I. Өндөр хурдны мотор яагаад стрессийн баталгаажуулалтад хамрагдах ёстой вэ?
А өндөр хурдны мотор , роторын гадна диаметр дэх төвөөс зугтах хурдатгал нь таталцлын хурдатгалаас хэдэн арван мянга дахин их хүрч чаддаг. 30,000 р/мин эргэлтийн хурдтай Ашиглалтын ийм эрс тэс нөхцөлд байнгын соронзны суналтын ачаалал нь суналтын хязгаарт ойртох эсвэл бүр давах ба NdFeB байнгын соронзны суналтын бат бэх нь ихэвчлэн шахалтын бат бэхийн аравны нэг орчим байдаг. Суналтын ачаалал хязгаараас хэтэрсэн тохиолдолд байнгын соронзууд хагарч, өндөр хурдтай эргэлддэг хэсгүүд нь миллисекундын дотор моторыг бүхэлд нь устгахад хангалттай.
Үүний зэрэгцээ өндөр хурдны моторын нэрлэсэн хурд нь роторын чухал хурдтай ойртож, резонансын эрсдэл эрс нэмэгддэг. Стрессийг шалгах нь зөвхөн 'энэ нь эвдрэх эсэх' тухай биш, харин роторын хөшүүн байдлын загвар нь аюултай резонансын мужаас зайлсхийж чадах эсэхэд хамаарна.
Ийм учраас өндөр хурдны хөдөлгүүрийг зохион бүтээх явцад цахилгаан соронзон дизайныг хийж дууссаны дараа хийх эхний алхам бол эргэлтийн стрессийн шинжилгээ хийх, роторын хэсэг тус бүрийн тойргийн хүчдэл ба фон Мизесийн стрессийн тархалтыг шалгаж, тэдгээрийг холбогдох материалын бат бэхийн үзүүлэлтүүдтэй харьцуулах явдал юм.
II. Ротор ямар хүчийг даах вэ?
Өндөр хурдны моторын роторын стрессийн эх үүсвэрүүд нь үндсэндээ гурван төрөлд хуваагддаг бөгөөд тэдгээр нь ихэвчлэн суперпозицоор үйлчилж, төвөгтэй стрессийн талбарыг бүрдүүлдэг.
Төвөөс зугтах хүч - хамгийн чухал ачаалал. Ротор өндөр хурдтай эргэх үед массын цэг бүр радиаль гадагш чиглэсэн төвөөс зугтах хүчний үйлчлэлд өртдөг бөгөөд түүний хэмжээ нь эргэлтийн хурдны квадраттай пропорциональ байна.
F = ρω⊃2;r⊃2;
Энд ρ нь материалын нягт, ω нь өнцгийн хурд, r нь радиаль зай юм. Материал нь эргэдэг босоо амнаас хол байх тусам төвөөс зугтах ачаалал их байх болно. Энэ нь ханцуйны гадна талын ирмэгийн тойргийн хүчдэл нь ихэвчлэн роторын бүх хэсэгт хамгийн их байдаг гэсэн үг юм.
Хөндлөнгийн нөлөөллөөс үүсэх урьдчилсан стресс — 'хоёр иртэй сэлэм'. Гадаргуу дээр суурилуулсан байнгын соронзтой моторын байнгын соронз нь бага суналтын бат бэх бөгөөд зөвхөн төвөөс зугтах хүчийг тэсвэрлэх чадваргүй. Тиймээс байнгын соронзны гадна талд өндөр бат бэх ханцуйвч суурилуулсан байх ёстой бөгөөд эргэлтийн үед төвөөс зугтах суналтын хүчийг арилгахын тулд байнгын соронзыг хөндлөнгийн холболтоор дамжуулан урьдчилан шахаж өгнө. Гэсэн хэдий ч хөндлөнгийн хэмжээ нь аль болох их биш юм: хэт их хөндлөнгийн оролцоо нь байнгын соронзуудад хэт их шахалтын даралтыг бий болгодог бөгөөд байнгын соронз нь суналтын хүчин чадлаас илүү хүчтэй шахалтын хүчин чадалтай боловч энэ нь хязгааргүй биш юм.
Дулааны стресс нь амархан үл тоомсорлодог 'нуугдсан алуурчин'. Хөдөлгүүрийн ажиллагааны явцад температурын өсөлт нь янз бүрийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн дулааны тэлэлт үүсгэдэг бөгөөд янз бүрийн материалууд нь шугаман тэлэлтийн өөр өөр коэффициенттэй байдаг тул дулааны стресс нь мэдэгдэхүйц байж болно. Ханцуйвч ба байнгын соронзны хоорондох холболтын гадаргуу дээр температурын өөрчлөлт нь контактын даралтын хэмжээг өөрчилнө: температур өсөхөд контактын даралт нэмэгдэж, ханцуйны ачаалал бас нэмэгддэг. Бага температурын нөхцөлд шугаман тэлэлтийн коэффициентүүдийн зөрүүг 'бага температурт угсрах, өрөөний температурт хөндлөнгөөс оролцуулах' үйл явцын схемийг хэрэгжүүлэхэд ашиглаж болно.
III. Баталгаажуулах аргууд: Аналитик арга ба Төгсгөлийн элементийн арга
Аналитик аргын гол санаа нь роторын бүрэлдэхүүн хэсэг бүрийг зузаан ханатай цилиндр (эсвэл зузаан ханатай цагираг) загвар болгон хялбарчилж, хоёр хэмжээст туйлын координат дахь хүчдэлийн талбайн нэгдмэл математик загварыг бий болгох явдал юм. Босоо ам, байнгын соронз, ханцуйны хувьд радиаль ба тангенциал хүчдэл-хүчдэлийн хамаарлыг тусад нь жагсаасан бөгөөд тэгшитгэлийг интерфэйс дэх шилжилтийн тасралтгүй байдлын нөхцөл ба хүчний тэнцвэрийн нөхцөлөөр нэгэн зэрэг шийддэг.
250 кВт, 25 кр/мин өндөр хурдтай байнгын соронзон моторыг жишээ болгон авч үзвэл: байнгын соронзны гадна талын радиус 44 мм, зузаан 8 мм, карбон файбер ханцуйны зузаан 2 мм, ханцуй болон байнгын соронз хоорондын интерференц 0.3 мм байна. Нэрлэсэн хурдаас (30 кр/мин) 1.2 дахин их байх үед аналитик аргаар тооцоолсон роторын радиаль шилжилт, радиаль хүчдэл, тангенциал хүчдэлийн тархалт нь төгсгөлөг элементийн шинжилгээний үр дүнтэй маш нийцэж байна.
Аналитик аргын давуу тал нь хурдан тооцоолох хурд, тодорхой физик утга учир нь дизайны эхний үе шатанд параметрийн сканнердах, оновчтой болгох давталт хийхэд тохиромжтой. Гэсэн хэдий ч түүний хязгаарлалт нь бас тодорхой юм: нарийн төвөгтэй геометрийн хэлбэрүүд (дотоод роторын соронзон гүүрний бүтэц гэх мэт) болон анизотроп материалын шугаман бус байдлыг зохицуулахад хэцүү байдаг.
3.2 Төгсгөлийн элементийн арга: Үнэн зөв баталгаажуулах шалгуур
Хязгаарлагдмал элементийн арга (FEM) нь дурын геометрийн хэлбэрүүд, олон материалын хослолууд, нарийн төвөгтэй хилийн нөхцлүүдийг зохицуулах боломжтой бөгөөд стрессийг баталгаажуулах 'алтан стандарт' юм.
Загварын гол түлхүүр нь контактын гадаргууг эмчлэхэд оршино. Ханцуйвч ба байнгын соронзны хоорондох хөндлөнгийн тохируулгыг ихэвчлэн контактын элементүүдийг ашиглан төгсгөлийн элементийн шинжилгээнд дуурайдаг бөгөөд контактын хөшүүн чанар, үрэлтийн коэффициент, хөндлөнгийн оролцооны хэмжээг зөв тохируулах шаардлагатай. Нүүрстөрөгчийн файбер зэрэг анизотроп материалын хувьд уян хатан модуль болон чиглэл тус бүрийн Пуассоны харьцааг оруулах шаардлагатай.
Баталгаажуулах нөхцлийг сонгох нь адил чухал юм. Инженерийн практикт дараахь хослолуудыг ихэвчлэн баталгаажуулах шаардлагатай байдаг.
Ханцуйны хүч : von Mises өндөр температурт стресс + 1.2 дахин нэрлэсэн хурд;
Байнгын соронзны суналтын бат бэх : бага температурт хамгийн их үндсэн хүчдэл + нэрлэсэн хурдыг 1.2 дахин их;
Холбоо барих даралт : ханцуйвч нь байнгын соронзоос салахгүй байхын тулд бага температурт контактын хамгийн бага даралт + нэрлэсэн хурдыг 1.2 дахин нэмэгдүүлнэ.
Эдгээр гурван төрлийн баталгаажуулалт нь үйл ажиллагааны нөхцлийн хамгийн хүнд хослолыг хамардаг бөгөөд тэдгээрийн аль нь ч орхигддоггүй.
IV. Ханцуйны загвар: Роторын 'Суудлын бүс'
Ханцуйвч нь өндөр хурдтай байнгын соронз моторын роторын хамгийн чухал хамгаалалтын бүрэлдэхүүн хэсэг юм. Одоогийн байдлаар ханцуйны үндсэн материалыг хоёр үндсэн ангилалд хуваадаг.
Металл ханцуйвч (титан хайлш, Инконел хайлш гэх мэт) нь цахилгаан дамжуулах чанар сайтай бөгөөд хувьсах соронзон орон дахь эргэлтийн гүйдлийн алдагдлыг үүсгэж, моторын үр ашгийг бууруулдаг; гэхдээ тэдгээрийн өндөр дулаан дамжуулалт нь дулааныг гадагшлуулахад ашигтай байдаг. Металл ханцуйвч нь агаарын зайны шаардлага, хязгаарлагдмал дулаан ялгаруулах нөхцөл бүхий хувилбаруудад илүү тохиромжтой.
Карбон файбер нийлмэл ханцуй нь одоогоор өндөр хурдны моторын гол сонголт юм. Тэдгээрийн суналтын бат бэх нь 3500 МПа-аас их (бүлэг стандартын дагуу) хүрч чаддаг, нягт нь титан хайлшийн дөрөвний нэг орчим байдаг бөгөөд тэдгээр нь цахилгаан дамжуулах чадваргүй бөгөөд гүйдлийн алдагдал үүсгэдэггүй. Гэсэн хэдий ч нүүрстөрөгчийн файбер ханцуйны анизотропи нь стрессийн шинжилгээнд нэмэлт төвөгтэй байдлыг авчирч, дүн шинжилгээ хийхэд гурван хэмжээст уян хатан байдлын онолыг ашиглахыг шаарддаг.
Ханцуйны дизайны гол зөрчил нь зузаантай байдаг: ханцуй нь зузаан байх тусам байнгын соронзны хязгаарлалт илүү хүчтэй бөгөөд роторын ачаалал бага байх болно; гэхдээ ханцуйны зузаан нэмэгдэх нь агаарын эквивалент агаарын зайг нэмэгдүүлж, цахилгаан соронзон гүйцэтгэлийг сулруулна. Тиймээс ханцуйны загвар нь үндсэндээ олон зорилготой оновчлолын асуудал бөгөөд бүтцийн бат бэх ба цахилгаан соронзон гүйцэтгэлийн оновчтой тэнцвэрийг олох шаардлагатай.
V. Аюулгүй байдлын хүчин зүйлийг хэрхэн сонгох вэ?
Аюулгүй байдлын хүчин зүйлийн утга нь баталгаажуулалтын дүгнэлт найдвартай эсэхийг шууд тодорхойлдог. Хэрэв үнэ цэнэ хэтэрхий бага бол эрсдэлтэй; хэрэв энэ нь хэтэрхий том бол энэ нь дизайны хэт их илүүдэл, гүйцэтгэлийн доройтолд хүргэдэг.
Инженерийн практикт өндөр хурдны моторын роторын баталгаажуулалтын аюулгүй байдлын хүчин зүйлийг ихэвчлэн дараахь зарчмын дагуу тодорхойлдог.
Ханцуйны материал : уналтын бат бэх эсвэл суналтын бат бэх дээр үндэслэн 1.5-2.0 аюулгүй байдлын коэффициентийг авна. Жишээлбэл, тодорхой хэт өндөр хурдтай байнгын соронзон хөдөлгүүрийн ханцуйны хамгийн их хүчдэл 967 МПа байх үед аюулгүй байдлын коэффициент 2-оос дээш байвал зөвшөөрөгдөх боломжтой гэж үзнэ.
Байнгын соронз : NdFeB нь хэврэг материал бөгөөд түүний суналтын бат бэхийн тархалт харьцангуй их байдаг тул ихэвчлэн 2.0-3.0 аюулгүй байдлын коэффициентийг авдаг. Загварын зарим тохиолдолд байнгын соронзны аюулгүй байдлын хүчин зүйл нь 6-аас дээш хүрч, хангалттай хэмжээний зай үлдээдэг.
Босоо ам : босоо амны материал нь ихэвчлэн хайлштай ган, сайн хатуулаг, өндөр бат бэх, стрессийн түвшин зөвшөөрөгдөх хэмжээнээс хамаагүй доогуур байдаг тул аюулгүй байдлын коэффициент 1.5 орчим байхад хангалттай.
Холбоо барих даралт : ханцуйвч ба байнгын соронзыг хамгийн өндөр хурдтайгаар салгахгүй байхын тулд контактын хамгийн бага даралт нь ихэвчлэн хэд хэдэн мегапаскальаас багагүй байх шаардлагатай. Тодорхой загварын хувьд контактын хамгийн бага даралт нь нэрлэсэн хурдны доод хязгаарт 5.4 МПа, дээд хязгаарт 2.7 МПа-аас багагүй байх шаардлагатай.
VI. Баталгаажуулалтаас баталгаажуулалт хүртэл
Стресс баталгаажуулалт нь эцсийн эцэст 'цаасан тооцоо' юм. Инженерийн практикт баталгаажуулалтын үр дүнг туршилтаар баталгаажуулах шаардлагатай.
Баталгаажуулах нийтлэг аргууд нь:
Эргэлтийн туршилт нь баталгаажуулалтын хамгийн шууд арга юм. Бүтцийн эвдрэл гарсан эсэхийг ажиглахын тулд роторыг хэт их хурдтай (ихэвчлэн нэрлэсэн хурдаас 1.2 дахин их) хурдасгадаг. Зарим судалгаанууд нь бодит эвдрэлийн үед роторын зан үйлийн шинж чанарыг ажиглахын тулд карбон файбер ханцуйвч нь 30,000 r/min-д бүтэлгүйтдэг прототипүүдийг тусгайлан зохион бүтээсэн.
Хүчдэлийн хэмжилт нь эргэлтийн үед бодит цаг хугацаанд гол байрлал дахь суналтын өгөгдлийг авах боломжтой. Ороомог хэмжигч ба телеметрийн системийг ашиглан роторын гол байрлал дахь хүчдэлийг 18,000 r/min буюу түүнээс дээш хурдаар хэмжиж, корреляцийн баталгаажуулалтыг хязгаарлагдмал элементийн тооцооллын үр дүнд хийж болно.
Статик суналтын туршилт нь шууд бус боловч аюулгүй баталгаажуулалтын арга юм. Роторын цөмд статик суналтын туршилт хийснээр өндөр хурдны эргэлтийн аюулаас зайлсхийх, аналитик загвар болон төгсгөлийн элементийн үр дүнгийн нарийвчлалыг шууд бусаар баталгаажуулах боломжтой.
Дүгнэлт
Өндөр хурдны моторын роторын стрессийг шалгах нь уян хатан чанар, материалын шинжлэх ухаан, тоон тооцоолол зэргийг нэгтгэсэн системчилсэн инженерийн ажил юм. Төвөөс зугтах хүч, хөндлөнгийн хүч, дулааны стрессийн давхардсан нөлөөг ойлгохоос эхлээд тохирох баталгаажуулах арга, аюулгүй байдлын хүчин зүйлсийг сонгох, туршилтаар дизайны найдвартай байдлыг баталгаажуулах хүртэлх алхам бүр нь минутанд хэдэн арван мянган эргэлт хийх эрс тэс нөхцөлд мотор тогтвортой ажиллаж чадах эсэхээс хамаарна.
Шинэ эрчим хүчний тээврийн хэрэгслийн жолоодлогын хөдөлгүүрийн хурд 20,000 р/мин-ээс давж, Flywheel эрчим хүч хадгалах моторын хурд 70,000 r/min-д ойртож байгаа тул роторын хүчдэлийг шалгах нарийвчлал, үр ашгийн шаардлагууд нэмэгдсээр байна. Нүүрстөрөгчийн нийлмэл ханцуйвч, олон давхаргат ханцуйны бүтэц, олон физикийн холболтын оновчлол зэрэг шинэ технологиуд нь өндөр хурдны моторын гүйцэтгэлийн хил хязгаарыг байнга өргөжүүлж байгаа бөгөөд стрессийг баталгаажуулах нь эдгээр бүх шинэчлэлийн аюулгүй байдлын эцсийн шугам юм.
