Основные физико-механические характеристики материалов

Чтобы оценить эксплуатационные свойства изделий и определить физические и механические характеристики материалов, используются различные инструкции, ГОСТы и другие регламентирующие и рекомендательные документы. Рекомендуются и методы испытаний на разрушение целой серии изделий или однотипных образцов материала. Это не слишком экономичный метод, но эффективный.

Определение характеристик

Основные характеристики механических свойств материалов следующие.

1. Временное сопротивление или предел прочности — та сила напряжения, которая зафиксирована при наибольшей нагрузке перед разрушением образца. Механические характеристики прочности и пластичности материалов описывают свойства твёрдых тел сопротивляться необратимым изменениям формы и разрушению под влиянием внешних нагрузок.

2. Условным пределом текучести называется напряжение, когда остаточная деформация достигнет 0,2% длины образца. Это наименьшее напряжение в то время, как образец продолжает деформироваться без заметного увеличения нагрузок.

3. Пределом длительной прочности называют наибольшее напряжение, при данной температуре вызывающее в течение определённого времени разрушение образца. Определение механических характеристик материалов ориентируется на предельные единицы длительной прочности — разрушение происходит при 7 000 градусах по Цельсию за 100 часов.

4. Условным пределом ползучести называется напряжение, вызывающее при данной температуре за определённое время в образце заданное удлинение, а также скорость ползучести. Пределом считается деформация металла за 100 часов при 7 000 градусах по Цельсию на 0,2%. Ползучестью называется определённая скорость деформации металлов при постоянном нагружении и высокой температуре в течение длительного времени. Жаропрочность — это сопротивление материала разрушению и ползучести.

5. Пределом выносливости называют наибольшее значение напряжения цикла, когда усталостного разрушения не происходит. Число циклов нагружения может быть заданное или произвольное, в зависимости от того, как запланированы механические испытания материалов. Механические характеристики включают в себя усталость и выносливость материала. Под действием нагрузок в цикле накапливаются повреждения, образуются трещины, приводящие к разрушению. Это усталость. А свойство сопротивления усталости — выносливость.

Растяжение и сжатие

Материалы, которые применяются в инженерной практике, разделяются на две группы. Первая — пластичные, для разрушения которых должны появиться значительные остаточные деформации, вторая — хрупкие, разрушающиеся при очень малых деформациях. Естественно, такое деление весьма условно, потому что каждый материал в зависимости от создаваемых условий может повести себя и как хрупкий, и как пластичный. Это зависит от характера состояния напряжения, от температуры, от скорости деформирования и других факторов.

Механические характеристики материалов при растяжении и сжатии красноречивы и у пластичных, и у хрупких. Например, малоуглеродистую сталь испытывают растяжением, а чугун — сжатием. Чугун — хрупкий, сталь — пластична. Хрупкие материалы имеют большую сопротивляемость при сжатии, при деформации растяжения — хуже. Пластичные имеют примерно одинаковые механические характеристики материалов при сжатии и растяжении. Однако определяется их порог всё-таки растяжением. Именно этими способами можно более точно узнать механические характеристики материалов. Диаграмма растяжения и сжатия представлена в иллюстрациях к данной статье.

Хрупкость и пластичность

Что же такое пластичность и хрупкость? Первое — это способность не разрушаться, получая остаточные деформации в больших количествах. Такое свойство является решающим для важнейших технологических операций. Изгиб, волочение, вытяжка, штамповка и многие другие операции зависят от характеристик пластичности. К пластичным материалам относятся отожжённая медь, латунь, алюминий, малоуглеродистая сталь, золото и тому подобные. Гораздо менее пластичны бронза и дюраль. Совсем слабо пластичны почти все легированные стали.

Характеристики прочности пластичных материалов сопоставляют с пределом текучести, о котором будет сказано ниже. На свойства хрупкости и пластичности большое влияние оказывают температура и скорость нагружения. Быстрое натяжение придаёт материалу хрупкость, а медленное — пластичность. Например, стекло — материал хрупкий, но оно выдерживает длительное воздействие нагрузки, если температура нормальная, то есть показывает свойства пластичности. А малоуглеродистая сталь пластична, однако при ударной резкой нагрузке проявляется как материал хрупкий.

Метод колебаний

Физико-механические характеристики материалов определяются возбуждением продольных, изгибных, крутильных и других, ещё более сложных видов колебаний а зависимости от размеров образцов, форм, типов приёмника и возбудителя, способов крепления и схем приложения динамических нагрузок. Крупногабаритные изделия тоже подлежат испытаниям с помощью данного метода, если существенно изменить методику применения в способах приложения нагрузки, возбуждения колебаний и регистрации их. Этим же методом определяются механические характеристики материалов, когда нужно оценить жёсткость крупногабаритных конструкций. Однако при локальном определении в изделии характеристик материала этот способ не используется. Практическое применение методики возможно только тогда, когда известны геометрические размеры и плотность, когда возможно закрепление изделия на опорах, а на самом изделии — преобразователей, нужны определённые температурные условия и т.д.

Например, при смене температурных режимов происходит то или иное изменение, механические характеристики материалов при нагревании становятся другими. Практически все тела в этих условиях расширяются, что влияет на их структуру. Любое тело имеет те или иные механические характеристики материалов, из которых оно состоит. Если по всем направлениям эти характеристики не изменяются и остаются одинаковыми, такое тело называют изотропным. Если же физико-механические характеристики материалов изменяются — анизотропным. Последнее является характерной чертой практически всех материалов, просто в разной степени. Но есть, например, стали, где анизотропность весьма незначительна. Наиболее ярко она выражена в таких естественных материалах, как дерево. В производственных условиях определяют механические характеристики материалов посредством контроля качества, где используются различные ГОСТЫ. Оценка неоднородности получается из статистической обработки, когда суммируются результаты испытаний. Образцы должны быть многочисленными и вырезанными из конкретной конструкции. Такой способ получения технологических характеристик считается довольно трудоёмким.

Акустический метод

Акустических методов для того, чтобы определить механические свойства материалов и их характеристики, достаточно много, и все они отличаются способами ввода, приёма и регистрации колебаний в синусоидальном и импульсном режимах. Используются акустические методы при исследовании, например, строительных материалов, их толщины и напряжённости состояния, при дефектоскопии. Механические характеристики конструкционных материалов также определяются с помощью акустических методов. Сейчас уже разрабатываются и серийно выпускаются многочисленные разнообразные электронные акустические приборы, которые позволяют регистрировать упругие волны, параметры их распространения как в синусоидальном, так и в импульсном режиме. На их основе определяются механические характеристики прочности материалов. Если используются упругие колебания малой интенсивности, этот метод становится абсолютно безопасным.

Недостатком акустического метода является необходимость акустического контакта, который далеко не всегда возможен. Поэтому работы эти не слишком производительны, если нужно срочно получить механические характеристики прочности материалов. Огромное влияние на результат оказывает состояние поверхности, геометрические формы и размеры исследуемого изделия, а также среда, где проводятся испытания. Чтобы преодолеть эти сложности, конкретную задачу нужно решать строго определённым акустическим методом или, напротив, использовать их сразу несколько, это зависит от конкретной ситуации. Например, стеклопластики хорошо поддаются такому исследованию, поскольку хорошая скорость распространения упругих волн, а потому широко используется сквозное прозвучивание, когда приёмник и излучатель располагаются на противоположных поверхностях образца.

Дефектоскопия

Методы дефектоскопии применяются для контроля за качеством материалов в различных областях промышленности. Бывают неразрушающие и разрушающие методы. К неразрушающим относятся следующие.

1. Для определения трещин на поверхностях и непроваров применяется магнитная дефектоскопия. Участки, которые имеют такие дефекты, характеризуются полями рассеивания. Обнаружить их можно специальными приборами или же просто наложить слой магнитного порошка на всю поверхность. На местах дефектов расположение порошка будет меняться уже при наложении.

2. Дефектоскопия проводится и с помощью ультразвука. Направленный луч будет по-разному отражаться (рассеиваться), если даже глубоко внутри образца имеются какие-нибудь несплошности.

3. Дефекты в материале хорошо показывает радиационный метод исследования, основанный на разнице в поглощении излучения средой различной плотности. Используется гамма-дефектоскопия и рентген.

4. Химическая дефектоскопия. Если поверхность протравить слабым раствором азотной, соляной кислоты или их смесью (царская водка), то в местах, где есть дефекты, проявляется сеточка в виде чёрных полосок. Можно применить метод, при котором снимаются серные отпечатки. В местах, где материал неоднороден, сера должна менять цвет.

Разрушающие методы

Разрушающие методы здесь уже частично разобраны. Образцы испытывают на изгиб, сжатие, растяжение, то есть применяются статические разрушающие методы. Если же изделие испытывают переменными циклическими нагрузками на ударный изгиб — определяются динамические свойства. Макроскопические методы рисуют общую картину строения материала и в больших объёмах. Для такого исследования нужны специально шлифованные образцы, которые подвергаются травлению. Так, можно выявить форму и расположение зёрен, например, в стали, наличие кристаллов с деформацией, волокона, раковины, пузыри, трещины и прочие неоднородности сплава.

Микроскопическими методами изучается микроструктура и выявляются мельчайшие пороки. Образцы таким же образом предварительно шлифуют, полируют и потом подвергают травлению. Дальнейшее испытание предполагает использование электрических и оптических микроскопов и рентгеноструктурного анализа. Основой этого метода служит интерференция лучей, которые рассеиваются атомами вещества. Контролируется характеристика материала с помощью анализа рентгенограммы. Механические характеристики материалов определяют их прочность, что является главным для построения конструкций надёжных и безопасных в эксплуатации. Поэтому материал проверяется тщательно и разными методами во всех состояниях, какие он способен принять, не потеряв высокий уровень механических характеристик.

Методы контроля

Для проведения неразрушающего контроля за характеристиками материалов большое значение имеет правильный выбор эффективных методов. Наиболее точны и интересны в этом плане методы дефектоскопии — контроль дефектов. Здесь необходимо знать и понимать различия между способами реализации методов дефектоскопии и методов определения физико-механических характеристик, поскольку они принципиально отличаются друг от друга. Если последние основываются на контроле физических параметров и последующей их корреляции с механическими характеристиками материала, то дефектоскопия зиждется на прямом преобразовании излучения, которое отражается от дефекта или проходит контролируемую среду.

Лучше всего, конечно, контроль комплексный. Комплексность заключается в определении оптимальных физических параметров, по которым можно выявить прочностные и прочие физико-механические характеристики образца. А также одновременно разрабатывается и затем осуществляется оптимальный комплекс средств контроля над дефектами структуры. И, наконец, появляется интегральная оценка данного материала: определяется его работоспособность по целому комплексу параметров, которые помогли определить неразрушающие методы.

Механические испытания

С помощью таких испытаний проверяются и оцениваются механические свойства материалов. Этот вид контроля появился очень давно, но до сих пор не потерял своей актуальности. Даже современные высокотехнологичные материалы потребители достаточно часто и ожесточённо критикуют. А это говорит о том, что экспертизы должны проводиться тщательнее. Как уже было сказано, механические испытания можно подразделить на два вида: статические и динамические. Первые проверяют изделие или образец на кручение, растяжение, сжатие, изгиб, а вторые — на твёрдость и на ударную вязкость. Современное оборудование помогает выполнять эти не слишком простые процедуры качественно и выявлять все эксплуатацонные свойства данного материала.

Испытанием на растяжение можно выявить сопротивляемость материала к воздействию приложенного постоянного или возрастающего растягивающего напряжения. Метод старый, испытанный и понятный, используемый очень давно и до сих пор широко. Образец растягивается вдоль по продольной оси посредством приспособления в испытательной машине. Скорость растяжения образца постоянная, нагрузка измеряется специальным датчиком. Одновременно контролируется удлинение, а также соответствие его прилагаемой нагрузке. Результаты таких испытаний чрезвычайно полезны, если нужно содавать новые конструкции, поскольку пока никто не знает, как они себя поведут под нагрузкой. Подсказать может только выявление всех параметров упругости материала. Максимальное напряжение — предел текучести выносит определение максимальной нагрузки, которую данный материал может выдержать. Это поможет вычислить запас прочности.

Испытание твёрдости

Жёсткость материала рассчитывается по модулю упругости. Сочетание текучести и твёрдости помогает определить упругость материала. Если в технологическом процессе присутствуют такие операции, как протяжка, прокатка, прессование, то величину возможной пластической деформации знать просто необходимо. При высокой пластичности материал сможет принять любую форму при соответствующей нагрузке. Методом выявления запаса прочности может служить также и испытание на сжатие. Особенно если материал является хрупким.

Твёрдость испытывают с помощью идентора, который выполнен из гораздо более твёрдого материала. Чаще всего это испытание проводится по методу Бринеля (вдавливается шарик), Виккерса (идентер в форме пирамидки) или Роквелла (используется конус). В поверхность материала вдавливается идентор с определённой силой в определённый период времени, а потом изучается оставшийся на образце отпечаток. Есть и другие достаточно широко применяемые испытания: на ударную прочность, например, когда оценивается сопротивление материала в момент приложения нагрузки.

1.2. Классификация механических характеристик.

Зависимость между скоростью вращения
и моментом сопротивления механизма
называется механической характеристикой
механизма.

Для рассмотрения свойств механических
характеристик можно воспользоваться
упрощенной формулой, справедливой для
большинства механизмов:

Исходя из этой формулы можно выделить
четыре типа механических характеристик:

1) не зависящая от скорости механическая
характеристика

,

2) линейно возрастающая механическая
характеристика

,

3) нелинейно возрастающая характеристика
(параболическая)

— вентиляторная характеристика,

4) нелинейно спадающая характеристика

,

— обратно пропорционален скорости.

Рис. 1-4. Основные типы механических
характеристик.

Механической характеристикой
электродвигателя называется зависимость
его скорости от вращающего момента, т.
е.
.

П
очти
все электродвигатели обладают тем
свойством, что скорость их является
убывающей функцией момента двигателя.
Это относится почти ко всем обычным
электродвигателям, применяемым в
промышленности. Однако степень изменения
скорости с изменением момента у разных
двигателей различна и характеризуется
так называемой жесткостью их
механических характеристик.

Механические характеристики
электродвигателей можно разделить на
три основные категории:

1. Абсолютно жесткая механическая
характеристика, при которой скорость
с изменением момента остается неизменной.
Такой характеристикой обладают синхронные
двигатели (прямая 1 на рис. 1-5).

2

Рис. 1-5. Механические характеристики
двигателей.

. Жесткая механическая характеристика,
при которой скорость с изменением
момента хотя и уменьшается, но в малой
степени. Жесткой механической
характеристикой обладают двигатели
постоянного тока независимого возбуждения,
а также асинхронные двигатели в пределах
рабочей части механической характеристики
(кривая 2 на рис. 1-5). Для асинхронного
двигателя степень жесткости в различных
точках механической характеристики
различна (рис. 1-6). Между наибольшими
(критическими) значениями моментов в
двигательном

и генераторном

режимах характеристика асинхронного
двигателя оказывается сравнительно
жесткой.

3

Рис. 1-6. Механическая характеристика
асинхронного двигателя.

. Мягкая механическая характеристика
отличается значительным изменением
скорости с изменением момента. Такой
характеристикой обладают двигатели
последовательного возбуждения, особенно
в зоне малых моментов (кривая 3 на
рис. 1-5). Для этих двигателей степень
жёсткости не остаётся постоянной для
всех точек характеристики. Двигатели
смешанного возбуждения могут быть
отнесены ко второй или третьей группе
в зависимости от степени жёсткости
механической характеристики.

Рис. 1-7. Схема включения двигателя
постоянного тока

независимого возбуждения.

В установившемся режиме работы двигателя
приложенное напряжение U
определяется последующему выражению:

(1.1)

где I_я — ток
якорной цепи,

— суммарное сопротивление якорной
цепи,

.

Мгновенное значение ЭДС:

,
отсюда

,
(1.2)

где С — конструктивный коэффициент,

N — число активных
проводников обмотки якоря,

а — число пар параллельных ветвей
обмотки якоря.

Подставив 1.2 в 1.1 получим:

(1.3)

Выражение 1.3 (зависимость угловой
скорости вращения от тока в якоре)
принято называть скоростной
характеристикой двигателя.

Для получения уравнения механической
характеристики необходимо найти
зависимость скорости вращения от момента
двигателя.

Момент, развиваемый двигателем, связан
с током якоря и магнитным потоком
следующей зависимостью:

(1.4)

отсюда

(1.5)

Подставив формулу 1.5 в 1.3, получим:

(1.6)

Выражение 1.6 — механическая характеристика
двигателя.

Н
а
рис. 1-8 представлены механические
характеристики двигателя независимого
возбуждения для различных сопротивлений
в якорной цепи. При М = 0 все
характеристики проходят через одну
точку, расположенную на оси ординат.
Скорость в этой точке называется
скоростью идеального холостого хода
(обозначается

)
и определяется по формуле:

(1.7)

В

Рис. 1-8. Механические
характеристики двигателей независимого
возбуждения

ерхняя характеристика из всех,
изображённых на рис. 1-8 принято называть
естественной.

Естественной характеристикой
называется такая характеристика
двигателя, которая получается при
отсутствии внешних сопротивлений в
якорной цепи и номинальных значениях
напряжения и магнитного потока.

Если в цепь якоря двигателя включено
дополнительное сопротивление (реостат),
то механические характеристики,
получаемые при этом, называются
искусственными или реостатными.

Реостатные характеристики имеют
значительно больший наклон к оси
моментов, чем у естественной характеристики,
т.е. обладают меньшей жёсткостью. Чем
больше введённое в цепь якоря сопротивление,
тем круче идёт характеристика, тем
меньше её жёсткость.

Расчет механической характеристики асинхронного электродвигателя для работы в составе приводов буровых установок

Автор:

Филин Виталий Андреевич

Рубрика: Технические науки

Опубликовано
в

Молодой учёный

№38 (328) сентябрь 2020 г.

Дата публикации: 15.09.2020
2020-09-15

Статья просмотрена:

190 раз

Скачать электронную версию

Скачать Часть 1 (pdf)

Библиографическое описание:

Филин, В. А. Расчет механической характеристики асинхронного электродвигателя для работы в составе приводов буровых установок / В. А. Филин. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 38 (328). — С. 15-19. — URL: https://moluch.ru/archive/328/73610/ (дата обращения: 19.10.2022).



В статье представлен расчет механической характеристики асинхронного электродвигателя в составе буровой установки. Целью работы является построение механической характеристики асинхронного электродвигателя с помощью программы. В ходе работы выполняется построение зависимостей частоты вращения от момента, зависимостей момента от скольжения на основе аналитического метода и математического моделирования.

Ключевые слова:



асинхронный двигатель, механическая характеристика, электрический привод.

Ярко выраженной тенденцией производства электроприводов буровой установки является все более широкое применение асинхронных двигателей (АД). [6] Во многом это связанно с конструктивными особенностями АД, а именно простая конструкция, низкая стоимость из-за небольшого количества цветного металла, неприхотливые эксплуатационные условия. Основным соображением для проектировщика асинхронного двигателя является конструкция двигателя с высоким пусковым моментом, лучшим КПД и коэффициентом мощности.

Но требования к энергоэффективности из года в год ужесточаются, что заставляет производителей идти на вынужденную модернизацию имеющихся моделей либо проектировать абсолютно новые. Для правильной эксплуатации двигателя силового привода важно знать, как будут меняться его основные параметры, т. е. крутящий момент М, частота вращения n и мощность N, в зависимости от нагрузки и изменения напряжения и частоты тока в питающейся сети.

Расчет механической характеристики возможно произвести тремя способами: аналитический методом, на основе формул и зависимостей, построение математической модели, экспериментальное исследование.

Таблица 1

Основные параметры АД при частоте сети 50 Гц

Моменты, создаваемые двигателем и исполнительным органом рабочей машины, могут иметь разные значения при различных частотах вращения. При выборе электродвигателя необходимо, чтобы его электромеханические свойства соответствовали технологическим требованиям приводимой им рабочей машины. К электромеханическим свойствам в первую очередь относится механическая характеристика. Механической характеристикой электродвигателя называют зависимость между частотой вращения вала двигателя и развиваемым им

n = f(М)

. Вместо частоты вращения вала

n

можно записать

ω = f(М)

, так как эти величины пропорциональны

ω = πn/30

. [1] Под скольжением подразумевается величина в относительных единицах, которая характеризует отставание скорости вращения ротора от синхронной скорости вращения поля статора, создаваемого трехфазной обмоткой [2]

Скольжением асинхронной машины выражается отношением:

(1)

Электромагнитный момент М на валу асинхронной машины пропорционален величине магнитного потока и активной составляющей тока в обмотке ротора, которая зависит от величины скольжения.

(2)

где

m

— число фаз обмотки статора;

U

— фазное напряжение сети;

R

_c

-активное сопротивление фазы обмотки статора;

R

_p

— активное сопротивление фазы обмотки ротора, приведённое к статору;

Х

_с

— индуктивное сопротивление фазы обмотки статора;

Х

_р

— индуктив­ное сопротивление фазы обмотки ротора, приведённое к статору.

Критическое скольжение по параметрам обмоток двигателя определяется по формуле

(3)

Подставив (2) и (3) получим выражение для определения критического момента

(4)

Номинальный момент АД (Н∙м) вычисляется по формуле

(5)

где

P

_ном

— номинальная мощность двигателя,

n

_ном

— номинальная частота вращения.

Для расчета механической характеристики АД мощностью более 100 кВт пользуются упрощенной формулой Клосса.

(6)

Значение пускового момента АД можно определить постановкой

s = 1

в формулу (2) или по данным каталога, используя формулу

M

_п

= K

_м

M

_ном

, где

K

_м

— кратность пускового момента по отношению к номинальному.

Уравнения (6) в достаточной мере описывает механические свойства АД. В асинхронных электродвигателях с короткозамкнутым ротором в той или иной мере наблюдается явление вытеснения тока в стержнях ротора, в связи с чем их параметры непостоянны и механические характеристики значительно отличаются от характеристик, рассчитанных по формулам Клосса. В частности, у некоторых электродвигателей с КЗ ротором при малых скоростях вращения наблюдается снижение момента, вызванное влиянием высших гармоник поля. [3]

Таблица 2

Численные расчетные значения вращающегося момента

Выдвигаем гипотезу, что при математическом моделировании будет более высокая точность расчета механической характеристики.

Для достижения поставленных задач воспользуемся пакетом прикладных программ Elcut Студенческая версия. Elcut — это программное обеспечение для моделирования мультифизических задач. К его преимуществам относятся довольно простой процесс моделирования, дружественный интерфейс и незначительное потребление ресурсов. Также стоит отметить: это ПО является продуктом отечественной компании, что благоприятно сказывается на его доступности в условиях сложной политической обстановки. [5]

Расчет машины проводился методом конечных элементов. В основе электромагнитного расчета лежит модель, включающая в себя геометрию машины, магнитные и электрические свойства её активных материалов, режимные параметры и действующие нагрузки. В ходе расчёта определяются индукции и токи в сечениях модели. Затем определяются силы и моменты, а также энергетические показатели. [4]

Таблица 3

Численные моделируемые значения вращающегося момента

Рис. 1. Механическая характеристика асинхронного двигателя

В результате моделирования получен график зависимости медной обмотки статора и ротора (рис 2.). Программа выполняет расчет сил и моментов. Полученные значения переносим в MS Excel, так как функционал программы не позволяет работать с графиками. Итоговый вариант представлен на рис. 1. Электромагнитное поле создается током, протекающим в трехфазной обмотке статора. При изменении фазы тока наблюдается изменение плотности тока в обмотке ротора. На основании изменения фазы тока в обмотке статора, меняется плотность тока. В связи с выше сказанным, можно сделать вывод о правильности построения модели.

В ходе построения механических характеристик двумя способами совпадают до значения номинального момента. Последующим наиболее значимым отклонением является пусковой и критический момент.

Пусковой момент полученный при моделировании составляет

М

_мод

= 9,35 кН∙м

что меньше расчетного пускового момента

М

_расч

= 11,14 кН∙м

. Критическое скольжение отличается

s

_к.рас

= 0,131

,

s

_к.мод

= 0,159

. Предполагаю, что из-за эффекта вытеснения тока, связанного с влиянием высших гармоник поля.

Рис. 2. Построение механической характеристики в Elcut

В статье представлено построение механической характеристики асинхронного электродвигателя двумя методами: аналитический и математическое моделирование. Примером был выбран АД используемый в приводе трансмиссионного вала буровой установки.

В ходе расчетов были выявлены следующие последовательности: разница номинального момента между аналитическим и моделированным показателем составляет 3 %, критический момент — 2,9 %. В свою очередь пусковой момент — 16 %. Малое значение пускового момента оказывает влияние на величину критического момента.

На основании этого можно сделать вывод, что механическая характеристика АД, полученная в процессе моделирования, соответствует теории и является более корректной, чем характеристика, построенная аналитическим методом.

Литература:

1. Ершов М. С., Яризов А. Д. Энергосберегающий электропривод технологических установок трубопроводного транспорта газа, нефти и нефте­продуктов: Учеб. пособие для вузов. М.: РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина, 2011. -246 с.: ил.
2. Вольдек А. И., Попов В. В. Электрические машины. Машины переменного тока. М.: Питер, 2008. 349 с. ISBN 978–5–469–01381–5.
3. Лысенко О. А., Симаков А. В., Кузнецова М. А., Никонов А. В. Расчет механической характеристики асинхронного погружного электродвигателя методом конечных элементов // Омский научный вестник. 2018. № 6 (162). С. 55–60. DOI:10.25206/1813–8225–2018–162–55–60.
4. Анненков А. Н., Филонов С. А., Шиянов А. И. Моделирование и поиск рациональной конструкции асинхронного двигателя малой мощности с повышенным пусковым моментом // Вестник ВГТУ. 2009. № 11.
5. ELCUT 6.2. Руководство пользователя. СПб.: TOP, 2017. 287 с.
6. IEA (2020), World Energy Balances: Overview, IEA, Paris https://www. iea.org/reports/world-energy-balances-overview

Основные термины (генерируются автоматически): механическая характеристика, пусковой момент, критический момент, асинхронный двигатель, асинхронный электродвигатель, буровая установка, математическое моделирование, номинальный момент, частота вращения, аналитический метод.

Ключевые слова

асинхронный двигатель,

механическая характеристика,

электрический привод

асинхронный двигатель, механическая характеристика, электрический привод

Похожие статьи

Исследование

методов расчета параметров схемы замещения…

Математическая модель асинхронного двигателя во. .. Рассмотрим трехфазный асинхронный короткозамкнутый двигатель со следующими номинальными данными и параметрами схемы замещения [4]. Суммарный момент инерции двигателя и механизма, приведенный к валу…

Похожие статьи

Исследование

методов расчета параметров схемы замещения…

Математическая модель асинхронного двигателя во… Рассмотрим трехфазный асинхронный короткозамкнутый двигатель со следующими номинальными данными и параметрами схемы замещения [4]. Суммарный момент инерции двигателя и механизма, приведенный к валу…

Механические свойства — Последние исследования и новости

• Атом
• RSS-канал

Механические свойства — это физические свойства, которые материал проявляет при приложении сил. Примерами механических свойств являются модуль упругости, предел прочности при растяжении, относительное удлинение, твердость и предел усталости.

Последние исследования и обзоры

• Исследовательская работа

  18 октября 2022 г.

  |
  Открытый доступ

  Звук и изображение: синхротронное рентгеновское изображение на месте с одновременным акустическим мониторингом фиксирует механизмы повреждения зернистой чешуи и раскрывает взаимосвязь между сейсмическими и асейсмическими процессами во время катастрофического разрушения пористой породы.

  • org/Person»> Алексис Картрайт-Тейлор
  • , Мария-Дафна Мангриотис
  •  и Оксана В. Магдысюк

  Nature Communications 13, 6169

• Исследовательская работа

  |
  17 октября 2022 г.

  Подготовка кристаллов, удерживаемых вместе макромолекулярными связями, может создавать материалы с памятью формы, которые могут быть спроектированы так, чтобы демонстрировать широкий спектр обратимых изменений, полезных для химического восприятия, оптики и робототехники.

  • org/Person»> Сынгю Ли
  • , Хизер А. Калькатерра
  • и Чад А. Миркин

  Природа, 1-6

• Исследовательская работа

  15 октября 2022 г.

  |
  Открытый доступ

  • Ян Дивис
  • , Якуб Хлоста
  • org/Person»>  и Иржи Зегзулка

  Научные отчеты 12, 17331

• Исследовательская работа

  14 октября 2022 г.

  |
  Открытый доступ

  Инженерная керамическая пена часто не используется в неструктурных целях из-за ее хрупкости. Здесь авторы объясняют стратегии структурного проектирования стерео иглокожих как биологического керамического клеточного твердого тела для достижения одновременно высокой прочности и устойчивости к повреждениям.

  • Тин Ян
  • org/Person»>, Цзянь Цзя
  • и Линг Ли

  Nature Communications 13, 6083

• Исследовательская работа

  12 октября 2022 г.

  |
  Открытый доступ

  • Нико Нойбер
  • , Марьям Садехилариджани
  • и Сундип Мукерджи

  Научные отчеты 12, 17133

• Исследовательская работа

  11 октября 2022 г.

  |
  Открытый доступ

  Известно, что разрушение при усталостной нагрузке происходит в материалах при малых деформациях, ниже предела текучести. Здесь крупнозернистое моделирование модельного аморфного материала показывает, что начальная деформация, при которой происходит необратимая деформация, одинакова для усталости, как и для монотонной нагрузки.

  • Юджи Куротани
  •  и Хадзиме Танака

  Средства связи 3, 67

Все исследования и обзоры

Новости и комментарии

• Основные результаты исследований

  |
  29 сентября 2022 г.

  В статье Advanced Materials представлены полимерные доноры с прокладками, связывающими водород, которые позволяют органическим солнечным элементам растягиваться по своей природе с высокой эффективностью преобразования энергии и хорошей растяжимостью.

  • Джулия Паччиони

  Материалы Nature Reviews, 1

• Основные результаты исследований

  |
  23 мая 2022 г.

  В статье Physical Review Letters используются эксперименты и моделирование для понимания механических свойств птичьих гнезд.

  • Анкита Анирбан

  Nature Reviews Physics 4, 360

• Новости и просмотры

  |
  19 мая 2022 г.

  Устойчивая переработка необходима для сохранения способности древесины удерживать CO ₂ и сгладить переход к экономике замкнутого цикла. Теперь инновационный подход предлагает многообещающую перспективу для вторичного и третьего использования «отходов» древесины.

  • org/Person»> Гвидо Панзараса
  • и Инго Бургерт

  Устойчивое развитие природы 5, 559-560

• Новости и просмотры

  |
  02 марта 2022 г.

  • Элисон Стоддарт

  Синтез природы 1, 194

• Новости и просмотры

  |
  23 декабря 2021 г.

  Было показано, что инновации в приборостроении вместе с новыми стратегиями сбора и обработки данных решают проблему качества данных для исследований рентгеновской дифракции in situ с временным разрешением в шаровых мельницах, открывая новые горизонты в механохимии.

  • Елена Болдырева

  Природа Химия 14, 10-12

• Новости и просмотры

  |
  25 октября 2021 г.

  Создан наноархитектурный углерод, состоящий из сложных трубчатых балок, соединенных нанораспорками, обеспечивающий как сверхлегкий вес, так и сверхвысокий модуль.

  • Юцзя Ван
  •  и Сяоянь Ли

  Природные материалы 20, 1453-1454

Все новости и комментарии

Механические свойства материалов | Fractory

Наверное, следует начать с того, что список механических свойств довольно длинный. Некоторые из них более важны и распространены, чем другие, при описании материала. Поэтому мы рассматриваем тему с точки зрения инженера. Ему нужно знать основы, чтобы различать типы металлов друг от друга, чтобы принимать обоснованные решения при проектировании чего-либо.

Напряжение и деформация материала

Во-первых, нам нужно объяснить некоторые физические понятия, лежащие в основе механических свойств. Основной из них стресс . Стресс говорит вам, насколько большая сила приложена к области. В машиностроении чаще всего выражается в МПа или Н/мм ² . Эти два взаимозаменяемы. Формула напряжения:

σ=F/A, где F — сила (Н), а A — площадь (мм ² ).

Второй важной концепцией является штамм 9.0229 . Деформация не имеет единицы измерения, так как это отношение длин. Он рассчитывается следующим образом:

ε=(l-l ₀ )/l ₀ , где l ₀ — начальная или исходная длина (мм), а l — длина в растянутом состоянии (мм).

Модуль Юнга

Из этих двух понятий мы получаем наши первые механические свойства – жесткость и эластичность как их противоположность. Это важный фактор для инженеров при решении задач физики (пригодность материала для определенного применения).

Жесткий материал не сжимается и не растягивается легко

Жесткость выражается как модуль Юнга, также известный как модуль упругости. Как одно из основных механических свойств материалов, оно определяет взаимосвязь между напряжением и деформацией — чем больше его значение, тем жестче материал.

Это означает, что одна и та же нагрузка по-разному деформирует две детали одинакового размера, если они имеют разные модули Юнга. В то же время меньшее значение означает, что материал более эластичен.

Формула модуля Юнга:

E=σ/ε (МПа)

Предел текучести

Предел текучести или предел текучести — это величина, наиболее часто используемая в инженерных расчетах. Это дает материалу значение напряжения в МПа, которое он может выдержать до пластической деформации. Это место называется точкой текучести. До этого материал восстанавливает прежнюю форму при подъеме груза. После превышения предела текучести деформация становится постоянной.

Кривая напряжения-деформации

Существует веская причина использовать предел текучести как наиболее важный фактор в машиностроении. Как видно из кривой напряжения-деформации, когда напряжение выходит за пределы предела текучести, разрушение еще не является катастрофическим. Это оставляет «подушку» перед тем, как конструкция полностью выйдет из строя вплоть до разрушения.

Предел прочности при растяжении

Предел прочности при растяжении или просто предел прочности при растяжении является следующим шагом после предела текучести. Это значение также измеряется в МПа и указывает максимальное напряжение, которое материал может выдержать до разрушения.

При выборе подходящего материала, способного выдерживать известные силы, два материала с одинаковым пределом текучести могут иметь разную прочность на растяжение. Наличие более высокой прочности на растяжение может помочь избежать несчастных случаев в случае приложения непредвиденных сил.

Пластичность

Пластичность — это механическое свойство материалов, которое показывает способность деформироваться под нагрузкой без разрушения, сохраняя при этом деформированную форму после подъема груза. Металлы с более высокой пластичностью лучше поддаются формовке. Это видно при изгибе металла.

Двумя взаимосвязанными механическими свойствами материалов являются пластичность и пластичность . Пластичность во многом похожа на пластичность — это способность материала подвергаться пластической деформации перед разрушением. Он выражается как процентное удлинение или процентное уменьшение площади. По сути, пластичность — это свойство, которое вам нужно, например, при рисовании тонкой металлической проволоки. Хорошим примером такого пластичного материала является медь. Это делает возможным изготовление проводов.

Пластичность по определению также аналогична. Но на самом деле он характеризует пригодность материала к деформации сжатия. В сущности, металл с хорошей ковкостью подходит для производства металлических пластин или листов методом прокатки или ковки.

Прочность

Прочность – это сочетание прочности и пластичности. Прочный материал выдерживает сильные удары, не разрушаясь. Прочность часто определяют как способность материала поглощать энергию без образования трещин.

Для такого оборудования важна прочность материала

Примером требуемой прочности являются карьерные погрузчики. Бросание огромных камней в бункеры приводит к деформации, а не к трещинам, если материал прочный.

Твердость

Еще один важный атрибут инженерного материала. Высокие значения твердости показывают, что материал сопротивляется локальному давлению. Проще говоря, твердый материал нелегко поцарапать или оставить стойкие следы (пластическая деформация). Это особенно важно, когда имеют место процессы интенсивного износа. В таких условиях подходят твердые материалы, такие как Hardox. Твердость и прочность — два качества, на которые приходится долговечность .

Твердость измеряется путем царапания, подпрыгивания или вдавливания. Наиболее распространенный способ описания твердости — через твердость вдавливания. Существуют различные способы проведения этих испытаний в зависимости от материала. Каждая из них приводит к разным единицам твердости – Бринеллю, Виккерсу или Роквеллу. Если вы хотите сравнить 2 материала, которые имеют значения твердости в разных системах, вы должны сначала преобразовать их в один и тот же тип (например, по Виккерсу).

Хрупкость

Хрупкость обычно является весьма нежелательным свойством материала в машиностроении. Это означает, что материал разрушается без заметной пластической деформации. Признаком хрупкости материала является щелкающий звук, который он издает при разрушении.

Хрупкие материалы оставляют сломанные кромки, которые узнаваемо принадлежат друг другу

Хотя, если думать о хрупкости, это может быть связано с низкой прочностью, но на самом деле это не так. Эти два не являются взаимоисключающими. Прочный материал все же может быть хрупким. Пример тому – керамика. Чугун является примером хрупкого металла.

Усталостная прочность

Испытание на усталость алюминиевого образца

Усталостная прочность или предел выносливости выражает способность материала выдерживать циклические нагрузки. В случае сплавов железа существует четкий предел, которому может противостоять металл. В случае, если напряжение ниже предельного (по числу циклов), можно не опасаться поломки.

Это важное свойство материала, о котором следует помнить при проектировании валов. Направление силы постоянно меняется при вращении вала, что означает цикличность напряжения.

Для других металлов, таких как алюминий и медь, нет четкого предела устойчивости к циклическим нагрузкам. Они по-прежнему имеют тенденцию ломаться после определенного напряжения изгиба в обратном направлении . Для таких материалов существует еще одна аналогичная измеримая величина – прочность на выносливость .

При усталостной прочности материал имеет бесконечный срок службы, если значение напряжения ниже предела усталости. В случае прочности на выносливость вы получаете значение, ниже которого материал может работать в течение определенного количества циклов. Обычно устанавливается на 10 ⁷ .

Если вы приняли обоснованное решение о выборе материала, пришло время для производства. Мы здесь, чтобы помочь вам с услугами онлайн-производства!

Механические свойства | Механические испытания

Измерение и понимание механического отклика имеет решающее значение для исследования материалов, разработки продуктов и управления технологическими процессами. Механическая реакция этих материалов зависит от сценариев применения, а также от химического состава материала. Основными параметрами, которые считаются измеряющими эти механические свойства, являются нагрузка (P), скорость нагружения (Ṗ) или скорость деформации (ἐ), время нагружения (t).

Содержание

1. Механические свойства
   1. Модуль упругости
   2. Твердость
   3. Вязкоупругость
   4. Прочность на излом

Традиционно механические свойства определялись по кривой напряжения-деформации, создаваемой приложенной нагрузкой, но наноиндентирование оказалось гораздо более совершенным, обеспечивая несколько свойств, таких как твердость и модуль, из одного теста менее чем за секунду. Некоторыми общими терминами, используемыми в механических испытаниях, являются напряжение, деформация, предел текучести. Напряжение  (σ) — это мгновенная нагрузка, приложенная к образцу, деленная на площадь его поперечного сечения до какой-либо деформации. Деформация (ε) представляет собой изменение расчетной длины образца, деленное на его исходную расчетную длину. Предел текучести  (σ _y ) — это напряжение в точке, в которой материал больше не реагирует упруго, называемой пределом текучести.

Из основных данных определяются механические свойства:

• Модуль упругости
• Твердость
• Комплексный модуль для вязкоупругих материалов
• Вязкость разрушения

Схема кривой напряжения-деформации с участками упругости и пластичности до разрушения.

Модуль упругости

С помощью наноиндентирования можно определить два механических свойства: модуль упругости и твердость.

 Модуль упругости (E), часто называемый модулем Юнга, представляет собой отношение напряжения (σ) к деформации (ε) при полностью упругой деформации. В упругой области напряжение и деформация пропорциональны по закону Гука: σ = Eε

Модуль упругости является неотъемлемым свойством материала. На фундаментальном уровне Е является мерой прочности связи между атомами. Чем больше модуль, тем жестче материал и меньше деформация. Упругая реакция непостоянна, поэтому при снятии приложенной нагрузки образец возвращается к своей первоначальной форме.

Твердость

Твердость (Н) – это мера сопротивления материала деформации при поверхностном вдавливании. Пластическая деформация вызывается движением дислокаций в атомарной структуре материала. Предел текучести материала можно изменить, подавляя движение дислокаций через дефекты, сплавы или границы зерен.

Твердость материала может быть повышена различными способами, включая упрочнение внедрения или замещения, при котором атомы либо добавляются между атомами, либо замещаются в атомной решетке:

Упрочнение внедрения и замещения.

Испытание на микротвердость и наноиндентирование являются стандартными методами определения твердости. Наноиндентирование имеет дополнительное преимущество, заключающееся в обеспечении модуля упругости.

Твердость материала является самым важным параметром при разработке контактов. Чем тверже материал, тем мягче изнашивается при контакте друг с другом. В механике твердость определяется как сопротивление материала остаточной деформации при приложении нагрузки.

Традиционно твердость измеряется по относительной шкале, такой как твердость Мооса или Виккерса. Каждому материалу присваивается числовое значение от 1 до 10 в зависимости от его относительной твердости по шкале Мооса. Недавний прогресс в технологии наноиндентирования позволяет измерять твердость различных материалов и определяется с точки зрения площади, отпечатанной на материале для данной приложенной нагрузки. Твердость H по методу наноиндентирования рассчитывается как:

При наноиндентировании H (твердость) равна P (приложенная нагрузка), деленная на A (площадь вдавливания).

Здесь P — приложенная нагрузка, A — площадь вдавливания. Существуют различные шкалы измерения, основанные на таких материалах, как твердость по Шору, твердость по Виккерсу, твердость по Моосу и твердость по Кнупу, и это лишь некоторые из них. Все они представляют собой относительную твердость материала по отношению к стандартному образцу. Наноиндентирование устраняет неоднозначность в различных масштабах, обеспечивая физическое измерение с точки зрения абсолютной твердости.

В отличие от модуля упругости, который является неотъемлемым свойством материалов, твердость зависит от размера в материалах, приповерхностная твердость которых отличается от объемной твердости. Непрерывное измерение жесткости является превосходным методом, обеспечивающим измерения в зависимости от глубины для изучения размерного эффекта твердости в различных материалах. Зависимость твердости от размера можно понять, сравнив два сплава, изготовленных из одного и того же материала, но с разным размером зерна. Более мелкие зерна приводят к более высокой твердости большинства материалов из-за компактности упаковки.

Вязкоупругость

Динамический механический анализ (DMA) используется для полимеров и резиновых материалов с фиксированной геометрией. Осцилляции применяются во время развертки по частоте при повышении температуры. Затем определяется комплексный модуль, объединенный модуль накопления и потерь, как функция частоты и температуры.

Модуль упругости (E’) — это мера эластичности полимерного материала. Модуль потерь (Е») – это мера способности полимера преобразовывать механическую энергию в тепло. Коэффициент потерь, называемый тангенсом δ, представляет собой отношение E” к E’.

Когда размер образца или функция требуют небольшого объема, для определения E’ и E’ используется тест динамического наноиндентирования, аналогичный DMA. Наноиндентирование можно использовать для характеристики более широкого диапазона частот, чем DMA. Меньшее количество тепла может быть применено к меньшему размеру образца.

Поперечное сечение шины с трехмерными картами модуля накопления и потерь по данным наноиндентирования.

Вязкость разрушения

Вязкость разрушения — это свойство сопротивления материала хрупкому разрушению.