Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 8
1.1. Анализ конструктивных решений средств активизации рабочих оріанов юрныч машин 8
1.2. Анализ методик расчета электромагнитных средств активизации рабочих органов 21
1.3. Задачи исследований 24
2. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОМЕССА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ МЕХАНИЗМОВ 26
2.1. Обоснование критериев эффективности рабочего процесса электромагнитных импульсных механизмов 26
2.2. Математическая модель тепловых процессов импульсных магнитно-индукционных двиїателеіі ВТМ 35
2.3. Взаимосвязь основных параметров частотных импульсных
Mat нитно-индукционныч двигателей электромолотов 51
Выводы 54
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНО-ИНДУКЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПА ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ 56
3.1. Описание установки, задачи исследований и методика 56
3.2. Исследование закономерностей взаимосвязи электромагнитных и силовых параметров магнитно-индукционных двигателей ВТМ 60
3.3. Исследование теплової о режима работы магнитно-индукционного
двигателя 84
Выводы 91
4. ВЫБОР ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ МАГНИТНО-ИНДУКЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ ВИБРОТРАНСПОРТНЫХ МАШИН 93
4.1. Исходные данные и методика расчета 93
4.2. Пример расчета магнитно-индукционного двигателя ииброуплогнителя ШИУГЫ 103
Выиолы 110
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 112
БИБЛИОГРАФИЯ 114
- Анализ конструктивных решений средств активизации рабочих оріанов юрныч машин
- Обоснование критериев эффективности рабочего процесса электромагнитных импульсных механизмов
- Исследование закономерностей взаимосвязи электромагнитных и силовых параметров магнитно-индукционных двигателей ВТМ
- Пример расчета магнитно-индукционного двигателя ииброуплогнителя ШИУГЫ
Введение к работе
Актуальность работы. В горнодобывающей промышленности процессы разрушения и разделения твердых полезных ископаемых являются одними из наиболее масштабных, энергоемких и, вследствие этого, дорогостоящих операций. На эти цели затрачивается около 5% всей энергии производящейся в нашей стране. В этих процессах широко используются вибрационные машины, а также машины с активными рабочими органами. Это обусловлено тем, что они во многих случаях обеспечивают более высокую, чем у обычных машин, технологическую эффективность. Исследования и практика показывают, что в результате усовершенствования горных машин можно добиться существенного роста показателей работы горно-добывающего предприятия. Поэтому дальнейшее развитие вибрационных машин и оборудования с активным рабочим органом имеет важное экономическое значение.
Вибрационные машины просты по конструктивному устройству. Основными конструктивными элементами являются привод и рабочий орган. Особенным разнообразием отличаются типы приводов, от схемы которых в большой степени зависит общая конструкция машины. В настоящее время наибольшее распространение в горной промышленности получили инерционные, эксцентриковые, и поршневые (пневматические и гидравлические) вибраторы.
Альтернативой перечисленным механизмам являются использующие электрическую энергию линейные импульсные электромагнитные двигатели. Применение этих двигателей для создания возмущающей или ударной силы, позволяет обойтись без сложной трансмиссии, так как передаточным элементом служит тяга. Основными недостатками известных конструкций являются относительно небольшая величина движущего импульса, а также низкий коэффициент полезного действия, что может привести в некоторых случаях к перегреву основного элемента линейного двигателя – обмотки.
В этой связи исследования, направленные на изучение тепловых и электромеханических процессов для повышения эффективности работы горных машин с линейными импульсными электромагнитными двигателями являются актуальной научной задачей.
Предмет исследования - горные машины с линейным импульсным электромагнитным двигателем.
Объект исследования - электромеханические и тепловые процессы в линейном импульсном электромагнитном двигателе.
Цель работы – повышение эффективности работы горных машин с импульсным линейным двигателем за счет выбора рациональных параметров и совершенствования конструкции на основе уточненной математической модели рабочего процесса.
Идея работы заключается в том, что повышение эффективности рабочего процесса линейного импульсного электромагнитного двигателя возможно путем выбора рациональных электромеханических параметров, учитывающих параметры динамической системы рабочего органа и режим работы горной машины.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Параметры динамической системы рабочего органа горной машины определяют параметры электромеханической системы импульсного линейного двигателя.
2. Критериями эффективности преобразования электрической энергии в механическую импульсным магнитно-индукционным двигателем и, соответственно, степени совершенства принятой конструкции, являются величина движущего импульса и его отношение к эквивалентной намагничивающей силе, т.е. относительный электромеханический импульс.
3. Математическая модель магнитно-индукционного импульсного линейного двигателя должна учитывать величину присоединенной массы рабочего органа горной машины.
4. Линейные параметры магнитно-индукционного двигателя и плотность потока энергии в магнитопроводе и катушке ограничиваются одним из основных критериев работоспособности – теплостойкостью.
Научная ценность работы заключается в выявлении взаимосвязи электромеханических и силовых параметров и в разработке математической модели рабочего процесса магнитно-индукционного линейного двигателя.
Практическая ценность диссертации состоит в разработке методики расчета параметров частотных и низкочастотных линейных импульсных двигателей для ВТМ и электромолотов, а также разработке рациональной конструкции этих двигателей.
Достоверность и обоснованность основных научных положений, выводов и рекомендаций обоснована корректным использованием положений теории вероятности и математической статистики, методов математического и физического моделирования, апробированными методами экспериментальных исследований и подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, относительное расхождение не превышает 10-15%.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при проектировании резонансной вибрационной машины для уплотнения шихты в ОАО «Уралредмет» и для машины доводки золотосодержащих шлихов.
Апробация работы. Основные результаты работы и её отдельные положения докладывались на «Неделе горняка», Москва, 2004г. и 2005г., III -ей Международной научно–технической конференции. «Нетрадиционные технологии и оборудование для разработки сложно-структурных МПИ», Екатеринбург,2005 г., 10-ой Международной научно–технической конференции. «Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья», Екатеринбург,2005 г., 8-ой Международной научно-практической конференции « Проблемы карьерного транспорта», Екатеринбург, 2005 г., 11-ой Международной научно–технической конференции. «Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья», Екатеринбург, 2006 г..
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ в журналах, сборниках научных трудов, материалах международных конференций, в том числе 2 статьи в журнале из списка ВАК.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 89 наименований, содержит 122 страниц текста, 26 рисунков и 18 таблиц.
Анализ конструктивных решений средств активизации рабочих оріанов юрныч машин
Характер взаимодействия рабочею органа горной машины с горной массой зависит от его конструктивного исполнения и определяет эффективность рабочею процесса. Главной целью конструктивного совершенствования рабочих оріанов высмочно-пофузочных, транспортных, обогатительных и друїих горных машин является снижение энергоемкости технологическо-ю процесса и расширение их функциональных возможностей, что существенно повышает эффективность и\ работы [1,2,3]. Одним из способов достижения этой цели является активизация рабочего органа при помощи различных механизмов [4, 5,6].
Рассмотрим средства активизации рабочих органов выемочно-погрузочных, транспортных (вибротрансиорных) и других горных машин.
Исследования, проведенные Ю.И.Анистратовым, Р.А. Маттисом и дру-[ими учеными показали, что активизация ковшей экскаваторов типа прямая лопата приводит к существенному повышению их технологических характеристик, возможности экскавации юрных пород средней крепости без проведения буровзрывных работ и в конечном итоге - повышению производительности [7-14]. Активизация струї ов, рабочих органов проходческих комбайнов, уплотнителей, рыхлителей, также приводит к существенному повышению эффективности рабочсі о процесса [15-21 ].
По конструктивному исполнению, средства активизации рабочих органов выемочно-ногрузочных и вибротранспортных машин можно разделить на следующие группы:
Первая фуппа - пневматические активизаторы. В выемочно-поірузочньїх машинах (экскаваторах) - это пневмомолоты, встраиваемые в ковш [22,23,24]. В вибротрансиортных машинах - конвейерах, питателях, грохотах - это поршневые пневматические вибраторы [36,37]. Эти устройства, несмотря на их конструктивное совершенство, имеют существенные недостатки. Во-первых, на электрических машинах (одноковшовых экскаваторах) необходимо иметь компрессор с двигателем, мощность которого соизмерима с мощностью двигателей главных приводов. Установка этого агрегата на поворотную платформу требует существенных конструктивных изменений в серийном экскаваторе что, соответственно, приводит к усложнению конструкции и увеличению массы машины в целом. Во-вторых, пневмомоло-ты даже самых совершенных конструкций имеют относительно небольшой коэффициент полезною действия - 0,3...0,65. С учетом потерь энергии в компрессоре, КПД всего агрегата оказывается ещё" меньше [30,31]. Кроме того пневмомолоты являются механизмами, требующими высокого качества изготовления пары цилиндр-поршень, а также устройств управления и, соответственно, относительно больших затрат на их производство. Их рабочий процесс существенно затрудняется в холодное время года из-за наличия в сжатом воздухе конденсата.
Обоснование критериев эффективности рабочего процесса электромагнитных импульсных механизмов
Технической функцией импульсных электромагнитных механизмов является преобразование электромагнитной энергии в механические импульсы требуемой величины и частоты, при которых обеспечивается высокая эффективность рабочего процесса горной машиной в течении заданного периода времени (наработки на отказ). Обеспечить это возможно при соответствии этих двигателей основным критериям работоспособности: прочности и теплостойкости. Прочность, как правило, определяет работоспособность основных узлов импульсной машины - ударной части якоря и рабочего инструмента. Эти элементы подвергаются ударному нагружению и являются наиболее нагруженными элементами электромагнитного механизма. Главной причиной потери работоспособности по критерию прочности являются повышенные контактные напряжения во время удара в торцах ударной части якоря и хвостовой части рабочего инструмента. Систематическое превышение этими напряжениями предела контактной выносливости приводит к внутренним микроповреждениям, появлению трещин, а затем разрушению деталей. Многолетняя практика эксплуатации гидравлических, пневматических и гидропневматических ударных машин показала, что приемлемая работоспособность ударных частей машины по критерию прочности обеспечивается при величине удельной ударной мощности (отношению ударной мощности к площади хвостовой части рабочего инструмента), находящейся в пределах 0,2...0,4 Вт/мм" [26]. В элсктромолотах с частотой ударов 0,1-1 Гц импульсный двшатель должен иметь такую характеристику, реализация которой могла бы обеспечить необходимую энергию для выполнения технической функции. При такой частоте импульсов тепловые потери в катушке не огра-ннчивают работоспособности и, соответственно, не оказывают существенно-ю влияния на эффективность работы двигателя. Наши исследования на физической модели импульсного магнитно-индукционного двигателя с частотой импульсов 2 Гц подтвердили это. Установившаяся избыточная температура основною элемента злектромаїнитного узла машины - обмотки, за 15 минут непрерывной работы повысилась на 5-10 С. Результаты этого эксперимента дают основание сделать вывод об относительно небольшой вероятности потери работоспособности низкочастотных импульсных магнитно-индукционных двиїателей по критерию теплостойкости.
Теплостойкость определяет долговечность электромагнитных двигателей при частоте импульсов 4 Гц и более. Потеря работоспособности двигателя выражается в коротком замыкании витков обмотки и реже-заклинивании подшипников скольжения. Испытания магнитно-индукционных двигателей, работающих с частотой импульсов 4-Ю Гц, подтвердили это.
Рассмотрим частотные магнитно-индукционные двигатели, устанавливаемые в рабочих органах горных машин, работающих с частотой более 4 Гц и амплитудой 10-150 мм. Эти магнитно-индукционные машины по величине присоединенной к рабочей части якоря массе можно разделить на две фуппы: к первой группе относятся машины с присоединенной массой меньше, чем масса якоря - электромолоты; ко второй группе - с присоединенной массой существенно (в 10... 100 раз) больше - вибротранспортные машины (ВТМ) и т.н.. Максимальный ход якоря в машинах первой группы (электромолотах) принимается равным половине длины катушки. В магнитно-индукционных машинах второй группы (ВТМ) ход якоря в 2-4 раза меньше и находится в пределах 5-20 мм.
Исследование закономерностей взаимосвязи электромагнитных и силовых параметров магнитно-индукционных двигателей ВТМ
Движущий импульс действует на рабочий орган ВТМ сотые доли секунды и за это время он сообщает колебательной системе энергию, минимально необходимую для поддержания стабильных колебаний. Она должна быть не меньше диссипативных потерь в элементах упругой подвески.
Величину движущего импульса магнитно-индукционного двигателя непосредственно замерить практически невозможно, поэтому был применен косвенный способ измерения, основанный на законах сохранения количества движения и сохранения энергии. Такой способ определения импульса движущей силы можно использовать для ВТМ, у которых потери энергии за один никл колебаний не превышают ошибки измерений (5-8 %). Для определения величины потерь энергии за один цикл колебаний был проведен эксперимент. Он заключался в том, что колебательная система выводилась из ранновесня, а затем подсчитывалось число колебаний до их полного затухания. В результате эксперимента установлено, что с увеличением резонансной частоты, диссипация энергии возрастает. Это хорошо согласуется с данными исследований, приведенными в работах [73,74]. При частоте 4 Гц число колебаний до затухания составило 140-160. При присоединении к рабочему орга-ну импульсною двигателя число колебаний до полного затухания уменьшается. Это свидетельствует о повышении диссипации энергии в динамической системе за счет потерь на трение в шарнирах.
В результате эксперимента установлено, что уменьшение амплитуды в 20-25 раз происходит за 20-40 циклов колебаний. Следовательно, потери энергии в упруг их опорах не превышают 5%.
Пример расчета магнитно-индукционного двигателя ииброуплогнителя ШИУГЫ
Виброуплотнитель предназначен для уплотнения сыпучих материалов (например, шихты). Он состоит из двух рам: неподвижной нижней и подвижной верхней. Верхняя подвижная рама опирается через пружины на нижнюю раму. На нижней раме вертикально закреплены корпуса (статоры) двух импульсных двигателей. Якоря эти\ двигателей прижимаются к упорам верхней рамы встроенными в статор пружинами.
Направление вибраций рабочего оріана виброуплотнитсля вертикальное. Для получения отношения виброускорения к ускорению свободною падения больше единицы, ход рабочею органа вниз ограничивается дополнительными упругими опорами.
В соответствии с техническим заданием заказчика, уплотнитель шихты должен иметь следующие параметры:
1. тґ0 = 1500 кг - масса рабочего органа;
2. /= 3 Гц - частота колебаний;
3. U = 250...315 В - напряжение заряда конденсаторов (однофазная сеть 220 В);
4. Максимальная величина ускорения рабочего органа должна быть равна (1,2... 1,5)g.
Остальные исходные параметры принимаются конструктором:
1. у, =0,1 - коэффициент поглощения;
2. Ап.п = 15 мм - амплитуда колебаний;
3. /; = 0,15 - КПД импульсною двигателя с конденсаторным накопителем энергии;
4. щ = 2 - количество двигателей, устанавливаемых на рабочем органе;
5.Тип конденсаторов - электролитические.
Энершя, рассеивающаяся в соединениях за один период, находится из формулы /: =0,5у/,(С vfv J = 0,5-0Ж)(5350(Ю 0,0/5 =3,6 Дж, і де С - приведенный коэффициент жесткости опор (Сп = 535000 Н/м).
Необходимая величина движущего импульса, обеспечивающая стабильную работу ВТМ, находится из уравнения Ftu = т[у,С„А;,тп = Л/о,06-535000-0.0152-1500 104 И-с.
