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 образования «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 «Саратовский 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. Саратов, Театральная пл., 1, ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат диссертации разослан « » ноября 2011 г. и размещен на сайтах Минобрнауки РФ и www.sgau.ru/.

Ученый секретарь диссертационного совета Н.П. Волосевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Раздача кормов является определяющим технологическим процессом в животноводстве, на долю которого приходится значительная часть общих затрат труда и технических ресурсов. Применяемые в настоящее время электрифицированные стационарные кормораздатчики оборудованы приводными станциями с асинхронными двигателями (АД) вращательного действия. Применение промежуточных кинематических звеньев и преобразователей движения усложняет конструкцию, увеличивает металлоемкость привода, снижает энергетические показатели оборудования. Прогрессивным направлением интенсификации операций, процессов и совершенствования оборудования представляются импульсные и вибрационные способы, позволяющие концентрировать и эффективно расходовать энергию. При этом одним из перспективных подходов к совершенствованию приводов некоторых кормораздаточных транспортеров является применение силовых дискретных систем, создаваемых на базе линейных электромагнитных двигателей (ЛЭМД), отличающихся относительно малым энергопотреблением, сравнительно высокими удельными показателями и обеспечивающих непосредственное 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 обеспечения систем АПК».

Цель работы – повышение эффективности привода шайбового транспортера заменой двигателя непрерывного вращательного движения дискретным ЛЭМД.

Объект исследования – электропривод шайбового кормораздаточного транспортера с ЛЭМД.

Предмет исследования – рабочие процессы силовой системы с линейным электромагнитным двигателем.

Методика исследования. В работе использованы аналитические и экспериментальные методы исследования, основанные на теории электрических машин, теоретических основах электротехники и автоматизированного электропривода. В экспериментальных исследованиях и при обработке результатов использовались современные средства измерительной техники и прикладные пакеты программ FEMLAB, ELCUT, МАTLAB (приложение «Simulink»).

Научная новизна работы:

– исследованы рабочие процессы и сформулированы рекомендации по выбору конструктивных и режимных факторов, сочетание которых обеспечивает необходимые выходные силовые и энергетические показатели ЛЭМД, используемого для привода шайбового кормораздаточного транспортера;

– аналитически определено и подтверждено экспериментально соотношение сечений элементов магнитной системы «якорь – осевой канал» ЛЭМД, при котором его выходные показатели 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 интегрированным передаточным устройством, реализующий однонаправленное или реверсивное движение шайбового кормораздаточного транспортера.

Практическая ценность работы. Создана силовая система для привода шайбового кормораздаточного транспортера, содержащая линейный электромагнитный двигатель с интегрированным устройством передачи механической энергии якоря транспортеру и уменьшенными в среднем на 30–50 % массогабаритными показателями по сравнению с традиционными приводами.

Реализация научно-технических результатов. Технические решения, реализованные при создании силовой системы с ЛЭМД для привода шайбового кормораздаточного транспортера, одобрены техническими специалистами ООО «Возрождение-1» (ПЛЕМРЕПРОДУКТОР II порядка (птицефабрика)), Саратовская обл., с. Идолга.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на конференции, посвященной 120-й годовщине со дня рождения академика Н.И. Вавилова (Саратов, 26–30 ноября 2007); на Международной научнопрактической конференции, посвященной 95-летию Саратовского госагроуниверситета (Саратов, 26–27 ноября 2008); на XV Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции – новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства» (Тамбов, 18–19 сентября 2009); на конкурсе научных проектов молодых ученых «Инновационная наука – молодой взгляд в будущее» (Саратов, 22 октября 2009); на Международной научно-практической конференции «Научное обеспечение агропромышленного производства» (Курск, 20–22 января 2010); на Международной научно-практической конференции «Энергетика предприятий АПК и сельских территорий: состояние, проблемы и пути решения» (Санкт-Петербург – Пушкин, 28–29 января 2010); на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Саратовского ГАУ им. Н.И. Вавилова в 2005–2011 гг.

Публикация результатов исследования. По теме диссертации 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 системы с ЛЭМД в приводе шайбовых кормораздатчиков;

– обоснование параметров и конструкции ЛЭМД для привода шайбовых кормораздаточных транспортеров;

– принципиальные схемы импульсных электрических управляющих преобразователей для ЛЭМД привода шайбовых 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 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц, 51 рисунок, 3 приложения. Список литературы включает 140 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и новизна темы, дана краткая характеристика работы, приводятся данные о реализации и апробации результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Анализ способов и технических средств механизированной доставки и раздачи кормов. Цель и задачи исследований» рассмотрены технические средства доставки и раздачи кормов животным и птице, усовершенствована классификация представленных устройств, сопоставлены особенности электрических приводов для перемещения рабочих органов транспортеров.

Применяемые в технологических установках приводы с электродвигателями вращательного движения отличаются известным разнообразием доведенных до совершенства конструкций, характеристик, показателей. Это делает неочевидной предпочтительность замены традиционных приводов и двигателей другими, например линейными, и не позволяет сформулировать однозначные рекомендации по определению их параметров, поскольку замена двигателя в приводе существенно влияет на техникоэкономические показатели установки и процесса в целом.

Вместе с тем использование дискретных электрических приводов и двигателей, например линейных электромагнитных, обеспечивающих линейную траекторию якоря (ротора) без преобразователей движения, представляется перспективным подходом к совершенствованию электрических приводов технологических установок, в которых рабочий орган и продукт перемещаются по линейной траектории, в частности, кормораздаточных транспортеров. Существенный вклад в разработку теории и вопросов практического применения электроприводов с линейными электрическими двигателями принадлежит П.М. Алабужеву, О.Д. Алимову, В.К. Манжосову, Н.П. Ряшенцеву, В.В. Ивашину, Г.Г. Угарову, Е.М. Тимошенко, В.И. Мошкину, А.В. Львицыну и другим специалистам.

На рис. 1 представлены структурные схемы приводов обобщенной технологической установки (на примере кормораздатчика c шайбовым транспортером фирмы BigDutchman): традиционного, с асинхронным электродвигателем вращательного движения и силовой системы на основе линейного электромагнитного двигателя (рис. 1, б). Применение в приводе линейного электромагнитного двигателя (ЛЭМД) позволяет осуществлять непосредственное преобразование электрической энергии в кинетическую энергию прямолинейного движения якоря и сочленяемого с ним рабочего органа транспортера. Отсутствие прецизионных узлов, преобразователей движения, редукторов и т.

п. обеспечивает этим приводам конструктивную простоту и лучшие массогабаритные показатели, а возвратнопоступательное движение якоря позволяет передать механическую энергию непосредственно рабочему органу. Секционная конструкция некоторых шайбовых кормораздаточных транспортеров (ОПБ-1, BigDutchman) позволяет при монтаже менять их длину (60…200 м) и подстраивать под габариты животноводческих помещений и особенности выбранного технологического оборудования для содержания животных или птицы.

Рис. 1. Структурные схемы электропривода кормораздатчика: а – с асинхронным двигателем (АД – асинхронный двигатель, УУЗ – устройство управления и защиты, Р – редуктор, ПП – промежуточные передачи, РО – рабочий орган); б – с линейным электромагнитным двигателем (ИЭП – импульсный электрический преобразователь, ЛЭМД – линейный электромагнитный двигатель с захватывающим Рабочая гипотеза основана на том, что совмещение в одном силовом элементе привода дискретного ЛЭМД и устройства передачи движения от якоря к рабочему органу транспортера ведет к упрощению и удешевлению системы, улучшает массогабаритные показатели, повышает энергетические характеристики, снижает затраты на обслуживание.

При замене штатного двигателя вращательного действия дискретным 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 составляет 0,75 от максимальной;

– рабочий орган транспортера является нерастяжимым и неупругим; масса рабочего органа и корма полагается неизменной, сосредоточенной и приведенной к якорю ЛЭМД;

– сочленение «якорь – транспортер» при передаче механической 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 выигрыш 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 целью сформулированы следующие задачи исследования:

– провести сопоставительный анализ стационарных кормораздатчиков 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 обеспечения необходимых удельных силовых и энергетических показателей привода;

– определить способы передачи механической энергии ЛЭМД транспортеру; создать принципиальные схемы и конструкции ЛЭМД с интегрированными устройствами передачи механической энергии якоря шайбовому кормораздаточному транспортеру; усовершенствовать электрические управляющие преобразователи для реализации эффективных энергопреобразовательных циклов ЛЭМД;

– исследовать экспериментально статические режимы, характеристики двигателя и энергопреобразовательные процессы в приводе с ЛЭМД; выявить сочетание конструктивных и режимных факторов, обеспечивающее необходимые силовые и энергетические показатели привода шайбового кормораздаточного транспортера с ЛЭМД;

– дать технико-экономическую оценку результатов использования 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» решены следующие основные задачи: 1) обоснованы по результатам моделирования тип магнитной системы ЛЭМД и способы повышения его удельных энергетических показателей; 2) определены необходимые соотношения сечений якоря и осевого канала ЛЭМД и его статические тяговые характеристики; 3) обоснованы параметры устройства передачи механической энергии якоря транспортеру; 4) разработан – на уровне изобретения – ЛЭМД с осевым каналом и интегрированным устройством передачи механической энергии для шайбовых кормораздаточных транспортеров. Разработка комплекса рекомендаций при решении поставленных задач требует обоснования типа магнитной системы ЛЭМД (рис. 2), оказывающей решающее влияние на энергетические показатели создаваемой машины.

Анализ литературных источников и опубликованных данных показал, что из всего многообразия применяемых на практике типов магнитных систем ЛЭМД значительными потенциальными возможностями и конструктивной универсальностью, позволяющей создавать дискретные машины различного назначения, обладают броневые цилиндрические однообмоточные ЛЭМД с двумя рабочими зазорами и комбинированным якорем (рис. 2), которые выбраны за основу для разработки приводного двигателя транспортера.

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 рабочего зазора (рис. 2, б, в) существенно влияют на силовые и энергетические характеристики ЛЭМД. Кроме того, общей отличительной особенностью, которая ранее не учитывалась для конструктивных схем ЛЭМД на рис. 2, является имеющийся в магнитной цепи сквозной осевой немагнитный 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 обоснованных рекомендаций по выбору конфигураций рабочих зазоров и соотношений сечений магнитных и немагнитных элементов в магнитной системе ЛЭМД исследованы полученные аналитически, 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 предпочтительности 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 стопа; 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°) – Обработка статических характеристик (рис. 4) показала, что в случае чрезмерно большой величины rо.к = 0,7r1 наблюдается существенное снижение усилия Fн при начальном рабочем 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 показателей. 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 интегральной 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 рабочего зазора (рис. 2) определялась сопоставлением значений развиваемых двигателем усилий Fн, Fк при начальном или втянутом положении якоря, конфигураций соответствующих статических характеристик Fэ = f (), i = const (рис. 4) или значений интегральной работы Аи, Аи /mэ (табл. 1), определяемой обработкой соответствующей кривой на рис. 4 на основе вык ным якорем при некотором зазоре и установившемся токе i = const в обмотке; н, к – координаты начального и конечного (втянутого) положений якоря.

Сравнение кривых на рис. 4 показывает, что статическая характеристика ЛЭМД имеет нелинейный, гиперболический характер, когда электромагнитное усилие Fк двигателя при малых зазорах к резко возрастает и во много раз превосходит начальное Fн (характеристики 1, 4, 5 на рис. 4). Предпочтительной здесь представляется характеристика вида 6 (рис. 4), при которой двигатель развивает в 1,8–2 раза большее значение Fн, необходимое для уверенного 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 показатели удельной интегральной работы Аи /mэ также однозначно свидетельствуют о предпочтительности модели с конусным внутренним рабочим зазором и стопом.

Удельные показатели электромагнитных двигателей 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 заявленного применения представляется обоснование конструктивной схемы устройства передачи механической энергии (УПМЭ) двигателя рабочему органу транспортера, например, тросу или штанге, его компоновка в схему двигателя, разработка рекомендаций по определению геометрических параметров. Очевидно, что конструкция и параметры этого устройства определяют, главным образом, эффективность передачи, технические и эксплуатационные показатели привода. Анализ литературных источников показал, что наибольший интерес при создании ЛЭМД привода транспортеров представляют зажимной механизм с самотормозящимся клиновым сопряжением и механизм с зацеплением за шайбы. В работе, на основе опубликованных данных, сформулированы рекомендации по определению геометрии зажимного механизма этого типа. С учетом результатов исследований предложены конструкции ЛЭМД для перемещения рабочего 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 – возвратная пружина; 6 – захватывающий механизм;

7 – рабочий орган В третьей главе «Импульсные электрические преобразователи линейного электромагнитного двигателя шайбового кормораздаточного транспортера» рассмотрены электрические преобразователи, соответствующие требуемым режимам работы привода транспортера. Отличительной особенностью линейных электромагнитных двигателей и систем с их использованием является цикличный характер электромеханического преобразования энергии, при котором регулярно подаваемые в обмотку двигателя импульсы электрической мощности преобразуются в механическую работу по перемещению якоря и сочлененного с ним рабочего органа транспортера. По окончании очередного питающего импульса 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 непосредственное, напрямую подключение обмотки ЛЭМД к источнику (электрической сети), как, например, у традиционного асинхронного двигателя, и обусловливает необходимость включения между зажимами источника и ЛЭМД специального электрического преобразователя (ЭП), формирующего питающие импульсы напряжения и тока в каждом энергопреобразовательном цикле ЛЭМД.

Схемотехнические особенности ЭП определяются требованиями рабочего процесса рабочей машины. В работе кратко рассматриваются особенности построения ЭП, используемых для подключения 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 перемещающим корм рабочим органом транспортера. Соответственно нагрузке необходимо определять длительность питающего импульса напряжения и тока, необоснованное увеличение которой резко снижает энергетические показатели системы и приводит к перегреву машины.

Автоподстройку дозирования подаваемой в обмотку в каждом рабочем цикле ЛЭМД энергии обеспечивают ЭП с обратной связью, например, по координате совершающего рабочий или холостой ход якоря. Однако их применение представляется 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 величине растягивающего трос транспортера усилия нагружения, обеспечивающая варьирование длительности питающего обмотку импульса при изменении нагрузки ЛЭМД, уменьшающая нагрев машины и повышающая выходные силовые и энергетические показатели.

Рис. 7. Принципиальная схема управления ЛЭМД привода В четвертой главе «Экспериментальные исследования электромеханического преобразования энергии в ЛЭМД шайбового кормораздаточного транспортера» разработаны методика и лабораторная установка для экспериментальных исследований стационарного режима ЛЭМД и энергопреобразовательного 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 представлена на рис. 8; общий вид экспериментальной установки показан на рис. 9. Установка содержит ЛЭМД с осевым каналом и интегрированным зажимным механизмом, нагружаемый в экспериментах моделью шайбового транспортера, электрический преобразователь ЭП с управляемым выпрямителем, емкостный (конденсаторный) накопитель энергии (ЕНЭ), комплект контрольно-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, 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;

Стационарные и динамические процессы в ЛЭМД и элементах привода предварительно, до проведения экспериментов на установке рис. 9, воспроизводились с помощью программного комплекса моделирования динамических процессов «Simulink», который представляет собой взаимосвязь блоков, осуществляющих необходимые математические преобразования входных сигналов, является составной частью программного продукта «Matlab» и предназначен для исследования переходных процессов, описываемых дифференциальноинтегральными уравнениями. Моделирование выполнено совместно с канд. техн. наук Д.А. Вырыхановым.

Для детального выявления особенностей электрического взаимодействия импульсной нагрузки (ЛЭМД) с другими элементами привода проводилась одновременная регистрация динамических характеристик исследуемой системы:

мгновенных значений напряжения u(t) и тока i(t), протекающего по обмотке двигателя, а также перемещения якоря (t) и рабочего органа шайбового транспортера р.о(t) в функции времени. Запись указанных величин производилась на персональный компьютер, связанный с исследуемой системой тензометрическими и потенциометрическими датчиками через многофункциональную плату аналого-цифрового преобразователя (рис. 9).

Для формирования подаваемых в обмотку ЛЭМД питающих импульсов мощности использовался электрический преобразователь 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 Рис. 11. Временная диаграмма силовой системы с ЛЭМД привода кормораздатчика с питанием от емкостного накопителя Необходимым этапом обоснования возможности замены традиционного электропривода электромагнитным представляется оценка тяговых возможностей ЛЭМД и его способности преодолевать сопротивление рабочего органа транспортера по силовой характеристике F() двигателя. При этом существующие методики экспериментального определения статических тяговых характеристик, основанные на измерении развиваемых неподвижным якорем двигателя усилий при фиксированных зазорах 1, 2,..., i и установившихся значениях тока 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 фиксированных зазорах максимальных, за время питающего импульса, усилий, позволяющая учесть совокупное действие большинства перечисленных негативных факторов. При исследовании использовался универсальный цифровой динамометр серии ДОУ-3-50И, позволяющий регистрировать пиковые (максимальные) 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 многофакторной системой, изучение которой следует проводить с использованием методов теории планирования экспериментов.

Рис. 12. Квазистатические тяговые характеристики:

Рис. 13. Энергетические диаграммы: 1 – расчетная с r = 0,3;

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 значение развиваемого на рабочем ходе и передаваемого от якоря транспортеру усилия Fт, которое будет обусловливаться электрическими (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 выпрямленного однополупериодного напряжения (рис. 10), в качестве независимых переменных выбраны вольт-секундная экспозиция обмотки ut = U* и относительный радиус r осевого канала при неизменных обмоточных данных двигателя.

определяющий зависимость Fт=f(U*,r), имеет вид:

Поверхность отклика представлена на рис. 14. Увеличение питающего импульса U* привоРис. 14. Поверхность отклика дит к росту значений Fт при отFт = f(U*, r) носительном размере осевого канала r с оптимальным значением, полученным моделированием во 2 главе.

Для ЛЭМД, питаемого разрядным импульсом емкостного накопителя, независимыми переменными, влияющими на Fт, являются емкость С, напряжение U промежуточного накопителя и r. Для трех независимых факторов и их вариации на трех уровнях 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= По результатам выполненных исследований и с учетом опубликованных рекомендаций по выбору соотношений размеров в двухзазорных броневых цилиндрических ЛЭМД в работе предложен следующий порядок определения показателей запатентованной конструкции двигателя для привода шайбовых транспортеров:

– определяют значение усилия Fт для трогания транспортера, 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 тяговых усилий ЛЭМД в зависимости от обмоточных данных, полученная по результатам исследований.

Проведена оценка предполагаемой эффективности внедрения силовой системы с ЛЭМД для привода шайбового транспортера кормораздатчика фирмы BigDutchman (табл. 4).

1. Капиталовложения (инвестиции), руб. 2. Годовая экономия эксплуатационных расходов, руб. – 5675, 3. Годовой экономический эффект по приведенным затратам, руб.

5. Верхний предел цены новой техники, руб. – 23202,

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Сравнительным анализом установлено, что применение силовой 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 выявлено, что ЛЭМД с относительным значением радиуса осевого канала 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 устройствами передачи механической энергии, обеспечивающий однонаправленное или реверсивное движение рабочего органа транспортера.

4. Усовершенствован электрический управляющий преобразователь, обеспечивающий регулирование длительности питающих импульсов 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 работа Аи, максимальное тяговое усилие Fэ – броневого цилиндрического ЛЭМД с комбинированным якорем радиуса r1 и осевым каналом 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 параметров ЛЭМД и режимов работы при различных нагрузках транспортера, позволяющая сократить время проектирования двигателей заявленного применения.

7. Проведена оценка предполагаемой эффективности внедрения силовой системы с ЛЭМД для привода шайбового транспортера кормораздатчика фирмы BigDutchman; чистый дисконтированный доход от внедрения 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 // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2008. – № 5. – С. 31– (0,46/0,25).

2. Моисеев, А. П. Некоторые перспективы применения электромагнитных машин с осевым каналом в процессах и технологиях АПК / К. М. Усанов, А. П. Моисеев // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. – 2008. – № 7. – С. 64–67 (0,44/0,25).

3. Моисеев, А. П. Импульсный электромагнитный привод тросошайбового кормораздатчика с однонаправленным движением рабочего органа / К. М. Усанов, А. П. Моисеев, В. А. Каргин // Техника в сельском 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 академика 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 управления линейными электромагнитными двигателями стационарных кормораздатчиков / К. М. Усанов, А. П. Моисеев // Вавиловские чтения – 2008 : материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 95-летию Сарат. госагроуниверситета, 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 тросошайбовых (штанго-дисковых) транспортеров / К. М. Усанов, А. П. Моисеев, В. И. Мошкин // 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 (0,25/0,2).

7. Моисеев, А. П. Обоснование устройства передачи механической энергии в системе «линейный двигатель – рабочий орган» / К. М. Усанов, А. П. Моисеев, 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 каналом реверсивного исполнения / К. М. Усанов, А. П. Моисеев // Вавиловские 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 электромагнитного 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 процессов силовой импульсной системы с ЛЭМД привода тросошайбовых (штангодисковых) кормораздатчиков / К. М. Усанов, А. П. Моисеев // Энергетика предприятий АПК и сельских территорий: состояние, проблемы и пути решения: материалы Междунар. науч.-практ. конф., Санкт-Петербург – Пушкин, 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 проблемы 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 линейного 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 «Саратовский ГАУ». – Саратов, 2011. – С. 283–285 (0,3/0,15).

14. Моисеев, А. П. Импульсный электромагнитный привод машин с однонаправленным поступательным движением рабочего органа / К. М. Усанов, 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. Моисеев, 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., Волгин 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 /. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова»

г. Саратов, ул. Сакко и Ванцетти, 42А, тел.: 51-7777.