Введение к работе
Актуальность проблемы. Содержанием современного этапа развития АПК является переход от экстенсивного к интенсивному пути развития. Аграрное производство РФ все еще сохраняет черты экстенсивной системы. Оно в 5 раз более энергоемко, в 4 раза более металлоемко, а производительность труда в 10 - 13 раз ниже, чем в США. Переход к интенсивному пути развития требует инновационных решений в отношении электрооборудования и технологий АПК, а также модернизации существующей техники. На это неоднократно указывалось в ряде директивных документов: Перечне приоритетных направлений развития науки, технологий и техники Российской Федерации, Перечне критических технологий Российской Федерации. Это отмечается и в Государственной программе развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008..2012 годы. В материалах и рекомендациях Министерства сельского хозяйства и Россельхозакадемии большое внимание уделяется повышению технического уровня сельскохозяйственной техники путем её модернизации. По существующим оценкам модернизация технологических машин (ТМ) даст экономический эффект в сотни миллионов рублей. Намечены два направления интенсификации производства продукции в АПК; разработка новой техники и модернизация существующей. Качественное изменение ситуации в этих направлениях невозможно без развития научного обоснования разработок и модернизации сельскохозяйственной техники. Большинство ТМ, эксплуатирующихся в настоящее время, обладают повышенным энергопотреблением и избыточной материалоемкостью. Причинами этого являются: 1.Использование несовершенных кинематических схем электропривода; 2.Морально и физически устаревший парк электрооборудования; 3.Несовершенство технологических процессов и рабочих органов (РО) ТМ; 4.Недостаточное использование устройств регулирования характеристик электропривода с учетом изменения их в процессе работы. Одним из ключевых направлений решения отмеченных выше проблем является совершенствование применяемых в АПК вибрационных ТМ, представляющих собой вибрационные электромеханические системы (ВиЭМС). Ведь в 63% технологических процессов АПК источником вибрации являются инерционные дебалансные вибраторы, приводимые в движение в 71% случаев от асинхронных электродвигателей Рабочие органы ВиЭМС совершают движения, получаемые в результате композиции элементарных продольных перемещений по трем осям координат. Для реализации продольных перемещений РО использование линейных асинхронных двигателей (ЛАД) в ВиЭМС наиболее рационально. Это позволяет устранить кинематические энергопоглощающие устройства и снизить материалоемкость конструкции. Применение ВиЭМС с рекуперацией электрической энергии и управлением работой ЛАД создает условия для повышения энергетических показателей. ЛАД с рекуперацией энергии и управлением, вследствие простоты изготовления, монтажа, обслуживания, использования вторичного элемента ЛАД как РО ТМ, позволяют совершенствовать ВиЭМС для АПК. Однако, в силу большого разнообразия конструкций, малосерийного изготовления, отсутствия опыта проектирования и эксплуатации ЛАД, для создания энергоэффективных ВиЭМС на их основе требуются научно обоснованные математические модели, обеспечивающие возможность многократных расчетов различных вариантов конструкций и нагрузок.
Перспективным направлением снижения материалоемкости ТМ является совершенствование рабочих органов ТМ за счет уменьшения избыточного запаса прочности. В связи с недостаточной научной и методической проработкой вопросов проектирования вибрирующих рабочих органов ВиЭМС, в эти системы закладывают 2-3 кратный запас прочности, реализуемый избыточным объемом металлоконструкций. Это обусловлено опасениями вибрационного разрушения привода и рабочего органа. Кроме того, при создании ВиЭМС, практически не исследованными остаются вопросы взаимодействия рабочих органов со средой. При проектировании РО ВиЭМС мало используются резонансные и нелинейные эффекты. Назрел вопрос о разработке методов исследований нелинейных колебаний РО ресурсосберегающих ТМ с учетом их работы в сыпучей среде. Взаимодействие электрических и механических подсистем в ВиЭМС является неотъемлемой частью вибротехнологических процессов в машинах и аппаратах АПК. Выработка научно обоснованных методов исследования взаимодействия таких подсистем позволяет найти подходы к улучшению характеристик энергопотребления. Для получения конструкций ВиЭМС, позволяющих решать поставленные выше задачи, выработки рекомендаций по их проектированию и использованию, необходимы научно обоснованные методы моделирования как работы составных частей в отдельности, так и совместной работы этих частей. Рабочие органы ТМ в сельском хозяйстве используются в широком диапазоне амплитуд и частот, зачастую при неизменных параметрах колебаний. Это приводит к снижению эффективности работы этих машин и качества выпускаемой продукции, так как в действительности эти параметры должны изменяться в процессе работы в зависимости от особенностей технологического процесса. Требуется дальнейшая модернизация ВиЭМС АПК с учетом возможности оперативного изменения параметров колебаний в ходе технологического процесса. ЛАД, используемый в приводе ВиЭМС, является несимметричной электрической машиной (ЭМ). В условиях сельского хозяйства, ВиЭМС работает как часть несимметричной энергетической системы. Повышение энергоэффективности ВиЭМС невозможно без развития теории энергетических процессов в несимметричных энергетических объектах. Для решения задач, возникающих на пути повышения энергоэффективности ВиЭМС, необходимо совершенствование научного обоснования энергетических процессов в ЛАД и несимметричных энергетических системах с учетом неоднородности характеристик этих объектов. Имеются следующие пути повышения энергоэффективности и снижения материалоемкости ВиЭМС: 1. Применение упрощенных кинематических схем электропривода в тех случаях, когда это целесообразно, технически осуществимо и экономически оправдано. Эта мера позволяет не только экономить электрическую энергию, но и существенно снижать материалоемкость ТМ; 2. Создание математических моделей ЛАД для ВиЭМС, обладающих свойствами системности, универсальности и возможностями численно-аналитического исследования, как основы для разработки энергоэффективных и ресурсосберегающих ВиЭМС;
3. Создание системы диагностики ВиЭМС, как инструмента поддержания его высоких технических и энергетических характеристик; 4. Совершенствование РО ВиЭМС с учетом их продольно-поперечных колебаний в сыпучей среде на основе теории нелинейных колебаний; 5.Разработка и реализация концепции рационального питания несимметричных ВиЭМС. В диссертационной работе впервые рассматриваются, представляющие актуальную научно-техническую проблему, имеющие важное народно хозяйственное значение, вопросы научного обоснования математических моделей ЛАД с рекуперацией энергии, амплитудно-частотных зависимостей для рабочих органов ТМ, совершающих колебания в сыпучей среде, энергетических процессов, происходящих в электрических машинах (ЭМ) и несимметричных энергетических системах, а также модернизированные энергоэффективные ТМ для АПК. Цель диссертационной работы. Диссертационная работа направлена на развитие научных основ разработки и модернизации ресурсосберегающих, энергоэффективных вибрационных электромеханических систем для АПК с продольно-поперечными движениями рабочих органов. В соответствии с целью диссертационной работы были поставлены следующие задачи:
-
Разработка универсальных инженерных математических моделей ВиЭМС на базе ЛАД;
-
Исследование и сравнительный анализ разных типов ЛАД для ВиЭМС;
-
Экспериментальная проверка адекватности разработанных математических моделей;
-
Развитие методов расчета колебаний рабочих органов ТМ при продольно-поперечных перемещениях в сыпучей среде;
-
Разработка численно-аналитической математической модели для нелинейных ВиЭМС;
-
Разработка научных основ многопараметрической диагностики ВиЭМС;
-
Развитие энергетической теории параметрически неоднородных систем и методов визуализации энергетических процессов в них;
-
Модернизация и разработка ВиЭМС на базе ЛАД с рекуперацией энергии для АПК.
Объект исследований. Вибрационные электромеханические системы с продольно-поперечными движениями рабочих органов, использующие ЛАД, в частности ТМ АПК, служащие для посева, сушки, транспортировки, переработки продукции. Предмет исследований. Математические модели ВиЭМС на базе ЛАД, собственные колебания РО ВиЭМС с учетом влияния среды, энергетические процессы в несимметричных ВиЭМС. Методы исследования. Основные результаты диссертационной работы получены на основании фундаментальных законов и уравнений электромеханик, механики, теории интегральных уравнений и вариационного исчисления. Достоверность результатов исследований и выводов проверялась экспериментальными и численно-аналитическими методами, сравнением полученных результатов с решениями других авторов, экспертизой разработанных технических решений в Роспатенте РФ.
Научные результаты , выносимые автором на защиту:
-
Универсальные математические модели ВиЭМС на базе ЛАД;
-
Результаты параметрических исследований на основе математических моделей;
-
Оценка энергетической эффективности ВиЭМС с рекуперацией энергии и разночастотным питанием;
-
Амплитудно - частотные характеристики рабочих органов сельскохозяйственных машин при больших прогибах с учетом параметров среды;
-
Научное обоснование способа диагностики ВиЭМС;
-
Энергетическая теория и визуальные модели энергетических процессов в параметрически неоднородных системах, имеющих место в АПК;
Научная новизна работы состоит в следующем.
-
Развита итерационная схема нахождения решения полевого уравнения для ЛАД;
-
Разработаны математические модели ВиЭМС, ориентированные на инженерную практику;
-
Проведен сравнительный анализ ЛАД с рекуперацией энергии и с разночастотным питанием и выработаны рекомендации по их применению в сельском хозяйстве;
-
Впервые асимптотический метод В.В.Болотина (АМБ) применен для исследования собственных частот, амплитудно-частотных характеристик рабочих органов сельскохозяйственных машин в сыпучей среде;
-
Разработан математический аппарат для анализа нелинейных ВиЭМС;
-
Научно обоснован новый способ диагностики ВиЭМС;
-
Впервые предложены визуальные модели энергетических процессов в ЭМ и введены понятия d и q подмножеств токов ЭМ.
Практическая ценность предлагаемой диссертационной работы заключается в следующем:
-
Разработке моделей ЛАД, ориентированных на среду специалистов;
-
Упрощении кинематических схем, уменьшении материалоемкости, повышении качественных характеристик ряда ВиЭМС, эксплуатируемых в АПК;
-
Возможности проводить параметрическое исследование процессов в ВиЭМС на основе полученных аналитических приближений;
-
Получении аналитических выражений амплитудно-частотных характеристика рабочих органов ВиЭМС с учетом влияния среды ;
-
Разработке способа диагностики ВиЭМС.
-
Разработке новых, защищенных патентами РФ, ВиЭМС сельскохозяйственного назначении (сеялки, сушилки, смесители) с улучшенными характеристиками.
Реализация результатов диссертационной работы. Основные результаты диссертации использованы при выполнении госбюджетных НИР, проводимых в ФГБОУ ВПО « Российский государственный аграрный заочный университет» по теме «Разработка научного обеспечения и обоснования требований по повышению эффективности технологических машин АПК со встроенными электродвигателями» и в рамках договора о научном сотрудничестве со Смоленским НИИ сельского хозяйства Россельхозакадемии. Результаты работы использованы концерном «Русэлпром» при создании энергоэффективных двигателей серии 7AVE и энергонасыщенных тракторов «Беларус-3023». Используются ОАО «Амкодор» республики Беларусь при модернизации зерноочистительно-сушильных комплексов ЗСК-40Ш. Внедрены в учебный процесс в филиале ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» в г. Смоленске и в ФГБОУ ВПО « Российский государственный аграрный заочный университет» г.Балашихи Московской области.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях, школах и симпозиумах: Всесоюзной школе по актуальным проблемам механики оболочек( Казань,КАИ,1983), IV Международной конференции «Электротехника, электромеханика и электротехнологии»(18 – 22 сентября 2000. Россия, Клязьма), 5-й Международной. конференции. МКЭЭЭ(Крым, Алушта, 2003), 4-м и 5-м международных симпозиумах «ЭЛМАШ - 2002», «ЭЛМАШ - 2004» (Москва), научно-технических конференциях РГАЗУ (Москва, 2006 – 2009 гг.), международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (Томск,2005 г.), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий» (Екатеринбург: ГОУВПО УГТУ – УПИ, 2006), VI Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (Чебоксары, 2006 г.), XI-й, XII, XIII Международных конференциях « Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты»( 2006 г., 2008 г., 2010 г., Крым, Алушта), V всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии», (Тула, 2006), Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий» (Тула,2006), VII Всероссийской .научно-технической конференции «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем» (Чебоксары, 2007), 6-й, 7-й Международных научно-технических конференциях «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» ( 2008 г, 2010г., Москва, ГНУ ВИЭСХ), ХХI, XXII Международных научных конференциях « Математические методы в технике и технологиях».- ММТТ-21 (Саратов, 2008), ММТТ-22 (Псков, 2009), XXVII Российской школе « Наука и технологии» ( Екатеринбург, УрО РАН, 2008), Международной научно-практической конференции «Обеспечение и рациональное использование энергетических и водных ресурсов в АПК» (Балашиха, РГАЗУ, 2009), Межд. Научн.-техн. конференции. «Энергетика, информатика, инновации -2011» ( Смоленск,2011).
Публикации. Содержание работы отражено в 1 монографии, 1 учебном пособии с грифом УМО и научных публикациях. В их числе 14 статей в ведущих рецензируемых научных журналах, 31 публикация в материалах конференций, совещаний и симпозиумов, имевших статус всероссийских и международных, 12 патентов на изобретения и полезные модели.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 290 наименований и приложения, изложена на 350 страницах машинописного текста.
