Підвищення енергоефективності палезанурювальної машини з безредукторним електроприводом і маховичним накопичувачем енергії

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ «КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня магістра

ПІДВИЩЕННЯ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ ПАЛЕЗАНУРЮВАЛЬНОЇ МАШИНИ З БЕЗРЕДУКТОРНИМ ЕЛЕКТРОПРИВОДОМ І МАХОВИЧНИМ НАКОПИЧУВАЧЕМ ЕНЕРГІЇ

МИРОНЕНКО РОМАН ЮРІЙОВИЧ

2015

Робота виконана на кафедрі «Електромеханічні системи геотехнічних виробництв» Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут»

Науковий керівник: кандидат технічних робіт, доцент

Попович Олександр Миколайович

Захист відбудеться 23 червня 2015 р. о 14:00 на кафедрі Електромеханічні системи геотехнічних виробництв Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» за адресою: м Київ, вул. Борщагівська 115, ауд. 206.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національний технічний університету України «Київський політехнічний інститут».

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дослідження - застосування даного пристрою призводить до уникнення шкідливих викидів в атмосферу, дешевизни установки, простоти конструкції, що підвищує енергоефективність та надійність.

Будівництво є однією з важливих галузей в житті людства. Воно потребує значних матеріальних та енергетичних ресурсів.

Враховуючи значні обсяги споживання енергії в процесі будівництва, матеріалоємність обладнання, дефіцит енергоресурсів та постійно зростаючу їх вартість, питання енергоефективності технологічних процесів при будівництві, а також покращення масогабаритних показників обладнання є актуальними.

Одну із перших дій в технологічному процесі будівництва займає процес створення фундаментів зокрема забивання паль.

Засоби, якими занурюються палі можна розділити на три основні групи:

1 Машини ударної дії або молоти;

2 Машини вібраційної дії або віброзанурювачі;

3 Машини вдавлюючої дії.

По роду привода машини для занурення паль можна поділити на:

- пароповітряні;

- внутрішнього згорання;

- електроприводні.

Основними недоліками перших двох типів машин є:

1 Невелика частота ударів, низька продуктивність, велика втрата кінетичної енергії на стиснення повітря, велика металоємність конструкції;

2 Необхідність постійного спостереження за роботою цих машин та їх обслуговування;

3 Забруднення навколишнього середовища вихлопними газами від згорання дизельного пального;

4 Низький ККД.

Основною складністтю для застосування електроприводних палезабивних машин є особливості режиму роботи, пов”язаного з постійними пусковими режимами електродвигуна, що призводять до низьких енергетичних показників та завищення габаритної потужності, що веде до перегріву пусковими струмами.

Вибір палезабивного пристрою для занурення паль в різних технологічних умовах залежить від:

- фізичних властивостей грунту;

- довжини забиваємої палі і т.д.

На сьогодняшній час використовуються крім ударного метода занурення паль, так званий буро-заливний метод, при якому вибурюється порожнина потім заливається цементнамсуміш, і за допомогою вібраторів погружається каркас з арматури. Цей метод та метод вдавлювання пріорітетно використовується при будівництві в забудованих районах. Але на відкритих площадках найбільш ефективним є занурювання паль ударним способом, і поки що машини ударної дії дуже широко використовуються в будівництві саме на відкритих площадках.

Дана робота присвячена розгляданню питань розробки та проектування машини для ударного занурення паль з покращеними техніко-економічними показниками.

При розробці використовуються результати досліджень на математичних моделях. Ці результати дадуть змогу вибору основних параметрів, таких як енергія удара та кількість ударів за хвилину.

Мета дослідження - обґрунтування параметрів електроприводних палезанурювальних машин підвищеної енергоефективності.

Задачі дослідження:

1 дослідження області застосування ПЗМ та вимоги до них;

2 вибір конструктивної схеми, розробка конструкції;

3 розробка математичної моделі електромеханічних систем палезанурювальних машин;

4 проведення чисельного експерименту та обґрунтування конструктивних параметрів електроприводної машини;

5 дослідження робочих режимів та визначення техніко-економічних показників.

Об'єкт дослідження - процеси електромеханічного перетворення в палезанурювальних машинах з безредукторним електроприводом .

Предмет дослідження - властивості, параметри та характеристики електроприводних машин з безредукторним приводом.

Методи досліджень - математичне моделювання підйому та удару бойка по палі, залежності часу циклу від моменту інерції, висоти підйому бойка від моменту інерції, комп'ютерне моделювання для дослідження перехідних процесів, дослідження статора мотор-маховика на міцність в оболонці Solid Works.

Наукова новизна :

1. Розроблено математичну модель електроприводної палезанурювальної машини з маховичним накопичувачем енергії у динамічних режимах з урахуванням пружних властивостей передавальних ланок та особливостей роботи електроприводу;

2. Визначено закономірності перехідних процесів електроприводної палезанурювальної машини за зміни величини конструктивних параметрів;

3. Сформовано систему критеріїв ефективності конструкції електроприводної палезанурювальної машини з суміщеним мотор-маховиком;

4. Обгрунтовано величину конструктивних параметрів палезанурювальної машини;

5. Розроблено модель дослідження міцносних властивостей статора АД палезанурювальної машини.

Практичне значення одержаних результатів - уникнення шкідливих викидів в атмосферу, дешевизна установки, простота конструкції, що призводить до підвищення енергоефективності та надійності.

Особистий внесок здобувача полягає у формулюванні мети та завдань, представленні методики аналітичних досліджень, комп'ютерному моделюванні процесу в оболонці Solidworks, статистичного аналізу, підготовці до друку зібраного матеріалу, аналізу літературних джерел, а також написанні та оформленні згідно з ДСТУ 3008-95, ГОСТ 7.1:2006 дисертації. Аналіз, узагальнення зібраних матеріалів та їх наукова інтерпретації здійснено особисто автором.

Апробація результатів дисертації - участь у кафедральній конференції «Проблеми вдосконалення машин та обладнання геотехнічних виробництв. Наукові дослідження студентів». Доповідь на тему «Підвищення енергоефективності палезанурювальної машини з безредукторним електроприводом і маховичним накопичувачем енергії».

Публікації. Положення і матеріали дисертації опубліковані: виступ на конференції.

Структура і об'єм дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, переліку умовних позначень, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел із 20 найменування на 2 сторінках, 1 додаток на 8 сторінках. Загальний обсяг дисертації становить 144 сторінку, у тому числі 129 - основний текст, містить 49 рисунків, 35 таблиць.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету, задачі, об'єкт і предмет досліджень, наукова ідея.

У першому розділі, на основі аналізу наукових публікації та монографій, проведено аналіз інформації періодичних видань монографій, що дає змогу систематизувати існуючі конструкції для занурювання паль, та зробити крок для пошуку нових ідей підвищення енергоефективності палезанурювальної машини.

Проаналізувавши наведену в розділі інформацію можна зробити висновки щодо застосування паль виготовлених в заводських умовах які мають меншу вартість та більшу міцність.

Найбільш близьким за технічною суттю пристроєм є палезабивна машина з маховичним накопичувачем енергії. Патент України (51) 7 Е2 D7/08 Попович Олександр Миколайович, Поліщук Валентина Омелягівна, Даценко Олександр Федорович. На основі наведеної інформації сформовано задачі для дослідження: проведення чисельного експерименту та обґрунтування конструктивних параметрів електроприводної машини.

У другому розділі описано призначення та структуру розробленого мотор-маховика, який на відміну від прототипу дозволяє досягти нового технічного результату - покращення масогабаритних, енергетичних показників та надійності пристрою. Описана циклограма раціонального функціонування об'єкту.

Розроблений мотор - маховик виглядає наступним чином (рис. 1)

Рисунок 1 - Мотор - маховик

1 - кришка; 2 - ворот; 3 - вал; 4 - статор; 5 - підшипник; 6 - сталево-мідна обмотка; 7 - мідна обмотка; 8 - залізна обмотка; 9 - обмотка статора; 10 - закріплююча стрічка; 11 - зовнішня кришка підшипника; 12 - внутрішня кришка підшипника; 13 - шихтованій пакетик сталі; 14 - Болт М4-6дх20.58(56) ГОСТ 7805; 15 - Болт М10-6дх20.58(512) ГОСТ 7805; 16 - Гвинт А2М5Х1,25-6ех 2858.С.019; 17 - Шпилька М12-6дх58.58 ГОСТ 22034-76; 18 - Гайка 2М12х1,25-RH-6H.05.40x.016; 19 - Болт М5-6дх20.58(512) ГОСТ 7805; 20- Кільця 062 - 068 - 36 - 2 - 4 за ГОСТ 9833 - 73.

Пристрій складається з 2 основних деталей - нерухомого вала-статора та рухомого ворота-маховика. Опишемо кожний з них.

Вал-статор закріплено в станині квадратного перерізу, а ворот-маховик обертається навколо нього на підшипниках.

У валі 3 зроблено проточку для прокладання в ньому кабелю який приєднується до статора 4. При проходженні електричного струму через обмотку статора 9 створюється електромагнітне поле, яке взаємодіє з обмоткою ротора 6, 7, 8 (ворота). Таким чином виникає обертальний момент і ротор починає обертатися. Обмотка ротора складається з 3 обмоток : 6 - сталево-мідна обмотка; 7 - мідна обмотка; 8 - залізна обмотка. Це зроблено для покращення магніто - електричних показників. Пара кришок 1 прикріплюється за допомогою болтів 15 до ворота 2 і вони опираються на підшипники статора 5. Також вони запобігають попаданню води та бруду всередину конструкції. Канат прикріплюється до ворота за допомогою утримуючої пластини і намотується в один виток.

Циклограма - це точний опис руху деталей палезабивного пристрою.

Циклограма роботи палезабивного пристрою представлена на рисунку 2.



Рисунок 2 - Циклограма роботи пристрою

В момент удару бойок зупиняється, а барабан при цьому розкручений до максимальної швидкості продовжує обертатися і за рахунок кінетичної енергії махових мас починає намотувати канат на себе в протилежному напрямку. В цей момент двигун відключений, а в дію вступає пружина, що розміщена на бойку. Бойок буде нерухомий поки сила штока, який діє на пружину, не буде перевищувати вагу бойка. Саме в цей момент відбувається основна робота пружини, яка призначена для гасіння ривка та запобігання розрива каната. Після того як сила який діє на пружину перевищує величину ваги бойка, він починає підійматися, а швидкість барабана починає падати. Коли швидкість барабана досягає мінімальної швидкості вмикається двигун і починає підіймати бойок у верхнє положення, після чого він вимикається, а бойок продовжує підійматися по енерції. Після зупинки бойка цикл починається знову.

Етап падіння бойка: бойок знаходиться у верхньому положенні на висоті 1.2 метра нижче від вісі барабана. Вісь барабана приймемо за нульовий рівень. В початковому стані бойок знаходиться в нерухомості, канат намотаний на баран, барабан вибраний таким чином, щоб на нього за один оберт намотувалось 3 метри канату, що пов'язано з ходом бойка, який дорівнює також 3 метри. Пружина, що розміщена на бойку стиснена під дією ваги бойка на величину, що обумовлена пружністю обраної пружини. Двигун знаходиться у відключеноу стані.

На початку роботи за рахунок потенційної енергії іде розгін бойка і розкручування махових мас, бойок падає, при цьому розкручуючи барабан та через редуктор роотор двигуна. Бойок бє по палі і починає рухатись зі швидкістю палі. В цей момент зусилля пружини знижуються до нуля. Швидкість бойка при їхньому русі з палею зменшується за рахунок опору грунта зануренню палі, при цьому барабан продовжує обертатись з максимальною швидкістю і починає намотувати канат в протилежному напрямку, бойок залишається на палі, доки зусилля пружини не стане більше його ваги.

У третьому розділі було розраховано ділянки циклограми роботи установки, час першого періоду фази взводу бойка ; час другого періоду фази взводу бойка ; час третього періоду фази взводу бойка ; час удару ; радіус маховика ; потужність двигуна 23 кВт; Проектування ПЗМ на підставі рівнянь статики дозволяє попередньо визначити основні розмірні параметри. Визначення потрібного моменту інерції махових мас виконано при умові забезпечення заданої енергії удару 12000 Дж та розгону бойка до номінальної швидкості 2 м/c.

Рисунок 3 - Розрахункова схема ПЗМ МН.

а) - схема підйому бойка; б) - схема спускання бойка

Для уточненого моделювання установки було розроблено розрахункову імітаційну модель в оболонці MathLab з врахуванням динаміки та перехідних процесів (рис.4).

Припущення:

-канат нескінченно пружний;

-контакт між палею і бойком здійснюється за допомогою пружно-в'язкої ланки за наявності люфтових проміжків;

-з'єднання бойка з маховиком здійснюється пружною ланкою з люфтовим з'єднанням;

-система керування АД формує механічну характеристику із заданою жорсткістю у динамічних режимах роботи (швидкість падає на 1 % в порівнянні з холостим ходом).

-задається ковзання двигуна 2%.

На рис. 4 зображена розрахункова імітаційна модель в оболонці MathLab з врахуванням динаміки та перехідних процесів

Рисунок 4 - Розрахункова імітаційна модель в оболонці MathLab з врахуванням динаміки та перехідних процесів.

Зобразимо реальну циклограму роботи з урахуванням припущень (рис. 5):

Рисунок 5 - Реальна циклограма роботи установки.

На першому графіку зображено залежність висоти підйому бойка і махової маси від часу циклу (зелений колір - махова маса, червоний колір - бойок); на другому графіку зображено залежність швидкості від часу циклу; на третьому графіку зображено залежність видовження пружини від часу циклу; на четвертому графіку зображено залежність сили натягу каната від часу циклу.

В процесі роботи для дослідження залежності потужності двигуна Pmax, періоду паузи споживання потужності ?t0 та часу підйому бойка Tпод від різниці швидкості махової маси і бойка в момент включення двигуна ?Vвкл змінювали даний параметр в діапазоні від 0.1 до 1.1 м/с (табл. 1 - 3) і жорсткість пружини в діапазоні від 10000 до 20000 Н/м (табл. 4 - 6).

Таблиця 1 - 3 - Дані для побудови залежностей

Рисунок 6 - Графік залежності максимальної потужності від параметра ?V.

Рисунок 7 - Графік залежності періоду паузи споживання потужності від параметра ?V.



Рисунок 8 - Графік залежності часу циклу від параметра ?V.

Таблиця 4 - 6 - Дані для побудови залежностей.

Рисунок 9 - Графік залежності максимальної потужності від жорсткості пружини. електромеханічний палезанурювальний машина конструктивний



Рисунок 10 - Графік залежності періоду паузи споживання потужності від жорсткості пружини.

Рисунок 11 - Графік залежності часу циклу від жорсткості пружини.

Для обґрунтування конструктивних параметрів електроприводної машини, дослідження робочих режимів та визначення техніко-економічних показників змінювали момент інерції маховика в діапазоні від 52 до 60 кг.м2; жорсткість пружини в діапазоні від 9000 до 13000 Н/м та різницю швидкостей махової маси і бойка в момент включення двигуна в діапазоні від 0.7 до 1.1 м/с. При цьому забезпечено необхідну енергію удару 12000 Дж за рахунок часу вимкнення двигуна і фіксували максимальну висоту підйому бойка Нбойка макс та час циклу роботи Тц.

Використовуючи табличні дані, будуємо наступні залежності:

Рисунок 12 - Графік залежності часу циклу від моменту інерції.

Рисунок 13 - Графік залежності часу циклу від моменту інерції.

Рисунок 14 - Графік залежності часу циклу від моменту інерції.



Рисунок 15 - Графік залежності часу циклу від моменту інерції.

Рисунок 16 - Графік залежності часу циклу від моменту інерції.

Рисунок 17 - Графік залежності висоти підйому бойка від моменту інерції.



Рисунок 18 - Графік залежності висоти підйому бойка від моменту інерції.

Рисунок 19 - Графік залежності висоти підйому бойка від моменту інерції.

Рисунок 20 - Графік залежності висоти підйому бойка від моменту інерції.



Рисунок 21 - Графік залежності висоти підйому бойка від моменту інерції.

Графіки дозволяють прослідкувати характер зміни залежностей шуканих величин і зробити висновок про їх плавну зміну та відсутність локальних екстремумів.

Проаналізувавши досліджену область та зробивши висновки з побудованих сімейств кривих, створюємо таблицю енергоефективних параметрів. Мета: мінімізувати пік споживання потужності двигуна, мінімізувати час циклу роботи та мінімізувати висоту підйому бойка, забезпечуючи необхідну енергію удару. У таблицю 7 занесено параметри J, Kпр і ?V, при яких мінімальні час циклу, потужність двигуна і висота підйому бойка.

Таблиця 7 - Енергоефективні параметри.

	J,кг.м2	Kпр, х 104 Н/м	?V, м/с
Тц min = 2.24 c	52	1.3	0.8
Рдв min = 22300 Вт	52	1.1	0.7
Нб min = 2.48 м	52	1.3	0.7

Проведено розрахунок на міцність статора мотор-маховика в оболонці Solid Works. Максимальна деформація статора становить 0,525 мм, а мінімальний коефіцієнт запасу міцності - 1,5.

Рисунок 22 - Епюра переміщення. Рисунок 23 - Епюра запасу міцності.

У п'ятому розділі наведено статистичне моделювання процесу функціонування палезанурювальної машини з суміщеним мотор-маховиком. В результаті виконання роботи було описано випадкові величини Rм і mб , наведено повні математичні аналоги відповідних випадкових величин.

Визначено характер розподілу випадкових величин (нормальний розподіл для випадкової величини Rм та геометричний розподіл для mб та знайдені їх числові характеристики.

Побудовані характеристики розподілів, суміщені з гістограмами, побудованими на основі статистичного ряду.

Знайдена ймовірність попадання густини робочої рідини в задані межі

ВИСНОВКИ ТА РЕКОМЕНДАЦІЇ

1. Застосування безредукторної схеми дозволяє підвищити надійність машини завдяки відсутності чинника аварійності пов'язаного із піковими періодичними навантаженнями на зубці редуктора;

2. Розроблено уточнені програмні засоби математичного моделювання режимів палезанурювальної машини;

3. За розрахунковими закономірностями зміни параметрів робочих режимів обгрунтовано величину режимних параметрів, а саме момент інерції J=52 кг*м2, жорсткість пружини kпр=1,3*104 H, різницю швидкості махової маси і бойка в момент включення ?Vвкл= 0,7 м/с, мінімальну потужність двигуна Pдв=22,3*103 Вт, мінімальний час циклу Tц= 2,24 с, мінімальну висоту підйому бойка Hб=2,48 м.

4. Описані випадкові величини маси бойка та радіуса маховика. Визначено, що маса бойка має геометричний характер розподілу, а радіус маховика - розподіл Гауса. Знайдена імовірність попадання радіуса маховика від 0,374 м до 0,376 м:

Р{ 0,374 < Х < 0,376 }=0,724.

5. Проведено розрахунок на міцність статора мотор-маховика в оболонці Solid Works. Максимальна деформація статора становить 0,525 мм, а мінімальний коефіцієнт запасу міцності - 1,5.

АНОТАЦІЯ

Автор: Мироненко Роман Юрійович

Тема: підвищення енергоефективності палезанурювальної машини з безредукторним електроприводом і маховичним накопичувачем енергії

Науковий керівник: к.т.н., доцент Попович Олександр Миколойович

Дисертація на здобуття наукового ступеня магістра за спеціальністю 8.05070205 - Електромеханічні системи геотехнічних виробництв. Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут". - Київ, 2015

Будівництво є однією з важливих галузей в житті людства. Воно потребує значних матеріальних та енергетичних ресурсів.

Враховуючи значні обсяги споживання енергії в процесі будівництва, матеріалоємність обладнання, дефіцит енергоресурсів та постійно зростаючу їх вартість, питання енергоефективності технологічних процесів при будівництві, а також покращення масогабаритних показників обладнання є актуальними.

Розроблено математичну модель електроприводної палезанурювальної машини з маховичним накопичувачем енергії у динамічних режимах з урахуванням пружних властивостей передавальних ланок та особливостей роботи електроприводу, визначено закономірності перехідних процесів електроприводної палезанурювальної машини за зміни величини конструктивних параметрів, сформовано систему критеріїв ефективності конструкції електроприводної палезанурювальної машини з суміщеним мотор-маховиком, обгрунтовано величину конструктивних параметрів палезанурювальної машини, розроблено модель дослідження міцносних властивостей статора АД палезанурювальної машини.

Ключові слова: енергоефективність, палезанурювальна машина, маховичний накопичувач енергії, безредукторний.

Автор: Мироненко Роман Юрьевич

Тема: повышение энергоефективности сваепогружной машины с безредукторным электроприводом и маховичным накопителем энергии.

Научный руководитель: к.т.н., доцент Попович Александр Николаевич

Диссертация на соискание ученой степени магистра по специальности 8.05070205 - Электромеханические системы геотехнических производств. - Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт". - Киев, 2015

Строительство является одной из важных отраслей в жизни человечества. Оно требует значительных материальных и энергетических ресурсов.

Учитывая значительные объемы потребления энергии в процессе строительства, материалоемкость оборудования, дефицит энергоресурсов и постоянно растущую их стоимость, вопросы энергоэффективности технологических процессов при строительстве, а также улучшение массогабаритных показателей оборудования актуальны.

Разработана математическая модель электроприводной палезанурювальнои машины с маховичного накопителем энергии в динамических режимах с учетом упругих свойств передающих звеньев и особенностей работы электропривода, определены закономерности переходных процессов электроприводной палезанурювальнои машины при изменении величины конструктивных параметров, сформирована система критериев эффективности конструкции электроприводной палезанурювальнои машины с совмещенным мотор-маховиком, обоснованно величину конструктивных параметров палезанурювальнои машины, разработана модель исследования прочностных свойств статора АД палезанурювальнои машины.

Ключевые слова: энергоэффективность, палезанурювальна машина, маховичного накопитель энергии, безредукторный.

Author: Mironenko Roman Yurevich

Subject: Increase energoefektivnosti svaepogruzhnoy gearless machine with electric and flywheel energy storage.

Scientific adviser: Ph.D., Associate Professor Alexander Popovich

Thesis for the degree of Master of Science 8.05070205 - Electromechanical systems geotechnical industries. - National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute". - Kiev, 2015

Construction is one of the most important industries in the life of mankind. It takes a lot of material and energy resources.

Given the significant amounts of energy in the process of construction, materials-equipment, energy shortages and growing their value, energy efficiency processes in the construction and improvement of equipment weight and size are relevant.

A mathematical model of the machine with electric drive palezanuryuvalnoi flywheel energy storage in dynamic conditions with the elastic properties of the transmission links and the features of the drive, identified patterns of transients palezanuryuvalnoi motorized machines to the extent that the design parameters, established a system of performance criteria design palezanuryuvalnoi motorized machines with a combined motor-flywheel reasonably value of design parameters palezanuryuvalnoi car, a model study of the strength properties of the stator palezanuryuvalnoi blood pressure machine.

Keywords: energy efficiency, palezanuryuvalna machine, flywheel energy storage, gearless.

Размещено на Allbest.ru

...