Разработка вихретоковых замедлителей для транспортных комплексов «второго уровня» uST
- Авторы: Юницкий А.Э.1,2, Кузьмин И.А.2, Попко С.С.2, Лобазова И.Е.1
-
Учреждения:
- ООО «Астроинженерные технологии»
- ЗАО «Струнные технологии»
- Выпуск: Том 9, № 3 (2023)
- Страницы: 41-58
- Раздел: Оригинальные статьи
- URL: https://transsyst.ru/transj/article/view/492297
- DOI: https://doi.org/10.17816/transsyst20239341-58
- ID: 492297
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Обоснование: В настоящее время перед человечеством остро встают вопросы поиска новых транспортно-инфраструктурных решений – более безопасных, более эффективных и экологически чистых. Одним из возможных путей решения данных задач является перемещение взаимодействующих и ограничивающих друг друга инфраструктурно-транспортных элементов в разные плоскости, в частности, перенос путевых структур и подвижного состава транспортных систем на «второй уровень». При возникновении нештатных ситуаций и при приближении юнимобиля (беспилотного рельсового электромобиля на стальных колесах) к зонам остановки, парковки и вхождении в крутые повороты на высоких скоростях, механическое торможение не всегда может гарантированно обеспечить безопасную остановку рельсового электромобиля в таких погодных условиях как ливень, обледенение пути, а также износ компонентов тормозной системы. Разработанные авторами вихретоковые замедлители (ВТЗ) позволяют решить данную проблему, минимизировав количество продуктов износа, поскольку тормозящая сила возникает за счет взаимодействия магнитных полей, при этом в такой тормозной системе отсутствует механический контакт.
Цель: Разработка энергонезависимого ВТЗ, конструкция которого обеспечивает стабильную работу без предъявления повышенных требований к точности позиционирования транспортного средства «второго уровня» uST.
Материалы и методы: В статье приводятся исследования образцов вихретоковых замедлителей с шинами из различного материала и компоновкой магнитов. Подтверждение экспериментальных данных проводилось с помощью компьютерной модели ANSYS Maxwell – метода конечных элементов.
Результаты: В статье представлены ВТЗ с оптимальным относительным расположением и ориентацией магнитов в сочетании с магнитопроводами, разработанные и рассчитанные методом математического моделирования, подтвержденного натурными испытаниями и экспериментами.
Разработанный ВТЗ (вариант №2) развивает требуемое усилие и, в отличие от ВТЗ (вариант №1) с классической компоновкой магнитной системы, способен работать при неточном позиционировании юнимобиля как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях.
Заключение: Разработанные опытные образцы секций ВТЗ будут использованы в системах пассивной безопасности в качестве энергонезависимого замедлителя подвижного состава в городских, а также в транспортно-инфраструктурных комплексах uST применительно к любым природно-климатическим условиям нашей планеты.
Полный текст
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).
- 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:
- У них нет конфликта интересов;
- Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.
Об авторах
Анатолий Эдуардович Юницкий
ООО «Астроинженерные технологии»; ЗАО «Струнные технологии»
Автор, ответственный за переписку.
Email: a@unitsky.com
ORCID iD: 0000-0003-1574-3539
председатель совета директоров и генеральный конструктор ЗАО «Струнные технологии» и ООО «Астроинженерные технологии»
Белоруссия, Минск; МинскИгорь Александрович Кузьмин
ЗАО «Струнные технологии»
Email: i.kuzmin@unitsky.com
ORCID iD: 0000-0002-7521-9184
ведущий инженер-конструктор
Белоруссия, МинскСергей Сергеевич Попко
ЗАО «Струнные технологии»
Email: s.popko@unitsky.com
ORCID iD: 0009-0007-1997-6838
инженер
Белоруссия, МинскИрина Евгеньевна Лобазова
ООО «Астроинженерные технологии»
Email: i.lobazova@aet.space
ORCID iD: 0000-0002-2796-3582
к.х.н; ведущий специалист по научным разработкам и исследованиям
Белоруссия, МинскСписок литературы
- Юницкий А.Э. Транспортные системы «второго уровня»: современное состояние и перспективы развития / А. Э. Юницкий, С. В. Артюшевский, Д. И. Бочкарев // Горная механика и машиностроение. – 2022. − № 4. – С. 39 – 56.
- Юницкий А.Э. Струнные транспортные системы: на Земле и в Космосе: / под.ред. А.Э. Юницкого. – Силагрос: ПНБ, 2019. [Unitsky AE. Strunnye transportnye sistemy: na Zemle i v Kosmose. Unitsky AE. editor. Silagros:PNB; 2019. 576 p. (In Russ.)]. Ссылка активна на: 14.06.2023. Доступно по: https://unitsky.engineer/assets/files/shares/2019/2019_26ru.pdf
- Karakoc K, Park EJ, Suleman A. Improved braking torque generation capacity of an eddy current brake with time varying magnetic fields: a numerical study. FiniteElem.Anal.Des. 2012;(59):66-75. doi: 10.1016/j.finel.2012.05.005
- Sinha G, Prabhu SS. Analytical model for estimation of eddy current and power loss in conducting plate and its application. Phys.Rev.Spec.Top.:Accel.Beams. 2011;14(6):062401-1-10. doi: 10.1103/physrevstab.14.062401
- Karakoc K, Sauleman A, Park JE. Analytical modeling of eddy current brakes with the application of the time varying magnetic fields. Applied Mathematical Modelling. 2016;(40):1168-1179. doi: 10.1016/j.apm.2015.07.006
- Niu B, Wang D, Pan P. Multi-objective optimal design of permanent magnet eddy current retarder based on NSGA-II algorithm. Energy Reports. 2022;(8):1448-1456. doi: 10.1016/j.egyr.2021.11.165
- Eddy-current brakes of rail transport [Internet]. [cited 2021 August 9]. Available from: http://www.ipem.ru/files/files/tzd_web_versions/tzd_32_web_full.pdf
- Forrister, T. Eddy current braking systems as a way to get rid of friction in rail transport [Internet]. [cited 2021 August 16]. Available from: https://www.comsol.ru/blogs/how-eddy-current-braking-technology-is-freeing-us-from-friction/
- Озолин А.Ю. Торможение машин системами с постоянными магнитами: дис. канд. техн. наук. – СПб; 2009. – 19 с. [Ozolin AYu. Tormozhenie mashin sistemami s postoyannymi magnitami [dissertation]. St. Petersburg; 2009. 19 p. (In Russ.)].
- Simeu E, Georges D. Modeling and control of an eddy current brake Control Engineering Practice. 1996;4(1):19-26. doi.org:10.1016/0967-0661(95)00202-4
- Canova A, Vusini B. Analytical modeling of rotating eddy-current couplers, IEEE Transactions on Magnetics. 2005;41(1):24-35. doi.org: 10.1109/tmag.2004.839730
- Shin K.-H, Park H.-I, Cho H.-W, Choi J.-Y. Semi-three-dimensional analytical torque calculation and experimental testing of an eddy current brake with permanent magnets, IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2018;28(3):1-5. doi: 10/1109/tasc.2018.2795010
- Linear Magnetic Brakes [Internet]. [cited 2022 September 16]. Available from: https://www.h2wtech.com/page/linear-magnetic-brakes
- Lu X, Li Y, Wu M, et al. Rail temperature rise characteristics caused by linear eddy current brake of higt-speed train. J of Traffic and Transportation Eng. 2014;1(6):448-456. doi: 10.1016/s2095-7564(15)30295-6
- User’s guide – Maxwell 3D, 2005, Ansoft Corporation. [cited 2023 June 6]. Available from: http://ansoft-maxwell.narod.ru/en/CompleteMaxwell3D_V11.pdf