Введение к работе
Актуальность проблемы. В «Энергетической стратегии России на период до 2020 года» одним из главных приоритетов определено снижение удельных затрат на использование энергоресурсов за счет рационализации их потребления, применения энергосберегающих оборудования и технологий. К последним можно отнести вибрационную технологию. В силу своих неоспоримых преимуществ вибрационные машины (ВМ) широко используются во всех областях техники, продолжают бурно развиваться, осваивая все новые сферы (микробиология, космическая технология, создание новых материалов), и расцениваются сейчас как основа технологий будущего.
По режиму работы ВМ бывают дорезонансные, резонансные и зарезонансные. Предпочтение исследователями отдается зарезо-нансным ВМ, у которых амплитуда колебаний рабочего органа (РО) наиболее стабильна и не зависит от технологической нагрузки обрабатываемого материала, среды. Однако возникает проблема преодоления резонанса при пуске и остановке этих машин.
Исследования на ВМ показывают, что основными кинематическими параметрами вибрации, определяющими эффективность виброобработки, являются частота и амплитуда колебаний РО, которые для поддержания качества обработки с изменением материала, среды или их состояния требуется регулировать, причем согласованно, между собой. Поэтому наряду с решением технологической задачи, связанной с регулированием частоты колебаний РО частотно-регулируемым приводом на базе широко применяемого асинхронного двигателя (АД) и амплитуды колебаний наиболее распространенными инерционными вибраторами, необходимо решение и проблемы энергосбережения.
В связи с изложенным выявление общей закономерности, установление взаимосвязи между оптимальными значениями частоты и амплитуды колебаний РО для множества известных исследований технологических процессов в АПК и его отраслях, обоснование показателей регулирования параметров, получение аналитических зависимостей с учетом регулирования параметров, разработка унифицированных вибраторов с широкими технологическими возможностями и методики их расчета, снижение потерь электроэнергии
в переходных процессах и статических режимах асинхронного электропривода (АЭП) ВМ являются актуальными задачами.
Актуальность направления исследований подтверждается соответствием данной темы: межведомственной координационной программе фундаментальных и приоритетных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса РФ на 2006-2010 годы, одобренной Президиумом Российской академии сельскохозяйственных наук 16 ноября 2006 года, межведомственным координационным советом по формированию и реализации Программы 19 октября 2006 года, заданию раздела федеральной программы по научному обеспечению АПК РФ: шифр 01.02 - «Разработать перспективную систему технологий и машин для производства продукции растениеводства и животноводства на период до 2015 г.».
Целью работы является повышение энергетической эффективности асинхронного электровибропривода за счет регулирования параметров вибрации для соответствующих технологических процессов АПК.
В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи исследования:
-
Выявить факторы системы АЭП-ВМ, позволяющие уменьшить электропотребление в переходных и установившихся режимах.
-
Выявить общую закономерность и установить взаимосвязь между амплитудой и частотой колебаний РО, соответствующих эффективному режиму виброобработки, и обосновать показатели регулирования этих параметров для ВМ в технологических процессах АПК.
-
Разработать математическую модель системы на примере АЭП зарезонансной многорешетной ВЗМ (МВЗМ) с саморегулируемым вибратором и методики расчета универсального саморегулируемого вибратора для различных ВМ с регулируемыми параметрами и рационального энергосберегающего АЭП.
-
Разработать методику и провести экспериментальные исследования амплитудно-частотных и приводных характеристик и проверить адекватность разработанной математической модели АЭП МВЗМ.
-
Исследовать переходные режимы АЭП зарезонансной МВЗМ, разработать мероприятия и конструкции регулируемых инерционных вибраторов ВМ, обеспечивающих регулирование амплитуды, ограничение резонансной амплитуды колебаний РО и снижение потерь энергии.
6. Провести технико-экономическую оценку эффективности разработок, наметить перспективные направления совершенствования и области использования ВМ с регулируемыми параметрами.
Объект исследования. Колебательные процессы рабочего органа многорешетной виброзерноочистительной машины (РО МВЗМ) с АЭП с регулируемыми параметрами.
Предмет исследования. Установление взаимосвязи технологических характеристик колебаний РО ВМ с регулируемыми параметрами с электромеханическими процессами и энергетической эффективностью АЭП.
Методы исследования. Основные результаты диссертационной работы получены на основании фундаментальных законов и уравнений механики и электромеханики и основных положений теории электропривода.
Достоверность результатов исследований и выводов проверялась экспериментально-аналитическими методами, сравнением некоторых полученных результатов с решениями других авторов, экспертизой разработанных технических решений в Роспатенте РФ.
Научная новизна. Выполненные в работе исследования позволили получить совокупность новых положений и результатов:
-
Впервые установлены гиперболическая взаимосвязь и показатели регулирования рациональных параметров вибрации ВМ в технологических процессах АПК в целом и по его отраслям.
-
Получена система дифференциальных уравнений, позволяющая исследовать динамику процессов в системе «АЭП-МВЗМ» с регулируемыми параметрами на ПК в различных по отношению к резонансу режимах и сочетаниях конструктивно-кинематических параметров.
-
На основе решения системы дифференциальных уравнений рассчитаны механическая и нагрузочная характеристики МВЗМ с регулируемыми параметрами.
-
Разработана методика расчета универсального саморегулируемого инерционного вибратора.
5. Определены коэффициенты форм нагрузочных диаграмм
МВЗМ с учетом механической и электромагнитной инерции, а также
упругости промежуточной передачи и оценено их влияние на выбор
мощности приводного двигателя.
Практическая ценность полученных результатов работы состоит:
-
В методике расчетов и практических рекомендациях для проектирования рационального электропривода ВМ с регулируемыми параметрами.
-
В методике определения в первом приближении мощности на валу производственного механизма тарированной асинхронной машиной.
-
В разработанном зарезонансном вибросепараторе с вертикальной осью вращения дебалансов (А.с. 1542634).
-
В разработанном саморегулируемом инерционном вибраторе, исключающем удар об упор при выдвижении первого дебаланса и обеспечивающем в переходных режимах снижение энергозатрат в1,17раза(А.с. 1498559).
-
В разработанной конструкции универсального адаптивного вибровозбудителя, автоматически регулирующего амплитуду и частоту колебаний по любому требуемому закону (патент на полезную модель 70169).
Реализация результатов работы. Основные результаты диссертации использованы при выполнении госбюджетных НИР, проводимых ХИМЭСХ, БСХИ, У ТИС в различные годы (1973-2003 гг.). Разработанный и изготовленный АЭП МВЗМ с регулируемыми параметрами был внедрен на Бориспольской семяочистительной фабрике «Сортсемовощ» и в совхозе «Россия» МУСИ РБ. Получены положительные заключения на разработанные рекомендации по повышению эффективности технологических процессов АПК за счет использования асинхронного электровибропривода с регулируемыми параметрами (на примере виброзерноочистительных машин) от Министерства сельского хозяйства Республики Башкортостан, Башкирского государственного аграрного университета, Оренбургского государственного аграрного университета и Курганской государственной сельскохозяйственной академии. Теоретические и экспериментальные результаты диссертации, представленные в монографиях «Динамика вибрационных зерноочистительных машин с регулируемыми параметрами. Проблемы электропривода», «Энергетические аспекты асинхронного электровибропривода машин в технологических процессах АПК», используются в учебном процессе БГАУ, ЧГАА и УГАЭС.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Система дифференциальных уравнений, описывающих процессы в системе АЭП-МВЗМ с регулируемыми параметрами;
-
Механические и нагрузочные характеристики МВЗМ с регулируемыми параметрами;
-
Методики расчета универсального саморегулируемого инерционного вибратора и рационального асинхронного электропривода;
-
Конструкции регулируемых вибраторов зарезонансных ВМ;
-
Результаты энергетической и экономической оценки работы АЭП-МВЗМ с регулируемыми параметрами.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на ежегодных внутри-вузовских, республиканских, всероссийских и международных научно-технических и научно-практических конференциях ХИМЭСХ (Харьков, 1974-1977 гг., 1983 г.), УНИИМЭСХ (Киев, 1979 г.), ЛСХИ (Санкт-Петербург, 1981 г.), УСХА (Киев, 1982 г.); результаты работы были представлены на Республиканском конкурсе молодых ученых и научных работников 1981 г. и Всесоюзном конкурсе 1982-1983 учебного года студенческих научных работ, где были отмечены соответственно дипломами III степени и ВС НТО; ВСХИ (Волгоград, 1985 г.), ЧДНТП (Челябинск, 1987 г.), УГАТУ (Уфа, 1987 г.), БГАУ (Уфа, 1978-1987 гг., 2004 г.), УГАЭС (Уфа, 1988-2010 гг.), ЧГАУ (Челябинск, 2004-2009 гг.), Всероссийской научно-практической конференции 5-6 февраля 2004 г. «Формирование механизма экономического роста в Российской Федерации и Республике Башкортостан в координатах мирового развития» УГИС (Уфа, 2004 г.), Международной научно-технической конференции 14-15 декабря 2005 г. «Инновации и перспективы сервиса» УГАЭС (Уфа, 2005 г.), III Международной научно-технической конференции 20-21 декабря 2006 г. «Инновации и перспективы сервиса» УГАЭС (Уфа, 2006 г.), Юбилейной XIV Международной научно-технической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству» ЧГАУ (Челябинск, 2006 г.).
Диссертационная работа была доложена на расширенных заседаниях кафедр «Электрические машины и электрооборудование» БГАУ (2007, 2008 гг.), «Применение электрической энергии в сельском хозяйстве» ЧГАУ (2007 г., 2008 и 2009 гг.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 38 научных работ, в том числе 11 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК, 2 монографии, 2 авторских свидетельства на изобретения и 1 патент на полезную модель.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа содержит 371 стр., в том числе 287 стр. основного текста, состоит из введения, 7 глав, заключения и 55 приложений. В работе содержится 14 таблиц и 90 рисунков. Список использованной литературы насчитывает 258 наименований.
