ПСС, методика реализации обобщенных приемов улучшения
основных характеристик элементов автоматики с помощью компьютерной
техники переданы для использования в учебных процессах Ташкентского
института
инженеров
железнодорожного
транспорта,
Астраханского
государственного
технического
и
Астраханского
государственного
университетов.
Апробация работы.
Основные результаты и положения диссертации
доложены и обсуждены на Республиканской научно–технической конференции
«Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» с
участием зарубежных ученых (Ташкент, 2005г.), Республиканской научно–
технической конференции «Современные проблемы механики в комплексе
железнодорожного транспорта» (Ташкент, 2006г.), Международной научно–
практической конференции «Инновация – 2006» (Ташкент, 2006г.),
Международной научно–практической конференции «Перспективы развития
инновационных
и
интеграционных
процессов
хлопкоочистительной,
текстильной, легкой и полиграфической промышленности» (Ташкент, 2007г.),
Всероссийской научной конференции «Инновационные технологии в
управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ – 2007»» (Астрахань,
2007г.), Восьмой научно–практической конференции «Безопасность движения
поездов»
(Москва,
2007г.)
и
Республиканской
научно–технической
конференции по проблемам наземных транспортных систем с участием
зарубежных ученых (Ташкент, 2008г.).
Опубликованность результатов.
Основное содержание диссертации
опубликовано в 19 научных трудах, в том числе 1 статья – в международном
журнале «Датчики и системы» (Москва), 4 статьи – в журнале «Вестник
ТашИИТ», 11 работ – в материалах Международных и республиканских
конференций. Получены 3 основных патента РУз на изобретения.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения,
четырех глав, выводов, заключения, списка использованной литературы,
содержащего 140 отечественных и зарубежных источников, и приложения.
Работа изложена на 119 страницах компьютерного текста, содержит 60
рисунков, 3 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении обоснована актуальность работы, изложено состояние вопроса,
сформулированы цель, задачи исследования и основные положения,
7
выносимые на защиту, раскрыты научная новизна, научная и практическая
значимость.
В первой главе
«Состояние вопроса и постановка задачи» – приводится
анализ схемы САР скорости движения поездов с тем, чтобы выявить причины,
снижающие эффективность их применения, и требования к датчикам
параметров движения, в частности, к датчикам угловых ускорений, которые
дают информацию об угловом ускорении колесных пар подвижных составов.
Установлено, что датчики угловых ускорений, применяемые в САР скорости
движения поездов, должны иметь высокую точность, чувствительность,
стабильность характеристик при экстремальных условиях эксплуатации,
регулируемый диапазон измерений, а также обладать расширенными
функциональными возможностями.
Проведен
сравнительный
анализ
и
составлена
классификация
существующих
датчиков
угловых
ускорений.
Выявлено,
что:
потенциометрические датчики имеют низкую надежность и узкий частотный
диапазон измерения (до 15 Гц); на показания емкостных датчиков присуще
оказывают влияние температура, влажность окружающей среды и посторонних
электрических полей; пьезоэлектрические датчики имеют относительно слабый
уровень полезного сигнала, существенную погрешность от нелинейности
амплитудной характеристики (до 6%), изменения температуры (до 5%),
кабельного эффекта (3
10%), влияния электромагнитных полей (до 5%). К
недостаткам оптоэлектронных датчиков угловых ускорений относятся
сложность
измерительной
аппаратуры
и
регулирования
диапазона,
нестабильность
характеристик,
виброчувствительность.
Обоснованы
преимущества электромагнитных датчиков, в частности ИДУУ инерционного
принципа действия. Установлено, что в существующих ИДУУ при воздействии
постоянного по величине углового ускорения движение инерционного элемента
относительно корпуса и появление на выходе датчика электрического сигнала
происходят лишь в течение короткого времени. При этом малый интервал
времени получения информации об изменении угловой скорости является
фактором, снижающим точность преобразований.
Анализом основных соотношений для ИДУУ установлено, что дальнейшие
исследования должны быть направлены на разработку новых конструкций
датчиков с высокой чувствительностью, возможным регулированием диапазона
преобразования, а также на расширение их функциональных возможностей
путем приспособления датчика не только для преобразования углового
ускорения, но и других неэлектрических величин.
Исходя из результатов анализа литературных источников и в соответствии
с поставленной целью сформулированы основные задачи исследования.
Вторая глава
«Поисковое конструирование индукционных датчиков
угловых
ускорений»
–
посвящена
усовершенствованию
ИДУУ
с
использованием методов научно–технического творчества, в частности
энергоинформационного метода поискового конструирования. Использование
этого метода позволило выявить физическую сущность усовершенствований,
закономерность основных направлений конструирования ИДУУ и облегчило
8
разработку
новых
датчиков
угловых
ускорений
с
требуемыми
характеристиками. Показана низкая эффективность известного принципа
реализации обобщенных приемов усовершенствования конструкций датчиков и
предложен новый: в каждой строке матрицы обобщенных приемов каждое
новое техническое решение служит прототипом последующего. В таком случае
эффективность реализации обобщенных приемов растет с ростом количества
рассматриваемых пар изобретений (пара – это изобретение и его прототип), т.е.
каждая новая конструкция ИДУУ будет совершеннее по улучшаемой
характеристике и с ростом количества реализуемых обобщенных приѐмов его
обобщенная характеристика в целом значительно возрастает. Одна из
конструкций разработанных ИДУУ приведена на рис.1.
1, 2 – цилиндрические магнитопроводы; 3 – инерционный элемент–ферромагнитный
сердечник; 4 – пружина–измерительная обмотка; 5, 6 – кольцевые электромагниты; 7 –
регулируемый источник тока; 8 – ферромагнитная жидкость – густая смазка.
Рис. 1. Индукционный датчик угловых ускорений
В этой конструкции датчика вязкое трение между взаимодействующими
поверхностями инерционного элемента и корпуса регулируется изменением
тока источника питания (использовано явление изменения вязкости
ферромагнитной жидкости под воздействием магнитного поля). Показано, что
использование густой смазки между взаимодействующими поверхностями
инерционного элемента и корпуса датчика приводит к повышению точности
измерения, а применение в качестве густой смазки ферромагнитной жидкости
позволяет повысить чувствительность, регулировать диапазон преобразования
и расширить функциональные возможности датчика: он может быть применен
не только для измерения углового ускорения, но и линейного, а также линейной
и угловой резкости, давления.
9
Третья глава
диссертации - «Анализ магнитных цепей датчика угловых
ускорений» – посвящена анализу магнитных цепей ИДУУ. Определены
выражения для рабочих магнитных потоков в зависимости от продольного
смещения инерционного элемента с учетом магнитного сопротивления
ферромагнитной жидкости и распределенного характера магнитного
сопротивления стали, а также магнитной проводимости кольцевого зазора
между коаксиальными магнитопроводами. Исследовано влияние нелинейности
основной кривой намагничивания на потокораспределение в магнитных
системах. Рассмотрен вопрос оптимизации конструктивных и магнитных
параметров магнитной системы ИДУУ.
При этом допускалось, что при малых величинах толщины коаксиальных
цилиндрических магнитопроводов и зазора между ними по сравнению с длиной
магнитопроводов магнитное поле в промежутке между магнитопроводами
плоскопараллельное, источники магнитного поля идеально идентичны и
создают равные по величине магнитные потоки, а поток рассеяния равен нулю.
Кроме того, полагалось, что рабочему диапазону изменения магнитных потоков
и напряжений в магнитной цепи соответствует линейная зависимость между
индукцией и напряженностью, что основывается на обеспечении
соответствующего электромагнитного режима работы ИДУУ.
Расчет магнитной цепи исследуемых ИДУУ в диссертации произведен
методом расчленения цепи на определенные участки с учетом принципа
наложения.
Определение магнитного потока и магнитного напряжения, создаваемых
сосредоточенными секциями обмотки возбуждения, расположенными на
торцах цилиндрических магнитопроводов, произведено отдельно для каждой
секции. Рассмотрены два участка магнитной цепи, расположенные по обе
стороны от инерционного элемента датчика (см. рис.1). Изменения магнитных
потоков
))
(
(
x
Q
и напряжения
))
(
(
x
U
на элементарных участках магнитной
цепи длиной
dx
, создаваемых левой секцией обмотки возбуждения, равны:
.
)
(
2
)
(
,
)
(
)
(
,
)
(
2
)
(
,
)
(
)
(
2
п
2
л
2
л
2
п
2
л
2
л
1
п
1
л
2
л
1
п
1
л
1
л
dx
W
x
Q
x
U
d
dx
C
x
U
x
Q
d
dx
W
x
Q
x
U
d
dx
C
x
U
x
Q
d
(1)
Решение системы дифференциальных уравнений (1) произведено с учетом
следующих краевых условий:
10
т
2
2
т
1
1
0
2
0
1
п
0
1
0
2
0
1
M
2
M
2
M
1
M
1
2
1
1
2
1
)
(
)
(
,
)
(
)
(
,
)
(
)
(
)
(
,
)
(
)
(
Z
x
Q
x
U
Z
x
Q
w
I
x
U
x
Q
x
Q
Z
x
U
x
U
x
U
x
X
x
л
x
X
x
л
x
X
x
л
в
в
x
X
x
л
x
л
x
л
x
л
x
л
x
л
Магнитные потоки в цилиндрических магнитопроводах и магнитные
напряжения между ними, создаваемые одной лишь правой секцией обмотки
возбуждения, найдены аналогично. Ограничимся приведением следующих
конечных выражений рабочих магнитных потоков, создаваемых обеими
секциями, включенными последовательно и встречно:
(2)
,
)
(
2
)
1
(
)
1
(
)
(
)
(
2
)
(
)
(
)
(
м
м
м
м
м
м
2
2
2
1
)
(
)
1
1
п
1
л
1
x
ch
k
m
e
m
k
m
e
e
k
e
x
x
sh
e
k
e
x
ch
m
n
w
I
x
Q
x
Q
x
Q
X
X
X
X
x
X
x
(X
γ
в
в
(3)
,
)
(
2
)
1
(
)
1
(
)
(
)
(
2
)
(
)
(
)
(
м
м
м
м
м
м
2
2
2
2
)
(
)
(
2
2
п
2
л
2
x
ch
k
m
e
m
k
m
e
e
k
e
x
x
sh
e
e
k
x
ch
m
n
w
I
x
Q
x
Q
x
Q
X
X
X
X
x
X
x
X
в
в
где
п
п
2
С
W
- коэффициент распространения магнитного потока по
магнитной цепи;
r
R
r
R
C
в
в
)
(
0
п
и
2
2
2
п
5
,
0
5
,
0
1
r
R
R
W
в
н
-
погонные
значения
магнитной
емкости
(проводимости)
между
цилиндрическими магнитопроводами и магнитной жесткостью (магнитным
сопротивлением) этих магнитопроводов, приходящиеся на единицу длины
магнитной цепи;
0
1
- удельное магнитное сопротивление материала
магнитопровода;
– магнитная проницаемость материала магнитопровода;
Гн/м
10
4
7
0
– магнитная постоянная. Здесь
2
п
/
п
C
Z
m
;
т
п
п
/
Z
C
C
n
;
т
п
т
п
/
Z
C
Z
C
k
.
На рис. 2 – 4 приведены кривые зависимости соответственно рабочих
магнитных потоков
)
(
1
x
Q
и
)
(
2
x
Q
, отклонения потока
)
(
1
x
Q
от его
значения при
0
x
, т.е.
)
(
)
0
(
)
(
1
1
1
x
Q
Q
x
Q
, а также разности этих
11
отклонений в обеих от инерционного элемента частях цилиндрического
магнитопровода, т.е.
)
(
)
(
)
(
2
1
x
Q
x
Q
x
Q
от продольного смещения
x
инерционного элемента при
3
10
и разных значениях магнитной
проницаемости
ж
ферромагнитной жидкости – смазки. Анализ этих кривых
показывает, что с увеличением
ж
увеличиваются значения рабочего
магнитного потока датчика (см. рис. 2), отклонений этого потока от его
значений при положении инерционного элемента
0
x
(см. рис. 3). Кроме того,
установлено, что при продольном смещении инерционного элемента
отклонения рабочих магнитных потоков
)
(
1
x
Q
и
)
(
2
x
Q
изменяются не
одинаково. С увеличением
ж
разность отклонений рабочих магнитных
потоков
)
(
x
Q
растет (см. рис. 4).
Пунктирная линия –экспериментальные данные; сплошная – теоретические данные
Рис. 2. Кривые изменения рабочих магнитных потоков
)
(
1
x
Q
и
)
(
2
x
Q
в зависимости от продольного смещения
x
инерционного элемента
при разных значениях
ж
ферромагнитной жидкости
Разработана магнитная система для датчиков угловых ускорений, в
которых за счет обеспечения одинаковых условий для прохождения магнитных
потоков по всей длине магнитопроводов существенно снижена
)
(
x
Q
(см. рис.
3). Например, для
100
,
10
3
ж
и при прочих равных условиях
)
(
x
Q
составляет соответственно 95 и 24% от их значений при
0
x
.
Для более упрощенного расчета магнитных цепей ИДУУ в диссертации
использован метод ПСС. Показано, что его применение при определенных
допущениях позволяет легко найти выражения магнитного потока и
12
напряжения.
Расхождение результатов по методу ПСС (штрих – пунктирные
кривые на рис. 2) с экспериментальными данными составляет 18-21% .
Установлено, что применение ферромагнитной жидкости в исследуемых
датчиках угловых ускорений иногда (особенно когда датчик совмещает
функции измерения и уплотнения вращающихся валов) приводит к резкому
увеличению рабочей индукции в цепи до значений, при которых нельзя
пренебречь
влиянием
нелинейности
зависимости
)
(
H
f
B
на
потокораспределение в магнитной системе датчика.
В связи с этим выявлены характерные диапазоны изменения индукции в
магнитопроводе. Для каждого диапазона предложены аппроксимирующие
функции зависимости удельного магнитного сопротивления стали от индукции
и даны соответствующие им решения нелинейных дифференциальных
уравнений.
Максимальное
расхождение
между
расчетными
и
экспериментальными данными составляет 14,5%.
Рис. 3. Кривые изменения откло–
нений рабочих магнитных потоков
в зависимости от продольного сме–
щения
x
инерционного элемента
при
разных
значениях
ж
ферромагнитной жидкости.
Рис.
4.
Кривые
изменения
разности отклонений рабочих
магнитных
потоков
в
зависимости
от
продольного
смещения
x
инерционного
элемента при разных значениях
ж
ферромагнитной жидкости.
Рассмотрен вопрос оптимизации параметров магнитной системы
разработанных ИДУУ. В качестве критерия оптимизации выбраны
минимизация коэффициента рассеяния магнитного поля и достижение
заданного значения степени непостоянства магнитного напряжения на рабочем
участке магнитной цепи. Оптимизация позволила проектировать магнитную
систему ИДУУ с повышенной чувствительностью и точностью.
В четвертой главе
– «Исследование основных характеристик
индукционных датчиков угловых ускорений» – изучены основные
характеристики ИДУУ.
Полученное выражение статической характеристики имеет вид
13
)
(
)
(
)
(
2
'
му
2
0
0
п
1
I
k
sh
x
ch
Z
x
sh
C
k
E
, (4)
а в относительных единицах
5
,
0
5
,
0
'*
му
*
sh
I
sh
E
, (5)
где
2
1
,
k
k
– коэффициенты пропорциональности,
0
x
- минимальное значение
координаты
х
;
'
муmax
'
му
'*
му
'
му
,
I
I
I
I
– угловое ускорение и его относительное
значение;
– коэффициент затухания магнитного поля в магнитопроводе.
На основе разработанной математической модели построены статические
характеристики ИДУУ, а также изучены факторы, влияющие на статическую
характеристику, степень ее нелинейности и чувствительность (рис. 5).
Анализ этих характеристик
исследуемых датчиков показы-
вает, что с увеличением
(удлинение или уменьшение
поперечного сечения цилиндри–
ческих магнитопроводов) нели–
нейность статической характе–
ристики увеличивается. Измене–
ние магнитной проницаемости
ферромагнитной жидкости при–
водит
к
пропорциональному
изменению
чувствительности,
при этом практически не из–
меняется степень нелинейности
статической
характеристики
датчика.
В диссертации также исс–
ледована нагрузочная стати–
ческая
характеристика
разработанных датчиков. Показано, что при продольном смещении
инерционного элемента происходит значительное изменение индуктивностей
секций обмотки возбуждения (в отличие от индуктивности измерительной
обмотки).
Взаимоиндуктивность
между
обмотками
возбуждения
и
измерительной обмоткой увеличивается с перемещением инерционного
элемента в продольном направлении.
Динамические характеристики ИДУУ исследованы при линейно
возрастающих и синусоидально изменяющихся угловых ускорениях. Для
первого режима получено выражение выходного сигнала в виде
3
2
1
3
2
1
cos
cos
sin
e
e
e
t
E
t
E
t
E
e
m
m
m
. (6)
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0
3
,
0
0
,
1
6
'*
I
му
*
вых
E
4
Рис. 5 Кривые статической характе–
ристики ИДУУ
14
На основе анализа выражения (6) и кривых (рис. 6) установлено, что еѐ
первая
составляющая
представляет
собой
генераторную
ЭДС,
пропорциональную скорости изменения углового ускорения. Последние две
составляющие являются трансформаторными: вторая составляющая (из–за
малости на графике она увеличена по сравнению с другими в 10 раз)
пропорциональна скорости изменения углового ускорения и возрастает во
времени с постоянной скоростью, а третья – пропорциональна скорости
вращения инерционного элемента и коэффициенту демпфирования.
В другом динамическом
режиме
выходной
сигнал
датчика имеет четыре сос–
тавляющих, амплитуды двух
из которых модулированы по
синусоидальному,
а
двух
других – по косинусоидаль–
ному закону.
Переходная
характеристика
разработанных датчиков при
линейно возрастающих угло–
вых ускорениях исследована
методом ПСС. В результате
получено выражение выходного сигнала в виде
)
(7
,
2
)
(
4
му
г
2
2
му
2
2
2
му
2
2
му
2
4
му
г
2
му
г
эг
2
му
2
2
му
2
K
e
e
e
K
t
K
t
U
t
t
t
где
г
K
- коэффициент пропорциональности;
- коэффициент затухания и
му
– угловая частота механической колебательной системы датчика.
Установлено, что при
t = 0
и
t = ∞
свободная составляющая переходного
процесса в механической цепи датчика равна нулю. Увеличение вязкости
ферромагнитной жидкости под воздействием магнитного поля позволяет
увеличить время воздействия силы, обусловленной угловым ускорением.
Анализ работы исследуемых датчиков и их характеристик показал, что
возможными источниками погрешностей являются несовершенство метода,
принцип действия, неточность изготовления, нестабильность источника
питания, неблагоприятные внешние условия. Составлена их классификация,
согласно которой первые три являются источниками основной погрешности, а
остальные – источниками дополнительной погрешности. Для выявления
источников погрешностей и их анализа использованы известные понятия
аддитивной и мультипликативной погрешностей.
Рис. 6. Кривые изменения выходного
сигнала во времени и их составляющих
15
Показано, что использование метода ПСС упрощает выявление источников
погрешностей
и
их
анализ.
Получены
аналитические
выражения
систематической и случайной составляющей погрешностей. На их основе
установлено, что на точность ИДУУ наибольшее влияние оказывают колебания
амплитуды тока возбуждения и температура.
Показано, что применение в качестве густой смазки между
взаимодействующими поверхностями корпуса и инерционного элемента
ферромагнитной жидкости с большим значением
ж
снижает погрешности
измерения от поперечного люфта инерционного элемента (рис.7).
Количественная оценка пог–
решностей показала, что при
допустимых значениях отклоне–
ний
температуры
и
тока
возбуждения
максимальная
приведенная погрешность не пре–
вышает 1,5%.
В работе исследована надеж–
ность ИДУУ. Показано, что
вероятность безотказной работы
рассматриваемого датчика угло–
вого
ускорения
соответствует
нормам допустимой надежности.
Применение разработанного
датчика в САР скорости движения
поездов
позволяет
повысить
точность регулирования. При этом годовой экономический эффект составляет
3,7 млн. сум.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Анализ различных схем САР скорости движения поездов показал, что
одной из причин относительно низкой точности регулирования являются не–
удовлетворительные технические характеристики используемых датчиков
параметров движения, в частности датчика угловых ускорений. Установлено,
что для повышения эффективности работы САР необходимо повысить точность,
чувствительность, стабильность характеристик при экстремальных условиях
эксплуатации, обеспечить регулирование диапазона преобразования, а также
расширить функциональные возможности датчиков угловых ускорений.
2. Сравнительный анализ основных характеристик существующих
датчиков угловых ускорений показал, что наиболее полно требованиям САР
скорости движения поездов отвечает ИДУУ инерционного принципа действия.
Установлено, что в существующих ИДУУ при воздействии постоянного по
величине углового ускорения движение инерционного элемента относительно
корпуса и появление на выходе датчика сигнала происходят лишь в течение
короткого времени. При этом малый интервал времени получения информации
Рис.
7.
Погрешность
ИДУУ
в
зависимости от поперечного люфта
инерционного элемента при разных
значениях
ж
16
об изменении угловой скорости является фактором, снижающим точность
измерений.
3.
Показано,
что
использование
густой
смазки
между
взаимодействующими поверхностями инерционного элемента и корпуса
датчика приводит к повышению точности измерения, а применение в качестве
густой
смазки
ферромагнитной
жидкости
позволяет
повысить
чувствительность, регулировать диапазон преобразования и расширить
функциональные возможности датчика: он может быть применен для
измерения не только углового, но и линейного ускорения, линейной и угловой
резкости, давления, а также может совмещать функцию уплотнителя
вращающихся валов.
4. Анализ магнитных цепей разработанных ИДУУ показал, что при
увеличении магнитной проницаемости
)
(
ж
ферромагнитной жидкости
увеличиваются значения рабочих магнитных потоков и отклонения этих
потоков от значений при центральном положении инерционного элемента.
Установлено, что продольное смещение инерционного элемента приводит к
непропорциональному изменению рабочих магнитных потоков соответственно
в левой и правой от инерционного элемента частях магнитной системы.
5. Исследованием влияния нелинейности основной кривой намагничивания
на потокораспределение в магнитных системах датчиков угловых ускорений
выявлены характерные диапазоны изменения индукции в магнитопроводе. Для
каждого диапазона предложены аппроксимирующие функции зависимости
удельного магнитного сопротивления от индукции, а также даны
соответствующие им решения нелинейных дифференциальных уравнений.
Установлено, что максимальное расхождение между теоретическими и
экспериментальными результатами не превышает 14,5%.
6. Установлено, что с увеличением коэффициента затухания магнитного
поля в магнитопроводе (
) степень нелинейности статической характеристики
(
) увеличивается (например, при
1
и
6
,
= 0,96%
и
= 14,5%
),
а
изменение
ж
практически не оказывает влияния на
.
Показано, что при
синусоидальном изменении углового ускорения выходной сигнал датчика
имеет четыре составляющих, амплитуды двух из которых модулированы по
синусоидальному, а двух других – по косинусоидальному законам.
Установлено, что увеличение рабочего магнитного потока приводит к
сокращению времени переходного процесса.
7. Выявлено, что основными источниками возможных погрешностей
ИДУУ являются неточность изготовления, нестабильность тока возбуждения и
внешних условий. На основе анализа полученных аналитических выражений
погрешностей установлено, что на точность разработанных ИДУУ наибольшее
влияние оказывают колебания амплитуды тока возбуждения и температуры
окружающей среды. При этом максимальная приведенная погрешность не
превышает 1,5%. Показано, что применение в качестве густой смазки между
взаимодействующими поверхностями корпуса и инерционного элемента
ферромагнитной жидкости с большим значением
ж
снижает погрешности
17
измерения от поперечного люфта инерционного элемента (например, при
2
,
0
*
,
1
ж
и
2
10
ж
значения погрешности
составляют
соответственно 0,85 и 0,1%).
8. Применение разработанного ИДУУ в системах управления
технологическими процессами, в частности САР скорости движения поездов,
приводит к повышению точности регулирования. Экономический эффект от
внедрения датчика составляет 3,7 млн. сумов в год.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ
1. Амиров С.Ф., Саттаров Х.А. Влияние продольного смещения
инерционного элемента на показания индукционного датчика угловых
ускорений //Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте:
Сб. науч. тр. ТашИИТ. – Ташкент, 2005. С. 678-682.
2. Амиров С.Ф., Саттаров Х.А. Исследование динамических характеристик
индукционных датчиков угловых ускорений// Журнал «Вестник ТашИИТ». –
Ташкент, 2005. – №2. – С. 111-117.
3. Патент РУз. № IAP 02667, 2005. Датчик угловых ускорений/ Амиров
С.Ф., Саттаров Х.А., Шойимов Й.Ю., Суллиев А.Х.// Расмий ахборотнома. –
2005. – №2. – С. 140-141.
4.
Амиров
С.Ф.,
Саттаров
Х.А.
К
вопросу
развития
энергоинформационного метода поискового конструирования датчиков// Сб.
науч. статей Международной конференции «Инновация–2006». Ташкентский
государственный технический университет (ТГТУ). – Ташкент, 2006. С. 258-
259.
5. Амиров С.Ф., Саттаров Х.А. Индукционные датчики параметров
вращения в системах автоматического регулирования движением поездов
//Современные проблемы механики в комплексе железнодорожного транспорта:
Сб. науч. тр. ТашИИТ. – Ташкент, 2006. С. 160-161.
6. Амиров С.Ф., Саттаров Х.А., Батиров Х.Э. Анализ магнитных цепей
угловых акселерометров с ферромагнитной жидкостью// Журнал «Вестник
ТашИИТ». – Ташкент, 2006. – №3/4. – С. 115-124.
7. Амиров С.Ф., Батиров Х.Э., Саттаров Х.А. Магнитожидкостные
преобразователи для систем управления //Ресурсосберегающие технологии на
железнодорожном транспорте: Сб. науч. тр. ТашИИТ. – Ташкент, 2006. С. 76-78.
8. Саттаров Х.А. Об исследованиях погрешностей акселерометров с
магнитной жидкостью //Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном
транспорте: Сб. науч. тр. ТашИИТ. – Ташкент, 2006. С. 54-56.
9. Амиров С.Ф., Саттаров Х.А., Батиров Х.Э.
Преобразователь параметров
вращения с магнитожидкостной инерционной массой //
Сборник материалов
Международной научно-практической конференции «Перспективы развития
инновационных
и
интеграционных
процессов
хлопкоочистительной,
текстильной, легкой и полиграфической промышленности». – Ташкент, 2007.
С. 488-492.
18
10. Амиров С.Ф., Саттаров Х.А. Обобщенные приемы усовершенствования
конструкций индукционных датчиков ускорений// Журнал «Вестник ТашИИТ».
Ташкент, 2007. – №2. – С. 111-115.
11. Амиров С.Ф., Саттаров Х.А. Переходные режимы в индукционных
датчиках
угловых
ускорений//
Материалы
Всероссийской
научной
конференции «Инновационные технологии в управлении, образовании,
промышленности «АСТИНТЕХ-2007»». – Астрахань, 2007. С. 81-85.
12. Амиров С.Ф., Саттаров Х.А. Об одной погрешности индукционных
датчиков
угловых
ускорений//
Материалы
Всероссийской
научной
конференции «Инновационные технологии в управлении, образовании,
промышленности «АСТИНТЕХ-2007»». – Астрахань, 2007. С. 85-87.
13. Амиров С.Ф., Саттаров Х.А., Джураева К. Преобразователь параметров
вращения для систем автоматического регулирования движением подвижного
состава//
Восьмая научно-практическая конференция «Безопасность движения
поездов – 2007». – М.: МИИТ, 2007. С. V-1.
14. Патент РУз. № IAP 03316, 2007. Многооборотный бесконтактный
потенциометр переменного тока/ Амиров С.Ф., Турдыбеков К.Х., Шойимов
Й.Ю., Саттаров Х.А., Хушбоков Б.Х.// Расмий ахборотнома. – 2007. – №3.
15. Саттаров Х.А. Расчет магнитных цепей методом расчленения на
участки// Материалы Всероссийской научной конференции «Инновационные
технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ-2007»».
– Астрахань, 2007. С. 37-39.
16. Амиров С.Ф., Якубов М.С., Саттаров Х.А. О двух динамических
режимах работы электромагнитных датчиков ускорений// Материалы научно–
технической конференции по проблемам наземных транспортных систем: Сб.
науч. тр. ТашИИТ. – Ташкент, 2008. С. 229-232.
17. Амиров С.Ф., Саттаров Х.А. Индукционный датчик угловых
ускорений// Журнал «Датчики и системы». – Москва, 2008. – №12. – С. 32-34.
18. Амиров С.Ф., Саттаров Х.А., Батиров Х.Э. Влияние поперечного люфта
инерционного элемента на показания датчика углового ускорения// Журнал
«Вестник ТашИИТ». – Ташкент, 2008. – №3. – С. 63-68.
19. Патент РУз. №IAP 03893, 2009г. Датчик угловых ускорений/ Амиров
С.Ф., Турдибеков К.Х., Саттаров Х.А., Ботиров Х.Э., Хушбоков Б.Х.// Расмий
ахборотнома. – 2009. – №3.
Соискатель:
19
РЕЗЮМЕ
диссертации Саттарова Хуршида Абдишукуровича на тему: «Индукционные
датчики угловых ускорений для систем автоматического контроля и
регулирования скорости движения поездов» на соискание ученой степени
кандидата технических наук по специальности 05.13.05 – «Элементы и
устройства вычислительной техники и систем управления»
Ключевые слова:
угловое ускорение, индукционные датчики,
ферромагнитная жидкость, магнитные цепи, математические модели,
параметрические структурные схемы, характеристики.
Объект исследования:
индукционные датчики угловых ускорений
(ИДУУ).
Цель работы:
разработка и исследование ИДУУ с высокой
чувствительностью,
регулируемым
диапазоном
и
расширенными
функциональными возможностями
для систем автоматического регулирования
скорости движения поездов.
Методы исследований:
теории цепей с распределенными параметрами,
погрешностей, энергоинформационный метод поискового конструирования
датчиков и аппарат параметрических структурных схем (ПСС) с применением
компьютерной техники, а также экспериментальные методы исследований.
Полученные результаты и их научная новизна:
разработаны новые
конструкции ИДУУ с высокой чувствительностью, регулируемым диапазоном и
расширенными функциональными возможностями, защищенные патентами РУз,
и их математические модели; получены уравнения аппроксимирующих
функций удельного магнитного сопротивления стали от магнитной индукции с
учетом
магнитного
сопротивления
ферромагнитной
жидкости
и
соответствующие им решения нелинейных дифференциальных уравнений;
разработаны ПСС для аналитического исследования статических и
динамических характеристик, а также погрешностей.
Практическая значимость:
разработанные ИДУУ имеют высокую
чувствительность, регулируемый диапазон преобразования и расширенные
функциональные возможности. Разработанные математические модели
позволяют на стадии конструирования ИДУУ исследовать их в статическом и
динамическом режимах.
Степень внедрения и экономическая эффективность:
разработанный
ИДУУ внедрен в производственный процесс локомотивного депо «Тинчлик»
регионального железнодорожного узла «Бухара». При этом годовой
экономический эффект составляет 3,7 млн. сум.
Область применения:
результаты работы могут быть широко
использованы при разработке ИДУУ, предназначенных для систем
автоматического регулирования на железнодорожном транспорте и в других
отраслях народного хозяйства.
20
Техника фанлари номзоди даражасига талабгор Саттаров Хуршид
Абдишукуровичнинг 05.13.05 –“Ҳисоблаш техникаси ва бошқарув
тизимларининг элементлари ва қурилмалари” ихтисослиги бўйича “Поездлар
ҳаракати тезлигини автоматик назорат ва ростлаш тизимлари учун бурчак
тезланиш индукцион датчиклари” мавзусидаги диссертациясининг
РЕЗЮМЕСИ
Таянч сўзлар:
бурчак тезланиш, индукцион датчиклар, ферромагнит
суюқлиқ, магнит занжирлари, тақсимланган параметрлар, математик моделлар,
параметрик структура схемалари, характеристикалар.
Тадқиқот объекти:
Бурчак тезланиш индукцион датчиклари (БТИД).
Ишнинг мақсади: п
оездлар ҳаракати тезлигини автоматик ростлаш
тизимлари учун юқори сезгирликли, ўлчаш диапазони ростланувчи ва
функционал имкрниятлари кенгайтирилган БТИДларини яратиш ва тадқиқ
этиш.
Тадқиқот усули:
тақсимланган параметрли занжирлар ва хатоликлар
назариялари;
датчиклар
янги
конструкцияларини
яратишнинг
энергоинформацион усули, компьютер ѐрдамида қўлланиладиган параметрик
структура схема(ПСС) аппарати ҳамда экспериментал усуллар.
Олинган натижалар ва уларнинг янгилиги:
юқори сезгирликли, ўлчаш
диапазони ростланувчи ва функционал имкониятлари кенгайтирилган янги
БТИДлари ва уларнинг математик моделлари яратилган; пўлат ўзак солиштирма
магнит қаршилигининг индукцияга боғлиқлигини ферромагнит суюқлик
мангит қаршилигини ҳисобга олган ҳолда аппроксимацияловчи фунцияларнинг
аналитик ифодалари топилди ва уларга мос келувчи ночизиқ дифференциал
тенгламалар ечилди. БТИД статик ва динамик характеристикаларини ҳамда
хатоликларини аналитик тадқиқ этиш учун ПСС ишлаб чиқилди.
Амалий аҳамияти:
яратилган БТИД сезгирлиги юқори, ўзгартириш
диапозони ростланувчан ва кенг функционал имкониятларга эга. Ишлаб
чиқилган математик моделлар датчиклар конструкцияларини ясаш олдидан
уларни статик ва динамик режимлар учун тадқиқ этиш имконини беради.
Татбиқ этиш даражаси ва иқтисодий самарадорлиги:
ишлаб чиқилган
БТИД “Бухоро” регионал темир йўл тармоғига қарашли “Тинчлик” локомотив
депосида жорий этилди. Иқтисодий самарадорлик бир йилда 3,7 млн. сўмни
ташкил этди.
Қўлланиш соҳаси:
тадқиқотлар натижасидан темир йўл транспорти ва
халқ хўжалигининг бошқа тармоқларидаги автоматик бошқарув тизимларида
қўлланиши мумкин бўлган БТИД янги конструкцияларини яратишда кенг
фойдаланиш мумкин.
21
RESUME
Thesis of dissertation of Sattarov Xurshid on the scientific degree competition of
the doctor of philosophy in techniques on specialty 05.13.05 – “Elements and devices
of computer technology and control system”, subject “Inductive angular acceleration
sensor for automatic speed control system of train traffic”
Key words:
angular acceleration, inductive sensor, ferromagnetic liquid,
magnetic circuits, mathematical models, Parametrical Block Diagrams (PBD),
characteristics.
Subjects of research:
inductive angular acceleration sensor.
Purpose of work:
development and research an inductive angular acceleration
sensor with high sensitivity, adjustable range and more extensive functional potentials
for automatic speed control system of train traffic.
Methods of research:
circuit theory of distributed parameters, accuracy,
Energy–Information Method of computer-aided design and Parametric Block
Diagrams, as well as research experimental methods.
The results obtained and their novelty:
a new design of inductive angular
acceleration sensor with high sensitivity, adjustable range and more extensive
functional potentials, it’s mathematical model has been developed, an approximate
function’s equation of steel’s specific magnetic resistance of magnetic inductance
taking into account of magnetic resistance of ferromagnetic liquid has been
developed, as well as nonlinear differential equation solution is given. The
Parametrical Block Diagrams for analytical investigation of static and dynamic
characteristics and accuracy of sensors have been developed.
Practical value:
the research results is that developed inductive angular
acceleration sensor has high sensitivity, adjustable converting range and more
extensive functional potential. The developed mathematical model allows
investigating static and dynamic regimes in a primitive state of development of the
sensors.
Degree of embed and economic affectivity:
the result of the research is
introduced in industrial process of the locomotive roundhouse “Tinchlik” of regional
railway junction “Bukhara”. Annual economic profit is 3.7 million local currency
so’m.
Field of application:
the results of the research can be used in a primitive state
of development of sensors and aimed to automatic adjustment of railway transports
and other industry.
