Применение линейных электромагнитных приводов в шайбовых кормораздаточных транспортерах
На правах рукописи
МОИСЕЕВ Алексей Петрович
ПРИМЕНЕНИЕ ЛИНЕЙНЫХ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРИВОДОВ
В ШАЙБОВЫХ КОРМОРАЗДАТОЧНЫХ
ТРАНСПОРТЕРАХ
Специальность 05.20.02 – Электротехнологии
и электрооборудование в сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Саратов 2011
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образо вания «Саратовский государственный аграрный университет им.
Н.И. Вавилова».
Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Усанов Константин Михайлович
Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор Ерошенко Геннадий Петрович доктор технических наук Степанов Сергей Федорович
Ведущая организация – Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия (ФГБОУ ВПО ВГСХА)
Защита состоится 23 декабря 2011 года в …. часов на заседании диссертационного совета Д 220.061.03 при ФГБОУ ВПО «Саратов ский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова» по адресу: 410056, г. Саратов, ул. Советская, 60, ауд. 325.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова».
Отзывы на автореферат направлять по адресу: 410012, г. Са ратов, Театральная пл., 1, ученому секретарю диссертационного совета.
Автореферат диссертации разослан « » ноября 2011 г. и разме щен на сайтах Минобрнауки РФ и www.sgau.ru/.
Ученый секретарь диссертационного совета Н.П. Волосевич
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Раздача кормов является определя ющим технологическим процессом в животноводстве, на долю которого приходится значительная часть общих затрат труда и технических ресурсов. Применяемые в настоящее время элек трифицированные стационарные кормораздатчики оборудова ны приводными станциями с асинхронными двигателями (АД) вращательного действия. Применение промежуточных кине матических звеньев и преобразователей движения усложняет конструкцию, увеличивает металлоемкость привода, снижает энергетические показатели оборудования. Прогрессивным направлением интенсификации операций, процессов и совер шенствования оборудования представляются импульсные и вибрационные способы, позволяющие концентрировать и эф фективно расходовать энергию. При этом одним из перспек тивных подходов к совершенствованию приводов некоторых кормораздаточных транспортеров является применение сило вых дискретных систем, создаваемых на базе линейных элек тромагнитных двигателей (ЛЭМД), отличающихся относи тельно малым энергопотреблением, сравнительно высокими удельными показателями и обеспечивающих непосредствен ное преобразование электрической энергии в механическую работу перемещения рабочего органа по линейной траектории.
Исследования проводились по плану НИОКР ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова» в соответствии с темой № 6 «Повышение эффективности энергетического обеспече ния систем АПК».
Цель работы – повышение эффективности привода шай бового транспортера заменой двигателя непрерывного враща тельного движения дискретным ЛЭМД.
Объект исследования – электропривод шайбового кормо раздаточного транспортера с ЛЭМД.
Предмет исследования – рабочие процессы силовой си стемы с линейным электромагнитным двигателем.
Методика исследования. В работе использованы анали тические и экспериментальные методы исследования, осно ванные на теории электрических машин, теоретических осно вах электротехники и автоматизированного электропривода. В экспериментальных исследованиях и при обработке результа тов использовались современные средства измерительной тех ники и прикладные пакеты программ FEMLAB, ELCUT, МАTLAB (приложение «Simulink»).
Научная новизна работы:
– исследованы рабочие процессы и сформулированы ре комендации по выбору конструктивных и режимных факто ров, сочетание которых обеспечивает необходимые выходные силовые и энергетические показатели ЛЭМД, используемого для привода шайбового кормораздаточного транспортера;
– аналитически определено и подтверждено эксперимен тально соотношение сечений элементов магнитной системы «якорь – осевой канал» ЛЭМД, при котором его выходные по казатели ухудшаются не более чем на 15 % по сравнению с двигателем без канала;
– предложена принципиальная схема и разработан – на уровне изобретения – ЛЭМД с осевым каналом и интегриро ванным передаточным устройством, реализующий однона правленное или реверсивное движение шайбового кормораз даточного транспортера.
Практическая ценность работы. Создана силовая систе ма для привода шайбового кормораздаточного транспортера, содержащая линейный электромагнитный двигатель с инте грированным устройством передачи механической энергии якоря транспортеру и уменьшенными в среднем на 30–50 % массогабаритными показателями по сравнению с традицион ными приводами.
Реализация научно-технических результатов. Техниче ские решения, реализованные при создании силовой системы с ЛЭМД для привода шайбового кормораздаточного транспор тера, одобрены техническими специалистами ООО «Возрож дение-1» (ПЛЕМРЕПРОДУКТОР II порядка (птицефабрика)), Саратовская обл., с. Идолга.
Апробация работы. Основные положения работы докла дывались и обсуждались на конференции, посвященной 120-й годовщине со дня рождения академика Н.И. Вавилова (Сара тов, 26–30 ноября 2007);
на Международной научно практической конференции, посвященной 95-летию Саратов ского госагроуниверситета (Саратов, 26–27 ноября 2008);
на XV Международной научно-практической конференции «По вышение эффективности использования ресурсов при произ водстве сельскохозяйственной продукции – новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животно водства» (Тамбов, 18–19 сентября 2009);
на конкурсе научных проектов молодых ученых «Инновационная наука – молодой взгляд в будущее» (Саратов, 22 октября 2009);
на Междуна родной научно-практической конференции «Научное обеспе чение агропромышленного производства» (Курск, 20–22 января 2010);
на Международной научно-практической конференции «Энергетика предприятий АПК и сельских территорий: состо яние, проблемы и пути решения» (Санкт-Петербург – Пушкин, 28–29 января 2010);
на ежегодных научно-технических конфе ренциях профессорско-преподавательского состава Саратов ского ГАУ им. Н.И. Вавилова в 2005–2011 гг.
Публикация результатов исследования. По теме диссерта ции опубликовано 16 печатных работ, в том числе три работы в изданиях, указанных в «Перечне…» ВАК, и один патент РФ на изобретение. Общий объем публикаций составляет 4,25 печатных листа, из них 2,5 печатных листа принадлежат лично соискателю.
На защиту выносится:
– обоснование целесообразности применения силовой си стемы с ЛЭМД в приводе шайбовых кормораздатчиков;
– обоснование параметров и конструкции ЛЭМД для при вода шайбовых кормораздаточных транспортеров;
– принципиальные схемы импульсных электрических управляющих преобразователей для ЛЭМД привода шайбо вых кормораздаточных транспортеров;
– результаты экспериментальных исследований рабочих процессов в силовой системе с ЛЭМД привода шайбовых кормораздаточных транспортеров.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Диссертационная работа изложена на 157 стра ницах машинописного текста, содержит 18 таблиц, 51 рису нок, 3 приложения. Список литературы включает 140 наиме нований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность и новизна темы, да на краткая характеристика работы, приводятся данные о реа лизации и апробации результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Анализ способов и технических средств ме ханизированной доставки и раздачи кормов. Цель и задачи иссле дований» рассмотрены технические средства доставки и раздачи кормов животным и птице, усовершенствована классификация представленных устройств, сопоставлены особенности электриче ских приводов для перемещения рабочих органов транспортеров.
Применяемые в технологических установках приводы с элек тродвигателями вращательного движения отличаются известным разнообразием доведенных до совершенства конструкций, харак теристик, показателей. Это делает неочевидной предпочтитель ность замены традиционных приводов и двигателей другими, например линейными, и не позволяет сформулировать однознач ные рекомендации по определению их параметров, поскольку за мена двигателя в приводе существенно влияет на технико экономические показатели установки и процесса в целом.
Вместе с тем использование дискретных электрических приводов и двигателей, например линейных электромагнит ных, обеспечивающих линейную траекторию якоря (ротора) без преобразователей движения, представляется перспектив ным подходом к совершенствованию электрических приводов технологических установок, в которых рабочий орган и про дукт перемещаются по линейной траектории, в частности, кормораздаточных транспортеров. Существенный вклад в раз работку теории и вопросов практического применения элек троприводов с линейными электрическими двигателями при надлежит П.М. Алабужеву, О.Д. Алимову, В.К. Манжосову, Н.П. Ряшенцеву, В.В. Ивашину, Г.Г. Угарову, Е.М. Тимошен ко, В.И. Мошкину, А.В. Львицыну и другим специалистам.
На рис. 1 представлены структурные схемы приводов обобщенной технологической установки (на примере кормораз датчика c шайбовым транспортером фирмы BigDutchman): тра диционного, с асинхронным электродвигателем вращательного движения и силовой системы на основе линейного электромаг нитного двигателя (рис. 1, б). Применение в приводе линейного электромагнитного двигателя (ЛЭМД) позволяет осуществлять непосредственное преобразование электрической энергии в ки нетическую энергию прямолинейного движения якоря и сочле няемого с ним рабочего органа транспортера. Отсутствие пре цизионных узлов, преобразователей движения, редукторов и т.
п. обеспечивает этим приводам конструктивную простоту и лучшие массогабаритные показатели, а возвратно поступательное движение якоря позволяет передать механиче скую энергию непосредственно рабочему органу. Секционная конструкция некоторых шайбовых кормораздаточных транс портеров (ОПБ-1, BigDutchman) позволяет при монтаже менять их длину (60…200 м) и подстраивать под габариты животно водческих помещений и особенности выбранного технологиче ского оборудования для содержания животных или птицы.
а б Рис. 1. Структурные схемы электропривода кормораздатчика: а – с асинхронным двигателем (АД – асинхронный двигатель, УУЗ – устройство управления и защиты, Р – редуктор, ПП – промежуточ ные передачи, РО – рабочий орган);
б – с линейным электромагнит ным двигателем (ИЭП – импульсный электрический преобразова тель, ЛЭМД – линейный электромагнитный двигатель с захватыва ющим механизмом) Рабочая гипотеза основана на том, что совмещение в од ном силовом элементе привода дискретного ЛЭМД и устрой ства передачи движения от якоря к рабочему органу транс портера ведет к упрощению и удешевлению системы, улучша ет массогабаритные показатели, повышает энергетические характеристики, снижает затраты на обслуживание.
При замене штатного двигателя вращательного действия дис кретным ЛЭМД приняты следующие ограничения и допущения:
– подразумеваются транспортеры с диаметром шайб до 30 мм и суммарной длиной троса, цепи и т. п. до 100 м;
– кормопровод заполнен сыпучим однородным кормом влажностью 14–16 %;
загрузка кормопровода неизменна и со ставляет 0,75 от максимальной;
– рабочий орган транспортера является нерастяжимым и неупругим;
масса рабочего органа и корма полагается неиз менной, сосредоточенной и приведенной к якорю ЛЭМД;
– сочленение «якорь – транспортер» при передаче механи ческой энергии от ЛЭМД к транспортеру идеально;
потери и взаимные смещения элементов отсутствуют;
– совместное движение элементов «якорь – транспортер»
при каждом срабатывании ЛЭМД происходит с минимальным, близким к нулю, ускорением.
Сопоставительным анализом с использованием метода экспертных оценок предварительно определена совокупность характерных показателей, по которым может достигаться вы игрыш при замене традиционных приводов приводами с ЛЭМД на примере шайбовых транспортеров (ОПБ-1, BigDutchman): металлоемкость, эксплуатационные затраты и т. п.
В соответствии с результатами анализа и поставленной це лью сформулированы следующие задачи исследования:
– провести сопоставительный анализ стационарных кормораз датчиков и их электроприводов, обосновать целесообразность применения силовых систем с ЛЭМД в приводе этих установок;
– обосновать рациональную геометрию и соотношения в магнитной системе броневых цилиндрических двухзазорных ЛЭМД моделированием статических и динамических режимов ЛЭМД с использованием прикладных программ для обеспече ния необходимых удельных силовых и энергетических показа телей привода;
– определить способы передачи механической энергии ЛЭМД транспортеру;
создать принципиальные схемы и кон струкции ЛЭМД с интегрированными устройствами передачи механической энергии якоря шайбовому кормораздаточному транспортеру;
усовершенствовать электрические управляю щие преобразователи для реализации эффективных энерго преобразовательных циклов ЛЭМД;
– исследовать экспериментально статические режимы, ха рактеристики двигателя и энергопреобразовательные процес сы в приводе с ЛЭМД;
выявить сочетание конструктивных и режимных факторов, обеспечивающее необходимые силовые и энергетические показатели привода шайбового корморазда точного транспортера с ЛЭМД;
– дать технико-экономическую оценку результатов ис пользования ЛЭМД в приводе шайбовых кормораздаточных транспортеров.
Во второй главе «Теоретические предпосылки к обоснованию типа магнитной системы, конфигурации элементов и конструкции ЛЭМД привода шайбового кормораздаточного транспортера» ре шены следующие основные задачи: 1) обоснованы по результатам моделирования тип магнитной системы ЛЭМД и способы повы шения его удельных энергетических показателей;
2) определены необходимые соотношения сечений якоря и осевого канала ЛЭМД и его статические тяговые характеристики;
3) обоснованы пара метры устройства передачи механической энергии якоря транс портеру;
4) разработан – на уровне изобретения – ЛЭМД с осевым каналом и интегрированным устройством передачи механической энергии для шайбовых кормораздаточных транспортеров. Разра ботка комплекса рекомендаций при решении поставленных задач требует обоснования типа магнитной системы ЛЭМД (рис. 2), ока зывающей решающее влияние на энергетические показатели со здаваемой машины.
Анализ литературных источников и опубликованных дан ных показал, что из всего многообразия применяемых на практике типов магнитных систем ЛЭМД значительными по тенциальными возможностями и конструктивной универсаль ностью, позволяющей создавать дискретные машины различ ного назначения, обладают броневые цилиндрические одно обмоточные ЛЭМД с двумя рабочими зазорами и комбиниро ванным якорем (рис. 2), которые выбраны за основу для раз работки приводного двигателя транспортера.
а б в Рис. 2. Магнитная система броневого цилиндрического ЛЭМД:
а – с комбинированным якорем, плоскими рабочими зазорами, без стопа;
б – с комбинированным якорем, плоскими рабочими зазорами и стопом;
в – с конусным внутренним рабочим зазором и стопом Наличие (рис. 2, б, в) или отсутствие (рис. 2, а) стопа в магнитной системе и форма внутреннего воздушного ра бочего зазора (рис. 2, б, в) су щественно влияют на силовые и энергетические характери стики ЛЭМД. Кроме того, общей отличительной особен ностью, которая ранее не учи тывалась для конструктивных схем ЛЭМД на рис. 2, являет ся имеющийся в магнитной цепи сквозной осевой немаг нитный канал, необходимый Рис. 3. Картины силовых линий для размещения рабочего ор- магнитных полей: rо.к = 0,3r1 (при гана транспортера и оказыва- = н) – конусный стоп ( = 45°) ющий негативное влияние на выходные показатели двигателя. Для выработки обоснован ных рекомендаций по выбору конфигураций рабочих зазоров и соотношений сечений магнитных и немагнитных элементов в магнитной системе ЛЭМД исследованы полученные аналити чески, с помощью программного комплекса FEMLAB, картины магнитных полей с распределением силовых линий (рис. 3), а также статические силовые характеристики ЛЭМД (рис. 4).
Для сопоставления свойств и определения пред почтительности выбора конструктивной схемы по рис. 2, а, б, в использованы характерные силовые и энергетические показатели:
начальное Fн, конечное Fк усилия, интегральная работа Аи или удельные, на единицу массы mэ двигателя показатели (табл. 1).
Оценка ухудшающего влияния осевого канала на показатели ЛЭМД проведена для моделей, у которых радиус rо.к канала составляет rо.к = 0,7r1;
rо.к = 0,3r1;
rо.к = 0,1r1 радиуса r1 втяжной части якоря (рис. 2, а).
Рис. 4. Статические тяговые характеристики ЛЭМД : 1 – без сто па;
2 – со стопом;
3 – при rо.к = 0,7 r1;
4 – при rо.к = 0,3 r1;
5 – при rо.к = 0,1r1;
6 – rо.к = 0,3r1 – конусный рабочий зазор ( = 45°) – расчет;
7 – r о.к = 0,3r 1 – конусный рабочий зазор ( = 45°) – эксперимент Обработка статических характеристик (рис. 4) показала, что в случае чрезмерно большой величины rо.к = 0,7r1 наблю дается существенное снижение усилия Fн при начальном ра бочем зазоре, приводящее к уменьшению удельной мощности машины. При rо.к = 0,1r1 имеет место увеличение усилия при втянутом якоре и малых зазорах с одновременным снижением Fн, что приводит к ухудшению удельных энергетических пока зателей. ЛЭМД с величиной rо.к = 0,3r1 развивает большее на 20–25 % начальное усилие Fн, имеет меньшее в среднем в 2 раза усилие Fк на малых зазорах, при этом снижение инте гральной работы Аи в сравнении с моделью со сплошным, без канала якорем незначительно и не превышает 15 %.
Оценка совокупного влияния на эффективность ЛЭМД осевого канала и геометрических свойств внутреннего рабоче го зазора (рис. 2) определялась сопоставлением значений раз виваемых двигателем усилий Fн, Fк при начальном или втяну том положении якоря, конфигураций соответствующих стати ческих характеристик Fэ = f (), i = const (рис. 4) или значе ний интегральной работы Аи, Аи /mэ (табл. 1), определяемой обработкой соответствующей кривой на рис. 4 на основе вы к F d, где Fэ – усилие, создаваемое неподвиж ражения Аи = э н ным якорем при некотором зазоре и установившемся токе i = const в обмотке;
н, к – координаты начального и конеч ного (втянутого) положений якоря.
Сравнение кривых на рис. 4 показывает, что статическая ха рактеристика ЛЭМД имеет нелинейный, гиперболический харак тер, когда электромагнитное усилие Fк двигателя при малых зазо рах к резко возрастает и во много раз превосходит начальное Fн (характеристики 1, 4, 5 на рис. 4). Предпочтительной здесь пред ставляется характеристика вида 6 (рис. 4), при которой двигатель развивает в 1,8–2 раза большее значение Fн, необходимое для уве ренного трогания загруженного транспортера, и обеспечивается минимальная кратность Fн/Fк роста развиваемого втягивающимся якорем усилия, что создает предпосылки к обеспечению близкого к равномерному движения транспортера и перемещаемого корма в каждом рабочем цикле ЛЭМД. Представленные в табл. 1 показа тели удельной интегральной работы Аи /mэ также однозначно сви детельствуют о предпочтительности модели с конусным внутрен ним рабочим зазором и стопом.
Таблица Удельные показатели электромагнитных двигателей Критерии, % Тип магнитной системы Fн /mэ Аи /mэ С комбинированным якорем, плоскими рабочими зазорами, 68 без стопа С комбинированным якорем, плоскими рабочими зазорами и 95 стопом С конусным внутренним рабочим зазором и стопом 100 Важным этапом разработки и создания ЛЭМД для заявлен ного применения представляется обоснование конструктивной схемы устройства передачи механической энергии (УПМЭ) дви гателя рабочему органу транспортера, например, тросу или штанге, его компоновка в схему двигателя, разработка рекомен даций по определению геометрических параметров. Очевидно, что конструкция и параметры этого устройства определяют, главным образом, эффективность передачи, технические и экс плуатационные показатели привода. Анализ литературных ис точников показал, что наибольший интерес при создании ЛЭМД привода транспортеров представляют зажимной механизм с са мотормозящимся клиновым сопряжением и механизм с зацепле нием за шайбы. В работе, на основе опубликованных данных, сформулированы рекомендации по определению геометрии за жимного механизма этого типа. С учетом результатов исследо ваний предложены конструкции ЛЭМД для перемещения рабо чего органа шайбового транспортера (рис. 5, 6).
Рис. 5. Конструкция ЛЭМД: 1 – крышка;
2 – статор;
3 – якорь;
4 – обмотка;
5 – возвратная пружина;
6 – зажимной механизм;
7 – рабочий орган Рис. 6. Конструкция ЛЭМД с зацеплением за шайбы;
1 – крышка;
2 – статор;
3 – якорь;
4 – обмотка;
5 – возврат ная пружина;
6 – захва тывающий механизм;
7 – рабочий орган В третьей главе «Импульсные электрические преобразовате ли линейного электромагнитного двигателя шайбового кормораз даточного транспортера» рассмотрены электрические преобразо ватели, соответствующие требуемым режимам работы привода транспортера. Отличительной особенностью линейных электро магнитных двигателей и систем с их использованием является цикличный характер электромеханического преобразования энер гии, при котором регулярно подаваемые в обмотку двигателя им пульсы электрической мощности преобразуются в механическую работу по перемещению якоря и сочлененного с ним рабочего ор гана транспортера. По окончании очередного питающего импуль са втянувшийся в обмотку якорь расцепляется с транспортером и под действием упругого элемента (пружины) совершает возврат в исходное положение, и далее циклы повторяются. Дискретный характер энергопреобразования делает невозможным непосред ственное, напрямую подключение обмотки ЛЭМД к источнику (электрической сети), как, например, у традиционного асинхрон ного двигателя, и обусловливает необходимость включения между зажимами источника и ЛЭМД специального электрического пре образователя (ЭП), формирующего питающие импульсы напря жения и тока в каждом энергопреобразовательном цикле ЛЭМД.
Схемотехнические особенности ЭП определяются требованиями рабочего процесса рабочей машины. В работе кратко рассматри ваются особенности построения ЭП, используемых для подклю чения ЛЭМД прессов, молотов, сводообрушителей, переносных электромагнитных ударных машин.
Характерное, определяющее отличие, которое необходимо учесть при создании ЭП ЛЭМД шайбового кормораздаточного транспортера, – это приложенное к якорю на всем его рабочем ходе противодействующее усилие, создаваемое перемещаю щим корм рабочим органом транспортера. Соответственно нагрузке необходимо определять длительность питающего импульса напряжения и тока, необоснованное увеличение ко торой резко снижает энергетические показатели системы и приводит к перегреву машины.
Автоподстройку дозирования подаваемой в обмотку в каждом рабочем цикле ЛЭМД энергии обеспечивают ЭП с об ратной связью, например, по координате совершающего рабо чий или холостой ход якоря. Однако их применение представ ляется эффективным лишь для импульсных электромагнитных машин ударного действия – сводообрушителей, молотов и др., где достаточно обеспечить контроль предельных или близких к предельным положений якоря в рабочем цикле линейного электромагнитного двигателя. В развитие схем известных ЭП для ЛЭМД импульсных электромагнитных машин в работе предложена принципиальная схема (рис. 7) электрического преобразователя, в котором реализуется обратная связь по ве личине растягивающего трос транспортера усилия нагруже ния, обеспечивающая варьирование длительности питающего обмотку импульса при изменении нагрузки ЛЭМД, уменьша ющая нагрев машины и повышающая выходные силовые и энергетические показатели.
Рис. 7. Принципиальная схема управления ЛЭМД привода транспортера В четвертой главе «Экспериментальные исследования электромеханического преобразования энергии в ЛЭМД шай бового кормораздаточного транспортера» разработаны методи ка и лабораторная установка для экспериментальных исследо ваний стационарного режима ЛЭМД и энергопреобразователь ного процесса в приводе, определены закономерности влияния на его эффективность конструктивных и режимных параметров, сформулированы практические рекомендации по их выбору.
Структурная схема с цепями регистрации параметров представ лена на рис. 8;
общий вид экспериментальной установки пока зан на рис. 9. Установка содержит ЛЭМД с осевым каналом и интегрированным зажимным механизмом, нагружаемый в экс периментах моделью шайбового транспортера, электрический преобразователь ЭП с управляемым выпрямителем, емкостный (конденсаторный) накопитель энергии (ЕНЭ), комплект кон трольно-измерительной аппаратуры, персональный компьютер, оснащенный многофункциональной платой АЦП.
Рис. 8. Структурная схема стенда: 1 – силовая система с ЛЭМД;
2 – рабочий орган;
3 – импульсный преобразователь;
4 – КИА;
5, 6 – потенциометрические датчики перемещения рабочего органа, якоря;
7 – модель нагрузки Рис. 9. Общий вид экспериментальной установки: 1 – ЛЭМД;
2 – рабочий орган;
3 – импульсный электрический преобразователь;
4 – цифровой осциллограф;
5, 6 – потенциометрические датчики;
7 – модель нагрузки (кормопровод);
8 – тензометрический датчик;
9 – ПК с платой ЛА-70М4;
10 – электронный индикатор силы Стационарные и динамические процессы в ЛЭМД и эле ментах привода предварительно, до проведения эксперимен тов на установке рис. 9, воспроизводились с помощью про граммного комплекса моделирования динамических процес сов «Simulink», который представляет собой взаимосвязь бло ков, осуществляющих необходимые математические преобра зования входных сигналов, является составной частью про граммного продукта «Matlab» и предназначен для исследова ния переходных процессов, описываемых дифференциально интегральными уравнениями. Моделирование выполнено сов местно с канд. техн. наук Д.А. Вырыхановым.
Для детального выявления особенностей электрического взаимодействия импульсной нагрузки (ЛЭМД) с другими элементами привода проводилась одновременная регистра ция динамических характеристик исследуемой системы:
мгновенных значений напряжения u(t) и тока i(t), протекаю щего по обмотке двигателя, а также перемещения якоря (t) и рабочего органа шайбового транспортера р.о(t) в функции времени. Запись указанных величин производилась на персо нальный компьютер, связанный с исследуемой системой тен зометрическими и потенциометрическими датчиками через многофункциональную плату аналого-цифрового преобразо вателя (рис. 9).
Для формирования подаваемых в обмотку ЛЭМД питаю щих импульсов мощности использовался электрический пре образователь ЭП, подключаемый непосредственно к сети трехфазного переменного тока общего значения (рис. 8), либо использовался дополнительно промежуточный емкостный накопитель ЕНЭ, обеспечивающий согласование режимов энергоотдачи и энергопотребления в системе «источник – нагрузка», уменьшающий влияние импульсной индуктивной нагрузки на источник и другие подключаемые потребители.
Характерный вид временных характеристик системы для этих подключений показан на рис. 10, 11.
Рис. 10. Временная диаграмма силовой системы с ЛЭМД привода кормораздатчика Рис. 11. Временная диаграмма силовой системы с ЛЭМД привода кормораздатчика с питанием от емкостного накопителя Необходимым этапом обоснования возможности замены традиционного электропривода электромагнитным представ ляется оценка тяговых возможностей ЛЭМД и его способно сти преодолевать сопротивление рабочего органа транспорте ра по силовой характеристике F() двигателя. При этом суще ствующие методики экспериментального определения стати ческих тяговых характеристик, основанные на измерении раз виваемых неподвижным якорем двигателя усилий при фикси рованных зазорах 1, 2,..., i и установившихся значениях то ка i = const в обмотке, позволяют оценить лишь предельное значение F () при неизменной индукции, без учета действия возникающих противо-ЭДС, вихревых токов, потерь в стали, т. е. для идеальных условий, недостижимых в рабочих циклах двигателя при взаимодействии с нагрузкой.
В развитие существующих, в работе использована методика определения квазистатической силовой характеристики, т. е.
развиваемых двигателем при неподвижном якоре и фиксиро ванных зазорах максимальных, за время питающего импульса, усилий, позволяющая учесть совокупное действие большинства перечисленных негативных факторов. При исследовании ис пользовался универсальный цифровой динамометр серии ДОУ-3-50И, позволяющий регистрировать пиковые (макси мальные) значения силы и обрабатывать результат с помощью табличного приложения Excel. Полученные по результатам обработки квазистатические тяговые характеристики ЛЭМД с относительным размером осевого канала r = 0,3;
r = 0, показаны на рис. 12. Из диаграмм следует, что по силе тяги при начальном положении якоря ЛЭМД с относительным размером осевого канала r = 0,7 существенно, в 1,6 раза, уступает ЛЭМД с r = 0,3. Последующее сравнение этих ЛЭМД в рабочих режимах, при движущемся якоре показало, что при одинаковых начальных условиях двигатель с r = 0,3 также имеет большую в 1,25–1,3 раза механическую энергию на выходе, что подтверждается построенными в осях –i «потокосцепление – ток» (рис. 13) энергетическими диаграммами и табл. 3.
Анализ результатов исследований и полученных данных показал, что рассматриваемый электромагнитный привод транспортера с использованием ЛЭМД является многофактор ной системой, изучение которой следует проводить с исполь зованием методов теории планирования экспериментов.
Рис. 12. Квазистатические тяговые характеристики:
1– r = 0,7;
2 – r = 0, Рис. 13. Энергетические диаграммы: 1 – расчетная с r = 0,3;
2 – эксперимент с r = 0,3;
3 – эксперимент с r = 0, Таблица Энергетические показатели ЛЭМД Относитель- Начальная Механическая Магнитный Потери ный размер магнитная энергия двигате- КПД м, в меди Wм, осевого энергия Wмн, ля A, Дж о.е. Дж канала Дж 23 0,43 56 r = 0, 29 0,45 55 r = 0, При этом, в отличие от импульсных электроприводов машин ударного действия, где главным выходным параметром является механическая энергия Ау, а граничные условия определяют КПД машины, в приводных ЛЭМД шайбовых кормораздаточных транспортеров определяющей величиной выступает среднее зна чение развиваемого на рабочем ходе и передаваемого от якоря транспортеру усилия Fт, которое будет обусловливаться электри ческими (форма, полярность, амплитуда, продолжительность питающего импульса, параметры обмотки) и механическими (геометрия якоря, осевого канала, соотношение их сечений или радиусов r) показателями. Параметром ограничения здесь также выступает КПД двигателя. В соответствии с этим для ЛЭМД, питаемого импульсом трехфазного синусоидального выпрямлен ного однополупериодного напряжения (рис. 10), в качестве неза висимых переменных выбраны вольт-секундная экспозиция об мотки ut = U* и относительный радиус r осевого канала при неизменных обмоточных данных двигателя.
Регрессионный полином, определяющий зависимость Fт=f(U*,r), имеет вид:
Fт = 856 + 157 Х 1 – 70 Х 2 – – 50 Х 12 – 37 Х 2 – 28,5 Х 1 Х 2. (1) Поверхность отклика пред ставлена на рис. 14. Увеличение питающего импульса U* приво Рис. 14. Поверхность отклика дит к росту значений Fт при от Fт = f(U*, r) носительном размере осевого канала r с оптимальным значе нием, полученным моделированием во 2 главе.
Для ЛЭМД, питаемого разрядным импульсом емкостного накопителя, независимыми переменными, влияющими на Fт, яв ляются емкость С, напряжение U промежуточного накопителя и r. Для трех независимых факторов и их вариации на трех уров нях в работе получено уравнение регрессии и дан его анализ.
Рис. 15. Номограмма для определения параметров питающего импульса и тягового усилия ЛЭМД. Магнитная система: 1 – без стопа;
2 – со стопом;
3 – rо..к.= 0,3r1;
4 – rо.к = 0,3r1 – конусный стоп ( = 45°);
W1=729 витков;
W2= витка;
W3=1033 витка.
По результатам выполненных исследований и с учетом опубликованных рекомендаций по выбору соотношений раз меров в двухзазорных броневых цилиндрических ЛЭМД в ра боте предложен следующий порядок определения показателей запатентованной конструкции двигателя для привода шайбо вых транспортеров:
– определяют значение усилия Fт для трогания транспор тера, исходя из свойств корма, загруженности, особенностей взаимодействия шайб с кормопроводом и т. д.;
– определяют механическую работу Aмех, необходимую для перемещения транспортера при срабатывании ЛЭМД, полагая рабочий ход якоря равным расстоянию между смежными шайбами транспортера;
– исходя из соотношения между интегральной работой Aи ЛЭМД и Aмех: Aи = 2Aмех, определяют базисный размер r1 якоря ЛЭМД, размер осевого канала rо.к= 0,3r1 с учетом условия 2rо.к dш, где dш – диаметр шайбы транспортера;
– пользуясь рекомендациями по выбору рациональных геометрических соотношений в ЛЭМД с комбинированным якорем, определяют внутренний rвн = r1, наружный r2 радиус обмотки и ее длину lо: r2 /r1 = 1,5…1,6;
lо /r1 = 2…4.
В работе предложена номограмма (рис. 15) для оценки влияния параметров питающих импульсов на изменение тяго вых усилий ЛЭМД в зависимости от обмоточных данных, по лученная по результатам исследований.
Проведена оценка предполагаемой эффективности внедре ния силовой системы с ЛЭМД для привода шайбового транс портера кормораздатчика фирмы BigDutchman (табл. 4).
Таблица Экономическая эффективность Наименование показателей с АД с ЛЭМД 1. Капиталовложения (инвестиции), руб. 38720 2. Годовая экономия эксплуатационных расходов, руб. – 5675, 3. Годовой экономический эффект по приведенным затра – 8212, там, руб.
4. Срок окупаемости, лет – 3, 5. Верхний предел цены новой техники, руб. – 23202, 6. ЧДД или интегральный эффект, руб. – 1889, 7. Индекс доходности, руб./руб. – 1, ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Сравнительным анализом установлено, что применение сило вой системы с ЛЭМД в приводе шайбовых кормораздаточных транспортеров позволяет уменьшить металлоемкость привода в 1,8– 2 раза, снизить эксплуатационные затраты на 20–23 %.
2. По результатам сопоставления статических характеристик вы явлено, что ЛЭМД с относительным значением радиуса осевого ка нала rо.к = 0,3 r1 развивает большее на 20–25 % усилие Fэн за счет конусной формы рабочего зазора при начальном рабочем зазоре и обеспечивает меньшую на 15–17 % интегральную работу Аи за счет уменьшения значений Fэ при минимальных рабочих зазорах.
3. Предложены принципиальные схемы и разработан, на уровне изобретения, ЛЭМД с осевым каналом и интегрированными устрой ствами передачи механической энергии, обеспечивающий однона правленное или реверсивное движение рабочего органа транспортера.
4. Усовершенствован электрический управляющий преобразова тель, обеспечивающий регулирование длительности питающих им пульсов соответственно продолжительности рабочего хода якоря ЛЭМД за счет обратной связи по величине нагрузки транспортера и необходимые показатели привода.
5. Экспериментально установлено, что основные энергетические и силовые характеристики статического режима – интегральная ра бота Аи, максимальное тяговое усилие Fэ – броневого цилиндриче ского ЛЭМД с комбинированным якорем радиуса r1 и осевым кана лом радиуса rо.к ухудшаются в среднем не более чем на 15 % по сравнению с ЛЭМД без канала, если обеспечивается соотношение rо.к /r1 = 0,3.
6. Получена номограмма для определения конструктивных па раметров ЛЭМД и режимов работы при различных нагрузках транс портера, позволяющая сократить время проектирования двигателей заявленного применения.
7. Проведена оценка предполагаемой эффективности внедрения си ловой системы с ЛЭМД для привода шайбового транспортера кормораз датчика фирмы BigDutchman;
чистый дисконтированный доход от внед рения составил 1889 руб.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
1. Моисеев, А. П. Электромагнитные машины с осевым каналом в процессах и технологиях АПК / К. М. Усанов, А. П. Моисеев // Механи зация и электрификация сельского хозяйства. – 2008. – № 5. – С. 31– (0,46/0,25).
2. Моисеев, А. П. Некоторые перспективы применения электромаг нитных машин с осевым каналом в процессах и технологиях АПК / К. М. Усанов, А. П. Моисеев // Вестник Саратовского госагроуниверси тета им. Н.И. Вавилова. – 2008. – № 7. – С. 64–67 (0,44/0,25).
3. Моисеев, А. П. Импульсный электромагнитный привод тросо шайбового кормораздатчика с однонаправленным движением рабочего органа / К. М. Усанов, А. П. Моисеев, В. А. Каргин // Техника в сель ском хозяйстве. – 2011. – № 3. – С. 14–16 (0,35/0,12).
4. Моисеев, А. П. Использование линейного электромагнитного привода в кормораздатчике / К. М. Усанов, А. П. Моисеев // Вавиловские чтения – 2007 : материалы конф., посвящ. 120-й годовщине со дня рождения акаде мика Николая Ивановича Вавилова, 26–30 нояб. 2007. – Саратов : Научная книга, 2007. – Ч. 2. – С. 282–283 (0,25/0,15).
5. Моисеев, А. П. Принципы построения устройств питания и управле ния линейными электромагнитными двигателями стационарных кормораз датчиков / К. М. Усанов, А. П. Моисеев // Вавиловские чтения – 2008 : мате риалы Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 95-летию Сарат. госагроуни верситета, 26–27 нояб. 2008 г. – Саратов : ИЦ «Наука», 2008. – Ч. 3. – С.
339–340 (0,3/0,15).
6. Моисеев, А. П. Обоснование выбора двигателя привода тросошайбо вых (штанго-дисковых) транспортеров / К. М. Усанов, А. П. Моисеев, В. И. Мошкин // Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции – новые технологии и тех ника нового поколения для растениеводства и животноводства: сб. науч.
докладов XV Междунар. науч.-практ. конф., 18–19 сент. 2009 г. / Российская академия сельскохозяйственных наук;
ГНУ ВИИТиН. – Тамбов, 2009. – С.
555–558 (0,25/0,2).
7. Моисеев, А. П. Обоснование устройства передачи механической энер гии в системе «линейный двигатель – рабочий орган» / К. М. Усанов, А. П. Мои сеев, В. А. Каргин // Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции – новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства : сб. науч.
докладов XV Междунар. науч.-практ. конф., 18–19 сент. 2009 г. / Российская академия сельскохозяйственных наук;
ГНУ ВИИТиН. – Тамбов, 2009. – С.
555–558 (0,25/0,15).
8. Моисеев, А. П. Линейный электромагнитный двигатель с осевым ка налом реверсивного исполнения / К. М. Усанов, А. П. Моисеев // Вавилов ские чтения – 2009 : материалы Междунар. науч.-практ. конф., 25–26 нояб.
2009 г. – Саратов : ИЦ «Наука», 2009. – Ч.2. – С. 378–380 (0,3/0,15).
9. Моисеев, А. П. Влияние осевого канала на характеристики электро магнитного двигателя / К. М. Усанов, А. П. Моисеев // Научное обеспечение агропромышленного производства : материалы Междунар. науч.-практ.
конф., 20–22 янв. 2010 г. / ФГОУ ВПО «Курская ГСХА». – Курск. – 2010. – Ч. 3. – С. 225–228 (0,3/0,15).
10. Моисеев, А. П. Экспериментальные исследования рабочих процес сов силовой импульсной системы с ЛЭМД привода тросошайбовых (штанго дисковых) кормораздатчиков / К. М. Усанов, А. П. Моисеев // Энергетика предприятий АПК и сельских территорий: состояние, проблемы и пути ре шения: материалы Междунар. науч.-практ. конф., Санкт-Петербург – Пуш кин, 28–29 янв. 2010 г. – СПб.– Пушкин, 2010. – С. 53–57 (0,4/0,25).
11. Моисеев, А. П. Специальные режимы линейных электромагнитных двигателей / В. И. Мошкин, Г. Г. Угаров, А. П. Моисеев // Актуальные про блемы энергетики АПК : материалы Междунар. науч.-практ. конф. / ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». – Саратов, 2010. – С. 234–237 (0,3/0,12).
12. Моисеев, А. П. Тепловой расчет импульсного электромагнитного двигателя / В. А. Каргин, Т. А. Филимонова, А. П. Моисеев // Достижения науки – агропромышленному производству: материалы L Междунар. науч. техн. конф. / ФГОУ ВПО «Челябинская ГАА».– Челябинск, – 2011. – Ч. V. – С. 195–199 (0,4/0,15).
13. Моисеев, А. П. Экспериментальная оценка тягового усилия линей ного электромагнитного двигателя в нестационарном режиме / К. М. Усанов, А. П. Моисеев, А. В. Волгин // Актуальные проблемы энергетики АПК :
материалы II Междунар. науч.-практ. конф., апр. 2011 г. / ФГОУ ВПО «Са ратовский ГАУ». – Саратов, 2011. – С. 283–285 (0,3/0,15).
14. Моисеев, А. П. Импульсный электромагнитный привод машин с од нонаправленным поступательным движением рабочего органа / К. М. Уса нов, А. П. Моисеев, В. А. Каргин // Материалы Междунар. науч.-практ.
конф., посвящ. 80-летию со дня рождения профессора В. Г. Кобы / ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». – Саратов, 2011. – С. 239–241 (0,3/0,15).
15. Моисеев, А. П. Влияние режимных и конструктивных факторов на выходные показатели импульсного электромагнитного привода / А. П. Мои сеев, В. А. Каргин, А. В. Волгин // Наука в информационном пространстве:
материалы VII Междунар. науч.-практ. конф., 29–30 сент. 2011 г. – Днепропетровск : Изд-во Била К.О., – 2011. – Т. 1. – С. 46–49 (0,3/0,1).
16. Пат. 2366065 Российская Федерация, МПК Н02К 41/03. Линейный шаговый электромагнитный двигатель / Усанов К. М., Моисеев А. П., Вол гин А. В., Каргин В. А. – № 2008118610 ;
заявл. 14.05.08 ;
опубл. 27.08.2009, Бюл. № 24. – 4 с.
Подписано в печать 15.11.11. Формат 6084 /. Бумага офсетная. Гарнитура Times.
Печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова»
410012, Саратов, Театральная пл., 1.
Типография ООО «ЛОДИ», г. Саратов, ул. Сакко и Ванцетти, 42А, тел.: 51-7777.