Введение к работе
Актуальность работы. Гидравлические системы управления являются одним из средств автоматизации и механизации производственных процессов в машиностроении. Энергию жидкости, находящейся под давлением, используют для приведения в движение механизмов и машин, автоматического управления технологическими процессами. Сокращение затрат на процесс повышения давления жидкости возможно путём введения в этот процесс дешёвых, экологически чистых видов энергии и создания автоматических систем управления процессом повышения давления жидкости.
На машиностроительных предприятиях существуют технологические процессы, в которых необходимо создавать циркуляцию жидкости. Например, такая необходимость возникает при подаче смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) в зону механической обработки деталей. Подача СОТС в эту зону необходима в связи с тем, что при механической обработке деталей происходит тепловыделение. Высокие температуры могут привести к быстрому износу инструмента, снижению точности и качества обработки. Смазочно-охлаждающие технологические средства уменьшают силы трения и отводят выделившееся тепло.
Регенерация СОТС происходит путем их циркуляции через фильтры. Для обеспечения циркуляции применяются насосы. Насосы приводятся в движение электродвигателями, которые потребляют электроэнергию. Для производства энергии в основном используются невосполнимые природные ресурсы. При этом велики выбросы в атмосферу тепла, продуктов сгорания топлива. Из-за уменьшения легко добываемой части ископаемых видов топлива увеличивается себестоимость энергоносителей. Дорого обходится и транспортировка энергоносителей или самой энергии. Это связано с большой ценой строительства трубопроводов и линий электропередач. Исходя из экономических и экологических соображений выгодно использовать для обеспечения циркуляции жидкости дешевую, экологически чистую энергию ветра.
Скорость ветра переменна. Поэтому приходится использовать ветродвигатель в качестве двигателя системы циркуляции жидкости только в некоторые промежутки времени. В оставшееся время двигателем системы циркуляции является электродвигатель. Для осуществления совместной работы ветродвигателя и электродвигателя необходимы системы управления. Естественно, при наличии энергии жидкости, движущейся под давлением, необходимо выбирать гидравлические системы управления.
В связи с вышесказанным являются актуальными проблемы разработки автоматических систем управления технологическими процессами машиностроения, содержащими ветроэнергетические установки.
Объектом исследования является система циркуляции смазочно-охлаждающих технологических средств машиностроительного предприятия.
Предметом исследования является автоматизация процесса управления работой системы циркуляции смазочно-охлаждающих технологических средств с комбинированным энергопитанием.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности системы циркуляции смазочно-охлаждающих технологических средств машиностроительного предприятия путём снижения энергозатрат за счет автоматизации процесса переключения ветро- и электроприводов насосов.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
- разработать автоматизированную систему циркуляции смазочно-охлаждающих технологических средств машиностроительного предприятия с применением комбинированных ветро- и электроприводов и систему её управления;
- разработать математические модели объекта и системы управления и исследо-вать область устойчивости работы системы при регулировании рабочего объёма пластинчатого насоса и площади сечения воздуховодов;
- разработать математическую модель взаимодействия регулируемого пластин-чатого насоса системы и ветродвигателя;
- разработать способы автоматического поддержания работы ветродвигателя системы подачи жидкости в режиме максимальной снимаемой мощности ветрового потока.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы математического моделирования, методы теории автоматического управления, гидропневмоавтоматики, гидравлики и гидроприводов, теории механизмов и машин, теоретической механики.
Достоверность полученных результатов и выводов обеспечена корректным применением математических методов, согласованностью новых результатов с известыми положениями и результатами экспериментальных исследований.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- разработана функциональная модель системы управления автоматической системы подачи жидкости с комбинированным энергопитанием и механической передачей мощности ветрового потока или гидроприводом, отличающейся тем, что обеспечивается автоматическое переключение ветро- и электроприводов в зависимости от скорости ветра;
- разработана математическая модель автоматического управления системой подачи жидкости в режиме максимальной снимаемой мощности, отличающаяся тем, что регулирование угловой скорости вращения ротора ветродвигателя обеспечивается изменением рабочего объёма пластинчатого насоса либо изменением площади сечения воздуховодов;
- построена математическая модель автоматической системы подачи жидкости и установлена область устойчивости её работы при управлении рабочим объёмом насоса или площадью сечения воздуховодов.
Практическая ценность работы:
- разработана система управления автоматической системы подачи жидкости с комбинированным энергопитанием и механической передачей мощности ветрового потока или гидроприводом;
- разработаны автоматические системы подачи жидкости с комбинированным энергопитанием и механической передачей или гидроприводом, на основе которых разработана автоматизированная система циркуляции смазочно-охлаждающих технологических средств, работающая как от электрической сети, так и от ветронасосной установки;
- предложен новый ветродвигатель с автоматически регулируемыми лопастями по патенту на полезную модель № 0090042, применение которого в регионах с высокой среднегодовой скоростью ветра позволяет повысить коэффициент использования энергии ветра;
- изготовлен и опробован в работе экспериментальный образец ветроагрегата с роторным ветродвигателем. Работа этого ветроагрегата показала, что при управлении рабочим объёмом насоса роторный ветродвигатель можно использовать даже при малой скорости ветра;
- определены зависимости рабочего объема и давления регулируемого пластинчатого насоса от скорости ветра, а также зависимость рабочего объема гидромотора (в случае использования ветронасосной установки с гидроприводом) от скорости ветра, которые необходимы при проектировании системы.
Применение разработанной автоматизированной системы циркуляции смазочно-охлаждающих технологических средств обеспечивает существенную экономию электроэнергии машиностроительного предприятия.
Реализация результатов. Результаты исследований переданы на автомобильный завод ОАО «КАМАЗ» для подготовки технической документации по модернизации системы циркуляции смазочно-охлаждающих технологических средств и используются в учебном процессе Камской государственной инженерно-экономической академии.
Апробация работы. Полученные результаты обсуждались на V международной научно-технической конференции "Материалы и технологии XXI века" (Пенза, 2007), VIII международном симпозиуме "Энергоресурсоэффективность и энергосбережение" (Казань, 2007), XIII международной научно-практической конференции " Cовременные технологии в машиностроении" (Пенза, 2009), а также на научных семинарах кафедры возобновляемых источников энергии и гидроэнергетики Санкт-Петербургского государственного политехнического университета (2007) и кафедры автоматизации и информационных технологий Камской государственной инженерно-экономической академии (2008-2009).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 статей, 2 из которых – в журналах, рекомендованных ВАК, 2 – обсуждались на международных конференциях.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из принятых обозначений, введения, 4 глав, заключения и списка литературы; содержит 126 страниц машинописного текста, 44 рисунка, список литературы из 110 наименований и 3 приложения.
