Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Актуальной задачей при разработке струнного транспорта [1], является обеспечение безопасного торможения при возникновении нештатных ситуаций, а также при приближении к зонам остановки, парковки, вхождения в крутые повороты [2]. Авторами статьи разработан опытный образец полномасштабной секции линейного вихретокового замедлителя (ВТЗ), не требующий дополнительной энергии и обеспечивающий работу ВТЗ при неточном позиционировании подвижной и неподвижной частей. Данная инновация может послужить основой для разработки и запуска в производство энергонезависимых систем безопасности.

АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ

С целью повышения безопасности и во избежание последствий возможного отказа механических систем торможения, авторами предложено использование вихретоковых замедлителей, имеющих широкую перспективу применения и ряд потенциальных преимуществ, таких как бесконтактная работа, более быстрое срабатывание, меньшее количество компонентов и простота реализации различных контроллеров.

Однако описанные в литературе ВТЗ имеют и ряд недостатков: так авторами работ [3–4] применяются в качестве дополнительного оборудования приводы, использующие магнитные поля переменного тока с фиксированной и переменной частотой в различных формах волны как на низких, так и на высоких скоростях, что уменьшает надёжность ВТЗ и требует подвода внешнего питания. Авторами [5–7] рассмотрены ВТЗ с использованием компоновки магнитной системы, требующей подачи внешней энергии, что неблагоприятно влияет на экологию окружающей среды. В работах [8–14] предложены ВТЗ, имеющие компоновку магнитной системы с вращающимися частями и линейные ВТЗ, требующие высокой точности относительного расположения своих составных частей.

Как новый тип вспомогательного тормозного устройства юнимобиля, вихретоковый замедлитель с постоянными магнитами имеет широкую перспективу применения, обладая рядом преимуществ:

Применение ВТЗ на постоянных магнитах не требует использования внешних источников питания и, следовательно, повышает надежность системы и сокращает энергетические затраты [3].

Концепция применения системы вихретокового замедления заключается в том, что в случае нештатного приближении рельсового электромобиля к зоне с ограничением скорости со скоростью, превышающей номинальную для данного участка, в линейном вихревом замедлителе генерируется тормозящее усилие, замедляющее юнимобиль до номинальной скорости. Конструктивно возможный тормозной путь и величина тормозящего усилия позволяют обеспечить комфортное для пассажиров ускорение торможения [4–6].

В этой связи проведение исследований, связанных с разработкой перспективного опытного образца секции ВТЗ и оценкой его эффективности, является актуальным.

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТ

Авторами были исследованы тестовые образцы, отличающиеся материалом шины, наличием магнитопроводов, а также положением и ориентацией постоянных магнитов. Тестирование было проведено на специально разработанном и изготовленном испытательном стенде.

Конструктивно стенд представляет собой электродвигатель (Рис. 1), установленный на несущую раму и оснащенный системой управления оборотами двигателя. На вращающийся вал двигателя крепится диск-шина из исследуемого материала. Магнитная сборка установлена неподвижно с возможностью регулировки воздушного зазора в широком диапазоне. Также на стенде установлена измерительная муфта для определения развиваемого крутящего момента.

 

Рис. 1. Испытательный стенд с установленным тестовый образцом ВТЗ с различной компоновкой магнитов

 

В ходе работы установлены зависимости величины тормозной силы от используемых материалов, конструктива, скоростей, зазоров, температуры и др. параметров для тестовых образцов с оценкой более 10 различных вариантов компоновки магнитной системы (Рис. 2).

 

Рис. 2. Схемы и результаты исследования опытных образов

 

В ходе исследований установлено, что величина момента сопротивления вращению значительно зависит от величины воздушного зазора между дисками и частоты вращения диска-шины и остается неизменной при повышении температуры диска-шины вплоть до +150 ℃.

Результаты проведенных исследований показали, что максимальное удельное тормозящее усилие (в пересчете на 1 кг магнитов) получено на тестовом образце № 10 (с одной магнитной сборкой и двумя шинами), а максимальное абсолютное значение тормозящего усилия было получено на образце № 7 (с одной шиной и двумя магнитными сборками), компоновку которого целесообразно применять в дальнейшей разработке опытного образца секции ВТЗ.

Согласно данным протокола испытаний построены графики зависимости момента сопротивления вращению от величины зазора и скорости, которые показали, что при увеличении частоты вращения более 1500 об. /мин. (линейная скорость 58 км/ч) тормозящее усилие выходит на «плато» (Рис. 2.7). Результатами исследований подтверждено, что при минимальных воздушных зазорах и прочих равных условиях медный диск-шина работает более эффективно, чем алюминиевый диск-шина, но на алюминиевой шине замечено, что характеристика нарастания тормозящего момента более пологая.

При сравнительном анализе секция ВТЗ с шиной из меди создает тормозящий момент на 15 % выше, чем секция ВТЗ с шиной из алюминия при тех же условиях эксплуатации. Однако, медная шина в несколько раз тяжелее, дороже алюминиевой и со временем на воздухе окисляется.

С целью минимизации массы рельсового электромобиля, снижения стоимости систем вихретокового замедления, следует отдавать предпочтение шине из более легкого металла с более пологой характеристикой нарастания тормозящего усилия от скорости, что предпочтительнее для достижения требуемых показателей разрабатываемой секции ВТЗ.

На основании полученных результатов, авторами была выбрана компоновка магнитной системы № 7 для разработки секции ВТЗ № 1 (с классической компоновкой магнитов) с алюминиевой шиной.

КОМПЬЮТЕРНАЯ МОДЕЛЬ ТЕСТОВЫХ ОБРАЗЦОВ

 Для подтверждения экспериментальных данных тестовых образцов были проведены предварительные расчеты в программном комплексе ANSYS Maxwell 3D [15], построена компьютерная модель тестовых образцов и проведена ее валидация.

Математическая основа ANSYS Maxwell – метод конечных элементов, задача которого заключается в нахождении единственно возможного распределения электромагнитного поля в заданной расчетной области при указанных граничных условиях и возбуждении. Применили параметрическую модель, в которой обозначен полный перечень параметров, влияющих в различной степени на величину тормозного усилия и соответственно на эффективность ВТЗ.

Тип расчета (Solution type) – динамический (transient).

В расчетной модели выделены четыре «домена»:

• Base – домен, соответствующий телу шины, в которой возникают вихревые токи при движении магнитного поля; неподвижен в процессе расчета, сетка постоянна;
• Magnet – домен, соответствующий магнитной сборке; состоит из магнитов; в процессе расчета движется в объеме домена Band, сетка постоянна;
• Band – домен, в объеме которого происходит движение домена Magnet; на каждом шаге расчета в объеме происходит перестроение конечно-элементной сетки; границы домена не должны пересекаться с доменами Magnet и Base;
• Region – домен «дальнего поля»; создается специальной вставкой.

Каждому объему можно задать свой материал (Assign material). Материал шины по умолчанию – алюминий.

Для задания поступательного движения добавлены граничное условие MotionSetup, где задана скорость V, а в случае учета механики движения – начальная скорость V, масса тела, демпфирование и движущая сила при их наличии.

Кроме этого, обязательно установлен для домена Base эффект вихревых токов (Set Eddy Current).

В качестве результатов расчета на каждом шаге можно вывести плотность вихревых токов в теле шины (Рис. 3), величину электромагнитной индукции в векторной форме или в виде изополей (Рис. 4).

1. Для практического использования наибольший интерес представляют графики тормозящего усилия, которое приводит к падению скорости движения элементов домена Magnet (Рис. 5, 6). Данные результаты позволяют в дальнейшем получить зависимости суммарного тормозного усилия магнитной сборки от относительной скорости движения, что в свою очередь позволяет рассчитать динамику торможения юнимобиля с помощью ВТЗ, спроектированного на базе рассчитанных магнитов и шины [16, 17].

 

Рис. 3. Плотность вихревых токов в теле алюминиевой шины (в А/м²)

 

Рис. 4. Распределение электромагнитной индукции (в Тл)

 

Рис. 5. График тормозного усилия (в Н, красный) и скорости движения (в м/с, зеленый) от времени динамического процесса (в мс)

 

Рис. 6. Обработка данных в постпроцессоре

 

График тормозного усилия (в Н) от скорости движения (в м/с), который необходим для расчёта динамики торможения посредством ВТЗ на базе рассчитанного сочетания «магниты-шина».

 

На основании полученных результатов были сконструированы два варианта компоновки опытных образцов секций ВТЗ, приведенные на Рис. 7:

• опытный образец № 1, магнитная сборка в котором размещена на подвижной каретке, а шина размещена на стационарной колонне;
• опытный образец № 2, магнитная сборка в котором установлена на стационарной колонне, а шина закреплена на подвижной каретке с механизмом поджима шины к магнитной сборке.

 

Рис. 7. Опытные образцы секции ВТЗ

 

На основании полученной компьютерной модели провели математический расчет компоновки опытных образцов № 1 и № 2 секции ВТЗ с последующей валидацией по результатам испытаний рассчитанных, спроектированных и изготовленных опытных образцов секции ВТЗ.

Далее были проведены испытания опытных образцов и оценены технические характеристики обоих вариантов компоновки ВТЗ, определена зависимость тормозящего усилия от массы подвижной части и линейной скорости.

В результате проведенных исследований было выявлено, что в образце № 1 все 12 магнитов одновременно участвуют в процессе создания тормозящего усилия на всем тормозном участке длиной 2 м, а в образце № 2 – в процессе создания тормозящего усилия участвует группа из семи магнитов,  расположенных напротив движущейся каретки с шиной, при этом тормозной путь равен 1,5 м.

Таким образом, образец № 1, представляющий собой магнитную сборку, размещенную на подвижной каретке, и шину, размещенную на стационарной колонне, развивает большее удельное тормозящее усилие, благодаря одновременному участию всех магнитов. Однако, такая компоновка магнитов очень чувствительна к точности позиционирования подвижной части ВТЗ относительно стационарной части ВТЗ. Величина воздушного зазора для нормальной работы составляет 5–7 мм. Данный зазор с требуемой точностью сложно обеспечить для крупногабаритных транспортных средств. Поэтому, для транспортных комплексов второго уровня предпочтительнее применение ВТЗ образца № 2, который обеспечивает стабильную работу, не предъявляя повышенных требований к точности позиционирования транспортного средства.

ВАЛИДАЦИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ

Валидация (определение степени соответствия расчетной модели реальному физическому объекту) проведена для обоих опытных образцов секции ВТЗ. На Рис. 8 приведены графики величин, полученные экспериментальным путем (обозначены TEST) и по результатам моделирования в программе ANSYS Maxwell 3D (обозначены MAXWELL 3D) для образца № 2.

Исходя из полученных данных, можно сделать вывод что компьютерные модели в достаточной степени точно отражают поведение реальных физических моделей, а примененное программное обеспечение ANSYS Maxwell 3D и настройки решения могут быть в дальнейшем использованы, в частности, для проведения подобных виртуальных тестов без надобности трудоемких и дорогостоящих натурных экспериментов, и в общем, для разработки методики по проектированию и расчёту систем вихретокового замедления.

 

Рис. 8. Сравнение результатов эксперимента и моделирования ВТЗ

 

Ось абсцисс на графиках – время в секундах на основании файла Образец 2_C0001.txt при падении каретки с высоты 5,2 метра, магнитная сборка из 36 магнитов 50х30х10 закреплена на стойке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Результаты исследований показали, что максимальное удельное тормозящее усилие получено на тестовом образце № 10, а максимальное абсолютное значение тормозящего усилия было получено на образце № 7.

На основании вышесказанного были спроектированы 2 опытных образца секции ВТЗ: с классической компоновкой магнитной системы (Образец № 1) и с механизмом поджима шины (Образец № 2).

Было выполнено компьютерное моделирование опытных образцов секции ВТЗ с применением программного пакета конечно-элементного анализа ANSYS Maxwell. Проведена валидация компьютерного моделирования, погрешность по тормозящему усилию составила не более 3 %, что позволяет утверждать о хорошей достоверности получаемых результатов.

Таким образом, в результате проведенных исследований был разработан, подтвержден расчетами и натурными испытаниями авторский энергонезависимый ВТЗ, конструкция которого обеспечивает стабильную работу без предъявления повышенных требований к точности позиционирования транспортного средства «второго уровня» uST.

БЛАГОДАРНОСТИ

 Авторы выражают особую благодарность генеральному директору ЗАО «Струнные технологии» Н.Г. Косаревой за финансовую поддержку при проведении экспериментов.

Авторы заявляют что:

1. У них нет конфликта интересов;
2. Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.

About the authors

Anatoli E. Unitsky

Astroengineering Technologies LLC; String Technologies Inc

Author for correspondence.
Email: a@unitsky.com
ORCID iD: 0000-0003-1574-3539

Chairman of the Board of Directors, General Designer of Astroengineering Technology LLC and Unitsky String Technologies Inc.

Belarus, Minsk; Minsk

Igor A. Kuzmin

String Technologies Inc

Email: i.kuzmin@unitsky.com
ORCID iD: 0000-0002-7521-9184

Leader Design Engineer

Belarus, Minsk

Sergey S. Popko

String Technologies Inc

Email: s.popko@unitsky.com
ORCID iD: 0009-0007-1997-6838

Engineer

Belarus, Minsk

Iryna E. Lobazava

Astroengineering Technologies LLC

Email: i.lobazova@aet.space
ORCID iD: 0000-0002-2796-3582

PhD (Chemistry), Head of R&D

Belarus, Minsk

References

Supplementary files