Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 9
1.1. Состояние вопроса и цель работы 9
1.2. Принцип построения электропривода изадачи исследований 18
2. ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ И ОБОСНОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА 28
2.1. Исследование влияния силы реакции монолита корма на процесс перемещения рабочего органа 28
2.2. Обоснование пределов регулирования скорости подачи рабочего органа 31
2.3. Обоснование мощности электропривода 37
2.4. Элементная база электропривода 48
3. ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА 54
3.1. Динамические свойства электропривода в тормозном режиме 54
3.2. Динамическая модель электропривода 60
3.3. Математическое моделирование динамических режимов., электропривода.: 65
4. ИССЛЕДОВАНИЯ СТАТИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА 70
4.1. Математическое описание статики электропривода 70
4.2. Исследование статических режимов электропривода... 72
5. ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА 79
5.1. Конструкция и принципиальная схема электропривода .. 79
5.2. Результаты опытной проверки и испытаний электропривода 83
6. АНАЛИЗ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА... 90
6.1. Факторы, определяющие экономическую эффективность.. 90
6.2. Методика и результаты анализа экономической эффективности 99
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 104
ЛИТЕРАТУРА 108
ПРИЛОЖЕНИЯ 129
Приложение 1. Краткий анализ тормозных режимов и тормозных схем асинхронных электродвигателей 130
Приложение 2. К аппроксимации графиков зависимостей р(х) и v(x) 134
Приложение 3. К выбору электродвигателя привода перемещения рабочего органа 146
Приложение 4. Расчет механических характеристик двигателя АИР90Ы6/4ЕУЗ в режиме динамического торможения. 149 Приложение 5. К математическому описанию динамической
модели электропривода 155
Приложение 6. Фрагменты результатов моделирования динамических режимов электропривода с помощью ЭЦВМ 159
Приложение 7. Фрагменты результатов исследования статических режимов электропривода 161
Приложение 8. К анализу экономической эффективности электропривода 167
Приложение 9. Акт испытаний электропривода 175
- Состояние вопроса и цель работы
- Исследование влияния силы реакции монолита корма на процесс перемещения рабочего органа
- Динамические свойства электропривода в тормозном режиме
- Математическое описание статики электропривода
- Конструкция и принципиальная схема электропривода
Введение к работе
Актуальность темы. Наиболее перспективными и прогрессивными технологиями закладки, хранения и использования консервированных кормов (силоса, сенажа), составляющих 40-50% рациона крупного рогатого скота в стойловый период, являются механизированные технологии на основе траншейных хранилищ. Они реализуются на базе узкоцелевых (только для выемки кормов) или универсальных (для закладки и выемки кормов) специализированных машин и агрегатов. К числу универсальных средств механизации относится электрифицированный стационарный выгрузчик ПТС-30, разработанный в Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (АЧГАА). Он признан наиболее перспективным и рекомендован для широкого использования, так как отличается низкой энергоемкостью, повышенной производительностью, оригинальностью конструктивных и технологических решений, позволяющих создать на его базе роботизированный комплекс.
Существующая система ручного управления выгрузчиком ПТС-30, вследствие ограниченных физиологических возможностей оператора, не обеспечивает его максимальную производительность и не позволяет исключить возможные потери корма. Дальнейшее совершенствование выгрузчика с учетом этих факторов целесообразно посредством его оснащения системой автоматического управления. Практически реализовать такую систему управления можно только при наличии плавноре-гулируемого привода подачи рабочего органа, обеспечивающего регулирование его скорости перемещения в пределах, регламентированных изменением физико-механических свойств монолита корма по высоте хранилища. Изложенные выше обстоятельства свидетельствуют об актуальности темы, разработке которой посвящена диссертация.
Тема работы связана с государственной целевой научно-технической программой "Разработать основные направления долгосрочной федеральной технической политики, систему энергетического обеспечения, развития автоматизации производства и экономии энергетических ресурсов в сельскохозяйственном производстве России" ("Механизация, энергетика, автоматизация и ресурсосбережение"), утвержденной Постановлением коллегии Минсельхоза России и Президиума Россельхоза-кадемии N10/9 от 08.10.92 г. Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ АЧГАА (АЧИМСХ) на 1991-95 гг.
Цель и задачи работы.- Цель работы - разработать плавнорегули-руемый электропривод подачи рабочего органа выгрузчика консервированных кормов ПТС-30.
Для достижения поставленной цели предложен принцип построения плавнорегулируемого электропривода, сущность которого следующая.
Рабочий орган перемещается на монолит корма под действием гравитационной силы, а его скорость подачи регулируется посредством плавного подтормаживания асинхронным короткозамкнутым электродвигателем в режиме динамического торможения. Для обеспечения устойчивости привода за пределами частот вращения выше критических значений, поскольку на этом участке механической характеристики режим работы двигателя неустойчивый, введена обратная связь по скорости. Очевидно, что непосредственное введение обратной связи без должного обоснования параметров и выбора элементов привода, представляющего замкнутую систему регулирования, не дает определенности в его работоспособности. В связи с этим реализация идеи создания плавнорегулируемого привода на базе асинхронного коротко-замкнутого электродвигателя с гравитационной подачей, динамическим торможением и обратной связью, которую можно трактовать как рабочую гипотезу, потребовала решения следующих основных задач: исследовать отдельные параметры и обосновать элементы электропривода (пределы регулирования скорости подачи, мощность электропривода, тип электродвигателя и другие элементы); исследовать динамические режимы электропривода с целью определения существования устойчивых режимов за пределами частот вращения выше критических и обоснования его рациональных параметров; исследовать статические режимы электропривода с целью определения его регулировочных характеристик; разработать, изготовить экспериментальный образец электропривода и провести его испытания; - оценить экономическую эффективность электропривода. Объект исследования - стационарный электрифицированный тран шейный выгрузчик консервированных кормов ПТС-30.
Предмет исследования - электропривод подачи рабочего органа -цепочно-планчатого отделителя (ЦПО) траншейного выгрузчика консервированных кормов.
Методика исследований включает аналитические и экспериментальные методы. При аналитических исследованиях использованы отдельные разделы и теоремы теоретической механики, элементы теории автоматического регулирования и теории вероятностей, основные положения классической и современной теории электропривода и методы математического моделирования с помощью ЭЦВМ.
Научная новизна работы - аналитические основы построения, расчета и выбора параметров плавнорегулируемого электропривода с гравитационной подачей, динамическим торможением и обратной связью по скорости на базе асинхронного электродвигателя с короткозамкнутьм ротором.
Практическая ценность работы - разработанный плавнорегулируе-мый электропривод, обеспечивающий регулирование скорости подачи рабочего органа траншейного выгрузчика консервированных кормов в широких пределах, удовлетворяющих технологическим требованиям.
Реализация результатов исследований. Экспериментальный образец плавнорегулируемого электропривода испытан Северо-Кавказской государственной зональной машиноиспытательной станцией (г. Зерноград, Ростовская область). В результате испытаний установлена работоспособность привода, его соответствие технологическим требованиям и дана рекомендация для практического использования.
Новизна отдельных технических решений, заложенных в основу электропривода, защищена авторским свидетельством.
Ожидаемая экономическая эффективность от применения привода составляет 3173772 руб. в год.
Некоторые теоретические исследования и их результаты использованы в учебнике, допущенном Главным управлением Высших учебных заведений Министерства сельского хозяйства и продовольствия Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов сельскохозяйственных ВУЗов по специальности 311400 - "Электрификация и автоматизация сельского хозяйства".
Публикация результатов работы. Основные положения диссертации опубликованы в 12 печатных работах, в том числе в одном авторском свидетельстве на изобретение.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены и обсуждены на ежегодных научных конференциях АЧГАА (АЧИМСХ) в 1988, 1989, 1992 гг., на научно-технической конференции
МИИСП в 1988 г., на научно-технической конференции ВНИПТИМЭСХ в 1990 г., на межвузовской научной конференции "Многоскоростной и электронизированный электропривод в сельском хозяйстве" (г.Зерног-рад, 1990 г.).
Обьем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка используемой литературы и приложений. Она содержит 190 стр. включая 43 рисунка, 15 таблиц и 9 приложений. Список используемой литературы представлен 181 наименованием,в том числе 42 зарубежных источника.
Приложения содержат краткий анализ тормозных режимов и тормозных схем асинхронных электродвигателей, некоторые технические и экономические расчеты, программы для ПЭВМ, отдельные фрагменты результатов математического моделирования и исследований, а также акт испытаний электропривода.
На защиту выносятся следующие основные научные и практические положения работы:
Принципы построения плавнорегулируемого асинхронного электропривода подачи рабочего органа траншейного выгрузчика консервированных кормов.
Методики и результаты аналитических исследований основных параметров электропривода и выбора его элементов (диапазона регулирования скорости подачи рабочего органа, мощности привода, типа электродвигателя и др.).
Математические модели динамики и статики электропривода, а также результаты исследований полученные на их основе.
Результаты опытной проверки и испытаний электропривода.
Состояние вопроса и цель работы
В балансе кормовой базы животноводства по выращиванию, откорму крупного рогатого скота и производству молочнотоварной продукции 70 % занимают сочные и грубые стебельчатые корма. Основную долю рациона животных составляет силос (до 40...50%). с преимущественным хранением в горизонтальных траншейных хранилищах [1,2]. Использование траншейных хранилищ консервированного корма обосновано как экономическими факторами, так и возможностью применения механизированных средств выгрузки [3,4].
Выгрузка силосохранилищ является важной технологической операцией. Способ ее реализации оказывает воздействие на качество кормов и предопределяет возможность механизации и автоматизации процесса отделения и выемки корма.
В процессе выгрузки консервированного корма имеют место потери, обусловленные разгерметизацией и нарушением монолитности пограничного слоя, в связи с чем образующийся при брожении газ улетучивается, а на его место проникает воздух, интенсивно окисляя силос. По данным отдельных исследований [5,6] при выемке консервированного корма из траншей окислительные процессы приводят к потере питательных веществ в течении 3...4 месяцев до 10-12%.
Для снижения потерь необходимо соблюдать последовательность операций выемки, заключающуюся в постепенном снятии герметизирующего покрытия, без лишнего его нарушения и создания свежих поверхностей силосного монолита минимального размера. Очевидно это невозможно обеспечить без использования средств механизации выемки корма из хранилищ, работающих в рациональном автоматическом режиме.
Для выгрузки консервированных кормов из хранилищ траншейного типа предпочтительны мобильные и стационарные машины непрерывного действия [73. Мобильные средства механизации используются в небольших и средних фермах. На крупных фермах и комплексах с большим объемом суточного потребления кормов получили широкое распространение стационарные выгрузчики силоса [8].
В результате анализа технологических схем стационарных выгрузчиков кормов, выпускаемых за рубежом и в нашей стране [8], определена целесообразность использования выгрузчика силоса и сенажа ПТС-30 (рис.1.1), созданного в АЧИМСХ (АЧГАА) [9], признанного перспективным и рекомендованным к освоению [10]. Он отличается повышенной производительностью, максимальной высотой забора корма, пониженной энергоемкостью.
Исследование влияния силы реакции монолита корма на процесс перемещения рабочего органа
Отделение корма цепочно-планчатым отделителем от массива представляет сложный физико-механический процесс [11], что практически не позволяет исследовать влияние силы реакции монолита корма на процесс перемещения рабочего органа аналитическими методами. Эта задача может быть решена на основе экспериментального метода, применённого при исследовании пильно-сгребающего рабочего органа выгрузчика консервированных кормов из траншейных хранилищ [145, 146], сущность которого состоит в измерении вертикальной составляющей реакции монолита с помощью тензодинамометра при различных значениях скорости подачи рабочего органа и скорости движения его цепи.
Для использования такого метода необходимо дорогостоящее тензометрическое оборудование, действующий выгрузчик силоса или реальный рабочий орган, либо его адекватная физическая модель, с устройством имитации силосного монолита, что требует больших временных и материальных затрат.
Очевидно, что прежде, чем планировать такой сложный и дорогостоящий эксперимент следует определить с каких позиций неоходи-мо оценивать влияние силы реакции монолита корма на рабочий орган. Анализ уравнений движения (1.1) показывает, что интерес, .в первую очередь, представляет влияние силы реакции R на динамику перемещения рабочего органа. Такую оценку можно выполнить на основе дифференциального уравнения (1.5), описывающего движение рабочего органа на силосный монолит под действием гравитационной силы.
Динамические свойства электропривода в тормозном режиме
Предлагаемый электропривод можно рассматривать как автоматическую систему, объектом управления (регулирования) в которой является асинхронный электродвигатель совместно с механической частью привода. Пренебрегая электромагнитными переходными процессами в электродвигателе и упругостью каната, движение электропривода перемещения ЦПО в режиме динамического торможения можно описать уравнением электропривода и поступательно движущегося ЦПО; Мд - движущий момент, создаваемый силой тяжести ЦПО; Мт - тормозной момент электродвигателя, определяемый выражением его механической характеристики в режиме динамического торможения. Упрощенная формула механической характеристики асинхронного электродвигателя в режиме динамического торможения имеет вид [16]
Математическое описание статики электропривода
Как известно [16,152], существование установившихся режимов в электроприводе возможно только при условии, что момент сопротивления - постоянная величина или функция скорости. Если момент сопротивления есть функция какого-либо параметра, например, пути (угла поворота), то даже при постоянной частоте вращения момент сопротивления изменяется во времени, и установившийся режим не возможен. Для рассматриваемого электропривода имеет место именно такой случай, так как составляющая момента сопротивления от реакции силосного момента Du зависит от плотности корма р, представляющую переменную величину по высоте хранилища (рис.2.1). То есть так как коэффициент передачи к1г входящий в выражение D(3.24) при постоянной скорости ЦПО, зависит от плотности корма. Следовательно, привод подачи ЦПО будет работать только в динамических режимах, и уравнение (4.2) не корректно использовать для оценки статических режимов привода. Однако, если допустить, что плотность корма изменяется дискретно, то на элементарных участках движения ЦПО Дх можно считать D=const и анализировать статику электропривода, используя уравнение механической характеристики (4.2) при различных фиксированных значениях коэффициента D. Таким образом, выражение (4.2) можно принять в качестве исходного математического описания для исследования статических режимов электропривода подачи ЦПО.
Конструкция и принципиальная схема электропривода
На основе полученных результатов, в соответствии с задачами исследований, был разработан и создан экспериментальный образец электропривода подачи рабочего органа выгрузчика силоса (рис.5.1, 5.2). Его созданию предшествовала опытная апробация основных принципов и теоретических предпосылок результатов исследований на физической модели электропривода [164], подтвердившая их правомерность.
В основу экспериментального образца электропривода положен двухскоростной асинхронный электродвигатель АИР90Ы6/4ЕУЗ с встроенным электромагнитным тормозом, разработанный на основе исследований кафедры электрических машин АЧГАА (АЧИМСХ). Механическая часть привода выполнена на базе двухступенчатого цилиндрического редуктора Ц2У-100-31.5 [157], на тихоходном валу которого установлен барабан для навивки тягового каната рабочего органа. Имитация ЦПО обеспечивается с помощью металлической конструкции (корзины) с калиброванными грузами, перемещающейся вертикально в направляющих. Корзина тяговым канатом через блок связана с барабаном. В качестве датчика скорости использован трехфазный синхронный тахогенератор.
Принципиальная электрическая схема привода показана на рис. 5.3. Возбуждение электродвигателя М, выполненное по схеме (рис.1.9), обеспечивается через диодную сборку VZ3 типа 2Ц416Д и кремневый симметричный тиристор VS1 типа 2У208Г [169]. Для управления тиристором использован блок управления БУТ-01 (рис.5.2) от серийного тиристорного усилителя У-252 [180].
