Дипломная работа: Проектирование трепанатора
Гн –1.
Коэффициент, входящий в уравнение нейтрали:
.
Рассчитаем положение нейтрали для рабочего зазора δ=0,015 м.
=0,01 м.; l2=0,02 м.; l3=0,02 м.
Определим магнитные потоки:
Результирующий поток:
Удельное МДС:
f I=6,963*10 3 A/м.
iω=2,77*10 4 A/витков.
Рассчитаем число витков обмотки:
Выбираем [1] если импульсы питания короткие и частота небольшая f ≤ 2 Гц.
Е I=0,1
Е=27 В-напряжение питания.
Число витков обмотки:
W=270 витков.
Ток обмотки в коротком импульсе:
i=20A.
Сечение окна обмотки:
r1а=0,01 м.,
r2а=0,0125 м.,
перевод в метры,
Коэффициент заполнения обмотки: kz=0,4
Сечение меди: Sмед=kz*S; Sмед=50.24 мм.
Сечение провода: .
Диаметр провода: dпр=0,48 мм.
Округляем до ближайшего большего числа и получаем: dпр=0.5 мм.
Длина провода, выраженная через радиус витка:
; lпр=19.07 м.
Сечение, выраженное через средний радиус витка:
.
Сопротивление обмотки: ,
ρ=0,01 Ом – удельное сопротивление провода обмотки (справочные данные).
R=2.1*10 –5 Ом.
Расчет коэффициентов для уравнения динамики ЛЭМД:
δ=0,015 м. начальный рабочий зазор.
δ I=1,5 – перевод в относительную форму.
- базисное значение силы тяги; Fδ=2,5*10 2 Н.
Тяговое усилие от притяжения в рабочем зазоре:
,
Тяговое усилие от потоков рассеяния:
Fе2a=0,145 H.
Полное тяговое усилие, в исходном положении якоря:
Fla=275,145H.
- приведенное значение.
Якорь располагается эксцентрично в круглом отверстии фланца, в следствие чего возникает сила одностороннего магнитного притяжения, вызывающая трение между направляющим стержнем и фланцем; найдем ее:
функция преобразования абсолютного значения в относительное.
Величина нерабочего зазора Δа=0,0002 м.
Δ=О(Δa); Δ=0.002 м.
Толщина фланца hna=0,005 м.
hn=O(hna); hn=0,5 мм.
Коэффициент трения якоря о втулку k=0,022.
Индукция направляющего стержня: Вс=2 Тл.
Радиус стержня: rса=2*10 –3 м.; rc=0,2 м.
Сила трения Fт: Fт=7,34*10 –3 H.
Сила сопротивления пружины в обобщенной форме:
- жесткость пружины.
- начальная глубина внедрения якоря в обмотку.
Fp=0,535 H.
Найдем демпфирующую силу:
- диаметр сердечника;
- зазор между сердечником и магнитопроводом.
Коэффициент демпфирования вычислим по формуле:
где v = 0,9 м/с. усредненное значение скорости за время движения якоря.
Fd=0.004 H,
где Fd – демпфирующая сила, зависящая от скорости движения якоря.
Рассчитаем коэффициенты выведения в пункте 1.3:
p1=2,411*105, p2=10,592
Подставляя эти коэффициенты в систему уравнений (1.3.3) можно рассчитать любые динамические параметры ЛЭМД.
2.5 Расчёт напряжений, возникающих при ударе бойка по наковальне и жёсткости амортизирующей пружины
Исходные данные:
, модуль упругости стали 40´;
U = 1.54 м/сек, скорость бойка перед ударом;
Qб =0.11707 кг, масса бойка с сердечником;
Qp = 0.0186 кг, масса наковальни с долотом.
Определим максимальную силу удара в месте контакта бойка и наковальни, которая может возникнуть при работе прибора, если долото оперто в достаточно жёсткий материал (например чугунную плиту), используем формулы, выведенные на основе формул Герца.
– коэффициент Пуассона.
R1 – радиус сферической поверхности бойка;
R2 – радиус сферической поверхности наковальни.
Для удобства обозначим:
m1= Qб,
m2 = Qp.
Найдём m – приведённую массу системы
г
Определим промежуточный коэффициент b
Зная b, найдём x макс – наибольшее сближение тел во воемя удара, соответствующее наибольшему значению ударной силы.
Теперь определим время соударения t cjel
Вычислим напряжения, возникающие при ударе в месте контакта, используя формулы, приведённые выше, определив радиус пятна контакта:
- напряжения, возникающие во время удара.
Допускаемое напряжение на усталость материала стали , отсюда запас
Вычислим коэффициент жёсткости пружины, установленной между корпусом и наковальней (эта пружина исключает передачу удара на корпус прибора при ненормальных режимах работы), например при холостом ударе, когда долото не опирается на кость.
Исходные данные для расчёта:
m = Qб = 0.00707 кг – масса бойка;
m = Qр = 0.0186 кг – масса наковальни с долотом.
Начальную кинетическую энергию бойка определим из выражения:
а максимальное перемещение наковальни при холостом ходе определим
Используя полученные данные, приравняем следующие выражения:
Выразив из него s, получим:
Найдя s, определим жёсткость пружины k
Максимальное усилие, возникающее в пружине в процессе удара:
2.6 Расчёт и обоснование элементов принципиальной схемы блока питания
Для обеспечения эксплуатационных характеристик рассматриваемого модернизируемого устройства – трепанатора, его необходимо питать от автономного источника питания (аккумулятора) или от сети 220 В с хорошей гальванической развязкой; для обеспечения безопасности пациента и медицинского персонала.
Из анализа возможных схем питания устройства следует, что обеспечить требуемую развязку можно только использованием трансформатора. С другой стороны, для работы инструмента требуется значительная импульсная мощность (»20 А, 50 В), что исключает применение прямого простого подключения через трансформатор, т. к. габариты и масса трансформатора на 1 кВт исключает его применение в качестве переносной аппаратуры. Поэтому необходимо сконструировать источник питания, удовлетворяющий противоречивым требованиям.
В качестве элемента, обеспечивающего согласование противоречивых требований возможно в данном случае применение конденсатора – накопителя, обеспечивающего необходимую импульсную мощность.
Таким образом, схема блока питания будет содержать три основных элемента: Трансформатор с выпрямителем, накопительный конденсатор, прерыватель формирователь импульсов.
В соответствии с этим расчёты проводятся в нижеприведённой последовательности.
2.7 Расчёт трансформатора с выпрямителем
Определение мощности трансформатора производится исходя из мощности импульсов на выходе и скважности. Скважность q определяется соотношением:
где – период следования импульсов;
– длительность импульсов.
В данном случае
Мощность импульса определяется
В данном случае ,
Мощность трансформатора с выпрямителем получится в виде:
Коэффициент «3» взят с учётом потерь в ограничительном резисторе и не идеальности формирования импульсов.
Таким образом для расчёта трансформатора получаются следующие исходные данные:
Тогда
Площадь поперечного сечения сердечника определятся выражением:
Сечение провода определяется из плотности тока
Проверяем заполнение медью
Коэффициент 1.7 учитывает реальное заполнение и изоляцию. В данном случае имеется большой запас сечения окна по меди, и можно в принципе уменьшить сечение, и это означает, что данные параметры трансформатора вполне реализуемы.
В качестве выпрямительного моста используем мост КЦ 402 В, с параметрами:
Как видно, имеются достаточные запасы по обратному напряжению и выпрямляющему току.
2.8 Расчёт накопительного конденсатора
Расчёт проводится из основания обеспечения выходного импульса тока с параметрами:
Электромагнитные параметры:
Длительность импульса составляет .
Чтобы работа электромагнита была эффективной, переходный процесс должен закончиться в течении времени
Для этого индуктивность должна быть
Для разряда ёмкости на электромагнит необходимо будет выполнить следующие соотношения:
Принимая
получим
или
Тогда ёмкость конденсатора должна быть не менее
Таким образом необходима ёмкость
Этому требованию удовлетворяет ёмкость К50 – 18 .
Ограничительный резистор выбран исходя из возможностей выпрямляющего мостика .
Примем
Тогда постоянная времени заряда накопительного конденсатора будет равна:
Тогда постоянная, обеспечивающая заданную частоту следования импульсов
Мощность ограничивающего резистора определяется соотношением через энергию заряда