Введение к работе
Актуальность темы. Средства малой механизации (СММ) находят широкое применение в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства, строительства, сферах коммунального хозяйства и быта, и являются важным фактором повышения производительности труда в технологических процессах, использующих СММ. К СММ относятся ручные и переносные машины (механизированный инструмент).
Ручные и переносные машины можно разделить на индивидуальные и промышленные. Индивидуальные СММ в основном используются в быту и характеризуются низкой степенью загруженности. Высокая степень загруженности и параллельная работа группы устройств на нескольких рабочих местах одновременно характерна для промышленных СММ, применяемых в серийном промышленном производстве.
Ручные и переносные машины оснащаются в основном электрическим и пневматическим приводом, а машины повышенной мобильности - приводом от двигателей внутреннего сгорания. В настоящее время очевидные преимущества электропривода (ЭП) определили четкую тенденцию использования электромеханических исполнительных устройств в качестве привода промышленных СММ.
Повышение производительности труда в технологических процессах, использующих СММ, достигается применением редукторного привода с высокоскоростными двигателями, обеспечивающего минимизацию массы машины при допустимом уровне шума и вибробезопасности за счет ограничения колебательных нагрузок средствами привода и пассивной виброизоляции.
Для индивидуальных СММ наиболее распространенное решение - использование ЭП с коллекторными электродвигателями переменного тока, позволяющими получить повышенную частоту вращения при прямом включении в сеть без дополнительных ступеней преобразования энергии.
Альтернативный вариант коллекторному двигателю - асинхронный двигатель (АД) повышенной частоты, который в 1,5-5-3 раза легче, в 2,5-=-4 раза дешевле, имеет в 3 раза больший показатель надежности, в 1,5*1,8 раза больший КПД и существенно меньший уровень шума. Однако применение АД повышенной частоты (100-5-400Гц) требует дополнительных устройств - преобразователей частоты (ПЧ), стоимость которых при индивидуальном питании в 6*8 раз превышает стоимость АД. При групповом питании промышленных СММ ПЧ является общим источником питания, а в ряде отраслей его можно использовать для питания электроинструментов различного назначения. В этих случаях разница в стоимости АД и коллекторных двигателей позволяет не только компенсировать затраты на установку ПЧ, но и снизить общую стоимость промышленных СММ. За счет более высокого КПД, надежности и уменьшения затрат на техобслуживание достигается экономически оправданное применение ЭП промышленных СММ с полупроводниковыми ПЧ.
В настоящее время зарубежные фирмы в силу очевидных преимуществ своей продукции по качеству, надежности, эстетическому внешнему виду и высоких эргономических свойств, практически вытеснили с внутреннего рынка отечественных производителей индивидуальных СММ с коллекторными двигателями переменного тока.
Однако рынок промышленных СММ с ЭП на основе высокочастотных АД в настоящее время не подвергся существенной экспансии со стороны зарубежных производителей. Проблемы сохранения рынка промышленных СММ для отечественных производителей требуют решения задач, направленных на создание конкурентоспособной продукции, отвечающей современному уровню научно-технического прогресса. Создание конкурентоспособных машин промышленных СММ с высокими эксплуатационно-техническими и энергетическими характеристиками достижимо при реализации их ЭП на основе высоко-частотных АД и полупроюдниковых ПЧ, реализованных на современной элементной базе силовой полупроводниковой техники и микроэлектроники.
Актуальность выполненной автором работы определяется требованиями научно-технического прогресса в области создания электроприводов машин СММ с полупроводниковыми ПЧ.
В представленной работе приводятся результаты теоретических исследований, практической реализации и опытно-промышленного внедрения ЭП машин СММ с полупроводниковыми ПЧ, выполненных под руководством и непосредственном участии автора.
Целью работы является решение комплекса технических и научных проблем, направленных на создание машин промышленных СММ, соответствующих современному уровню научно-технического прогресса, за счет минимизации массы машин СММ, создания объектноориентированных ПЧ, реализованных на современной элементной базе, и достижении допустимого уровня шума и вибробезопасности, обеспечиваемых при ограничении колебательных нагрузок средствами ЭП.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных задач:
анализа особенностей эксплуатации, режимов работы и состояния ЭП машин СММ, разработки технических требований и концепции выбора технической базы реализации ЭП машин промышленных СММ;
разработки научно обоснованных рекомендаций по определению передаточного числа редуктора и скорости двигателей, программы оптимизационного расчета высокочастотных АД с целью минимизации массогабаритных показателей машин СММ;
создания объектноориентированных ПЧ, адаптированных к условиям работы в ЭП СММ, методик расчета и выбора их параметров;
теоретических и экспериментальных исследований эксплуатационно-технических и энергетических характеристик ЭП машин СММ с групповым и индивидуальным питанием;
исследований влияния механического демпфирования и демпфирующих свойств ЭП на колебательные нагрузки в зонах гармонического, главного и субгармонического резонансов машин СММ с упругими механическими связями и зазорами в кинематической цепи при параметрических возмущениях;
разработки методов синтеза параметров ЭП с упругой механической связью при внешних и параметрических возмущениях и оптимизации их режимов работы по критерию минимума колебательных нагрузок.
Методы исследований. В теоретических исследованиях использованы методы теории дифференциального исчисления, теории функций комплексного переменного, частотные методы теории автоматического регулирования, теории колебаний и процессов управления в нелинейных системах, теории матриц и оптимального управления, численные методы математического анализа динамических процессов с помощью ЭВМ, экспериментальные исследования на лабораторных и промышленных установках.
Научная новизна.
На основании разработанных технических требований к машинам СММ и их электрооборудованию и анализа состояния ЭП данного класса принята концепция реализации ЭП машин СММ на основе высокочастотных АД с полупроводниковыми ПЧ.
Для решения задач проектирования машин с минимальными массога-баритными показателями в диссертации разработаны:
научно-обоснованные рекомендации по выбору передаточного числа и скорости двигателей, полученные на основании анализа удельной материалоемкости различных типов редукторов и двигателей в диапазоне мощностей 0,25+7,5 кВт;
программа оптимизационного проектирования высокочастотных АД на минимум массы с использованием метода линейного программирования.
3. Разработаны новые схемотехнические решения объектноориентиро-
ванных полупроводниковых ПЧ, адаптированных к условиям работы в составе
ЭП СММ по конструктивному, климатическому исполнению и степени защиты.
В отличие от известных в их состав входят устройства, обеспечивающие реализацию дополнительных функций - подключение ПЧ, нагрузки, согла-сующе-разделительного трансформатора; системы стабилизации выходного напряжения и временного разделения подключения нагрузки; блокировок от пуска ПЧ при подключенной нагрузке и работы в режиме холостого хода. Разработаны инженерные методики расчета параметров ПЧ и оценки влияния их отклонения на коммутационные свойства ПЧ.
4. Установлено, что в машинах СММ при параметрических возмущениях,
связанных с погрешностями передач, резонансные явления имеют место только
на главном резонансе и в области параметров у >1,5 возможна их линеаризация
с ошибками в определении резонансных амплитуд не превышающих 15%. В
машинах с переменным радиусом приведения уравнения движения существен
но нелинейны в связи с одновременным проявлением нескольких параметриче
ских возмущений с различными частотами и более существенной их величины.
Поэтому получение достоверной информации о количественных характеристиках и важных физических свойствах исследуемых объектов достигается при численном решении исходных нелинейных уравнений.
Установлено, что работа машин СММ с возвратно-поступательным характером движения в резонансном режиме позволяет снизить установленную мощность исполнительного двигателя. В нерегулируемом ЭП резонансный режим обеспечивается за счет циклического характера параметрических возмущений и выбора параметров механической части с собственной частотой колебаний, близкой частоте возмущений. Ограничение амплитуд колебаний до допустимого уровня вибробезопасности — за счет реализации демпфирующих свойств ЭП.
Получены обобщенные зависимости резонансных амплитуд колебаний упругого момента при параметрических возмущениях от обобщенного параметра ЭП (отношения квадратов частот недемпфированного механического и электромеханического резонансов), позволяющие производить анализ колебательных нагрузок.
7. Разработан энергетический метод синтеза параметров ЭП с упругой
механической связью, на основании которого впервые получены аналитические
соотношения для определения обобщенных параметров, обеспечивающих ми
нимум резонансных амплитуд колебаний при действии внешних возмущений
на валах двигателя и механизма, а также параметрических возмущениях.
Практическая ценность работы состоит в том, что в результате теоретических, экспериментальных исследований и опытно-промышленного внедрения созданы технические предпосылки решения проблемы создания отечественных конкурентоспособных машин промышленных СММ на базе концепции реализации их ЭП на основе высокочастотных АД и полупроводниковых ПЧ, соответствующих современному уровню научно-технического прогресса.
В работе приводятся:
Научно-обоснованные рекомендации по выбору передаточного числа редуктора электромеханических модулей машин СММ и программа оптимизационного расчета высокочастотных АД, обеспечивающие проектирование машин СММ с минимальными массогабаритными показателями;
Новые технические решения реализации объектноориентированных ПЧ и инженерная методика расчета и выбора их параметров, позволяющие решать задачи ускорения и удешевления процесса создания ПЧ для ЭП СММ конкретных применений;
Математические модели ЭП СММ, учитывающие непостоянство передаточного числа и радиуса приведения, которые позволяют проводить анализ колебательных нагрузок в аналогичных системах ЭП различных производственных механизмах.
Рекомендации по реализации резонансных режимов в регулируемых и нерегулируемых ЭП СММ с возвратно-поступательным движением рабочего органа (РО), обеспечивающие повышение их производительности при снижении установленной мощности двигателя.
Обобщенные зависимости и разработанный энергетический метод синтеза параметров ЭП с упругой механической связью, котрые позволяют находить колебательные нагрузки по известным параметрам ЭП и проводить их оптимизацию.
Разработаны и прошли стадию опытно-промышленного внедрения три типоисполнения транзисторных и четыре типоисполнения тиристорных ПЧ и ЭП СММ на их основе.
Реализация результатов работы.
Под руководством и непосредственном участии автора разработаны четыре типоисполнения тиристорных и три типоисполнения транзисторных ПЧ, адаптированных к условиям работы в ЭП СММ; на основе их реализованы и прошли стадию опытно-промышленного внедрения в период с 1985 по 2005 годы 68 ЭП с групповым и 16 с индивидуальным питанием на предприятиях лесного комплекса, строительной индустрии, текстильной промышленности и сферы коммунального хозяйства Кировской области, республик Коми и Удмуртии.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе в виде лекций, курсовом и дипломном проектировании, лабораторном практикуме ВятГУ и ряде других учебных заведений.
Работы по созданию объектноориентированных ПЧ и на их основе электроприводов машин промышленных СММ проводились в рамках договоров с министерством лесной и деревообрабатывающей промышленности, "Минтопэнерго", ОАО "Лепсе" г. Кирова, ОАО "Ижмаш" г. Ижевска, ЦНИИ МЭЛП г.Химки и другими предприятиями и организациями.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции по автоматизированному ЭП (Таллин, 1975); на Международных (Всероссийских) конференциях по автоматизированному ЭП (Нижний Новгород, 2001, Магнитогорск, 2004); на Международной научно-технической конференции "Проблемы автоматизированного ЭП" (Ялта, 2003); на пятом Международном симпозиуме ЭЛМАШ-2004 "Перспективы и тенденции развития электротехнического оборудования" (Москва, 2004); на Всесоюзной конференции по проблемам тиристорного ЭП (Свердловск, 1977); на пятой республиканской конференции "Развитие технических наук в Киргизии" (Фрунзе, 1980); на Всесоюзной конференции "Состояние и перспективы комплексной автоматизации и роботизации производства" (Ленинград, 1982); третьей Всесоюзной конференции "Роботы и робототехниче-' ские системы" (Челябинск, 1983); на областной научно-технической конференции "ГАП и промышленные роботы" (Киров, 1989); на Всероссийских научно-технических конференциях "Наука-производство-технология-экология" (Киров, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006); на научной сессии президиума Межрегионального Верхне-Волжского отделения Академии технологических наук Российской Федерации (Киров, 2003); на заседании кафедры Автоматизированного электропривода, МЭИ (ТУ) (Москва, 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 76 работ, в том числе 68 статей и докладов, 5 авторских свидетельств, 3 учебных пособия.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 175 наименований, и приложения. Объем работы составляет 304 страницы текста, 142 рисунка и 17 таблиц.
