CEEX 2013 CERERE DE FINANŢARE PENTRU PROIECTE DE EXCELENŢĂ PENTRU TINERI CERCETĂTORI 1. Date personale ale directorului de proiect 1.1 Nume Secrieriu 1.2 Prenume Cătălin 1.3 An naştere 1.4 Titlu didactic sau ştiinţific Inginer 2. Locul de muncă 2.1 Codul instituţiei: 2.2 Denumirea instituţiei: 2.3 Facultate/departament: 2.4 Adresa: 2.5 Telefon: 2.6 E-mail:
55 Universitatea “Vasile Alecsandri” din Bacău Energetică industrială Calea Mărăşeşti 157, 60115, Bacău, România +40 0234 580 170
[email protected]
3. Titlul proiectului Comanda PWM a unui motor de curent continuu cu microcontroller-ul PIC18F1320 4. Termeni cheie 1 Electronica 2 Punte H 3 Software 4 Tensiune 5 Tranzistor 5. Încadrarea proiectului în domeniile de specialitate Cod domeniu Expert 1 2B Expert 2 2C
Cod subdomeniu 49 51
6. Rezumatul proiectului Prin lucrarea de faţă se efectuează un studiu teoretic şi experimental privind modul de control şi diagnosticare a sistemelor de acţionare a motoarelor de curent continuu folosind un microcontroller specializat pentru acest lucru care generează impulsuri de frecvenţă constantă modulate în durată (PWM), cu care se comandă un chopper în punte H. În lucrare se face o analiză a caracteristicilor de reglare a vitezei servomotorului de curent continuu cu magneţi permanenţi şi, în general, a modurilor de control a vitezei motoarelor de curent continuu, utilizând dispozitive electronice specifice tehnicii moderne. Partea practică a lucrarii constă în proiectarea şi realizarea unui stand experimental cu posibilitatea supravegherii şi controlului de pe calculator a parametrilor electrici ce intervin.
1
7. Calitatea ştiinţifică a proiectului 7.1 Importanţa şi relevanţa conţinutului ştiinţific Această temă de cercetare a fost aleasă datorită importanţei ce o prezintă motorul electric de c.c. cu magneţi permanenţi, constituind până în prezent elementul de acţionare cel mai performant pentru sistemele de acţionare electrică cu viteză reglabilă, datorită caracteristicilor sale de reglaj şi simplitaţii echipamentelor de comandă în comparaţie cu cele ale motoarelor de curent alternativ.Astfel sistemele de acţionare având convertoare statice cu modulare PWM comandate de microcontrolere, cunosc în ultima perioadă o ieftinire considerabilă pe piaţă, lucru ce permite implementarea acesora în numeroase aplicaţii industriale şi în domeniul aparaturii electrocasnice; Prin utilizarea pe partea de forţă a sistemelor de acţionare electrică a tranzistorilor de putere de tip IGBT sau MOSFET, se pot comanda puteri foarte mari, chiar şi de ordinul sutelor de kilowaţi, la frecvenţe de comutaţie ridicate (zeci de kiloherţi), oferind siguranţa crescută în exploatare De asemenea, acest lucru face posibilă implementarea unui soft specializat care să permită controlul şi diagnoza sistemului de acţionare de pe calculator fapt ce duce la o reducere considerabilă a personalului de exploatare a proceselor, în comparaţie cu sistemele clasice.
7.2 Metodologia cercetării 7.2.1 Scopul lucrării În cadrul acestei lucrări a avut loc proiectarea şi realizarea unui stand experimental utilizat pentru comanda reglării motoarelor electrice de curent continuu ce dispune şi de posibilitatea supravegherii şi controlului de pe calculator a parametrilor electrici ce intervin. 7.2.2 Obiectivele propuse în cadrul cercetării Studiul documentaţiei tehnice cu privire la problemele specifice tipurilor de asamblări utilizate în construcţia de maşini. Realizarea şi încercarea practică la solicitări a celor patru ansambluri de îmbinări sudate. Modelarea asistată de calculator a îmbinărilor întocmai cu modelele realizate fizic (respectând cotele date iniţial) folosind aplicaţia SolidEdge V20. Iniţierea unei analize numerice prin metoda elementului finit folosind aplicaţia FEMAP v.10.11. Compararea setului de rezultate obţinute în urma experimentului practic, cu setul de rezultate obţinut în urma analizei numerice asistate de calculator. Precizarea unor asemănări şi diferenţe între seturile de rezultate şi formularea unor concluzii. 7.2.3 Prezentarea formei geometrice a îmbinărilor sudate studiate Studiul are în vedere simularea comportării folosind aplicaţia de analiză prin metoda elementului finit Femap versiunea 9.3 a patru îmbinări sudate ale căror modele tridimensionale sunt redate în Figurile 2-5 care au fost elaborate cu ajutorul aplicaţiei de proiectare asistată de calculator SolidEdge V20.
2
Figura 1. Modelul tridimensional al primei îmbinări sudate
Figura 2. Modelul tridimensional al celei de-a doua îmbinări sudate
Figura 3. Modelul tridimensional al Figura 4. Modelul tridimensional al celei celei de-a treia îmbinări sudate de-a patra îmbinări sudate La realizarea celor patru îmbinări sudate, s-a folosit o piesă având dimensiunile de forma unei plăci, având dimensiunile 100 x 45 mm şi grosimea de 10 mm aşa cum este redat în Figura 5:
Figura 5. Forma geometrică a piesei utilizată la realizarea îmbinărilor prin sudare 7.2.5 Definirea proprietăţilor materialulului îmbinărilor sudate Toate îmbinările sudate considerate în acest studiu sunt confecţionate din oţel carbon de calitate OLC 35, caracteristicile fizico-mecanice ale acestuia fiind date în Tabelul 1. Alegerea materialului s-a făcut în funcţie de conţinutul de carbon, care influenţează sudabilitatea conform datelor prezentate în Tabelul 2, astfel încât materialul să aibă o sudabilitate corespunzătoare, iar în ceea ce priveşte grosimea pieselor îmbinate prin sudare, aceasta are o valoare constantă fiind egală cu 10 mm pentru toate cele patru cazuri de îmbinări sudate considerate pentru acest studiu. Tabelul 1. Caracteristicile fizico-mecanice ale materialului OLC35 3
Modul de elasticitate E[Nmm-2]
Coeficient Poisson
2.1105
0.29
Modul de elasticitate transversal G[Nmm2 ] 7.7104
Densitatea [Kgmm-3]
Rezistenţa la tracţiune [Nmm-2]
Conductivitatea termică [Wmm-2K-2]
7.910-6
4.2103
47
Tabelul 2. Clasificarea sudabilităţii otelurilor în funcţie de conţinutul de carbon[1] Conţinutul Sudabilitate Sudabilitate Posibilă Necorespunzăelementelor de bună condiţionată (limitată) toare Conţinutul în carbon al otelurilor în [%] aliere în [%] <1 0,25 0,25 … 0,35 0,35 … 0,45 >0,45 1…3 0,20 0,20 … 0,30 0,30 … 0,40 >0,40 >3 0,17 0,17 … 0,25 0,25 … 0,35 >0,35 În cadrul aplicaţiei Femap, definirea proprietăţilor relevante pentru analiză, s-a realizat conform Figurii 6, unitatea de măsură a forţei fiind N, în timp ce unitatea de măsură pentru lungime este milimetrul. Acest lucru este necesar pentru utilizarea unui sistem consistent de unităţi de măsură, şi deci de a evita rezultatele eronate ce apar ca urmare a utilizării unui sistem necorespunzător de unităţi de măsură.
Figura 6. Implementarea proprietăţilor materialului în aplicaţia Femap 7.2.6 Realizarea discretizării elementelor îmbinării sudate Discretizarea solidelor din care sunt construite cele patru îmbinări sudate supuse studiului experimental s-a realizat cu elemente de tip Hexaedric, în vederea simplificării şi a reducerii timpului de analiză [5], etapele discretizării fiind redate în Figurile 7 şi 8. Mărimea elementului este de 4,5 milimetri în toate cele patru cazuri.
4
Figura 7. Indicarea proprietăţii solidelor ce urmează a fi discretizate
Figura 8. Stabilirea mărimii elementelor discretizării
Rezultatele operaţiei de discretizare pentru fiecare îmbinare sudată sunt prezentate în Figurile 9-12. În ceea ce priveşte rolul operaţiei de discretizare acesta se traduce prin faptul că domeniul continuu ce este dat de solidul supus analizei este practic divizat în elemente finite ce sunt necesare în cadrul rulării analizei.
Figura 9. Discretizarea primei îmbinări sudate
Figura 10. Discretizarea celei de-a doua îmbinări sudate
Figura 11. Discretizarea celei de-a treia Figura 12. Discretizarea celei de-a patra îmbinare sudate îmbinări sudate 7.2.7 Stabilirea condiţiilor-limită aplicate îmbinărilor sudate
5
Cele patru îmbinări sudate studiate sunt solicitate cu o forţă constantă având valoarea de 10000N în toate cele patru cazuri considerate, cu scopul determinării câmpului de tensiuni corespunzător, folosind criteriul de analiză Von Mises, conform schemelor prezentate în Figurile 13-16 de altfel fiind şi cel mai utilizat criteriu de elasticitate în practică.
Figura 13. Schema de aplicare a forţei pentru prima îmbinare sudată
Figura 14. Schema de aplicare a forţei pentru cea de-a doua îmbinare sudată
Figura 15. Schema de aplicare a forţei pentru cea de-a treia îmbinare sudată
Figura 16. Schema de aplicare a forţei pentru cea de-a patra îmbinare sudată
Toate îmbinările vor fi supuse la solicitări liniare statice, valoarea forţei aplicate, fiind, aşa cum s-a arătat, egală cu 10000 N, în timp ce o suprafaţă rămâne încastrată, aşa cum se observă în schemele prezentate în Figurile 13-16 Solicitarea este aplicată fiecărei îmbinări în parte, cu scopul de a se obţine o distribuţie a tensiunilor în secţiunea transversală a fiecărei îmbinări sudate considerate, şi chiar de a observa influenţa formei de realizare a îmbinării asupra distribuţiei câmpului de tensiuni şi deplasări. 7.2.8 Prezentarea rezultatelor obţinute în urma analizei structurale. Discuţii pe baza rezultatelor. În urma analizei prin metoda elementului finit, care au fost efectuate în cazul celor patru îmbinări sudate considerate, s-a obţinut reprezentările grafice ale câmpurilor de tensiuni şi deplasări ale îmbinărilor sudate, prezentate în Figurile 17-19, în care s-a urmărit de asemenea influenţa variantei de realizare a îmbinărilor sudate asupra modului de propagare a tensiunilor în cadrul îmbinării.
6
Figura 17. Câmpul de tensiuni al primei îmbinări sudate
Figura 18. Câmpul deplasărilor pentru prima îmbunare sudată
Figura 19. Câmpul de tensiuni al celei de-a doua îmbinări sudate
7
Figura 20. Câmpul deplasărilor pentru cea de-a doua îmbinare sudată
Figura 21. Câmpul de tensiuni al celei de-a treia îmbinări sudate
Figura 22. Câmpul de deplasări al celei de-a treia îmbinări sudate. 8
Figura 23. Câmpul de tensiuni al celei de-a patra îmbinări sudate
Figura 24. Câmpul deplasărilor pentru îmbinarea sudată de-a patra. Analiza comparativă a Figurilor 17 şi 18 tinde să evidenţieze faptul că este necesar în practică a se evita secţiunile de trecere bruşte, şi deci se impune a se realiza îmbinarea cu o rază de racordare de valoare cât mai mare posibil, în scopul reducerii concentratorilor de tensiuni, care pot afecta rezistenţa îmbinării la eforturi, lucru ameliorat de varianta de îmbinare prezentă în Figura 19. Figurile 19 şi 20, precum şi Figurile 21 şi 22 prezintă un caz de solicitare a îmbinării la încoviere, deoarece forţa acţionează perpendicular pe planul pieselor, iar Figura 23 şi 24 prezintă un caz de solicitare în principal la forfecare a îmbinării dar, într-o mai mică măsură apare şi o solicitare la încovoiere. În acest caz se poate vorbi despre o solicitare compusă.
9
O reprezentare grafică a variaţiei tensiunii maxime Von Mises precum şi a deplasării maxime (determinată din Figurile 17-24) pentru fiecare îmbinare este redată în Figurie 25 şi 26, împreună cu funcţia de regresie polinomială de ordin 3 care oferă o bună aproximare a graficului de variaţie.
Figura 25. Graficul de variaţie al tensiunii maxime Von Mises pentru cele patru îmbinări sudate
Figura 26. Graficul de variaţie a deplasării maxime de-a lungul celor patru îmbinări sudate Din analiza Figurilor 21-24 se observă şi o zonă neutră, ceea ce reprezintă fibra medie nedeformată (sau fibra neutră) a pieselor, dar este şi zona cea mai apropiată de locul încastrării. În ceea ce priveşte Figura 23, şi cum se poate observa şi în graficele prezentate în Figurile 25 şi 26, comparativ cu celelalte figuri, valoarea maximă a tensiunii Von Mises şi a deplasării este cea mai mică din cele patru cazuri contactul îmbinării se realizează pe o suprafaţă plană mai mare decât în celelalte cazuri. 7.2.9 Concluzii A fost utilizat un model de analiză simplificat a patru îmbinări sudate care sunt utilizate pe scară largă în construcţia de maşini, dar care permite în acelaşi timp reprezentarea comportării unor îmbinări sudate utilizate deseori în practică la o solicitare constantă în vederea aprecierii calităţii execuţiei îmbinării, atât din punct de vedere fizic prin realizarea încercărilor practice, cât şi din punct de vedere virtual, pe baza unor simulări utilizând metoda elementului finit. Prin urmare rezistenţa în timp a unei îmbinări sudate este influenţată şi de forma geometrică a acesteia, care pentru a fi optimă este necesar a se reduce concentratorii de tensiune, utilizând raze de racordare. 7.3 Gradul de originalitate şi inovare al lucrării Gradul de originalitate şi inovare al proiectului este unul ridicat întrucât pe parcursul efectuării cercetării au fost utilizate metode de calcul optimal şi proiectare, respectiv de investigaţie ştiinţifică şi experimentală dintre cele mai evoluate, reducându-se astfel o serie de timpi inutili şi eventualele surse de erori ce pot apărea pe parcurs, şi ce pot avea influenţe negative asupra rezultatelor finale. 10
8. Planul de organizare a proiectului (managementul proiectului) 8.1 Planul de lucru. Obiective şi activităţi An
Obiective
Activităţi
Studiul literaturii de specialitate, necesară elaborării temei de cercetare
2012 Realizarea şi încercarea practică la solicitări a celor patru ansambluri de îmbinări sudate
Modelarea ansamblului folosind tehnici de proiectare asistată de calculator cu ajutorul aplicaţiei SolidEdge V.20
2013
Simularea comportării ansamblului virtual corespunzător aparatului de legare la solicitările la care acesta este supus în realitate. Identificarea reperelor ce prezintă concentratori măriţi de tensiuni.
11
Achiziţionare documentaţie tehnică cu privire la asamblările utilizate în construcţia de maşini Studiu tehnic preliminar Achiziţionarea a opt semifabricate de tip bloc Debitarea semifabricatelor şi prelucrarea prin frezare la cotele necesare Realizarea îmbinărilor sudate Încercarea practică a îmbinărilor sudate conform schemelor stabilite, folosind ca traductori mărci tensiometrice. Centralizarea rezultatelor obţinute Achiziţionare licenţă academică SolidEdge V20 Modelarea pieselor componente din ansamblul stabilit. Verificarea corectitudinii ansamblului realizat. Corectarea eventualelor erori. Achiziţionare licenţă FEMAP V. 9.3 împreună cu solver-ul NX Nastran V 5.0 Iniţierea tuturor etapelor necesare în etapa de analiză numerică a modelului. Obţinerea rezultatelor de ieşire Compararea rezultatelor obţinute în urma simulării virtuale. Formularea unor concluzii
Valoare solicitată pe activitate [RON] 300
500 200
200 250
4000
200 20000
400
2500
25000
15000
500
8.2 Fezabilitatea proiectului Aprecierea fezabilităţii proiectului are la bază evaluarea riscurilor de ordin tehnologic şi tehnic, de ordin economic şi din punct de vedere a încadrării proiectului în termene strict stabilite. O analiză preliminară a acestor riscuri relevă pe de o parte că ele sunt de mărime redusă sau medie, iar gradul de stăpânire a evoluţiei lucrării este suficient de mare. Astfel încă din primele faze ale lucrării vor fi avute în vedere identificarea cât mai corectă a condiţiilor tehnice ale utilizatorilor precum şi alte aspecte legate de costurile realizării cercetării. Mai mult chiar, gradul de integrare între partenerii implicaţi este unul ridicat, fiecare membru aducând contribuţii în cadrul lucrării conform planului de realizare. 8.3 Planul de diseminare al rezultatelor Rezultatele cercetărilor ce urmează a se efectua în cadrul proiectului complex de faţă urmează a se disemina pe scară largă tuturor intreprinderilor de reparaţii având ca domeniu de activitate reparaţii şi prelucrări mecanice, precum şi atelierelor mecanice din cadrul intreprinderilor cu alte domenii de activitate. Rezultatele pot fi cuantificate din punct de vedere macroeconomic cât şi microeconomic. 9. Competenţa ştiinţifică a membrilor echipei de cercetare 9.1 Numărul membrilor echipei de 1 cercetare (exclusiv directorul de proiect) Ing. Enea Cosmin-Vasile 9.2 Lista membrilor echipei de cercetare Contribuţii teoretice şi practice privind 9.3 Experienţa anterioară a membrilor realizarea unui studiu comparativ al echipei de cercetare. Teme propuse. performanţelor diverselor echipamente de Contribuţii şi finalizare sudate în vederea stabilirii aplicaţiilor optime ale acestora. 10. Infrastructura de cercetare Infrastructura de tehnică de calcul dată de aplicaţii software CAD (Computer Aided Design, în cadrul proiectul de faţă s-a utilizat în acest scop aplicaţia Solid Edge versiunea 20) şi aplicaţii software de tip CAE (Computer Aided Engineering, în acest scop fiind utilizată aplicaţia CAE de analiză prin metoda elementului finit FEMAP. Echipamentele propriu-zise sunt reprezentate de: aparatul de legare achiziţionat, ce va fi încercat pe standul proiectat şi echipat cu mărci tensiometrice, acesta din urmă fiind utilizat în determinările practice ale tensiunilor şi deplasărilor, valorile citite fiind pe ecranul unui tensiometru electronic, şi compararea setului de rezultate obţinut, cu setul obţinut în urma analizei numerice. Echipamentele ce sunt destinate prelucrărilor prin aşchiere, precum şi echipamentele ce sunt necesare realizării îmbinărilor sudate(aparat de sudură electric şi electrozi) cât şi maşinile de încercare la solicitări vor fi puse la dispoziţie de către Universitatea Vasile Alecsandri din Bacău
12
11. Bugetul proiectului (cheltuieli eligibile) Nr. Denumire capitol buget Crt. 1. Cheltuieli de personal max. 40% 2. Cheltuieli indirecte (regie) – maxim 10% Mobilităţi – maxim 20% (se asigură mobilitatea autorilor-membri în echipa de cercetare la conferinţele internaţionale de prestigiu pentru 3. susţinerea lucrărilor precum şi mobilitatea inter şi intrasectorială în ţară sau străinătate (maxim o lună în ţară şi maxim două săptămâni în străinătate) Cheltuieli de logistică necesare pentru derularea 4. proiectului - minim 30% (infrastructură de cercetare, cheltuieli materiale etc.) 5. TOTAL
Valoare 2012 Valoare 2013 [RON] [RON] 780 27580 195 6895
390
13790
585
20685
1950
68950
12. Directorul de proiect are activitatea profesională de bază în instituţia care propune proiectul: INGINER PRIN ACEASTA SE CERTIFICĂ LEGALITATEA ŞI CORECTITUDINEA DATELOR CUPRINSE ÎN ACEASTĂ CERERE DE FINANŢARE Codul
instituţiei:
55
(codul trebuie să fie identic cu cel de la punctul 2.1)
DATA: 16.01.2012 RECTOR/DIRECTOR, Nume, prenume: Semnătură:
DIRECTOR EC./CONTABIL ŞEF Nume, prenume: Semnătură: DIRECTOR DE PROIECT, Nume, prenume: Semnătura:
13
LISTA DE VERIFICARE Directorul de proiect are norma de bază în instituţia care propune proiectul, cel puţin pentru perioada de derulare a proiectului; Directorul proiectului are vârsta de maxim 35 ani; Directorul de program este doctor în ştiinţe; Instituţia din care face parte programul este eligibilă; S-a verificat ca proiectul să aibă o durată de 2 ani; Programul a fost încadrat corect în Domeniile şi Subdomeniile corespunzătoare; Au fost completate toate Anexele solicitate; Bugetul a fost completat în „RON”; Cererea de finanţare este semnată de către persoanele autorizate din instituţia organizatoare.
14
