ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ РАЗМАГНИЧИВАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

АННОТАЦИЯ

В работе приведены экспериментальные исследования и моделирования процессов размагничивающего устройства, изменения индукции в зазоре между электромагнитом и рельсовой плетью, а также действие его на размагничивание рельсовой плети.

ABSTRACT

The paper presents experimental studies and modeling of the processes of a demagnetizing device, changes in induction in the gap between an electromagnet and a rail string, as well as its effect on the demagnetization of a rail string.

Ключевые слова: моделирования, электромагнитные процессы, размагничивающее устройство, рельсовая плеть.

Keywords: modeling, electromagnetic processes, demagnetizing device, rail string.

Качество процесса перевозки на железнодорожном транспорте определяется быстротой, надежностью и безопасностью доставки грузов и пассажиров к месту назначения [1-3]. Эти показатели зависят от успешного функционирования и взаимодействия подразделений и хозяйств железнодорожного транспорта.

Значительна роль этого взаимодействия в сетях размагничивания рельсовых плетей железнодорожного транспорта [4, 5].

При моделировании дефектов рельсовых листов на железнодорожном транспорте использовали стандартную программу «ELCUT» [6], которая позволяет моделировать процессы электромагнитной дефектоскопии методом концевых элементов. Это позволяет использовать визуальное программирование при исследовании устройства дефектоскопии на геометрической модели. Обычно используется декартовая система координат, в которой z-направление является переменным, а параметры среды являются источниками.

 Результат получается в координатах x и y. Значения углов не влияют на электромагнитное поле, при их использовании направление z берется вправо, а направление r-вверх. Программный комплекс позволяет решить двумерную задачу размагничивания рельсовых пластин. Для этого принимаются во внимание: модель и класс решаемой задачи, разработка геометрической модели, определение свойств материала (, , ), нагрузка (F_маг, ), граничные условия. Также требуются соответствующие шаги, такие как решение проблемы и обработка результатов. Главное окно программы позволяет создать имя программы и имя файла модели. В этом окне также можно указать структуру задачи и ее геометрию [3].

Создание модели и итоговой сетки элементов выполняется в геометрическом редакторе, который позволяет работать с программным обеспечением САПР в формате DXF или Solid Works. Хранение информации о граничных условиях и свойствах материалов осуществляется в подсистеме физических данных. Граничные условия могут быть заданы формулой или координатой и временем.

Рассмотрим задачу расчета электромагнита, основной частью которого, является катушка индуктивности и рельсовая плеть типа Р 65 (рис.1). Она содержит w витков, намотана на магнит проводе, а в качестве якоря используется рельсовая плеть.

Рисунок 1. Катушка индуктивности и рельсовая плеть

Из меню файлов выбрана команда «создать» и задача программы «Свойства для магнитного поля переменных токов». Окно выбора расположения задания введено в название «ЭМД». В окне «Свойства задачи» выбран тип «Магнитостатическое поле» и модель «Осесимметричная», расчет – «Обычный». В окне координат были выбраны единицы измерения «Миллиметры» и «Декартовы координаты». В поле «Геометрия» выбрана модель в виде прямоугольника ABCB с размерами 210 х 320 мм, 0, . Основой геометрических объектов в пакете «ELCUT» являются вершина, ребро и блок. Была выбрана вершина (0,210) и она перемещается в координатную точку (320, 210). В этом случае создано ребро АВ. Также были созданы ребра BC, CD, DA. В меню «правка / добавить вершины» указаны вид и координаты геометрической фигуры. Длина прямоугольника 320 мм, высота 210 мм. Далее выбраны метки для решения задачи, причём длина метки ограничена 16 символами.

Выбрали мнемонические метки «Воздух», «Сердечник», «Обмотка».

Введено в свойства «Воздух» мера относительная магнитная проницаемость, она же введена в раздел «Магнитное проницаемость». В окно «свойства» и «сердечник» введены свойства нелинейных материалов (рис. 2).

Рисунок 2. Окно свойств нелинейных материалов

Окно редактирования данных «Сердечник» показаны в таблице 1.

Таблица 1.

Кривая намагниченность сердечника

В поле «Источники» введена числовая величина магнитодвижущей силы обмотки электромагнита . В поле «Плотность тока» ввели плотность тока обмотки  сечение обмотки  коэффициент заполнения катушечного окна , число витков ,  плотность тока в обмотке

А/.

Был установлен шаг дискретизации 3 мм, а на внутренних границах 2 мм (область отмотки) и всего 1 мм в области рабочего зазора, чтобы получить общие число узлов не более 200. Рассчитанная картина поля показана в меню «Задачи / Решить» (рис. 3).

Рисунок 3. Результаты расчета по программе «ELCUT»

В меню «Вид / Цветовая шкала» появляется шкала цветов, которая характеризует значение магнитной индукции. Увеличенное значение магнитной индукции отображается полосами темного цвета т. е. картина распределения магнитной индукции представлена на рис. 4.

Рисунок 4. Картина распределения магнитной индукции

Программа «ELCUT» дала возможность решить задачи несколькими способами: с помощью картины поля, значениями индукции, графиками и таблицами. Для моделирования электромагнитных процессов используются программы «ELCUT» и «Maxwell», которые позволяют решать задачи электромагнитных полей в двухмерном пространстве магнитных, электрических и тепловых, механических деформаций и напряжений, а также рассчитывать поля, описываемые уравнениями Лапласа и Пуассона в любых областях произвольной формы.

При численном моделировании электромагнитных процессов уравнения Максвелла используются с допущениями. При этом вводятся дополнительные ограничения, которые облегчают выполнения практических задач. Пример допущений в постановке задач показан на рисунке 5.

Из этих задач выделим расчет магнитных полей при импульсных и несинусоидальных воздействий. При расчетах магнитных полей используем магнитостатическую формулировку. Она позволяет определить индуктивность с учетом насыщения магнитных материалов при постоянных токах и магнитах. На рисунке 5 представлены задачи, выполняемые в программе «ELCUT».

Рисунок 5. Задачи, выполняемые в программе «ELCUT»

Для анализов в частотной области применим магнитные поля переменных токов, так как в этом случае будут учтены вихревые токи. Результатом такого анализа является расчет активных и индуктивных сопротивлений с учетом эффекта близости и потерь в магнитных материалах на переменном токе. Решение задач с помощью программы «ELCUT» даёт возможность учитывать реальную кривую намагничивания, одновременные взаимодействия переменных, постоянных токов и магнитов. Принцип решения задач с помощью «ELCUT» состоит в создании геометрии моделей, расчетных конечных сеток элементов с указанием граничных условий и свойств материала. Результаты – локальные и интегральные инженерные параметры на рисунке 6 c указанием подсистемы программы «ELCUT».

Создать модель и сетку конечных элементов позволяет геометрический редактор. Также он дает возможность работать с программой CAD в формате DXF или Solid Works. Хранение сведений о граничных условиях, свойствах материалов происходит в подсистеме физических данных. Граничные условия могут быть заданы либо формулой, либо зависимостью от координат и времени.

Рисунок 6. Подсистемы программы «ELCUT»

Если магнитные поля связаны с электрической схемой, то используется редактор электрической цепи. Картина поля в виде цветных карт, линий поля, семейств векторов, графиков и таблиц, причём эту функцию выбора выполняет подсистема анализа решений. Интегрирование выполняется по любой поверхности, вдоль линии, по всему объему. Результаты расчетов по этой программе могут быть экспортированы в другие программы, такие, как Excel, Mat lab и другие.

Программа «ELCUT» была использована для определения индукции в материале электромагнита, применённого в качестве элемента размагничивающего устройства для рельсовых плетей. Кроме этого, необходимо определить изменения индукции в зазоре между электромагнитом и рельсовой плетью, а также действие электромагнита на размагничивание рельсовой плети.

На рисунке 7 представлены действия размагничивающего устройства на рельсовую плеть. Распределение силовых линий магнитного поля в программе «ELCUT» для электромагнита и зазора показаны на рисунке 7а. Графики модуля нормальной и касательный компонент в зазоре представлены на рисунке 7б.

На рисунке 8 показаны действия разработанного устройства на размагничивание рельсовой плети.

Распределение потоков на различных участках размагничивающего устройства, рассчитанное по программе «ELCUT», показывает неравномерное распределение индукции в зазоре, минимум которого приходится на середину окна электромагнита, то есть происходит центрированное размагничивание рельсовой плети.

Рисунок 7. Картина поля электромагнита размагничивающего устройства

Для экспериментального исследования динамических характеристик электромагнитов разработана математическая модель измерения. Для получения наглядных характеристик моделей использовался цифровой

осциллограф RIGOL MSO1104Z и 16 (бит) таймер микроконтроллера PIC16F628, запрограммированный на работу с частотой от 5 Гц до 25 Гц.

Рисунок 8. Действия разработанного устройства на размагничивание рельсовой плети

С этой целью был разработан программный комплекс для исследования динамических характеристик электромагнитов. В комплексе программе «ELCUT» была рассчитана картина электромагнитного поля при разных величинах зазора между электромагнитом и рельсовой плетью. В пакете Mat lab Simulink исследовались уравнения динамики электромагнитов. Математически это можно представить в виде линейной системы дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами: ток в катушке i, скорость движения , изменение зазора между электромагнитом и рельсовой плетью. Для исследования динамических процессов использовалась система управления для подключения переменной нагрузки. Управление осуществлялась диодными тиристорами и диодными модулями. Питание катушки управления производилось с помощью диодно-тиристорного преобразователя. Электромагниты имеют сечение S=55х55мм², коэффициент заполнения сечения сталью − 0,9. Зазор менялся в диапазоне от , число витков катушки w=125, сопротивление катушки 0,017 Ом, начальная сила тяги электромагнита F₀=1,04H, масса m=0,104кг.

В состав лабораторного стенда входит автоматический выключатель модульного типа. Этот выключатель используется для защиты от перегрузок в цепи управления. Принципиальная схема стенда в программе Mat lab Simulink показана на рисунке 9, а на рисунке 10 показан лабораторный стенд с внешним оборудованием.

Рисунок 9. Принципиальная схема лабораторного стенда в программе Mat lab Simulink

Где: 1 − согласующий трансформатор; 2 − выпрямитель переменного тока; 3 − инверторный блок; 4 − преобразовательный блок; 5 и 6 размагничивающие катушки индуктивности

Рисунок 10. Лабораторный стенд с внешним оборудованием

Время измерения определялось на 16 битном таймере, представленном на рисунке 11.

Рисунок 11. Время включения и отключения на экране дисплея

Размер таймера от 0,52428 с шагом 8 мкс, размер регистра 65536. Данные осциллограммы с программным приложением показаны на рисунке 12.

Рисунок 12. Временная характеристика тока

При измерениях считалось, что поле электромагнитов плоскопараллельное. Была также снята зависимость инверсной индуктивности катушки от зазора, которая представлена на рис. 13.

Рисунок 13. Зависимость инверсной индуктивности катушки от зазора

Инверсная индуктивность катушки определяется как . Согласно программе ELCUT и Mat lab Simulink были получены значения энергии электромагнитного поля W=0,129Дж и L=1,033Гн при зазоре мм. С помощью цифрового осциллографа RIGOL MSO1104Z определены временные зависимости i(t), скорости , изменения зазора , а также изменения электромагнитной силы F_эм(t) и потокосцепления . Все эти осциллограммы динамических характеристик представлены на рисунке 14. Также были обнаружены следующие ошибки при сравнении результатов экспериментальных измерений с результатами реального теоретического математического моделирования.

Рисунок 14. Осциллограммы динамических характеристик

В этом случае экспериментальное испытательное расстояния между рельсами и электромагнитными катушками составляло А=5,1 мм, а результаты математического моделирования составляли АҲ = 5 мм. Абсолютная погрешность составлена согласно следующему выражению:

Δ = А – АҲ =5,1мм-5мм=0,1мм.

Исходя из этого, была определена фактическая относительная погрешность (бҲ),  = 0,1мм/5мм*100%=2% погрешность.

Эти индикаторы ошибок указывают на надежность и высокую точность предлагаемой системы размагничивания в дефектоскопии рельсовых плетей железнодорожного транспорта.

Выводы

Таким образом, полученные экспериментальные исследования и моделирование электромагнитных процессов размагничивающего устройства, изменения индукции в зазоре между электромагнитом и рельсовой плетью, а также действие его на размагничивание рельсовой плети подтверждаются и совпадают с расчётами с разницей всего 2%.

Доработан намагничивающий вагон-дефектоскоп с магнитными каналами для более надежного обнаружения дефектов в пластинах рельсов на железнодорожном транспорте. Усовершенствованная и индивидуализированная система размагничивания отличается от существующих аналогов высокой напряженностью постоянного магнитного поля, которая обеспечивает быстродействие и надежность для управления технологическими процессами, происходящими в устройстве дефектоскопии рельсовых пластин.

Список литературы:

1. Узбекские железные дороги: официальный сайт [Электронный ресурс]. − Режим доступа: http://railway.uz/ru (дата обращения: 05.09.2022).
2. Концепция построения оперативно-технологической связи Российских железных дорог. Редакция 3. – М.: ВНИИЖТ, 2000.
3. Халиков А. А., Ортиков М. С. Дефектоскоп для системы безопасности поезда на основе электромагнитных методов // № mon.2021.09.02 от 18.09.2021. − Тамбов: Консалтинговая компания Юком, 2021. − 108 с.
4. Халиков А. А. Дефектоскопия многоцелевых конструкций с использованием метода ультразвукового резонанса // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. Москва, 2021. 10(91). С. 47-51. URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/12358 (дата обращения: 08.09.2022).
5. Халиков А. А., Ортиков М. С. Анализ коррозионного воздействия на рельсовые плети на железнодорожном транспорте // International scientific research conference 18 June. − Belarus: Minsk, 2022. − С. 327-333.
6. ELCUT - программа моделирования [Электронный ресурс]. − Режим доступа: elcut.ru (дата обращения: 03.09.2022).