На правах рукописи
Байрамов Булат Фаритович
УПРАВЛЕНИЕ И УСТОЙЧИВОСТЬ
СИСТЕМ С ВЕТРОДВИГАТЕЛЕМ
Специальность 01.02.01 – «Теоретическая механика»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Москва – 2013
Работа выполнена на кафедре теоретической механики факультета физико-математических и естественных наук Российского университета дружбы народов (РУДН)
Научный руководитель: Заведующий кафедрой теоретической механики РУДН, доктор физикоматематических наук, профессор Мухарлямов Роберт Гарабшевич
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры математического анализа и теории функций РУДН Савчин Владимир Михайлович;
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой динамики процессов управления ФГБОУ ВПО Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева Сиразетдинов Рифкат Талгатович
Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)»
Защита диссертации состоится «5» декабря 2013 г. в 15:30 на заседании диссертационного совета Д 212.203.34 в ФГБОУ ВПО Российском университете дружбы народов (РУДН) по адресу: 115419, г. Москва, ул.
Орджоникидзе, д. 3, зал № 1.
С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке ФГБОУ ВПО Российского университета дружбы народов (РУДН) по адресу: 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6.
Автореферат разослан «25» октября 2013 г.
Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.203. кандидат физико-математических наук, доцент Попова В.А.
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Исследование устойчивости и управления динамикой систем с ветродвигателем сводится к проблеме моделирования динамики, определения условий устойчивости функционирования и решению задач управления системой при постоянно действующих возмущениях. Ветродвигатели, в отличие от других видов двигателей, работают всегда при переменных внешних условиях, зависящих не только от нагрузки, но и от интенсивности ветрового потока. При недостаточной скорости ветра ветродвигатель не может обеспечить нормальное функционирование системы. Поэтому обычно используется комбинированное энергопитание от ветрового и неветрового двигателей.
Таким образом, при использовании механических систем с ветродвигателем возникают проблемы:
моделирования динамики систем с ветродвигателем;
управления ветродвигателем для обеспечения нормального функционирования системы;
обеспечения устойчивости динамики системы;
учёта упругости вала, передающего крутящий момент от ветродвигателя насосу, если вал имеет значительную длину;
разработки автоматической системы управления для осуществления совместной работы ветрового и неветрового двигателей при комбинированном энергопитании.
Использование систем с ветродвигателем, позволяющих снизить затраты на электрическую или тепловую энергию и уменьшить количество экологически вредных отходов горения органического топлива, является перспективным направлением. Более 20 % всей вырабатываемой в мире электроэнергии затрачивается на приводы различных насосов. В данной работе исследуются задачи устойчивости и управления системой, в которой для вращения насоса дополнительно применяется ветродвигатель.
Для обеспечения функционирования гидравлической системы необходимо управление расходом жидкости, подаваемой потребителю. В гидроприводах путём изменения расхода жидкости осуществляется управление скоростью движения выходного звена гидродвигателя:
скоростью движения поршня гидроцилиндра или частотой вращения вала гидромотора. Наиболее экономичным является управление расходом жидкости за счёт изменения частоты вращения двигателя насоса.
Разработкой систем автоматического управления ветродвигателями, вопросами математического моделирования и исследования устойчивости их динамики занимались Н.Е. Жуковский, Г.Х. Сабинин, Я.И. Шефтер, В.Н. Андрианов, Де Рензо, E. Golding, К.П. Вашкевич, В.Н. Колодин, Н.В.
Красовский, В.А. Орлов, Ф.Д. Байрамов и другие.
В исследованиях по динамике и управлению ветродвигателями нагрузка, подключённая к нему, учитывалась в упрощённом виде как простое сопротивление, изменяющееся по времени или зависящее только от угловой скорости вращения вала двигателя, т.е. по сущности исследовалась устойчивость собственно ветродвигателя с его регулятором без учёта динамики нагрузки. Задачи управления, моделирования и обеспечения устойчивости функционирования ветродвигателя с учётом динамики всех звеньев системы остаются мало изученными. Решению этих актуальных задач и посвящена данная диссертационная работа.
Объектом исследования является механическая система, состоящая из роторного ветродвигателя с вертикальной осью вращения, насоса, трубопровода и устройства, потребляющего подаваемую жидкость.
Предметом исследования является разработка методов управления ветродвигателем и исследования устойчивости динамики гидросистемы с ветронасосным агрегатом.
Цель исследований:
разработка автоматических систем управления роторным ветродвигателем для обеспечения заданного расхода жидкости и методов исследования устойчивости динамики гидросистемы с ветронасосным агрегатом;
разработка автоматических систем управления расходом при комбинированном энергопитании.
В работе поставлены и решены следующие задачи исследования:
разработка методов построения уравнений и исследования устойчивости динамики гидросистем и гидроприводов с регулятором расхода жидкости и энергопитанием от ветродвигателя, в том числе, с учётом упругости передаточного вала между двигателем и насосом;
разработка принципиальных схем гидросистем и гидроприводов с автоматическим регулированием расхода жидкости за счёт изменения частоты вращения вала двигателя насоса;
разработка автоматических систем управления расходом жидкости в гидросистемах и гидроприводах при комбинированном энергопитании;
разработка модернизированной системы подачи смазочноохлаждающих технологических средств (СОТС) машиностроительного предприятия с регулятором расхода жидкости;
составление уравнений и исследование устойчивости динамики гидросистем и гидроприводов с регулятором расхода жидкости и энергопитанием от электродвигателя или ДВС.
Методы исследований. Включают в себя методы классической механики, подходы и методы математического моделирования динамических систем, теории автоматического управления и устойчивости движения.
Достоверность полученных результатов. Моделирование основано на фундаментальных законах и общепринятых положениях механики, гидравлики, теории автоматического управления. Достоверность результатов подтверждается корректным применением математического аппарата, экспериментальными данными и численным моделированием динамики гидросистемы.
Личный вклад автора состоит в формулировке задач;
моделировании и исследовании динамики, разработке принципиальных схем гидросистем и гидроприводов с автоматическим управлением расходом жидкости; разработке гидросистем с комбинированным энергопитанием; участии в изготовлении и экспериментальном исследовании опытных образцов роторных ветродвигателей.
Научная новизна:
разработаны методы построения уравнений и исследования устойчивости динамики гидросистем и гидроприводов с ветродвигателем, в том числе, с учётом упругости передаточного вала между двигателем и насосом. В отличие от других работ здесь учитывается динамика насоса, жидкости в трубопроводе, регулятора расхода и гидродвигателя;
разработан метод автоматического регулирования расхода жидкости в гидросистемах и гидроприводах путём управления ветродвигателем насоса, отличающийся тем, что изменение частоты вращения вала двигателя происходит по принципу обратной связи с применением регулятора расхода жидкости;
предложен метод автоматического поддержания расхода жидкости в гидросистемах и гидроприводах с комбинированным энергопитанием при совместной работе ветродвигателя с электродвигателем или ДВС;
построены уравнения и определены условия устойчивости динамики гидросистем и гидроприводов с регулятором расхода жидкости и энергопитанием от электродвигателя или ДВС.
Практическая ценность работы:
разработаны системы автоматического регулирования расхода жидкости, которые позволяют управлять расходом подаваемой жидкости в гидросистемах или скоростью движения выходного звена гидроприводов;
внедрение гидросистем и гидроприводов с ветронасосным агрегатом позволяет снизить энергетические затраты и способствует сохранению экологической чистоты окружающей среды;
разработаны автоматические системы поддержания расхода жидкости при комбинированном энергопитании, позволяющие существенно снизить затраты на электроэнергию или на топливо для ДВС;
проведена модернизация системы подачи СОТС, используемой на машиностроительных предприятиях, путём включения в её состав регулятора расхода жидкости;
результаты диссертации могут быть использованы при исследовании устойчивости динамики различных механических систем с ветродвигателем, в том числе, систем, содержащих звенья с распределёнными параметрами.
Реализация результатов. Результаты исследований переданы в ОАО «КАМАЗ» для подготовки технической документации по модернизации системы циркуляции смазочно-охлаждающих технологических средств. Они также используются в учебном процессе Набережночелнинского института (филиала) Казанского (Приволжского) федерального университета.
Апробация работы. Основные результаты диссертации обсуждались на международной научно-технической и образовательной конференции (Наб. Челны, 2010), межрегиональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Камские чтения»
(Наб. Челны, 2009, 2011), XV международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2011), X международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, 2012), а также на научных семинарах кафедры «Теоретическая механика и сопротивление материалов» (2009Набережночелнинского института Казанского (Приволжского) федерального университета.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 статей, 4 из которых – в журналах, рекомендованных ВАК, 4 – обсуждались на международных конференциях.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 108 наименований, рисунка. Полный объём диссертации составляет страниц машинописного текста.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дана общая характеристика работы, обоснована её актуальность, сформулированы цель и основные задачи исследования, а также научная новизна и практическая ценность результатов.
В первой главе рассмотрен вопрос выбора ветродвигателя для привода насоса и проведено математическое моделирование динамики гидросистем и гидроприводов с ветронасосным агрегатом и регулятором расхода жидкости.
В работе проведён сравнительный анализ существующих ветродвигателей различных типов. Исходя из этого анализа сделан вывод, что для привода насосов в гидросистемах наиболее подходит роторный ветродвигатель с вертикальной осью вращения, выпуклыми лопастями и направляющими (воздухозаборником) вокруг ротора. Воздухозаборник предназначен для направления воздушного потока только на вогнутую сторону лопастей, исключая действие потока на лопасти, идущие против ветра. Для регулирования поступления воздуха в ротор предусмотрены жалюзи, расположенные в направляющих. Роторный ветродвигатель по сравнению с другими ветродвигателями имеет ряд преимуществ для применения в приводах насосов: вертикальный вал удобен для агрегатирования с насосом, расположенным у основания двигателя недалеко от источника жидкости; простота конструкции, в частности, отсутствие системы ориентации на ветер; безопасность, бесшумность и возможность расположения вблизи зданий.
По отдельности рассматриваются:
гидросистема для подачи жидкости потребителю;
гидропривод с гидромотором;
гидропривод с гидроцилиндром с регулятором расхода жидкости.
При рассмотрении каждой системы составляются линеаризованные уравнения динамики отдельных её звеньев, из которых после исключения некоторых переменных выводятся уравнения динамики системы в целом.
Все уравнения записываются в безразмерной форме в относительных отклонениях от номинального режима работы системы.
Принципиальная схема гидросистемы с регулятором расхода жидкости показана на рис.1.
Рисунок 1. Схема гидросистемы с регулятором расхода жидкости:
1 – роторный ветродвигатель с воздухозаборником; 2 и 3 – соединительные муфты;
4 – передаточный вал; 5 – насос; 6 – трубопровод; 7 – потребитель;
8 – датчик расхода; 9 – задатчик; 10 – дифференциальный преобразователь давления;
11 – рычажная система привода жалюзи; 12 – источник жидкости Система работает следующим образом. Датчик расхода, представляющий собой сужающую диафрагму, измеряет расход жидкости косвенно через перепад давления. Эта разность давления преобразуется в перемещение мембраны дифференциального преобразователя. Шток мембраны через рычажную систему управляет положением жалюзи, уменьшая или увеличивая расход воздушного потока, поступающего в ротор двигателя через воздухозаборник. Таким образом, осуществляется регулирование расхода подаваемой жидкости. Расчётное значение расхода устанавливается соответствующей затяжкой пружины задатчика 10.
Для построения уравнений динамики гидросистемы в целом составляем уравнения динамики ветродвигателя 1, насоса 6, трубопровода 7, датчика расхода 9 с дифференциальным преобразователем давления 11, рычажной системы привода жалюзи 12.
Динамика ветродвигателя описывается уравнением где – угловая скорость вращения вала ветродвигателя ( с 1 ); J в – суммарный момент инерции всех тел, кинематически связанных с вращением вала ветродвигателя ( Н м с 2 ); M в – вращающий момент ветродвигателя, создаваемый воздушным потоком ( Н м ); M н – момент сопротивления, потребляемый насосом ( Н м ).
Вращающий момент M в ветродвигателя является нелинейной функцией, зависящей от угловой скорости вращения, скорости V ветра, угла поворота жалюзи воздухозаборника и определяется по формуле где – плотность воздуха ( кг м 3 ); S – площадь проекции лопасти на плоскость, перпендикулярную воздушному потоку ( м 2 ); S ж – поперечная площадь жалюзи ( м 2 ); – угол схода воздушного потока с концов лопастей ( рад ); h – расстояние от оси вращения ротора до центра давления потока на лопасть ( м ); k – коэффициент, учитывающий долю лопастей, участвующих в создании момента.
На практике момент M в может быть определён также в виде экспериментальных графиков.
Момент, потребляемый насосом, определяется формулой где n Н – частота вращения вала насоса ( с 1 ); G – расход жидкости ( кг с ); PН 0, PН – давления жидкости на входе в насос и выходе из него После линеаризации уравнение (1) примет вид:
где n, g, p Н 0, p Н, u, v – относительные отклонения частоты вращения вала ветродвигателя, расхода жидкости, давления на входе в насос, давления на выходе из насоса, угла поворота жалюзи и скорости ветра от их значений в номинальном режиме; Tв – постоянная времени ветродвигателя; k1, k 2, k 3, k 4, k u, k v – безразмерные коэффициенты усиления. Относительные отклонения u угла поворота жалюзи играют роль управления.
Формулы для постоянных времени и коэффициентов усиления приводятся в диссертации.
Безразмерные уравнения динамики насоса, трубопровода, датчика расхода жидкости с дифференциальным преобразователем давления, рычажной системы привода жалюзи соответственно имеют вид:
где s М, p П – относительные отклонения смещения штока мембраны и давления среды у потребителя; TТ – постоянная времени трубопровода; k 5, …, k10 – безразмерные коэффициенты усиления. Остальные величины те же, что и в уравнении (2).
Исключив из уравнений (2) – (6) переменные p Н, u, s М, и полагая, что p Н 0 = p П = 0, т.е. пренебрегая возмущениями давления на входе в насос и давления у потребителя, получим следующую систему уравнений динамики гидросистемы в целом:
где переменная v играет роль постоянно действующих возмущений.
Используя принцип Гамильтона-Остроградского, получены также уравнения динамики гидросистемы с учётом упругости передаточного вала 4 (см. рис.1):
y, ( y, t ) – координаты, абсолютные углы поворота поперечных сечений передаточного вала 4 соответственно; M = M в = M н ; l, J, GI, max – длина, погонный момент инерции, жёсткость на кручение, максимальный угол закручивания упругого вала 4 соответственно; a 0 ( сек 2 ), a1 ( сек ), a ( сек 1 ), a 3 ( сек ) – коэффициенты, зависящие от параметров упругого вала.
Знаком (*) отмечены значения величин в номинальном режиме работы системы. Частные производные соответствуют номинальному режиму.
Уравнения (8) представляют собой систему смешанных уравнений в частных и обыкновенных производных. Второе уравнение системы (8) – волновое уравнение – описывает упругие крутильные деформации передаточного вала.
гидроцилиндром к вышеуказанным уравнениям динамики звеньев гидросистемы добавляется уравнение динамики гидромотора или гидроцилиндра.
Следует отметить следующий результат. В работе уравнения динамики напорного трубопровода и гидромотора, исключая из них давление жидкости на входе в гидромотор, заменяются одним уравнением, описывающим динамику объединённого звена «трубопровод + гидромотор». Давление жидкости на входе в гидромотор одновременно является и давлением жидкости на выходе из напорного трубопровода, т.е.
играет роль внутренней связи между этими двумя звеньями, поэтому его можно исключить. Аналогично можно поступить и при рассмотрении гидропривода с гидроцилиндром. Уравнения динамики трубопровода и гидроцилиндра заменяются одним уравнением, описывающим динамику объединённого звена «трубопровод + гидроцилиндр».
Пренебрегая возмущениями давления на входе в насос и в сливном трубопроводе, уравнения динамики гидропривода с гидромотором и регулятором расхода жидкости получены в виде:
а уравнения динамики гидропривода с гидроцилиндром и регулятором расхода жидкости – в виде:
где n Г, mС, v Г, f – относительные отклонения частоты вращения вала гидромотора, момента внешней нагрузки на его валу, скорости поршня гидроцилиндра, внешней нагрузки на штоке поршня от их номинальных значений; TТГ, TТГЦ – постоянные времени объединённых звеньев «трубопровод + гидромотор» и «трубопровод + гидроцилиндр»; k11, …, k – безразмерные коэффициенты усиления отдельных звеньев.
Получены также уравнения динамики гидроприводов с учётом упругости передаточного вала.
Вторая глава посвящена исследованию устойчивости и численному моделированию динамики гидросистемы и гидроприводов с ветронасосным агрегатом и регулятором расхода жидкости.
Пусть v = 0, т.е. скорость ветра постоянна и равна расчётному значению. Тогда характеристическое уравнение системы (7) будет иметь корни с отрицательными вещественными частями при выполнении неравенств которые являются необходимыми и достаточными условиями асимптотической устойчивости динамики гидросистемы.
Используя метод функций Ляпунова получены также условия асимптотической устойчивости системы (8), т.е. динамики гидросистемы с учётом упругости передаточного вала при v = 0 :
Следует отметить, что для построения функции Ляпунова в виде квадратичных форм уравнение в частных производных второго порядка в системе (8) путём введения дополнительных переменных и с учётом условия интегрируемости предварительно сводится к эквивалентной системе уравнений в частных производных первого порядка по времени t и координате x.
По условиям (11) и (12) построены области устойчивости в плоскости ряда параметров. Из построенных графиков следует, что область устойчивости гидросистемы с жёстким передаточным валом значительно шире, чем для гидросистемы с упругим валом.
Составлена программа численного решения уравнений (7) динамики гидросистемы при различных законах изменения скорости ветра v(t ).
Используя эту программу, проведены численные эксперименты для уяснения реакции гидросистемы, в частности, изменения расхода жидкости на скачкообразное увеличение скорости ветра на постоянную величину и на периодическое изменение скорости ветра по синусоидальному закону с частотой, равной частоте порывов ветра в секунду. При скачкообразном увеличении скорости ветра имеет место небольшой заброс расхода жидкости (перерегулирование), а при изменении скорости ветра по гармоническому закону расход также является колебательным с незначительной амплитудой.
Пусть v = mС = f = 0, т.е. скорость ветра, внешний момент на валу гидромотора и внешняя нагрузка на штоке поршня гидроцилиндра постоянны. Аналогично неравенствам (11) условия устойчивости системы (9) получены в виде:
а условия устойчивости системы (10) – в виде:
Условия устойчивости гидроприводов с ветродвигателем получены также с учётом упругости передаточного вала.
В третьей главе разработаны автоматические системы обеспечения заданного расхода жидкости в гидросистемах с комбинированным энергопитанием от неветрового двигателя (электродвигатель или ДВС) и ветродвигателя.
На рис.2 представлена автоматическая система поддержания расчётного значения расход жидкости Q Р при совместной работе ветродвигателя с асинхронным электродвигателем переменного тока.
Рисунок 2. Схема автоматической системы обеспечения заданного расхода жидкости при совместной работе ветродвигателя с электронасосом:
1 – ветродвигатель; 2 – насос ветродвигателя; 3 – задатчик расхода;
4 – дифференциальные преобразователи давления; 5 – соединительное звено;
6 - электромеханическое преобразующее устройство; 7 – частотный преобразователь;
8 – электронасос; 9 – обратные клапаны; 10 – датчики расхода; 11 – потребитель Система состоит из двух автономных гидролиний с энергопитанием от электродвигателя и от ветродвигателя. Каждая линия имеет свой насос, регулятор расхода жидкости и может работать самостоятельно. Если скорость ветра равна расчётной скорости или выше неё, то заданный расход жидкости обеспечивает только ветродвигатель. Электродвигатель при этом отключён. Наоборот, при малой скорости ветра заданный расход жидкости полностью обеспечивает электродвигатель. Гидролиния с электродвигателем работает так. Разность давления, которую измеряет датчик расхода, преобразуется в перемещение мембраны дифференциального преобразователя. Мембрана связана штоком с электромеханическим преобразующим устройством (ЭПУ), в котором осуществляется преобразование перемещения штока мембраны в напряжение постоянного тока, пропорциональное этому перемещению.
Это напряжение управляет частотным преобразователем (ЧП). Под воздействием этого управляющего напряжения частотный преобразователь, изменяя частоту напряжения питания двигателя, регулирует частоту вращения вала двигателя, а, следовательно, расход подаваемой жидкости.
Система может работать и в режиме подпитки, когда часть Q расхода жидкости обеспечивает ветродвигатель, а недостающую часть QР Q1 даёт электродвигатель. Работу системы в этом режиме обеспечивает звено 5, соединяющее между собой мембраны преобразователей давления на линиях ветродвигателя и электродвигателя и играющее роль распределителя расхода.
В режиме подпитки система работает следующим образом. Пусть, например, ветродвигатель обеспечивает расход Q1, меньший расчётного значения Q Р. При этом мембрана преобразователя давления на линии ветродвигателя смещена на некоторое расстояние h1, соответствующее расходу Q1 (рис.3), а мембрана преобразователя давления на линии электронасоса занимает положение на расстоянии hР h1, где hР – смещение, соответствующее расходу Q Р. При таком смещении мембраны вал электродвигателя вращается с соответствующей частотой и обеспечивает подачу недостающего расхода QР Q1 жидкости.
Рисунок 3. Положение мембран преобразователей давления Разработана также аналогичная автоматическая система обеспечения заданного расхода жидкости при совместной работе ветродвигателя с ДВС.
Система автоматического регулирования расхода жидкости за счёт изменения частоты вращения вала электродвигателя насоса (рис.2) используется при модернизации системы подачи СОТС машиностроительного предприятия. Модернизация заключается в том, что к существующей системе подачи СОТС добавлен регулятор расхода жидкости.
комбинированным энергопитанием в периоды малой скорости ветра гидролиния с неветровым двигателем работает автономно, т.е. одна обеспечивает заданный расход жидкости. В связи с этим в четвёртой главе проведено математическое моделирование и исследование устойчивости динамики гидросистем с регулятором расхода жидкости и энергопитанием от неветрового двигателя.
По отдельности рассматриваются:
гидросистема для подачи жидкости;
гидропривод с гидромотором;
гидропривод с гидроцилиндром с регулятором расхода жидкости и энергопитанием от электродвигателя переменного тока или ДВС. Для каждой системы построена математическая модель в виде линеаризованных безразмерных уравнений динамики и получены условия устойчивости.
Например, без учёта возмущений давления на входе в насос и давления у потребителя уравнения динамики гидросистемы с электродвигателем получены в виде:
устойчивости системы (14) – в виде:
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1. Разработаны методы построения уравнений и исследования устойчивости динамики:гидросистемы для подачи жидкости;
гидропривода с гидромотором;
гидропривода с гидроцилиндром с регулятором расхода жидкости и ветродвигателем, в том числе, с учётом упругости вала, передающего крутящий момент от двигателя насосу.
Получены условия и по ним построены области устойчивости в плоскости ряда параметров. Проведён сравнительный анализ условий устойчивости без и с учётом упругости передаточного вала. Область устойчивости с жёстким передаточным валом значительно шире области устойчивости с упругим валом, т.е. упругость передаточного вала ухудшает устойчивость гидросистемы (гидроприводов).
гидроприводов с регулятором расхода жидкости и энергопитанием от ветродвигателя или электродвигателя, либо от ДВС.
3. Предложен метод автоматического регулирования расхода жидкости в гидросистемах и скорости выходного звена гидроприводов путём управления ветродвигателем насоса, отличающийся тем, что изменение частоты вращения вала двигателя происходит по принципу обратной связи с применением регулятора расхода жидкости.
4. Разработаны автоматические системы поддержания заданного расхода жидкости в гидросистемах с комбинированным энергопитанием при совместной работе ветродвигателя с электродвигателем или ДВС.
Каждая система в зависимости от скорости ветра может работать в трёх режимах: заданный расход жидкости полностью обеспечивает ветродвигатель или электродвигатель (ДВС) и в режиме подпитки, когда часть расхода обеспечивает ветродвигатель, а недостающую часть – электродвигатель (ДВС). Показано, что использование комбинированного энергопитания позволяет снизить энергетические затраты на 30 – 40 %.
5. Проведена модернизация системы подачи смазочноохлаждающих технологических средств, используемой на машиностроительных предприятиях, путём включения в её состав регулятора расхода жидкости. В модернизированной системе непроизводительного слива части жидкости после насоса через переливной клапан обратно в гидробак, как это происходит в существующей системе, а за счёт изменения частоты вращения вала двигателя насоса, что является более экономичным способом.
6. Получены уравнения и условия устойчивости динамики:
гидросистем для подачи жидкости;
гидроприводов с гидромотором;
гидроприводов с гидроцилиндром с регулятором расхода жидкости и энергопитанием от электродвигателя или ДВС.
7. С использованием уравнений динамики для каждой гидросистемы (гидропривода) построена структурная схема, дающая представление о свойствах каждого из звеньев и определяющая полную картину внутренних связей между этими звеньями.
8. Проведены численные эксперименты по оценке реакции гидросистемы, в частности, изменения расхода жидкости потребителю на скачкообразное увеличение скорости ветра и на периодическое изменение скорости ветра по гармоническому закону с частотой, равной частоте порывов ветра в секунду. При скачкообразном увеличении скорости ветра имеет место небольшой заброс расхода жидкости (перерегулирование), а при изменении скорости ветра по гармоническому закону расход жидкости также является колебательным с незначительной амплитудой. Причём, чем больше частота порывов ветра, тем больше частота колебаний расхода.
Основное содержание работы
отражено в следующих публикациях:
Научные статьи, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК:
1. Байрамов Ф.Д., Байрамов Б.Ф., Мардамшин И.Г. Математическое моделирование и устойчивость гидравлической системы с ветронасосным агрегатом // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева, №4, Казань, 2009.
С.42-47.
2. Байрамов Б.Ф. Система автоматизированного регулирования скорости выходного звена гидропривода и исследование её динамики // Научнотехнический вестник Поволжья, Казань, 2012. – №1. – С.80-84.
3. Байрамов Ф.Д., Байрамов Б.Ф., Фардеев А.Р. Автоматизация и исследование динамики процесса регулирования скорости выходного звена гидропривода с ветронасосным агрегатом // Вестник Ижевского государственного технического университета, Ижевск, 2012. – №1. – С.37-40.
4. Байрамов Ф.Д., Байрамов Б.Ф., Фардеев А.Р. Автоматические системы комбинированным энергопитанием // Научно-технический вестник Поволжья, Казань, 2013. – №1. – С.104-108.
В других журналах и материалах научных конференций:
5. Байрамов Ф.Д., Байрамов Б.Ф., Мардамшин И.Г. Исследование динамики гидравлических систем с ветронасосным агрегатом // Проектирование и исследование технических систем. Межвузовский научный сборник. Наб. Челны: ИНЭКА, №12, 2008. С.106-112.
6. Байрамов Б.Ф. Исследование функционирования гидравлических систем с управляемым двигателем насоса // Образование и наука – производству. Сборник трудов международной научно-технической и образовательной конференции, часть I книга 3. Наб. Челны, 2010.
С.14-17.
7. Байрамов Б.Ф. Динамика и устойчивость гидропривода с автоматизированной системой регулирования скорости выходного звена гидродвигателя // Современные технологии в машиностроении.
Сборник статей международной научно-практической конференции. Пенза: Приволжский Дом знаний, 2011. С.183-186.
8. Байрамов Б.Ф. Гидросистема с автоматическим регулятором расхода потребляемой жидкости и исследование её динамики // Проектирование и исследование технических систем. Межвузовский научный сборник. Наб. Челны: ИНЭКА, №4, 2011. С.33-36.
9. Байрамов Ф.Д., Байрамов Б.Ф. Гидропривод с автоматическим регулятором скорости выходного звена гидропривода и исследование его динамики // Проектирование и исследование технических систем.
Межвузовский научный сборник. Наб. Челны: ИНЭКА, №4, 2011.
С.37-41.
10. Байрамов Б.Ф. Автоматизированная система управления гидроприводом с ветронасосным агрегатом // Проектирование и исследование технических систем. Межвузовский научный сборник.
Наб. Челны: ИНЭКА, №4, 2011. С.78-81.
11. Байрамов Б.Ф. Гидропривод с автоматически регулируемым ветронасосным агрегатом и исследование его динамики // Материалы и технологии XXI века. Сборник статей X международной научнотехнической конференции. Пенза: Приволжский Дом знаний, 2012.
С.106-109.
12. Байрамов Б.Ф. Система подачи смазочно-охлаждающих технологических средств машиностроительного предприятия с автоматизированным регулированием расхода жидкости // Социальноэкономические и технические системы. http://sets.ru/base/62nomer /bajramov/1.pdf. 2012. – №2. – 5с.
АННОТАЦИЯ
Управление и устойчивость систем с ветродвигателем В рассматриваемой работе разработан метод управления ветродвигателем для обеспечения заданного расхода жидкости в гидросистеме по принципу обратной связи.Проведено математическое моделирование динамики и исследована устойчивость гидросистем (гидроприводов) с ветродвигателем, в том числе с учётом упругости передаточного вала между двигателем и насосом. Разработана автоматическая система управления расходом жидкости в гидросистемах при комбинированном энергопитании от ветродвигателя и электродвигателя или ДВС. Получены уравнения динамики и условия устойчивости гидросистем (гидроприводов) с электродвигателем или ДВС.
ABSTRACT
The managing and stability of systems with the wind engine In the analyzed work the method of managing of the wind engine supplying the given liquid in the hidrosystem according to the principal of feedback is worked out. The mathematic of dynamics is given and the stability of hydrosystems (hydraulic drives) with the wind engine is researched, taking into consideration the elasticity of the transmission shaft power between the engine and the pump as well. The system of managing of liquid in hydrosystems by combined energy supply from the wind engine and the electric engine or the ICE is worked out. Dynamics and stability conditions of hydrosystems (hydraulic drives) with the electric engine or the ICE are got.