WWW.KONF.X-PDF.RU
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Авторефераты, диссертации, конференции
 

Pages:   || 2 |

«ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОВИБРОПРИВОДА С РЕГУЛИРУЕМЫМИ ПАРАМЕТРАМИ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ АПК (НА ПРИМЕРЕ ВИБРОЗЕРНООЧИСТИТЕЛЬНЫХ МАШИН) ...»

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ЯРУЛЛИН Ринат Бариевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АСИНХРОННОГО

ЭЛЕКТРОВИБРОПРИВОДА С РЕГУЛИРУЕМЫМИ

ПАРАМЕТРАМИ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ АПК

(НА ПРИМЕРЕ ВИБРОЗЕРНООЧИСТИТЕЛЬНЫХ МАШИН)

Специальность 05.20.02 – Электротехнологии

и электрооборудование в сельском хозяйстве



Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Челябинск – 20

Работа выполнена на кафедре «Применение электрической энергии в сельском хозяйстве» Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Челябинская государственная агроинженерная академия».

Научный консультант: доктор технических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы РФ Возмилов Александр Григорьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы РФ Лапшин Петр Николаевич доктор технических наук, профессор Оськин Сергей Владимирович доктор технических наук, профессор Петько Виктор Гаврилович

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет»

Защита состоится «17» июня 2011 г., в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.069.01 при ФГОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия» по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 75.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия».

Автореферат разослан «29» апреля 2011 г. и размещен на официальном сайте ВАК Минобрнауки России http://www.vak.ed.gov.ru.

Ученый секретарь диссертационного совета Возмилов А.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В «Энергетической стратегии России на период до 2020 года» одним из главных приоритетов определено снижение удельных затрат на использование энергоресурсов за счет рационализации их потребления, применения энергосберегающих оборудования и технологий. К последним можно отнести вибрационную технологию. В силу своих неоспоримых преимуществ вибрационные машины (ВМ) широко используются во всех областях техники, продолжают бурно развиваться, осваивая все новые сферы (микробиология, космическая технология, создание новых материалов), и расцениваются сейчас как основа технологий будущего.

По режиму работы ВМ бывают дорезонансные, резонансные и зарезонансные. Предпочтение исследователями отдается зарезонансным ВМ, у которых амплитуда колебаний рабочего органа (РО) наиболее стабильна и не зависит от технологической нагрузки обрабатываемого материала, среды. Однако возникает проблема преодоления резонанса при пуске и остановке этих машин.

Исследования на ВМ показывают, что основными кинематическими параметрами вибрации, определяющими эффективность виброобработки, являются частота и амплитуда колебаний РО, которые для поддержания качества обработки с изменением материала, среды или их состояния требуется регулировать, причем согласованно, между собой. Поэтому наряду с решением технологической задачи, связанной с регулированием частоты колебаний РО частотно-регулируемым приводом на базе широко применяемого асинхронного двигателя (АД) и амплитуды колебаний наиболее распространенными инерционными вибраторами, необходимо решение и проблемы энергосбережения.

В связи с изложенным выявление общей закономерности, установление взаимосвязи между оптимальными значениями частоты и амплитуды колебаний РО для множества известных исследований технологических процессов в АПК и его отраслях, обоснование показателей регулирования параметров, получение аналитических зависимостей с учетом регулирования параметров, разработка унифицированных вибраторов с широкими технологическими возможностями и методики их расчета, снижение потерь электроэнергии в переходных процессах и статических режимах асинхронного электропривода (АЭП) ВМ являются актуальными задачами.

Актуальность направления исследований подтверждается соответствием данной темы: межведомственной координационной программе фундаментальных и приоритетных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса РФ на 2006–2010 годы, одобренной Президиумом Российской академии сельскохозяйственных наук 16 ноября 2006 года, межведомственным координационным советом по формированию и реализации Программы 19 октября 2006 года, заданию раздела 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 г.».

Целью работы является повышение энергетической эффективности асинхронного электровибропривода за счет регулирования параметров вибрации для соответствующих технологических процессов АПК.

В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи исследования:

1. Выявить факторы системы АЭП-ВМ, позволяющие уменьшить электропотребление в переходных и установившихся режимах.

2. Выявить общую закономерность и установить взаимосвязь между амплитудой и частотой колебаний РО, соответствующих эффективному режиму виброобработки, и обосновать показатели регулирования этих параметров для ВМ в технологических процессах АПК.

3. Разработать математическую модель системы на примере АЭП зарезонансной многорешетной ВЗМ (МВЗМ) с саморегулируемым вибратором и методики расчета универсального саморегулируемого вибратора для различных ВМ с регулируемыми параметрами и рационального энергосберегающего АЭП.

4. Разработать методику и провести экспериментальные исследования амплитудно-частотных и приводных характеристик и проверить адекватность разработанной математической модели АЭП МВЗМ.

5. Исследовать переходные режимы АЭП зарезонансной МВЗМ, разработать мероприятия и конструкции регулируемых инерционных вибраторов ВМ, обеспечивающих регулирование амплитуды, ограничение резонансной амплитуды колебаний РО и снижение потерь энергии.

6. Провести технико-экономическую оценку эффективности разработок, наметить перспективные направления совершенствования и области использования ВМ с регулируемыми параметрами.

Объект исследования. Колебательные процессы рабочего органа многорешетной виброзерноочистительной машины (РО МВЗМ) с АЭП с регулируемыми параметрами.

Предмет исследования. Установление взаимосвязи технологических характеристик колебаний РО ВМ с регулируемыми параметрами с электромеханическими процессами и энергетической эффективностью АЭП.

Методы исследования. Основные результаты диссертационной работы получены на основании фундаментальных законов и уравнений механики и электромеханики и основных положений теории электропривода.

Достоверность результатов исследований и выводов проверялась экспериментально-аналитическими методами, сравнением некоторых полученных результатов с решениями других авторов, экспертизой разработанных технических решений в Роспатенте РФ.

Научная новизна. Выполненные в работе исследования позволили получить совокупность новых положений и результатов:

1. Впервые установлены гиперболическая взаимосвязь и показатели регулирования рациональных параметров вибрации ВМ в технологических процессах АПК в целом и по его отраслям.

2. Получена система дифференциальных уравнений, позволяющая исследовать динамику процессов в системе «АЭП-МВЗМ»

с регулируемыми параметрами на ПК в различных по отношению к резонансу режимах и сочетаниях конструктивно-кинематических параметров.

3. На основе решения системы дифференциальных уравнений рассчитаны механическая и нагрузочная характеристики МВЗМ с регулируемыми параметрами.

4. Разработана методика расчета универсального саморегулируемого инерционного вибратора.

5. Определены коэффициенты форм нагрузочных диаграмм МВЗМ с учетом механической и электромагнитной инерций, а также упругости промежуточной передачи и оценено их влияние на выбор мощности приводного двигателя.

Практическая ценность полученных результатов работы состоит:

1. В методике расчетов и практических рекомендациях для проектирования рационального электропривода ВМ с регулируемыми параметрами.

2. В методике определения в первом приближении мощности на валу производственного механизма тарированной асинхронной машиной.

3. В разработанном зарезонансном вибросепараторе с вертикальной осью вращения дебалансов (А.с. 1542634).

4. В разработанном саморегулируемом инерционном вибраторе, исключающем удар об упор при выдвижении первого дебаланса и обеспечивающем в переходных режимах снижение энергозатрат в 1,17 раза (А.с. 1498559).

5. В разработанной конструкции универсального адаптивного вибровозбудителя, автоматически регулирующего амплитуду и частоту колебаний по любому требуемому закону (патент на полезную модель 70169).

Реализация результатов работы. Основные результаты диссертации использованы при выполнении госбюджетных НИР, проводимых ХИМЭСХ, БСХИ, УТИС в различные годы (1973–2003 гг.).

Разработанный и изготовленный АЭП МВЗМ с регулируемыми параметрами был внедрен на Бориспольской семяочистительной фабрике «Сортсемовощ» и в совхозе «Россия» МУСП РБ. Получены положительные заключения на разработанные рекомендации по повышению эффективности технологических процессов АПК за счет использования асинхронного электровибропривода с регулируемыми параметрами (на примере виброзерноочистительных машин) от Министерства сельского хозяйства Республики Башкортостан, Башкирского государственного аграрного университета, Оренбургского государственного аграрного университета и Курганской государственной сельскохозяйственной академии. Теоретические и экспериментальные результаты диссертации, представленные в монографиях «Динамика вибрационных зерноочистительных машин с регулируемыми параметрами.

Проблемы электропривода», «Энергетические аспекты асинхронного электровибропривода машин в технологических процессах АПК», используются в учебном процессе БГАУ, ЧГАА и УГАЭС.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Система дифференциальных уравнений, описывающих процессы в системе АЭП-МВЗМ с регулируемыми параметрами;

2. Механические и нагрузочные характеристики МВЗМ с регулируемыми параметрами;

3. Методики расчета универсального саморегулируемого инерционного вибратора и рационального асинхронного электропривода;

4. Конструкции регулируемых вибраторов зарезонансных ВМ;

5. Результаты энергетической и экономической оценки работы АЭП-МВЗМ с регулируемыми параметрами.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на ежегодных внутривузовских, республиканских, всероссийских и международных научно-технических и научно-практических конференциях ХИМЭСХ (Харьков, 1974–1977 гг., 1983 г.), УНИИМЭСХ (Киев, 1979 г.), ЛСХИ (Санкт-Петербург, 1981 г.), УСХА (Киев, 1982 г.); результаты работы были представлены на Республиканском конкурсе молодых ученых и научных работников 1981 г. и Всесоюзном конкурсе 1982–1983 учебного года студенческих научных работ, где были отмечены соответственно дипломами III степени и ВС НТО;

ВСХИ (Волгоград, 1985 г.), ЧДНТП (Челябинск, 1987 г.), УГАТУ (Уфа, 1987 г.), БГАУ (Уфа, 1978–1987 гг., 2004 г.), УГАЭС (Уфа, 1988–2010 гг.), ЧГАУ (Челябинск, 2004–2009 гг.), Всероссийской научно-практической конференции 5–6 февраля 2004 г. «Формирование механизма экономического роста в Российской Федерации и Республике Башкортостан в координатах мирового развития»

УГИС (Уфа, 2004 г.), Международной научно-технической конференции 14–15 декабря 2005 г. «Инновации и перспективы сервиса» УГАЭС (Уфа, 2005 г.), III Международной научно-технической конференции 20–21 декабря 2006 г. «Инновации и перспективы сервиса» УГАЭС (Уфа, 2006 г.), Юбилейной XIV Международной научно-технической конференции «Достижения науки – агропромышленному производству» ЧГАУ (Челябинск, 2006 г.).

Диссертационная работа была доложена на расширенных заседаниях кафедр «Электрические машины и электрооборудование»

БГАУ (2007, 2008 гг.), «Применение электрической энергии в сельском хозяйстве» ЧГАУ (2007 г., 2008 и 2009 гг.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 38 научных работ, в том числе 11 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК, 2 монографии, 2 авторских свидетельства на изобретения и 1 патент на полезную модель.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа содержит 371 стр., в том числе 287 стр. основного текста, состоит из введения, 7 глав, заключения и 55 приложений. В работе содержится 14 таблиц и 90 рисунков. Список использованной литературы насчитывает 258 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность и народно-хозяйственное значение рассматриваемой проблемы.

Освещается роль известных ученых в создании родственных научных направлений: И.И. Артоболевского, А.А. Дубровского, Д.Д. Баркана, Н.С. Шкуренко, М.М. Крылова, Г.Э. Свирского (почвообрабатывающие и землеройные машины); В.И. Земскова, Н.Я. Федоренко, П.И. Леонтьева, В.И. Лобанова, А.М. Мусина (вибрационная техника в животноводстве); Г.Е. Листопада, А.Ф. Ульянова, В.М. Циценовского, А.И. Петрусова, П.Н. Лапшина (вибросепараторы зерновых и семенных смесей); И.И. Быховского, Э.Э. Лавендела, С.Л. Цыфанского, А.Н. Зеленина (вибрационные устройства в строительстве и дорожном деле); В.П. Мороза, В.В. Данилевского, А.П. Бабичева, А.М. Файрушина (вибрационная техника в ремонтном деле); В.О. Кононенко, П.М. Заики, И.Ф. Гончаревича, И.И. Блехмана, В.Д. Земского, В.А. Вейца, Э.А. Аграновской, Б.В. Квартального, В.Н. Потураева, В.Н. Андрианова, А.О. Спиваковского, С.Л. Цыфанского, А.А. Горбунова, В.К. Асташева (динамика электропривода ВМ) и др., подготовивших основы практического использования вибрационной техники в различных отраслях национального хозяйства.

Обосновывается перспективность применения в технологических машинах вибрации с регулируемыми параметрами, обеспечивающей существенное повышение эффективности их использования.

Сформулированы научная проблема, цель и задачи исследования, показаны научная новизна положений, выносимых автором на защиту, и практическая ценность работы. Отражены вопросы реализации и апробации полученных научных результатов, дана общая характеристика выполненных исследований.

В первой главе «Вибрация в технологических процессах АПК»

проведен обзор исследований технологических процессов с применением вибрации отдельно в послеуборочных процессах, животноводстве, строительстве и дорожном деле и при ремонте сельскохозяйственной техники. На основе анализа результатов известных исследований обоснована гиперболическая взаимосвязь между амплитудой и частотой колебаний РО ВМ, соответствующих эффективному режиму, во всех рассмотренных отраслях аграрного сектора и в целом по АПК (рисунок 1). Определены значения скоростного фактора (таблица 1) гиперболических зависимостей для указанных отраслей. Выявлена необходимость и обоснованы показатели (см. таблицу 1) плавного регулирования как частоты, так и амплитуды колебаний РО ВМ.

o o o – растениеводство и мелиорация; – животноводство;

– строительство и дорожное дело; + + + – ремонт техники;

x x x – ЦВЗМ; – ПРВЗМ; • • • – ФВЗМ; кривая регрессии А = 0,39/ Рисунок 1 – Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) оптимальных параметров вибрации в технологических процессах АПК Таблица 1 – Результаты анализа применения вибрации в АПК

–  –  –

Установлено, что из известных нам около 190 исследований технологических процессов в АПК с применением вибрации 57% приходится на послеуборочные процессы и менее всего вибротехнологии (7,7%) исследованы в животноводстве.

Во второй главе «Электропривод вибрационных машин» рассматриваются составные элементы существующих электроприводов ВМ, известные вибраторы и особенность регулирования амплитуды колебания РО, энергетические аспекты и динамика АЭП зарезонансных ВМ, методы расчета мощности двигателя. Установлено, что в известных техпроцессах основным источником вибрации (63%) являются инерционные вибраторы, получающие привод в преобладающем большинстве случаев (71%) от АД. Рассмотрены способы регулирования амплитуды колебаний РО ВМ инерционными вибраторами, установлено, что наиболее распространено регулирование изменением эксцентриситета дебалансов, и составлена классификационная схема.

ГОСТ 51541-99 «Энергосбережение. Энергетическая эффективность» устанавливает основные виды показателей энергосбережения и энергетической эффективности, из которых применительно к рассматриваемой проблеме относятся экономичность энергопотребления и энергоемкость. Под экономичностью энергопотребления подразумевается количество энергии, затрачиваемое механизмом на единицу продукции; энергоемкостью изготовления продукции называют затраты энергии на основные и вспомогательные техпроцессы изготовления единицы продукции.

Установлены факторы системы АЭП-ВМ, которыми являются слагаемые момента сопротивления на трение в вибраторах, момент инерции привода, синхронная угловая скорость и начальное скольжение торможения АД, позволяющие уменьшить энергопотребление в переходных и установившихся режимах.

Электроприводу зарезонансных ВМ, нашедших наибольшее применение, приходится постоянно преодолевать резонанс при пуске и остановке, сопровождающийся многократным (до десяти раз) возрастанием амплитуды РО по сравнению с тем, что допускается по эксплутационным требованиям (2–4 раза). Для ограничения резонанса при пуске у существующих ВМ приходится осуществлять форсированный пуск за счет двигателя с повышенным пусковым моментом или завышенной мощности, а при остановке производить торможение противовключением двигателя. Таким образом, существующая система ВМ не удовлетворяет современным технологическим требованиям, а работа его электропривода связана с повышенным энергопотреблением.

Анализ динамики ВМ зарезонансного режима работы с АЭП показал, что с целью ограничения резонанса в переходных процессах целесообразно применять саморегулируемые вибраторы, которые обеспечивают ограничение резонансных амплитуд за счет уменьшения момента инерции вибратора и, самое главное, одновременное регулирование амплитуды РО в рабочей зоне.

Кроме этого, необходимо:

– исключить в пусковой ветви механической характеристики АД провал и отрицательное демпфирование; двигатель рассматривать с учетом его динамической характеристики;

– при остановке осуществлять эффективное электрическое торможение двигателя, что может быть реализовано заменой применяемого торможения противовключением на динамическое торможение постоянным током.

Рассмотрены существующие методы расчета мощности АД ВМ.

Установлено, что для выбора рационального электропривода ВМ необходимо определить его механические и нагрузочные характеристики с учетом специфики регулирования параметров вибрации по гиперболическому закону. При этом в установившемся режиме в зоне рабочих частот требуется оценить влияние на выбор мощности двигателя электромеханической и электромагнитной инерций и упругости передачи.

На основании анализа результатов исследований сформулирована научная проблема. Вибрация используется во многих технологических процессах АПК. Для этих техпроцессов исследователями установлены рациональные кинематические режимы виброобработки материалов, среды, обусловленные определенным сочетанием амплитуды и частоты колебаний РО, которые с изменением состояния обрабатываемого материала имеют другие рациональные значения, поэтому требуется их корректировка.

Загрузка...
Частота колебаний у большинства ВМ регулируется механическими вариаторами скорости, амплитуда устанавливается изменением массы, эксцентриситета дебалансов. Однако до сих пор нет обобщения и рекомендаций для рационального технического решения, неизвестна взаимосвязь рациональных параметров кинематических режимов между собой, не установлены показатели их регулирования как по отраслям, так и в целом по АПК, и тем самым отсутствует возможность автоматизации установки этих параметров, с одной стороны, и не рассмотрено применение ВМ с регулируемыми параметрами, с точки зрения энергосбережения, – с другой стороны. Решению этой проблемы посвящена настоящая работа, основной целью которой является повышение энергетической эффективности технологических процессов АПК с использованием асинхронного электровибропривода с регулируемыми параметрами многоцелевого применения.

Третья глава «Математическая модель системы асинхронный электропривод – вибрационная машина с регулируемыми инерционными вибраторами» посвящена разработке математической модели ВМ и АЭП ВМ с регулируемыми параметрами. Проанализированы конструкции инерционных вибраторов зарезонансных ВМ, обеспечивающие автоматическую установку амплитуды колебаний РО в зависимости от угловой скорости по гиперболическому закону, ограничивающие резонанс и тем самым снижение энергопотребления, устранение удара об упор выдвигающегося дебаланса. Установлено, что эти требования, кроме последнего, может обеспечить только вибратор с двумя диаметрально установленными подвижными дебалансами, прижатыми к валу с предварительной деформацией своих пружин. Одна из этих пружин цилиндрическая с меньшей жесткостью, другая – фасонная с нелинейной характеристикой жесткости.

Для подвижного дебаланса с фасонной пружиной определены характер изменения радиуса центра массы дебаланса и характеристика упругой силы этой пружины. Выявлено, что даже такая конструкция вибратора не обеспечивает полностью эффективный режим работы ВМ, так как часть опытных точек, по которым получена усредненная гиперболическая зависимость, находится не на самой кривой. Эти точки разбросаны относительной нее, и тем самым их параметры не могут быть установлены вибратором. Предложена конструкция вибратора (рисунок 2), признанная изобретением (А.с. 1498559 СССР), отвечающая всем требованиям ВМ независимо от режима их работы.

Этот вибратор исключает резонанс, проходя резонансную скорость K при сбалансированном состоянии, так как поршни – дебалансы 3 и 3/ – находятся в прижатом к валу состоянии покоя при скоростях соответственно менее / и р1 (рисунок 2 б). Наличие рабочей жидкости в полостях цилиндров 2, движение которой управляется золотниковым регулятором 7, исключает удар дебаланса 3 об упор.

–  –  –

Реализация параметров вибрации, точки которых не находятся на гиперболе А = V/, например т. 3/ и 3// (рис. 2б), обеспечиваются переходом и последующей работой соответственно на гиперболах / //.

Гиперболическая взаимосвязь параметров вибрации ВМ позволяет унифицировать вибраторы, заменяя их одним вибратором со сменными пружинами, поршнями-дебалансами или несколькими вибраторами для определенных групп ВМ.

Вибратор с широкими технологическими возможностями при всех рассмотренных выше преимуществах обладает недостатком, заключающимся в ограниченной возможности управления его технологическими параметрами, а именно: монотонность и узкий спектр его АЧХ, поскольку существует прямая зависимость между угловой скоростью вращения приводного вала и амплитудой вибрации. При этом характер и величина варьирования амплитуд определяется соотношением параметров жесткости пружин первого и второго дебалансов. Для изменения амплитуды в более широком диапазоне требуется вторая нелинейная пружина с другими параметрами.

На практике необходимо производить постоянное отслеживание текущих параметров техпроцесса, т.е. требуется адаптивный к текущим параметрам производственного процесса вибровозбудитель.

На базе рассмотренного выше вибратора нами разработана конструкция универсального адаптивного вибровозбудителя (рисунок 3), на которую получен патент на полезную модель 70167.

Универсальный адаптивный вибровозбудитель работает следующим образом. В исходном положении полости 6 и 8 цилиндра 2, а также 7 и 9 цилиндра 3 соединены с гидронасосом ГН золотниковым регулятором 10, и давление подается в надпоршневые полости 8 и 9 цилиндров 2 и 3, переводя дебалансы 4 и 5 в крайнее положение, когда они полностью прижаты к валу 1. После этого полости 6 и 8 цилиндра 2, а также 7 и 9 цилиндра 3 золотниковым регулятором 10 разобщаются как между собой, так и с гидронасосом ГН. При включении вибратора в работу путем вращения приводного вала 1 резонансную частоту вибровозбудитель проходит в сбалансированном состоянии. В дальнейшем электромагнит 13 по команде с блока управления контроля, сравнения и отображения информации 14 (БУКСОИ) в зависимости от заданной программы или сигналов с датчиков управляет золотниковым регулятором 10, периодически сообщая между собой полости 6, 7 и 8, 9 цилиндров 2 и 3, а также повышая или понижая давление в системе с помощью гидронасоса ГН через регулятор РС2 и двигатель М2, обеспечивая заданный режим работы. В результате этого в полостях 6, 7, 8, 9 создаются давления как в различном сочетании, так и соотношении, которые в результате взаимодействия с центробежными силами поршней-дебалансов ведут к изменению положения поршней, независимо от величины угловой скорости. Перемещая относительно друг друга одновременно оба дебаланса в зависимости от их направления и эксцентриситета, а также изменяя скорость дебалансов через регулятор РС1 и двигатель М1, происходит увеличение или уменьшение амплитуды, обеспечивая как любой характер изменения АЧХ, так и любое сочетание параметров вибрации при любой скорости.

1 – приводной вал; 2 и 3 – цилиндры; 4 и 5 – поршни-дебалансы; 6 и 7 – подпоршневые полости; 8 и 9 – надпоршневые полости; 10 – золотниковый регулятор; 11 – соединительные трубки; 12 – регулировочные вентили; 13 – электромагнит; 14 – блок управления, контроля, сравнения и отображения информации; М1 – двигатель вибратора; М2 – двигатель насоса; ГН – гидравлический насос; РС1 и РС2 – регуляторы скорости; датчики техпроцесса:

ДК – качества; ДА – амплитуды; ДП – подачи; ДВ – влажности; BR – скорости

Рисунок 3 – Универсальный адаптивный вибровозбудитель

Для решения тех же самых задач нами разработан вибросепаратор с вертикальной осью вращения двух дебалансов в различных плоскостях, с регулируемыми параметрами (рисунок 4), признанный изобретением (А.с. 1542634 СССР). В вибросепараторе предусмотрены изменения на ходу угла взаимного расположения дебалансов 8 и 9 и расстояния между ними перемещением нижнего дебаланса 8 относительно верхнего. Тем самым за счет сбалансированного состояния ( = 1800 и zн zв) резонанс максимально ограничивается при пуске и остановке, при этом обеспечивается энергосбережение, а в процессе работы регулируются траектория движения частиц обрабатываемого материала и амплитуда колебаний РО.

–  –  –

Получены зависимости угла взаимного расположения дебалансов (cos ) и расстояния zн плоскости вращения нижнего дебаланса до центральной плоскости от скорости при регулировании амплитуды колебаний в рабочем диапазоне по гиперболическому закону.

–  –  –

Результаты расчетов показывают (рисунок 5), что регулирование амплитуды колебаний изменением угла сильно ограничено и возможно только в определенном диапазоне ( = 30–750 и = 130–1600), где траектория частиц представляет собой спирали, соответственно расходящиеся от центра и сходящиеся от периферии к центру, что необходимо для подачи сепарируемого материала.

Изменением zн от 0,669 м до 0 (нижний дебаланс прижат к верхнему) (рисунок 6) можно реализовать гиперболический закон изменения только в диапазоне скоростей 150…258,6 рад/с, что составляет 82% от рабочего диапазона. Для расширения возможности регулирования амплитуды на весь рабочий диапазон скоростей разработаны соответствующие рекомендации.

Рисунок 6 – Зависимость расстояния от центральной горизонтальной плоскости до плоскости вращения нижнего дебаланса от угловой скорости внутри рабочего диапазона скоростей В качестве экспериментальной ВМ выбрана наиболее исследованная, обеспечившая эффективную сепарацию семян 11 сельхозкультур, отвечающая требованиям очистительных машин вторичной очистки, производительность которых на 7 решетах доходит до 1400 кг/ч, МВЗМ с регулируемыми параметрами с винтовыми колебаниями РО. Механическая модель системы АЭП-МВЗМ с регулируемыми параметрами приведена на рисунке 7. Вибратор у МВЗМ инерционный с двумя горизонтально расположенными валами, исключающими осевые силы. Валы, установленные в конических роликовых подшипниках, зацеплены между собой парой одинаковых косозубых шестерен и синхронно вращаются в противоположные стороны.

На расстоянии а от вертикальной оси Z на противоположных концах вала установлены с углом первоначальной установки два диаметрально противоположных дебаланса массами m1 и m2 с центрами масс в состоянии покоя r1 и r0. Динамика первого подвижного дебаланса саморегулируемого вибратора, применяемого для ограничения резонанса, подробно рассмотрена исследователями. Поэтому для упрощения анализа принимаем его неподвижным, а второй дебаланс – выдвигающимся, подпружиненным фасонной пружиной.

Рисунок 7 – Механическая модель системы АЭП-МВЗМ с регулируемыми параметрами Математическая модель АД с учетом динамических моментов в переходных процессах выбрана по уравнениям через потокосцепления Парка – Горева, после сравнения результатов математического моделирования процесса пуска на более простой модели, предложенной А.Н. Левиным.

Математическая модель, представляющая собой уравнения движения ЭП системы с учетом также упругости К2 и зазора 0 промежуточной передачи, описываемая уравнениями (1–12), имеет вид:

–  –  –

(9)

–  –  –

где i, – соответственно передаточное отношение и КПД промежуточной передачи; J1 и J2 – соответственно моменты инерции ротора двигателя и вращающихся элементов ВЗМ без учета дебалансов;

МД, Мупр и Мс – соответственно моменты АД, упругого элемента передачи и сопротивления ВЗМ; – полярный радиус центра массы дебаланса m2; К() – коэффициент жесткости нелинейной пружины;

– предварительная деформация пружины; f – коэффициент трения дебаланса m2 о направляющую; 0 – угловая частота переменного тока; р – число пар полюсов; 1 и 2 – углы поворота соответственно ротора двигателя и дебалансов; 1х, 1у, 2х, 2у – составляющие потокосцеплений статора и ротора; U1x, U1у – составляющие напряжения статора; R1, Х1, R2 и Х2 – соответственно активное и индуктивные сопротивления статора и ротора, приведенные к статору; Х12 – индуктивное сопротивление взаимоиндукции между статором и ротором;

– коэффициент сопротивления передачи; z и – перемещение и угол поворота РО соответственно вдоль и вокруг вертикальной оси z; g – ускорение свободного падения; m* и Jz – соответственно масса и момент инерции колеблющейся части относительно оси z; Сz и Кz, С и К – коэффициенты сопротивления перемещения РО и жесткости упругой подвески соответственно вдоль и вокруг оси z; Jнд, Jвд – моменты инерции соответственно неподвижного и выдвигающегося дебалансов.

В четвертой главе «Динамика асинхронного электропривода виброзерноочистительной машины с винтовым колебанием рабочего органа» рассматривается получение аналитических выражений АЧХ, силовых и приводных характеристик ВМ с саморегулируемым вибратором, методик расчета саморегулируемого вибратора и мощности приводного двигателя.

Решением уравнения движения привода получены нагрузочная характеристика (13) и момент статического сопротивления (14)

МВЗМ с регулируемыми параметрами:

Мс = Мст – М1sin2t – M2 sin (22t – 1) – M3 sin (22t – 2), (13)

где Мст – момент статического сопротивления; М1 – амплитуда момента сопротивления сил тяжести дебалансов; М2 – амплитуда момента сопротивления сил инерции колеблющейся части ВЗМ вдоль оси z; М3 – амплитуда момента сопротивления сил инерции колеблющейся части относительно оси z.

Характеристика момента статического сопротивления МВЗМ с регулируемыми параметрами с учетом слагаемых моментов трения после упрощения (с ошибкой не более 1,6%) имеет следующий вид:

–  –  –

где Мкол – момент колебательного движения; Мтр1 и Мтр2 – моменты трения соответственно центробежных сил дебалансов и тяжести вращающихся деталей; М0 – момент трогания; К1 и К2 – собственная угловая частота колебаний упругой подвески соответственно вдоль и вокруг оси z ( 12 mz, 2 J ); 2h1 и 2h2 – коэффициенты демпz фирования упругой подвески соответственно вдоль и вокруг оси z (2h1 z, 2h2 ); D – диаметр вала вибратора в местах посадки подm* Jz шипников; – приведенный коэффициент трения подшипников.

Амплитуды слагаемых М1, М2 и М3 моментов сопротивления определяются выражениями:

–  –  –

По уравнению (14) были рассчитаны и построены механические характеристики МВЗМ (рисунок 8) при регулировании скорости в диапазоне 2рмин – 2рмах по гиперболическому закону (V = 0,268 м/с, Мтр2 = М0 = 0).

1 и 3 – суммарный момент сопротивления соответственно без регулирования и с регулированием амплитуды; 2 и 4 – момент трения Мтр1 соответственно без регулирования и с регулированием амплитуды; 5 – момент колебательного движения РО Рисунок 8 – Механическая характеристика МВЗМ при регулировании амплитуды колебаний по гиперболическому закону (V = 0,268 м/с) Механическая характеристика МВЗМ имеет в рабочем диапазоне 2р = 90 – 300 рад/с возрастающий характер: нелинейный (кривая 1) без регулирования и линейный (кривая 3) при регулировании амплитуды. При меньших угловых скоростях характеристика обладает двумя участками неустойчивого резонансного состояния (К1 и К2).

Анализ характеристик показывает, что резонансные участки целиком зависят только от колебательной составляющей момента сопротивления Мкол (кривая 5), тогда как в рабочем диапазоне угловых скоростей момент сопротивления определяется в основном составляющей Мтр1 от центробежных сил дебалансов (кривые 2 и 4) и в значительной степени зависит от коэффициента трения подшипников, поэтому выбор типа подшипника вибратора должен быть строго обоснован. Как видно, для МВЗМ с первым неподвижным дебалансом кратность резонансного момента сопротивления при резонансе К1 для крайних значений рабочего диапазона скоростей равна 1,7…4,6. У АД (серии 4А, R5 и АИР) мощностью Рн=0,3…5,5 кВт кратности пускового и минимального моментов составляют соответственно 1,7…2,3 и 1,2…1,8, а для двигателей последней серии 5А и 6А, у которых Мп = Ммин = = Мкр – 1,9…2,4. Из приведенных данных следует, что кратности резонансного момента сопротивления, пускового и минимального моментов серийных АД соизмеримы. Это создает тяжелые, а иногда и невозможные условия пуска, вынуждающие разработку специальных мер, таких как, увеличение мощности двигателя, применение массивного ротора или саморегулируемых вибраторов с ограничением резонанса.

Амплитудно-частотные и силовая характеристики саморегулируемого вибратора МВЗМ приведены на рисунке 9. Откуда видно, что режим сепарации для определенной семенной смеси с амплитудой А1 (кривая 1) и угловой частотой 01 обеспечивается выдвижением центробежной силой подвижного дебаланса m2 на радиус (кривая 2) и деформацией нелинейной пружины на l1 и созданием упругой силы F1 (кривая 3).

Для технологической простоты изготовления предложена замена кусочно-линейной аппроксимацией характеристики упругой силы нелинейной пружины линейными характеристиками 4-хцилиндрических пружин. Разработана методика расчета саморегулируемого вибратора.

Рисунок 9 – Амплитудно-частотная и силовая характеристики саморегулируемого вибратора: 1 – А = 0,268/2; 2 – r = f (2); 3 – Fу = f (l) Получены зависимости коэффициента форм нагрузочных диаграмм асинхронного электропривода базового (вибратор с неподвижными дебалансами, клиноременной вариатор скорости) и проектного (саморегулируемый вибратор, полупроводниковый преобразователь частоты) вариантов с учетом механической инерции (22), электромагнитной инерции (23) и с учетом влияния упругости элемента передачи (контрпривода) (24).

Коэффициенты форм нагрузочных диаграмм Кфм, Кфэ, Кфу асинхронного двигателя МВЗМ с учетом:

– механической инерции

–  –  –

Расчетами установлено, что при изменении угловой скорости в рабочем диапазоне 2 = 61…335 рад/с и амплитуды А = 5,0–0,5 мм по зависимости А = 0,344/2, угла первоначальной установки дебалансов = 9…69о для группы ВЗМ с плоскими решетами, куда относится и МВЗМ, коэффициентом формы с учетом упругости из-за малости (с ошибкой не более 0,006%) можно пренебречь. Для базового варианта электропривода МВЗМ при 2 = 61 рад/с и = 69о (рисунок 10) имеет место существенное проявление механической

–  –  –

2,4 2,2 30 0,6 2,0 25 0,5 1,8 20 0,4 ( 2) ( 2).

15 0,3 1,6 ( 2) ( 2).

10 0,2 1,4 0,1 1,2 ( 2) ( 2).

2, 1 / Рисунок 10 – Коэффициенты форм Кфм, Кфэ, Кфу, постоянные времени ТМ, ТЭ, собственная циклическая частота колебаний электропривода д базового варианта от угловой скорости 2 рабочей зоны При тех же параметрах для проектного варианта частотно-регулируемого электропривода (рисунок 11) эти коэффициенты соответственно составляют Кф.м = 1,047 и Кф.э = 1,019 и не превышают 5% от статического момента. Поэтому при расчете мощности двигателя при работе в диапазоне скоростей 2 = (61–100) рад/с влияние инерций можно учесть соотношениями для базового варианта – Рн = (1,7–5,2)Ррасч, для проектного – Рн = 1,1Ррасч.

,,, /..

1,04 0,8 ( 2) ( 2).

1,03 9 0,6 ( 2) 1,02 0,4 ( 2).

1,01 3 0,2 ( 2) ( 2).

1 2, 61 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 / Рисунок 11 – Коэффициенты форм Кфм, Кфэ, Кфу, постоянные времени ТМ, ТЭ, собственная циклическая частота колебаний электропривода д проектного варианта от угловой скорости 2 рабочей зоны В результате анализа выше указанных факторов разработана методика расчета мощности приводного АД МВЗМ с регулируемыми параметрами.

В пятой главе «Методика исследований и обработки опытных данных» излагаются методика исследований и обработка опытных данных процесса колебания РО МВЗМ и электромеханических процессов с АЭП.

Программой исследования предусматривалось в теоретических исследованиях выбрать математическую модель АД посредством математического моделирования; в экспериментальных – провести исследования:

1. Определение конструктивно-кинематических параметров МВЗМ.

2. Получение момента статического сопротивления МВЗМ на холостом ходу, с технологической нагрузкой и слагаемого момента трения вращательного движения.

3. Изучение энергетической характеристики ряда специализированных ВЗМ и инерционной характеристики МВЗМ.

4. Исследование нагрузочной диаграммы МВЗМ и АЭП МВЗМ.

5. Исследование переходных режимов АЭП МВЗМ при пуске, выбеге, а также режимах торможения противовключением и динамического торможения постоянным током.

6. Изучение механических характеристик в двигательном режиме, режиме динамического торможения и энергетических характеристик АД с серийным и разработанным роторами.

В теоретических исследованиях (гл. 3) для установления адекватности модели АД, предложенного А.Н. Левиным, с моделью Парка-Горева было проведено математическое моделирование динамики пуска методом визуального моделирования в программном пакете типа SIMULINK (приложение к MathLab).

Экспериментальные исследования проводились на разработанной в научно-исследовательской лаборатории ВЗМ Харьковского института механизации и электрификации сельского хозяйства (ХИМЭСХ) МВЗМ с винтовыми колебаниями РО.

В качестве преобразователей постоянного и переменного токов использовались соответственно медный шунт и трансформатор тока;

перемещения РО в двух плоскостях – тензометрированные чувствительные элементы (упругие пластины); угловой скорости вала двигателя применялся тахогенератор постоянного тока с постоянными магнитами типа ТГП-1; фазного напряжения – потенциометр, полное сопротивление которого включалось на фазное напряжение; крутящего момента – специальный тензометрический преобразователь, установленный между двигателем и вибратором; каждого оборота дебаланса в момент прохождения ими нижнего положения покоя – индукционный преобразователь.

Опыты по изучению амплитудно-частотных и приводных характеристик ВЗМ и его привода проводились по общепринятой методике. Для измерения механической характеристики и характеристики распределения мощности ряда ВЗМ, получающих привод от АД через клиноременной вариатор скорости (КВС), обоснован и использован метод тарированного АД. Сущность этого метода заключается в следующем. Замерами потребляемой активной и полной мощностей АД определяется коэффициент мощности. По построенным на основании справочных данных энергетическим характеристикам (КПД и cos ) от степени загрузки двигателя конкретного типа АД через cos определяется КПД, и затем из потребляемой АД активной мощности и установленному КПД рассчитываются механическая мощность на валу для соответствующей угловой скорости и искомый момент сопротивления механизма.

Исследование динамики пуска, выбега, торможений противовключением и динамического с постоянным током АЭП ВЗМ проводилось по известной методике.

Из анализа особенностей работы зарезонансных ВЗМ были сформулированы требования к АЭП:

1) плавное регулирование частоты колебаний РО в пределах не менее 21;

2) повышенный пусковой момент и отсутствие провала в пусковой ветви механической характеристики двигателя;

3) обеспечение эффективного торможения при остановке.

Этим требованиям в наибольшей степени соответствуют АД с массивным ротором. Однако двигатели с таким ротором имеют невысокие энергетические показатели и увеличенные капитальные затраты.

Исследование работы двигателя с различными роторами в режиме холостого хода и короткого замыкания проводились по стандартной методике. Механические характеристики АД в двигательном, тормозном режимах и момент статического сопротивления некоторых ВЗМ снимались по известной методике с использованием тарированной машины постоянного тока.

С целью проверки адекватности по критерию Фишера при уровне значимости 0,05 статистической обработке подверглись регрессионные и теоретические модели, обрабатывались рациональные параметры кинематического режима виброобработки материалов, сред, полученных исследователями, результаты измерений АЧХ, силовых, приводных характеристик МВЗМ в установившихся режимах и исследований динамики пуска, выбега и торможений АЭП-МВЗМ.

В шестой главе «Анализ результатов экспериментальных исследований» представлены результаты опытов, которые проводились в лабораторных и производственных условиях. Результаты исследований зависимости амплитуды поворотных колебаний РО МВЗМ от угловой скорости представлены на рисунке 12. Здесь же показана теоретическая кривая, которая уровнем значимости 0,05 по критерию Фишера адекватно описывает опытные данные.

С возрастанием угловой скорости 2 дебалансов с 0 до 30 рад/с увеличение амплитуды поворотных колебаний РО происходит скачком (р). Это связано с наступлением резонанса вследствие совпадения возмущающей 2 и собственной К2 частот ВЗМ вокруг вертикальной оси.

1 – расчетная кривая; 2 – опытные точки

–  –  –

Характеристика момента сопротивления Мст от угловой скорости вращения вала вибратора 2 представляет собой механическую характеристику или момент статического сопротивления ВЗМ.

На рисунке 13 приведены экспериментальная и расчётная характеристики МВЗМ с параметрами: m* = 372 кг, Jz = 48,68 кг·м2, 1 = 2 = 680, m1 = 2,3 кг, r1 = 0,068 м, m2 = 0, r0 = 0, = 0,008. Сравнение опытной характеристики с расчетной показывает, что механическая характеристика адекватно описывает опытные данные. Оценено влияние технологической нагрузки на момент сопротивления, которое достаточно учесть коэффициентом 1,31 от мощности холостого режима работы ВЗМ.

1 – экспериментальная; 2 – расчетная уточненная Мст = Мкол + Мтр1 + Мтр2;

3 – момент сопротивления Мтр2 от сил тяжести вращающихся деталей

–  –  –

Большое значение при проектировании и анализе работы электропривода имеет нагрузочная диаграмма.

Она оценивается коэффициентом формы нагрузочной диаграммы Кфм, определяемым отношением среднеквадратичного момента сопротивления Мср.кв к статическому моменту Мст:

–  –  –

где М1max и М2max – максимальные амплитуды 1-й и 2-й гармоник колебаний статического момента по нагрузочной диаграмме. Степень влияния формы нагрузочной диаграммы на электропривод тем выше, чем Кфм 1.

Экспериментальная нагрузочная диаграмма в функции от угла поворота дебаланса для АЭП МВЗМ при угловой скорости 2 = 240 рад/с приведена на рисунке 14. На диаграмме штриховой линией, соответствующей половине амплитуды колебаний момента, отмечены наиболее характерные точки 1…5, в которых Кфм может быть наибольшим (Кфм1 = 1,013; Кфм2 = 1,012; Кфм3 = 1,010; Кфм4 = 1,019; Кфм5 = 1,014).

Из полученных данных следует, что наибольшие значения Кфм находятся в пределах 1,010…1,021. Полученные результаты несколько выше расчетных, которые при данных условиях не превышают 1,0003, отличаются от опытных на 2,03%, что находится в допустимых пределах. Значит, нагрузочную диаграмму при выборе двигателя в рассмотренном диапазоне изменения параметров для этого базового варианта МВЗМ можно учесть простым соотношением Рдв=1,1 Ррасч.

Рисунок 14 – Экспериментальная нагрузочная диаграмма АД МВЗМ Проведен анализ распределения мощности в холостом режиме работы для 4-х типов ВЗМ (таблица 2): МВЗМ, высокочастотная ВМ Петрусова (ВВМ-П), ВМ для очистки и сортировки семян лекарственных трав (ВМОСЛТ), ВМ для разборки образцов семян (ВМРОС).

–  –  –

Установлено, что внутри диапазона регулирования скорости КВС (120–240 рад/с) на поддержание вибрации РО ВЗМ без технологической нагрузки затрачивается в среднем 55,1% (50–59%) от номинальной мощности двигателя при минимальной скорости и до 93,2% (72–107%) – при максимальной. При этом значительная доля мощности связана с работой КВС, которая составляет в среднем 51% (24–75%) от мощности ВЗМ при минимальной и 31% (17–41%) при максимальных скоростях, что говорит о значительной энергонасыщенности КВС.

Исследованы переходные процессы пуска и выбега системы «МВЗМ–АД», тормозные режимы (противовключения и динамическое торможение). Установлено, что при пуске превышение резонансных амплитуд относительно установившихся рабочих (допустимое превышение 2–4 раза) доходит для вертикальных до 3,26–6,74 (в среднем 4,22), поворотных до 3,28–7,38 (в среднем 4,25). При выбеге они соответственно составляют 5,22–6,96 (в среднем 6,09) и 3,69–6,97 (в среднем 5,53). Приведенные результаты указывают на необходимость ограничения резонансных амплитуд в этих процессах.

На рисунке 15 представлены зависимости превышения резонансных вертикальной Zp/Zy и поворотной p/y амплитуд от кратности от/ р скорости отключения от торможения противовключением относительно резонансной р.

–  –  –

Рисунок 15 – Зависимость превышения резонансной амплитуды колебаний от кратности скорости отключения торможения противовключением ( – экспериментальные точки) Видно, что применяемое на ВМ торможение противовключением не обеспечивает снижение резонансных амплитуд в пределах эксплуатационных требований и составляет в среднем Zp/Zy = 2,75 и p/y 4,38.

Причем приведенные результаты обеспечиваются только при условии отключения торможения АД в диапазоне от/р = (-0,1) … (+0,2).

Влияние предлагаемого динамического торможения на резонансные амплитуды колебаний РО представлено на рисунке 16.

–  –  –



Pages:   || 2 |








 
2016 www.konf.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, диссертации, конференции»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.