close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

uploaded 0C306D303F

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Камалов Тимур Ильдусович
ЛИНЕЙНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД
САМОУРАВНОВЕШЕННОЙ УСТАНОВКИ
ДЛЯ СОРТИРОВАНИЯ КАРТОФЕЛЯ
Специальность 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование
в сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Троицк – 2017
Работа выполнена на кафедре «Электрические машины и электрооборудование» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Башкирский государственный аграрный университет».
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Линенко Андрей Владимирович
Официальные оппоненты: Сапсалев Анатолий Васильевич,
доктор технических наук, профессор,
профессор кафедры «Электроника и электротехника» ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный
технический университет»
Некрасов Антон Алексеевич,
кандидат технических наук,
старший научный сотрудник отдела электрификации и энергосбережения ФГБНУ «Федеральный
научный агроинженерный центр ВИМ»
Ведущая организация – федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия»
Защита состоится « 22 » декабря 2017 года, в 13.00 часов на заседании
диссертационного совета Д 220.066.02 на базе ФГБОУ ВО Южно-Уральский
ГАУ по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 75.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВО
Южно-Уральский ГАУ: http://юургау.рф.
Автореферат разослан « 30 » октября 2017 г. и размещен на официальном
сайте ВАК при Министерстве образования и науки России http://vak.ed.gov.ru и
на сайте ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ: http://юургау.рф.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Запевалов Михаил
Вениаминович
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследований. Одной из наиболее значимых продовольственных культур России является картофель. В последние десятилетия в схеме
его производства были осуществлены большие изменения. 92% валового сбора
картофеля приходится на крестьянско-фермерские и личные хозяйства, где до
сих пор преобладает ручной труд.
Производство установок для послеуборочной обработки картофеля в
личных подсобных и крестьянско-фермерских хозяйствах практически отсутствует, а выпускаемые имеют низкую энергетическую эффективность и сложны
в устройстве. Изношенное, устаревшее и энергоемкое оборудование не эффективно. В этом направлении перспективным является применение установок
инерционного типа на базе линейного асинхронного электродвигателя (ЛАД).
ЛАД обеспечивает прямое преобразование электрической энергии в поступательное движение вторичного элемента (рабочего органа), а совместно с упругими элементами реализуется энергетически эффективный электропривод колебательного движения. Также в установках с линейным асинхронным электроприводом (ЛЭП) имеется возможность осуществить уравновешивание
больших инерционных масс, совершающих колебательное движение, с одновременным увеличением производительности без дополнительных затрат.
Поэтому актуальной задачей является создание на базе ЛЭП установок
для сортирования картофеля производительностью не более 10 т/ч с высокими
технико-экономическими показателями.
Реализация унифицированных и универсальных установок нового поколения, обладающих высокой производительностью и надежностью при минимальных капитальных и эксплуатационных затратах, является генеральным
вектором развития машиностроения для АПК. Направленность диссертационной работы соответствует госпрограмме развития сельскохозяйственного производства и регулирования сельскохозяйственных рынков до 2020 года, подпрограмме: «Развитие подотрасли растениеводства, переработки и реализации
продукции растениеводства»; «Техническая и технологическая модернизация,
инновационное развитие».
Степень разработанности темы.
Изучению механических свойств клубней картофеля и разработки установок для его разделения на фракции посвятили свои труды ведущие специалисты в этом направлении: Васильченко М.Ю., Волосевич П.Н., Гребенюк И.А.,
Горячкин В.П., Глухих Е.А., Дорохов А.П., Колчин Н.Н., Каламин А.И., Макаров В.А., Сорокин А.А., Шабуров Н.В. и другие.
4
Большой вклад в создание и развитие линейных электрических машин и
электроприводов технологических установок на их основе внесли известные
ученые Веселовский О.Н., Луковников В.И., Петленко Б.И., Сарапулов Ф.Н.,
Вольдек А.И., Сапсалев А.В., Коняев А.Ю., Аипов Р.С., Соколов М.М., Насар
С.А., Винокуров А.И., Мамедов Ф.А., Денисов В.Н., Епифанов А.П., Болдеа И.,
Ямамура С., Скобелев В.Е. и др.
Несмотря на большое количество научных работ, посвященных повышению эффективности картофелесортировальных установок, внимание разработке
и исследованию самоуравновешенных установок на базе линейного электропривода для сортирования не уделялось.
Цель диссертационной работы: повышение эффективности установки
для сортирования картофеля путем применения линейного асинхронного электропривода самоуравновешенных рабочих органов.
Задачи исследования:
1. Разработать конструкцию линейного асинхронного электропривода самоуравновешенной установки для сортирования картофеля.
2. Разработать математическую модель линейного асинхронного электропривода самоуравновешенной установки для сортирования картофеля.
3. Создать экспериментальный стенд линейного асинхронного электропривода самоуравновешенной установки для сортирования картофеля и провести его исследование, проверить адекватность разработанной математической
модели.
4. Изучить влияние параметров линейного асинхронного электропривода
на эффективность работы самоуравновешенной установки для сортирования
картофеля.
Объект исследования: электромеханические процессы в колебательном
ЛЭП установки для сортирования картофеля.
Предмет исследования: закономерности изменения параметров колебаний рабочих ветвей установки от конструктивных элементов и режима работы
ЛЭП.
Научная новизна:
– разработан линейный асинхронный электропривод самоуравновешенной установки для сортирования картофеля;
– предложена математическая модель линейного асинхронного электропривода самоуравновешенной установки для сортирования картофеля;
– получены результаты теоретических и экспериментальных исследований, обосновывающие конструктивные, энергетические и технологические параметры самоуравновешенной сортировальной установки с ЛЭП.
5
Теоретическая и практическая значимость результатов работы.
Разработана математическая модель самоуравновешенной сортировальной установки, позволяющая устанавливать взаимосвязи в приводе в зависимости от их конструктивных параметров и режима работы. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании установки, а также позволяют дать практические рекомендации по построению самоуравновешенного колебательного линейного электропривода.
В ходе диссертационного исследования была разработана и внедрена в
производство эффективная самоуравновешенная установка для сортирования
картофеля с линейным асинхронным электроприводом (СУСКЛЭП) в СПК
«Урожай» Аургазинского района Республики Башкортостан, годовой экономический эффект 41000 рублей. Созданный стенд можно использовать для многостороннего физического исследования линейного электропривода.
Материалы исследований самоуравновешенной установки для сортирования картофеля с ЛЭП используются в учебном процессе Башкирского ГАУ по
дисциплинам «Электропривод» и «Эксплуатация электрооборудования в АПК».
Методология и методы исследования. Основные результаты диссертационной работы получены на базе фундаментальных законов и уравнений механики и электромеханики и основных положений теории электропривода.
Применен метод математического моделирования на ПК в среде объектновизуального моделирования Matlab |Simulink|.
Положения, выносимые на защиту:
– колебательный линейный асинхронный электропривод самоуравновешенной установки для сортирования картофеля с высокими технико-экономическими показателями (патент РФ на изобретение № 2576458);
– математическая и компьютерная модель, позволяющая исследовать
технологические и электромеханические процессы в СУСКЛЭП с учетом конструктивных и энергетических параметров привода установки;
– результаты теоретических и экспериментальных исследований, используемые для проектирования и разработки ЛЭП самоуравновешенных установок.
Степень достоверности и апробация результатов исследования подтверждаются корректностью поставленных задач и цели путем сравнения результатов, полученных в ходе математических расчетов и экспериментальных
исследований.
Основные результаты исследований и положения работы широко представлены и одобрены на 9 научно-технических, научно-практических конференциях различного уровня. Результаты были представлены: на Международной научной конференции студентов и молодых ученых (на иностранных языках) (Уфа, 2012); на LII и LV международных научно-технических конферен-
6
циях Челябинской государственной агроинженерной академии (Челябинск,
2013, 2016); на Всероссийских научно-технических конференциях для молодых
ученых (Уфа, 2014, 2015); на Международной научно-технической конференции, проводимой в рамках XV российского энергетического форума (Уфа,
2015); на I Международной научно-технической конференции «Автоматизация
в электроэнергетике и электротехнике» (Пермь, 2015); на Международных
научно-технических конференциях в рамках XXV, XXVI, XXVII Международных специализированных выставок «АгроКомплекс-2015, 2016, 2017» (Уфа,
2015, 2016; Санкт-Петербург, 2017).
Публикации. По результатам диссертационных исследований опубликовано 14 печатных работ (3 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК), получено 3 патента РФ на изобретение.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из
введения, пяти глав, заключения, списка литературных источников из 153
наименований и 8 приложений. Основное содержание работы изложено на 125
страницах, содержит 79 рисунков и 9 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении представлена актуальность и степень разработанности темы,
обосновывается цель и задачи исследования, раскрыта новизна исследования,
теоретическая и практическая значимость работы, изложены основные научные
положения, выносимые на защиту, степень достоверности результатов и апробация работы.
В первой главе работы «Состояние технологии и технических средств
сортирования картофеля» приведены классификация и обзор существующих
сортировальных машин, а также проведен анализ агротехнологических требований к машинам для сортирования клубней картофеля.
Выявлены агротребования к установкам для сортирования клубней картофеля на фракции. Установки, основанные на разделении картофеля по толщине
(один из трех линейных размеров картофеля), можно рассматривать как самые
перспективные, дающие хорошие предпосылки к созданию сортирующих рабочих органов, которые позволяют отсеивать различные примеси и сортировать
картофель с высокими показателями. Их рабочие органы могут иметь калибрующие отверстия с меньшими пределами регулировок.
Среди такого класса сортировальных машин следует выделить машины
плоско-решетного типа, т.к. они занимают одно из первых мест по производительности и точности сортирования. Однако этому классу машин присущи и
7
недостатки: сложность конструкции вследствие наличия большого количества
трущихся и изнашивающихся деталей; проблема уравновешивания возвратнопоступательно движущихся масс.
Одним из эффективных путей повышения технико-технологического уровня
подвижных плоско-решетных сортировальных установок, в частности, снижение их энергоемкости, повышение быстроходности, надежности, производительности и точности сортирования, является разгрузка кинематических пар
привода от действия инерционных сил выходных звеньев преобладающей массы.
В этом направлении эффективно использовать в качестве привода рабочих
органов линейный асинхронный электропривод, причем для рассматриваемого
класса машин появляется возможность использовать в качестве уравновешивающего механизм, являющийся зеркальным отражением уравновешиваемого.
На основе проведенного анализа определены цель и задачи исследования.
Во второй главе «Разработка линейного асинхронного электропривода
самоуравновешенной установки для сортирования картофеля» на основе проведенного анализа устройств для инерционного перемещения груза и технических
устройств уравновешивания механизмов предложена оригинальная конструкция линейного асинхронного электропривода самоуравновешенной установки
для сортирования картофеля.
Предлагаемая установка содержит (рисунок 1): основание 1, цилиндрический линейный асинхронный электродвигатель (ЛАД), состоящий из индуктора
2, установленного жестко на основании 1, и вторичного элемента 3, соединенного шарнирно через рычаги 4 с ветвями рабочего органа 5. Продольная ось
ЛАД перпендикулярна продольной оси рабочего органа. Ветви рабочего органа
установлены на роликах 6 на основании 1. С другой стороны, вторичный элемент 3 взаимодействует с упругим элементом 7. Включение и отключение ЛАД
осуществляется по датчикам 8 и 9 блоком управления 10. Ветви рабочего органа соединены упругим элементом 11.
Рисунок 1 Картофелесортировальная установка двухстороннего действия с ЛЭП
(обозначения в тексте)
8
Картофелесортировальная установка работает следующим образом. Блок
управления подключает цилиндрический индуктор ЛАД 2 к источнику питания, индуктор создает бегущее магнитное поле, вторичный элемент 3 приходит
в поступательное движение, к примеру, вниз. При этом рычаги 4, шарнирно
связанные и с вторичным элементом, и с ветвями рабочего органа, расходятся.
Ветви рабочего органа по роликам 6 совершают продольное движение в противоположных направлениях, упругий элемент 11 растягивается. По достижении
выступом на вторичном элементе датчика 9 блок управления 10 отключает
ЛАД, его бегущее магнитное поле исчезает. Вторичный элемент ударяется в
упругий элемент 7, жесткость которого многократно превышает жесткость
упругого элемента 11. Вся подвижная система резко останавливается, а картофель по инерции продолжает движение вперед. Под действием потенциальной
энергии упругих элементов 7 и 11 ветви рабочего органа 5 движутся в обратном
направлении, и по достижении вторичным элементом датчика положения 8
ЛАД снова подключается к сети. Далее описанный процесс повторяется. При
этом ветви рабочего органа 5 совершают колебательное движение, а картофель,
подаваемый на рабочий орган, инерционно перемещается по нему. Ветви рабочего органа представляют собой участки из прутков (рисунок 2): первый участок очистки – от мелких примесей; второй, третий и четвертый участки сортировки соответственно на мелкую, среднюю и крупную фракции. Сортирование
клубней картофеля по размеру обеспечивается за счет установки продольных
прутков на необходимом друг от друга расстоянии. Таким образом, картофель,
инерционно перемещаясь по ветвям рабочего органа, сначала очищается от
мелких примесей на первом участке, где прутки расположены с небольшим
расстоянием между собой перпендикулярно направлению движения картофеля.
Далее картофель поступает на второй участок
сортировки мелкой фракции, где прутки расположены параллельно направлению движения картофеля с соответствующим
расстоянием между собой.
Аналогично устроен третий участок сортировки
средней фракции. ОкончаРисунок 2 Ветвь рабочего органа СУСКЛЭП:
1
–
основание; 2 – ограждение; 3 – опорные ролики;
тельным сходом с рабо4 – прутки; 5 – направляющие
чего органа будет крупная
фракция картофеля (четвертый участок).
9
Предложенная установка является самоуравновешенной за счет того, что
рабочий орган представляет собой две одинаковые ветви, которые приводятся в
действие одним линейным асинхронным электроприводом. Ветви рабочего органа совершают движение в противоположных направлениях. Это позволит
свести к минимуму динамические нагрузки на раму и привод установки. Такой
способ привода рабочего органа линейным асинхронным электродвигателем
позволяет повысить энергетические характеристики установки в целом.
На рисунке 3 представлена кинематическая (расчетная) схема предложенной установки, по которой разработана ее математическая модель.
Рисунок 3 Кинематическая схема самоуравновешенной установки с ЛЭП:
1 – инерционный груз (картофель); 2 – шарниры; 3 – приводные рычаги; 4 – рабочие ветви;
5 – опорные ролики; 6, 7 – датчики положения; 8 – блок управления; 9 – упругий элемент с1;
10 – основание; 11 – упругий элемент с2; 12 – индуктор ЛАД; 13 – вторичный элемент ЛАД
Уравнения сил, действующих на рабочие ветви, вторичный элемент ЛАД и
сортируемый картофель составлены по рисунку 1. Далее построена математическая модель их движения. Математическая модель представлена следующими системами координат: неподвижная относительно основания – XOY, неподвижные относительно рабочих ветвей 4 – X′1O′1Y′1 и X′2O′2Y′2.
В третьей главе диссертации «Математическое моделирование линейного асинхронного электропривода самоуравновешенной установки для сорти-
10
рования картофеля» разработана математическая модель установки и произведено ее теоретическое исследование, что необходимо для установления взаимосвязей в электроприводе с разработкой последующих рекомендаций по соотношению неизменяемых параметров сортировальной установки, при которых
можно достичь высоких технико-экономических показателей. Математическая
модель реализована в среде объектно-визуального моделирования Matlab
|Simulink|, которая позволяет исследовать электромеханические процессы в динамике.
Подключение ЛАД к сети осуществляется по релейному закону в функции координаты вторичного элемента (рабочих ветвей).
Запишем уравнения для одной рабочей ветви, так как уравнения для обеих ветвей аналогичны. Ускорения транспортирующей ветви и транспортируемого груза соответственно, м/с2:
xл 
FТ 
1
( FТ  F упр . л.  F рол  Fтр .гр ) ,
mл
1
( FЛАД  m в . эл ув . эл  F упр .вэ. ) * tg 
2
xгр . 
,
(1)
(2)
 m гр xл  Fтр .гр .
m гр .
,
(3)
где mл ,mгр , mв.эл. – масса рабочей ветви, картофеля и вторичного элемента ЛАД
соответственно, кг; α – угол между вторичным элементом ЛАД и приводным
рычагом, °; хл – перемещение рабочей ветви, м; хгр. – перемещение картофеля,
м; ув.эл.– перемещение вторичного элемента, м; FЛАД – сила, развиваемая ЛАД,
Н; FТ – сила тяги, передаваемая на рабочую ветвь от ЛАД, Н; Fтр.гр. – сила трения картофеля о поверхность рабочей ветви, H; Fупр.л., Fупр.вэ. – соответственно
сила сопротивления от упругих элементов с1 и с2, Н; Fрол – сила трения качения
опорных роликов, Н.
Сила трения картофеля о поверхность рабочей ветви, H:
Fтр .гр .  mгр .  xгр . ,
(4)
Сила упругого элемента с1 определяется по закону Гука, H:
Fупр . л  с1  x л ,
(5)
где с1 – коэффициент жесткости упругого элемента, работающего на растяжение, Н/м. Аналогично в функции перемещения вторичного элемента ЛАД определяется сила упругого элемента с2 – Fупр.вэ., с2 – коэффициент жесткости упругого элемента, работающего на сжатие, Н/м.
11
Сила трения качения опорных роликов, Н:
– npδmg/Rp при Vл> 0;
Fрол = 0 при Vл= 0;
(6)
npδmg/Rp при Vл< 0,
где np – количество роликов, шт.; δ – коэффициент трения качения опорных роликов; Rp – радиус опорных роликов, м; Vл – скорость рабочей ветви установки,
м/с; m – масса рабочей ветви вместе с картофелем, кг.
Сила сухого трения картофеля Fтр .гр . определяется в соответствии с законом Кулона.
Сила, развиваемая цилиндрическим ЛАД, c учетом переходных процессов определяется по дифференциальным уравнениям Парка-Горева и имеет
следующий вид:
Xm
3  0
 x 2 y1 - x1 у 2 ,
FЛАД 
(7)
2  X s X r - X m2
где τ – полюсное деление ЛАД, м; ω0 – 2πf1; Xs, Xr – значения, вводимые в
модель, соответственно индуктивного сопротивления рассеяния индуктора и
вторичного элемента ЛАД, Ом; Xm – сопротивление взаимоиндукции между
вторичным элементом и индуктором ЛАД, Ом; ψX1, ψY1, ψX2, ψY2 – соответственно потокосцепления индуктора и вторичного элемента ЛАД по осям OX, OY.
К.п.д. транспортирования:
ηтр 
Pтр
Р1
,
(8)
где Р1 – мощность, потребляемая ЛАД, кВт;
Ртр – затрачиваемая средняя механическая мощность на перемещение картофеля, кВт.
В работе получены диаграммы, характеризующие динамику электропривода, а также зависимости производительности Q, мощности Р1, скорости перемещения картофеля Vгр, к.п.д. транспортирования mp, количество колебаний
рабочего органа fкол от жесткости упругих элементов с1 и с2 и др.
На рисунке 4 представлена линейная зависимость мощности линейного
двигателя от жесткости упругого элемента с1, обеспечивающего возврат рабочих ветвей в исходное состояние из
условия минимально необходимой для
этого силы (потенциальной энергии с1
при отключении ЛАД). Жесткость упругого элемента с2 при этом не учитываетРисунок 4 Зависимость мощности ЛАД Р
ся. При массе обрабатываемого картоот жесткости упругого элемента с1
12
феля на рабочих ветвях 20 кг
требуется мощность ЛАД 1,2
кВт, жесткость упругого элемента с1 необходимо не менее
1700 Н/м, что обеспечит возврат рабочих ветвей в исходное состояние при отключении
ЛАД от сети.
На рисунке 5 представлена зависимость производительности установки от жесткости упругого элемента с2,
обеспечивающего резкую остановку рабочих ветвей, а соответственно и инерционное перемещение картофеля. Как
видно, в указанном диапазоне
производительности жесткость
Рисунок 5 Зависимость производительности
упругого элемента с2 необхоустановки Q от жесткости упругого элемента с2
димо выбирать не менее 10000
Н/м, дальнейшее увеличение жесткости не влияет на производительность установки.
Угол α между вторичным элементом ЛАД и приводным рычагом необходимо выбирать исходя из максимальной производительности и минимальной
силы сопротивления на вторичном
элементе ЛАД. Согласно полученным зависимостям (рисунок 6),
наилучшие показатели работы
установки достигаются при α=60°.
На рисунке 7 представлены
зависимости, позволяющие выбрать ЛАД по мощности, исходя
из требуемой производительности.
Видно, что для производительно- Рисунок 6 Зависимость силы сопротивления Fс
на вторичном элементе ЛАД и производительсти 7,5 т/ч требуется двигатель
ности Q от первоначального угла α между втомощностью 1,2 кВт. При этом скоричным элементом ЛАД и приводным рычагом
рость бегущего электромагнитного
поля приняли равной 3,6 м/с.
13
Рисунок 7 Зависимость мощности ЛАД Р
от производительности установки Q
те должна возникать динамическая неуравновешенность.
На рисунке 9 в
динамике представлены
зависимости силы, передающейся на вторичный элемент ЛАД, от
разницы масс картофеля
на рабочих ветвях,
Максимальное
значение
к.п.д. инерционного транспортирования картофеля по рабочим
ветвям установки может достигать
25% (рисунов 8), что практически
в 4 раза больше к.п.д. транспортирования инерционных конвейеров с классическим приводом.
Установка является самоуравновешенной в статическом
состоянии, но в процессе работы
на противоположных рабочих ветвях трудно обеспечить одинаковую массу картофеля. В результа-
Рисунок 8 Зависимость к.п.д. транспортирования
картофеля ηтр от его массы m
Рисунок 9 Динамические зависимости силы, передающейся на вторичный элемент ЛАД,
от разницы масс картофеля на рабочих ветвях, скорости и перемещения рабочих ветвей
14
скорости и перемещения рабочей ветви. Анализ приведенной силы показал, что
она является несущественной при разнице масс картофеля до 5 кг. На практике
разница масс картофеля на рабочих ветвях не превышает 1 кг, соответственно,
силой, возникающей в результате разницы картофеля на рабочих ветвях, можно
пренебречь и считать установку полностью самоуравновешенной.
Представленные на рисунке
10 зависимости показывают существенное влияние напряжения
питания ЛАД на скорость перемещения картофеля, что объясняется квадратичной зависимостью
силы, развиваемой ЛАД, от
напряжения питания. Изменение
напряжения в пределах ±10% не
оказывает существенного влияния на параметры колебаний рабочих ветвей, соответственно, и
Рисунок 10 Зависимости скорости перемещения
картофеля от напряжения питания индуктора ЛАД на производительность установки.
В четвертой главе «Экспериментальное исследование самоуравновешенной установки для сортирования картофеля с линейным асинхронным электроприводом» описана методика и приведены результаты экспериментального
исследования, которые проводились как в лабораторных условиях, так и на
действующем картофелесортировальном пункте.
Разработана и создана действующая экспериментальная установка для
послеуборочной сортировки картофеля на базе цилиндрического линейного
асинхронного электропривода (рисунок 11). Экспериментальные исследования
проводились с целью проверки адекватности разработанной математической
модели по следующим параметрам: частоты, скорости, амплитуды колебаний
рабочих ветвей; тока, потребляемого индуктором цилиндрического ЛАД.
Рисунок 11 Экспериментальная картофелесортировальная установка
15
Экспериментальная СУСКЛЭП оснащена измерительной аппаратурой с
регистрацией результатов измерений на ЭВМ с последующей их математической обработкой в программных продуктах.
Для анализа рабочих характеристик ЛЭП рабочих ветвей на сортировальной установке были смонтированы:
– Gefran – датчик линейного перемещения;
– CSLA1CF – датчики тока.
Сигналы посредством аналого-цифрового преобразователя PCS64 передаются на ПК, отображаются в окне программы WinDSO FG32 и сохраняются.
Для последующей обработки полученные данные экспортируются в Exсel, в результате чего определяются перемещение, скорость и частота колебаний рабочих ветвей, реальный ток, потребляемый индуктором, и ускорение вторичного
элемента ЛАД.
Сопоставление экспериментальных и теоретических характеристик выявило, что их разница не более 11% с погрешностью измерений до 4% (использован метод доверительных оценок распределения Стьюдента), что позволяет
считать разработанную математическую модель адекватной и использовать ее
для практических целей.
Экспериментальными исследованиями установлено, что длина участков
сортирования картофеля должна быть не менее 0,3 м, а частота колебания рабочих ветвей должна составлять 2 Гц (рисунки 12 и 13). При таком соотношении
длины участков сортирования и частоты колебаний рабочих ветвей обеспечивается точность сортирования картофеля не менее 90 %.
Рисунок 12 Зависимости скорости перемещения
картофеля от частоты колебаний вторичного
элемента ЛАД
Рисунок 13 Зависимость точности
сортирования картофеля
от длины участка сортирования
16
Определены рациональные значения параметров машины (производительность Q=7,5 т/ч): установленная мощность Р1=1,2 кВт, средняя скорость
транспортирования V=0,1 м/с, частота колебаний вторичного элемента ЛАД
f=2Гц, жесткость упругого элемента, обеспечивающего возврат рабочих органов в исходное состояние, с1=1700 Н/м, жесткость упругого элемента, обеспечивающего резкую остановку рабочих органов, с2 = 10000 Н/м, длина каждого
участка сортировки l=0,3 м. Точность сортирования на установке не менее 90%,
повреждаемость клубней картофеля менее 1 %.
В связи с тем, что ЛАД работает постоянно в режиме «включен-выключен», то необходимо произвести его исследование на нагрев. Целью испытаний
ЛАД на нагрев является определение превышения температуры обмотки его
индуктора над температурой окружающей среды для различных значений фактора нагрева при естественном охлаждении линейного двигателя. Естественное
охлаждение целесообразно в большинстве случаев применения ЛАД, так как
создание искусственной вентиляции удорожает двигатель и лишает линейный
электропривод основного его преимущества – простоты конструкции.
Изготовленный ЛАД соответствует классу изоляции обмоток В (допустимая температура нагрева составляет 130 °С). Согласно ГОСТ IEC 60034-12014 «Машины электрические вращающиеся. Часть 1. Номинальные значения
параметров и эксплуатационные характеристики» было произведено испытание
разработанного ЛАД сортировальной установки на нагревание (рисунок 14).
Для измерения сопротивления обмотки индуктора применялся поверенный омметр ЭСО212.
Рисунок 14 Кривые нагрева цилиндрического ЛАД самоуравновешенной установки
для сортирования картофеля
17
Анализируя кривые нагрева ЛАД сортировальной установки, можно сделать вывод, что температура превышения обмоток двигателя и скорость ее
нарастания сильно зависят от частоты включения ЛАД. Так увеличение частоты включения ЛАД с 1 Гц до 3 Гц приводит к увеличению температуры превышения обмоток двигателя над температурой окружающей среды для испытуемого двигателя на 30 °С, причем за первые 10 минут скорость нарастания этой
температуры в 2,5 раза быстрее. Одновременно с измерением температуры методом сопротивления проводилась тепловизионная съемка ЛАД посредством
портативного тепловизора Testo 875i. Тепловизионная съемка показала, что
наибольшая температура нагрева индуктора ЛАД наблюдается в его центре
(рисунок 15). Разница тепловизионного обследования по сравнению с измерением сопротивления в конце испытания составила 6 %.
Рисунок 15 Фотография тепловизионного исследования ЛАД на нагревание
Для предотвращения сдирания кожицы картофеля рабочие ветви необходимо изготавливать из материала с низким коэффициентом трения, а суммарная
скорость взаимодействия картофеля с рабочими ветвями не должна превышать
2 м/с.
В пятой главе «Технико-экономическая эффективность применения самоуравновешенной установки для сортирования картофеля с линейным асинхронным электроприводом» приведен расчет экономической эффективности от
внедрения самоуравновешенной картофелесортировальной установки, который
проводился в соответствии с методикой экономической оценки средств электрификации и автоматизации сельскохозяйственного производства. Экономический эффект составил 41000 рублей при сроке окупаемости 3,9 года и достигнут за счет снижения эксплуатационных затрат и повышения производительности. Коэффициент удельной энергетической эффективности Эээ повысился на 39,6 %.
18
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Показано, что использование ЛЭП является перспективным средством
повышения технико-экономических показателей установок с колебательным
движением рабочих органов. Однако в таких приводах не проработан вопрос
уравновешивания инерционных масс рабочего органа, совершающего колебательное движение, что негативно влияет на эксплуатационные и технологические характеристики машин. Решить вопрос уравновешивания инерционной
массы рабочего органа с линейным электроприводом с одновременным повышением технологических характеристик машины можно за счет использования
уравновешивающего механизма, который является зеркальным отражением
уравновешиваемого рабочего органа.
2. Разработан линейный асинхронный электропривод самоуравновешенной установки для сортирования картофеля (новизна технического решения доказана, патент РФ на изобретение № 2576458).
3. Разработана математическая модель, которая позволяет исследовать
работу СУСКЛЭП и определять изменение параметров колебаний рабочих ветвей сортировальной установки от конструктивных элементов и режима работы
привода. Экспериментальная проверка в лабораторных и производственных
условиях показала, что математическая модель может быть рекомендована для
проектных расчетов (погрешность не более 11%).
4. Установлено, что первоначальный угол между вторичным элементом
ЛАД и приводным рычагом рабочего органа должен составлять 60°, жесткость
упругого элемента с2, обеспечивающего резкую остановку рабочих органов,
необходимо выбирать не менее 10000 Н/м, жесткость упругого элемента с1, соединяющего между собой зеркальные рабочие органы, выбирается из условия
минимальной силы для их возврата в исходное состояние. При указанных параметрах достигается максимальная производительность с минимальной потребляемой мощностью ЛАД. Установка позволяет сортировать картофель на
фракции с точностью не менее 90 %.
5. Экспериментально определена рациональная длина каждого участка
сортирования картофеля, которая составила 0,3 метра. Частота колебаний рабочих органов должна составлять 2 Гц, средняя скорость движения картофеля
(Vср) 0,1 м/с. Среднегодовой экономический эффект от одной установки составил 41000 рублей в год при сроке окупаемости 3,9 года. Коэффициент удельной
энергетической эффективности Эээ повысился на 39,6 %.
19
Рекомендации производству
1. С целью повышения производительности установок для сортирования
картофеля и увеличения их точности сортирования в условиях КФХ необходимо использовать самоуравновешенные установки с линейным асинхронным
электроприводом (патент РФ № 2576458). В зависимости от сорта картофеля
расстояние между сортирующими прутками для каждой фракции необходимо
настраивать по наибольшему значению интервала границы толщины клубня
картофеля.
2. Экспериментальные исследования позволяют дать рекомендацию к использованию предложенной установки для сортирования и другой продукции
растениеводства, к примеру, лука.
Перспективы дальнейшей разработки темы
1. Расширить возможность применения самоуравновешенной установки с
ЛЭП для различных технологических процессов в АПК.
2. Совершенствовать СУСКЛЭП путем разработки и исследования конструкции без упругого элемента с2, при этом инерционное перемещение картофеля по сортирующим рабочим ветвям будет происходить за счет резкой остановки последних в момент, когда приводные рычаги займут в процессе колебательного движения строго горизонтальное положение.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ
ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
Журналы, рецензируемые в перечне ВАК:
1. Линенко, А.В. Принципы построения и расчет линейных асинхронных
электроприводов сложного колебательного движения для технологических машин АПК / А.В. Линенко, Т.И. Камалов, М.Ф. Туктаров // Электротехнические
и информационные комплексы и системы. – 2015. – № 3, т. 11. – С. 44-49.
2. Аипов, Р.С. Имитационное моделирование линейного асинхронного
электропривода самоуравновешенной картофелесортировальной установки /
Р.С. Аипов, А.В. Линенко, Т.И. Камалов // Вестник Башкирского государственного аграрного университета. – 2016. – № 1(37). – С. 64-69.
3. Линенко, А.В. Исследование самоуравновешенной сортировальной
установки с линейным асинхронным электроприводом / А.В. Линенко, В.Г.
Байназаров, Т.И. Камалов // Политематический сетевой электронный научный
журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. – Краснодар: КубГАУ, 2016. – № 04 (118).
20
– IDA [article ID]: 1181604093. – Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2016/04/pdf/
93.pdf, 0,750 у.п.л.
Основные публикации в других изданиях:
4. Патент № 2523727 Российская Федерация, МПК В 65G 27/18. Инерционный конвейер / Р.С. Аипов, А.В. Линенко, Т.И. Камалов, С.В. Акчурин; заявители и патентообладатели Р.С. Аипов, С.В. Акчурин, Т.И. Камалов, А.В. Линенко №2013118994/11; заявлен 23.04.2013; опубликован 20.07.2014, Бюл. № 20.
5. Патент № 2576460 Российская Федерация, МПК А 01 F 12/44. Сепарирующая машина / В.Г. Байназаров, А.В. Линенко, Т.И. Камалов, М.Ф. Туктаров;
заявители и патентообладатели В.Г. Байназаров, А.В. Линенко, Т.И. Камалов,
М.Ф. Туктаров №2015106203/13; заявлен 24.02.2015; опубликован 10.03.2016,
Бюл. № 7.
6. Патент № 2576458 Российская Федерация, МПК А 01 F 12/44. Сепарирующая машина / Р.С. Аипов, А.В. Линенко, Т.И. Камалов, М.Ф. Туктаров; заявители и патентообладатели Р.С. Аипов, А.В. Линенко, Т.И. Камалов, М.Ф.
Туктаров №2015107787/13; заявлен 05.03.2015; опубликован 10.03.2016, Бюл.
№ 7.
7. Камалов, Т.И. The device with usage of linear electric drive for afterharvesting processing of potatoes / Т.И. Камалов // Молодежь и наука: материалы
Международной научной конференции студентов и молодых ученых (на иностранных языках). – Уфа: Башкирский ГАУ, 2012. – С. 141-143.
8. Линенко, А.В. Повышение эффективности технологического оборудования с колебательным линейным электроприводом путем совершенствования системы управления / А.В. Линенко, Т.И. Камалов // Достижения науки – агропромышленному производству. Материалы LII международной научно-технической
конференции. – Челябинск: Челябинская ГАА, 2013. – Ч. V. – С. 172-175.
9. Камалов, Т.И. Установка для сортировки картофеля двухстороннего
действия с линейным электроприводом / Т.И. Камалов // Молодежная наука и
АПК: проблемы и перспективы: материалы VII Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. Часть II. – Уфа: Башкирский ГАУ, 2014.
– С. 103-106.
10. Линенко, А.В. Математическая модель самоуравновешенной сортировальной установки с линейным асинхронным электроприводом /А.В. Линенко,
Т.И. Камалов, В.Г. Байназаров // Материалы Международной научно-практической конференции, проводимой в рамках XV российского энергетического
форума. – Уфа: Башкирский ГАУ, 2015. – С. 52-56.
11. Линенко, А.В. Линейный асинхронный электропривод для сложного
колебательного движения рабочего органа сортировальной установки / А.В.
21
Линенко, Т.И. Камалов, В.Г. Байназаров // Наука молодых – инновационному
развитию АПК. Материалы VIII Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. Часть II. – Уфа: Башкирский ГАУ, 2015. – С. 19-22.
12. Линенко, А.В. Экспериментальная самоуравновешенная картофелесортировальная установка с линейным асинхронным электроприводом / А.В.
Линенко, Т.И. Камалов // Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике. Материалы I Международной научно-технической конференции. – Пермь:
Пермский национальный исследовательский политехнический университет,
2015. – С. 93-96.
13. Линенко, А.В. Уравновешенная инерционная картофелесортировальная установка двухстороннего действия / А.В. Линенко, Т.И. Камалов // Материалы Международной научно-практической конференции в рамках XIX Международной специализированной выставки «Агро Комплекс-2015». Часть III. –
Уфа: Башкирский ГАУ, 2015. – С. 17-20.
14. Камалов, Т.И. Экспериментальная картофелесортировальная установка двухстороннего действия / Т.И. Камалов, А.З. Кашапов, Р.Р. Халилов //
Наука молодых – инновационному развитию АПК. Материалы Международной
молодежной научно-практической конференции. Часть 2. – Уфа: Башкирский
ГАУ, 2016. – С. 97-102.
15. Камалов, Т.И. Исследование установки для сортирования картофеля
на базе линейного асинхронного электропривода / Т.И. Камалов, А.З. Кашапов
// Материалы Международной научно-практической конференции, проводимой
в рамках XVI российского энергетического форума. – Уфа: Башкирский ГАУ,
2016. – С. 51-55.
16. Линенко, А.В. Моделирование линейного асинхронного электропривода самоуравновешенной сортировальной установки / А.В. Линенко, Т.И. Камалов // Достижения науки – агропромышленному производству. Материалы
LV международной научно-технической конференции. – Челябинск: ЮжноУральский ГАУ, 2016. – С. 200-205.
17. Линенко, А.В. Исследование уравновешенности сортировальной установки / А.В. Линенко, Т.И. Камалов // Материалы Международной научнопрактической конференции в рамках Международной специализированной выставки «Агро Комплекс-2017». Часть III. – С.-Пб.: Санкт-Петербургский ГАУ,
2017. – С. 476-479.
22
Подписано в печать 18.10.2017. Формат 60*84/16
Гарнитура Times. Печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 623
РИО ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ, 450001, ул. 50-летия Октября,34
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
5
Размер файла
1 217 Кб
Теги
0c306d303f, uploaded
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа