1

ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ - СОФИЯ

ЕЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИ ФАКУЛТЕТ

КАТЕДРА "ЕЛЕКТРИЧЕСКИ МАШИНИ"

маг. инж. Милко Ганчев Дочев

ДИНАМИЧНИ РЕЖИМИ И ТЕХНИЧЕСКА

ДИАГНОСТИКА НА РЪЧНИ ЕЛЕКТРОИНСТРУМЕНТИ

АВТОРЕФЕРАТ

НА ДИСЕРТАЦИЯ ЗА ПРИСЪЖДАНЕ НА

ОБРАЗОВАТЕЛНА И НАУЧНА СТЕПЕН „ ДОКТОР ”

Професионално направление:

5.2. „Електротехника, електроника и автоматика”

Научна специалност : Електрически машини

Научен ръководител:

Проф. д.т.н. Ганчо Й. Божилов

София

2016 г.

2

Дисертационният труд съдържа увод, четири глави, заключение, списък на

публикациите на автора, свързани с дисертацията и списък на използваната литература.

В приложение е дадена информация за внедрявания, отзиви и реализация на

резултатите от този труд. Означенията на главите, формулите, фигурите и таблиците в

автореферата съответстват на тези от дисертационния труд.

Дисертационният труд е обсъден и насочен за защита на разширен катедрен

съвет на катедра “Електрически машини“ при Технически университет - София,

състоял се на 20.01.2016 г. Съставът на научното жури и датата на защитата са

определени със Заповед № ОЖ-87/21.01.2016 г. на Ректора на Техническия

университет. Защитата ще се състои на 26.05.2016 г. от 15.00 ч. в Информационния

център на ТУ- София, бул. „Св.Климент Охридски“ №8. Материалите по защитата са на

разположение на интересуващите се в канцеларията на Електротехническия факултет.

Автор: маг.инж. Милко Ганчев Дочев

Заглавие: Динамични режими и техническа диагностика на ръчни

електроинструменти

Тираж- 30 бр.

Издателство на Технически университет – София (ИТУС)

3

УВОД

Ръчните електроинструменти (РЕИ) са обособен клас електротехнически

изделия. Тяхното производство има масов характер, а те трябва да отговарят на високи

изисквания по отношение на технико-икономическите им показатели, енергийната им

ефективност, надеждност, експлоатационен ресурс и ергономичност.

Експлоатацията на електроинструментите се характеризира с често включване

и изключване, ударни претоварвания – механични и по ток, работа в среда с висока

запрашеност, влажност, при произволно положение в пространството. Масовото

навлизане на РЕИ в индустрията, строителството и бита, от една страна, и острата

пазарна конкуренция, от друга, налагат да се предприемт комплексни мерки за

повишаване на екслоатационната надеждност и снижаване на себестойността на РЕИ.

Налага се техническата диагностика да бъде преосмислена, като се обвърже по-

тясно с уточнените и повишени технически изисквания към тях.

Представеният дисертационен труд има за цел, като се анализират специфичните

динамични режими на РЕИ, да предложи комплексен подход за повишаване на

качеството и експлоатационната им надеждност. Задачите, които произтичат от тази

цел, са разработка на методики, алгоритми и модели за теоретично и експериментално

изследване, анализ на дефекти и повреди и определяне на методи и разработка на

средства за техническа диагностика на РЕИ. Резултатите от решването на тези задачи

са намерили приложение в сервизно-ремонтната дейност на електроинструменти, а така

също и учебния процес, свързан с обучението на професионални бакалаври.

ГЛАВА ПЪРВА

Състояние на проблема. Цел и задачи на дисертацията

В първа глава се прави обзор и анализ на информационните източници относно

динамичните режими при електрическите машини (ЕМ) и по-конкретно при

електроинструментите. Обосновава се необходимостта от диагностични методи и

инструментариум за техническа диагностика на тези изделия.

Ръчните електроинструменти (РЕИ), синтезирани по схема задвижващ

еднофазен колекторен двигател (ЕКД) - редуктор (Р) - изпълнителен орган (ИО),

работят в режими на чести включвания и изключвания, при натоварвания от празен ход

до определено допустимо претоварване. Преходните режими и динамичните процеси

протичат едновременно с изменението на няколко параметъра на електроинструмента.

В общ случай, динамичните режими в РЕИ възникват при изменение на

натоварването върху работният инструмент, респ. на изходящия вал на машината, при

включване на машината и изключването й от мрежата, при реверсиране, при къси

съединения в намотките, при изменение на напрежението и честотата на изводите на

машината, при изменение на параметрите й и др. В реалните условия динамичните

режими протичат при едновременно изменение на няколко фактора. Комбинациите от

фактори, влияещи върху динамиката, могат да бъдат твърде разнообразни (изменение

на напрежението, честотата, параметрите на електроинструмента и др.), като

приоритетно обикновено е изменението на натоварването. Затова при изследванията

4

трябва да се изберат “главните фактори ” и да не се усложнява, без необходимост,

задачата [22,43].

Независимо от ограниченото по време протичане на динамичните процеси,

последните оказват голямо влияние върху работата на машината. В много случаи

именно динамичните режими определят стойностите на изходните параметри на

машината при нейното изчисление и оказват влияние върху конструктивните

съотношения в машината [11]. Стремежът към конструктивно сливане на двигателите и

механизма е обща тенденция в развитието на електрозадвижването (ЕЗ) [73]. Примери

на такива устройства са ръчните електроинструменти .

В [108,109] са изложени основните принципи и теоретични основи на

надеждността на електрическите машини, начините, методите и средствата за тяхното

изпитване и изследване. Отделено е внимание на надеждностните показатели на ЕКД,

вграждани в РЕИ, произвеждани у нас.

В [22], като фундаментален основополагащ труд в областта на ТД на ЕМ, са

подробно анализирани, систематизирани и изведени основните методи за техническа

диагностика на електрическите машини, техните особености и приложенията им в

конкретните видове ЕМ. Посоченият труд тук е възприет като методологическа основа

за разработка, изследване и приложение на методи и средства за ТД на РЕИ.

1.3. Изводи:

2. Съществуват модели на еднофазен колекторен двигател за вграждане в ръчен

електроинструмент , представени в различни координатни системи с използване

на различни комбинации на зависимите променливи в абсолютни или

относителни единици, но няма модели на електроинструмент, разгледан като

електромеханична система.

3. Има разработени многомасови динамични модели на механичната част на ЕМС

на РЕИ.

4. Параметрите на ЕКД за РЕИ най – често се определят с използване на

изчислителни методики с приети допустими за практиката опростявания и

допускания.

5. Експерименталното определяне на въртящия момент на вала на РЕИ се

извършва най – често с помощта на специални механични устройства, което

усложнява значително неговото провеждане, а самите устройства са

чувствителни към претоварване и изискват специална поддръжка.

6. Не са изследвани достатъчно динамичните режими и енергийните

характеристики на РЕИ като агрегат, съставен от двигател-редуктор-работен

орган.

7. Няма публикувани математически модели и не са изследвани енергийните

характеристики на РЕИ при динамични режими.

8. Не са систематизирани и анализирани в достатъчно пълен обем видовете

дефекти и повреди в РЕИ.

9. Не е публикувана методика за оценка на техническото ниво на

електроинструменти.

5

10. Не са разработени и внедрени достатъчно достъпни методи и технически

средства за ТД на РЕИ, особено за нуждите на развойната и сервизно-ремонтна

дейност.

11. Не са изработени и внедрени достъпни , евтини и надеждни диагностични

модули и тестери за статорни и котвени намотки и възли.

1.4. Цел и задачи на дисертацията :

Формулираните в увода цел и задачи могат да бъдат представени в по-подробен

вид по следния начин:

- Разработка и анализ на методики, алгоритми и математически модели за

изследване на динамичните режими и енергийните характеристики на РЕИ, на

дефектите и повредите в тях, както и разработка и внедряване на методики и

технически средства за техническа диагностика (ТД) на РЕИ;

- Разработване на обобщен непрекъснат модел на състоянието на РЕИ, съставен

от многомасов динамичен модел на механичната част и математически модел на ЕМС;

- Разработване на алгоритми и математически модели за изследване на

динамични режими и натоварвания на работа на РЕИ ;

- Разработване алгоритми и математически модели за изследване на енергийните

характеристики на РЕИ при различни режими на работа;

- Разработване на изчислителни процедури за получаване на работни и

енергийни характеристики на електроинструментите при динамични и установени

режими;

- Систематизиране и анализ на дефектите и повредите в ръчните

електроинструменти;

- Извършване на обзор и анализ на методите за техническа диагностика,

приложими при ръчни електроинструменти - функционално-логическа диагностика на

електроинструменти, параметрична диагностика на ръчни електроинструменти ,

електроимпулсна диагностика на ръчни електроинструменти , виброакустична

диатностика на ръчни електроинструменти;

- Разработка на методика за оценка на техническото ниво на ръчни

електроинструменти;

- Приложение и адаптиране на метод на наблюдателя на състоянието за ТД на

РЕИ;

- Разработка на устройства за техническа диагностика на статори и ротори на

ръчни електроинструменти;

- Разработка на методика за проверочни електромагнитни и ресурсни изчисления

на еднофазни колекторни двигатели за ръчни електроинструменти като диагностича

база;

- Разработка на методика за толерансни диагностични изчисления на РЕИ , в т. ч.

за определяне коефициентите на влияние на входните параметри върху изходните

параметри посредством методът на малкия параметър.

6

ГЛАВА ВТОРА

Статични и динамични режими и натоварвания

при ръчните електроинструменти

Разгледани са въпроси относно структурата на електромеханични системи

(ЕМС), основните математически зависимости, описващи динамиката на

електромеханичното преобразуване на енергията в електроинструмента. Изведени са

уравненията на движението на електромеханичната система „задвижващ

електродвигател – редуктор - работен орган”. Разработен е математически модел на

електромеханичната система на задвижването на електроинструмент, състояща се от

задвижващ еднофазен колекторен двигател, редуктор и работен механизъм.

Електромеханичното преобразуване на енергията в еднофазния колекторен двигател се

представя със система нелинейни диференциални уравнения, включваща

съпротивленията и динамичните индуктивности на котвената и на възбудителната

намотки, е.д.н. на въртене и инерционният момент на ротора. Механичната част на

задвижването на електроинструмента се описва с двумасов динамичен модел.

Разработен е симулационен модел на РЕИ в Matlаb Simulink, с помощта на

който са получени работните и енергийни характеристики на електроинструмента и се

изследват динамичните и установените режими на задвижването. Разработеният модел

може да се използва както за развойна, така и за учебна дейност в областта на РЕИ и

друга битова електротехника, задвижвана с ЕКД. Тъй като моделът е отворен и

процесите, описвани с уравненията, позволяват ползването на персонални компютри ,

то е възможно да се моделират дефекти и повреди в електрическата и механичната част

на РЕИ и така да се извършва един вид параметрична диагностика, т.е. по изменението

на даден входен параметър да се следи как се изменят изходните параметри и обратно.

Казано по друг начин,този модел дава възможност да се решават както правата, така и

обратната задача на диагностиката.

2.1.2.1.1. Математически модел на електроинструмент

Електромеханичното преобразуване на енергията в еднофазния колекторен

двигател се представя чрез моментните стойности на величините [29]. Системата се

записва в следния вид :

(2.1.2.1)

където: im=i+is – намагнитващ ток; е – е.д.н. на въртене;

RaΣ, Rf, Rs – активни съпротивления на котвената намотка, на възбудителната

намотка, включително съпротивлението на четковия контакт и на намотката,

съответстваща на загубите в стоманата;

.

;

;0

;

iiiiLM

iiLe

dt

d

dt

diR

dt

d

dt

d

dt

diRReu

mmm

mmm

sfsss

fsfafa

7

ψa, ψf, ψs – собствени пълни магнитни потоци на котвената, възбудителната и

на намотката, съответстваща на загубите в стоманата;

ψfs, ψsf – взаимни пълни магнитни потоци между възбудителната намо7тка и

намотката, съответстваща на загубите в стоманата;

ψδ – пълен магнитен поток във въздушната междина;

Lm(im) – величина, имаща характер на нелинейна взаимна индуктивност между

намотките и свързана с магнитния поток във въздушната междина и е.д.н. на въртене и

зависеща от тока;

Ω – ъглова скорост на ротора.

След заместване на пълните магнитни потоци чрез съответните индуктивности,

уравненията приемат вида:

;dt

diL

dt

diLL

dt

diLLiRReu s

fsdaadffdfa

;0

dt

diL

dt

diLLiR sfd

sssdss

; mmm iiLe (2.1.2.2)

.iiiiLM mmm

където: Lda, Ldf, Lds, Ldfs, Ldsf са динамичните индуктивности на намотките;

Lal, Lfl, Lsl – индуктивностите на разсейване на намотките.

Зависимостите на нелинейните параметри Lda(i), Ldf(i), Lm(im) и Rs(I) са

апроксимирани с подходящи аналитични зависимости във функция от протичащите

през тях токове :

12

1

11 cib

baw

di

diL a

ada

;

22

22

ib

baw

di

diL f

f

df

mm

am iib

awi

3

3

;

Ic

s

df

s ebaP

dt

diL

IR 444

2

; (2.1.2.3)

където Ps са загубите в стоманата на статора и на ротора от вихрови токове и

хистерезис при основна честота и загубите в медта на комутиращите секции в

следствие на трансформаторното е.д.н.; I – текущата ефективна стойност на тока на

двигателя .

Разглеждаме двумасов динамичен модел , който е динамически еквивалентен на

задвижването на електроинструмент, като привеждането е извършено към вала на

електродвигателя (фиг. 2.1.2.1). Във връзката между първата и втората маси отчитаме

демпфирането на предавката (фиг. 2.1.2.2).

8

Фиг. 2.1.2.1. Кинематична схема на електроинструмент: 1, 2 – заден и преден

лагер на двигателя; 3, 4 – заден и преден лагер на междинния вал; 5, 6 – заден и преден

лагер на изходящия вал; 7-12 – първо, второ, трето и четвърто зъбни колела.

Фиг. 2.1.2.2. Двумасов динамичен модел

На фиг. 2.1.2.2. са приети следните означения: J1 – инерционен момент на

ротора на електродвигателя ; J2 – приведен инерционен момент входния вал на

редуктора ; с12 – твърдост на предавката; b12 – коефициент на демпфиране на

предавката.

Уравненията за равновесие на моментите, действащи на отделените

съсредоточени маси в системата , в която са отделени най-значителните маси – роторът

на двигателя и на товара са [134]:

,

;

2112211222

2112211211

cMbcJ

bcMJ

(2.1.3.4)

където M е електромагнитният момент на електродвигателя; Мс –

съпротивителният момент на товара.

За удобство при решаването, горната система може да бъде преобразувана във

форма на Cauchy.

,

;

;1

;1

22

11

211221122

2

211221121

1

dt

d

dt

d

MbcJdt

d

bcMJdt

d

c

(2.1.2.5)

9

където ω1 и ω2 са ъгловите скорости съответно на първата и на втората маси.

Ако обединим системите уравнения (2.1.2.2), представляващи математически

модел на електрическата част и (2.1.2.5), представляващa математически модел на

механичната част на електроинструмента, ще получим системата диференциални

уравнения, описваща електромеханичната система на разглеждания тип

електроинструмент.

Този математически модел в Matlаb Simulink е представен в дисертационния

труд на фиг.2.1.2.12. Чрез него са определени важни зависимости от времето при

протичане на преходни процеси, като напр. на тока, механичния момент, ъгловата

скорости и др. Изследванията обхващат диапазона на механичното натоварване от 0 до

130%.

2.1.5. Разработка и изследване на система за експериментално и аналитично

определяне на енергийните характеристики на инверторно и класическо

електрозадвижване с еднофазен колекторен електродвигател на

електроинструмент

При еднофазните колекторни електрозадвижвания с микропроцесорно

управление голяма част от величините, необходими за реализиране на алгоритъма на

управление се изчисляват в микропроцесора на базата на определен алгоритъм чрез

входни величини, директно измервани на изводите на двигателя. Необходимо е да

бъдат разработени методика, измервателна система и математически модел за

безсензорно определяне на енергийните характеристики на еднофазен колекторен

двигател (ЕКД) при динамични и при установени режими чрез измерване на

напрежението и тока на клемите на машината.

Използван е математическия модел на еднофазен колекторен двигател, който

отчита нелинейностите от електромагнитен характер. Той позволява да се отчита

влиянието на насищането на потока на реакцията на котвата, потока на възбудителната

намотка и потока във въздушната междина върху съответните характеристики и

параметри на еднофазния колекторен двигател при динамични и при установени

режими [43]. Работната принципна схема на електрозадвижване с еднофазен

колекторен двигател е показана на фиг. 2.1.5.1.

Определянето на активната P и реактивната Q мощности свързани с периодични

несинусоидално изменящи се напрежение и ток могат да бъдат определени по следните

изрази [73]:

t

Tt

dttituT

P .1

; (2.1.5.3)

t

Tt

dttituT

Q2

.1

, (2.1.5.4)

където u(ωt) и i(ωt) са моментните стойности на напрежението и тока, а T е

периодът, определен от основната честота f=1/T.

Пълната мощност S за всеки период T се получава:

10

22 QPS , (2.1.5.5)

К.п.д. за електродвигател в динамичен режим може да се определи като

отношение на средните за всеки период полезна мощност на вала на двигателя P2 към

активната консумирана от мрежата мощност P:

P

P2, където P2=MΩ (2.1.5.6)

Фиг.2.1.2.12.Модел в Matlab Simulink

sqrt(2)*220*sin(2*pi*50*u)

u

f(u)

i_s

f(u)

i_k

u(5)*(u(2)+u(3))*u(4)

e_k

Scope

a4+b4*exp(c4*sqrt(u(2)^2))

Rs

u(5)*(u(2)+u(3))*u(2)*u(4)

P2

1/Js*(u(5)*(u(2)+u(3))*u(2)-u(10))

Om

u(5)*(u(2)+u(3))*u(2)

Me

-Lfs*u(6)-Lfs*Lss-u(7)*u(6)-u(7)*Lss-Las*u(6)-Las*Lss-u(6)*u(6)-u(6)*Lss+u(6)*u(6)

Lz

wa*a1/(b1+abs(u(2)+u(3)))

Lm

wf*a2*b2/(b2+abs(u(2)+u(3)))^2

Lfd

wa*(a3*b3/(b3+abs(u(2)))^2+c3)

Lad

1

s

Integrator2

1

s

Integrator1

1

s

Integrator

Clock

V

IPQ

Active & ReactivePower

11

Фиг.2.1.5.1. Принципна схема на електрозадвижване с ЕКД с инверторно захранване

Средният за всеки период коефициент на мощността Km се определят от израза:

S

PKm

(2.1.5.7)

Разработената методика за определяне на енергийните характеристики на

еднофазните колекторни машини може да се използва както при теоретичното

изследване на динамичните и установените режими, така и при експериментални

изследвания.

Инверторната система за управление на еднофазния колекторен двигател може

да осигури както плавно пускане, така и регулиране на скоростта на въртене на

двигателя. Симулационните и експерименталните изследвания се проведоха при плавно

пускане на двигателя за 4 s до достигане на установена скорост, равна на 0,5nN.

Фиг.2.1.5.2.Схема на опитната

постановка

Експерименталните изследвания на

двигателя се проведоха с измервателна

система (фиг. 2.1.5.2.), която съдържа

модул за преобразуване на измерваните

величини, включващ сензорни

преобразователи на напрежение тип

LV25-P и и на ток тип LTS-15NP на

фирмата LEM и компютърна платка NI

USB-6009 на фирмата National Instruments

за преобразуване на измерените величини

във вид , подходящ за обработка от

компютъра. Зависимостите на

напрежението и тока на двигателя във

функция от времето uAB=f(t), захранен от

еднофазната мрежа и от мостов инвертор,

получени при измерванията чрез опитната

постановка са представени в

дисертационния труд на фиг. 2.1.5.3 и

фиг. 2.1.5.4.

Зависимостите на активната P, реактивната Q и пълната мощност S,

електромагнитният момент M, ъгловата скорост Ω, механичната мощност P2, к.п.д. η и

коефициента на мощност Km на двигателя във функция от времето, за случаите на

пускане на ЕКД , захранен от еднофазната мрежа или от инвертор, са показани в

дисертационния труд на фиг.2.1.5.5-фиг.2.1.5.10. Тук се вижда изменението на к.п.д. η

CФ

Us

D8

D1S1

Io

S2D2

D3S3

S4D4

ЕКДAB

iAB

uAB

D5

D6

D7

GND Sig_IA Sig_UA

+5V +15V-15V

R2

100Ω

0,1%

R1

25kΩ

1%

IN1

IN2

IN3

OUT1

OUT2

OUT3

5V 0V OUTSensor IA

+HT -HT

-15V+15V

M

Sensor UA

A

B

IN_A OUT_A

ЕКД

B

Измервателна

платка NI USB-6009

PC

12

по време на пусковия процес по посочените два начина на захранване (фиг.2.1.5.7 и

фиг.2.1.5.10).

Фиг. 2.1.5.7.Зависимости η=f(t) и Km=f(t)

захранване от еднофазна мрежа

Фиг. 2.1.5.10.Зависимости η=f(t) и Km=f(t

при захранване от инвертора

2.1.6. Изводи към глава Втора

Разработен е математически модел на електромеханична система на ръчен

електроинструмент. Електромеханичното преобразуване на енергията в еднофазния

колекторен двигател се представя със система нелинейни диференциални уравнения,

включваща съпротивленията и динамичните индуктивности на котвената и на

възбудителната намотки, е.д.н. на въртене и инерционния момент на ротора.

Механичната част на електроинструмента се описва с двумасов динамичен модел.

С разработения математически модел в Matlаb Simulink са изследвани

динамичните и установените режими на задвижването. Получени са работните и

енергийните характеристики на електроинструмента в динамичен и в установен

режим.

Получени са зависимостите на величините от времето при захранване на

машината от еднофазната мрежа и от мостов инвертор. Проведени са експериментални

изследвания за преходния процес и за установения режим при работа на системата,

които потвърждават достоверността и работоспособността на разработения

симулационен модел.

Разработените модели са въведени в учебната дейност в Технически Колеж –

Ловеч по дисциплините “Проектиране на електрически машини и апарати” и

“Електромеханични устройства”.

2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

0.2

0.4

0.6

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-1

-0.5

0

0.5

1

t, s

Km

2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

0.2

0.4

0.6

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-1

-0.5

0

0.5

1

t, s

Km

110

13

ГЛАВА ТРЕТА

Методи и средства, приложими за техническа

диагностика на ръчни електроинструменти

В Глава Трета е направен обстоен обзор, систематизиране и анализ на най-често

срещаните дефекти и повреди в ръчните електроинструменти. Направена е

систематизация и визуализация на основните диагностични състояния на котвени

намотки, приложима в производствената и учебната дейност. Изследвана е

приложимостта на основните видове диагностика при електроинструментите:

Функционално-логическа диагностика, Параметрична диагностика, Електроимпулсна

диагностика, Виброакустична диагностика. Разработена е методика за оценка на

техническото ниво на ръчни електроинструменти, даваща възможност да се извърши

количествена оценка на техническото ниво на определен тип машина. Разработен е

метод за използване на наблюдател на намагнитващия ток на еднофазен колекторен

двигател за електроинструмент. Чрез симулация в Matlab Simulink са получени

зависимостите на характеристиките на изследваната машина във функция от времето.

Разработени, изработени, апробирани и внедрени в учебно-практическата и сервизно-

ремонтна дейност са устройства за техническа диагностика на статори и ротори на

ръчни електроинструменти в сервизи и ателиета за сервизно-ремонтна дейност на

електроинструменти и битова техника.

3.2.1. Функционално-логическа диагностика на електроинструменти

На базата на известни принципи от функционално-логическата диагностика,

натрупан опит и информация в развойната, производствена и сервизно-ремонтна

дейност в областта на ръчните електроинструменти (РЕИ) и обработката на достъпна

фирмена информация, е разработена диагностична таблица в матричен вид, дадена в

дисертационния труд (табл.3.2.1.2). В нея са показани най-често срещаните случаи за

логическа симптоматика и детекция на неизправности и повреди в тези

електроинструменти. Това създава възможност за решаване както на правата, така и на

обратната задача за диагностика, чрез автоматизиран или ръчен способ, а така също и

за оценка на диагностичното състояние на електроинструмента, при условията на

производствена и сервизно-ремонтна дейност .

3.2.4. Виброакустична диагностика на електроинструменти

Изменението на виброакустичните процеси в ръчните електроинструменти се

развива на фона на действащи кинетични смушения - сили, съпровождащи нормалното

функциониране на отделните възли в електроинструмента.

В електрическите машини сериозни трудности, свързани с виброакусгичната

диагностика, възникват от обстоятелството, че неизправностите в различни детайли и

възли могат да възбудят вибрации с една и съща честота. Експерименталните и

теоретичните изследвания, напр. в [22,101] показват, че възникват вибрации както от

електромагнитен произход, така и от механичен. Проблемът се мултиплицира особено

при по-сложните изделия, каквито са ръчните електроинструменти, където наличието

на редуктори, колекторно-четкови и други възли внасят допълнителни изменения в

картината на вибро-акустичното поле. В такива случаи е нужно по възможност да се

направи разделяне на източниците от една страна - на шум, и от друга - на вибрации.

14

Колекторните електродвигатели, вградени в съвременните електроинструменти,

се изработват с все по-голяма мощност – тя вече надвишава 3000 W. За да се постигнат

относително малки размери и маса на електроинструментите, двигателите се

конструират с висока скорост на въртене, достигаща на празен ход до 33 000min-1

. Тази

висока скорост на въртене е една от основните причини за влошаване на комутацията, и

за нарастване на ефекта от механичните смущаващи фактори, като вибрации на четките

и колектора, вследствие отклоненията на работната повърхност на колектора от

цилиндричната форма. Това води до повишаване на искренето, на биенето и на

износването на колектора.

Редукторът, съгласуващ скоростта на въртене на високооборотния колекторен

двигател и нискооборотния изходящ вал на електроинструмента, също е активен

източник на шум и вибрации.

Тенденцията за енергонаситеност (извличане на по-голяма полезна мощност от

малка по обем активна част), водеща до нарастване на магнитните, токови и топлинни

натоварвания, изисква наличието на сериозна охладителна система (радиално-аксиална

вентилация), което пък води до засилване на аеродинамичния шум.

Ясно е, че в ръчните електроинструменти са изявени и трите класа на източници

на шум и вибрации - магнитни, механични и аеродинамични. От своя страна всеки от

тях, в зависимост от типа, предназначението и конструкцията на машината

(бормашина, ъглошлайф, перфоратор, трион, и др.),има различен относителен дял.

Обект на изследването бе двускоростна ръчна ударно-пробивна реверсивна

бормашина с електронно регулиране на скоростта, тип БУР 2 - 160 Е.

3.2.4.2.Експериментални изследвания

Измерването на шума и вибрациите е направено съгл. стандартите, отнасящи се

за шум, излъчван от машини и източници на шум, създаващи във въздушна среда

всички видове шум, както по честотен състав, така и по временни характеристики.

Нивото на звукова мощност по крива Ά" се измерва в заглушена камера със

звукопоглъщащ под. Определя се нивото на звуковата мощност в условията на

сферично свободно звуково поле. Тази мощност се изчислява по осреднените нива на

звуковото налягане, измерени в точки по сферична измервателна повърхност.

В табл.3.2.4.7 и табл.3.2.4.8 са показани резултатите от измерване, направено за

основната и допълнителната, (помощна) ръкохватка на бормашината.

Фиг.3.2.4.2. Опитна постановка за

измерване на шум и вибрации , където:

1 – Оператор; 2 – Прецизен шумомер

тип 2209 на Bruel&Kjaer; 3 -

Калибратор тип 4230 на фирмата

Bruel&Kjaer; 4- Виброметър тип 2510

на фирмата Bruel&Kjaer;

15

Таблица 3.2.4.7. Измерена виброскорост в основната ръкохватка

Честотни

октавни

ленти

Измерена виброскорост, mm/s

Hz машина 1 машина 2 машина 3

X Y Z X Y Z X Y Z

8 17,88 9,83 13,41 9,80 3,58 8,94 9,80 3,57 13,41

16 20,56 13,41 20,56 10,72 13,41 11,62 17,90 4,47 17,88

31.5 30,40 16,09 12,51 28,61 11,62 17,88 10,70 14,30 12,52

63 24,10 17,88 17,88 13,40 22,35 16,98 8,90 22,35 7,15

125 35,7 25,03 21,45 22,31 78,67 44,70 9,80 24,14 16,09

250 44,70 33,67 62,58 29,51 58,10 80,46 15,20 37,55 107,3

500 69,7 51,85 53,67 67,10 44,7 46,48 125,2 42,00 30,06

1000 44,71 17,88 67,05 34,81 10,73 46,48 51,80 10,73 41,91

a.k 111,2 85,9 113,3 91,1 111,8 116,7 138,9 67,9 129,7

Таблица 3.2.4.8. Измерена виброскорост в помощна ръкохватка

Честотни

октавни

ленти

Измерена виброскорост, mm/s

в т.2- помощна ръкохватка

Hz машина 1 машина 2 машина 3

X Y Z X Y Z X Y Z

8 8,94 1,79 2,68 5,81 3,93 4,47 5,36 3,57 4,47

16 10,73 7,15 8,94 19,67 25,92 17,88 12,51 4,92 44,7

31.5 8,94 8,94 17,88 11,62 17,88 10,73 13,41 37,55 11,62

63 11,62 7,15 13,41 9,83 8,05 11,62 8,94 5,72 15,19

125 9,83 9,38 16,09 10,73 10,73 25,93 4,47 8,94 13,41

250 35,76 22,35 28,61 28,61 18,77 39,44 24,14 15,19 53,64

500 42,91 25,92 22,35 37,54 32,18 19,67 32,18 33,97 19,67

1000 28,6 25,03 20,56 23,24 35,76 20,36 23,24 23,24 10,73

Lin 62,58 44,71 66,15 59,00 67,05 58,10 84,93 53,64 93,87

a.k 66,7 45,5 50,90 59,50 62,10 60,20 31,20 59,00 77,10

3.2.6.3. Наблюдател на намагнитващия ток на еднофазен колекторен

двигател за електроинструмент

За оптималното управление и контрол на режима на двигателя, осигуряващо

максимална производителност, оптимално регулиране и стабилизиране на работния

режим (точка) , е необходимо да има информация за динамичния въртящия момент на

вала на двигателя. Този проблем може да бъде решен чрез директно измерване или чрез

въвеждането на наблюдател . Първият подход изисква използването на сензори на

въртящия момент на вала на двигателя, които определят ъгъла на завъртане на вала.

16

Оценката на статичния момент чрез използване на наблюдателя изисква

определянето на лесно измерими координати, напр. скоростта на въртене и тока на

двигателя. На фиг. 3.2.6.3.1.1 е представена блок-диаграмата на наблюдателя от пълен

ред. Фиг.3.2.6.3.2 представя блок-схема на разработения наблюдател.

Фиг. 3.2.6.3.1.Блок-диаграма Фиг. 3.2.6.3.2. Блок-схема

3.2.6.3.3. Получени резултати

С помощта на разработените модели на еднофазен колекторен двигател и на

механичната част на системата са изследвани преходните процеси при пускане и

установени режими на еднофазен колекторен електродвигател за задвижване на

електроинструмент тип БУР2-160Е .

Изследванията се проведоха при задание за товарния момент за времето от 0 до

1 s - Mc=McN и от 1 до 2 s - Mc=Mc0. На фиг. 3.2.6.3.3 е показана зависимостта Mc=f(t), а

на фиг. 3.2.6.3.4 е показана зависимостта Ω=f(t).

Фиг. 3.2.6.6.3. Зависимост Mc=f(t) Фиг. 3.2.6.6.4. Зависимост Ω=f(t)

Фиг. 3.2.6.6.5. Зависимост Me

*=f(t) Фиг. 3.2.6.6. 6. Зависимост im

*=f(t)

Bu 1

p

A

Cx y

B1

p

A

Cx

L

^

y~

Object

Observer

B1

p

A

L

u

ixC

-i~

~ SPCMu

i

is, im, ψm, e, Me^ ^ ^ ^ ^

i

17

С използване на математическия модел са получени зависимостите на

характеристиките на изследвания двигател и на механизма във функция от времето,

показани на съответните фигури. Резултатите от симулацията показват подобрение по

отношение на стабилността на параметрите при натоварване в предложената схема,

чрез въвеждането на наблюдателя и приложените коригиращите въздействия.

3.3. Разработка на устройства за техническа диагностика на статори и ротори на

електроинструменти

3.3.2 .Разработка на устройство за диагностика на статори и ротори за РЕИ

Въз основа на анализа на състоянието на проблема , е синтезирано и изработено

от автора устройство за диагностиране на намотки на РЕИ и малки ЕМ. Устройството

е изградено на модулен принцип. Модулите изпълняват следните функции: Проверка

за верига , включително “ниско” и “високоомна” верига със съответна светлинна и

звукова индикация; Проверка на бобини и намотки за наличие на прекъсване или

междунавивково к.с.; Проверка на котви – за наличие на междунавивково и

междуламелно к.с., както и за прекъсване на намотката и за наличие на корпусно (към

маса) к.с. Устройството е изградено като преносим модул , с възможност за включване

на допълнителна измервателна апаратура, вкл. програмируем мултимер със стандартен

интерфейс за РС. Блок – схемата на модула е показана на фиг.3.3.6. Основните възли

на диагностичния модул са : 1 – НЧ генератор; 2 - индуктор (бобина) - излъчвател на

генератора; 3 – приемник (бобина) на усилвателя; 4- превключвател на режим; 5 –

изход към мултимер; 6- усилвател; 7- светлинен индикатор; 8 - звуков индикатор; 9-

вход за универсален пробник; 10 –универсален пробник (веригопроверител); 11-

свтодиоден панелен индикатор; 12 – звуков индикатор на пробника; 13- захранващ блок

230 VАС/3VDС; 5VDC; 14 – генератор на стабилизиран ток; 15- измервателен мост; 16-

еталонен импеданс (бобина); 17- измерван импеданс (бобина LX); 18- измерителен уред

(милиамперметър). Синтезираната структурна схема на стенд за диагностика на

статори и ротори за електроинструменти е изпълнена на модулен принцип с оглед

универсалността на приложение - отделните модули могат конструктивно да се

групират в обща конструкция (фиг.3.3.11), а за по-лесна експлоатация и поевтиняване

на изделието, могат да се реализират като отделни самостоятелни модули.

Фиг.3.3.6.Блок схема на модула Фиг.3.3.11. Устройство за диагностика на

намотки

1 2 3 4

5

6

7

8

220

V

13

14

17 9

12

15

16

18

10

11

18

3.3.4.1. Разработка на тестер за проверка на статори за електроинструменти

В процеса на разработване на устройството се стигна до извода, че за

практически цели е подходящо да се приложи индуктивен метод за пасивна

диагностика на статорните намотки на РЕИ. Известно е , че те се изпълняват като

двуполюсни и това позволява в междината между двата полюса да се заложи система

от две бобини, поставени върху подходящи магнитни сърцевини и изпълняващи ролята

на излъчвател и приемник. Генератор на импулси захранва излъчвателната бобина,

сигналите от която по индуктивен път се приемат от приемника, демодулират се и се

усилват от усилвател, след което се предават към индикаторна група за светлинна и

звукова индикация. Практическата му реализация е показана на фиг.3.3.13.

3.3.4.2. Тестер за проверка на котвени намотки за електроинструменти

Общ вид и конструктивно изпълнение е показано на фиг. 3.3.14.

Фиг.3.3.13 Реализация на тестер за

проверка на статори

Фиг.3.3.14. Реализация на стенд за

проверка на котви

3.4. Устройство за идентификация схемата на свързване на котвени намотки

за електроинструменти

Възникването на дефект или повреда в котвената намотка, респ. в колектора,

налага подмяната на котвата с нова или нейното пренавиване и възстановяване в

условията на сервизно-ремонти работилници. Не винаги е налице каталожна или

фирмена информация за бобинажните данни и схемата на свързването на намотката

към колектора. Това предполага използването на специализирано устройство за

идентификация на навиването на намотката, т.е . дали е ляво- или дясно- ходова и с

какво изместване по колектора е направено това скачване. Разработеното и внедрено

устройство запълва тази нужда в сервизното оборудване. Устройството е

предназначено основно за идентифициране на прости листови намотки, които най често

се използват в еднофазните колекторни двигатели, предназначени за вграждане в

промишлена и битова техника – ръчни електроинструменти, миксери, бъркалки,

перални, кафемелачки и др. С успех се използва и за идентификация на котвени

намотки за постояннотокови машини.

3.4.2. Реализация

На фиг. 3.4.6.а и фиг. 3.4.6.б, е показано разработеното устройство. То се състои

от: захранващ блок, източник на импулси (генератор на ток), осезател (индуктивен

преобразувател) и индикаторен елемент (измервателен уред със средна точка).

19

Фиг. 3.4..6.а, б. Устройство за идентификация схемата

на свързване на котвени намотки

3.5. Метод и устройство за електоимпулсна диагностика на намотки за

електроинструменти

Принципът на работа се състои в подаване към диагностицираните намотки (в

изключено състояние) на импулсен сигнал с определена форма, генериран от високочестотен

осцилатор. При преминаване на сигнала през намотката той се деформира по определен начин

вследствие на нейното вълново съпротивление и се индицира във вид на две вълни - падаща и

отразена. Различните дефекти или аномалии в намотката деформират сигнала по различен

начин, като по таблично сравнение на наблюдаваната форма и съответния дефект може да се

съди за неговия характер. Могат да се идентифицират следните диагностични състояния на

намотките: изправност, късо съединение (междунавивково, междусекционно, междугрупово) ,

обърната част от намотката, корпусно съединение, прекъсване и др. Най трудно откриваемо е

междунавивковото късо съединение (м.к.с.), особено при секции, изпълнени с проводник с по-

голямо сечение, тъй като почти не се променя активното и реактивното им съпротивление.

Предимство на електроимпулсният метод за откриване на м.к.с. е, че с помощта на източник с

неголяма мощност може да се постигне достатъчно висока честота на сигнала през намотките.

3.5.3. Описание на устройството за електроимпулсна диагностика на

намотки.

Устройството (фиг.3.5.3) се състои от следните блокове : Б1 – брояч 1 с регистър

Р1 ; Б2 – брояч 1 с регистър Р2 ; К1 и К2 – компаратори ; П – памет ; ЛЕ –логически

елемент; Г – кварцово стабилизиран генератор ; ДЧ – делител на честота ; Бу – буфер ;

Блоковата и принципната му схема са дадени в дисертационния труд на

фиг.3.5.3. и фиг.3.5.4, а външия му вид - на фиг.3.5.5.

Фиг.3.5.5.Устройство за ЕИД на намотки за РЕИ и микромашини.

20

3.6. Изводи към глава Трета:

• Направени са обстоен обзор , систематизиране и анализ на най-често срещаните

дефекти и повреди в ръчните електроинструменти.

• Разработен е класификатор на дефекти и повреди в отделните възли и елементи

на електроинструмента. Класификаторът е приложим както в обучителната и

сервизно-ремонтната дейност , така и в и производствената дейност за

своевременна оценка на качеството на произвежданата продукция; Разработена

е идентификационна таблица на дефекти и повреди в РЕИ и таблица за

функционално-логическа диагностика, позволяваща бързо и точно

окачествяване (оценка) на техническото състояние на РЕИ.

• Доказана е приложимостта на основните видове диагностика при

електроинструментите: Функционално-логическа диагностика, Параметрична

диагностика , Електроимпулсна диагностика, Виброакустична диагностика.

• Разработена е методика за оценка на техническото ниво на ръчни

електроинструменти, позволяваща да се извърши количествена оценка на

техническото ниво на определен тип машина . Методиката е приложима в

развойната дейност , като на основата на сравнителния анализ може да се

формира тенденцията (тренда) при разработката на нови изделия. Доказано е

високото техническо ниво на определен тип РЕИ,къртач тип ВР750СЕ на фирма

„Спарки“ – Ловеч.

• Доказана е приложимостта на метод на наблюдателя на състоянието при

електроинструментите .

• Разработен е опростен метод за определяне на двигателния, съпротивителния и

инерционния моменти при ръчни електроинструменти. Методът позволява

определяне на двигателния, на механичния съпротивителен момент и на

инерционния момент на вала на електроинструмента само чрез измерване на

скоростта и времето за развъртане и самоспиране. Анализът на получените

механични характеристики дава възможност за диагностика както на

състоянието на механическата част на машината, така и на задвижващия я

двигател .

• Разработен е метод за използване на наблюдател на намагнитващия ток на

еднофазен колекторен двигател за електроинструмент. Чрез симулация в Matlab

Simulink са получени зависимостите на характеристиките на изследваната

машина във функция от времето. Резултатите от симулацията показват

подобрение по отношение на стабилността на параметрите при натоварване чрез

въвеждането на наблюдателя и приложени коригиращите въздействия.

• Разработени са, изработени, апробирани и внедрени устройства за техническа

диагностика на статори и ротори на ръчни електроинструменти.

• Разработен е метод и е изработено и апробирано устройство за идентификация

на схемата на свързване на котвени намотки на електроинструменти.

• Разработен е метод и е изработено и апробирано устройство за електроимпулсна

диагностика на намотки за статори и ротори на електроинструменти.

21

ГЛАВА ЧЕТВЪРТА

Методика за проверочни електромагнитни и ресурсни изчисления

на еднофазни колекторни двигатели за електроинструменти

Необходимост от разработка на методика и програмен продукт за проверочни

електромагнитни и ресурсни изчисления на еднофазни колекторни двигатели

за ръчни електроинструменти :

Необходимост от използването от фирмите - производители на РЕИ на бързи,

точни и удобни за инженерни пресмятания методики и програмни продукти за

проверочни електромагнитни, топлинни, ресурсни и механични изчисления на

електродвигателя и електроинструмента като цяло.

Методиките и програмите трябва да позволяват поливариантност на търсените

решения, като се възприема готова геометрия на активните части.

Практиката показва, че за бързи и приемливи за развойната и производствена

дейност изчисления, при зададени базови входни данни като напрежение,

честота, геометрия на активните части, параметри на използването материали,

бобинажни данни и др., с разработени продукти на базата на опит на наши и

чужди институти и фирми, могат да се получат съответните работни

характеристики на ЕКД за РЕИ.

Програмата трябва да е разработена за диалогов режим, позволяващ

своевременна промяна на конкретни параметри, коефициенти, материални

константи и др., с оглед получаване на ЕКД с оптимални енергийни параметри

при ниска себестойност. Разработените продукти трябва да могат с лекота да

се прилагат в развойно изследователската и внедрителска дейност в областта

на РЕИ и ЕКД, както и да са база за теоретични изследвания по отношение

оптималност ресурс и надеждност на разработваните електродвигатели и

електроинструменти.

Приспособимост на методиката за обучение и самообучение на учащи се и на

инженерно-технически персонал.

4.2. Блок-схема на алгоритъм и програма за проверочни електромагнитни и

ресурсни изчисления на еднофазни колекторни двигатели за ръчни

електроинструменти (фиг. 4.1.):

Анализ на софтуера:

• Софтуерния продукт може да се използва като математически модел за

диагностични изчислителни процедури, като при зададени начални входни

данни се получават изходни за базов ЕКД, препоръчан като “годен”. При

корекции на входни и междинни параметри се симулират различни дефекти и

повреди в определени възли и изчислителната процедура се повтаря – т.е.

решават се “права” и “обратна” задача на ТД.

• Продукта позволява освен диагностични процедури, да се проследят и

влиянието на други смущаващи фактори, които определят технологични

отклонения в геометричните размери, производствени и материални изменения

и тяхното влияние върху работоспособността и енергийните показатели на

електродвигателя.

22

• Тестването на софтуера с различни промени на входните величини показва

добра сходимост с реални данни от изпитания, което е видно от сравнения с

протоколи от заводски изпитания.

Фиг. 4.1. Блок-схема на алгоритъм и програма за проверочни електромагнитни и

ресурсни изчисления на еднофазни колекторни двигатели за ръчни

електроинструменти

Графично представяне на получените работни и механични характеристики

( фиг. 4.4.1 , фиг.4.4.2 , фиг.4.4.3 и фиг.4.4.4).

Фиг. 4.4.1 Фиг. 4.4.2.

Фиг. 4.4.3. Фиг. 4.4.4.

23

4.4. Толерансни диагностични изчисления:

Известно е значителното понякога разсейване на индивидуалните

електромагнитни, електромеханични, топловентилационни и виброакустични

характеристики на отделните екземпляри от еднотипни машини от една партида,

произведени по еднаква технология, с еднакви материали и лагери, от едни и същи

работници, на една поточна линия, дори в един ден. Известна е и наблюдаващата се

почти винаги "размитост" на виброакустичния спектър, обуславяна от горните и от

други случайни фактори. Сравнението между изчислените и измерените стойности на

параметрите на машините дори за най-добрите изчислителни методики също показва

понякога разлики от значителен порядък въпреки големите им претенции за точност.

Всичко това прави нецелесъобразно и дори невъзможно приложението на

детерминираните изследователски методи, а задачата изисква вероятностен или

толерансен анализ. Доказано е, че разсейване на резултатите може да се получи и при

пълно спазване на предписанията на конструктивно-технологичната документация, т.е.

при условие, че толерансите (интервалите на изменение) на размерите и свойствата на

отделните детайли, възли или материали, не излизат извън рамките на предписаните им

допускови полета.

Числени опити и резултати:

На фиг. 4.4.1 са показани работните характеристики на електродвигател за

електроинструмент, получени с изчислителната програма по разработената от автора

методика за проверочни електромагнитни, топлинни, механични и ресурсни

изчисления на еднофазни колекторни двигатели за електроинструменти. За база е

използвана техническата документация (геометрични размери на лист статорен и лист

роторен, статор комплект, котва комплект, бобинажни данни, параметри на активните

материали) на базов електродвигател на фирма”Спарки-Елтос”, тип ЕД210 [114]. Като

входни параметри се приемат следните величини: въздушна междина ,mm; дължина

на роторен (статорен) пакет )(pa

ll ,mm; дължина на полюсната дъга пд

b ,mm;

специфично електрическо съпротивление на роторния (статорния) проводник )(ba

;

отвор на канала(шлица) s

a ; коефициент на запълване на стоманата kc; специфични

загуби в стоманата на роторния (статорния) пакет c

p ; Като изходни величини се

следят: консумираната Р1и отдаваната(полезна) мощност Р2, к.п.д.η , факторът на

мощността cosφ, енергийният фактор η.cosφ, токът I, моментът M и честотата на

въртене n. Приема се максимално отклонение на стойността на въздушната междина

%5 ,т.е. получени са серия работни характеристики при ;;525,0;475,0;5,0 mm Резултатите от числения експеримент по методът на малкият параметър са

показани в табл.4.4.2, даващи ясна представа за качественото (със съответният знак) и

количествено определени тегловни коефициенти на тези величини.

24

Фиг.4.4.1. Характеристики на електродвигателя

Табл.4.4.2. Стойности на коефициентите на влияние

Пара-

метър

cp ρa ρb

пдb

sa

bl

al kc

1 Р1 0,385 0,011 0,001 -0,375 -0,667 -0,228 -0,443 0,353 0,351

2 Р2 0,316 0,001 -0,073 -0,494 -0,486 -0,176 -0,381 0,296 0,246

3 η -0,070 0,000 -0,084 -0,126 0,168 0,056 0,071 -0,182 -0,097

4 cosφ 0,201 0,010 0,000 0,015 -0.104 0,011 -0,063 -0,031 -0,011

5 η.cosφ -0,044 0,000 -0,088 -0,032 0,073 0,073 0,000 -0,204 -0,116

6 I 0,364 0,001 0,001 -0,382 0,562 -0,238 -0,387 0,382 0,364

7 N -0,074 0,000 -0,078 -0,092 -0,984 0,086 -0,990 -0,189 -0,112

8 M 0,000 0,001 0,001 -0,413 0,496 -0,284 0,661 0,413 0,690

Анализ на резултатите:

Получените изчислителни резултати доказват ефективността на разработеният

метод за толерансен диагностичен анализ на ръчни електроинструменти . Ясно се

диференцират ”опасните” и „неопасните” от технологична и конструктивна гледна

точка входни параметри. Очертават се „информативните” и „неинформативните” от

диагностична гледна точка, параметри на машината. Резултатите потвърждават

забелязаната в практиката чувствителност на ЕКД за РЕИ към измененията на

въздушната междина, специфичното електрическо съпротивление на бобинажните

проводници, дължините на полюсната дъга и пакетите на магнитопроводите и не

особената чувствителност от качеството на електротехническата стомана (магнитните

загуби) . От друга страна, ясно се забелязва, че най чувствителен информативен

параметър относно неспазването на технологичната дисциплина е токът, като за това е

нужно изпитването на повече образци, докато енергийният показател η.cosφ е по-слабо

чувствителен, както и η и cosφ, а за доказване на достоверността на резултатите са

нужни по- малко образци. Намаляването на полето на разсейване на входните

параметри води до повишаване на качеството и надеждността на ЕКД за РЕИ, което е

предпоставка за икономия и повишена икономическа ефективност при производството

и реализацията на електроинструменти.

25

4.5. Изводи към глава Четвърта

Разработен е алгоритъм и блок схема за проверочни електромагнитни и

ресурсни изчисления на ръчен електроинструмент.

Разработена е методика за проверочни електромагнитни и ресурсни изчисления

на ръчни електроинструменти.

Методиката е представена с конкретен пример за изчисление в Excel , като при

зададени базови входни данни : напрежение, честота, геометрия на активните

части, параметри на използваните материали, бобинажни данни и др., се

получават работните и механични характеристики на ЕКД за РЕИ .

Методиката позволява да се направят проверочни механични и ресурсни

изчисления на основните възли на електроинструмента, като са получени

стойности за ресурса на изолацията на намотките, на колекторно-четковия

апарат и на лагерите на електроинструмента.

Програмата е отворена, разработена е в диалогов режим, позволяващ

своевременна промяна на конкретни параметри, коефициенти, материални

константи и др., във всяка изчислителна процедура, с оглед получаване на

оптимални енергийни и ресурсни показатели на електроинструмента.

Резултатите се извеждат в табличен и графичен вид.

Разработеният продукт е приложим в учебната, развойно-изследователската и

внедрителска дейност в областта на РЕИ и е изчислителна база за изследвания

по отношение на енергийните показатели и ресурса на разработваните

електродвигатели и ръчни електроинструменти.

С помощта на разработения програмен продукт може да се изследва влиянието

на технологични отклонения в геометричните размери, производствени и

материални изменения върху енергийните и ресурсни показатели на

електродвигателя и електроинструмента.

Разработена е методика за толерансни диагностични изчисления на РЕИ. Чрез

определяне коефициентите на влияние на входните параметри върху изходните

параметри посредством методът на малкия параметър са изведени зависимости

на влиянието на технологични и производствени отклонения върху работните и

енергийни характеристики на двигателя.

Методиката позволява да се покажат кои показатели на машината са най –

чувствителни при отклонения в конструктивно-технологичните изисквания,

както и кои параметри са най-информативни от диагностична гледна точка.

Заключение

От представените в дисертацията изследвания, анализи, разработени модели,

методики, приложни изчислителни програми и внедрени диагностични стендове и

устройства, може да се направи заключение, че са изпълнени поставените задачи, с

което е постигната основната цел на дисертационния труд .

26

Приноси с научно-приложен и изследователски характер:

1. Разработен е математически модел на ръчен електроинструмент, в който машината е

представена с обобщен непрекъснат модел на състоянието, а механичната част се

описва с двумасов динамичен модел.

2. С разработения математически модел в Matlаb Simulink са симулирани динамичните

и установените режими на електроинструмента. Получени са работните и енергийните

характеристики на машината в динамичен и установен режим на електроинструмент

тип БУР2-160Е.

3. Разработени са методика, измервателна система и математически модел за

безсензорно определяне на енергийните характеристики на еднофазен колекторен

двигател при динамични и при установени режими , без и при наличието на електронен

регулатор на скоростта , чрез измерване на напрежението и тока на машината.

3. Получени са зависимостите на величините при захранване на машината от еднофазна

мрежа и от мостов инвертор. Проведените експериментални изследвания за преходния

процес и за установения режим доказват достоверността и работоспособността на

разработения симулационен модел.

4. Направен е обстоен обзор , систематизация и анализ на дефекти и повреди в РЕИ.

Изведени са основни насоки за намаляване на причините за такива дефекти.

5. Направен е обобщен анализ и систематика на методи и средства за ТД на РЕИ.

Доказана е приложимостта на ФЛД, ЕИД, ПД и ВАД за диагностика на

електроинструменти .

6. Разработена е методика и таблица за функционално-логическа диагностика на РЕИ.

Разработена е идентификационна таблица на дефекти и повреди в ръчните

електроинструменти.

7. Разработен е опростен метод за определяне на двигателния, съпротивителния и

инерционния моменти при ръчни електроинструменти. Методът позволява определяне

на двигателния, на механичния и съпротивителен момент и на инерционния момент на

вала на електроинстррумента само чрез измерване на скоростта и времето за развъртане

и самоспиране.

8. Разработен е метод за използване на наблюдател на намагнитващия ток на

еднофазен колекторен двигател за електроинструмент. Чрез симулация в Matlab

Simulink са получени зависимостите на характеристиките на изследваната машина във

функция от времето. Резултатите от симулацията показват подобрение по отношение на

стабилността на параметрите при натоварване чрез въвеждането на наблюдателя и

приложени коригиращите въздействия .

9. Разработена е методика за толерансни диагностични изчисления и са определени

коефициентите на влияние на технологичните отклонения върху изходните параметри

на РЕИ.

10. Разработени са и са изработени и внедрени в учебната и сервизно - ремонтната

дейност на фирми от бранша серии тестери за диагностика на статори и ротори на

еднофазни колекторни двигатели за електроинструменти и битова електротехника.

11. Разработена е методика и програмен продукт в Excel в диалогов режим за

проверочни електромагнитни, топлинни и ресурсни изчисления на ЕКД и елементи и

възли на РЕИ. Разработката и методиката се използва в учебния процес в ТК – Ловеч.

27

12. Разработена е и апробирана в производствени и учебни условия методика за оценка

на техническото ниво на РЕИ.

Публикации, свързани с дисертационния труд :

1. Pencho V. Yordanov, Dimitar S. Spirov, Milko G. Dochev , POWER TOOLS

PERFORMANCE CHARACTERISTICS AT DYNAMIC AND STEADY-STATE

REGIMES - 9th

International Conference Research and Development in Mechanical

Industry-RaDMI 2009 ,16 - 19. September 2009, 1258-1263, Vrnjačka Banja, Serbia.

2. Dochev M., Bojilov G., Jilevska M.-Anvendung der toleranzanalise fur Diagnostik der

Produktionsabweichungen bei Einpfasen-Kollektormotoren fur Elektrowerkzeuge-

Mitweida,Germany, IWKM-98,1998, FHShule, Journalof the UAS - Mittweida, 1998,

No. 6, s. 111 – 114 , ISSN 1430-3698.

3. Dochev M. , Bojilov G. , Defining the capacity of a power tool motor , “ELMA 99”,

Varna, 22-25.09.1999, s.95-99 , ISBN 854 90209 1 6.

4. Dochev M, Bojilov G. , Determination of thetechnical level of manual electricasstage

of the diagnostic process, “ELMA 99”,Varna, 22-25.09.1999, s.100-102 , ISBN 854

90209 1 6.

5. Dochev M. , Bojilov G. , Diagnostic computing model of a single phase commutato r

motor for power tools ,“ELMA 99”, Varna, 22-25.09.1999, s.106-109 , ISBN 854

90209 1 6.

6. Dochev M. , Simplified Method of Defining the Torque, the Shaft Load Moment and

the Moment of Inertia for Power Tools , ELMA 2008-TU-Sofia, 16-18 .09. 2008 , s.

323-324 , ISSN 1313-4965.

7. Божилов Г., Дочев М., Функционално-логическа диагностика на ръчни

електроинструменти , НТК”Машиностроене и електротехника” , Ловеч, 1996 г.,

стр.103-108.

8. Milko G Dochev. , Diagnostic Laboratory Module for Coils of Electric Power Tools,

XI International Conference on Electrical Machines , Drives and Power Systems ,

ELMA 2005 , TU – Sofia , 15-16.09.2005 , s.475-478 , ISBN 954-902-09-6-7.

9. Спиров Д., Дочев М., Електромеханичен диагностичен модел на ръчен

електроинструмент , ХІІІ МНК ЕЛМА - 2011, Варна 2011, стр. 267-272.

10. Дочев М., Кочевски В., Петков М., Изследване на виброакустичните параметри

на ръчни пробивни електроинструменти , МНК-Добрич, 1995 г., стр.50-58, ISBN

88 95.

11. Дочев М. , Метод и устройство за електроимпулсна диагностика на намотки за

електроинструменти и микромашини , МНК „УНИТЕХ 2015“ , ТУ – Габрово,

20-21 ХІ 2015 , стр.129-133 , ISSN 1313-230Х.

28

DYNAMIC REGIMES AND TECHNICAL DIAGNOSTICS

OF HAND-HELD POWER TOOLS

ANNOTATION

This dissertation is committed to developing algorithms, methodologies and

mathematical models for the theoretical and experimental study of the dynamic regimes and

energy characteristics of hand-held power tools (HPT). An analysis of the defects and failures

occurring in HPT during exploitation and the methods and tools for their technical diagnostics

has been carried out. Methodologies for verifying electromagnetic and resource calculations

of HPT, for assessing their technical level and forecasting their technical condition and the

residual resource have been developed. Diagnostic modules for the diagnostics of HPT stators

and rotors have also been developed for the purpose of their practical application in teaching

and service and repair activities.

Chapter One presents a thorough review and analysis of information resources on

dynamic regimes of electric machines (EM) and particularly power tools, and justifies the

necessity of introducing diagnostic methods and tools for the technical diagnostics of these

products.

Chapter Two discusses the main mathematical relationships describing the dynamics

of electro-mechanical energy conversion in a power tool. The equations of the motion of the

electromechanical system have been outlined. A mathematical model of a hand-held power

tool has been developed. The electromechanical energy conversion in the machine is

presented by a system of nonlinear differential equations that includes the resistance and the

dynamic inductances of the armature and the excitation winding, the electromotive force of

rotation and inertia moment of the rotor. The mechanical part of the power tool drive is

described by a dual-mass dynamic model. A simulation model of a HPT has been developed

in Matlab Simulink, with the help of which the working and energy characteristics of the PT

are obtained and the dynamic and the static drive regimes are examined.

Chapter Three systemizes and analyses the most common defects and failures in hand-

held power tools. It examines the applicability of the main diagnostics types of PT. A

methodology for the assessment of the technical level of HPT has been developed that allows

for quantification of the assessment of the technical level of a particular machine type. A

method for using an observer of the magnetizing current of a PT single-phase collector motor

has been developed. The characteristics of the examined machine are derived through Matlab

Simulink simulations. Devices for the technical diagnostics of HPT stators and rotors have

been developed and implemented in teaching and service & repair activities.

Chapter Four presents a methodology for verifying electromagnetic and resource

calculations of single-phase collector motors for HPT. A methodology for tolerance

diagnostic calculations of a HPT has been developed.

From the results obtained in the thesis from research, analyzes, developed

mathematical models, methodologies, applied computer programs and implemented

diagnostic stands and devices can be concluded that the set tasks are fulfilled and the goal of

the dissertation is achieved.