Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Технологические машины и их приводы с колебательным движением рабочего органа в АПК. цели и задачи исследований по повышению эффективности их работы путем применения линейных асинхронных электроприводов с накопителями механической энергии 15
1.1. Вибрационные сепарирующие и сортировальные машины и их приводы 15
1.2. Бункера-питатели сыпучих материалов с колебательными рабочими органами технологических приводов 20
1.3. Качающиеся транспортирующие машины 27
1.3.1. Транспортирование влажного сахара в технологическом цикле сахарного производства. Технологические требования, предъявляемые к конвейерам влажного сахара 29
1.3.2. Пути повышения эффективности работы конвейера влажного сахара 39
1.3.3. Приводы инерционных транспортирующих машин 42
1.3.4. Законы и параметры колебаний рабочего органа инерционных транспортирующих машин 46
1.3.5. Повышения эффективности транспортирования использованием дополнительной вибрации рабочего органа 55
1.4. Технико-экономические основы применения в приводе технологических машин линейных асинхронных двигателей 59
1.5. Структурные схемы и принципы построения энергетически эффективных колебательных линейных асинхронных электроприводов с накопителями механической энергии (КЛАП) 63
1.6. Варианты технологических машин с КЛАП 71
1.6.1. Инерционный конвейер для транспортирования влажного сахара 71
1.6.2. Бункера-питатели с колебательным движением ворошителей-задвижек 75
1.7.Цели и задачи исследований по повышению эффективности работы технологических машин в АПК применением КЛАП 78
Глава 2. Расчет и анализ статических и динамических процессов линейного асинхронного двигателя в КЛАП 83
2.1. Особенности применения линейных асинхронных двигателей в КЛАП 83
2.2. Инженерная методика выбора и расчета конструктивных параметров и параметров схемы замещения ЛАД 90
2.2.1. Выбор конструктивных и главных геометрических размеров двигателя КЛАП 91
2.2.2 Расчет параметров схемы замещения разновидностей ЛАД 99
2.3. Исследование динамических режимов работы ЛАД 108
2.3.1. Характеристики переходных процессов и методов расчета. Математическая модель ЛАД 108
2.3.2. Математическая модель ЛАД в среде Matlab (Simulink) 112
2.3.3. Анализ влияния параметров схемы замещения ЛАД на его электромагнитные переходные процессы 117
2.4. Анализ влияния параметров КЛАП на электромеханические переходные процессы ЛАД 124
2.5. Влияние электромагнитных переходных процессов на электромеханические характеристики ЛАД 131
2.6. Анализ динамических процессов в приводе по статическим механическим характеристикам ЛАД 135
2.7. Энергетика линейного асинхронного двигателя в КЛАП 140
2.8. Исследование дополнительных высокочастотных колебаний вторичного элемента ЛАД 142
2.9. Выводы 151
Глава 3. Вывод и исследование аналитических взаимосвязей параметров клап для различных режимов работы двигателя и условий применения 153
3.1. Определение параметров режима автоколебаний 15 3
3.2. Определение параметров режима вынужденных колебаний 161
3.3. Исследование зависимости параметров установившихся колебаний КЛАП от режимов работы ЛАД 166
3.4. Определение конструктивных параметров упругих накопителей механической энергии в КЛАП 174
3.5. Метод припасовывания для определения параметров переходных и установившихся колебаний КЛАП 175
3.6. Выводы 176
Глава 4. Обоснование и разработка теоретических основ и анализ технологических машин с КЛАП. оценка их эксплуатационных режимов 179
4.1. Математическая модель инерционного конвейера. Режим автоколебаний КЛАП 179
4.1.1. Реализация математической модели инерционного конвейера с КЛАП 186
4.1.2. Оценка влияния коэффициента жесткости упругих накопителей механической энергии на энергетические характеристики привода 189
4.1.3. Оценка влияния координат включения и выключения ЛАД на энергетические характеристики привода 196
4.1.4. Оценка влияния напряжения источника питания на энергетические характеристики привода 202
4.2. Математическая модель бункера-питателя с КЛАП ворошителей -задвижек. Режимы вынужденных колебаний 204
4.2.1. Анализ влияния конструктивных элементов К ЛАП и сыпучего материала на параметры колебательного процесса 210
4.2.2. Амплитудно-частотные характеристики КЛАП ворошителей-задвижек бункера-питателя 217
4.2.3. Определение силы тяги ЛАД КЛАП ворошителей-задвижек бункера-питателя 220
4.3 Выводы 221
Глава 5. Математическая модель тепловых процессов системы «грузонесущии желоб - груз» многоцелевого инерционного конвейера с КЛАП 224
5.1. Технико-экономические основы использования индукционного нагрева в технологической машине с КЛАП 224
5.2. Закономерности индукционного нагрева. Математическая модель температурного поля системы «грузонесущий желоб - груз» 226
5.3 Исследование распределения температуры транспортируемого груза при различных режимах работы привода конвейера 235
5.4 Анализ КПД двухцелевого инерционного конвейера от изменения основных его параметров 240
5.5 Выводы 244
Глава 6. Экспериментальные исследования. проверка адекватности математических моделей 246
6.1. Программа и методика экспериментальных исследований 246
6.2 Экспериментальные установки КЛАП и технологических машин с КЛАП 247
6.3.Результаты экспериментальных исследований 270
6.4 Экспериментальные исследования температурного поля желоба и индуктора ЛАД 280
6.5 Математическая обработка результатов экспериментов 286
6.6 Выводы 289
Глава 7. Оценка экономической эффективности и результаты внедрения технологических машин с КЛАП 290
7.1. Инерционный конвейер отходов металлообработки 290
7.2. Оценка экономической эффективности внедрения инерционного конвейера с двухцелевым КЛАП 295
7.3. Расчет экономической эффективности от использования бункера-питателя с КЛАП ворошителей-задвижек 301
7.4. Определение вероятного материального ущерба от аварийных отказов 303
Заключение 306
Библиографический список литературы 309
Приложения 332
- Бункера-питатели сыпучих материалов с колебательными рабочими органами технологических приводов
- Инженерная методика выбора и расчета конструктивных параметров и параметров схемы замещения ЛАД
- Исследование зависимости параметров установившихся колебаний КЛАП от режимов работы ЛАД
- Математическая модель бункера-питателя с КЛАП ворошителей -задвижек. Режимы вынужденных колебаний
Введение к работе
Актуальность проблемы. Надежное снабжение страны продовольствием и сельскохозяйственным сырьем - одна из основных задач аграрной политики правительства РФ и региональных структур управления в современных условиях. Важнейшее значение здесь придается качеству и количеству получаемой сельскохозяйственной продукции, показатели которых напрямую зависят от технической оснащенности и эффективности применяемых технологических машин.
Рабочие органы технологических машин совершают различные по характеру движения (поступательное, вращательное, возвратно-поступательное, колебательное). В сельскохозяйственном производстве, как и в других отраслях производственной деятельности, более 50% вращающихся электродвигателей используются в приводе с колебательным движением рабочего органа [1,2,3].
Для согласования вращательного движения вала электродвигателя с колебательным применяются механические преобразователи вида движения: кривошипно-шатунный, кулисный, кулачковый и различные их вариации и сочетания [4]. Каждый такой механический преобразователь имеет десятки трущихся поверхностей. Из-за их износа, а в ряде случаев и повреждения деталей и узлов привода, возникают простои технологического оборудования, достигающие за год более 15% рабочего времени [3].
Другим недостатком редукторного электропривода является ограниченная возможность создания управляемого привода для воспроизведения колебаний большой амплитуды (0,05-0,1м) и низкой частоты (2-5 Гц). Эта область кинематических параметров оказывается оптимальной для многих технологических операций в растениеводстве и процессах производства и переработки продуктов [5]. В сельскохозяйственном производстве электроприводы обычно работают при неизменных параметрах колебаний рабочего органа оборудования, что снижает эффективность их использования, а имен-
8 но качество и количество выпускаемой продукции. Конструкции технологических машин с колебательным электроприводом в течение последнего десятка лет не совершенствовались, с чем связаны не только огромные потери продукции, но и большие затраты на энергоносители и обслуживающий персонал [5,6,7,8].
В этом аспекте более перспективным представляется применение в приводе технологических машин линейных двигателей, среди которых самыми распространенными в силу явных преимуществ являются линейные асинхронные двигатели (ЛАД) [2]. ЛАД обеспечивает получение непосредственно прямолинейного движения. Совмещение в концевых звеньях ЛАД с упругими накопителями механической энергии позволяет реализовать энергетически эффективное колебательное движение, т.к. при этом появляется возможность производить разгон рабочего органа технологической машины в обратном направлении в цикле колебательного движения за счет запасенной энергии [9].
Немаловажно и то, что ЛАД отличается конструктивной простотой, технологичностью изготовления, легкостью монтажа и демонтажа, дешевизной, надежностью и допускает разнообразие конструктивных решений [2]. Вследствие отсутствия на вторичном элементе ЛАД обмотки его подвижной частью может быть непосредственно плоский или цилиндрический рабочий орган оборудования. В результате появляется возможность дополнительного упрощения, снижения металлоемкости машин, блочно-модульного построения привода и его многоцелевого применения [3]. Все это отвечает общим тенденциям развития электрооборудования технологических машин в АПК, направленного на экономию энергии и ресурсов.
Попытки применения ЛАД для колебательных приводов делались неоднократно. В 1922г. - для привода сваебойной машины [10], 1940г. - для отбойных молотков [11]. В 1957г. проф. Лейтуейт Е.Р. (Англия) предложил самоколеблющуюся установку, состоящую из двух индукторов ЛАД, включенных встречно, с одним вторичным элементом [12]. Оригинальную уста-
9 новку с ЛАД применил в вибростендах Луковников В.Н. [13], где электродвигатель приходит в колебательное движение за счет бигармонического питания обмоток индуктора от источника переменного тока с различной частотой. Имеется и ряд других работ в этом направлении [14, 15, 16, 17, 18, 19, 20].
Применением в приводе машин различного целевого назначения линейных электрических двигателей занимались известные ученые, среди которых необходимо отметить: Вольдека А.И., Тийсмуса Х.А. (индукционные насосы) [21,22,23,24]; Веселовского О.Н., Луковникова В.И., Петленко Б.И., Сарапулова Ф.Н., Свечарника Д.В., Соколова М.М. (производственно-технологическое оборудование) [25,26,27,28,29,30,31,32,33,34]; Винокурова А.И., Епифанова А.П., Лейтуейта Е.Р., Насар С.А., Скобелева В.Е., Ямамура С. (высокоскоростной транспорт) [35,36,37,38,39,40,41,42,43,44] и др.
В диссертационной работе впервые рассматриваются в комплексе вопросы построения, теории и расчета колебательных линейных асинхронных электроприводов с накопителями механической энергии (КЛАП) технологических машин в АПК, что представляет собой актуальную научно-техническую проблему, имеющую важное народнохозяйственное значение.
Актуальность выбранного научно-технического направления исследования подтверждается соответствием данной темы разделу федеральной программы по научному обеспечению АПК РФ («Разработать научные основы развития системы научно-технического сельскохозяйственного производства, создание машин и энергетики нового поколения, формирование эффективного инженерно-технического сервиса в условиях рыночной экономики») и тематическому плану Межведомственной координационной программы по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса РФ на 2001-2005 годы. Данное направление было одобрено НТС Межрегионального комитета по сельскохозяйственному машиностроению Ассоциации республик и областей Уральского региона (протокол №6 от 28.11.2002 г.)
Общей целью работы является развитие теории и принципов построения колебательных электроприводов на базе линейных асинхронных двигателей, совмещенных с упругими накопителями механической энергии, обеспечивающих повышение эффективности применения технологических машинах с колебательным движением рабочего органа путем управления параметрами колебаний, многоцелевого применения со снижением энергетических затрат.
В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:
На основе технологических требований к приводу механизмов для процессов транспортирования, хранения и переработки продуктов разработать принципы построения колебательных линейных асинхронных электроприводов, совмещённых с упругими накопителями механической энергии.
Разработать математический аппарат расчета и провести анализ статических и динамических процессов ЛАД с учетом условий работы в КЛАП технологической машины, обосновать потенциальную возможность его многоцелевого использования.
Аналитическим и численными методами провести анализ математических моделей КЛАП и технологических машин с КЛАП для процессов транспортирования, хранения и переработки продуктов, определить рациональные взаимосвязи параметров колебаний электромеханической системы с учетом согласования требуемых характеристик, параметров двигателя и нагрузки для различных условий применения.
Разработать и исследовать математическую модель сопутствующих электромеханическому преобразованию энергии тепловых процессов в ЛАД, оценить возможность их использования в тех-
нологическом процессе для повышения эффективности технологической машины с КЛАП.
Для проверки адекватности разработанных математических моделей провести экспериментальные исследования КЛАП различных модификаций и технологических машин с КЛАП.
Внедрить КЛАП в натурные образцы и рабочие проекты технологических машин для процессов хранения и переработки продуктов. Провести анализ технико-экономической эффективности разработок.
Предмет исследования. Закономерности и взаимосвязи характера колебаний электромеханической системы с параметрами и режимами работы ЛАД, совмещенного с упругими накопителями механической энергии, и нагрузкой, определяемой условиями применения.
Объект исследования. Технологические машины в АПК с колебательным движением рабочих органов.
Методы исследования. Основные результаты диссертационной работы получены на базе фундаментальных законов и уравнений механики и электромеханики и основных положений теории электропривода.
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 и способов в Роспатенте РФ.
Научная новизна положений работы, выносимой на защиту: - принципы построения колебательных линейных асинхронных электроприводов с упругими накопителями механической энергии, имеющих
12 возможность управления параметрами колебаний и многоцелевого применения;
конструкции технологических машин для применения в агропромышленном комплексе, отличающиеся высокими технико-экономическими показателями в результате использования КЛАП;
математические модели электромеханической системы, содержащей линейный асинхронный двигатель, совмещенный с упругими накопителями механической энергии, и результаты ее многофункционального анализа, включая технологический нагрев;
закономерности изменения показателей эффективности технологических машин, содержащих КЛАП, в зависимости от их конструктивных параметров и режимов работы электропривода;
методика и результаты экспериментальных исследований КЛАП и технологических машин на базе колебательного линейного асинхронного электропривода с упругими накопителями механической энергии с многоканальной выдачей и обработкой информации на ЭВМ. Практическая ценность работы состоит в следующем:
отработан на уровне изобретений ряд конструкций и конструктивных схем, способов реализации колебательного движения КЛАП, обладающих повышенной надежностью и эффективностью;
предложенная концепция, разработанные методы и алгоритмы расчетов позволяют на начальной стадии проектирования КЛАП технологической машины принимать рациональные решения, обеспечивающие требуемые технические параметры электромеханической системы при минимальных материальных и энергетических затратах;
разработаны конструкции, созданы рабочие проекты и натурные образцы технологических машин с КЛАП с управляемыми параметрами колебаний рабочего органа, возможностью многоцелевого применения и имеющих высокие технико-экономические показатели;
- созданы образцы лабораторных установок КЛАЛ и технологических
машин с КЛАП, обеспечивающих эффективное выполнение фундамен
тальных и прикладных исследований.
Реализация результатов работы. Основные результаты диссертации использованы при выполнении хоздоговорных и госбюджетных НИР, проводившихся в различные годы. Внедрены в механическом цехе предприятия в составе качающегося конвейера для транспортировки отходов металлообработки, на ряде сахарных заводов в качестве конвейера для транспортирования влажного сахара (ожидаемый экономический эффект на четырех сахарных заводах Башкортостана составляет 1 миллион 160 тыс. рублей в год), на хлебоприемных пунктах и молочных заводах РБ в качестве приводов ворошителей-задвижек бункеров-питателей (суммарный фактический экономический эффект составляет 177,2 тыс. рублей в год), а также в учебном процессе БГАУ:
в монографии «Основы построения и теории линейных асинхронных приводов с упругими накопителями энергии»;
в учебных пособиях: «Линейные электрические машины и приводы на их основе», «Линейный электропривод колебательного движения». Публикации. В диссертации обобщены 121 авторская публикация, в
том числе 1 монография, 2 учебных пособия, из которых одно рекомендовано УМО по агроинженерному образованию в качестве учебного пособия для студентов вузов, 25 авторских свидетельств и патентов общим объемом - 59 п.л. Монография, учебные пособия и 11 научных статей написаны соискателем лично, общий объем - 44 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 оказали д.т.н., профессор Петленко Б.И., д.т.н., профессор Хайруллин И.Х.
Пользуясь случаем соискатель выражает свою искреннюю благодарность названным лицам.
Апробация работы. Результаты работы были представлены на ВДНХ СССР в 1987 и 1988 годах и отмечены соответственно бронзовой и серебряной медалями. Докладывались и получили одобрение на 18 научно-технических конференциях и семинарах в 1978-1988гг., в том числе Всесоюзных школах-семинарах «Проблемы применения линейных электрических машин в транспортно-технологических элементах гибких производственных систем» (Одесса, 1986г., 1988 г.; Донецк, 1987г.). Докладывались и получили одобрение на 19 научно-практических конференциях в 1995-2006 гг., в том числе на «Первой международной конференции по автоматизированному электроприводу» (Санкт-Петербург, 1995г.); Всемирном электротехническом конгрессе (Москва, 1999г.); XLIV Международной научно-технической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству» (Челябинск, 2005); ежегодных всероссийских конференциях БГАУ (Уфа, 1998-2006 гг.).
Объем и структура диссертации.
Диссертационная работа содержит 331 страниц основного текста, состоит из введения, 7 глав, заключения и 10 приложений. В работе содержатся 12 таблиц и 213 рисунков. Список использованной литературы насчитывает 247 источников.
Бункера-питатели сыпучих материалов с колебательными рабочими органами технологических приводов
Бункеры широко применяют для приема, хранения и подачи на транспортные средства сыпучих материалов. Их используют на установках трех типов: аккумулирующих, уравнительных и технологических. Аккумулирующие установки служат для хранения сыпучих грузов. Уравнительные установки являются промежуточными емкостями для насыпных грузов, обеспечивающими стабильную работу транспортной системы при неравномерной работе ее отдельных звеньев или при сочетании в одной линии непрерывного и периодического транспорта. Технологические установки служат для временного хранения сыпучих промежуточных продуктов производства (например, отстойные емкости, охлаждающие емкости и т.п.).
Обладая рядом положительных конструктивных, технологических и эксплуатационных свойств, применяемые бункеры имеют и серьезные недостатки, приводящие к простоям и непроизводительной работе дорогостоящих линий, а иногда и целых производственных комплексов. К недостаткам, в первую очередь, следует отнести сводообразование (зависание сыпучего материала над выпускным отверстием), из-за которого прекращается истечение материала из бункера. К примеру, на устранение статически устойчивых сводов, возникающих в бункерах зерновых отходов зерноочистительных агрегатов ЗАВ, в среднем затрачивается от 1,5 до 2,5 часов за смену [45]. Еще одним нерешенным вопросом в бункерах-питателях является обеспечение недорогого и эффективного регулируемого выпуска сыпучего материала, включая и полное перекрытие выпускного отверстия, что на сегодняшний день обеспечивается кинематически сложным электроприводом или группой электроприводов.
Для предотвращения сводообразования и улучшения сыпучести материала применяют побудители. Они характеризуются способом, местом и интенсивностью побуждения. Обзор литературы [46, 47, 48, 49, 50, 51] показал, что в качестве побудителей могут использоваться механические рыхлители, помещенные внутрь бункера, вибраторы, устанавливаемые на стенках или внутри бункера, аэрационные рыхлители, а также электрические побудители.
Действие механических побудителей основано на перемешивании или смешивании материала для уменьшения сил сцепления между отдельными частицами и для нарушения равновесия свода материала в бункере. Механический побудитель, в частности, представляет собой вал с лопатками, вращающийся с окружной скоростью, равной скорости питателя, и рыхлящий материал при вращении. Побудители этого типа отличаются простотой и малой энергоемкостью по сравнению с побудителями других типов. Все исследователи сходятся на том, что устанавливать мешалку необходимо в зоне сводообразования. При неправильной установке мешалка работает вне зоны образования свода, эффективность воздействия на процесс истечения низкая, возрастает энергоемкость.
Механические рыхлители и мешалки, помещенные внутрь бункера, при открытой заслонке или при работе питателя должны действовать непрерывно, независимо от устойчивости протекания процесса выпуска материала.
Режим их работы должен быть идентичен режиму работы питателя. Отключенный рыхлитель является преградой на пути потока и способствует зависанию материала. В зависимости от конкретных условий работы конструкции механических побудителей различны, однако принцип их работы, несмотря на многообразие, одинаков. Под действием вибрационных побудителей физико-механические свойства материала резко изменяются, и раннее зависший материал приходит в движение. Как показывают опыты, во время вибрации коэффициент трения снижается в 40 раз и более [45, 52].
Различают вибраторы электромеханические, в которых вибрация происходит за счет вращения неуравновешенных масс, установленных на валу электродвигателя, электромагнитные, в которых колебания совершаются с помощью электромагнитов постоянного и переменного тока, а также пневматические.
Вибрация от вибрационных побудителей передается либо на стенки емкости, либо вибрирующий рабочий орган помещен внутрь емкости в толщу материала. Вибрационные побудители отличаются относительно простой конструкцией, простотой управления и обслуживания. Расход энергии незначителен. Как правило, вибрационные побудители применяются в комплексе с другими видами побудителей для улучшения выхода сыпучего материала.
Пневматические устройства (аэрационные побудители) широко используют для предотвращения и ликвидации сводообразования в емкостях для порошкообразных и пылевидных материалов. Пылевидные и порошкообразные материалы насыщаются воздухом, что вызывает увеличение пористости материалов и снижение коэффициента внутреннего трения. Сыпучесть материалов значительно улучшается, и резко снижается вероятность зависаний и сводообразования.
Чтобы ликвидировать зависание материалов над выпускным отверстием емкости, пневматические побудители необходимо устанавливать в месте образования сводов, так как в противном случае может произойти нежела тельное уплотнение материала. Один из способов борьбы со сводообразова-нием порошкообразных материалов - установка пневматических сопел (воздушные факелы), через которые подается сжатый воздух давлением 4-6 атм.
Мгновенная подача воздуха при открытии быстроходных вентилей не только аэрирует материал, но и оказывает ударное действие, что способствует снижению внутреннего сопротивления трению, уменьшению сцепления частиц материала со стенками емкости и улучшению процесса истечения материала.
Однако при использовании пневматических сводообрушителей и атмосферного воздуха материал может насыщаться влагой. Это зависит от температуры и давления воздуха, поэтому подаваемый в пневматические сводооб-рушители воздух должен быть полностью очищен от различных примесей и влаги. Как отмечалось, обрушение сводов с использованием пневматических сопел эффективно лишь при подаче струи в зону свода. При невыполнении этого условия воздушный удар не разрушит свода и не разрыхлит материал даже при давлении в 7 атм. [52]. В связи с этим целесообразно устанавливать систему пневматических сопел в различных местах емкости.
В основе конструкции электрического побудителя движения лежит силовое воздействие между электрическим полем и частицами сыпучего материала. Это взаимодействие происходит независимо от свойств материала, формы частиц и характера изменения электрического поля во времени без промежуточных преобразований энергии, то есть потенциальная энергия электрического поля непосредственно превращается в кинетическую энергию управляемых частиц. Рабочим органом электрического побудителя движения является система неподвижных электродов [48, 18].
Инженерная методика выбора и расчета конструктивных параметров и параметров схемы замещения ЛАД
Необходимым условием создания привода является знание механических и рабочих характеристик двигателя. В отличие от разработки привода с вращающимся электродвигателем с заданными характеристиками при проектировании оборудования с ЛЭП последние, как правило, неизвестны. Это обусловлено тем, что ЛЭП формируется из готовых модулей ЛАД (рисунок 2.7), лишь частично определяющих электромеханические свойства привода.
Последние в немалой степени зависят от параметров вторичного элемента, создаваемого совместно с технологической машиной.
Разработчик привода, имея модули индукторов и данные об их электромагнитной конструкции, должен сформировать из модулей привод с требуемой механической характеристикой. Теория ЛАД в настоящее время развита в такой степени, что можно получить информацию о рассчитываемых характеристиках ЛАД с высокой точностью. Вместе с тем правильный учет особенностей используемых ЛАД, конструкции и технологии работы создаваемой машины позволяет существенно упростить расчеты, сделать прозрачным рациональный выбор параметров ЛАД.
Расчеты ЛАД для КЛАП технологической машины рекомендуется проводить в два этапа. Первый этап - поисковый - включает предварительный выбор главных геометрических размеров, расчеты обмотки и параметров элементов схемы замещения. Второй этап является проверочным. Проверяются и корректируются значения электромагнитных нагрузок двигателя, рассчитываются рабочие характеристики, магнитная цепь, определяются коэффициент полезного действия и мощность.
Конструкция ЛАД связана со многими параметрами, которые могут меняться, оказывая влияние на работоспособность двигателя. В литературных источниках [2, 141, 142], посвященных исследованию и расчёту ЛАД, для выбора конструктивных параметров ЛАД используют понятие электромагнитной добротности, или коэффициента качества. В отечественной литературе аналогичный по смыслу показатель - магнитное число Рейнольдса -был впервые введён при исследованиях и расчётах индукционных МГД-машин. [143]. Электромагнитная добротность характеризует способность ЛАД преобразовывать электрическую энергию в механическую. Без учёта индуктивности рассеяния вторичного элемента электромагнитная добротность G определяется выражением [2]: где Цо = 4-71-10 7- магнитная постоянная, Гн/м; у2 - удельная эквивалентная электрическая проводимость материала вторичного элемента; s - скольжение; сої = 2я/і - угловая частота источника питания; А - толщина вторичной цепи; kg- коэффициент воздушного зазора (коэффициент Картера); -коэффициент, учитывающий насыщение магнитной цепи машины; 5 - немагнитный зазор. Параметры ЛАД выбираются с учётом обеспечения наибольшего значения электромагнитной добротности, максимальное значение которой для низкоскоростных двигателей (синхронная скорость электромагнитного поля меньше 10м/с) достигает нескольких единиц [2]. Данный подход может быть рекомендован для предварительного выбора конструктивных параметров двигателя КЛАП. Немагнитный зазор. Электромагнитная добротность обратно пропорциональна немагнитному зазору. Немагнитный зазор определяет и воздушный зазор. Это обстоятельство приводит к тому, что при большом воздушном зазоре, для поддержания необходимой величины индукции требуется большой намагничивающий ток, отсюда уменьшение коэффициента мощности, силы тяги, возрастание потерь. Таким образом, ясно, что воздушный зазор должен быть настолько малым, насколько конструктивно это возможно в КЛАП. Полюсное деление. Обращаясь к (2.1), можно отметить зависимость электромагнитной добротности от полюсного деления (заметим, что в выражении для G полюсное деление х - в квадрате). Однако большое полюсное деление приводит к возрастанию ярма магнитопровода индуктора, что увеличивает массу ЛАД. С другой стороны, увеличение полюсного деления уменьшает ks из-за уменьшения длины активной части проводника обмотки в сопоставлении с общей длиной индуктора. Увеличение лобовых вылетов в этом случае создаёт большие потоки рассеяния и потери. Кроме того, при данной длине индуктора большее полюсное деление приводит к уменьшению числа полюсов, что нежелательно из-за уменьшения силы тяги ЛАД. При выборе полюсного деления г индуктора следует учитывать, что его величина определяет синхронную скорость (VQ) бегущего электромагнитного поля двигателя (Ко=2т/і). В то же время последнюю необходимо принимать такой, чтобы при работе ЛАД скорость вторичного элемента соответствовала минимальному скольжению. Таким образом, подход к выбору полюсного деления ЛАД неоднозначный, требует дополнительного учёта конкретных условий применения. Например, как отмечается в [144], для приводов транспортного назначения полюсное деление выбирается в комплексе с немагнитным зазором. Установле но, что для обеспечения высоких энергетических показателей двигателя соотношение 8/х должно быть наименьшим из возможных. Число полюсов. Концевые эффекты в ЛАД уменьшаются с увеличением числа полюсов [2, 142], соответственно улучшаются рабочие характеристики ЛАД. С увеличением числа полюсов увеличивается сила тяги и мощность двигателя. Из этих соображений необходимо выбирать число полюсов двигателя в КЛАП. Толщина материала вторичного элемента. Из (2.1) следует, что чем толще ВЭ, тем больше электромагнитная добротность. Но с другой стороны, если ВЭ изготовлена из цветного металла, более толстая пластина приводит к большему немагнитному зазору, что нежелательно. Для вторичного элемента из цветного металла толщина должна быть небольшой, но удовлетворяющей условиям прочности. При ВЭ из ферромагнитного материала немагнитный зазор не зависит от толщины материала. Однако утолщённый ВЭ приводит к увеличению пусковых токов, что тоже нежелательно. Из (2.1) следует, что более маленькое сопротивление ВЭ улучшает коэффициент качества. Малое сопротивление даёт возможность уменьшить потери во ВЭ. Однако при этом более медленно спадает перемещающаяся волна концевого эффекта, что снижает выходную мощность ЛАД. Из двух проводниковых материалов ферромагнитный материал имеет преимущества из-за высокой магнитной проницаемости, что уменьшает намагничивающий ток, но при этом появляется значительная сила притяжения между индуктором и вторичным элементом. С электромагнитной точки зрения представляется оптимальным выполнение вторичного элемента составным из ферромагнитного и цветного материала (рисунок 2.3,6).
Исследование зависимости параметров установившихся колебаний КЛАП от режимов работы ЛАД
Условия работы технологической машины в сельскохозяйственном производстве определяет необходимость регулирования параметров колебаний КЛАП. У КЛАП, работающего в режиме вынужденных колебаний, регулирование параметров колебаний возможно изменением частоты включений ЛАД, величины постоянной составляющей и амплитуды вынуждающей силы ЛАД. Изменение частоты включений вынуждающей силы приводит к изменению амплитуды колебаний КЛАП. Например, уменьшение частоты включения вынуждающей силы в два раза приводит к шести- семикратному увеличению амплитуды колебаний КЛАП (рисунок 3.5). Приведенные на рисунке 3.5 амплитудно-частотные характеристики соответствуют условию
На этом рисунке пунктирными линиями нанесены зависимости А - f[K J при /0 = const в широком диапазоне изменений амплитуды колебаний. На основе рассчитанных характеристик построены по изложенной выше методике амплитудно-частотные характеристики КЛАП для различных значений AFM И /0 В зависимости от изменения Q0 и постоянной со (рисунок 3.6). Как следует из рисунка 3.6, нелинейность, обусловленная зазором, вызывает деформацию амплитудно-частотных характеристик при изменении резонансной частоты, "затягивая" кривые при увеличении амплитуды в область частот, меньших собственной частоты колебаний колебательной системы КЛАП. Здесь же обнаруживается своеобразие системы, связанное с тем, что "затягивание" амплитудно-частотных характеристик существенно зависит от величины постоянной составляющей силы ЛАД. Уменьшение /0 вызывает уменьшение амплитуд нелинейных колебаний, а область существования колебаний с зазорообразованиями еще больше "затягивается" в сторону Q0 со. Причем эта область расширяется тем в меньшей степени, чем меньше постоянная составляющая силы /0 . При больших /0 колебания практически определяются амплитудно-частотной характеристикой линейной системы (кривая 4). Важной особенностью нелинейных колебаний является незначительное изменение амплитуды от величины периодической составляющей вынуждающей силы ЛАД в зоне резонансных частот, близких к оз. Например, увеличение AFM вдвое не приводит к заметному увеличению амплитуд нелинейных колебаний (кривые 2 и 3, общий участок), но область существования последних "затягивается" дальше в сторону больших резонансных частот и здесь могут реализоваться более значительные амплитуды колебаний (кривая 3).
Бывает необходимым изменять амплитуду колебаний рабочего органа технологической машины, оставляя неизменной частоту колебаний. Хорошие возможности для регулирования амплитуды имеются при изменении постоянной составляющей вынуждающей силы. На рисунке 3.7 приведены амплитудно-частотные характеристики в зависимости от изменения /0 при co/Q0 -const, AFM = const. Анализ кривых 1 и 2 (рисунок 3.7) показывает, что с изменением /0 меняется относительная амплитуда колебаний ЛЭП. Чем ближе со и Q0, тем уже диапазон изменения А и менее крутая зависимость A = f\K J (кривая 2). Максимумы В и В кривых 1 и 2 определяются амплитудой вынуждающей силы, с увеличением которой они увеличиваются, и наоборот. Амплитуда вынужденных колебаний ЛЭП при определенных значениях /0 быстро уменьшается: для co/Q0 = 0,6 при /0 = 0,6 - от точки В до точки С, а для /0 = 0,9 co/Q0 = 0,76 - от точки В до точки С. Дальнейшее уменьшение /0 не приводит к изменению А до точки D{D), после этой точки дальнейшее увеличение /0 приводит к возрастанию А по прямой АВиАЪ .
Следовательно, важным условием стабильной работы КЛАЛ в режиме регулирования амплитуды колебаний является плавность изменения длительности включения ЛАД, одновременно с этим диапазон изменения /0 не должен доходить с необходимым запасом до соответствующих координат точек В и В по оси абсцисс.
Причем допустимый диапазон изменения А определяется соотношением частоты вынуждающей силы и собственной частоты колебательной системы и расширяется с уменьшением частоты колебаний вынуждающей силы. Например, при co/Q0= 0,76 (рисунок 3.7) изменение постоянной составляющей силы в четыре раза приводит к изменению амплитуды в три раза. При co/Q0 = 0,6 изменение постоянной составляющей силы в три раза приводит к изменению амплитуды колебаний в пять-шесть раз. Из (3.12 ) с учетом (3.19) постоянная составляющая вынуждающей силы определяется:
Из (3.21) следует, что постоянная составляющая /0 регулируется изменением длительности включения двигателя. Таким образом, КЛАП, работающий в режиме вынужденных колебаний, обладает широкими возможностями регулирования амплитуды и частоты или только амплитуды колебаний рабочего органа.
КЛАП, работающие в режиме автоколебаний, имеют фиксированное размещение датчиков положения вторичного элемента и упругих элементов, что накладывает ограничение по возможности регулирования параметров колебаний допустимыми амплитудами сверху и снизу. Поэтому этот режим работы КЛАП на практике применим ограниченно.
Математическая модель бункера-питателя с КЛАП ворошителей -задвижек. Режимы вынужденных колебаний
Математическую модель КЛАП, работающего в режиме вынужденных колебаний, рассмотрим на примере привода ворошителей-задвижек бункера-питателя (КЛАПВ, глава 1.6.2). Математическая модель КЛАПВ реализована в соответствии с кинематической схемой (рисунок 4.26), которая описывается нелинейным уравнением: где m - масса подвижных элементов системы; a, v, х - соответственно ускорение, скорость и перемещение вторичного элемента ЛАД; F - сила, развиваемая ЛАД; р- коэффициент вязкого трения; С - коэффициент жесткости упругого элемента; Fc - сила сопротивления на рабочем органе (вторичном элементе ЛАД). Сила сопротивления на вторичном элементе ЛАД от ворошителей-задвижек определяется на основании равенства мощностей вращательного и поступательного движения. При этом мгновенную мощность (р), необходимую для вращения ворошителей в бункере, предложено определить путем преобразования уравнения Ластовцева - Хвальнова [211], откуда где к] _ коэффициент сопротивления материала в режиме уплотнения; рн насыпная плотность материала, кг/м ; со л - угловая скорость вращения лопасти, с"1; ЬиЬ- соответственно ширина и длина лопасти (ворошилки), м; h - высота слоя сыпучего материала над лопастью, м; п - количество ворошителей-задвижек, шт; ги - КПД передачи. Математическая модель КЛАПВ бункера-питателя реализована в среде визуального моделирования Simulink (рисунок 4.27).
Установление влияния элементов КЛАПВ на параметры колебательного процесса представляют большой интерес, так как это может быть использовано при проектировании реальных конструкций [190,212]. При реализации КЛАПВ необходимо знать, как влияют на динамику колебательного процесса следующие характеристики работы и элементов предложенной конструкции: длительность и частота включения ЛАД, количество ворошителей и их конфигурация, высота сыпучего материала в бункере, жесткость упругого элемента и его предварительное натяжение, насыпная плотность материала и параметры рычагов. Диапазон изменения варьируемых переменных устанавливался по допустимым технологическим и конструктивным параметрам бункера-питателя. В качестве параметров, определяющих динамику колебательного процесса, в бункре-питателе приняты перемещение вторичного элемента и угол поворота ворошителя-задвижки в установившемся режиме работы. Это обусловлено тем, что угол поворота ворошителя определяет технологический процесс работы бункера-питателя, а по перемещению вторичного элемента ЛАД можно судить о динамике привода в целом. На рисунке 4.28 представлено влияние жесткости упругого элемента на параметры колебательного процесса в установившемся режиме. Как видно из графика, с увеличением жесткости упругого элемента амплитуда максимального и минимального перемещения вторичного элемента ЛАД уменьшается, причем амплитуда минимального перемещения уменьшается в большей степени, чем максимального. К примеру, при изменении жесткости упругого элемента с 90 Н/м до 120 Н/м, амплитуда максимального перемещения уменьшилась на 0,07м, а минимального - на 0,1 м. Такая же зависимость наблюдается и в отношении угла поворота ворошителей в бункере, что объясняется наличием непосредственной кинематической связи вторичного элемента ЛАД с осями вращения ворошителей.
Установка упругого элемента с первоначальным натяжением предусмотрена конструкцией бункера-питателя. Натяжение надо подбирать таким образом, чтобы упругий элемент обеспечивал возврат подвижной системы в исходное состояние. Лишнее натяжение упругого элемента приведет к неоправданным затратам электроэнергии. На рисунке 4.29 представлено, как влияет первоначальное натяжение упругого элемента на динамику привода. Как и следовало ожидать, с увеличением первоначального натяжения, т.е. увеличением силы сопротивления, максимальная и минимальная амплитуда перемещения вторичного элемента и, соответственно, углы поворота ворошителей уменьшаются. Так, увеличение первоначального натяжения (0,05 м) в два раза приводит к уменьшению амплитуды минимального перемещения на 45%, а максимального - на 25%. При проектировании КЛАПВ необходимо учитывать влияние высоты сыпучего материала в бункере на параметры колебаний ворошителей и исходить из того, чтобы КЛАПВ обеспечивал требуемый режим колебаний как при максимальной, так и при минимальной высоте сыпучего материала. На рисунке 4.30 представлена зависимость параметров колебаний бункера-питателя от высоты сыпучего материала в нем. Как видно, с увеличением высоты материала в бункере максимальная амплитуда перемещения вторичного элемента уменьшается, а минимальная - увеличивается. В результате этого уменьшается размах колебаний ворошителей в бункере. К примеру, размах колебаний ворошителей при высоте материала в бункере 1 метр составляет 65 градусов, а при 6 метрах - 35 градусов.
На рисунке 4.31 приведена зависимость влияния насыпной плотности сыпучего материала на динамику КЛАПВ. Насыпная плотность, представленная здесь, соответствует таким сельскохозяйственным культурам, как пшеница, просо, горох и т.п. При этом коэффициент уплотнения сыпучего материала к\ [211] принят постоянным на основе того, что для материалов со схожей геометрической формой он имеет одинаковые значения. Из графика видно, что увеличение насыпной плотности в указанном диапазоне приводит к уменьшению размаха колебаний ворошителей.
