Линейные асинхронные электроприводы сложного колебательного движения для рабочих органов технологических машин АПК

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Линейные асинхронные электроприводы сложного колебательного движения для рабочих органов технологических машин АПК

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование

Линенко Андрей Владимирович

Уфа - 2014

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы. Повышение эффективности одной взятой технологической машины может положительно сказываться на дальнейших технологических операциях хранения и переработки сельскохозяйственной продукции. Так, например, путем снижения на очистительных машинах засоренности зерна на 1% можно повысить на 2% массовую емкость зернохранилищ, снизить расходы на сушку зерна. Отбор примерно 10 % мелкой фракции зерна перед переработкой позволяет использовать его в комбикормах, одновременно увеличивая выход высоких сортов муки на 15-20 %. С другой стороны, нечеткость разделения на очистительных и сортировальных машинах приводит к нарушению оптимальных режимов работы всех последующих машин, повышению энергоемкости процесса и снижению качества конечной продукции.

В сельскохозяйственном производстве от 40 до 50 % электрических двигателей вращения используется для получения колебательного движения, при этом необходимы преобразователи вида движения, которые усложняют привод. Поэтому создание высокоэффективных приводов рабочих органов непосредственно от ротора электродвигателя, реализующих колебательное движение, является приоритетным направлением развития сельскохозяйственной техники.

В этом направлении успешно находят применение линейные асинхронные двигатели (ЛАД), которые непосредственно электрическую энергию преобразуют в поступательное движение рабочего органа. Оснащение ЛАД упругими элементами позволяет реализовать энергетически эффективный электропривод колебательного движения, причем разгон рабочего органа в одну сторону осуществляется под действием электромагнитного поля ЛАД, а в обратном направлении за счет запасенной энергии в упругом элементе.

Однако сказанное не исчерпывает всех возможностей ЛАД в приводе технологических машин. Благодаря своим конструктивным особенностям ЛАД позволяют обеспечить колебательное движение рабочего органа и сложной формы: возвратно-поступательно-вращательное; возвратно-поступательное с поперечной составляющей колебаний; возвратно-поступательное с вертикальной составляющей колебаний; эллипсоидное.

Реализация электропривода рабочих органов с линейными двигателями, в которых вторичный элемент может являться самим рабочим органом, совершающим сложное и регулируемое в широком диапазоне колебательное движение (амплитуда колебаний до 0,7 м; частота до 5 Гц), открывает новую область для совершенствования технологического оборудования различного назначения, особенно в послеуборочной обработке зерна.

Обобщение теории, исследование и реализация линейных приводов сложного колебательного движения представляет собой актуальную научно-техническую проблему и является важным резервом повышения технико-экономических показателей технологического оборудования АПК.

В соответствии с концепцией развития сельскохозяйственной техники России до 2015 года создание универсальных и унифицированных машин нового поколения, обеспечивающих высокую производительность при минимальных затратах средств и высокой надежности машин, является основным направлением сельхозмашиностроения, что подтверждает актуальность выбранного направления. Тематика работы отвечает «Стратегии развития пищевой и перерабатывающей промышленности РФ до 2020 года» и соответствует разделу федеральной программы по научному обеспечению АПК РФ: шифр 01.02 «Разработать перспективную систему технологий и машин для производства продукции растениеводства и животноводства на период до 2015 года».

Цель работы: обобщение теории, создание математических моделей и исследование линейных асинхронных электроприводов сложного колебательного движения (ЛАЭСКД), обеспечивающих за счет управления параметрами колебаний рабочих органов повышение эффективности применения технологических машин АПК.

Задачи исследования:

1. Исследовать технологические характеристики процессов послеуборочной переработки продукции растениеводства, на основе которых согласовать установку ЛАЭСКД с управляемыми параметрами колебаний в технологические машины АПК.

2. Разработать математический аппарат расчета ЛАЭСКД с учетом условий работы в технологических машинах.

3. Провести анализ математических моделей ЛАЭСКД совместно с технологическими машинами, осуществляющими послеуборочную переработку продукции растениеводства, определить рациональные взаимосвязи параметров колебаний электромеханической системы с учетом согласования требуемых характеристик, параметров двигателя и нагрузки для различных условий применения.

4. Разработать методику и провести экспериментальные исследования ЛАЭСКД различных модификаций и для различных технологических машин, проверить адекватность разработанных математических моделей.

5. Внедрить ЛАЭСКД в натурные образцы и рабочие проекты технологических машин для процессов послеуборочной переработки продукции растениеводства. Провести анализ технико-экономической эффективности разработок.

Объект исследования: технологические машины в АПК с колебательным движением рабочих органов.

Предмет исследования: взаимосвязи и закономерности изменения параметров сложных колебаний электромеханической системы от конструктивных элементов и режима работы линейного электропривода с учетом параметров нагрузки.

Методы исследований: Основные результаты диссертационной работы получены на базе фундаментальных законов и уравнений механики и электромеханики и основных положений теории электропривода.

Научная новизна работы.

- предложены кинематические схемы линейных асинхронных электроприводов, реализующие сложное и регулируемое движение рабочих органов, на основе которых разработаны конструкции технологических машин АПК;

- предложена методика расчета продольной и нормальной сил, развиваемых ЛАЭСКД по Т-образной схеме замещения ЛАД при изменяющемся его воздушном зазоре;

- разработан комплекс математических моделей ЛАЭСКД технологических машин, на основе которых получены взаимосвязи в приводе в зависимости от их конструктивных параметров, режима работы и с учетом параметров нагрузки;

- предложена методика экспериментальных исследований ЛАЭСКД и технологических машин на их базе.

Достоверность результатов исследований проверялась экспериментально-аналитическими методами, сравнением некоторых полученных результатов с решениями других авторов, а также методами физического моделирования электромеханических систем с привлечением одного из основных пакетов расширения программной системы Matlab - Simulink, моделированием процессов в реальных технологических машинах, экспертизой разработанных технических решений в ФИПС РФ.

На защиту выносятся следующие научные положения:

- кинематические схемы линейных асинхронных электроприводов, которые позволяют реализовать сложное и регулируемое движение рабочих органов и соответствующие им конструкции технологических машин АПК, зарегистрированные в ФИПС РФ;

- методика расчета продольной и нормальной сил, развиваемых ЛАЭСКД, учитывающая изменяющийся воздушный зазор в ЛАД, которая позволяет рассчитать траекторию сложного движения рабочего органа;

- комплекс математических и компьютерных моделей электромеханических систем на базе ЛАЭСКД с упругими накопителями механической энергии и результаты их многофункционального анализа, используемые для проектирования и разработки технологических машин;

- методика и результаты экспериментальных исследований ЛАЭСКД технологических машин для послеуборочной переработки продукции растениеводства с многоканальной выдачей информации.

Практическая ценность работы состоит в том, что:

- предложенные кинематические схемы ЛАЭСКД позволяют создавать технологические машины повышенной эффективности;

- математические модели позволяют на начальной стадии проектирования ЛАЭСКД технологической машины принимать рациональные решения, обеспечивающие требуемые технические параметры электромеханической системы при минимальных материальных и энергетических затратах;

- созданные образцы лабораторных установок ЛАЭСКД технологических машин обеспечивают эффективное выполнение фундаментальных и прикладных исследований;

- результаты исследований позволяют дать конкретные рекомендации при инженерных расчетах ЛАЭСКД.

Реализация результатов работы. Основные результаты диссертации использованы при выполнении хоздоговорных и госбюджетных НИР, проводимых в различные годы. Внедрены: на зерноперерабатывающих пунктах (экономический эффект на одну установку МВР-2 составляет 24200 рублей в год, ); на ряде сахарных заводов РБ в качестве инерционного конвейера для транспортирования влажного сахара (экономический эффект на один конвейер составляет 240 000 рублей в год); на участках послеуборочной обработки картофеля (экономический эффект на одну установку составляет 16649 рублей в год); на хлебоприемных пунктах; в шелушильных машинах, а также в учебном процессе Башкирского ГАУ:

- в монографии «Линейные электрические машины и линейные асинхронные электроприводы технологических машин»;

- на учебных занятиях по дисциплине «Электропривод», «Автоматизированный электропривод».

Публикации. В диссертации обобщены 56 авторских публикаций, в том числе 13 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 монография. Оригинальные технические решения защищены 9 патентами РФ. Общий объем публикаций 29 п.л. Существенную техническую помощь по созданию (проектированию, изготовлению и испытанию) технологических машин для сельскохозяйственных, пищевых и других производств оказали соавторы, указанные в перечне основных работ, опубликованных по теме диссертации.

Неоценимую помощь своими советами и консультациями соискателю оказал д.т.н., профессор Аипов Р.С., за что выражаю ему свою искреннюю благодарность.

Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований были представлены и получили одобрение на 17 научно-технических, а также на ежегодных внутривузовских конференциях. В том числе: на Всероссийской научной конференции (Москва, ИПУ РАН, 2002); на ежегодных научно-технических конференциях Челябинской государственной агроинженерной академии (Челябинск, 2001г., 2002г., 2009г., 2010г., 2011г., 2013г.); на Всероссийской научно-технической конференции (Уфа: УГНТУ, 2007); на Всероссийских научно-практических конференциях в рамках XIX и XX Международной специализированной выставки «Агро Комплекс- 2009, 2010, 2011, 2013» (Уфа); на Всероссийской научно-практической конференции «Научное обеспечение развития АПК в современных условиях» (Ижевская ГСХА, 2011); на III международной конференции «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий АПЭЭТ-2014»(Екатеринбург, ФГАОУ ВПО УрФУ им. Первого президента России Б.Н. Ельцина, 2014) и др..

Разработки удостоены серебряных медалей Всероссийского конкурса «Золотая осень 2008г., 2013г.»

2. Содержание работы

Во введении рассматривается актуальность темы, обосновывается цель и задачи исследования, кратко изложены основные положения, выносимые на защиту, дается ее общая характеристика.

Отмечается роль известных ученых в создании и развитии родственных научных направлений: Вольдека А.И., Веселовского О.Н., Луковникова В.И., Петленко Б.И., Сарапулова Ф.Н., Коняева А.Ю., Соколова М.М., Винокурова А.И., Мамедова Ф.А., Денисова В.Н., Епифанова А.П., Лейтуейта Е.Р., Насар С.А., Болдеа И., Скобелева В.Е., Ямамура С., Аипова Р.С., Сапсалева А.В. и др.

В первой главе «Перспективы применения линейных асинхронных электроприводов для сложного колебательного движения рабочих органов технологических машин АПК» рассмотрено современное состояние вопроса послеуборочной обработки и транспортировки продукции растениеводства, в технологическом оборудовании которого имеется потенциал совершенствования путем применения ЛАЭСКД. Показано, что существующие машины для очистки, шелушения и инерционного транспортирования продукции растениеводства имеют ряд недостатков, вызванных используемым в них приводом - сложная кинематика не в полной мере соответствует требуемым характеристикам колебательного движения. Существует практика повышения технико-экономических показателей технологического оборудования с колебательным движением рабочих органов за счет упрощения их привода путем применения линейного асинхронного электропривода (ЛЭП) с накопителями механической энергии. ЛЭП непосредственно преобразуют электрическую энергию в поступательное движение рабочего органа, а накопители механической энергии обеспечивают возврат в систему кинетической энергии, накопленной при прямом ходе рабочего органа. При этом расширяются возможности простого и широкого регулирования параметров колебаний рабочих органов (амплитуда до 0,7м; частота до 5Гц), что актуально для всех технологических операций. В качестве упругих накопителей могут быть использованы различные устройства, среди которых наибольшее значение имеют цилиндрические винтовые пружины, обеспечивающие стабильность настройки, сравнительно небольшие габаритные размеры и массы, простые в сборке и выносливые при применении.

Однако незадействованным и неисследованным свойством, присущим ЛАД, является возможность осуществлять привод рабочих органов колебательного движения сложной формы.

Возможные варианты схем, позволяющие реализовать сложное колебательное движение рабочих органов в зависимости от использования развиваемых усилий ЛАД, представлены на рисунке 1. ЛАД, реализующий движение вторичного элемента в двух направлениях - используются силы тяги F_x и сила притяжения F_y (плоский ЛАД, рисунок 1, а). ЛАД, реализующий поступательно-вращательное движение вторичного элемента - используется сила тяги F_x и момент вращения М (цилиндрический ЛАД, рисунок 1, б). ЛАД, реализующий движение вторичного элемента в трех направлениях - используются силы F_х, F_y и поперечная сила F_z ( плоский ЛАД, рисунок 1, в).

В работе приняты четыре модели ЛЭП, реализующие различные виды сложного колебательного движения рабочих органов.

Первая модель ЛЭП реализует продольную силу тяги Fх и притяжения Fу, создается плоским двигателем (рисунок 2). Последний при включении одновременно развивает силу тяги F_х, направленную по оси ОХ и силу притяжения F_у (ось OY), направленную перпендикулярно к силе тяги F_х. Тем самым при работе ЛАД в режиме «вкл.-выкл.», когда вторичный элемент подпружинен в направлениях развиваемых ЛАД сил, рабочий орган будет совершать сложные продольно-поперечные колебания.



Рисунок 1 Схемы, реализующие сложное движение вторичного элемента ЛАД: 1- индуктор; 2 - вторичный элемент

Данный вид сложных колебаний рабочего органа эффективно применить в приводе решетных станов зерноочистительных машин. Наложение на продольное колебательное движение решетного стана зерноочистительной машины, обусловленного силой F_х, колебательного движения под действием силы F_у позволяет повысить ориентирующую способность зернового материала, находящегося на решетном стане, относительно сепарирующих ячеек решет и увеличить суммарную траекторию движения зерна по решету.

Вторая модель ЛЭП, применимая в электроприводе вальцедековых шелушильных машин с целью повышения эффективности шелушения зерна, реализует продольную силу тяги F_х и момент вращения М. Создается цилиндрическим ЛАД со скошенными пазами или совместно цилиндрическим ЛАД и асинхронным двигателем вращения (АД) (рисунок 3). Цилиндрический ЛАД реализует поступательное движение F_х, а двигатель вращения через шлицевое соединение придает вторичному элементу вращательное движение. Таким образом, при работе ЛАД в паре с упругим элементом в режиме «вкл.-выкл.» рабочий орган будет совершать сложное возвратно-поступательно-вращательное движение.

Рисунок 2 Кинематическая схема ЛЭП с двумя развиваемыми усилиями (модель 1): 1 - индуктор; 2 - вторичный элемент; СУ - система управления; ТК - тиристорный коммутатор

Рисунок 3 Кинематическая схема возвратно-поступательно -вращательного ЛЭП (модель 2): 1 - АД; 2 - индуктор ЛАД; 3 - вторичный элемент ЛАД; 4 - упругий элемент; 5 - подшипники скольжения; 6 - шлицевое соединение

На рисунке 4 представлена третья модель ЛЭП, реализующая сложное колебательное движение в трех направлениях: продольная сила тяги Fх, сила притяжения Fу и поперечная сила Fz. Сила Fz проявляется при несимметричном расположении вторичного элемента относительно индуктора ЛАД и стремится «вытолкнуть» вторичный элемент из рабочего зазора. Данный вид движения рабочего органа непосредственно от ЛАД может быть эффективен в таких установках как: зерноочистительные установки; ситовеечные машины; рассева и т.д.

Как частный случай выделяется четвертая модель ЛЭП со сложным движением вторичного элемента, когда вторичный элемент и рабочий орган при работе совершают плоскопараллельное движение относительно друг друга. Это возможно, если вторичный элемент или индуктор установить подвижно и подпружинено относительно рабочего органа. Таким образом, в приводе возникает звено предварительного разгона, которое можно применить для плавного пуска и одновременного накопления «пусковой» энергии, при этом появляется возможность повышения эффективности работы инерционного конвейера. На рисунке 5 показан один из способов реализации звена предварительного разгона ЛЭП.

Рисунок 4 Кинематическая схема ЛЭП с тремя развиваемыми усилиями (модель 3): 1 - основание; 2 - индуктор; 3 - вторичный элемент; 4 - рабочий орган; 5 - блок управления.

Рисунок 5 Кинематическая схема ЛЭП со звеном предварительного разгона (модель 4): 1 - индуктор; 2 - вторичный элемент (звено предварительного разгона); 3 - транспортирующий лоток; 4 - основание

Звено предварительного разгона - вторичный элемент (или индуктор), обеспечивает снижение длительности пусковых токов и динамических нагрузок, а также препятствует проскальзыванию груза в обратном направлении. Это осуществляется за счет того, что при включении ЛАД вся сила прикладывается не сразу к транспортирующему лотку, а постепенно через вторичный элемент (индуктор), который подпружинен относительно лотка. Применение ЛЭП в инерционном конвейере влажного сахара, картофеля и т.д. позволяет исключить промежуточные передаточные механизмы, тем самым снизить ресурсо- и энергозатраты, а звено предварительного разгона обеспечит плавный пуск и тем самым дополнительное повышение эффективности транспортирования и повышение энергоэффективности.

Проведенный анализ приводит к следующим заключениям:

- электродвигатели вращения в приводе колебательного движения приводят к усложнению конструкции привода, ограничению возможности управления параметрами колебаний, снижению эффективности технологического процесса и эксплуатационных характеристик привода;

- ЛЭП за счет непосредственного преобразования электрической энергии в сложное колебательное движение рабочего органа позволит улучшить технологические, энергетические и эксплуатационные характеристики машины, включая протекание переходных процессов в ЛАД;

- технологические машины с ЛЭП, реализующие колебательное движение в нескольких направлениях, являются новыми, следовательно, малоизученными техническими решениями, что является сдерживающим фактором их применения в АПК.

Во второй главе «Математический аппарат для расчета ЛАЭСКД рабочих органов технологических машин АПК» рассмотрен подход к расчету параметров схемы замещения и сил, развиваемых ЛАД в статике и динамике. Приводится математический аппарат, позволяющий описывать совместную работу ЛАД, упругих элементов, системы управления, который позволил бы провести всесторонние исследования ЛАЭСКД с учетом параметров нагрузки.

Показано, что двигатели в ЛАЭСКД относятся к низкоскоростным ЛАД, с учетом этого рассмотрен подход к выбору конструктивных параметров ЛАД по значению электромагнитной добротности, удобный на стадии предпроектных исследований. Определен диапазон параметров ЛАД (синхронная скорость V₁ < 10 м/с; число пар полюсов р₁>4), для которого предложена методика расчета электромеханических продольной и нормальной сил в статике и динамике по «Т» - образной схеме замещения, а поперечной - полевым методом.

Учитывая особенности ЛАД параметрами схемы замещения, сила тяга F_x может быть определена как:

, (1)

где: I'₂ - приведенный ток вторичного элемента, А; R'₂ - приведенное активное сопротивление вторичного элемента, Ом; s - скольжение; ф - полюсное деление, м; f ₁ - частота сети, Гц; I₁ - ток индуктора, А; G - фактор качества.

Нормальная сила ЛАД F_у с односторонним индуктором и составным вторичным элементом состоит из силы притяжения F_уа и силы отталкивания F_уr.

Сила притяжения F_уа между индуктором и магнитопроводом:

, (2)

где: а - половина ширины пакета стали индуктора, м; µ₀ - магнитная проницаемость воздуха, Гн/м; д - воздушный зазор, м; J_m-амплитуда линейной нагрузки токового слоя (индуктора), А/м.

Сила отталкивания F_уr между индуктором и вторичным элементом:

, (3)

где: щ₁ - 2рf₁; d - толщина пластины вторичного элемента, м.

В результате имеем следующую формулу для определения нормальной силы ЛАД:

, (4)

В ЛАД возникает поперечная сила на вторичном элементе F_z, если ее несколько сместить асимметрично индуктору. Эта сила, которая стремится вытолкнуть вторичный элемент из воздушного зазора:

, (5)

где: J_2x - плотность тока в обмотке вторичной части, А/м²; H_yr - напряженность магнитного поля, А/м.

В работе для исследования динамики ЛАД выбран метод, заключающийся в описании процессов в двигателе дифференциальными уравнениями, составленными на основе схемы замещения. Общность физических явлений позволяет при выводе уравнения ЛАД взять за основу известную систему дифференциальных уравнений Парка-Горева для двигателя вращательного движения.

Сила тяги c учетом переходных процессов определяется по дифференциальным уравнениям Парка-Горева и имеет следующий вид:

(6)

где: X_s, X_r - значения индуктивного сопротивления рассеяния индуктора и вторичного элемента соответственно, вводимых в модель, Ом;

X_m - сопротивление взаимоиндукции между индуктором и вторичным элементом, Ом;

ш_X1, ш_Y1, ш_X2, ш_Y2 - потокосцепления по осям OX, OY соответственно индуктора и вторичного элемента.

Результирующая нормальная сила, развиваемая ЛАД с учетом переходных процессов определяется следующим образом:

(7)

где: i_x1, i_y1 - составляющие тока индуктора по осям X и Y;

i_x2, i_y2 - составляющие тока вторичного элемента по осям X и Y;

т - коэффициент рассеяния магнитного потока.

При совершении вторичным элементом сложного движения относительно плоского индуктора ЛАД меняются параметры схемы замещения двигателя. При этом представленный математический аппарат позволяет рассчитать силу тяги F_x и нормальную силу F_y ЛАД как без учета, так и с учетом электромеханических переходных процессов.

Предложены кинематические схемы ЛАЭСКД рабочих органов зерноочистительной машины (рисунок 6), вальцедековой шелушильной машины (рисунок 7), инерционного конвейера (рисунок 8) и других запатентованных устройств, на основе которых разработаны их математические модели. Модели позволяют исследовать работу электропривода технологических машин и определять зависимости изменения параметров сложных колебаний рабочих органов от конструктивных элементов, режима работы ЛЭП, с учетом параметров нагрузки.

Основными уравнениями решетного стана при математическом моделировании являются уравнение динамики колебательного ЛЭП и уравнение движения материальной точки по колеблющейся поверхности (8):

Рисунок 6 Схема действующих на решетный стан и зерновую частицу сил: 1 - решетный стан; 2 - зерновая частица; 3, 4 - упругие элементы; 5 - вторичный элемент ЛАД; 6 - упругая подвеска; 7 - индуктор ЛАД; 8 - блок управления; 9 - датчик включения; 10 - датчик выключения

 , (8)

где a_рс, V_рс, x_рс - соответственно ускорение, скорость и координата перемещения решетного стана по оси OX, м/с², м/с, м; a'_з.х, V'_з.х, x'_з.х - соответственно ускорение, скорость и координата перемещения зерновой частицы по оси , м/с², м/с, м; T - время моделирования, с; m_з - масса зернового материала, кг; m_рс - масса решетного стана, кг; F_kх - суммарная сила сопротивления упругих элементов, подчиняющаяся закону Гука, Н; - сила трения зернового материала о поверхность решетного стана по оси , подчиняющаяся закону Кулона, Н; F_подв.x - сила сопротивления подвесок, Н; - коэффициент трения зерна о поверхность решетного стана; - реакция решетного стана на давление зернового материала, Н; g - ускорение свободного падения, м/с²; a_з.х - ускорение зерновой частицы по оси OX, м/с²; б - угол наклона решета к горизонту, °.

Кинематическая схема колебательно-вращательного электропривода (КВЭП) вальцедековой машины представлена на рисунке 7. Привод установки для шелушения зерна позволяет регулировать колебания деки относительно вальца по частоте и амплитуде, в результате чего обеспечивается возможность выбора наилучших параметров для шелушения. Математическая модель возвратно-поступательно-вращательного электропривода вальцедековой машины, включающая АД и ЛАД, с учетом того, что момент и сила, развиваемые ими определяются по уравнениям Парка-Горева (2.13), примет вид:

, (9)

где: v - скорость деки, м/с; л - динамическая вязкость потока зерна, Па•с; k_z - коэффициент заполнения зоны шелушения; L - длина деки, м; r - приведенный радиус вальца, м; R - внутренний радиус деки, м.

В формуле 9 параметры схемы замещения со штрихом относятся к АД.

Рисунок 7 Кинематическая схема КВЭП вальцедековой машины: 1 - вал; 2 - валец; 3 - дека; 4 - АД; 5 - ЛАД; 6 - вторичный элемент ЛАД; 7 - упругий элемент; 8 - подшипники скольжения; 9 - подшипники качения.

Сформулированы задачи звена предварительного разгона ЛЭП в инерционном конвейере: - сокращение потерь энергии в обмотках ЛАД за счет уменьшения скольжения; - снижение потерь мощности на обратное проскальзывание транспортируемого груза путем стабилизации силы, действующей на транспортирующий лоток, и накопления избыточной энергии упругими элементами; - повышение полезной мощности транспортирования за счет использования энергии, накопленной звеном предварительного разгона; - снижение пусковых токов.

На рисунке 8 представлена кинематическая схема инерционного конвейера с предварительным разгоном вторичного элемента.



Рисунок 8 Инерционный конвейер с предварительным разгоном вторичного элемента: 1- транспортируемый груз; 2, 7- упоры лотка, 3- лоток транспортирующей поверхностью (рабочий орган), 4, 6, 11- пружины (упругие элементы); 5- опорные ролики; 8- вторичный элемент; 9- направляющие вторичного элемента; 10- индуктор; 12, 13- датчики положения лотка; 14- блок управления; 15- основание.

Перемещение транспортируемого груза 1 происходит за счет его силы инерции при резком торможении лотка пружиной 4.

По рисунку 8 составлены уравнения сил действующих на вторичный элемент, лоток и транспортируемый груз, по которым построена математическая модель их движения с применением кусочно-постоянных функций Хевисайта и(х) и сигнум sign(х). Для описания математической модели приняты следующие системы координат: XOY - неподвижная относительно основания, X?O?Y? - неподвижная относительно лотка 3.

Причем перемещение, скорость, ускорение транспортируемого груза и лотка в этих системах связаны следующим образом:

где: , - перемещение транспортируемого материала и вторичного элемента, соответственно, по оси О'X', м; ,,- перемещение транспортируемого материала, вторичного элемента и лотка, соответственно, по оси ОX, м.

Напряжение питания ЛАД:

, (10)

где: - напряжение источника питания, В; , - координаты датчиков включения и выключения напряжения питания ЛАД, м.

Ускорения транспортирующего лотка, транспортируемого груза и вторичного элемента, соответственно м/с²:

(11)

(12)

, (13)

где: , - масса транспортирующего лотка и вторичного элемента, соответственно, кг; - коэффициент трения транспортируемого груза об поверхность лотка; - ускорение свободного падения, м/с²;

- сила упругого элемента звена предварительного разгона, Н:

 (14)

где: - коэффициент жесткости упругого элемента звена предварительного разгона 11, Н/м; - сила предварительного сжатия упругого элемента 11, Н;

- сумма сил упругих элементов 6 и 4 действующих на лоток с учетом координат их расположения и сил их предварительного сжатия и ,Н:

(15)

где: , - коэффициенты жесткости упругих элементов 6 и 4, Н/м; - сила сопротивления опорных роликов лотка, Н:

(16)

где: - сила трения качения роликов, Н; - масса транспортируемого груза, кг; - коэффициент трения качения роликов. - сила трения транспортируемого груза об поверхность лотка, Н:

 (17)

- сила трения в направляющих звена предварительного разгона, Н:

где: - сила трения скольжения, Н; - сила, учитывающая ограничение хода вторичного элемента в сторону отрицательного перемещения относительно транспортирующего лотка, Н:

(18)

- сила взаимодействия вторичного элемента и лотка, Н:

- продольная сила, развиваемая ЛАД, подчиняющаяся уравнению электромеханического преобразования энергии Парка-Горева и зависящая от значений подаваемого напряжения U₁, скорости вторичного элемента, параметров схемы замещения, полюсного деления и синхронной скорости ЛАД.

Введено понятие коэффициента энергоемкости разгона е транспортируемого груза, как один из критериев оценки эффективности работы инерционного конвейера:

 (19)

где: W₁ - электрическая энергия, затрачиваемая для передачи кинетической энергии транспортируемому грузу, находящемуся на транспортирующем лотке, Дж; E_k.гр - кинетическая энергия транспортируемого груза, приобретённая за время разгона, Дж.

В третьей главе «Исследования ЛАЭСКД технологических машин математическим моделированием» представлены результаты математического моделирования технологических машин с ЛАЭСКД для послеуборочной обработки продукции растениеводства, полученные в среде объектно-визуального моделирования Matlab (приложение Simulink).

Математический аппарат позволяет исследовать механические характеристики ЛАЭСКД с учетом переходных процессов при изменяющемся воздушном зазоре. Показано, что сила отталкивания F_yr (3) не оказывает существенного влияния в целом на нормальную силу ЛАД (4). Поэтому при расчете нормальной силы ЛАД в низкоскоростном приводе силу отталкивания можно не учитывать.

Для определения влияния воздушного зазора д на нормальную и продольную силы ЛАД, а также на ток индуктора ЛАД построены зависимости F_У = f(д), F_х = f(д) и I = f(д) (рисунок 9). Изменение зазора с 3 мм до 1 мм обусловлено технологическим процессом очистки (амплитуда поперечных колебаний А_попер = 2 мм). Анализ зависимостей показывает, что при изменении зазора с максимального д = 3 мм до рабочего д = 1 мм значение F_У и F_х изменяется не более чем на 33 % от номинальных значений, ток снижается на 17 %.

Временные зависимости нормальной F_У и продольной F_х сил показывают существенную разницу между ними, F_У=(8…10)·F_х.

а б

в

Рисунок 9 - Расчетные зависимости от воздушного зазора: а - поперечной силы FУ; б - продольной силы Fх; в - тока индуктора ЛАД

При построении зависимостей, отражающих влияние конструктивных элементов и режима работы ЛЭП на процесс очистки зернового материала, оценена эффективность работы последнего с учетом траектории движения решетного стана (рисунок 10). Кроме того, известным фактом является то, что объемные массы (натуры) различных культур неодинаковы. Поэтому рассмотрен вопрос о влиянии культуры, а следовательно, и изменения удельной начальной нагрузки на траекторию движения решетного стана.

Полученные траектории свидетельствует о том, что решетный стан осуществляет сложное колебательное движение. При изменении удельной нагрузки q на 0,14 кг/с·м амплитуда продольных колебаний изменилась на 5,5 % от значения А_прод = 14,5 мм, что показывает необходимость поддержания постоянной подачи зернового материала.

Одно из решающих влияний на скорость v_{макс. зм}, ускорение а_{макс. зм} и характер движения зерновой частицы по поверхности решетного стана оказывает максимальное ускорение колебательного движения решетного стана а_{макс. рс}. Если слой материала на решете небольшой, соизмеримый с толщиной частиц, подлежащих разделению, то для их надежного просеивания достаточно сообщить ускорение а_{макс. зм}, не превышающее значение а_{макс. зм} ? 25 м/с² (рисунок 11).

Рисунок 10 - Траектория сложного движения решетного стана при изменении удельной нагрузки

а б

Рисунок 11 - Расчетная зависимость максимального ускорения зернового материала (1) и решетного стана (2) от коэффициента жесткости упругих элементов (а) и мощности ЛАД (б)

Анализ зависимостей показывает, что при коэффициенте жесткости С = 1000…4000 Н/м и мощности ЛАД Р ? 720 Вт максимальное ускорение зерновой частицы не превышает значения а_{макс.зм} ? 25 м/с², что является достаточным условием.

Для оценки энергетических показателей проектируемого ЛАЭСКД решетного стана и необходимой мощности ЛАД построены зависимость мощности ЛАД от коэффициента жесткости P = f(С) и производительности установки P = f(Q) (рисунок 12).

а б

Рисунок 12 - Расчетные зависимости мощности ЛАД от коэффициента жесткости (а) и производительности установки (б)

При увеличении производительности до Q = 1400 кг/ч мощность ЛАД круто возрастает, после чего начинает увеличиваться незначительно. При увеличении коэффициента С мощность ЛАД Р также нелинейно возрастает.

Максимальный энергетический КПД ЛАД, а, следовательно, и разработанного электропривода зерноочистительной машины (ЛАД - это его основной конструктивный элемент) составил з_энерг=0,41.

Получена зависимость изменения линейной скорости движения деки от конструктивно-технологических параметров возвратно-поступательно-вращательного электропривода и обрабатываемого сырья. Выявлено, что изменение частоты и продолжительности включения ЛАД является наиболее эффективным способом регулирования скоростного режима деки вальцедековой машины с точки зрения достижения максимального диапазона регулирования 3:1(рисунок 13).



Рисунок 13 - Влияние частоты и продолжительности включения ЛАД на скоростной режим деки

При анализе отдельно рассматривались скорости движения деки под действием силы ЛАД («вперед») и скорость деки при движении в обратном направлении под действием потенциальной энергии, запасенной в упругом элементе («назад»).

Анализ амплитудно-частотных характеристик КВЭП показывает, что эффективным способом регулирования параметров колебаний деки является изменение продолжительности включения ЛАД. Причем с увеличением частоты изменение продолжительности включения более значительно сказывается на увеличении амплитуды колебаний: при частоте 1 Гц изменение продолжительности включения t_и от 55% до 85% приводит к увеличению амплитуды на 3,6 мм. Достоинством разработанного привода является незначительная зависимость параметров колебательного процесса от динамической вязкости потока зерна и коэффициента заполнения зоны шелушения. Это позволяет сделать вывод, что технологические параметры зерна и равномерность подачи не оказывают существенного влияния на эффективность работы машины.

При исследовании процесса разгона подвижного элемента инерционного конвейера получены расчетные временные зависимости перемещений и скоростей (рисунок 14, а и б), по которым можно определить длину участка разгона Хн, необходимую для полной передачи энергии, накопленной звеном предварительного разгона при пуске.

Рисунок 14 - Процесс непрерывного разгона инерционного конвейера с предварительным разгоном вторичного элемента ЛЭП: Х_ВЭ (V_ВЭ), Х_Л (V_Л), Х_ГР (V_ГР) - перемещение (скорость),соответственно, вторичного элемента, транспортирующего лотка, транспортируемого груза, V₀ - синхронная скорость ЛАД; i - ток ЛАД: 1 - без - и 2 - со звеном предварительного разгона

Выявлено, что конструкция привода с предварительным разгоном индуктора ЛАД не обеспечивает необходимую плавность пуска, что объясняется жесткой связью транспортирующего лотка с вторичным элементом, из-за которой усилия переходного процесса передаются от вторичного элемента к транспортирующему лотку и приводят к проскальзыванию транспортируемого материала в обратном направлении.

Данный недостаток отсутствует в конструкции с предварительным разгоном вторичного элемента V_Л = V_ГР (рисунок 14, б), т.к. связь последнего с транспортирующим лотком посредством упругих элементов обеспечивает сглаживание динамических усилий, воздействующих на вторичный элемент.

Полученные осциллограммы (рисунок 14, в) потребляемого тока индуктором ЛАД подтверждают снижение пусковых токов, как по амплитуде, так и по продолжительности.

Получены зависимости минимальной энергоемкости разгона транспортируемого груза е_min от напряжения U₁ питания ЛАД (рисунок 15) и зависимости необходимой длины участка разгона Х_Н для получения е_min при различной массе вторичного элемента и при его жестком соединении (Жест.) к лотку (рисунок 16).

Рисунок 15 - Расчетная зависимость минимальной энергоемкости е_min разгона транспортируемого груза от напряжения U₁ питания ЛАД

Рисунок 16 - Расчетная зависимость необходимой длины участка разгона Х_Н для достижения минимальной энергоемкости е_min разгона транспортируемого груза

Оказалось, что Х_Н пропорциональна синхронной скорости ЛАД V₀, имеет отрицательную зависимость от начальной скорости транспортирующего лотка V_л.0 (рисунок 17) и положительную - от отношения пускового усилия ЛАД F_П к силе предварительно сжатия упругого элемента F_0.11 (рисунок 18).

Рисунок 17 - Расчетная зависимость Х_Н от синхронной скорости ЛАД V₀, и начальной скорости транспортирующего лотка V_л.0

Рисунок 18 - Расчетная зависимость Х_Н от отношения пускового усилия ЛАД F_П к силе упругого элемента F_0.11

Полученные взаимосвязи в ЛАЭСКД могут быть использованы при его проектировании для технологических машин АПК с высокими технико-экономическими показателями.

В четвертой главе «Разработка и экспериментальные исследования конструкций ЛАЭСКД рабочих органов технологических машин» рассмотрены вопросы экспериментального исследования ЛАЭСКД и технологических машин на их основе. Описаны экспериментальные установки различного целевого назначения, программа и методика экспериментальных исследований, приведены важнейшие результаты исследований.

Разработаны и созданы варианты экспериментальных установок для многостороннего исследования ЛАЭСКД решетного стана (рисунок 19), шелушильной машины (рисунок 20), инерционного конвейера влажного сахара (рисунок 21), бункера-питателя и инерционной картофелесортировальной машины.

Рисунок 19 Экспериментальная установка решетного стана с ЛАЭСКД. Параметры схемы замещения ЛАД: R₁=6,92 Ом, R₂^'=4,09 Ом, X₁=4,86 Ом, X₂^?=0,254 Ом, X_m= 2,67 Ом.

Программа экспериментальных исследований включала проверку адекватности: теоретических и экспериментальных значений тока ЛАД привода; механических параметров (скорости, амплитуды, частоты) колебаний привода.



Рисунок 20 Экспериментальная установка шелушильной машины с ЛАЭСКД. Параметры схемы замещения ЛАД: R1=4,09 Ом, R2=1 Ом, X1=0,141 Ом, X2=0,85 Ом, X_m=4,7 Ом

Рисунок 21 Экспериментальная установка инерционного конвейера с ЛАЭСКД. Параметры схемы замещения ЛАД: R1=0,5 Ом, R2'=1 Ом, X1=1 Ом, X2'=0,1 Ом, Xm=5 Ом

Установки оснащены современной контрольно-измерительной аппаратурой с многоканальной регистрацией результатов измерений и их математической обработкой на ЭВМ, базирующихся на современных программных продуктах.

Для снятия рабочих характеристик электропривода рабочих органов и их дальнейшего анализа на основаниях экспериментальных установок закреплены датчики и измерительное оборудование:

- датчики линейного перемещения Gefran PY1, представляющие собой переменные резисторы с линейной вольтамперной характеристикой, с выхода которых снимается сигнал об изменении подаваемого на них напряжения;

- датчик тока CSLA1CF.

После этого сигнал посредством аналого-цифрового преобразователя (АЦП) Velleman PCS64i передается на персональный компьютер и выводится в рабочем окне программе WinDSO FG32 с последующим сохранением рабочих характеристик. Полученные зависимости можно экспортировать в математические приложения для последующей обработки.

Далее сигнал обрабатывался в программе Matlab, в результате чего определялся действительный ток, потребляемый индуктором ЛАД, ускорение вторичного элемента, перемещение, скорость и частота колебаний рабочего органа.

Для определения влияния воздушного зазора д на поперечную силу ЛАД F_У построена зависимость F_У=f(д), полученная экспериментальным путем, совмещенная с расчетной (рисунок 22).

Рисунок 22 - Экспериментальная и теоретическая зависимости поперечной силы ЛАД F_У от воздушного зазора д

Сопоставление теоретических и экспериментальных зависимостей показало, что их расхождение не превышает 10%, при погрешности измерений не более 4%, что позволяет использовать разработанные математические модели в практических расчетах и считать их адекватно отражающими физические процессы.

В пятой главе «Результаты производственных испытаний технологических машин с ЛАЭСКД и оценка их экономической эффективности» сформулированы рекомендации по проектированию ЛАЭСКД рабочих органов технологических машин и реализованы их производственные образцы.

Проведены производственные испытания технологических машин с ЛАЭСКД. Полученные данные свидетельствуют о повышении их технологических параметров.

Технико-экономические расчеты показали, что оснащение технологических машин АПК ЛАЭСКД позволяет достичь экономического эффекта: зерноочистительной машины 24200 руб/год со сроком окупаемости 3,1 года; шелушильной машины 963407 руб/год со сроком окупаемости 0,7 года; инерционного конвейера влажного сахара 240000 руб/год со сроком окупаемости 3,0 года; инерционной картофелесортировальной машиной 16649 руб/год со сроком окупаемости 0,8 года.

В приложении приведены документы о внедрении технологических машин с ЛАЭСКД в учебный процесс и производство, вид математической модели инерционного конвейера в среде Simulink /Matlab/.

асинхронный электропривод колебание

Основные выводы по работе

1. Показано, что применяемые электроприводы с преобразователями вращательного в колебательное движение рабочих органов технологических машин усложняют их конструкции, и, как следствие, снижают их технические, эксплуатационные и технологические характеристики. Повышение эффективности технологических машин является важной научной проблемой, решение которой базируется на применении безредукторных линейных асинхронных электроприводов, которые обеспечивают непосредственное преобразование электрической энергии в колебательное движение рабочего органа, причем и сложной формы.

2. Исследованы технологические характеристики машин для послеуборочной обработки продукции растениеводства, что позволило согласовать установку ЛАД в электропривод рабочих органов для обеспечения их сложного регулируемого колебательного движения (амплитуда колебаний до 0,7 м; частота до 5 Гц). Разработаны конструкции ЛАЭСКД на уровне изобретений и способы их практической реализации, что повышает технико-экономические показатели этих машин, а также открывает перспективу создания новых технологических машин.

3. В ЛАЭСКД технологических машин определен диапазон параметров ЛАД (V₁ < 10 м/с; 2р>4), для которого предложена методика расчета электромеханических продольной F_x и нормальной F_y сил по «Т» - образной схеме замещения при изменяющемся воздушном зазоре ЛАД.

4. Разработаны и реализованы в среде объектно-визуального моделирования Simulink |Matlab| математические модели ЛАЭСКД рабочих органов технологических машин для послеуборочной обработки продукции растениеводства.

5. Исследования показали, что нормальная сила F_y превышает в 8…10 раз продольную силу F_x. Это позволяет реализовать выраженные продольные колебания рабочего органа с поперечной составляющей. Получены траектории сложного колебательного движения рабочих органов при различных удельных нагрузках и кинематических параметрах ЛАЭСКД.

6. В результате анализа рабочих процессов ЛАЭСКД получены неизвестные ранее взаимосвязи параметров колебаний рабочих органов с режимом работы ЛАД, силами сопротивления движению, напряжением источника питания и параметров ЛАЭСКД, что позволяет проектировать ЛАЭСКД технологических машин АПК с регулируемыми параметрами колебаний.

7. Для проведения экспериментальных исследований спроектированы и реализованы ЛАЭСКД рабочих органов зерноочистительной и шелушильной машин, инерционного конвейера влажного сахара, картофелесортировальной машины. Разработана методика и проведен большой объем исследований различных моделей ЛАЭСКД, что подтвердило адекватность разработанных математических моделей и достоверность полученных теоретических результатов с точностью не менее 90 %.

8. По результатам проведенных исследований созданы машины с ЛАЭСКД рабочих органов (зерноочистительная машина, шелушильная машина, инерционный конвейер влажного сахара, картофелесортировальная установка). Экономический эффект данных устройств достигается повышением эффективности технологического процесса и снижением эксплуатационных затрат. Коэффициент удельной энергетической эффективности зерноочистительной машины МВР-2 (СУ-0,1) повысился на 32,8%, а КПД его привода на 4%; энергоемкость процесса инерционного транспортирования влажного сахара конвейера Ш53-ПТА-3 снизилась на 0,1 кВтч/т, а КПД привода повысился на 8%; увеличение эффективности шелушения зерна гречихи на вальцедековой машине СГР 400 составило 9%. Результаты теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ.

9. Выполненные исследования ЛАЭСКД и технологических машин на их основе, разработанные рекомендации и методики расчета ЛАЭСКД, изготовленные и успешно эксплуатируемые машины с ЛАЭСКД позволяют считать выполненной цель работы и могут служить основой для широкого внедрения рассматриваемых ЛАЭСКД при создании разнообразных технологических машин.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Аипов, Р.С. Бункера-питатели с колебательным линейным асинхронным электроприводом ворошителей-задвижек / Р.С. Аипов, А.В. Линенко // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2004. - №7. - С. 14-15.

2. Аипов Р.С. Исследование линейного асинхронного электропривода ворошителей-задвижек / Р.С. Аипов, А.В. Линенко // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2005. - №5. - С. 29-31.

3. Аипов Р.С. Динамика линейного асинхронного электропривода ворошителей-задвижек бункера-питателя в технологических линиях перерабатывающих предприятий / Р.С. Аипов, А.В. Линенко // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2006. - №4. - С. 22-24.

4. Аипов Р.С. Перспективы применения линейных асинхронных двигателей в приводе машин с колебательным движением рабочего органа / Р.С. Аипов, А.В. Линенко // Научный журнал «Труды Кубанского государственного аграрного университета» Серия Агроинженер. - №1/2008г. - С. 35-36.

5. Аипов Р.С. Применение линейных асинхронных двигателей для привода технологических машин / Р.С. Аипов, Ю.Ж. Байрамгулов, А.В. Линенко // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2009. - №1. - С. 24.

6. Линенко, А.В. Моделирование работы линейного асинхронного электродвигателя/ А.В. Линенко, В.Ф. Гильванов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2010. - №.3. - С. 19-21.

7. Акчурин С.В. Повышение энергоэффективности инерционного конвейера с линейным электроприводом путем накопления «пусковой» энергии упругими элементами / С.В. Акчурин, А.В. Линенко, В.Ф. Гильванов // Вестник Башкирского ГАУ. - 2011. - №.4. - С. 51-55.

8. Акчурин С.В. Анализ работы привода решетного стана экспериментальной зерноочистительной установки с использованием линейного электродвигателя / С.В. Акчурин, А.В. Линенко, М.Ф. Туктаров // Вестник Ульяновской ГСХА. - 2012. - №2 (18). - С. 97-101.

9. Акчурин С.В. Установка с линейным электроприводом для сортирования картофеля / С.В. Акчурин, А.В. Линенко, М.Ф. Туктаров// Сельский механизатор. - 2012. - №12. - С. 8-9.

10. Акчурин С.В. Математическая модель инерционного движения материала в установках с линейным электроприводом / С.В. Акчурин, А.В. Линенко, М.Ф. Туктаров // Вестник Башкирского ГАУ. - 2013.-№.1.-С. 83-86.

11. Линенко А.В. К вопросу динамической характеристики асинхронного электродвигателя/ А.В. Линенко, Р.Б. Яруллин // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2013. - №.2, т.9. - С. 42-46.

12. Линенко А.В. Математическая модель инерционного конвейера со звеном предварительного разгона линейного асинхронного электропривода / А.В. Линенко, С.В. Акчурин, М.Ф. Туктаров // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ). - Краснодар: КубГАУ, 2014. - №03(097). С. 997-1010.

...