Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2012, № 3

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
Федеральное государственное бюджетное 
образовательное учреждение 

высшего профессионального образования 
 
«Тульский государственный университет» 
 

 
 
ISSN 2071-6168 
 
 
 
ИЗВЕСТИЯ 
ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 
 
 
 
 
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 
 
 
Выпуск 3 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Тула 
Издательство ТулГУ 
2012 

ISSN 2071-6168 
 
 
УДК 621.86/87 
 
Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. 402 с. 
 
Рассматриваются научно-технические проблемы в области машиностроения и машиноведения, технологии и оборудования обработки металлов давлением, управления, вычислительной техники и информационных 
технологий, транспорта. 
Материалы предназначены для научных работников, преподавателей вузов, студентов и аспирантов, специализирующихся в проблематике 
технических наук. 
 
 
Редакционный совет 
 
М.В. ГРЯЗЕВ – председатель, В.Д. КУХАРЬ – зам. председателя, 
В.В. ПРЕЙС – главный редактор, А.А. МАЛИКОВ – отв. секретарь, 
И.А. БАТАНИНА, О.И. БОРИСКИН, В.И. ИВАНОВ, Н.М. КАЧУРИН, 
Е.А. ФЕДОРОВА, А.К. ТАЛАЛАЕВ, В.А. АЛФЕРОВ, В.С. КАРПОВ, 
Р.А. КОВАЛЁВ, А.Н. ЧУКОВ 
 
Редакционная коллегия 
 
О.И. Борискин (отв. редактор), А.Н. Карпов (зам. отв. редактора), 
Р.А. Ковалев (зам. отв. редактора), А.Н. Чуков (зам. отв. редактора), 
С.П. Судаков (выпускающий редактор), Б.С. Яковлев (отв. секретарь), 
И.Е. Агуреев, А.Н. Иноземцев, С.Н. Ларин, Е.П. Поляков, В.В. Прейс, 
А.Э. Соловьев 
 
 
Подписной индекс 27851 
по Объединённому каталогу «Пресса России» 
 
«Известия ТулГУ» входят в Перечень ведущих научных 
журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации, 
в которых должны быть опубликованы научные результаты 
диссертаций на соискание учёной степени доктора наук 
 
 
© Авторы научных статей, 2012 
© Издательство ТулГУ, 2012 

МАШИНОСТРОЕНИЕ  И  МАШИНОВЕДЕНИЕ 
 
 
 
 
УДК 621.313.062-83 
Е.В. Кузьмицкий, асп., 89037183785, jackuzm@mail.ru 
(Россия, Москва, МГТУ «МАМИ»), 
В.В. Лохнин, д-р техн. наук, проф., 89037183785, jackuzm@mail.ru 
(Россия, Москва, МГТУ «МАМИ»), 
И.А. Бербиренков, канд. техн. наук, 89037183785, jackuzm@mail.ru 
(Россия, Москва, МГТУ «МАМИ») 
 
ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ  ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ 
В ТЯГОВОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ 
 
Предлагается перенести широтно-импульсную модуляцию в силовые транзисторы бортового вентильного преобразователя для эффективного регулирования 
частоты вращения двигателя. 
Ключевые слова: вентильный электропривод, низкая частота вращения, бортовой вентильный преобразователь, вентильный двигатель. 
 
К настоящему времени известны три фактора, вызывающие неустойчивые режимы работы вентильного электропривода на низких частотах 
вращения, одним из которых является шаговый режим работы: наличие 
зубчатого слоя на статоре, колебания ротора, например, при сбросе или 
наборе нагрузки и специфика работы вентильного преобразователя. 
Исследования магнитного поля в активной зоне двигателя с зубчатым статором проводились методом гармонического анализа (1). При этом 
обнаружено, что параметры двигателя будут иметь пульсации, вызванные 
поперечным качанием магнитного поля при вращении ротора. Наибольшие 
пульсации получим в том случае, если ширина полюсов  будет содержать 
целое число зубчатых делений статора. Для ослабления этих пульсаций 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. 3 
 

 
4

целесообразно скашивать пазы статора на одно  зубчатое деление  по оси 
полюса или же скашивать край полюса при прямых зубцах статора. 
Если зубчатое деление не укладывается целое число раз в полюсной 
дуге, то при вращении ротора магнитное сопротивление воздушного зазора 
периодически меняется и это вызывает колебания магнитного потока. При 
чётном числе пазов изменение магнитной проводимости под одним полюсом частично компенсируется соответствующим изменением магнитной 
проводимости под другим полюсом и абсолютная величина  пульсации 
уменьшается. Скос пазов на статоре или полюсных наконечников на роторе на одно зубчатое деление уничтожает периодические изменения  магнитного сопротивления  воздушного зазора. При малой величине рабочего 
зазора пульсации увеличиваются и, соответственно, при его увеличении – 
уменьшаются. Полностью указанные пульсации отсутствуют при выполнении гладкого статора. 
При качениях или колебаниях двигателя его ротор вращается неравномерно, и частота его вращения колеблется с некоторой частотой около 
среднего значения. 
Колебания угла нагрузки, в свою очередь,  неразрывно связаны  с 
колебанием величин мощности и тока статора. 
Такие колебания возникают при любых внезапных или резких нарушениях, или изменениях режима работы (наброс или сброс нагрузки, резкое изменение напряжения питания и т.д.). 
Уравнения моментов при колебании имеют вид 

0
=
+
+
Мс
Му
Ми
, 
 
(1) 
где Ми – инерционный момент; Му – успокоительный момент; Мс – синхронизирующий момент. 
Если  амплитуда колебаний угла наклона мала, то дифференциальное уравнение движения ротора является линейным  и имеет простое решение, позволяющее выяснить существенные особенности колебательного 
процесса двигателя. 
Выражение (1) при малых  колебаниях  после  математических преобразований принимает вид 

0
2

2
=
∆
⋅
+
∆
+
∆
⋅
θ
θ
θ

ст
ут
M
dt
d
M
dt
d
p
Y
, 
(2) 

где ∆θ - приращение угла нагрузки; p - число пар полюсов ротора; Y - момент  инерции; Муm и Mcm - коэффициенты  при успокоительном и синхронизирующем моментах. 
Решением выражения (2) будет 

,
2
1
2
1
+
+ +
=
∆
λ
λ
θ
e
C
e
C
 

где С1 и С2 - постоянные интегрирования; λ1 и  λ2 
- корни характеристического уравнения 

 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. 3 
 

 
6

i

U
U

i

U, i

t

 
 
Рис. 1. Широтно-импульсное регулирование частоты вращения 
вентильного двигателя 
(α – угол смещения первой гармонической тока) 
 
На  рис. 2 показана диаграмма работы вентильного двигателя с непрерывным и прерывистым токами фаз. 
Известно, что вентильный двигатель является по управлению аналогом двигателя постоянного тока и при питании его от источника постоянного тока с амплитудным регулированием напряжения имеет практически 
неограниченный  диапазон регулирования частоты вращения с устойчивой 
работой во всём диапазоне регулирования. Структура такого вентильного 
двигателя приведена на рис. 3. 
Недостатком такого вентильного двигателя является наличие транзисторного регулятора Р, рассчитываемого не  полную мощность двигателя. 
Если же перенести высокочастотную ШИМ непосредственно в силовые транзисторы БВП, то несмотря на несколько усложнённую схему 
управления БВП, мы избавляемся от звена Р в структурной схеме 
рис. 3. 

 α 

γ = 1 

γ = 1/3 

Машиностроение и машиноведение 
 

 
7

t

t

a)

б )

U

U

i

i

U , i

U , i

 
Рис. 2. Диаграммы токов и напряжений вентильного двигателя: 
а - работа с непрерывным током; б - работа с прерывистым 
током 
 
 

ИП
Р
БВП
СД
ДПР
ТГ

СУ

 
Рис. 3. Структура вентильного двигателя с регулятором 
 амплитуды питающего напряжения: ИП – источник питания 
постоянного напряжения; Р – транзисторный регулятор ШИМ; 
БВП – бортовой вентильный преобразователь; 
СД – синхронный двигатель;  ДПР – датчик положения ротора; 
ТГ – тахогенератор; СУ – система управления БВП 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. 3 
 

 
8

Выводы 
1. Неустойчивые режимы работы вентильного привода смогут быть 
вызваны неправильным соотношением зубцов статора и полюсов ротора 
двигателя, качаниями его ротора и работой бортового вентильного преобразователя. 
2. В вентильном двигателе наличие обратных связей по датчику положения ротора и таходатчику ограничивают колебания ротора малыми 
амплитудами и такие колебания  эффективно гасятся варьированием инерционного и демпфирующего моментов. 
3. Традиционная структура вентильного двигателя с регулированием 
его частоты вращения ШИМ на чистоте питания не обеспечивает необходимый диапазон  регулирования частоты вращения, характерный для тяговых двигателей. 
4. Амплитудное регулирование напряжения источника питания постоянного тока с введением высокочастотной ШИМ (частота такого регулирования – десятки кГц) переносом в силовые ключи БВП обеспечивает 
эффективное регулирование частоты вращения привода практически в неограниченном диапазоне. 
 
Список литературы 
 
1. Бербиренков И.А. Обеспечение устойчивой работы тяговых вентильных электроприводов на низких частотах вращения: автореф. дис.  … 
канд. техн. наук. М.: МГТУ «МАМИ», 2011. 20 с. 
2. Тяговые электроприводы и устройства энергообеспечения автотранспортных средств / Е.М. Овсянников [и др.]. М.: Изд-во «Палеотип», 
2009. 244 с. 
 
 E.V. Kuzmitsky, V.V. Lohnin , I.А. Berbirenkov 
THE 
WORK 
FEATURES 
OF 
THE 
VALVE 
ENGINE 
IN 
TRACTION 
ELECTRIC DRIVE 
For 
effective 
regulation 
the 
frequency 
of 
 
the 
engine’s 
rotation 
the 
transfer of the pulse-width modulator into the power transistors of the onboard valve 
converter is offered. 
Key words: ventilny electric drive, low frequency of rotation, onboard ventilny 
converter, ventilny engine. 
 
Получено 07.02.12 
 
 
 
 
 
 
 

Машиностроение и машиноведение 
 

 
9

УДК 631.371 
Л.В. Федорова, д-р техн. наук, проф., 8(8422)55-95-97, 
materialoved73@mail.ru (Россия, Ульяновск, УГСХА), 
А.В. Морозов, канд. техн. наук., доц., 8(8422)55-95-97, 
materialoved73@mail.ru (Россия, Ульяновск, УГСХА), 
В.А. Фрилинг, асп., 8(8422)55-95-97, 
friling.vladimir@mail.ru (Россия, Ульяновск, УГСХА) 
 
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА 
НА МИКРОТВЕРДОСТЬ  ПРИ ИЗБИРАТЕЛЬНОЙ 
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ЗАКАЛКЕ ТРИБОНАГРУЖЕННОГО 
УЧАСТКА ОТВЕРСТИЯ 
 
Рассмотрены причины потери работоспособности гладких цилиндрических 
подвижных сопряжений, испытывающих одностороннюю радиальную нагрузку. Выполнены экспериментальные исследования, направленные на выявление зависимости 
глубины и микротвердости поверхностей после избирательной электромеханической 
закалки от содержания углерода. 
Ключевые слова: опорное отверстие, износ, цилиндрические сопряжения, закалка, инструмент, микротвердость, белый слой 
 
В конструкциях машин и механизмов различного назначения большое распространение имеют гладкие цилиндрические подвижные сопряжения [1, 2]. 
Основная проблема опорных поверхностей отверстий данных сопряжений - неравномерность распределения контактного давления, и как 
следствие, неравномерный износ трибонагруженного участка отверстия. В 
этой связи актуальной является разработка новых технологий повышения 
износостойкости контактного участка цилиндрических отверстий. С целью 
снижения интенсивности изнашивания опорного отверстия детали в условиях кафедры «Материаловедение и технология машиностроения» Ульяновской ГСХА разработана технология избирательной электромеханической закалки (ИЭМЗ) (рис. 1). Данная технология заключается в 
воздействии концентрированным потоком энергии на трибонагруженный 
участок посредством фасонного бронзового инструмента, перемещающегося вдоль оси отверстия. 
Для выявления влияния процентного содержания углерода на степень прокаливаемости при ИЭМЗ  были проведены экспериментальные 
исследования, направленные на установление взаимосвязи между глубиной и твердостью закаленного участка в зависимости от содержания углерода при различном термомеханическом воздействии на материал. 
Твердость поверхности является одним из основных показателей 
упрочнения материала, поскольку непосредственно характеризует прочностные свойства поверхностного слоя. 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. 3 
 

 
10

В качестве образцов для исследования были изготовлены втулки с 
диаметром отверстия d = 25 мм, наружным диметром D = 45 и высотой 
h = 50 мм из стали 45, 30Х и чугуна СЧ 20 (рис. 2, а). 
 

 
Рис. 1. Схема процесса избирательного электромеханической закалки 
поверхности  отверстия: 
1 - персональный компьютер; 2 - инструмент; 3 – втулка; 4 – оправка 
 
Отверстия образцов обрабатывались развертыванием до шероховатости Ra 2,5, так как такая чистота соответствует поверхностям большинства рассматриваемых сопряжений. 
Режимы избирательной электромеханической закалки представлены в таблице. 
 
Режимы при избирательной электромеханической закалке 
 

№ 
п/п 
Сила тока, А 
Усилие 
прижатия инструмента Р, Н 

Скорость 
обработки υ, 
мм/мин 

1 
500 
17 
120 

2 
700 
17 
120 

3 
900 
17 
120