XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

На космической станции в отсутствии земной гравитации потоки теплого и холодного воздуха самостоятельно не перемешиваются. Поэтому круглосуточно на ней работают мощные вентиляторы, принудительно смешивая эти потоки.

Вентиляция – организованный воздухообмен, в процессе которого запыленный, загрязненный газами или сильно нагретый воздух удаляется из помещения и взамен него подается свежий, чистый.

Известно, уровень шума, вырабатываемый вентиляторами, находится в зоне примерно 80 Дб, что соответствует весьма громкому разговору, и этот шум круглосуточно воздействует на членов экипажа космической станции.

Основными источниками, которые генерируют вибрации, являющиеся источниками акустического шума, являются электродвигатель и лопастное колесо.

Как известно, любая механическая система, содержащая элементы упругости и массы, при воздействии на нее постоянной периодической силы (момента) может быть введена в режим колебательного движения [1]. Электродвигатель представляет слабодемпфированную механическую систему, которую для нашего случая можно представить моделью, показанной на рисунке 1.

Рисунок 1 – Колебательная система

Для одной степени свободы (из 3х) динамику движения механической системы можно описать дифференциальным уравнением

(1)

где m – масса электродвигателя; k – жесткость конструкции электродвигателя; - частота вынужденных колебаний; - сумма всех возмущающих сил.

Из уравнения (1) следует, что электродвигатель является генератором вибрационного движения любой механической системы, частью которой он является.

Принимая начальные условия, решение линейного неоднородного дифференциального уравнения 2-го порядка будет иметь вид

где – собственная частота;

Первые два члена уравнения описывают переходный режим, а третий член описывает установившуюся реакцию от действия вынуждающей силы .

Установившаяся реакция в безразмерных единицах может быть представлена, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2 – Установившаяся реакция на возмущение системы

Согласно графикам, представленным на рисунке 2 и общеизвестно, что амплитуда колебаний механической системы зависит от отношения частот собственных и вынужденных колебаний и коэффициента демпфирования . Поэтому при проектировании надо встроить в конструкцию элемент с максимальным значением коэффициента . Для этого в конструкцию двигателя в числе совокупности технических решений встроена в ш/п опоры промежуточная резиновая втулка. Для нее была выбрана резина марки АМС 2-го класса, вида Ф, средней степени твердости, I типа.

Исходя из вышеизложенного, была разработана 3D модель вентильного электродвигателя (условно рассеченная вдоль оси электродвигателя (рисунок 3).

Электродвигатель состоит из следующих основных элементов. Ротор с установленными в нем постоянными магнитами. В качестве материала постоянных магнитов был выбран порошок феррита-стронция марки 28ПФС250. Этот ротор штифтом зафиксирован на валу, на котором также установлены два шарикоподшипниковых узла. Эти ш/п узлы крепятся в корпусе электродвигателя. В пазах статора уложена двухфазная обмотка.

Рисунок 3 – Сечение 3D модели электродвигателя

В блоке управления располагаются печатные платы с электрорадиоэлементами (показаны условно). Функцию бесконтактного коммутатора в электродвигателе выполняет датчик Холла.

Исходя из главной цели разработки (обеспечение минимальной виброактивности и минимальной массы и габаритов), был проведен комплексный анализ конструкции, в результате чего подобраны соответствующие материалы: сталь, алюминиевый сплав, электротехнические материалы, ABS-пластик.

Вентилятор представляет собой механическое устройство, предназначенное для перемещения воздуха по воздуховодам систем кондиционирования и вентиляции, а также для осуществления прямой подачи воздуха в помещение либо отсоса из помещения, и создающее необходимый для этого перепад давлений (на входе и выходе вентилятора).

По конструкции и принципу действия вентиляторы делятся на:

осевые (аксиальные)

Осевой вентилятор (рисунок 4) представляет собой расположенное в цилиндрическом кожухе колесо из консольных лопастей, закрепленных на втулке под углом к плоскости вращения (в некоторых конструкциях используются поворотные лопасти). Рабочее колесо чаще всего насаживается непосредственно на ось электродвигателя.

При вращении колеса воздух захватывается лопастями и перемещается в осевом направлении. При этом перемещение воздуха в радиальном направлении практически отсутствует.

Рисунок 4 – Осевой (аксиальный) вентилятор

радиальные (центробежные)

Радиальный вентилятор (рисунок 5) представляет собой расположенное в спиральном кожухе лопаточное (рабочее) колесо, при вращении которого воздух, попадающий в каналы между его лопатками, двигается в радиальном направлении к периферии колеса и сжимается. Под действием центробежной силы он отбрасывается в спиральный кожух и далее направляется в нагнетательное отверстие.

Рабочее колесо — основной элемент радиального вентилятора, представляет собой пустотелый цилиндр, в котором по неси боковой поверхности, параллельно оси вращения, установлены на равных расстояниях лопатки. Лопатки скреплены по окружности с помощью переднего и заднего дисков, в центре которых находится ступица для насаживания рабочего колеса на вал.

Рисунок 5 – Радиальный вентилятор

диаметральные (тангенциальные)

Диаметральный вентилятор (рисунок 6) состоит из рабочего колеса барабанного типа с загнутыми вперед лопатками и корпуса, имеющего патрубок на входе и диффузор на выходе. Отличительной особенностью является то, что воздушный поток протекает в поперечном направлении к оси и дважды обтекает вращающуюся решетку лопаток, поворачиваясь почти на 180°.

Рисунок 6 - Диаметральный (тангенциальный) вентилятор

прямоточные

Потоки воздуха в прямоточном вентиляторе (рисунок 7) формирует специальная турбина, расположенная в мощном основании изделия — она подает сильно сжатый поток через довольно узкие щели направленного действия в рамке. Он увлекает за собой соседствующие слои воздушных масс по законам аэродинамики.

С тыльной стороны такого вентилятора создается зона разряжения, куда засасываются воздушные массы. Результат такого воздействия довольно впечатляющий: через рамку разной конфигурации прокачивается воздух почти в 20 большего объема, чем создает встроенная турбина.

Достоинство такой системы в отсутствии вращающихся деталей снаружи, что обеспечивает стопроцентную безопасность использования, а недостаток — очень сильное шумовое воздействие на окружающих при функционировании, ведь воздух разгоняется до 90 км/ч.

Рисунок 7 – Прямоточный вентилятор

Для дальнейшего проектирования был выбран осевой тип вентилятора, работающей с воздухом (газов) температурой до 80 °C, так как он будет установлен на борту космической станции. Соединение с электродвигателем – непосредственное.

В настоящее время на рынке продукции представлены различные типы электровентиляторов, их достоинства и недостатки обуславливаются областью применения.

Разработанный электродвигатель обладает следующими характеристиками: напряжение – 23 В; частота вращения – 3000 об/мин; мощность – 60 Вт; масса электродвигателя – 0,71 кг.

Исходя из выбранного типа вентилятора, типа разработанного электродвигателя и сферы применения, проанализируем некоторые существующие на российском рынке осевые электровентиляторы постоянного тока.

Например, в нашем городе предприятием, выпускающем вентиляторы для систем кондиционирования и вентиляции, является научно-производственный центр «Полюс». На рисунке 8 представлен вентилятор ЭВО-3, обладающий повышенным техническим ресурсом и сроком службы, улучшенными виброшумовыми характеристиками.

Рисунок 8 – Электровентилятор постоянного тока осевой ЭВО-3 НПЦ «Полюс»

Рассмотрим вентилятор ЭВОЗ-16/2,5, он обладает следующими техническими характеристиками:

Производительность – 1600 м³/ч;

Напряжение – 174-320 В;

Потребляемая мощность – 396 Вт;

Частота вращения – 1600 об/мин;

Полное давление – 245 Па;

Масса – 41 кг.

Следующим предприятием, которое выпускает электровентиляторы на российский рынок, является Санкт-Петербуржский завод «Вентилятор», которое разрабатывает и производит широкий спектр промышленного оборудования для систем вентиляции и кондиционирования. Наиболее близким аналогом разрабатываемого электровентилятора является осевой малошумный вентилятор YWF2E-200 S/B (рисунок 9) Технические характеристики данного осевого вентилятора представлены ниже.

Производительность – 790 м³/ч;

Напряжение – 230 В;

Потребляемая мощность – 55 Вт;

Частота вращения – 2500 об/мин;

Полное давление – 90 Па;

Звуковое давление – 52 дБ;

Масса – 2,5 кг.

Рисунок 9 - Осевой малошумный вентилятор YWF2E-200 S/B

Также аналогом разрабатываемого вентилятора можно считать вентилятор марки 1,6ОЭВ-5,6-12,5-4535 (рисунок 10) воронежского предприятия «МЭЛ», которое занимается разработками и серийным производством электрических машин малой мощности и электроприводов на их основе. со следующими основными параметрами:

Производительность – 560 м³/ч;

Напряжение – 48 ± 3 В;

Потребляемая мощность – 43,2 Вт;

Частота вращения – 3600 об/мин;

Полное давление – 125 ± 25 Па;

Звуковое давление – 55 дБ;

Масса – 1,4 кг.

Рисунок 10 - Осевой малошумный вентилятор 1,6ОЭВ-5,6-12,5-4535

Таким образом, для того, чтобы разрабатываемый электровентилятор составлял конкуренцию имеющейся на российском рынке продукции, необходимы следующие технические характеристики:

Звуковое давление – стремление к 40 дБ;

Масса – менее 5 кг;

Напряжение – 23 В;

Потребляемая мощность – 60 Вт;

Частота вращения – 3000 об/мин.

Большой “вклад” в создании вибрационного режима вносят шарикоподшипниковые опоры:

Овальность внутреннего кольца;

Перекос внешнего кольца;

Повышенные зазоры;

Неуравновешенность сепаратора.

Для уменьшения влияния вышеуказанных факторов в предыдущей работе на подшипниковые опоры было установлена промежуточная резиновая втулка. Однако действие данных причин можно избежать, используя другой тип опор – аэродинамические опоры.

В подшипниках с газовой смазкой зазор между трущимися поверхностями заполняется газом (в частном случае - воздухом). Данные подшипники имеют определенные преимущества по сравнению с обычными подшипниками скольжения: вязкость воздуха и газов в несколько тысяч раз меньше вязкости масел, соответственно снижаются и потери на трение.

По принципу действия подшипники с газовой смазкой делятся на:

аэростатические (газовые подшипники принудительно действия);

аэродинамические (автоматические газовые подшипники).

Принцип действия аэростатических опор основан на введении через систему отверстий воздуха под давлением в зазор между цапфой и подшипником. При этом цапфа отделяется слоем сжатого воздуха от подшипника. То есть необходим дополнительный баллон с газом, из которого будет осуществляться подача воздуха.

В аэродинамических подшипниках при отсутствии вращения цапфа опирается на внутреннюю поверхность подшипника, при вращении воздух всасывается из атмосферы, захватывается цапфой и вгоняется в клиновой зазор между цапфой и подшипником, создавая воздушную подушку с повышенным давлением, приподнимая цапфу и отделяя его от подшипника.

Достоинствами подшипников с газовой смазкой являются:

Малые потери на трение;

Износ трущихся поверхностей практически отсутствует;

Простота конструктивного исполнения;

Бесшумность.

Недостатками подшипников с газовой смазкой являются:

Малая несущая способность, однако в условиях невесомости, где вес объектов практически отсутствует, данный недостаток не является существенным;

Повышенные требования к геометрическим размерам трущихся поверхностей и к чистоте их обработки;

Необходимость устройств для запуска аэродинамических подшипников;

Необходимость устройств для подвода и фильтрации воздуха для аэростатических опор.

Исходя из вышеуказанного, было принято решение доработать спроектированный электродвигатель с учетом аэродинамических опор.

Эскиз конфигурации корпуса и средств защиты электровентилятора космических объектов представлена на рисунке 11.

Рисунок 11 – Эскиз электровентилятора

На данном эскизе введены следующие обозначения: 1 – ротор электродвигателя, 2 – блок управления электродвигателя, 3 – сетка для обеспечения техники безопасности, 4 – лопастное колесо электровентилятора.

В ходе данной работы был проведен обзор литературы и определен уровень технических характеристик, которыми обладают электровентиляторы на российском рынке. Согласно данным характеристикам были предъявлены требования к разрабатываемому электровентилятору для того, чтобы он обладал уровнем современных требований и обладал конкурентоспособностью на рынке.

Список используемой литературы

Сердюк, В. С. Производственная санитария и гигиена труда: учебн. пособие [Текст] / В. С. Сердюк, Л. Г. Стишенко, Е. Г. Бардина. – Омск : Изд-во ОмГТУ. 2011. – 244 с.

Клюкин И.И. Борьба с шумом и звуковой вибрацией на судах. – Л.: Изд-во «Судостроение», 1971. – 416 с.

Куприянова У. Е. Электродвигатель системы жизнеобеспечения для экипажа космических станций : бакалаврская работа / У. Е. Куприянова; Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ), Инженерная школа неразрушающего контроля и безопасности (ИШНКБ), Отделение электронной инженерии (ОЭИ); науч. рук. В. С. Дмитриев. — Томск, 2018.

Афанасьев В. Типы современных вентиляторов. [Электронный ресурс] – Режим доступа к ст.: https://elibrary.ru/download/elibrary_20556914_81924416.pdf (дата обращения 03.01.2019).

Электровентиляторы постоянного тока осевые ЭВО-3. Научно-производственный центр «Полюс» [Электронный ресурс] – режим доступа http://www.polus.tomsknet.ru/?id=223#up (дата обращения 03.01.2019).

Номенклатурный каталог продукции. ЗАО «МЭЛ» [Электронный ресурс] – режим доступа http://mel-vrn.ru/wp-content/uploads/2017/12/akt.-katalog-versiya-17201217.pdf (дата обращения 03.01.2019).

Технические характеристики осевых вентиляторов [Электронный ресурс] – режим доступа http://ventilator.spb.ru/produkciya/ventilyatory_promyshlennye/osevye/kompaktnye_osevye_ventilyatory/vk_foto3/tehnicheskie_harakteristiki_osevyh_ventilyatorov_ywf/ (дата обращения 03.01.2019)

Приборостроение и средства автоматики. Справочник в пяти томах. – М.: Изд-во «Машиностроение», 1964. – 364 с.

Код для цитирования: Скопировать